專利名稱：可進行多次噴油的火花點火內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及向火花點火內燃機的汽缸直接供油的一種系統和方法。
雖然火花點火、直接噴油、四沖程內燃機在內燃機行業中已出現多時，但仍未獲得廣泛應用。火花點火、直接噴油的發動機之所以未能廣泛采用，至少在汽車工業中未能廣泛采用，與以下若干因素有關，它們是與柴油燃料相比而出現的汽油潤滑問題、由于利用空氣時導至排放顆粒物質、包括煙霧在內的問題，以及與爆燃控制有關的問題。
本發明的發明人確認，最好采用多次噴油來運行直接噴油、火花點火(下文將稱為DISI)發動機。雖然在文獻(“火花點火、直接噴油汽油機的混合氣體準備和燃燒控制對策的綜述”Zhao等，美國汽車工程師學會技術報告970627；“直接噴油火花點火發動機的混合氣體形成過程和燃燒過程”Matsushita等，美國汽車工程師雜志，1996年10月第965期)中已提出了對分式噴油，但對稱作對分式噴油所作的早期工作是要在發動機汽缸內保持分層注油。保持分層的要求與申請人要求保護的發明大相徑庭。本發明人確認分層會引起生成顆粒物質和煙霧，而目前已對這兩種廢物的排放進行了管制，看來將來會對它們實行更嚴格的管制。
本發明的噴油系統和方法借助至少在四沖程循環的兩個時間間隔內噴射燃油解決了與常規DISI發動機中所用系統有關的問題。本發明人確認在循環初期，也即在吸氣沖程或進氣沖程期間噴射一部分燃油，從而通過冷卻注油有利于提高發動機的體積效率。此外，還確認，在循環后期，如上止點(BTDC)之前的150度曲柄角時噴射一部分燃油則更為有利。在壓縮沖程后期噴射一部分燃油可有效地使發動機的爆燃受限的點火提前角增加，從而改進發動機運行的熱效率。
本發明提出了一種火花點火、往復式內燃機，該種內燃機至少包括一個活塞，該活塞放置在被汽缸蓋封閉的汽缸內，和一個燃油系統，該系統用于將燃油直接噴入至發動機汽缸中，且由噴油系統在第一次噴油期間噴第一個份額的燃油，在第二次噴油期間噴射第二個份額的燃油，從而獲得均勻的混合體。第一次和第二次噴油過程的定時，以及第一噴油過程期間的噴油量都選成，能使汽缸中最終的空氣/燃油混合體是均勻的。按照本發明，具有本發明的燃油系統的DISI發動機在全負載運行期間，將燃燒均勻的燃油混合體。第一個和第二個燃油份額值由發動機控制器加以確定，該控制器根據一個或多個發動機運行參數測量值進行工作。
當發動機從較低速度下的運行點過渡至較高速度下的運行點時，第一次和第二次噴油過程的開始點提前，或反之。當發動機按四沖程循環運行時，第一次噴油過程的開始點一般發生在進氣沖程上止點后(ATDC)的30至120度曲柄角之間。第二次噴油過程的開始點一般發生在壓縮沖程上止點前60-180度曲柄角之間。一般，第一次噴油過程的開始選成，使燃油噴射中的大部分油滴能在進氣閥(一些進氣閥)關閉之前恰好汽化。這樣，由燃油汽化產生的注油冷卻對體積效率的影響將最大。第二次噴油過程的開始則選成，能形成一種均勻的混合體，從而避免產生煙灰和不穩定的燃燒。根據這一約束條件，應將第二次噴油過程定時成盡可能的晚，以便使注油冷卻的爆燃抑制效應達到最大。當然，這兩個噴油過程的定時都與發動機速度及燃油液滴的尺寸有關。
第一個燃油份額與第二個燃油份額之比造成，在第二次噴油過程期間只有小量的燃油可利用，以便使發動機得以在MBT打火定時時或在MBT打火定時附近、無爆燃地進行運行。


圖1是具有本發明提出的燃油系統的發動機局部切去的剖視圖；圖2是一示意框圖，它表示具有本發明提出的燃油系統的發動機的各種部件；圖3是一程序框圖，它表示本發明提出的發動機的加油方法。
在圖1中是一臺往復式內燃機，它具有位于汽缸14之內的活塞12，汽缸14被汽缸蓋24封閉，接受通過進氣閥20進入的空氣；廢氣則通過排氣閥22從汽缸14排出。燃油借助噴油器16進人汽缸14，噴油器16受控制器30的操縱(圖2)。通常，燃燒混合氣體借助火花塞18進行點火，此火花塞18也受控制器30的操縱。本領域普通技術人員將對公開的內容表示贊賞，因為本發明提出的系統可應用于單或多缸、二或四沖程循環的、具有一個、兩個或多個進氣和/或排氣閥的發動機，其詳細結構可由那些渴望應用本發明提出的系統的人士加以進行。
如圖2所示，發動機控制器30最好是屬于本領域普通技術人員已知的那類控制器，它接受若干傳感器32發出的數據，操縱內燃機。這些傳感器測量以下的發動機運行參數，如吸入空氣的溫度、燃油壓力、油門位置、發動機冷卻液溫度、發動機潤滑劑溫度、進氣系統絕對壓力、燃油系統壓力、發動機速度、發動機負載、排氣系統溫度、廢氣含氧量、以及本領域普通技術人員已知的、和本發明建議的那些其它參數，并按照各種發動機運行參數產生輸出信號。
控制器30連續地讀取傳感器32輸出的數據，確定每一四沖程汽缸過程期間發生的多次噴油的總噴油量，或者，當本發明用于二沖程循環發動機時，確定二沖程汽缸過程期間發生的多次噴油的總噴油量。控制器30還確定多次噴油中每次噴油的相對份額，以及多次噴油的定時。然后按照預定的燃油量和定時，控制器30起動噴油器16。這里假定，由噴油器16供給發動機汽缸的燃油量一般正比于噴油器按常規脈寬調節噴油策略處于打開狀態的總時間量，也正比于噴油器中燃油壓力的平方根。當然，這兩個參數都可根據應用系統的任一具體發動機的需要加以控制和選擇。
圖3僅表示了應用本發明系統的許多可能算法中的一種。程序開始于圖框50，其中控制器30沿計算路線起動。在圖框52，控制器30讀取傳感器32的輸出數據。在圖框54，控制器30按照應用本發明系統的不同類型的發動機，計算出二或四沖程循環期間需輸送的總燃油量。接著至圖框56，控制器30確定燃油相對份額。這些份額要選成能使發動機效率按本說明書前述辦法達到最優。具體講，在循環早期噴射相對較大的燃油量可提高體積效率。但是，如果循環早期噴油的份額太大，則可用于抑制火花爆燃或預點火的后期注油冷卻將不可得到。因此，本發明的發明人確定，在循環初期噴三分之二的燃油，保留三分之一燃油進行后期噴射可產生均勻充氣，從而既能產生注油冷卻，又能產生高的體積效率，同時還能抑制爆燃。
本發明的發明人還確定，甚至在循環后期噴入三分之一燃油，所得到的體積效率也接近單次早期噴油的體積效率。下述圖表表示一臺在1500、3000和4000rpm(每分鐘轉數)下運行的發動機的典型噴油開始點的定時。圖表中，ATDC表示進氣沖程中過上止點后的平均曲柄角度；BTDC表示壓縮沖程中上止點之前的平均曲柄角度。1500rpm第一次噴射-90ATDC第二次噴射-90-120BTDC3000rpm第一次噴射-40-50ATDC第二次噴射-120-150BTDC4000rpm第一次噴射-30ATDC第二次噴射-150-180BTDC計算多次噴油中各次噴油的燃油份額以及各次噴油的定時是為了使發動機扭矩達到最大。這意味著控制器30需不斷重新計算各次噴油的相對燃油份額及其定時。各次噴油的定時是在程序塊58中參照發動機速度確定的。如本領域普通技術人員所知的那樣，在各種發動機速度下必須有足夠的時間使燃油能充分汽化，從而避免形成不必要的煙霧和顆粒物質。在程序塊60，按照預定的份額和總噴油量，以及噴油定時，控制器30命令噴油器16向發動機提供燃油。然后在圖框62，程序繼續進行，從圖框62走向圖框58處進行新的讀取傳感器輸出數據。
控制器30的另一作用是計算控制火花塞18的打火定時。本發明人已確認，一般最好在MBT打火定時下運行DISI發動機。這時，MBT被釋義為最佳扭矩下的最小打火提前角。此MBT定時由控制器30考慮了許多由傳感器32提供的運行參數檢測值，或借助檢索表，或借助一種算法而加以確定。此處的差異在于，燃油量、噴油定時和相對燃油份額是與MBT打火定時同時確定的，從而使發動機效率達到最大。噴油的量和定時可在確定MBT定時時加以應用。最后，控制器30選擇的真實定時可以不是預計的MBT定時，而只是MBT定時的函數。例如，控制器30進行的初步計算確定，MBT定時應為上止點前25度曲柄角，可將定時設置在上止點前20度，以保證發動機不發生爆燃。
雖然本發明是以其最佳實施例加以表示和說明的，但對那些本領域普通技術人員而言，顯然，只要不偏離本發明的范圍，對此可進行許多變化和修改。
權利要求
1.一種火花點火、往復式內燃機，該種內燃機包括至少一個活塞，該活塞放置在被汽缸蓋封閉的汽缸內；和一個燃油系統，該系統用于將燃油直接噴人發動機汽缸中，且由所述噴油系統在第一次噴油期噴射第一個份額的燃油，在第二次噴油期間噴射第二個份額的燃油，以獲得均勻混合體。
2.如權利要求1的發動機，其特征在于，所述第一次和第二次噴油過程的定時，以及所述每一噴油過程期間的噴油量都選成，能使所述汽缸中最終的空氣/燃油混合體是均勻的。
3.如權利要求1的發動機，其特征在于，在全負載運行期間所述發動機燃燒均勻的空氣/燃油混合體。
4.如權利要求1的發動機，其特征在于，所述第一個份額和所述第二個份額由發動機控制器根據一個或多個發動機運行參數的測量值加以確定。
5.如權利要求1的發動機，其特征在于，所述第一個份額約為燃油的三分之二，而所述第二個份額為所噴燃油的三分之一。
6.如權利要求1的發動機，其特征在于，當發動機從較低速度下的運行點過渡至較高速度下的運行點時，所述第一次和第二次噴油過程的開始點提前。
7.如權利要求1的發動機，其特征在于，對按四沖程循環運行的發動機，所述第一次噴油過程的開始點位于進氣沖程上止點之后的30至120度曲柄角度之間。
8.如權利要求1的發動機，其特征在于，對按四沖程循環運行的發動機，所述第二次噴油過程的開始點發生于壓縮沖程上止點之前的60至180度曲柄角度之間。
9.如權利要求1的發動機，其特征在于，所述第一個燃油份額與所述第二個燃油份額的比例按以下要求選擇，即在第二次噴油過程期間，只有最小量的燃油可加以利用，以便發動機得以在MBT打火定時時刻無爆燃地進行運行。
10.一種用于火花點火內燃機的多次噴油系統，該系統包括至少一個噴油器，用于在多次噴油過程期間將燃油直接噴人發動機汽缸中；若干傳感器，用于測量若干發動機運行參數值，并按所述測量值產生輸出信號；一個控制器，用于操縱所述噴油器、接受所述傳感器的輸出數據，以及確定在每一汽缸循環期間由所述噴油噴射的燃油總量；在所述多次噴油過程的每一噴油過程期間噴油總量的各相對份額；和多次噴射過程中每一噴油過程的定時。
11.如權利要求10的多次噴油系統，其特征在于，所述控制器還確定MBT打火定時。
12.如權利要求10的多次噴油系統，其特征在于，所述控制器還至少隨多次噴油過程中每一噴油過程期間噴油泵量的相對份額的變化來確定MBT打火的定時。
13.一種用于火花點火內燃機的多次噴油系統的運行方法，該方法包括測量若干發動機運行參數值，并按照所述測量值產生輸出信號；將傳感器的輸出數據讀入至控制器，并確定計算每一汽缸過程中多次噴油過程期間噴油的總量；確定所述多次噴油過程中每次噴油過程期間噴油的相對份額；確定多次噴油過程中每次噴油過程的定時；以及在多次噴油期間，按照已確定的相對份額和已確定的定時，噴射經計算的燃油總量。
14.如權利要求13的方法，該方法還包括的步驟有至少隨燃油輸出的量和定時的變化來計算MBT打火定時，并隨計算的MBT定時的變化設置發動機的打火定時。
全文摘要
一種火花點火、往復式內燃機,它包括放置于汽缸內部的活塞,汽缸由汽缸蓋加以封閉,該種內燃機具有將燃油直接噴入發動機汽缸中的燃油系統,噴油系統在第一次噴油過程期間噴射第一個燃油份額,在第二次噴油過程期間噴射第二個燃油份額,從而得到均勻的混合汽體。
文檔編號F02B75/02GK1195067SQ98101228
公開日1998年10月7日 申請日期1998年3月30日 優先權日1997年3月31日
發明者理查德·W·安德森, 保羅·D·斯利曼, 羅伯特·M·惠蒂克, 加林·楊 申請人:福特環球技術公司