CN102812231B - 具有混合燃料喷射的压燃式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机(10)包括电子控制的混合比控制阀(24)，该阀具有流体连接到汽油源(20)的第一入口(25)和流体连接到例如蒸馏柴油燃料的压燃燃料源(22)的第二入口(26)。混合比控制阀(24)的出口(42)流体连接到至少一个燃料喷射器(17)的燃料入口(40)。混合比控制阀(24)响应于从电子控制器(18)连通的控制信号改变汽油与压燃燃料的混合比。混合的燃料可被加压到燃料喷射器(17)中的喷射水平并被直接喷射到发动机(10)缸(12)中。压燃燃料被压缩点燃，继而点燃汽油，从而产生作为燃烧过程结果的更低和更好组合的不希望排放物。

Description

具有混合燃料喷射的压燃式发动机
技术领域
本发明整体涉及压燃式发动机，更具体地涉及混合比得到电子控制的汽油和压燃燃料的喷射和燃烧。
背景技术
工程人员一直在寻找减少来自压燃式发动机的不希望排放物的新方法。虽然可以利用更加精致的后处理系统处理废气排放物中的不希望成分，但以首先减少不希望排放物的产生的方式燃烧燃料始终是希望的选择。目前关注的一些不希望排放物包括NOx、未燃的碳氢化合物和颗粒物。NOx通常与较高的燃烧温度相关。未燃的碳氢化合物有时会与发动机缸的远处部分中的燃料未完全燃烧相关。颗粒物产生可归因于本领域已知的多种原因，包括燃料组分及其他因素。来自燃烧空间的不希望排放物的整体减少可能是难以捉摸的，因为减少其中一种不希望排放物经常会导致另一种排放物显著增加。
尽管压燃式发动机通常与柴油燃料相关，但利用压燃的柴油燃料来燃烧其他反应性较弱的燃料以继而点燃反应性较弱的燃料(例如天然气或者汽油)是已知的。在一个不是以排放物为动机的具体发动机例子中，美国专利3308794教导了一种压燃式发动机，其将少量柴油燃料与直接喷射到发动机的占支配地位的较大体积的汽油结合作为混合物。汽油由被压缩点燃的燃烧的柴油燃料点燃。虽然该参考文献引入了利用少量压燃的柴油来点燃汽油的思路，但其未考虑排放问题，也没有想到或认识到排放物会随着与发动机操作条件无关地改变汽油与柴油的混合比的能力而减少。
本发明涉及上述的一个或多个问题。
发明内容
一方面，一种燃料系统包括多个燃料喷射器、汽油源和压燃燃料源。电子控制的混合比控制阀具有流体连接到汽油源的第一入口和流体连接到压燃燃料源的第二入口。混合比控制阀的出口流体连接到至少一个燃料喷射器的燃料入口。混合比控制阀能够在对应于出口中的汽油-压燃燃料的不同比的多个构型之间运动。电子控制器与混合比控制阀以控制方式连通。
另一方面，一种操作发动机的方法包括将发动机缸中的空气压缩超过压燃燃料的自点燃条件。将第一混合比的汽油和压燃燃料的第一混合物喷射到发动机缸。响应于从电子控制器连通到混合比控制阀的混合比控制信号改变为第二混合比。将第二混合比的汽油和压燃燃料的第二混合物喷射到发动机缸中。
附图说明
图1是根据本发明的一方面的发动机和燃料系统的示意图；
图2是来自图1的燃料系统的燃料喷射器的侧剖示意图；和
图3是来自图1的燃料系统的混合比控制阀的前剖示意图。
具体实施方式
参照图1，发动机10包括具有多个燃料喷射器17的燃料系统16。发动机10被显示为包括与6缸发动机对应的6个燃料喷射器，但本领域技术人员将认识到本发明的教导可同等地应用于具有任意数量缸的发动机。每个燃料喷射器17的喷嘴出口41被定位成将燃料直接喷射到各个缸12中(只显示出了其中一个)。以传统的方式，活塞14在每个缸12内往复运动，具有足以将空气压缩超过压燃燃料(例如蒸馏柴油燃料、柴油生物燃料等)的自点燃条件的压缩比。因此，发动机10是压燃式发动机并且不包括例如火花塞的电子火花启动装置。因此，从喷射器17喷射的燃料充量的点燃依赖压燃燃料的压缩点燃，该压燃燃料占离开喷嘴出口41的燃料的至少一部分。燃料系统16被设计成使得汽油和压燃燃料的混合物被供应到各个喷射器17并作为混合的混合物喷射到相应的缸12中。
在图1所示的燃料系统16中，汽油和压燃燃料的混合过的混合物被加压到各个燃料喷射器17内的喷射水平。虽然燃料系统16被示出为利用液压致动来加压各个燃料喷射器17的每一个中的燃料混合物，但本领域技术人员将会认识到待喷射的燃料混合物的凸轮致动加压也落入本发明的范围。另外，含有在被供应到各个喷射器之前被加压到喷射水平的汽油和压燃燃料混合物的共轨也落入本发明的范围，但由于潜在的润滑问题和快速改变喷射混合物中汽油-压燃燃料的比的能力可能较弱而不是最优选的。
燃料系统16包括经由输送泵21流体连接到混合比控制阀24的第一入口25的汽油源20。压燃燃料源22经由单独的输送泵23流体连接到混合比控制阀24的第二入口26。混合比控制阀24的出口42经由混合燃料供应通道85流体连接到每个燃料喷射器17的燃料入口40。虽然图1的燃料系统16显示了由所有燃料喷射器17共享的公共的混合比控制阀24，但不同的共享组合、甚至是针对每个燃料喷射器17的专门混合比控制阀也落入本发明的范围。
被供应至每个燃料喷射器17的高压入口55的来自共轨34的液压流体压力提供了将源自混合比控制阀24的燃料混合物加压到每个各个燃料喷射器17中的喷射水平的手段。在燃料系统16中，加压的压燃燃料被用作液压介质，但也可以使用例如发动机润滑油的其他可用流体，而不脱离本发明的范围。轨道供应泵36包括经由输送泵23流体连接到压燃燃料源22的入口37。因此，通过输送泵23泵送的燃料的一部分通往混合比控制阀24，另一部分则经由轨道供应泵36通往共轨34。特别是，来自轨道供应泵36的出口38流体连接到共轨34的入口33。共轨34可以配备有轨道压力限制阀88，其使得过压流体经由返回线89返回压燃燃料源22。当在燃料喷射器17内进行加压燃料混合的工作后，用过的、现在为低压的致动流体(来自共轨34的压燃燃料)在低压排放口56处离开每个燃料喷射器17，以便经由用于再循环的致动流体返回线返回压燃燃料源22。为了清楚起见，仅显示了一个返回线86。
虽然可以想到机械控制的发动机也落入本发明的范围，但图1所示的发动机10经由一个或多个电子控制器18电子地控制。在燃料系统16中，每个燃料喷射器17包括至少一个电子致动器，其经由相应的通信线90从电子控制器18接收控制信号。电子控制器18可经由借助通信线90通信的轨道压力传感器94接收与轨道34中的压力有关的信息。继而，电子控制器18可借助结合到轨道供应泵36中并经由通信线91接收控制信号的轨道压力控制致动器控制共轨34中的压力。因此，轨道供应泵36可以是电子地控制的节流入口式泵或者可以以其它已知的方式(例如借助本领域已知类型的电子控制泄露阀)控制来自泵的输出。在另一种替代中，共轨中的压力可利用电子控制的泄露阀来控制，该泄露阀使得足够量的流体返回其源以将共轨中的压力维持在某种程度上希望的水平。除了控制各个燃料喷射器17的动作和共轨34中的压力之外，电子控制器18可控制混合比控制阀24的动作以控制出口42中的汽油-压燃燃料的比。因此，混合比控制阀24可包括经由通信线92从电子控制器18接收混合比控制信号的电子控制致动器70。
现在参考图2，其示出了其中一个燃料喷射器17的内部结构。如前所述，汽油和压燃燃料的混合物在燃料入口40处进入燃料喷射器17。用作致动流体的被加压的压燃燃料在高压入口55处进入燃料喷射器并在执行工作后借助低压排放口56离开燃料喷射器。燃料喷射器17包括可操作地联接以使阀构件46运动的电子压力控制致动器45(例如电磁阀)。特别是，阀构件46可被偏压到借助致动流体通道50将致动流体腔48流体连接到低压排放口56的位置。当压力控制致动器45被激励时，阀构件46可运动到关闭到低压排放口56的流体连接并打开高压入口55以允许加压流体经致动流体通道50流入致动流体腔48的位置。加强活塞47具有暴露于致动流体腔48内的流体压力的一端和暴露于燃料加压室51内的流体压力的相对端，燃料加压室51经由未显示的内部通道流体连接到燃料入口40。加强活塞47被显示为处于其完全缩回位置，其中燃料加压室51加载有汽油和压燃燃料的混合物以便随后经喷嘴出口41喷射。为了抑制汽油经过加强活塞47泄露到致动流体腔48，加强活塞47可具有小于或等于1的有效加强比。在压力控制致动器45被去激励时的喷射事件之后，混合燃料供应通道85中的输送压力足以将加强活塞47朝着其所示的缩回位置推回，以将用过的低压压燃燃料朝着其源22驱回，使得燃料喷射器47可以被重置以便用于下一个喷射事件。
喷嘴出口41的打开和关闭通过被加压到喷射水平的燃料加压室51以及通过直接操作的止回装置(check)59的运动来实现。直接操作的止回装置在本领域是已知的，并且通常包括被弹簧偏压到关闭喷嘴出口的位置的针阀构件，但针阀构件还包括暴露于控制室中的流体压力的关闭液压表面。当控制室中的压力高时，直接操作的止回装置被保持关闭且喷嘴出口保持阻塞。当针控制室中的压力低且燃料压力处于喷射水平时，直接操作的止回装置可运动到打开位置，以允许燃料以已知的方式从喷嘴出口41喷射。在所示的实施方式中，可包括电磁阀或者压电的针控制致动器60操作地联接成使得针控制阀61在针控制室62借助未显示的通道与低压燃料入口40流体连接的第一位置和针控制室62流体连接到喷嘴供应通道64的第二位置之间运动。在所示的实施方式中，针控制室62在针控制致动器60被去激励时通常流体连接到喷嘴供应通道64，但针控制室62在针控制致动器60被激励时变得与喷嘴供应通道64阻断并开放至连接到燃料入口40的低压通道。因此，当压力控制致动器45和针控制致动器60都被激励时，燃料可以已知的方式从喷嘴出口41喷射到相应的发动机缸12中。虽然针控制阀61被显示为三通阀，但其它结构也落入本发明的范围。在这些替代中，利用所谓的A和Z孔口策略并且针控制阀是打开和关闭低压流体连接的二通阀，而针控制室始终经小孔口流体连接到喷嘴供应通道。这种替代也落入本发明的范围。在另一种替代中，不具有喷嘴出口的直接控制的燃料喷射器也落入本发明的预期范围。在这种情况下，针止回装置可简单通过具有特定预载荷以限定阀打开压力的弹簧偏压以关闭喷嘴出口41。止回装置可包括暴露于喷嘴供应通道中的流体压力的打开液压表面，在燃料压力超过偏压弹簧限定的阀打开压力时，其向上推动针阀构件以打开喷嘴出口41，而在燃料压力落到与弹簧和针止回装置液压表面面积相关的阀关闭压力以下时，针止回装置会在弹簧的作用下关闭。因此，本领域技术人员将理解，具有不同工作结构的广泛的喷嘴组件均落入本发明的预期范围。
现在参照图3，其示出了根据本发明的一种实施方式的一种示例混合比控制阀24的内部结构。混合比控制阀24包括被显示为流体连接到图1中的汽油源的第一入口25和被显示为流体连接到图1中的压燃燃料源22的第二入口26。出口42可连接到混合燃料供应通道85。混合比致动器70可以是线性致动器，例如电子控制的步进马达，或者可以包括其位置借助液压流体压力经由电子控制阀控制的液压活塞。在任一情况下，混合控制致动器70可被认为是可操作地联接成使阀构件32在第一座27和第二座29之间运动的线性致动器。因此，在所示的实施方式中，阀构件32是截留在座27和29之间的提升阀。然而，本领域技术人员可以认识到，滑阀式结构也可代替所示的提升阀。
第一止回阀28流体地定位在第一入口25和第一座27之间，并且用来防止混合燃料朝着汽油源20回流。第二止回阀30流体地定位在第二入口26和第二座29之间，同样防止混合燃料朝着压燃燃料源22回流。出口42通入第一座27和第二座29之间的区域31中。因此，根据阀构件32的位置，经过相应座27和29的流动面积改变，因此区域31和出口42中的燃料混合比改变。当阀构件32接触并关闭第一座27时，纯压燃燃料流经混合控制阀24。另一方面，如果阀构件32处于其最上位置而关闭座29，纯汽油流入区域31中并流出出口42。根据由输送泵21和23产生的压力以及经过座27和29的流动面积，可以在从纯汽油到纯压燃燃料以及两者之间任何程度的全程范围上产生连续的汽油-压燃燃料的不同混合比。
工业实用性
本发明总地能够应用于本领域已知的从简单机械控制到最精致的多线电子控制的发动机的任意压燃式发动机。本发明能够特别应用在希望通过利用压燃燃料与例如汽油的反应性较弱燃料的不同混合比来改变燃烧特性的压燃式发动机中。本发明在具有实时且与发动机操作条件(即，速度和负载)无关地控制汽油与压燃燃料的混合比的能力方面具有潜在应用。根据本发明的发动机可潜在减少燃烧过程产生的不希望排放，因此可以用来减轻对废气后处理系统的需求。
通过测试或类似过程，工程人员可基于包括发动机速度、发动机负载、希望的排放曲线和其他变量的任何数量的感测或已知的变量产生针对希望混合比的映射。这些映射可由电子控制器18存储或访问，并可用来确定、产生混合比控制信号和从电子控制器18到混合比控制阀24的线性致动器70连通混合比控制信号。根据发动机操作条件和希望的燃烧特性，电子控制器18可在任何时刻改变到混合比控制阀24的控制信号并改变供应线85中汽油与压燃燃料的比。喷射压力可由电子控制器18借助传输至可由发动机直接驱动的共轨供应泵36的合适控制信号来控制。最终，在燃料喷射器17内加压燃料的定时可通过在希望时刻激励压力控制致动器45来控制。对从燃料喷射器17喷射燃料的定时的控制通过激励针控制致动器60的定时来控制。
本领域技术人员将理解，可通过改变压力控制阀致动器45和针控制致动器60的致动和停用的相对定时来完成不同的前端和后端流量(rate)整形和类似特征。例如，如果希望斜坡式前端形状，针控制致动器60可在压力控制致动器45之前或者与其同时激励。另一方面，如果希望一定程度的方形前端流量形状，针控制致动器可在压力控制致动器已经被激励之后激励，从而使燃料喷射器17内的燃料上升到喷射压力水平。
在操作中，发动机10将每个缸中的空气压缩超过压燃燃料的自点燃条件。第一混合比的汽油和压燃燃料的第一混合物可被喷射到发动机缸12中。电子控制器可接着通过将不同的混合比控制信号连通到混合比控制阀来命令改变到第二混合比，混合比控制阀将通过改变经过座27和29的相应流动面积进行响应(图3)。本领域技术人员将认识到，虽然汽油和压燃燃料的混合物在燃料输送压力下被供应至发动机10的各个燃料喷射器17，但混合的燃料在每个燃料喷射器17的相应燃料加压室51(图2)升高到喷射压力。通过响应于从电子控制器18连通到各个燃料喷射器17的致动信号激励压力控制致动器45(图2)来启动燃料混合物加压。这造成高压致动流体流入各个燃料喷射器17以使加强活塞向下从图2所示的位置运动，从而加压燃料加压室51中的燃料。在所示的实施方式中，加强活塞利用来自共轨34的加压压燃燃料液压地运动。因为加强活塞可具有小于或等于1的加强比，燃料加压室51中的燃料的压力将小于或等于共轨压力。通过响应于从电子控制器18连通到各个燃料喷射器17的喷射信号激励针控制致动器60(图2)来启动喷射。当此动作完成时，针控制室62响应于针控制致动器60的激励变成流体连接到燃料喷射器17的燃料入口40。通过去激励压力控制致动器45或者针控制致动器60来结束喷射事件。然而，可通过在去激励压力控制致动器45之前去激励针控制致动器60来使喷射突然结束。
应当理解，上面的描述仅仅是出于说明目的，而不意在以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将认识到可通过研究附图、说明书和权利要求而获得本发明的其他方面。

Claims (9)

1.一种燃料系统(16)，包括：
多个燃料喷射器(17)；
汽油源(20)；
压燃燃料源(22)；
电子控制的混合比控制阀(24)，其具有流体连接到所述汽油源(20)的第一入口(25)和流体连接到所述压燃燃料源(22)的第二入口(26)以及流体连接到至少一个所述燃料喷射器(17)的燃料入口(40)的出口(38，42)，所述混合比控制阀(24)能够在对应于出口(42)中的汽油-压燃燃料的不同比的多个构型之间运动；
电子控制器(18)，其与所述混合比控制阀(24)控制连通；
其中，每个所述燃料喷射器(17)包括压力控制致动器(45)；
与所述压力控制致动器(45)控制连通的所述电子控制器(18)；
其中，每个所述燃料喷射器(17)包括加强活塞(47)，所述加强活塞的一端暴露于致动流体腔(48)中的流体压力，相对端暴露于燃料加压室(51)中的流体压力；
所述压力控制致动器(45)能够操作地联接成使阀构件(46)在第一位置和第二位置之间运动，在所述第一位置，所述致动流体腔(48)流体连接到高压致动流体源，在所述第二位置，所述致动流体腔(48)流体连接到低压排放口(56)；和
流体连接到所述燃料入口(40)的所述燃料加压室(51)；
其中，所述加强活塞(47)限定小于或等于1的加强比；
所述高压致动流体源是加压的压燃燃料的共轨(34)；和
所述低压排放口(56)流体连接到所述压燃燃料源(22)。
2.如权利要求1所述的燃料系统(16)，包括流体连接到每个所述燃料喷射器(17)的共轨(34)；
至少一个压力控制致动器(45)；
与所述至少一个压力控制致动器(45)控制连通的所述电子控制器(18)；和
轨道供应泵(36)，其具有流体连接到所述压燃燃料源(22)的入口(33)和流体连接到所述共轨(34)的入口(33)的出口(42)。
3.如权利要求1所述的燃料系统(16)，其中，每个所述燃料喷射器(17)包括针控制致动器(60)；
与所述针控制致动器(60)控制连通的电子控制器(18)；
可操作地联接成通过所述针控制致动器(60)在第一位置和第二位置之间运动的针控制阀(61)，在所述第一位置，针控制室(62)流体连接到所述燃料入口(40)，在第二位置，针控制室(62)与所述燃料入口(40)流体阻断；并且
其中，所述针控制室(62)在所述针控制阀(61)处于所述第二位置时流体连接到燃料加压室(51)，但在所述针控制阀处于所述第一位置时与燃料加压室(51)流体阻断。
4.如权利要求1所述的燃料系统(16)，其中，所述混合比控制阀(24)包括被截留成在第一座(27)和第二座(29)之间运动的阀构件(32)，并且包括流体定位在第一座(27)和第一入口(25)之间的第一止回阀(28)和流体定位在第二座(29)和第二入口(26)之间的第二止回阀(30)以及流体连接到所述第一座(27)和第二座(29)之间的区域(31)的出口(38，42)；并且
其中，所述混合比控制阀(24)包括可操作地联接成运动所述阀构件(32)的线性致动器(70)。
5.一种操作发动机(10)的方法，包括以下步骤：
将发动机(10)缸(12)中的空气压缩超过压燃燃料的自点燃条件；
将第一混合比的汽油和压燃燃料的第一混合物喷射到所述发动机(10)缸(12)；
响应于从电子控制器(18)连通到混合比控制阀(24)的混合比控制信号改变为第二混合比；以及
将第二混合比的汽油和压燃燃料的第二混合物喷射到所述发动机(10)缸(12)中。
6.如权利要求5所述的方法，包括以下步骤：
以燃料输送压力供应汽油和压燃燃料的所述第一和/或第二混合物；
将所述混合物的压力升高到燃料喷射器(17)的燃料加压室(51)中的喷射压力；
其中，通过响应于从电子控制器(18)连通到燃料喷射器(17)的致动信号激励压力控制致动器来启动所述升高压力步骤。
7.如权利要6所述的方法，其中，所述升高压力步骤包括使所述燃料喷射器(17)内的加强活塞(47)运动；
其中，所述加强活塞(47)利用来自共轨(34)的加压的压燃燃料液压地运动；
所述升高压力步骤包括将所述混合物的压力升高到小于或等于共轨(34)压力。
8.如权利要求7所述的方法，包括通过响应于从所述电子控制器(18)连通到燃料喷射器(17)的喷射信号激励针控制致动器来启动喷射的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，包括响应于所述激励针控制致动器的步骤将燃料喷射器(17)中的针控制室(62)流体连接到燃料喷射器(17)的燃料入口(40)的步骤。
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