CN100378311C - 直接燃料喷射/火花点火式发动机控制设备 - Google Patents

直接燃料喷射/火花点火式发动机控制设备 Download PDF

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Abstract

一种直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,被配置成在起动时和恰好在起动之后当燃料压力低时能够进行压缩冲程喷射,并能够减少壁流和 HC 的排放量。当催化剂需要加热时,燃料在压缩冲程被喷射,并且按照燃料压力设置在压缩冲程的燃料喷射定时。当燃料压力低时,燃料喷射定时在压缩冲程的第一半喷射燃料。随着燃料压力的增加,燃料喷射定时被延迟,直到达到最佳的燃料喷射定时。

Description

直接燃料喷射/火花点火式发动机控制设备
相关申请的交叉参考
本申请要求日本专利申请No.2004-009922的优先权。该申请的全部内容被包括在此作为参考。
技术领域
本发明一般涉及直接喷射火花点火式内燃发动机的控制装置。更具体地说,本发明涉及即使在起动时、恰好在起动之后、以及在燃料压力低的其它时间也能够进行合适的燃烧控制的控制设备。
背景技术
日本公开号为No.2001-342873的专利申请披露了一种技术,其中选择吸气冲程喷射,以便当在直接喷射火花点火式内燃发动机中的燃料压力低时,主要在吸气冲程喷射燃料,而当在吸气冲程内不能以设置的喷射量喷射燃料时,将连续的燃料喷射限制于压缩冲程的初始阶段的一个可允许的时间间隔。
由上述看来,本领域技术人员由本说明的内容显然可以看出,需要一种改进的直接喷射发动机控制设备。本发明满足了本领域的这个需要和其它的需要,本领域技术人员从本说明的内容显然可以看出这一点。
发明内容
已经发现,当在起动时、恰好在起动之后以及在发动机为冷的其它时间进行吸气冲程喷射时,燃料的主要部分粘附于气缸壁、活塞顶表面、进气阀以及其它元件上。燃料的这种粘附引起燃料的壁流,其又增加在燃烧室的发动机排气口的废气中的HC的量。此外,当发动机为冷时,在排气通路中提供的用于废气清洁的催化剂尚未被活化。这引起未经还原而被排出的HC的量的增加。本发明便是考虑了上述问题而作出的。本发明的一个目的在于,提供一种方法,使得即使在起动时、恰好在起动之后以及当燃料压力低时的其它时间,也能进行压缩冲程喷射,并且在燃烧期间减少HC的排放量。
为了实现本发明的上述目的和其它目的,提供一种直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其基本上包括燃料压力检测部分和燃料喷射控制部分。燃料压力检测部分被配置用于检测由燃料泵对燃料喷射阀供应的燃料的压力。燃料喷射控制部分被配置用于按照催化剂的加温条件设置在压缩冲程中进行燃料喷射的燃料喷射定时。燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力低时设置在压缩冲程中进行燃料喷射的燃料喷射定时,并随着燃料压力的增加而延迟所述燃料喷射定时。
本领域技术人员由下面的详细说明可以清楚地看出本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点,下面的详细说明是结合附图进行的,其中披露了本发明的优选实施例。
附图说明
现在参看附图,这些附图构成原始公开的一部分:
图1是发动机系统的示意图,表示按照本发明的第一实施例的用于内燃发动机的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置;
图2是一个流程图,表示从起动到升温期间由按照本发明的第一实施例的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置的控制单元执行的主控制程序;
图3是表示在图2的主控制程序的步骤S3中由控制单元执行的子程序的流程图;
图4是内部气缸压力的特征曲线;
图5是表示燃料压力和喷射结束定时之间的关系的曲线;
图6是表示喷射结束定时和壁流调节系数之间的关系的曲线;
图7是表示喷射定时和产生的HC排出量之间的关系的曲线;以及
图8是在发动机的起动和升温期间的控制的定时图。
具体实施方式
现在参照附图说明本发明的选择的实施例。本领域技术人员由本说明显然可以看出,下面的本发明的实施例的说明只用于说明本发明而不用于限制本发明,本发明只由所附权利要求及其等同物限定。
首先参看图1,图中示意地示出了发动机1,其配备有按照本发明的第一实施例的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置。发动机1具有进气通路2,其中安装有电子控制的节流阀3。该电子控制的节流阀3被配置成用于借助于一个或多个进气阀4(只示出了1个)控制进入发动机1的进气通路2的进气量。进气通路2和发动机1的多个燃烧室5(只示出了1个)呈流体连接。每个燃烧室5包括火花塞6和燃料喷射阀7。火花塞6和燃料喷射阀7以常规的方式被安装于燃烧室5。
电子控制的节流阀3的位置由步进电机或其它装置控制,这些装置由来自发动机控制单元20(ECU)的信号操作。由电子控制的节流阀3控制的空气借助于进气阀4被吸入发动机1的燃烧室5。
下面说明对燃料喷射阀7供应燃料的系统。燃料箱8中的燃料借助于由电机M驱动的低压燃料泵9吸入。然后低压燃料从低压燃料泵9排出并馈给由发动机1驱动的高压燃料泵10。从低压燃料泵9排出并被馈给高压燃料泵10的燃料的压力由低压压力调节器11调节以维持预定的低压,所述低压压力调节器被设置在返回燃料箱8的返回通路中。从高压燃料泵10排出的高压燃料由设置在返回高压燃料泵10的进入侧的返回通路中的调节器12调节到预定的高压。
燃料喷射阀7被设计成在和发动机同步的吸气冲程或压缩冲程中当电磁线圈被发动机控制单元20输出的喷射脉冲信号激励时打开,以及在燃烧室5中喷射被调节到预定压力的燃料。应当注意,因为在点火开关被接通之后由驱动电机驱动低压燃料泵9,并且在起动开关被接通之后由发动机驱动高压燃料泵10,所以在起动开关被接通之后发生由高压燃料泵10供给燃料喷射阀7的燃料压力的增加。
在燃烧室5中喷射的燃料形成空气燃料混合物,并通过火花塞6点火和燃烧。发动机1还具有设置在每个燃烧室5中的一个或多个排气阀13,其具有和排气通路14呈流体连接的排气口。排气通路14包括具有催化剂的催化转换器15,用于以常规方式进行废气净化。这样,空气燃料混合物被燃烧之后产生借助于排气阀13被排放到排气通路14中的废气。然后,所述废气被馈给催化转换器15,用于清洁废气。
发动机1由发动机控制单元或发动机控制单元20控制,以便进行下述的燃料空气混合物的受控燃烧。发动机控制单元20是一个微型计算机,其包括中央处理单元(CPU)和其它外围装置。发动机控制单元20也可以包括其它常规的元件,例如输入接口电路、输出接口电路和存储装置例如ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)。发动机控制单元20最好包括发动机控制程序,其按照下述方式控制各种元件。发动机控制单元20接收来自用于检测发动机1的操作状态的不同传感器(下面说明)的输入信号,并根据这些信号执行发动机控制。本领域技术人员由本说明显然可以看出,用于发动机控制单元20的精确的结构和算法可以是用于执行本发明的功能的任何硬件和软件的组合。换句话说,本说明书和权利要求书中使用的“装置加功能”的表述应当包括可用于执行该“装置加功能”表述的功能的任何结构或硬件和/或算法或软件。
输入到发动机控制单元20的信号的例子包括由加速踏板传感器21检测的加速器位置Apo,由曲柄角传感器22检测的发动机速度Ne,由空气流量计23检测的进气量Qa,由水温传感器24检测的发动机冷却剂温度(水温),以及由作为燃料压力检测部分或装置的燃料压力传感器25检测的从高压燃料泵10提供给燃料喷射阀7的燃料压力Pf。还从具有点火开关和起动开关的发动机按键开关26输入信号。
发动机控制单元20根据由各输入信号检测的发动机操作状态来控制电子控制的节流阀3的位置、燃料喷射阀7的燃料喷射的定时和量、火花塞6的定时以及其它参数。
发动机的燃烧操作方式基本上包括分层操作方式和均匀操作方式。换句话说,发动机控制单元20被配置用于根据由这些输入信号检测的发动机的操作状态来执行一种选择的操作方式(均匀燃烧、分层燃烧),并相应地控制电子控制的节流阀3的开度、燃料喷射阀7的燃料喷射定时和量,以及火花塞6的点火定时。
在分层操作方式中,在压缩冲程的后半个冲程喷射燃料,借助于形成在燃烧室5中火花塞6周围的区域中被分层的空气燃料混合物,以总体上极贫的空气燃料混合物(A/F=30至40)进行分层燃烧。换句话说,在正常操作状态下(在加温完成之后),以大约为20到40的A/F比进行极贫的分层燃烧(分层的贫燃烧)。另一方面,在均匀操作方式下,在吸气冲程中喷射燃料,并借助于在整个燃烧室5中形成均匀的空气燃料混合物,以理想配比的(stoichiometric)或者贫的空气燃料混合物(A/F=20至30)进行均匀燃烧。
应当注意,在起动和加热期间进行控制,基本上使用利用压缩冲程喷射的分层操作方式来执行本发明,并且空气燃料混合物富于在加热之后的分层操作方式,在略富于理想配比的混合物和略贪于理想配比的混合物之间的范围内。
换句话说,在如下说明的本发明中,当催化剂需要加温时,在压缩冲程喷射燃料,按照燃料压力设置在压缩冲程中的燃料喷射定时,设置燃料喷射定时以使得当燃料压力低时,在压缩冲程的前半个冲程中进行燃料喷射,并且随着燃料压力的增加而延迟燃料喷射定时。换句话说,在本发明中,当内部气缸压力低时,在压缩冲程的前半个冲程执行燃料喷射定时,并且当燃料压力低时,允许压缩冲程喷射的一个最小量。因为当即使燃料喷射定时被延迟燃料压力也逐渐增加并且能克服内部气缸压力时,使得能够进行燃料喷射,所以燃料喷射定时随着燃料压力的增加而被延迟,并可以朝向最佳的喷射定时移动。因此使得能够从燃料压力低时进行压缩冲程喷射,在可能的程度上减少了壁流的产生,并可以确保减少排出的HC的量。
下面参照图2和图3说明按照本发明在发动机1的起动和加热期间的燃烧操作方式。图2是由发动机控制单元20在发动机1的起动和加热期间执行的主控制程序的流程图。图3是图2的步骤S3的子程序的流程图。在点火开关被接通之后,当起动开关接通时,图2的流程开始。
在步骤S1,由燃料压力传感器25检测燃料压力Pf。在步骤S2,利用在压缩冲程中的最佳的喷射定时确定检测的燃料压力Pf是否克服了内部气缸压力,并确定是否已经超过可以喷射燃料的一个预先规定的值(门限值SL)。当燃料压力Pf等于或小于预定的门限值SL时,系统进入步骤S3,以和燃料压力Pf相关的喷射定时、利用压缩冲程喷射进行分层燃烧。步骤S3的处理的细节如图3所示。
在步骤S31,按照燃料压力Pf设置燃料喷射定时作为延迟限制(delay limit)的燃料喷射定时,在该定时,内部气缸压力被克服并且可以喷射燃料。具体地说,按照燃料压力Pf设置作为延迟限制的燃料喷射定时的喷射结束定时ITe。更具体地说,因为在压缩冲程中当活塞接近TDC时(BDC到TDC)内部燃烧压力增加,如图4所示,当燃料压力低时(例如,当基本上等于由低压燃料泵9产生的燃料压力时),只在压缩冲程的前半个冲程可以喷射燃料。不过,如果燃料压力足够高,则可以在目标最佳燃料喷射定时喷射燃料,因此喷射结束定时按下述设置。具体地说,参照图5的表按照燃料压力Pf设置喷射结束定时ITe。当燃料压力Pf低时,对于压缩冲程的前半个冲程设置喷射结束定时ITe,且喷射结束定时ITe被设置成随着燃料压力Pf增加而被延迟。因为内部气缸压力按照发动机的操作状态(具体地说是发动机速度Ne)而改变,所以可以考虑这些条件来设置喷射结束定时ITe。此外,当提供有内部气缸压力传感器时,可以检测实际的内部气缸压力,并和燃料压力比较,以便设置喷射结束定时ITe。
在步骤S32,按照喷射结束定时ITe设置燃料喷射量的壁流校正系数KWF。具体地说,参照图6的表按照喷射结束定时ITe来设置壁流校正系数KWF。因而,当喷射结束定时ITe被提前时,壁流校正系数KWF被设置为较大的值。这是由于,和吸气冲程喷射相比,在压缩冲程喷射中壁流显著地减少。因为即使在压缩冲程喷射中,当喷射定时被提前时,壁流趋于增加,所以必须将燃料喷射量向上调节一个等效的量,以便确保贡献于燃烧的燃料的量。换句话说,按照燃料喷射定时调节燃料喷射量,并随着燃料喷射定时被提前而增加燃料喷射量。
图7表示在喷射定时和HC排放量之间的关系。很明显,即使在压缩冲程喷射中,当喷射定时被提前时,也由于壁流的增加而导致HC的排放量增加。还显然可以看出,如果喷射定时被延迟,则由于壁流的减少而使得HC排放量减少。当喷射定时被显著地延迟时导致HC排放量增加的原因是蒸发时间不足。在步骤S33,根据空气吸入量Qa和发动机速度Ne计算的基本燃料喷射量Tp=K×Qa/Ne(其中K是常数)利用下式中出现的壁流校正系数KWF来修正,以便计算燃料喷射量Ti。
Ti=Tp×(1+KWF)
在实际的燃料喷射量Ti的计算中使用除壁流校正系数KWF之外的调节系数,不过这些在这里被省略了。在步骤S34,由喷射结束定时ITe和燃料喷射量Ti计算喷射开始定时ITs。换句话说,计算完全喷射燃料喷射量为Ti的燃料所需的曲柄角,并把曲柄角已经从喷射结束定时ITe提前到的位置设置为喷射开始定时ITs。
当用这种方式计算喷射开始定时ITs时,则利用这个定时喷射燃料喷射量Ti。
在进行步骤S3之后,系统进入步骤S5。在步骤S5,确定催化转换器15是否已被起动。具体地说,当提供有催化剂温度传感器时,则由其检测催化剂温度。当未提供有催化剂温度传感器时,则催化剂温度由冷却剂温度Tw估算。或者,催化剂温度可以根据在起动时的冷却剂温度和在起动之后吸入量的积分值来估算。确定检测的或估算的催化剂温度是否等于或大于预定的活化温度。
当催化转换器15尚未被起动时,则系统返回步骤S1。当在步骤S2进行的确定中燃料压力Pf超过预定值时,则燃料压力能够克服内部气缸压力,可以在压缩冲程中利用最佳喷射定时进行燃料喷射,因此,系统进入步骤S4。换句话说,当在起动之后由于发动机速度的增加而通过由高压燃料泵10产生的排放量的增加而使得燃料压力Pf超过一个预定值时,则燃料压力克服内部气缸压力,能够在压缩冲程中利用最佳的喷射定时进行燃料喷射,因此系统进入步骤S4。
在步骤S4,借助于利用最佳喷射定时由压缩冲程喷射进行分层燃烧。最佳喷射定时被设置在压缩冲程的后半个冲程的范围内,并最好根据发动机的速度和负载来设置,这由图7所示的特性可以看出。此后系统进入步骤S5。
当在步骤S5系统确定催化转换器15已经起动时,则系统进入步骤S6,根据操作状态转换到普通燃烧控制。在普通燃烧控制中,根据操作状态(发动机速度、负载)选择一般的分层燃烧或均匀燃烧。
图8是在发动机1的起动和加热期间的控制的定时图。
点火开关在t1被接通,此时低压燃料泵9起动。在t2起动开关被接通,通过起动高压燃料泵10使其同时被驱动。此时燃料压力Pf是低的,燃料喷射定时被提前,燃料在压缩冲程的前半个冲程被喷射。因为壁流校正,燃料喷射量被设置为一个大值。
燃烧在t3完成,并且燃料压力Pf随增加的发动机速度而增加。燃料喷射定时随燃料压力Pf的增加而被延迟。此时,燃料喷射量通过在壁流校正中的减少而被逐渐减少。
当在t4燃料压力Pf超过门限值SL时,利用延迟的最佳喷射定时进行压缩冲程喷射。
按照本发明,当催化剂需要加温时,燃料在压缩冲程被喷射,按照燃料压力设置在压缩冲程中的燃料喷射定时,当燃料压力低时,燃料喷射定时被设置在压缩冲程的前半个冲程中,借助于配置燃料喷射定时以使得其随着燃料压力的增加而被延迟,使得能够从燃料压力低的时候进行压缩冲程喷射,随着燃料压力增加,可以使得燃料喷射定时更接近于最佳喷射定时,因而使得把壁流的发生保持在一个非常小的程度,从而确保减少HC的排放量。
按照本实施例,因为可用于喷射燃料的延迟限制的燃料喷射定时按照燃料压力被设置,并且利用该延迟限制的燃料喷射定时来喷射燃料,因而可以尽可能早地进行向最佳喷射定时的转变,并且可以在较早的阶段进行所需的燃烧。
按照本实施例,燃料喷射量按照燃料喷射定时被校正,并且当燃料喷射定时被提前时燃料喷射定时被向上调节,因此可以进行精确的壁流校正。换句话说,当在考虑由壁流占用的部分以便产生克服摩擦的转矩的情况下来确定燃料喷射量时,燃料喷射量可被减少,并且燃烧可被改善到这样的程度,即,使得借助于压缩冲程喷射来减少壁流(图7中的关键符号A)。
按照本实施例,当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的一个预定值时,与燃料压力相符的燃料喷射定时的设置被停止,并且借助于用最佳喷射定时喷射燃料,可以改善燃烧的稳定性。在这种情况下,因为燃烧的稳定性被改善,火花定时可被适当地延迟,并且可以确保废气温度的增加,以便促进催化剂的加热。
这里,为了说明本发明所用的方向术语“向前、向后、向上、向下、垂直的、水平的,在下和横向”以及其它任何类似的方向术语均指配备有本发明的车辆的那些方向。因而,这些术语用于描述本发明时应当相对于配备有本发明的车辆来解释。
这里,用于说明由元件、部分、装置或其类似物进行的操作或功能的术语“检测”包括不需要物理检测的元件、部分、装置或其类似物,而包括为进行所述操作或执行所述功能而进行的确定或计算或类似的操作。这里使用的用于说明元件、部分或装置的零件的术语“配置”包括硬件和/或软件,其被构成或被编程用于执行所需的功能。此外,在权利要求中“装置加功能”的表述应当包括可用于执行本发明的所述部件的功能的任何结构。这里使用的关于程度的术语例如“基本上”、“大约”和“近似”指的是被修饰的术语的一个合适的偏移量,以使得最终的结果没有重大的改变。例如,这些术语可被解释为包括被修饰的术语的至少±5%的偏移,如果这个偏移不否定其修饰的术语的意义的话。
虽然只选择了一些实施例用于说明本发明,本领域技术人员由本说明可以理解,不脱离权利要求限定的本发明的范围,可以作出各种改变和改型。此外,按照本发明的实施例的上述的说明只用于说明而已,并不用于限制本发明,本发明只由所附权利要求及其等同物限定。因而,本发明的范围不限于这里披露的实施例。

Claims (19)

1.一种直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,包括:
燃料压力检测部分,其被配置用于检测由燃料泵对燃料喷射阀提供的燃料压为;以及
燃料喷射控制部分,其被配置用于按照该燃料压力并按照催化剂的加温条件来设置在压缩冲程中进行喷射燃料的燃料喷射定时,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力低时设置在压缩冲程中进行燃料喷射的燃料喷射定时,并随着燃料压为增加而延迟所述燃料喷射定时。
2.如权利要求1所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于根据所述燃料压力设置可以喷射燃料的所述燃料喷射定时的延迟极限。
3.如权利要求1所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于根据燃料喷射定时调节燃料喷射量,并且当燃料喷射定时提前时,所述燃料喷射量增加。
4.如权利要求3所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于基于燃料压力设置喷射结束定时,根据所述喷射结束定时校正燃料喷射量,并由所述喷射结束定时和校正后的燃料喷射量来设置喷射开始定时。
5.如权利要求1所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的预定值时,根据燃料压力来停止设置燃料喷射定时,以最佳喷射定时来喷射燃料。
6.如权利要求1所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力低时设置燃料喷射定时,以使得在压缩冲程的前半个冲程喷射燃料。
7.如权利要求2所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于根据所述燃料喷射定时调节燃料喷射量,并且当所述燃料喷射定时被提前时燃料喷射量增加。
8.如权利要求7所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于基于燃料压力设置喷射结束定时,根据所述喷射结束定时校正燃料喷射量,并由所述喷射结束定时和校正后的燃料喷射量来设置喷射开始定时。
9.如权利要求8所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的预定值时,根据燃料压力来停止设置燃料喷射定时,以最佳喷射定时来喷射燃料。
10.如权利要求2所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的预定值时,根据燃料压力来停止设置燃料喷射定时,以最佳喷射定时来喷射燃料。
11.如权利要求3所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的预定值时,根据燃料压力来停止设置燃料喷射定时,以最佳喷射定时来喷射燃料。
12.如权利要求4所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的预定值时,根据燃料压力来停止设置燃料喷射定时,以最佳喷射定时来喷射燃料。
13.如权利要求9所述的直接燃料喷射/火花点火式发动机控制装置,其中,
所述燃料喷射控制部分还被配置用于当燃料压力低时设置燃料喷射定时,以使得在压缩冲程的前半个冲程喷射燃料。
14.一种用于控制直接燃料喷射/火花点火式发动机的方法,包括:
检测由燃料泵向燃料喷射阀供应的燃料的压力;
按照燃料压力以及按照催化剂加温条件来设置在压缩冲程中喷射燃料的燃料喷射定时,以及
当燃料压力低时在压缩冲程中进行燃料喷射,并随着燃料压力的增加而延迟燃料喷射定时。
15.如权利要求14所述的方法,还包括:
根据所述燃料压力设置可以喷射燃料的所述燃料喷射定时的延迟极限。
16.如权利要求14所述的方法,还包括:
根据燃料喷射定时调节燃料喷射量,并且当燃料喷射定时提前时,燃料喷射量增加。
17.如权利要求16所述的方法,还包括:
基于燃料压力设置喷射结束定时,根据所述喷射结束定时校正燃料喷射量,并由所述喷射结束定时和校正后的燃料喷射量来设置喷射开始定时。
18.如权利要求14所述的方法,还包括:
当燃料压力超过可以在压缩冲程中用最佳喷射定时喷射燃料的预定值时,根据燃料压力来停止设置燃料喷射定时,以最佳喷射定时来喷射燃料。
19.如权利要求14所述的方法,其中,
当燃料压力低时,喷射燃料发生在压缩冲程的前半个冲程。
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