CN101151444A - 对置活塞式均质充量导杆点火发动机 - Google Patents

对置活塞式均质充量导杆点火发动机 Download PDF

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Abstract

对置活塞式二冲程压燃型发动机包括在压缩冲程早期喷射液体燃料主充量至气缸筒内对置活塞间从而允许燃料在压缩冲程的剩余时间内蒸发并与空气混合至混合物的化学计量成分不足以自燃的位置。另外在压缩冲程后期喷射液体燃料的导引充量至压缩空气/燃料混合物中。导引充量提供的化学计量成分自燃，从而引起压缩空气/燃料混合物的自燃。

Description

对置活塞式均质充量导杆点火发动机
相关申请的横向参考
【0001】2004年6月10日提交并因此共同所有的美国专利申请第10/865,707号包括的主题与本文提出的主题有关。
技术领域
【0002】本说明书一般涉及对置活塞式压燃型发动机，可在发动机压缩冲程前期将液体燃料的主充量喷入气缸，以使主充量在剩余压缩冲程期间蒸发并与空气形成低含量燃料均质混合物。当压缩空气/燃料混合物达到自燃温度范围，其缺乏足量的支持自燃的化学计量成分。因此，在压缩冲程后期另将导引燃料充量喷入压缩的空气/燃料混合物中。导引燃料充量在小滴细雾液体燃料中提供了可自燃的化学计量成分，从而引起主充量燃烧。
背景技术
【0003】在传统压燃(CI)发动机中，单个活塞可滑动置于气缸中。活塞在气缸中活塞顶离气缸闭合端最近的上止点(TDC)位置与活塞顶与闭合端最远的下止点(BDC)位置间移动。引入气缸的空气在活塞移向TDC的压缩冲程中被压缩。空气的压缩使得温度升高。活塞快到达压缩冲程顶部时将液体燃料喷入产生的热空气中。压缩空气的温度升高引起燃料自燃，因而燃料自燃、燃烧、释放能量并在动力冲程中向BDC驱动活塞。
【0004】在对置活塞式二冲程压燃发动机中，两个活塞顶对顶可滑动置于各活塞BDC附近具有进气口和排气口的气缸筒中，活塞用作端口的阀。活塞在气缸中各TDC和BDC位置间同轴相向或相背移动。引入气缸的空气在活塞相向移向各TDC位置的压缩冲程中被压缩。对置活塞式CI发动机一般具有液体燃料喷射器，安装于气缸上靠近活塞顶的TDC位置处，通常位于或非常接近气缸的纵向中心位置。喷入的燃料与压缩空气混合，空气/燃料混合物自燃，在动力冲程中驱动活塞相背移向各BDC位置。参考的‘707号专利申请中公开了一此类对置活塞式发动机。
【0005】压燃发动机具有许多不理想的特点。缺点之一是燃料喷射器的位置使得喷射是在活塞的TDC位置或附近发生的，为喷入的燃料在自燃发生前蒸发并与压缩空气混合留下的时间较短。空气和燃料的不均匀混合物燃烧不均匀。同样，一些喷入的燃料聚集在气缸筒表面并残留于喷射器的喷喷射孔中，在这里其根本不能燃烧。结果是产生NOx(氮氧化物)和特定物质(烟)。另外，气缸上燃料喷射地靠近活塞的TDC，使得喷射器暴露于气缸中出现的最高压力与温度之下。燃烧的超高温可使残留于喷射器喷射孔中的燃料在动力冲程期间达到沸点，产生一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物和煤烟等污染物。经过一段时间，极热可使碳聚集在喷射器的喷射孔处，从而妨碍燃料的喷射模式并引起动力冲程期间不均匀燃烧，这会增加NOx、碳氢化合物和颗粒的排放。
【0006】为克服CI发动机中非均质空气/燃料混合物产生的问题，已提出了均质充量压燃(HCCI)发动机。一般提出的是单活塞结构。在这点上，HCCI操作是通过压缩混合物使空气和液体燃料的均质混合物燃烧的过程。在HCCI发动机中，在压缩冲程前期，空气温度已到达可引起自燃程度之前很久，将燃料喷入气缸。早期喷射有利于燃料蒸发并分散于气缸的空气中，目的是形成基本均质的空气/燃料混合物(均质充量)，其将继续被压缩直至发生自燃。控制喷入的燃料量以提供低含量燃料空气/燃料混合物，并控制燃烧过程，使得与常规CI发动机相比，NOx和颗粒排放物大幅减少。
【0007】HCCI燃烧是于1979年作为二冲程内燃发动机火花点燃(SI)的替代方案引入的。二十世纪九十年代初期引入要求大幅减少内燃发动机排放污染物的联邦环境保护局标准时，HCCI技术的研究与发展有了大幅进步。“最近七年来，已报导了探索该技术潜力的众多研究，汽车制造公司、柴油机制造商、配件提供商以及研究机构也已提出并开发了混合物制备、燃烧控制、扩大负荷及减少排放的许多创新策略。”(Homogeneous charge compression ignition(HCCI)engines，Keyresearch and development issues，SAE Order No.PT-94，2003)。
【0008】尽管HCCI确实具有燃料效率、NOx减少、颗粒排放物较低等潜在利益，该燃烧模式也提出了产业以及开发研究总体而言还未能解决的问题。HCCI发动机包括特定发动机运行条件期间碳氢化合物和CO排放物较高、难以控制燃烧时间以及不能在更高负荷范围尤其是功率水平超过最大功率30％时运行等缺点。
【0009】在HCCI发动机低负荷运行时，喷入的燃料不完全燃烧，产生的碳氢化合物和CO排放物的量比火花点燃(SI)发动机高得多。在HCCI发动机高负荷运行时，极难控制自燃，因为不能控制负责燃烧的空气/燃料成分的化学计量关系；早期燃烧结果，产生高发动机噪音，且可能损坏发动机。为这些及其它原因，已提出了多模式HCCI发动机。在运行负荷范围中部，多模式发动机作为HCCI发动机运行，在低负荷和高负荷条件下，作为常规CI或SI发动机运行。多模式设计要求复杂的燃料喷射系统或要求两种不同燃料；两种方法都很麻烦，而且增加了制造与运行成本。
【0010】因此，极其需要能在较广负荷运行条件下运行同时产生少量NOx、CO、碳氢化合物和颗粒等排放污染物的单模式均质充量的压燃型发动机。
发明内容
【0011】在对置活塞式发动机的压缩冲程早期喷入液体燃料的贫燃料主充量允许燃料在冲程完成前几乎充分蒸发。产生的低含量燃料均质空气/燃料混合物包括不足量的到达自燃温度范围时支持自燃的化学计量空气/燃料成分。将由少量液体燃料组成的导引或引燃(pilot)冲量以小滴细雾喷入活塞的TDC附近的压缩均质主充量中，引入自燃并引起主充量燃烧的化学计量成分。低含量燃料主充量的均质混合减少了燃烧产生的不需要的副产品。控制导引充量的喷射可精确安排低含量燃料均质主充量的燃烧时间。
【0012】二冲程对置活塞式内燃发动机通过喷射并充分蒸发液体燃料的低含量燃料主充量克服了至今有关HCCI发动机的困难。在此处，“充分蒸发”指支持自燃的主充量的残留液体成分不足量。主充量的燃烧通过以小滴细雾喷射由少量液体燃料组成的导引充量控制。本说明述所述对置活塞式HC发动机包括具有隔开的进气口和排气口的气缸，由位于气缸筒中的对置活塞运行，至少一主燃料喷射器可在活塞靠近BDC时喷射一些或所有主燃料充量至气缸内，而导引燃料喷射器可在对置活塞处或附近喷射导引充量。
【0013】例如，可在气缸壁上安装两个主燃料喷射器与主燃料喷射地连接，分开喷射燃料主充量，一个靠近进气口(位置稍向TDC)，另一个靠近排气口，(位置稍向TDC)。该结构将各主燃料喷射地定位于发动机运行期间温度较低且活塞较多运动期间覆盖的气缸部分，从而减小将喷射器暴露于高温与高压下产生的固有的不合意的影响。通过在BDC后的进气口和排气口附近喷入主充量，气缸中的内在压力和温度相对较低，有利于喷入的喷雾完全展开，且活塞在压缩冲程中移向TDC时燃料有较长时间蒸发。活塞基本到达TDC时，主充量在旋涡中充分蒸发并混合；因此主空气/燃料基本均质。但是压缩的空气/燃料混合物到达自燃温度范围时蒸发的充量缺乏足量的支持自燃的化学计量成分。为了燃烧主充量，至少一导引燃料喷射器与气缸上气缸纵向中线处或附近或至少对置活塞的TDC附近的导引燃料喷射地连接。导引燃料喷射器将提供化学计量成分的导引充量即少量液体燃料以小滴细雾喷入活塞TDC附近的压缩均质主充量。化学计量成分引起导引充量的自燃，从而引起主充量的燃烧。
【0014】主燃料喷射用于活塞靠近BDC时在压缩冲程早期输送主充量，导引燃料喷射靠近对置活塞的TDC以控制燃烧，本文所述的对置活塞式压燃发动机包括均质充量导引喷射(HCPI)发动机，通过使用液体燃料并在包括空转、冷启动、中等和重负荷的较广发动机负荷范围下运行同时大幅减少NOx、碳氢化合物、CO和颗粒等排放污染物而克服了至今HCCI发动机的缺点。
附图说明
【0015】下述附图用于说明本说明书所述的原理和示例。附图无须按比例。
【0016】图1是对置活塞位于或靠近下止点(BDC)的对置活塞式发动机的局部示意侧面剖视图，其中可实施发明的均质充量导杆点火(HCPI)原理；
【0017】图2是用于图1所示发动机的主燃料喷射系统和导引燃料喷射系统的示意图；
【0018】图3是用于图1所示发动机的发动机控制器的框图；
【0019】图4是用于图1所示发动机的另一主燃料喷射系统和导引燃料喷射系统的示意图；
【0020】图5A-5D是用于图1所示发动机的气缸的示意侧面剖视图；以及
【0021】图6A-6C是用于图1所示发动机的气缸的局部示意侧面剖视图，示出了燃料喷射地和导引点火或导杆点火(pilot ignition)的电加力。
具体实施方式
【0022】二冲程对置活塞式内燃发动机通过在压缩冲程早期活塞位于BDC附近时喷射液体燃料的主充量、活塞移向TDC时低含量燃料条件下主充量充分蒸发以及通过在两活塞的TDC附近喷射具有足以支持自燃的化学计量成分的液体燃料导引充量控制主充量的燃烧而克服了至今有关HCCI发动机的困难。
【0023】本说明书中使用的“主充量”是喷入HCPI发动机以与空气混合并压缩于气缸中的活塞间的液体燃料的低含量燃料充量。活塞相向移动以及进气歧管引起的旋涡使得空气与主充量混合。空气和低含量燃料混合物在混合时被活塞压缩，但因为达到自燃温度范围时燃料充分蒸发，压缩气体/燃料混合物不能自燃。
【0024】本说明书中使用的“导引充量”是为燃烧主充量目的喷入气缸中压缩气体/燃料混合物中的液体燃料充量。导引充量作为包括许多非常小的液滴的细雾喷射(例如50,000个液滴初始平均直径约为20微米)，蒸发并展示的燃料浓度梯度中包括空气/燃料混合物具有自燃所需的化学计量比的区域。因此，气缸中导引充量自燃并引起低含量燃料压缩空气/燃料混合物燃烧。
【0025】主充量和导引充量可包括相同或不同液体燃料。主充量和导引充量优选包括柴油燃料。
【0026】主燃料喷射器的功能是提供在发动机的气缸中充分蒸发并与空气混合的所有或部分主充量。导引燃料喷射器的功能是为引起主充量的燃烧向压缩主充量中提供液体燃料的导引充量。
【0027】在本说明所述对置活塞式发动机中，当活塞处于BDC附近时，至少一主燃料喷射器通过气缸壁上的至少一主喷射地喷射基本所有主充量，且气缸的排气口和进气口关闭。例如，至少一主喷射地可位于对置活塞之一的BDC附近。或者，至少一主喷射地可位于活塞的TDC附近，喷射液体燃料的方向改为朝向进气口和排气口。
【0028】在一示例性实施例中，两个主燃料喷射器分开喷射对置活塞式压燃发动机各气缸的燃料主充量，通过气缸壁中的喷射地喷射部分主充量，一个位于进气口附近(稍向TDC)，另一个靠近排气口(稍向TDC)。这将主燃料喷射定位于气缸中温度最低的部分，使得主喷射器喷嘴在发动机运行期间长时间被活塞覆盖，因而减小了常规HCCI发动机中暴露于高温下所固有的不合意的影响。
【0029】主燃料喷射器包括具有尺寸适合输送所有或部分最大发动机功率时将输送的主充量燃料喷射孔的喷嘴。主燃料喷射器喷嘴可定向为垂直于主喷射地，沿气缸的直径中心喷射燃料。例如，在具有1升位移并在100马力下运行的对置活塞式HCPI发动机中，主燃料喷射器具有能输送所有或部分约为90mm3的最大主充量与约2升空气混合并压缩。位于进气口或排气口附近的喷嘴的结构也可使燃料沿TDC方向喷射，以避免主燃料充量接触并凝结于气缸的内筒和活塞顶上。通过在活塞处于BDC附近时在进气口和排气口附近喷射主充量，气缸的内压相对较低，随活塞移向TDC，液体燃料的液滴可有较长时间在渐增的温度中蒸发。另外，主喷射器喷嘴闭合时，移向TDC的对置活塞覆盖喷嘴，因此残留于喷嘴的喷射孔和端井(tip well)中的燃料不能进入气缸室，因而避免在动力冲程中形成CO或碳氢化合物。活塞几乎处于TDC时，主充量充分蒸发并压缩。但是其缺乏足量的化学计量成分，甚至在主充量压缩引起温度升高条件下也不能自燃。
【0030】如另一示例，主燃料喷射器的喷嘴位于进气口和排气口之间，气缸的纵向中心附近，其结构可双向喷射燃料，一方向朝向排气口，另一方向相反朝向进气口，以避免主燃料充量接触并凝结于气缸的内筒和活塞顶上。主燃料喷射器可在压缩冲程开始时活塞处于BDC附近且两端口闭合时以此方式喷射。通过在压缩冲程开始时向进气口和排气口方向喷射主充量，气缸中的内压相对较低，随活塞移向TDC，液体燃料的液滴可有较长时间在渐增的温度中蒸发。活塞几乎处于TDC时，主充量完全蒸发，空气/燃料混合物高度压缩。但是，压缩的空气/燃料混合物缺乏化学计量成分，甚至在主充量压缩引起温度升高条件下也不能自燃。
【0031】在对置活塞式HCPI发动机中，至少提供一导引喷射器，通过气缸上TDC附近的喷射地喷射导引充量。尽管没有限制，压燃充量的量优选为最大主充量总量的0.2％或更少。导引喷射器的喷嘴可具有一个或多个喷射孔，其直径非常小，适用于输送数量多的非常小的液体燃料液滴的液体燃料细雾。在上述示例中，导引喷射器的喷嘴的喷射孔直径约为10-20微米，适合输送包含10,000至100,000个非常小的燃料液滴的细雾，约0.2mm3或更小。液滴的体积小、数量多使得导引充量可提供化学计量混合物区或成分，可在高温、高压的空气/燃料混合物中自燃，从而引起主充量的燃烧。适当控制通过导引燃料喷射系统的导引喷射，可根据发动机运行条件在最佳时间触发主充量燃烧。因此导引燃料喷射器为发动机的引燃元件。
【0032】如上所述，对置活塞式HCPI发动机可持续单模式运行。导引燃料喷射器可确保冷启动条件下的稳定燃烧。
【0033】导引燃料喷射器可为发动机的唯一引燃元件，也可与火花塞或能量充足的其它装置(如激光)等电引燃元件补充使用来增强燃烧。
【0034】本文所述对置活塞式HCPI发动机通过在包括空转、冷启动、以及中等和重负荷的较广负荷范围内运行同时大幅减少NOx、碳氢化合物和颗粒等排放污染物而克服了任何HCCI发动机至今最棘手的问题。
【0035】对置活塞式HCPI内燃发动机可在James U.Lemke等人于2004年6月10日提交并转让给本申请的受让人的美国专利申请第10/865,707号所述二冲程对置活塞式压燃发动机的环境中实现；‘707号专利申请结合于此以供参考。该环境仅用于说明，不能将本文提出的原理仅限制为‘707号申请的具体发动机。
【0036】现参照图1，示出了内燃发动机8。发动机8是具有一个或多个气缸的对置活塞式柴油机；附图仅示出一个这样的气缸10。成对活塞12和14可滑动置于气缸10的中筒15内。活塞12和14在气缸10中相向或相背同轴相对移动。图1示出的活塞12和14位于下止点附近，为排气/动力冲程的末端。活塞12的活塞顶12a面向活塞14的活塞顶14a。各活塞12、14通过与气缸10侧面成锐角从活塞伸出沿气缸10侧面延伸至各曲轴30、32的杆连于两个装在侧面的曲轴30、32。该连接结构参见所结合的‘707号专利申请详细描述。固定于气缸10各端的端口歧管42和44提供了排气口和进气口45、46。进气口46和排气口45可以是涡卷的以使经进气口46进入气缸筒15的压缩气体旋动。活塞12和14在各BDC和TDC位置间移动时控制端口45和46。燃烧产物通过排气歧管47从各气缸10中排出；空气通过进气歧管48提供至各气缸10。
【0037】发动机8包括为各气缸10提供的至少一主燃料喷射器55。在图1所示示例中，为各气缸10提供了两个主燃料喷射器55。各主燃料喷射器55包括可经穿过气缸侧壁的主喷射地57提供所有或部分液体燃料主充量的喷嘴。各主喷射地57位于端口附近，端口歧管内侧，稍向控制端口的活塞的TDC位置。
【0038】发动机8包括为各气缸10提供的至少一导引燃料喷射器59。在图1所示示例中，为各气缸10提供了单个导引燃料喷射器。各导引燃料喷射器59包括可经穿过气缸10侧壁的导引喷射地61提供所有或部分液体燃料导引充量的喷嘴。各导引喷射地61位于活塞顶12a和14a的TDC位置附近，或位于或靠近气缸10纵向中点处。
【0039】在HCPI对置活塞式发动机的一方面中，各主充量和导引充量由液体燃料组成。主充量和导引充量可为相同的液体燃料。例如，液体燃料可包括柴油燃料。或者，液体燃料可为不同燃料。
【0040】参照图1和2，示出了使用共轨结构和电子启动的示例性燃料喷射系统，其中燃料箱80为主燃料喷射器55和导引燃料喷射器59提供液体燃料。在此附图中，主燃料喷射系统相应不同发动机运行条件运行主燃料喷射器，从而使主燃料充量的喷射与不同发动机运行条件同步。导引喷射系统相应发动机运行条件运行导引燃料喷射器，从而使导引燃料充量的喷射与不同发动机运行条件同步。假定发动机8具有三个气缸。附图中省去活塞，有助于解释燃料喷射系统的设计。
【0041】图2中，燃料箱80的输出端经前级泵86、过滤器88、直列式燃油喷射泵90和节点87连至主燃料喷射系统和导引燃料喷射系统81、91。主燃料喷射系统81包括从节点87分出并连接各主燃料喷射器55以从燃料箱80接收液体燃料的共轨82和回流各主燃料喷射器55至燃料箱80的回流管84。导引燃料喷射系统91包括从节点87分出并连接各导引燃料喷射器59以从燃料箱80接收液体燃料的共轨92和回流各导引燃料喷射器59至燃料箱80的回流管94。液体燃料优选为柴油燃料。
【0042】用于发动机8的主燃料喷射器55可由电控制、机械启动的燃料喷射器组成，包括具有可经主喷射地57喷射所用或部分主充量至气缸10的筒中的一组喷射孔的喷嘴。例如，为气缸10提供两个主燃料喷射器55时，各喷射器可喷射一半主充量至气缸筒。在图2所示主燃料喷射系统81中，包括输送阀机构和喷嘴的各主燃料喷射器55可以常规方式安装至气缸的主喷射地，喷嘴处于主喷射地位置。或者，主燃料喷射器可具有与喷嘴独立安装的输送阀机构，使用高压管连接该机构至喷嘴。在对置活塞式发动机8中，各主燃料喷射器喷嘴的喷射孔成组排列，使得燃料基本沿气缸的纵向中心线向TDC方向远离主燃料喷射器所在端口以云状或雾状液滴喷射。
【0043】用于发动机8的导引燃料喷射器59可由电控制、机械启动的增压蓄压型燃料喷射器组成，包括具有可经导引喷射地61喷射所用或部分导引充量至气缸筒的一组喷射孔的喷嘴。单个导引燃料喷射器优选以常规方式安装至气缸的导引喷射地，但也可独立安装输送阀机构和喷嘴，并使用高压管连接。在对置活塞式发动机中，各导引燃料喷射器喷嘴的喷射孔成组排列，使得燃料基本沿垂直气缸的纵向中心线方向以云状或雾状非常小的液滴喷射。
【0044】发动机8包括图3所示电子控制器(ECU)121。ECU 121优选用于发动机8以控制发动机参数并管理控制发动机运行的各方面。如图2所示，如果主燃料喷射系统和导引燃料喷射系统为电子控制，ECU121也可控制这些系统的运行。ECU 121可通过控制发动机运行参数、控制直列式燃料喷射泵90的运行以提供受压液体燃料至共轨82和92并通过控制主燃料喷射器55和导引燃料喷射器59喷射燃料至发动机的运行执行这些任务。若无限制，监控的参数包括共轨82和92中的燃料压力、发动机速度、曲轴角、进气口的空气温度、排气口的排气温度、排气歧管47和进气歧管48的压力以及发动机曝震程度。ECU 121为直列式燃料喷射泵90生成保持或改变共轨82、92中的压力的控制信号和控制并定时主燃料喷射器55和导引燃料喷射器59的控制信号。提供了其它发动机参数(未示出)以控制其它发动机功能(未示出)。
【0045】ECU 121包括接收并转换发动机参数值、对转换值执行数学计算和逻辑运算并生成泵和喷射器控制信号为与发动机运行同步的输出的存储、处理功能和程序。对于各主燃料喷射器和导引燃料喷射器，ECU 121计喷射器将喷射的燃料量、共轨中所需压力以及喷射器运行的定时。喷射器喷射燃料的启动根据定时相应曲轴角启动。
【0046】主燃料喷射系统和导引燃料喷射系统由ECU(或其它装置)运行，在不同发动机条件下保持控制燃料输送。此处，可随发动机运行负荷的变化调节组成经主燃料喷射系统输送至发动机的主充量的液体燃料量以适应变化的发动机要求。例如，主充量的量一般可在保持发动机空转速度必须的量和最大发动机速度必须的量之间变化。但是，通常要求组成导引充量的液体燃料的量可保持为恒定量，少于保持发动机处于空转速度要求的主充量的量。
【0047】本发明所述发动机8也可使用机械控制并启动的主燃料喷射器和导引燃料喷射器；这里见图1。图4中，主燃料喷射系统相应不同发动机运行条件运行主燃料喷射器，从而使主燃料充量的喷射与不同发动机运行条件同步。图4所示导引喷射系统相应发动机运行条件运行导引燃料喷射器，从而使导引燃料充量的喷射与不同发动机运行条件同步。假定发动机8具有三个气缸。附图中省去活塞，有助于解释燃料喷射系统的设计与运行。
【0048】图1和4中，示出了使用直列式燃料喷射泵结构和机械启动的示例性燃料喷射系统，其中燃料箱80经供应燃料管129的前级泵106和过滤器108为主燃料喷射器和导引燃料喷射器提供液体燃料。燃料管129提供燃料至主燃料喷射系统101和导引燃料喷射系统102。图4中，主燃料喷射系统101包括从管129接收液体燃料的直列式燃料喷射泵130和连接泵130至燃料箱80的回流管131。泵130包括三个输送阀机构130a、130b和130c。各输送阀机构输送经各管(135a、135b和135c)提供的主燃料充量至主燃料喷射地57处的成对主燃料喷射喷嘴55n。在图4中，导引燃料喷射系统102包括从管129接收液体燃料的直列式燃料喷射泵132和连接泵132至燃料箱80的回流管133。泵132包括三个输送阀机构132a、132b和132c。各输送阀机构输送经各管(137a、137b和137c)提供的导引燃料充量至燃料喷射地61处的导引燃料喷射喷嘴59n。
【0049】各主燃料喷射器喷嘴55n具有可经主喷射地57喷射所用或部分主充量至气缸10的筒中的一组喷射孔。在对置活塞式发动机8中，各主燃料喷射器喷嘴的喷射孔成组排列，使得燃料基本沿气缸的纵向中心线向TDC方向远离主燃料喷射器所在端口以云状或雾状液滴喷射。
【0050】用于发动机8的各导引燃料喷射器喷嘴59n可由增压蓄压型燃料喷射器输送阀机构驱动，包括具有可经导引喷射地61喷射所用或部分导引充量至气缸筒的一组喷射孔。单个导引燃料喷射器喷嘴优选以常规方式安装至气缸的各导引喷射地。在对置活塞式发动机8中，各导引燃料喷射器喷嘴的喷射孔成组排列，使得燃料沿基本垂直气缸的纵向中心线方向以云状或雾状非常小的液滴喷射。
【0051】在图4所示直列式燃料喷射系统中，泵130和132以常规方式由通过已知装置(未示出)连至图1所示至少一曲轴30、32的凸轮装置驱动。可为泵130和132之一或两者都提供(图3所示)调节器134，在不同发动机条件下保持控制燃料输送，如上有关图2所示燃料喷射系统所述。
【0052】除前述附图所示机构与系统外，也可使用其它燃料喷射机构和系统，例如，集成单位喷射器或单位泵可独立安装于各气缸各喷射地处或附近。
【0053】图5A-5D示出了发动机8的均质充量导杆点火运行。在附图中，HCPI的运行基于图2所示的燃料喷射结构，气缸10的两个主喷射器55各自安装于发动机8中以经喷射地57提供大致一半的主充量。另外，仅示出了单个导引喷射器59。这不能限制本说明的范围，因为也可在附图所示两个主喷射器任一位置使用单个主喷射器55或两个以上的主喷射器55。而且，可以实用多于一个的导引喷射器59
【0054】图5A-5D是图1所示气缸10和活塞12、14的示意图，示出了对置活塞式HCPI发动机的运行步骤顺序，特别是发动机8的进气/压缩冲程。该顺序仅用于解释；不能排除其它可能的顺序。参照图5A，气缸10具有与气缸的轴重合的纵向中心线139以及中心线上的纵向中点140。术语“下止点”指活塞控制的端口完全打开或打开最大时活塞的位置。参照图5A和5D，术语“上止点”指活塞12、14的顶12a、14a间空间最小且主充量基本均质并在气缸筒中压缩程度最高的点。
【0055】如以下附图与说明书所示，活塞长度、气缸长度以及气缸歧管添加至歧管筒的长度间的关系，加上活塞在下止点位置间移动时活塞间的相差，调整端口的运行并将其与活塞冲程按正确顺序排列。这里，排气口45和进气口46从气缸10的纵向中心轴向位于其末端附近。活塞12、14长度相同。各活塞12和14保持气缸10的相关端口45或46闭合，直至活塞到达其下止点位置。下止点位置间的相位偏移产生顺序，其中活塞12移至下止点位置附近时，排气口45没有被活塞12覆盖因而打开，之后活塞14移至下止点位置附近时，进气口46没有被活塞14覆盖因而打开，随后活塞12从下止点位置移开后，排气口45被活塞12覆盖因而闭合，之后活塞14从下止点位置移开后，进气口46被活塞14覆盖因而闭合。
【0056】在此示例中，活塞12、14靠近BDC位置，活塞顶12a、14a位于排气口45和进气口46外。活塞12已移经BDC，开始向TDC移动。活塞14仍向BDC移动。端口45和46没有被覆盖因而打开，燃烧产物被压力下经进气歧管48流入气缸的扫气空气经排气口45清出气缸进入排气歧管47。如果端口45和46是涡卷的，扫气空气在气缸10中旋动145。主燃料喷射器55和导引燃料喷射器59均不启动。
【0057】图5B中，活塞12已向TDC移动足够远以覆盖闭合排气口45。活塞14已经BDC并开始向TDC移动。进气口46仍然打开，支持燃烧的空气流入气缸。同样，如果端口是涡卷的，空气在气缸10中旋动145。主燃料喷射器55和导引燃料喷射器59均不启动。
【0058】图5C中，活塞14已向TDC移动足够远以覆盖闭合进气口46，使得一定空间的燃烧空气封闭于气缸中。活塞12继续移向TDC。排气口45保持闭合。两个主燃料喷射器55有ECU 121启动，各自喷射约一半的主充量200至封闭空间中。主充量的量产生低含量燃料空气/燃料混合物，其中空气量与支持燃烧的化学计量空气量的比例λ大于或等于2。主燃料喷射器的喷嘴中的喷射孔的排列使得各部分主充量以燃料液体形式沿纵向中心线139向纵向中点140远离活塞顶12a、14a和气缸筒喷射。喷射主充量时，活塞12和14仍在BDC附近。因而喷入的主充量在活塞移向TDC时有相对较长时间通过压缩与空气混合。因此，活塞12、14位于TDC附近时，基本所有喷入的燃料已蒸发。所以，活塞12、14位于TDC附近时，空气/燃料混合物基本均质。但是，由于燃料基本完全蒸发，所得空气/燃料混合物没有化学计量混合物比例区域，不能发生自燃。
【0059】现参照图5D，就在活塞12、14到达TDC之前，导引燃料喷射器59由ECU 121根据所探测的曲柄角启动，将由包括非常小液体的非常细的液体燃料组成的导引充量210(例如初始平均直径约为10微米的液滴)喷入高压缩因而高温的空气/燃料混合物中。导引充量210迅速蒸发展示的燃料浓度梯度中包括空气/燃料混合物具有自燃所需的化学计量比的区域。因此，导引充量自燃并引起气缸中活塞顶之间的低含量燃料压缩空气/燃料混合物燃烧。
【0060】由于主充量200为低含量燃料，且即使没有完全蒸发，在燃烧点处已几乎蒸发，燃料的总体燃烧将大幅减少NOx、碳氢化合物、CO和颗粒等排放污染物。
【0061】由于主充量200在压缩冲程的早期喷入，甚至在高负荷条件下，燃料有充足的时间彻底蒸发并与空气混合。在非常低负荷运行期间，如空转时，导引燃料喷射器59可提供足量的燃料以保持运行而不启动主燃料喷射器55。
【0062】参照图5A-5D可理解发动机8 HCPI运行所实现的其它优点。这些优点包括保护主燃料喷射器55不处于空气/燃料混合物燃烧时气缸中压缩和燃烧产生的高压和高温中。如图5C和5D最佳所示，活塞在TDC间来回移动时，喷射地57被活塞12和14覆盖，从而保护喷射器的喷嘴不处于压缩的空气/燃料混合物的高压和高温以及燃烧产生的热和湍流中。
【0063】前述示例已均以提供两个主燃料喷射器并使用导引喷射器作为唯一引燃元件为基础。图6A-6C示出了其它结构。图6A中，仅提供了单个主喷射器55使用的单个主燃料喷射地57。主燃料喷射地57位于气缸10内一端口45和46附近，位置稍向控制端口的活塞的TDC；图6A中，主燃料喷射地57位于排气口45附近。在此结构中，燃料喷射器喷嘴的喷射孔可向相对端口方向喷射所有主充量。图6B中，至少一主燃料喷射地57位于气缸10上经过中点140的直径处或附近。在此结构中，燃料喷射器喷嘴的喷射孔可向端口45和46方向远离中点140喷射所有主充量。在图6A和6B所示结构中，主燃料喷射系统(未示出)运行以在压缩燃烧冲程早期喷射主充量，活塞(未示出)位于BDC位置附近，但端口45和46闭合。在图6C中，提供了火花塞等电引燃元件160以增强导引喷射器59的燃烧功能。元件160位于中点140附近，位置可从导引喷射地61水平或弯曲偏移。为参照，气缸10中示出了主燃料喷射器55的一个或多个可能的喷射地57。
【0064】应理解，本文提出的发明原理不限于仅用于说明的实施例。作为示例，可沿气缸壁以TDC方向纵向安装其它主燃料喷射器55以提供主充量的多段喷射。另外，本文所述原理可适用于二冲程或四冲程双活塞式或单活塞式发动机。另外，这些原理仅受所附权利要求限制。

Claims (37)

1.一种对置活塞式压燃发动机的运行方法，该对置活塞式压燃发动机包括气缸、位于所述气缸筒内的一对对置活塞和由所述活塞控制的隔开的进气口和排气口，所述方法包括：
将空气引入所述活塞间的所述气缸内；
相向移动所述活塞；
通过所述气缸上的所述进气口和所述排气口之间的至少一主喷射地将液体燃料的低含量燃料主充量喷射入所述活塞之间的所述气缸中；
响应于所述活塞的移动，所述主充量在到达自燃温度前充分蒸发；以及之后
通过至少一导引喷射地喷射液体燃料的导引充量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述导引充量的量少于所述发动机空转所要求的主充量的量。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括响应于至少一所述发动机运行条件，调节所述主充量的量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中喷射主充量包括通过所述进气口附近所述气缸上的主喷射地喷射第一部分所述主充量以及通过所述排气口附近气缸上的主喷射地喷射第二部分所述主充量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述活塞在相向移动时，覆盖所述主喷射地。
6.根据权利要求1所述的方法，其中喷射主充量包括通过所述进气口附近所述气缸上的主喷射地以远离所述进气口方向沿气缸的纵向中心线喷射第一部分所述主充量，以及通过所述排气口附近所述气缸上的主喷射地以远离所述排气口方向沿所述纵向中心线喷射第二部分所述主充量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述活塞在相向移动时，覆盖所述主喷射地。
8.根据权利要求1所述的方法，其中喷射主充量包括通过所述活塞上止点附近所述气缸上的至少一主喷射地喷射至少一部分所述主充量。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括旋动引入所述气缸的空气。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括电增强所述主充量的燃烧。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述主充量包括柴油燃料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述导引充量包括柴油燃料。
13.一种对置活塞式压燃发动机的运行方法，该对置活塞式压燃发动机包括一气缸，其中对置活塞位于所述气缸中，且所述气缸具有隔开的进气口和排气口，所述方法包括：
将空气引入所述活塞之间的所述气缸内；
相向移动所述活塞；
通过所述气缸上所述进气口和所述排气口之间至少一主喷射地将液体燃料的低含量燃料主充量喷射入所述活塞间的所述气缸中；
响应于所述活塞的移动，所述主充量在到达自燃温度前充分蒸发；以及之后
通过所述气缸纵向中点附近的至少一导引喷射地喷射液体燃料的导引充量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述导引充量的量少于所述发动机空转所要求的所述主充量的量。
15.根据权利要求13所述的方法，其中喷射所述主充量包括通过所述进气口附近所述气缸上的主喷射地喷射第一部分所述主充量，以及通过所述排气口附近所述气缸上的主喷射地喷射第二部分所述主充量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述活塞在相向移动以压缩空气/燃料混合物时，覆盖所述主喷射地。
17.根据权利要求13所述的方法，其中喷射主充量包括通过所述进气口附近所述气缸上的主喷射地以远离所述进气口方向沿所述气缸的纵向中心线喷射第一部分所述主充量以及通过所述排气口附近所述气缸上的主喷射地以远离所述排气口方向沿所述纵向中心线喷射第二部分所述主充量。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述活塞在相向移动以压缩空气/燃料混合物时，覆盖所述主喷射地。
19.根据权利要求13所述的方法，其中喷射主充量包括通过所述气缸纵向中点附近所述气缸上的至少一主喷射地向所述进气口和所述排气口方向喷射至少一部分所述主充量。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述主充量和所述导引充量包括柴油燃料。
21.一种压燃发动机，其包括：
气缸；
一对可滑动地位于所述气缸内的对置活塞；
处于所述气缸各端附近的隔开的进气口和排气口；
通过所述气缸内所述进气口和所述排气口之间的喷射地与所述气缸筒连接的至少一主燃料喷射器；
通过所述气缸内在所述气缸纵向中点附近的喷射地与所述气缸筒连接的至少一导引燃料喷射器；以及
连接至至少一主燃料喷射器和至少一导引燃料喷射器的燃料喷射系统，可在所述活塞处于下止点位置附近时运行所述至少一主燃料喷射器，并在所述活塞处于上止点位置附近时运行所述至少一导引燃料喷射器。
22.根据权利要求21所述的发动机，其中所述至少一主燃料喷射器包括通过所述气缸上所述进气口附近的主喷射地喷射第一部分所述主充量的第一主燃料喷射器和通过所述气缸上所述排气口附近的主喷射地喷射第二部分所述主充量的第二主燃料喷射器。
23.根据权利要求21所述的发动机，其中所述至少一主燃料喷射器包括通过所述气缸上所述进气口附近的主喷射地向纵向中点方向喷射第一部分所述主充量的第一主燃料喷射器和通过所述气缸上所述排气口附近的主喷射地向所述纵向中点方向喷射第二部分所述主充量的第二主燃料喷射器。
24.根据权利要求21所述的发动机，其中所述至少一主燃料喷射器包括通过所述气缸上所述活塞的上止点位置附近的至少一主喷射地向所述进气口和所述排气口方向喷射至少一部分所述主充量的主燃料喷射器。
25.根据权利要求21所述的发动机，其中所述燃料喷射系统响应于至少一发动机运行条件控制所述主充量的量，并保持所述导引充量的量值小于所述发动机空转所要求的主充量的量值。
26.一种内燃发动机，其包括：
具有隔开的进气口和排气口的气缸；
位于气缸筒内的对置活塞；
位于所述气缸中所述进气口附近的喷射地的第一主燃料喷射器；
位于所述气缸中所述排气口附近的喷射地的第二主燃料喷射器；
连于所述主燃料喷射器的主燃料喷射系统；
位于所述活塞各个上止点位置之间的喷射地的导引燃料喷射器；以及
连于所述导引燃料喷射器的导引燃料喷射系统。
27.根据权利要求26所述的发动机，其中所述第一主燃料喷射器可以远离进气口方向喷射第一部分的液体燃料主充量，所述第二主燃料喷射器可以远离排气口方向喷射第二部分的液体燃料主充量。
28.权利要求27所述的发动机，其中所述主燃料喷射系统可提供柴油燃料至所述第一和所述第二主燃料喷射器。
29.权利要求28所述的发动机，其中所述导引燃料喷射系统可提供柴油燃料至所述导引燃料喷射器。
30.一种内燃发动机，其包括
具有隔开的进气口和排气口的气缸；
位于气缸筒内的对置活塞；
通过所述气缸上所述进气口和所述排气口之间的至少一喷射地与所述气缸筒连接的至少一主燃料喷射器；
连于所述至少一主燃料喷射器并可在所述活塞处于下止点位置附近时运行所述至少一主燃料喷射器的主燃料喷射系统；
通过所述气缸纵向中点附近的至少一喷射地与所述气缸筒连接的导引燃料喷射器；
连于所述导引燃料喷射器并可在所述活塞处于上止点位置附近时运行所述导引燃料喷射器的导引燃料喷射系统；以及
安装于所述气缸的电引燃元件。
31.根据权利要求30所述的内燃发动机，还包括所述进气口中的涡管。
32.一种用于对置活塞式压燃发动机的燃料喷射组合，其包括
具有隔开的进气口和排气口的气缸；
位于气缸筒内的对置活塞；
通过所述气缸上所述进气口和所述排气口之间的至少一喷射地与所述气缸筒连接的至少一主燃料喷射器；以及
通过所述气缸纵向中点附近的至少一喷射地与所述气缸筒连接的至少一导引燃料喷射器。
33.根据权利要求32所述的组合，其中所述至少一主燃料喷射器和所述至少一导引燃料喷射器可喷射柴油燃料。
34.一种用于对置活塞式压燃发动机的燃料喷射组合，其包括
具有隔开的进气口和排气口的气缸；
位于气缸筒内的对置活塞；
通过所述气缸上所述进气口附近的主喷射地与所述气缸筒连接的第一主燃料喷射器和通过所述气缸上所述排气口附近的主喷射地与所述气缸筒连接的第二主燃料喷射器；以及
通过所述气缸纵向中点附近的至少一喷射地与所述气缸筒连接的至少一导引燃料喷射器。
35.根据权利要求34所述的组合，其中所述至少第一和第二主燃料喷射器和所述至少一导引燃料喷射器可喷射柴油燃料。
36.一种用于对置活塞式压燃发动机的燃料喷射组合，包括
具有隔开的进气口和排气口的气缸；
位于气缸筒内的对置活塞；
通过所述气缸上所述进气口附近的第一主喷射地与所述气缸筒连接的第一主燃料喷射器，第一主燃料喷射器可通过所述第一主喷射地向纵向中点方向喷射第一部分液体燃料主充量；以及
通过所述气缸上所述排气口附近的第二主喷射地与所述气缸筒连接的第二主燃料喷射器，所述第二主燃料喷射器可通过第二主喷射地向所述纵向中点方向喷射所述第二部分液体燃料主充量。
37.权利要求36所述的组合，其中所述至少第一和所述第二主燃料喷射器和所述至少一导引燃料喷射器可喷射柴油燃料。
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