CN101484680A - 用于直喷式火花点火内燃发动机的燃料喷射控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直喷式火花点火内燃发动机(10)，其包括控制器，控制器控制燃料喷射器(23)在要执行均匀燃烧时在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程执行多次燃料喷射以喷射必需的燃料量。燃料喷射控制装置设定禁止喷射燃料的禁止喷射时段θp为进气行程的中间部分。禁止喷射时段θp随着发动机速度和进气压力增加而缩短。此外，随着发动机速度降低，减少在禁止喷射时段θp之前要喷射的燃料量，并且增加在禁止喷射时段θp之后要喷射的燃料量。

Description

用于直喷式火花点火内燃发动机的燃料喷射控制方法
技术领域
本发明涉及一种直喷式火花点火内燃发动机，其中燃料从气缸的一侧向气缸的相对侧的气缸壁喷射使得喷射的燃料在进气行程期间乘载于进气流，并且还涉及一种用于这种内燃发动机的燃料喷射控制方法。更具体地，本发明涉及一种直喷式火花点火内燃发动机，其在均匀燃烧期间减弱了撞击气缸壁的燃料造成的油稀释并且有效地利用了燃料气化的潜热和燃料射流形成的扰动作用以提高空气燃料混合物的均匀度，并且还涉及一种用于这种内燃发动机的燃料喷射控制方法。
背景技术
在常规汽油直喷式发动机中，燃料从气缸的一侧(例如两个进气门之间)向相对侧上的气缸壁喷射使得在进气行程期间喷射的燃料乘载于进气流。
这种发动机中，需要或多或少地减少燃料喷雾的渗透度以在均匀燃烧期间提高均匀度并减少低温烟尘和碳氢化合物(HC)的产生。还需要增加喷射角(安装角)以减少燃料对活塞的粘附。
为此，提出了一种相关技术，该技术提供一种用于直喷式火花点火内燃发动机的燃料控制装置，其包括用于将燃料直接喷入燃烧室的燃料喷射器以及火花塞，并且，根据发动机运转状态，该燃料控制装置执行分层操作，其中燃料以集中的方式向火花塞的附近喷洒，以及执行均匀操作，其中燃料以分散方式喷洒在燃烧室各处。这种燃料控制装置包括用于在均匀操作中每个循环期间允许燃料多次喷射的多次喷射控制装置。多次喷射控制装置根据发动机速度和负荷改变用于各个喷射的喷射量和各次喷射之间的时间间隔。(例如，参考日本专利申请公开JP-A-2002-161790。)
而且，提出了一种相关技术，该技术提供一种用于发动机的燃料喷射装置，所述发动机具有当从气缸轴线方向看时布置在燃烧室中心的火花塞和设置为面向燃烧室用于喷射燃料的燃料喷射器。这种燃料喷射装置中，燃料喷射器的燃料喷射口当从气缸轴线方向看时布置在燃烧室的外周并处于进气口一侧。这种燃料喷射装置设置有喷射控制装置，喷射控制装置用于控制燃料喷射器使得燃料喷射在气缸进气行程的前半程开始，并且使得在进气行程期间执行多个燃料多次喷射。(例如，参考日本专利申请公开JP-A-10-159619。)
然而，前述相关技术中，燃料喷雾的渗透度受到限制。而且，燃料可能超速乘载于进气流并因此增加了撞击气缸壁的燃料量。燃料粘附至气缸壁并经活塞环流入油底壳，燃料在油底壳中将油稀释，这样使发动机性能下降。
在满载范围中，既希望空气燃料混合物的均匀性又希望利用燃料气化的潜热的作用和燃料射流造成的扰动作用，特别地，活塞速度最大的范围中的燃料喷射正时是不可避免的。
根据上述日本专利中请公开JP-A-10-159619的相关技术中，燃料在进气行程的中间时段期间不喷射。然而，因为不喷射燃料不是由于为了明确地禁止而设定禁止喷射时段，所以，如果需要更大的燃料喷射量即使在进气行程的中间时段期间燃料也很可能喷射，这可能导致上述油稀释的问题。
发明内容
本发明提供一种直喷式火花点火内燃发动机，其通过在活塞速度最高时不喷射燃料，例如当在进气行程期间要执行多次喷射时，减少了撞击气缸壁的燃料对油的稀释，并且该内燃发动机在均匀燃烧期间有效地利用了燃料气化的潜热和燃料射流的扰动作用以提高空气燃料混合物的均匀度，并且提供了一种用于这种内燃发动机的燃料喷射控制方法。
本发明的第一方面涉及一种直喷式火花点火内燃发动机，其包括：燃料喷射器，其面向燃烧室并喷射燃料使得喷射的燃料乘载于在燃烧室内产生的进气流；以及燃料喷射控制装置，其用于执行控制使得当进行均匀燃烧时燃料喷射器在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程执行多次燃料喷射以喷射必需的燃料量。特别地，该直喷式火花点火内燃发动机的特征在于燃料喷射控制装置设定禁止喷射燃料的禁止喷射时段为进气行程的中间部分。
根据所述第一方面，当均匀燃烧期间要在进气行程中执行多次喷射时，设定所述禁止喷射时段以避免在活塞速度最快时喷射。因此，能够防止喷射的燃料超速乘载于进气流并撞击气缸壁，并因此减少油稀释。此外，当要在禁止喷射时段前后执行多次喷射时，以最佳的方式设定多次喷射的数量、喷射量、每次喷射的开始时间和每次喷射量的比率。因此，可通过有效利用燃料气化的潜热和燃料射流造成的扰动作用提高空气燃料混合物的均匀度。
本发明的第二方面涉及根据第一方面的直喷式火花点火内燃发动机，其中随着内燃发动机速度增加，燃料喷射控制装置设定较短的禁止喷射时段。
根据所述第二方面，随着发动机速度增加，喷射正时可以根据燃料气化的时间而提前，其中减弱了由于燃料撞击气缸壁造成的油稀释。因此，可提高设定喷射时间的自由性。
本发明的第三方面涉及根据所述第一或第二方面的直喷式火花点火内燃发动机，其中随着进气压力增加，燃料喷射控制装置设定较短的禁止喷射时段。
根据所述第三方面，随着进气压力变高，喷射正时可以根据燃料气化的时间而提前，其中燃料喷雾的飞行距离较短并因此减弱了由于燃料撞击气缸壁造成的油稀释。因此，可提高设定喷射时间的自由性。
本发明的第四方面涉及根据所述第一至第三方面的任一项的直喷式火花点火内燃发动机，其中，随着内燃发动机速度降低，燃料喷射控制装置减少在禁止喷射时段之前要喷射的燃料量，并且增加在禁止喷射时段之后要喷射的燃料量。
根据所述第四方面，随着内燃发动机速度降低，允许利用燃料气化的潜热和燃料射流造成的扰动作用，因为这里有足够的时间使燃料气化并与空气混合。同时，随着发动机速度增加，优先保证空气燃料混合物的均匀度，因为这里没有足够的时间使燃料气化并与空气混合。
本发明的第五方面涉及一种用于直喷式火花点火内燃发动机的燃料喷射控制方法，其中直喷式火花点火内燃发动机包括：燃料喷射器，其面向燃烧室并喷射燃料使得喷射的燃料乘载于在燃烧室内产生的进气流；以及燃料喷射控制装置，其用于执行控制使得当进行均匀燃烧时燃料喷射器在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程执行多次燃料喷射以喷射必需的燃料量。该燃料喷射控制方法包括设定禁止喷射燃料的禁止喷射时段为进气行程的中间部分。
附图说明
通过以下参照附图对示例实施方式的说明，本发明前述的及进一步的特征和优点将变得显而易见，图中相同的标号用于代表相同的构件，其中：
图1是对用于根据本发明的一个实施方式的直喷式火花点火内燃发动机的禁止喷射时段θp进行说明的图表；
图2是示出发动机的大致结构的截面图；
图3是示出控制方法的流程图；
图4是用于基于发动机速度Ne和负荷系数KL获得多次喷射的数量的映射图；
图5是用于基于发动机速度Ne获得禁止喷射时段θpn1的映射图；
图6是用于基于进气压力获得禁止喷射时段θpn2的映射图；
图7是用于基于发动机速度Ne和负荷系数KL获得第一次喷射的开始时间的映射图；
图8是用于基于发动机速度Ne和负荷系数KL获得第二次喷射的开始时间的映射图；
图9是用于基于发动机速度Ne和负荷系数KL获得第n次喷射的开始时间的映射图；以及
图10是用于基于发动机速度Ne获得在全部喷射量中在禁止喷射时段θp之前喷射的燃料喷射量的比率(提前侧喷射比率)的映射图。
具体实施方式
以下参照附图说明根据本发明的直喷式火花点火内燃发动机(下面有时称为“发动机”)的一个实施方式。然而，本发明不限于所说明的实施方式。
首先，参照图2对本发明应用的发动机进行说明。图2是示出发动机的总体结构的截面图。如图2所示，发动机10是一种四冲程汽油直喷式发动机，其中燃料喷雾23a直接从燃料喷射器23喷入燃烧室10a。发动机10通过现有技术设置为可在分层燃烧和均匀燃烧之间转换。
发动机10的燃烧室10a由气缸壁11、气缸头13和往复地设置在气缸壁11中的活塞12限定。允许分层燃烧的凹腔12a形成在活塞12的顶面的进气侧的一部分中。
点燃空气燃料混合物的火花塞14布置在燃烧室10a的中心附近。进气门16布置在面向燃烧室10a的进气口15处，并且排气门20布置在面向燃烧室10a的排气口18处。通过可变配气正时机构(未示出)控制进气门16和排气门20打开和关闭。
尽管没有示出，在发动机10的排气通路中设置了用于净化排气中的烟尘、NOx、HC等等的催化剂。发动机10包括各种传感器，用于检测运转需要的各种数据，例如发动机速度和进气压力。
电控单元(ECU)(未示出)根据各种传感器等等的输出值控制各种组件，例如进气门16、排气门20、火花塞14、燃料喷射器23和可变配气正时机构。
现在将参照图3说明根据本实施方式的控制方法。图3是示出所述控制方法的流程图。以下所述的控制方法由ECU以特定的间隔执行。
首先，判定所述控制是否在均匀燃烧下执行的(步骤S10)，均匀燃烧是所述控制的对象。换言之，判定燃料喷射是否在是进气行程期间执行。由于发动机10被设定为可在分层燃烧和均匀燃烧之间转换并且当前燃烧方式是已知的，所以可容易地作出这种判定。如果判定出所述控制不是在均匀燃烧下执行(步骤S10中的“否”)，则程序终止。
如果判定出控制是在均匀燃烧下执行的(步骤S10中的“是”)，则基于提前读取或计算的发动机10的当前速度Ne和负荷系数KL计算和设定必需的喷射量Q，并例如利用图4所示的映射图设定多次喷射S的数量(步骤S11)。图4示出用于基于发动机10的速度Ne和负荷系数KL获得多次喷射的数量(例如，n1、n2、...、n5)的映射图，该映射图可根据经验等等来确定。
然后，设定禁止喷射时段θp(步骤S12)。如图1所示，当在进气行程期间要执行多次喷射(所示的示例中为三次喷射)时，设定禁止喷射时段θp以避免在活塞12的速度最快时喷射燃料。图1解释了用于根据本发明的实施方式的直喷式火花点火内燃发动机的禁止喷射时段θp。具体地，禁止喷射时段θp以下述方式设定。
如图5所示，禁止喷射时段θp随着发动机10的速度Ne增加而缩短。该设定值定义为禁止喷射时段θpn1。图5是用于基于发动机10的速度Ne确定禁止喷射时段θpn1的映射图，通过实验等等提前准备该映射图。
有了上述设定，喷射正时可以根据燃料气化所需的时间提前。因此，随着发动机10的速度Ne增加，撞击气缸壁11的燃料造成的油稀释减弱。
而且，如图6所示，随着进气压力增加禁止喷射时段θp缩短。该设定值定义为禁止喷射时段θpn2。图6是用于基于进气压力确定禁止喷射时段θpn2的映射图，其通过实验等等提前准备好。
通过上述设定，喷射正时可以根据用于燃料气化的时间提前。因此，当进气压力增加时，燃料喷雾23a的飞行距离减小，这减弱了撞击气缸壁11的燃料造成的油稀释。
然后将禁止时段θpn1和θpn2中较长的一个设定为禁止喷射时段θp(步骤S12)。
然后，根据禁止喷射时段θp设定每次多次喷射的开始时间(步骤S13)。例如，利用图7至9的映射图基于发动机10的速度Ne和负荷系数KL依次获得第一次喷射的开始时间(见图7的喷射开始时间ainj1_1至ainj1_5)、第二次喷射的开始时间(见图8的喷射开始时间ainj2_1至ainj2_5)和第n次喷射的开始时间(见图9的喷射开始时间ainjn_1至ainjn_5)。
图7是用于基于发动机10的速度Ne和负荷系数KL确定第一次喷射的开始时间的映射图，图8是用于基于发动机10的速度Ne和负荷系数KL确定第二次喷射的开始时间的映射图，并且图9是用于基于发动机10的速度Ne和负荷系数KL确定第n次喷射的开始时间的映射图，它们通过实验等等提前准备好。
然后，根据禁止喷射时段θp设定每次多次喷射的燃料喷射量(步骤S14)。亦即，如图10所示，随着发动机10的速度增加，减少禁止喷射时段θp之前的燃料喷射量(在先侧喷射比率)，并且增加禁止喷射时段θp之后的燃料喷射量。
通过这种设定，由于发动机10的速度Ne较低，能够利用燃料气化的潜热和燃料射流的扰动作用。因此，有足够的时间使燃料气化并与空气混合。另一方面，随着发动机10的速度Ne增加，优先保证所述空气燃料混合物的均匀度，因为这里没有足够的时间使燃料气化并与空气混合。
图10是用于基于发动机10的速度Ne确定在全部喷射量中在禁止喷射时段θp之前喷射的燃料喷射量的比率(在先侧喷射比率)的映射图，其通过实验等等提前准备好。
基于喷射量Q、多次喷射的数量S、每次喷射的开始时间以及每次多次喷射中不在禁止喷射时段θp期间的燃料喷射量来执行每次多次喷射(步骤S15)。
这样，可在均匀燃烧期间特别是在满载范围内防止喷射的燃料超速乘载在进气流上并撞击气缸壁11，并因此减少油稀释。此外，可通过有效利用燃料气化的潜热和燃料射流造成的扰动作用提高空气燃料混合物的均匀度。
如图1所示，在以上实施方式中，在进气行程期间执行了三次喷射。然而，本发明可在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程包含更多次数的多次喷射。
如图2所示，在以上实施方式中，本发明用于的发动机10具有在燃烧室10a的中心附近的火花塞14并且其中燃料从所述进气口侧喷射。然而，本发明不限于这种设置。
亦即，可以以任意方式布置燃料喷射器、火花塞等等，只要燃料喷射器的喷嘴面向燃烧室并且喷射的燃料乘载于燃烧室内产生的进气流即可。

Claims (11)

1.一种直喷式火花点火内燃发动机(10)，包括：
燃料喷射器(23)，其设置为面向燃烧室(10a)并构造成喷射燃料使得喷射的燃料乘载于在所述燃烧室(10a)内产生的进气流；以及
燃料喷射控制装置，其用于执行控制使得当进行均匀燃烧时所述燃料喷射器在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程执行多次燃料喷射以喷射必需的燃料量；
所述直喷式火花点火内燃发动机(10)的特征在于：
所述燃料喷射控制装置设定禁止喷射所述燃料的禁止喷射时段为所述进气行程的中间部分。
2.如权利要求1所述的直喷式火花点火内燃发动机(10)，其中所述燃料喷射控制装置随着所述内燃发动机(10)的速度增加缩短所述禁止喷射时段。
3.如权利要求1或2所述的直喷式火花点火内燃发动机(10)，其中所述燃料喷射控制装置随着进气压力增加缩短所述禁止喷射时段。
4.如权利要求1至3中任一项所述的直喷式火花点火内燃发动机(10)，其中随着所述内燃发动机(10)速度降低，所述燃料喷射控制装置减少在所述禁止喷射时段之前要喷射的燃料量，并增加在所述禁止喷射时段之后要喷射的燃料量。
5.如权利要求1至4中任一项所述的直喷式火花点火内燃发动机(10)，其中所述燃料喷射控制装置将所述禁止喷射时段设定为活塞速度最快的时段。
6.一种在直喷式火花点火内燃发动机(10)中控制燃料喷射的方法，其中所述直喷式火花点火内燃发动机(10)包括：
燃料喷射器(23)，其面向燃烧室(10a)并喷射燃料使得喷射的燃料乘载于在所述燃烧室(10a)内产生的进气流；以及
燃料喷射控制装置，其用于执行控制使得当进行均匀燃烧时所述燃料喷射器在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程执行多次燃料喷射以喷射必需的燃料量；
所述燃料喷射控制方法包括：
设定禁止喷射所述燃料的禁止喷射时段为所述进气行程的中间部分。
7.如权利要求6所述的燃料喷射控制方法，其中随着所述内燃发动机(10)的速度增加缩短所述禁止喷射时段。
8.如权利要求6或7所述的燃料喷射控制方法，其中随着进气压力增加缩短所述禁止喷射时段。
9.如权利要求6至8中任一项所述的燃料喷射控制方法，其中随着所述内燃发动机(10)速度降低，减少在所述禁止喷射时段之前要喷射的燃料量，并增加在所述禁止喷射时段之后要喷射的燃料量。
10.如权利要求6至9中任一项所述的燃料喷射控制方法，其中所述禁止喷射时段被设定为活塞速度最快的时段。
11.一种直喷式火花点火内燃发动机，包括：
燃料喷射器，其设置为面向燃烧室并构造成喷射燃料使得喷射的燃料乘载于在所述燃烧室内产生的进气流；以及
燃料喷射控制装置，其用于执行控制使得所述燃料喷射器执行多次燃料喷射以在进气行程期间或从进气行程至压缩行程的前半程喷射必需的燃料量以便进行均匀燃烧，
其中所述燃料喷射控制装置设定禁止喷射所述燃料的禁止喷射时段为所述进气行程的中间部分。
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