带有多个燃料喷射器的对置活塞发动机的燃料喷射策略的制作方法
【专利摘要】在对置活塞发动机中，两个或更多个燃料喷射器被安装到汽缸以用于直接侧喷射到该汽缸内。喷射器被控制以便在发动机运行的每个循环中喷射单一燃料脉冲或多个燃料脉冲，从而在不同的发动机转速和运行条件下启动燃烧。
【专利说明】带有多个燃料喷射器的对置活塞发动机的燃料喷射策略
【背景技术】
[0001] 本公开涉及用于直接侧喷射的对置活塞发动机的燃料喷射策略。特别地，本公开 涉及配备多个喷射器的对置活塞汽缸中的燃料喷射。
[0002] 有效燃烧是柴油发动机运行中固有的基本挑战。在传统柴油发动机中通常是通过 从在防火板（fire deck)上的中央位置直接地喷射燃料到在活塞的端表面与该防火板之间 限定的适当成形的燃烧室中来解决该挑战。
[0003] 在对置活塞式结构中，两个活塞冠部对冠部地布置在一个汽缸内，在该汽缸中，它 们在上止点（TDC)和下止点（BDC)位置之间相对地移动。当这些活塞接近TDC时，在汽缸 内这些活塞的端表面之间限定了该燃烧室。因此，在对置活塞发动机中不可能将燃料喷射 器安装在面对活塞端表面的中央位置中。取而代之的是，燃料喷射器安装位置通常位于汽 缸的侧壁上、在活塞端表面的TDC位置之间。这导致直接侧喷射配置，这是对置活塞发动机 设计的特征。也就是说，燃料通过该汽缸的侧壁被直接喷射到燃烧室内。
[0004] 直接侧喷射的一个问题是喷射的燃料径向地或切向地行进到汽缸内、横向于充气 漩涡的轴线，这可以抑制空气/燃料混合并且致使不完全和/或不均匀的燃烧。因此，期望 的是改进直接侧喷射的对置活塞发动机的燃料喷射能力。
【发明内容】
[0005] 在一个方面，本公开涉及用于对置活塞发动机中改进直接侧喷射的燃料喷射方法 和系统，以便加强空气/燃料混合并且改进燃烧。
[0006] 在另一方面，本公开涉及一种对置活塞发动机，该发动机包括至少一个汽缸，该至 少一个汽缸配备有用于直接侧喷射到该汽缸内的两个或更多个燃料喷射器。控制每个喷射 器，从而在发动机运行的每个循环中喷射单一燃料脉冲或多个燃料脉冲以响应于变化的发 动机转速和运行条件。
[0007] 在进一步的方面，本公开涉及从第一燃料喷射器和第二燃料喷射器喷射燃料到对 置活塞发动机的燃烧室内，该燃烧室当对置活塞接近上止点位置时被限定在所述活塞的端 表面之间，这样由该第一燃料喷射器喷射的燃料包括主喷射在其后的至少一次引燃喷射， 并且由该第二燃料喷射器喷射的燃料包括主喷射在其后的至少一次引燃喷射。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为带有单一燃料喷射器的对置活塞发动机汽缸的剖视图，该燃料喷射器被安 装用于直接侧喷射到在一对对置活塞的端表面之间的汽缸孔空间内。
[0009] 图2为带有多个燃料喷射器的对置活塞发动机汽缸的剖视图，所述燃料喷射器被 安装用于直接侧喷射到在一对对置活塞的端表面之间的汽缸孔空间内。
[0010] 图3为对置活塞发动机的优选燃料喷射系统的示意图。
[0011] 图4为示出了图1的单一燃料喷射器构造的喷射器致动和喷射速率的图表。
[0012] 图5为示出了体现用于图2的多个燃料喷射器构造的第一控制策略的喷射器致动 和喷射速率的图表。
[0013] 图6为示出了体现用于图2的多个燃料喷射器结构的第二控制策略的喷射器致动 和喷射速率的图表。
【具体实施方式】
[0014] 图1示出了对置活塞发动机的汽缸，该汽缸是以剖面示出。该汽缸10具有位于该 汽缸的对应的末端附近的排气口 12和进气口 14。电致动的燃料喷射器20具有喷嘴22,该 喷嘴位于通过汽缸10的侧壁钻取的孔洞24中。孔洞24位于孔位置26和27之间，所述孔 位置对应于设置在该汽缸孔内的一对对置活塞（未示出）的端表面的对应的TDC位置。当 活塞处于或接近其TDC位置时，燃料喷射器20被操作以将燃料喷雾30喷射到在活塞端表 面之间的汽缸孔空间中。
[0015] 图2为带有多个电致动的燃料喷射器50的对置活塞发动机汽缸40的剖视图，所 述燃料喷射器50被安装用于直接侧喷射到在一对对置活塞的端表面之间的汽缸孔空间 中。每个燃料喷射器50具有喷嘴52,该喷嘴位于通过汽缸50的侧壁钻取的孔洞54中。孔 洞54位于多个孔位置之间，所述孔位置对应于在设置在该汽缸孔内的一对对置活塞58和 59的端表面的对应的TDC位置。随着活塞58和59朝向TDC移动，湍流移动的充气在其端 表面之间被压缩。当活塞58和59位于或靠近TDC时，燃料喷射器50中的一个或每个被操 作以便在活塞端表面之间的汽缸孔空间内将对应的燃料喷雾60喷射到压缩充气中。该燃 料被混合到压缩的、湍流的充气中并且由压缩产生的热量致使空气/燃料混合物点燃。
[0016] 在图3中以示意图形式示出了对置活塞发动机的燃料喷射系统。燃料喷射系统 100包括具有一个或多个汽缸的对置活塞发动机103。每个汽缸都具有与图2的汽缸40的 构造相对应的构造。因此，每个汽缸40具有被设置用于在其中相对运动的一对对置活塞 (未示出）以及在活塞的TDC位置之间的多个燃料喷射器50。例如，每个汽缸都具有两个燃 料喷射器50。优选地，燃料从包括导轨/蓄积器机构的燃料源160供给到燃料喷射器50， 燃料从贮存器中泵送到该导轨/蓄积器机构。燃料返回歧管162收集来自燃料喷射器50 和燃料源的燃料以返回到贮存器中。
[0017] 发动机控制单元（ECU) 162接收来自多个传感器（未示出）的数据，这些传感器测 量与发动机、变速器等的运行条件相关的参数值。ECU162包括一种燃料喷射控制机构，该机 构实施响应于从传感器获得的测量的参数值的多个燃料喷射控制程序。这些控制程序致使 产生输出控制信号，该输出控制信号被f禹合到电子多通道喷射器驱动器165。响应于所述控 制信号，该喷射器驱动器165在分开的专用通道上产生驱动信号以操作燃料喷射器50。换 句话说，喷射器驱动器165以电子的方式使每个燃料喷射器50的运行能够独立于所有其他 燃料喷射器50。
[0018] 优选地，每个燃料喷射器50包括操作该喷射器的电操作的致动器（如螺线管）或 者与该电操作的致动器相关联。优选地，致动器由喷射器驱动器165产生的对应的驱动信 号控制。例如，代表性的驱动信号由脉冲宽度调制（PWM)波形167说明。每个此类波形具 有将致动器设定到第一状态的第一边沿168以及将该致动器从该第一状态重置到第二状 态的第二边沿169。优选地，该第一状态打开燃料喷射器50的喷嘴，从而启动发出燃料脉冲 60 (也称为"喷射"）到汽缸40内；而该第二状态关闭燃料喷射器50的喷嘴，终止喷射。可 替换地，燃料喷射系统100可以被装备成响应于其他类型和/或形状的驱动信号。
[0019] 假设脉冲宽度调制波形用于操作燃料喷射器50,由燃料喷射器发出的任意一次喷 射的持续时间对应于该驱动脉冲的宽度：窄脉冲产生持续时间短的喷射；宽脉冲产生持续 时间较长的喷射。燃料喷射系统100被设计为以包括一次或多次喷射的多种燃料喷射模式 运行每个喷射器。在第一运行模式中，燃料喷射器发出单一喷射到燃烧室内以启动燃烧。 在被称为"分段喷射"的第二运行模式中，燃料喷射器发出两次或更多的喷射到燃烧室内以 启动燃烧：至少一次相对窄的第一喷射（被称为"引燃喷射"）之后是相对较长的第二喷射 (被称为"主喷射"）。该引燃喷射和主喷射由时间间隔分隔。为了产生具有明确限定形状 的以及精确定时的持续时间的分段喷射，燃料喷射系统100的运行还被设计成观察在相继 的驱动信号脉冲的相继边沿之间测量的最小时间间隔（被称为"脉冲间间隙"或IPG)。不 能保持该脉冲间间隙能导致重叠喷射或喷射的燃料量的变化。
[0020] 燃料喷射系统100进一步被设计成根据发动机运行条件的需要从单一喷射转换 到分段喷射以及从分段喷射转换到单一喷射。进一步地，由于每个汽缸的多个独立控制的 燃料喷射器，燃料喷射系统100的设计使得能够根据发动机运行条件的需要而从每个汽缸 运行单个燃料喷射器转换到每个汽缸运行多个燃料喷射器，以及从每个汽缸运行多个燃料 喷射器转换到每个汽缸运行单个燃料喷射器。
[0021] 毎个汽缸带有单个啼射器的燃料啼射:参照图1和4,其中每个汽缸都只具有单一 燃料喷射器的对置活塞发动机被约束，因为需要特定孔口区域以便在特定的发动机转速下 在给定数量的曲柄角度内引入燃料装填。这种限制能够对喷雾质量有害，并且会不利地限 制可用的最小引燃燃料。进一步地，因为必须保持IPG以确保先前喷射已经完成以及螺线 管内的剩磁已经衰变，所以由该螺线管致动的单一喷射器具有多种限制。图4中示出了单 一喷射器致动（驱动）信号曲线180和燃料喷射速率曲线182。该图表示出了包括两次引 燃喷射182pl，182p2以及主喷射182m的分段喷射。第一致动脉冲180al在1毫秒（msec) 开始，而大约0.5毫秒以后跟随的是引燃喷射182pl。在该第一引燃喷射182pl结束之后，第 二致动脉冲180a2在2毫秒处开始。第二致动脉冲180a2的上升沿在第一致动脉冲180al 的下降沿之后约0.75毫秒处发生。假设0.75毫秒为IPG。如果忽视了该IPG并且第二致 动脉冲180a2在第一喷射182pl结束之前开始，那么喷射的燃料量和第二引燃喷射182p2 的正时能够偏离预期值。这是由于第二引燃喷射182p2减少喷射响应时间致使正时和数量 的错误。显然地，由该IPG强加的最小时间间隔限制了能够由单一喷射器在给定曲柄角度 内应用的喷射次数。
[0022] 毎个汽缸带有多个啼射器的燃料啼射:参照图2和5,对置活塞发动机包括配备 有被顺序地和/或同时地致动的多个喷射器的至少一个汽缸。例如，根据图5,两个燃料喷 射器50根据图5中所示的致动曲线和喷射曲线运行。示出了存在的三次引燃喷射，两次 (192pl和192p2)来自于燃料喷射器50中的第一燃料喷射器，并且一次（193p)来自于第二 燃料喷射器。假定导致所述两次引燃喷射192pl和192p2的两个致动脉冲190al和190a2 经受与图1的燃料喷射器相同的IPG(0. 75毫秒）。致动脉冲191a致使第三引燃喷射193p 在两次引燃喷射190al和190a2之间发生，因此提供了在单个喷射器可以提供最多两次引 燃喷射的时间内发生的三次紧密成组的引燃喷射。这导致了在给定时间内的最大喷射次 数，N max。例如，由以下给出了使用两个喷射器时的Nmax :Nmax = Nlmax+(Nlmax-l)，其中Nlmax为在 最小时间间隔的约束下来自一个燃料喷射器的最大喷射次数。通过额外的喷射器以及由多 个燃料喷射器提供的重叠喷射，在给定时间内可实现比用单一燃料喷射器可以实现的更多 次数的喷射。因为燃料喷射器被设置在该汽缸周边上的不同的圆周位置，所以它们喷射到 该燃烧室的不同的区域内，并且用这种方法可获得的空气不是问题。主喷射192m+193m产 生如图5中示出的聚合的主喷射，这导致如由两个主致动脉冲190m和191m的对准所指示 出的两个喷射器50的基本同时致动。这样使进入该燃烧室的喷射速率加倍并且使该聚合 的主喷射的持续时间减半。
[0023] 图6示出了使用多个喷射器以便依据速率成形（rate-shape)聚合的主喷射的喷 射量的示例。在图5中，喷射包括来自两个燃料喷射器的交错的分段喷射，该喷射致使三次 紧密成组的引燃喷射。引燃喷射组之后是依据速率成形的聚合主喷射200m。如所示出的， 首先致动第二燃料喷射器以形成主喷射的第一部分200ml。在适当的延迟之后，第一燃料 喷射器还被致动，使得两个燃料喷射器同时引入燃料。如在图6中明显的是，燃料在第一部 分200ml期间以第一速率喷射，并且该喷射速率在第二部分200m2中增大。喷射速率从而 被"成形"。主致动脉冲的相对移动和/或其持续时间的变化可产生聚合的主喷射中的不同 形状。依据速率成形的能力减少了预混峰值并且允许更顺畅的燃烧以及减少排放。
[0024] 在图6中，后喷射210被示出跟随聚合的主喷射200m。后喷射210可以通过单独 致动第一喷射器产生，从而提供用于后喷射的最小燃料装填。如果希望的话，可以通过任一 喷射器的多次致动或通过与针对成组的引燃喷射描述的类似的两个喷射器的顺序致动来 施加多次后喷射。
[0025] 应当明显的是，在具有位于同一汽缸内的多个电子控制的燃料喷射器的对置活塞 发动机中的直接侧喷射允许单一燃料喷射器不可获得的多个自由度。喷射可为同时的，顺 序的或交错的，从而提供间隔很近的多次喷射以及速率成形。这些额外的自由度提供了增 强的性能和排放可能性。使用多个燃料喷射器允许喷射器喷嘴孔洞的尺寸相对于喷雾特性 被最优化，同时提供了能够增加可获得的孔洞的数量的灵活性以允许快速引入燃料装填。 相反，独立控制的燃料喷射器允许在低燃料需求下减少孔洞的数量以延长喷射时间和使燃 烧平稳。具有在给定循环中致动单一喷射器或多个喷射器的能力允许在较低的量下使用较 高的导轨压力，从而提供了与可从具有高流动特性的单一喷射器获得的相比更好的喷雾质 量。此外，通过在围绕周边的不同位置处顺序地致动多个喷射器，可以使不同的或类似的量 的多次喷射在不同位置被引入到汽缸内并且全权考虑所述喷射的正时。
[0026] 尽管已经参照多个代表性实施例描述了用于对置活塞发动机的燃料喷射策略，但 是应当理解的是，可以进行不同的修改而不背离基本原理。因此，对这些策略的专利保护仅 由所附权利要求限定。
【权利要求】
1. 一种用于对置活塞发动机（103)的燃料喷射系统（100)，该系统包括： 至少一个汽缸（40)，该至少一个汽缸具有被相对设置以在其中的上止点与下止点之间 运动的一对活塞（58, 59); 多个燃料喷射器（50)，其被定位成用于在所述活塞之间将燃料直接侧喷射到所述汽缸 内； 控制单元（162)，当所述活塞靠近所述汽缸内的上止点位置时，所述控制单元响应于发 动机运行条件以产生燃料喷射控制信号；以及 喷射器驱动器（165)，该喷射器驱动器响应于第一控制信号产生第一燃料喷射器致动 信号（180)以及产生第二燃料喷射器致动信号（190al，190a2;191a)，所述第一燃料喷射器 致动信号可操作为使单一燃料喷射器将燃料喷射到所述汽缸内，所述第二燃料喷射器致动 信号可操作为使至少两个燃料喷射器将燃料喷射到所述汽缸内。
2. 根据权利要求1所述的燃料喷射系统，其中所述第一燃料喷射器致动信号进一步可 操作为使所述单一燃料喷射器通过分段喷射将燃料喷射到所述汽缸内。
3. 根据权利要求1所述的燃料喷射系统，其中所述第二燃料喷射器致动信号进一步可 操作为使每个燃料喷射器通过分段喷射将燃料喷射到所述汽缸内。
4. 根据权利要求3所述的燃料喷射系统，其中所述分段喷射中的每个都包括引燃喷 射，该引燃喷射在时间上与随后的主喷射分隔至少最小间隔。
5. 根据权利要求4所述的燃料喷射系统，其中所述分段喷射包括重叠的第一分段喷射 和第二分段喷射。
6. 根据权利要求5所述的燃料喷射系统，其中所述第一分段喷射的引燃喷射与所述第 二分段喷射的引燃喷射偏移小于所述所述最小间隔的时间量。
7. 根据权利要求6所述的燃料喷射系统，其中所述喷射器驱动器进一步响应于第二控 制信号使得所述第一燃料喷射器和第二燃料喷射器中的每个发出单个喷射。
8. -种运行根据权利要求1所述的用于对置活塞发动机的燃料喷射系统（100)的方 法，其特征在于 ： 使一对对置活塞（58,59)在所述汽缸（40)内移动；并且， 当所述活塞接近上止点位置时，将来自第一和第二燃料喷射器（50)的燃料喷射到在 所述活塞的端表面之间限定的所述发动机的燃烧室内，使得由所述第一燃料喷射器喷射的 燃料包括随后是主喷射（192m)的至少一次引燃喷射（192pl)，并且由所述第二燃料喷射器 喷射的燃料包括随后是主喷射（193m)的至少一次引燃喷射（193p)。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中每次引燃喷射与其随后的主喷射在时间上分隔至 少一个脉冲间间隙即IPG。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中由所述第一燃料喷射器和第二燃料喷射器喷射 的引燃喷射偏移了小于所述IPG的时间量。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中由所述第一燃料喷射器和第二燃料喷射器喷射 的主喷射是基本同时的。
12. 根据权利要求7所述的方法，其中由所述第一燃料喷射器喷射的燃料包括第一引 燃喷射和第二引燃喷射，所述第二引燃喷射从所述第一引燃喷射延迟至少脉冲间间隙即 IPG，并且所述主喷射从所述第二引燃喷射延迟。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中由所述第二燃料喷射器喷射的引燃喷射在时间 上发生在所述第一燃料喷射器的第一引燃喷射与第二引燃喷射之间。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述第一燃料喷射器和第二燃料喷射器的主喷 射在时间上基本同时发生。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中所述第一燃料喷射器和第二燃料喷射器的主喷 射在时间上重叠。
16. 根据权利要求7所述的方法，其中由所述第一燃料喷射器喷射的燃料进一步包括 跟随所述主喷射的至少一次后喷射。
17. 根据权利要求7所述的方法，其中由所述第二燃料喷射器喷射的燃料进一步包括 跟随所述主喷射的至少一次后喷射。
18. -种运行燃料喷射器（50)的方法，所述燃料喷射器被定位为将燃料直接侧喷射到 根据权利要求1所述的对置活塞发动机（103)的汽缸（40)内，该方法的特征在于： 使一对对置活塞（58, 59)在所述汽缸（40)内移动；并且， 当所述活塞接近上止点位置时，在所述活塞的端表面之间喷射来自第一和第二燃料喷 射器（50)的燃料，其中燃料由具有第一分段喷射（192pl，192p2，192m)的第一燃料喷射器 喷射，并且燃料由具有第二分段喷射（193p，193m)的第二燃料喷射器喷射。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第一分段喷射和第二分段喷射中的每个都 包括引燃喷射，该引燃喷射在时间上与随后的主喷射分隔至少最小间隔。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一分段喷射的引燃喷射与所述第二分段 喷射的引燃喷射偏移小于所述最小间隔的时间量。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述第一喷射和第二喷射的主喷射是基本同时 的。
22. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第一分段喷射包括第一引燃喷射和第二引 燃喷射，该第二引燃喷射从所述第一引燃喷射延迟至少最小间隔，并且所述主喷射从所述 第二引燃喷射延迟。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述第二分段喷射的引燃喷射在时间上发生在 所述第一分段喷射的第一引燃喷射与第二引燃喷射之间。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中所述第一分段喷射和第二分段喷射的主喷射在 时间上基本同时发生。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中所述第一分段喷射和第二分段喷射的主喷射在 时间上重叠。
26. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第一分段喷射进一步包括跟随所述主喷射 的至少一次后喷射。
27. 根据权利要求18所述的方法，其中所述第二分段喷射进一步包括跟随所述主喷射 的至少一次后喷射。
【文档编号】F02D41/30GK104105863SQ201280052565
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2012年10月22日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】C·A·科莱扎, F·G·勒东 申请人:阿凯提兹动力公司