CN103415691A - 燃料喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料喷射装置。该燃料喷射装置具备燃料喷射阀，该燃料喷射阀朝发动机的燃烧室内喷射燃料；以及电子控制单元，该电子控制单元对燃料喷射阀进行操作，以便将燃料分多次进行喷射。电子控制单元对由燃料喷射阀进行的第一燃料喷射的正时进行控制，以便在相比紧随第一燃料喷射的预混合时间最小的情况下的第一燃料喷射的正时靠滞后角侧的正时进行第一燃料喷射，并且，电子控制单元对由燃料喷射阀进行的第二燃料喷射的正时进行控制，以便通过第一燃料喷射以及随后进行的第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。

Description

燃料喷射装置

技术领域

本发明涉及进行预混合压缩点燃（PCCI:Premixed ChargeCompression Ignition）燃烧的发动机的燃料喷射装置。

背景技术

作为以往的燃料喷射装置，公知有例如专利文献1以及2所记载的燃料喷射装置。专利文献1所记载的燃料喷射装置根据发动机载荷使燃料喷射模式在扩散燃烧模式与预混燃烧模式之间切换。对于该燃料喷射装置，在使燃料喷射模式从扩散燃烧模式朝预混燃烧模式切换的情况下，使燃烧室内的氧浓度逐渐降低，使引燃喷射的燃料喷射量逐渐增加并使主喷射的燃料喷射量逐渐将少，同时，使引燃喷射与主喷射之间的间隔逐渐变窄。

专利文献2所记载的燃料喷射装置将供给燃烧的燃料分两次进行喷射。此时，第一次喷射在能够进行预混燃烧的正时进行，第二次喷射在能够进行预混燃烧的正时、且在压缩上止点（TDC）以前进行。并且，伴随发动机的载荷的增加，第一次喷射的喷射正时提前，第一次喷射与第二次喷射之间的间隔扩大。

专利文献1：日本特开2010－180718号公报

专利文献2：日本特开2009－264332号公报

然而，在上述现有技术中，存在以下问题点。在专利文献1所记载的燃料喷射装置中，引燃喷射的燃料喷射量比主喷射的燃料喷射量少，因此容易扩散而难以燃烧。因此，如果在燃烧室的氧浓度低的状态下进行预混燃烧，则引燃喷射的燃料与主喷射的燃料几乎同时燃烧。在该情况下，因高温氧化反应而导致的热发生率峰值变高，由此，缸内压力上升率变高，燃烧噪音容易增大。并且，在这样的预混燃烧方式中，由于形成为与单次喷射的预混合压缩点燃同样的燃烧方式，因此并未充分解决未燃烧HC以及未燃烧CO多这样的预混合压缩点燃的课题。

在专利文献2所记载的燃料喷射装置中，如果发动机的载荷增加，则第一次喷射的喷射正时提前，因此能够充分确保预混合时间（从燃料喷射结束至高温氧化反应开始的时间），燃料和空气充分混合并被搅拌。但是，在活塞中央部形成有凹状的腔室的直喷型发动机中，如果喷射正时提前，则新产生HC以及CO增多的因素。在上述构造的发动机中，在特定的正时朝腔室内的多个方向喷射燃料。但是，如果第一次喷射的喷射正时提前、即在压缩行程中活塞处于下方的正时进行燃料喷射，则所喷射的燃料未被收纳在腔室内而容易附着于气缸壁面。附着于因发动机冷却水的作用而温度较低的气缸壁面的燃料并不充分燃烧，因此成为HC或CO增多的因素。如果为了避免这种不良情况而限制燃料喷射正时的提前幅度，则无法确保使空气与增量后的燃料充分混合的时间，结果难以充分降低煤烟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够充分降低燃烧噪音、HC、CO以及煤烟的燃料喷射装置。

本发明涉及一种进行预混合压缩点燃燃烧的发动机燃料喷射装置，其特征在于，具备：燃料喷射阀，该燃料喷射阀朝发动机的燃烧室内喷射燃料；以及控制单元，该控制单元对燃料喷射阀进行控制，以便将燃料分多次进行喷射，控制单元对由燃料喷射阀进行的第一燃料喷射正时进行控制，以便在相比紧随第一燃料喷射的预混合时间最小的情况下的第一燃料喷射的正时靠滞后角侧的正时进行第一燃料喷射，并且，控制单元对由燃料喷射阀进行的第二燃料喷射正时进行控制，以便通过第一燃料喷射以及随后进行的第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。

在本发明的燃料喷射装置中，对由燃料喷射阀进行的第一燃料喷射正时进行控制，以便在相比紧随第一燃料喷射的预混合时间最小的正时靠滞后角侧的正时进行第一燃料喷射。由此，在紧随第一燃料喷射的预混合时间中，存在于压缩上止点以后的时间区域变长，通过有效地活用从形成在发动机的活塞中央部的腔室朝向挤气区域的空气流（逆挤气流），能够充分地促进空气与燃料的混合。由此，能够充分降低煤烟。对由燃料喷射阀进行的第二燃料喷射正时进行控制，以便通过第一燃料喷射以及随后进行的第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。由此，因燃料喷射所导致的热发生率峰值被抑制，因此能够充分降低燃烧噪音。并且，通过第一燃料喷射所喷射的未燃烧成分通过第二燃料喷射而燃烧，能够充分减少HC以及CO。

也可以形成为：控制单元对由燃料喷射阀进行的第一燃料喷射正时进行控制，以便通过第一燃料喷射产生的高温氧化反应的开始正时在压缩上止点以后。在该情况下，在紧随第一燃料喷射的预混合时间中，存在于压缩上止点以后的时间区域变长，通过有效地活用逆挤气流，能够可靠地促进空气与燃料的混合

也可以形成为：控制单元对由燃料喷射阀进行的第二燃料喷射正时进行控制，以便在因通过第一燃料喷射而产生的低温氧化反应所导致的热发生率峰值以后、且在因通过第一燃料喷射而在上述低温氧化反应后产生的高温氧化反应所导致的热发生率峰值以前进行第二燃料喷射。在该情况下，能够更容易地确保使通过第一以及第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。并且，由于通过第二燃料喷射在燃烧室内产生蒸发潜热，因此通过第一燃料喷射产生的高温氧化反应变得缓慢。因而，因第一燃料喷射而产生的热发生率峰值进一步被抑制，能够进一步降低燃烧噪音。

也可以形成为：控制单元对由燃料喷射阀进行的第二燃料喷射正时进行控制，以便在通过第一燃料喷射产生的上述高温氧化反应开始前进行第二燃料喷射。在该情况下，由于第二燃料喷射期间中燃烧室内的环境温度处于较低的状态，因此，通过第二燃料喷射，点火延迟延长。因而，能够充分确保紧随第二燃料喷射的预混合时间，因此能够进一步减少煤烟。

根据本发明，能够提供一种能够充分减少燃烧噪音、HC以及CO、以及煤烟的燃料喷射装置。

附图说明

图1是示出具备本实施方式所涉及的燃料喷射装置的柴油机的概要结构图。

图2是示出图1所示的发动机主体的剖视图。

图3是示出从图1所示的喷射器分两次喷射燃料的喷射正时的图。

图4是同活塞的曲轴转角和热发生率之间的关系一起示出燃料喷射期间以及预混合时间的曲线图。

图5是示出活塞的曲轴转角、第一次燃料喷射期间以及紧随其后的预混合时间与挤气流速之间的关系的曲线图。

图6是示出紧随第一次燃料喷射的预混合时间与煤烟浓度之间的关系的一例的曲线图。

图7是同活塞的曲轴转角与热发生率之间的关系一起示出第二次燃料喷射正时的曲线图。

图8是示出第二次燃料喷射量与HC浓度以及CO浓度之间的关系的一例的曲线图。

图9是示出第二次燃料喷射正时与HC浓度以及CO浓度之间的关系的一例的曲线图。

图10是示出紧随第二次燃料喷射的预混合时间与煤烟浓度之间的关系的一例的曲线图。

图11是示出第二次燃料喷射正时与煤烟浓度之间的关系的一例的曲线图。

图12是示出按照分两次喷射与单次喷射的情况对活塞的曲轴转角与热发生率之间的关系进行比较而得的结果的曲线图。

图13是示出按照分两次喷射与单次喷射的情况对燃烧噪音以及耗油率进行比较而得的结果的曲线图。

图14是示出预混合压缩点燃燃烧的成立边界线扩大的情形的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。

图1是示出具备本实施方式所涉及的燃料喷射装置的柴油机的概要结构图。本实施方式所涉及的柴油机1是直列四缸柴油机。柴油机1具备发动机主体2，在该发动机主体2设置有四个气缸3。

如图2所示，在气缸3内收纳有活塞4。在气缸3的上部配设有气缸盖5。由气缸3、活塞4以及气缸盖5所包围的空间构成燃烧室6。在活塞4的顶部形成有构成燃烧室6的一部分的腔室6a。活塞4的位于腔室6a的外周侧的部分与气缸盖5之间的区域构成挤气区域7。

在各气缸3分别配设有朝燃烧室6内喷射燃料的喷射器（燃料喷射阀）8。喷射器8具有多个喷孔（未图示），从各喷孔呈放射状地喷射燃料。各喷射器8与共轨9连接，储存在共轨9中的高压燃料始终被朝各喷射器8供给。

在发动机主体2，经由进气歧管11连接有用于朝燃烧室6内吸入空气的进气通路10。在发动机主体2，经由排气歧管13连接有用于排出燃烧后的废气的排气通路12。

在进气通路10，从上游侧朝下游侧设置有空气滤清器14、涡轮增压器15的压缩机16、内部冷却器17以及节气门18。节气门18调整朝燃烧室6内吸入的空气的进气量。在排气通路12设置有涡轮增压器15的涡轮19以及带有催化剂的DPF（Diesel Particulate Filter，柴油机微粒滤清器）20。

柴油机1具备使燃烧后的废气的一部分朝燃烧室6内回流的EGR（Exhaust Gas Recirculation，废气再循环）装置21。EGR装置21具有EGR通路22、EGR阀23、EGR冷却器24、旁通通路25以及切换阀26。EGR通路22连接进气通路10与排气歧管13。EGR阀23调整从排气歧管13朝进气通路10回流的废气（EGR气体）的回流量。EGR冷却器24对通过EGR通路22的EGR气体进行冷却。旁通通路25使EGR气体绕过EGR冷却器24。切换阀26在EGR冷却器24与旁通通路25之间切换EGR气体的流路。

柴油机1由电子控制单元（ECU）（控制器）27控制。在ECU27连接有检测加速器开度的加速器开度传感器28、检测发动机转速的发动机转速传感器29以及检测活塞4的曲轴（未图示）的角度的曲轴转角传感器30。ECU27基于上述传感器28～30的检测信号来控制上述各喷射器8、节气门18、EGR阀23以及切换阀26。

喷射器8、ECU27以及传感器28～30构成本实施方式的燃料喷射装置31。在燃料喷射装置31中，ECU27主要根据发动机转速以及加速器开度决定燃料喷射量以及燃料喷射正时，并与此对应地控制各喷射器8。即，ECU27基于所决定的燃料喷射量以及燃料喷射正时来操作各喷射器8。

如图3所示，ECU27控制各喷射器8以便进行分两次喷射的预混合压缩点燃燃烧。即，ECU27进行控制以便在进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程这样的一个循环中从各喷射器8分两次喷射燃料。此时，特别是在高载荷区域优选使第一次喷射的燃料喷射量比第二次喷射的燃料喷射量多。

第一次燃料喷射（第一燃料喷射）设定成在比紧随第一次燃料喷射的预混合时间最小（>0）的正时靠滞后角侧的正时进行。如图4所示，预混合时间是指从燃料喷射的结束时刻到点火（高温氧化反应）的开始时刻的时间。以上述方式设定第一次燃料喷射正时的理由如下。

例如如图5的虚线P所示，当第一次燃料喷射的预混合时间的开始正时在压缩上止点（TDC）以前、且第一次燃料喷射的预混合时间的结束正时在压缩上止点之后时，第一次燃料喷射的预混合时间最小。第一次燃料喷射的预混合时间最小的正时根据燃料喷射量、驾驶状况等而变化。如果第一次燃料喷射在相比预混合时间最小的正时靠提前角侧或者靠滞后角侧的正时进行，则该预混合时间长（参照图6）。因此，与预混合时间变长的量相应地，空气与燃料容易混合，结果导致煤烟减少。

在压缩上止点以后，活塞4朝压缩下止点侧移动，因此产生空气从腔室6a朝挤气区域7流动的逆挤气流（参照图2）。并且，如图5所示，当活塞4从压缩上止点附近离开时，直至规定的曲轴转角为止，逆挤气流的流速急剧升高。

如果第一次燃料喷射在相比预混合时间最小的正时靠滞后角侧的正时进行，则如图5的粗实线Q所示，第一次燃料喷射的预混合期间处于压缩上止点以后的状态长。因此，能够利用高流速的逆挤气流使空气与燃料进一步容易地混合，从而有效减少煤烟。图5的细实线R示出第一次燃料喷射在相比预混合时间最小的正时靠提前角侧的正时进行的情形。

例如如图6所示，在第一次燃料喷射的预混合时间为Ams的情况下，如果第一次燃料喷射在相比预混合时间为最小值（图中的白圈）的正时靠提前角侧的正时进行，则煤烟的浓度为6.9%。与此相对，如果第一次燃料喷射在相比预混合时间最小的正时靠滞后角侧的正时进行，则煤烟的浓度降低为3.6%。在图6中，煤烟的浓度一部分为负值，这是用于煤烟的检测的测量仪器的问题，并非煤烟的浓度自身为负值。

因此，在本实施方式中，第一次燃料喷射设定成在相比紧随第一次燃料喷射的预混合时间最小的正时靠滞后角侧的正时进行。通过这样设定第一次燃料喷射正时，能够可靠地使因第一次燃料喷射而引起的高温氧化反应（下述）的发生正时在压缩上止点以后（参照图7）。特别是在图5所示的情况下，第一次燃料喷射正时设定成：第一次燃料喷射在压缩上止点以前开始，且第一次燃料喷射在压缩上止点以后结束。

如图4以及图7所示，第二次燃料喷射（第二燃料喷射）被设定成在使得因第一次燃料喷射及点火和第二次燃料喷射及点火而产生的热发生率波形为双峰形状的正时进行。当在燃料喷射结束后进行点火时，会产生因高温氧化反应而导致的热发生率峰值。因而，通过使第一次燃料喷射与第二次燃料喷射之间具有时间差，能够得到存在两个因高温氧化反应而导致的热发生率峰值的热发生率波形。

具体而言，第二次燃料喷射优选在因通过第一次燃料喷射产生的低温氧化反应而导致的热发生率峰值以后、且在因通过第一次燃料喷射产生的高温氧化反应而导致的热发生率峰值以前（图7中的曲轴转角范围H内）进行。特别是，优选在比因通过第一次燃料喷射产生的低温氧化反应而导致的热发生率峰值晚的正时开始进行第二次燃料喷射，且在通过第一次燃料喷射产生的高温氧化反应开始之前结束第二次燃料喷射。

低温氧化反应也称为低温火焰反应，是虽然气体的温度变化小但却使气体的组分发生变化的反应。高温氧化反应是在低温氧化反应后通过燃料的点火而产生的反应，是气体的温度大幅变化的反应。

在低载荷区域，第二次燃料喷射优选在上述曲轴转角范围H内的较早的正时进行。在高载荷区域，第二次燃料喷射优选在上述曲轴转角范围H内的较晚的正时进行。第二次燃料喷射量设定成在第一次燃料喷射量与第二次燃料喷射量的合计量的65%以下。此时，优选越是处于高载荷区域则第二次燃料喷射量相对于第一次燃料喷射量的比率越下降。

通过在第一次燃料喷射以及第二次燃料喷射均实施预混燃烧，燃料与空气适当地混合。因而，除了能够抑制局部浓空燃比、局部稀空燃比的发生，降低上述煤烟之外，还能够降低NO_X。

通过进行第二次燃料喷射，使在第一次燃料喷射时产生的未燃烧成分再次燃烧，因此能够减少未燃烧HC以及未燃烧CO。例如如图8所示，在进行第二次燃料喷射的情况下，与不进行第二次燃料喷射的情况相比较，HC、CO的量降低。

第二次燃料喷射在曲轴转角范围H内，亦即在通过第一次燃料喷射产生的低温氧化反应而导致的热发生率的峰值以后、且在因通过第一次燃料喷射产生的高温氧化反应而导致的热发生率的峰值以前进行，由此，通过第二次燃料喷射产生的高温氧化反应在通过第一次燃料喷射产生的高温氧化反应开始之后才发生。因此，通过第一次燃料喷射而燃烧后的气体的温度充分上升，因此能够促进第一次燃料喷射中的未燃烧成分的氧化反应。因而，能够进一步减少未燃烧HC以及未燃烧CO。例如如图9所示，当第二次燃料喷射在上述曲轴转角范围H内进行的情况下，与在上述曲轴转角范围H以外的正时进行第二次燃料喷射的情况相比，HC以及CO的量降低。该效果特别是在燃烧温度低的低载荷区域中尤为显著。

通过确保第二次燃料喷射的预混合时间，如上所述，空气与燃料的混合变得容易，因此能够进一步降低煤烟。例如如图10所示，如果第二次燃料喷射的预混合时间为Bms，则煤烟的浓度几乎为零。

当第二次燃料喷射在通过第一次燃料喷射产生的高温氧化反应的峰值之前结束的情况下，在第二次燃料喷射中，燃烧室6内的环境温度被维持在较低的状态。因而，通过第二次燃料喷射而喷射的燃料的点火延迟延长，因此，能够充分确保第二次燃料喷射的预混合时间。由此，能够进一步减少煤烟。例如如图11所示，当第二次燃料喷射在上述曲轴转角范围H内进行的情况下，与第二次燃料喷射在上述曲轴转角范围H以外的正时进行的情况相比，煤烟减少。

通过实施分两次喷射的预混合压缩点燃燃烧，因高温氧化反应而导致的热发生率峰值降低。例如如图12所示，在实施分两次喷射的预混合压缩点燃燃烧（参照实线X）的情况下，与实施单次喷射的预混合压缩点燃燃烧（参照实线Y）的情况相比，热发生率的峰值降低。并且，通过第二次燃料喷射夺取通过第一次燃料喷射以及点火而产生的热量，因此，通过第一次燃料喷射产生的高温氧化反应变得缓慢，因高温氧化反应而导致的热发生率的峰值进一步降低。

这样，热发生率的峰值被抑制，因此，能够降低缸内压力上升率，能够降低燃烧噪音。例如如图13的（a）所示，在实施分两次喷射的预混合压缩点燃燃烧的情况下，与实施单次喷射的预混合压缩点燃燃烧的情况相比，燃烧噪音降低。例如如图11所示，当第二次燃料喷射在上述曲轴转角范围H内进行的情况下，与第二次燃料喷射在上述曲轴转角范围H以外的正时进行的情况相比，燃烧噪音充分降低。

并且，由于热发生率的峰值被抑制，因此过度的急剧燃烧得到抑制。因此，冷却损失降低，结果能够实现低耗油率的燃烧。例如如图13的（b）所示，在实施分两次喷射的预混合压缩点燃燃烧的情况下，与实施单次喷射的预混合压缩点燃燃烧的情况相比，耗油率降低。

如上，根据本实施方式，能够充分地降低预混合压缩点燃燃烧中的煤烟、未燃烧HC以及未燃烧CO、燃烧噪音、耗油率以及废气排放。结果，能够使预混合燃烧成立区域扩大，进而能够使可运转范围扩大。例如如图14所示，当第二次燃料喷射在上述曲轴转角范围H内进行的情况下（参照实线），与在此之后进行第二次燃料喷射的情况（参照虚线）相比，预混合压缩点燃燃烧的成立边界线朝发动机转速（转矩）高的一侧扩大。图14示出在适当设定了第二次燃料喷射正时的情况下预混合压缩点燃燃烧的成立边界线扩大的情形。

从其他的观点来看，在本实施方式中提供一种进行预混合压缩点燃燃烧的发动机的燃料喷射装置，该燃料喷射装置具备朝发动机的燃烧室内喷射燃料的燃料喷射阀、以及对燃料喷射阀进行操作以便将燃料分成多次进行喷射的控制器，控制器对由燃料喷射阀进行的第一燃料喷射的正时进行控制，以便在相比紧随第一燃料喷射的预混合时间最小的正时靠滞后角侧的正时进行第一燃料喷射，并且，控制器对由燃料喷射阀进行的第二燃料喷射的正时进行控制，以便通过第一燃料喷射以及随后进行的第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。

从另外的观点来看，在本实施方式中提供一种进行预混合压缩点燃燃烧的发动机的燃料喷射装置，该燃料喷射装置具备朝发动机的燃烧室内喷射燃料的燃料喷射阀、以及控制器，该控制器构成为：对燃料喷射阀进行操作从而实施第一燃料喷射和第一燃料喷射之后的第二燃料喷射，控制器对第一燃料喷射的正时进行控制，以便在相比紧随第一燃料喷射的预混合时间最小的正时靠滞后角侧的正时进行第一燃料喷射，并且，控制器对第二燃料喷射的正时进行控制，以便通过第一燃料喷射以及第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状

另外，本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，进行将燃料分成两次进行喷射的分两次喷射的预混合压缩点燃燃烧，但也可以将燃料分成三次以上进行喷射。在该情况下，燃料喷射装置31（ECU27）只要以下述方式进行控制即可：对第一燃料喷射正时进行控制，以便在相比紧随第一燃料喷射的预混合时间为最小的正时靠滞后角侧的正时进行第一燃料喷射，并且，对第二燃料喷射正时进行控制，以便通过第一燃料喷射以及随后进行的第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。

产业上的利用可能性

本发明能够利用于进行预混合压缩点燃燃烧的发动机的燃料喷射装置。

标号说明

1：柴油机；6：燃烧室；8：喷射器（燃料喷射阀）；27：ECU（控制单元）；31：燃料喷射装置。

Claims (4)

1.一种进行预混合压缩点燃燃烧的发动机的燃料喷射装置，其特征在于，

所述燃料喷射装置具备：

燃料喷射阀，该燃料喷射阀朝所述发动机的燃烧室内喷射燃料；以及

控制单元，该控制单元对所述燃料喷射阀进行控制，以便将所述燃料分多次进行喷射，

所述控制单元对由所述燃料喷射阀进行的第一燃料喷射的正时进行控制，以便在相比紧随所述第一燃料喷射的预混合时间最小的情况下的第一燃料喷射的正时靠滞后角侧的正时进行所述第一燃料喷射，并且，所述控制单元对由所述燃料喷射阀进行的第二燃料喷射的正时进行控制，以便通过所述第一燃料喷射以及随后进行的所述第二燃料喷射产生的热发生率波形形成为双峰形状。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其特征在于，

所述控制单元对由所述燃料喷射阀进行的所述第一燃料喷射的所述正时进行控制，以便通过所述第一燃料喷射产生的高温氧化反应的开始正时在压缩上止点以后。

3.根据权利要求1或2所述的燃料喷射装置，其特征在于，

所述控制单元对由所述燃料喷射阀进行的所述第二燃料喷射的所述正时进行控制，以便在因通过所述第一燃料喷射而产生的低温氧化反应所导致的热发生率峰值以后、且在因通过所述第一燃料喷射而在所述低温氧化反应后产生的高温氧化反应所导致的热发生率峰值以前进行所述第二燃料喷射。

4.根据权利要求3所述的燃料喷射装置，其特征在于，

所述控制单元对由所述燃料喷射阀进行的所述第二燃料喷射的所述正时进行控制，以便在通过所述第一燃料喷射产生的所述高温氧化反应开始前进行所述第二燃料喷射。

Images