CN103459825A

CN103459825A - 燃料喷射装置

Info

Publication number: CN103459825A
Application number: CN2011800698501A
Authority: CN
Inventors: 枪野素成; 小林辰夫
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-12-18
Also published as: US20140014069A1; JP5780294B2; US9194323B2; JPWO2012131996A1; EP2693041A1; EP2693041A4; WO2012131996A1

Abstract

燃料喷射装置包括：燃料喷射阀，其被安装在发动机主体上，喷射包含气泡的燃料；以及空泡率调节单元，其改变从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的空泡率。在要求提高空泡率时，空泡率调节单元提高从所述燃料喷射阀喷射的燃料的燃料压力。并且，空泡率调节单元改变从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度来调节所述燃料的空泡率。通过恰当地控制空泡率，能够兼顾燃料的微粒化和确保燃料净量。

Description

燃料喷射装置

技术领域

本发明涉及燃料喷射装置。

背景技术

近年来，关于内燃机，为了减少CO₂以及减少排放，在增压稀燃、大量EGR以及均质充量自点火燃烧的方面的研究正在盛行。根据这些研究，如要最大限度地发挥减少CO₂以及减少排放的效果，需要在燃烧极限附近实现更稳定的燃烧状态。此外，随着石油燃料正在逐渐耗尽，要求用生物燃料等多种燃料也能够稳定燃烧的稳健性。获得如上稳定的燃烧最为重要的因素需要降低混合气体的点火不均匀和在膨胀行程中燃尽燃料的快速燃烧。

此外，在内燃机的燃料供应中，采用了为了提高暂态响应性、通过气化潜热提高体积效率、以及用于在低温下活化触媒的大幅度延迟燃烧而向燃烧室内直接喷射燃料的缸内喷射方式。但是，由于采用缸内喷射方式，从而由于喷雾燃料以液滴状态碰撞到燃烧室壁而引起的燃油稀释或由液状燃料围绕喷射阀的喷孔而生成的沉积物所导致的喷雾恶化而助长了燃烧变动。

为了应对由于采用这样的缸内喷射方式而发生的燃油稀释和喷雾恶化，并且降低点火不均匀并实现稳定的燃烧，重要的是使喷雾微粒化，以使燃烧室内的燃料迅速气化。

作为使从燃料喷射阀喷射的喷雾微粒化的方法，已知有利用薄膜化的液膜的剪切力的方法、利用脱流产生的气蚀的方法、以及通过超音波的机械振动将附着在表面上的燃料微粒化的方法。

专利文献1中公开了使气泡保持流路部的流路截面积大于气蚀产生流路的流路截面积、使气蚀产生流路的流出口具备急速扩大流的燃料喷射阀。该燃料喷射阀通过使气蚀产生流路的流出口具备急速扩大流而在气泡保持流路内产生气蚀。如此，已提出了各种在内部产生气蚀的燃料喷射阀。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利文献特开平10-141183号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，被用来缸内喷射的燃料喷射阀易受燃烧产生的热量的影响。如果如所述专利文献1所述在内部产生气蚀、并喷射包含气泡的燃料的燃料喷射阀受到热量的影响，则包含在燃料中的气泡膨胀，燃料中的气体混合率（空泡率）就有可能上升。即，气泡（气体）与液体相比体积膨胀系数更大，并具有燃料温度越高、空泡率就越高的倾向。其结果是，在高温环境下，燃料流量减少，有可能无法适当地确保燃烧所需的喷射量。

因此，本发明要解决的问题在于在喷射包含气泡的燃料的燃料喷射阀中将燃料微粒化并确保燃料净量。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，本申请文件公开的燃料喷射装置包括：燃料喷射阀，其被安装在发动机主体上，喷射包含气泡的燃料；以及空泡率调节单元，其改变从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的空泡率。通过该改变空泡率，能够实现燃料的微粒化，并且确保燃料净量。

在要求提高空泡率时，所述空泡率调节单元提高从所述燃料喷射阀喷射的燃料的燃料压力。通过提高空泡率，促进了燃料的微粒化。例如，诸如低水温时那样当燃料微粒化的需求高时等，相当于要求提高空泡率的时候。空泡率通过提高燃料压力而上升，因此当要求提高空泡率时，通过提高燃料压力，能够促进燃料的微粒化。

所述空泡率调节单元改变从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度来调节所述燃料的空泡率。空泡率根据燃料的温度而变化。因此，通过改变燃料的温度，能够控制空泡率。所述空泡率调节单元能够在被要求提高空泡率时，提高从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度。

所述空泡率调节单元根据所述发动机主体所具备的每个气缸的燃料的温度来调节从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度，从而能够调节所述燃料的空泡率。通常，气缸离向燃料喷射阀压送燃料的燃料泵越远，由于在其路径中受热的时间变长而被喷射的燃料的温度就越倾向于变高。如果在燃料喷射阀之间燃料温度存在偏差，则可变成每个燃料喷射阀的空泡率都不同的状态。因此，通过针对每个气缸调节燃料喷射阀的温度，能够抑制气缸之间燃料喷射的偏差。

所述燃料喷射阀包括缸内燃料喷射阀和进气口燃料喷射阀，所述空泡率调节单元能够改变缸内燃料喷射阀与进气口燃料喷射阀的喷射比率来调节从所述缸内燃料喷射阀喷射的燃料的温度。如果被喷射的燃料量增多，通过其冷却效果或热容量，能够降低燃料的温度。通过如此控制燃料的温度，能够调节空泡率。

当被供应给所述发动机主体的冷却水的温度低于预先设定的阈值时，能够增大所述进气口燃料喷射阀的喷射比率。空泡率的调节优选在发动机主体的暖机结束从而变成稳定的运行状态之后进行。如果增大从进气口燃料喷射阀的喷射比率，其另一方面，从缸内燃料喷射阀的喷射比率变小，燃料的冷却效果变小。其结果是，从缸内燃料喷射阀喷射的燃料的温度变高，发动机主体的暖机被促进。

发明效果

根据本申请文件公开的燃料喷射装置，可在喷射包含气泡的燃料的燃料喷射阀中将燃料微粒化并确保燃料净量。

附图说明

图1是示出安装在发动机主体上的燃料喷射装置的一个构成例的说明图；

图2是示出包含在实施例1的燃料喷射装置中的缸内燃料喷射阀的主要部分的截面的说明图；

图3是示出在燃料喷射装置中进行的控制的一例的流程图；

图4(A)是在低水温时求目标空泡率的映射图的一例，图4(B)是在高水温时求目标空泡率的映射图的一例；

图5是求基础燃料压力的映射图的一例；

图6是用于说明冷却水温与燃料温度的关系的曲线图；

图7用于说明缸内燃料喷射阀中的燃料温度与空泡率及燃料流速间的关系的曲线图；

图8是燃料温度计算映射图的一例；

图9是示出进气口喷射比率小时的缸内燃料喷射阀中的燃料温度的曲线图；

图10是示出进气口喷射比率大时的缸内燃料喷射阀中的燃料温度的曲线图；

图11是用于说明燃料压力与空泡率的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，结合附图详细说明用于实施本发明的方式。其中，附图的图示中，各部分的尺寸、比率等有时并不与实际尺寸、比率等完全一致。此外，在有些附图中也会省略示出细节部分。

实施例1

参考附图，对本发明的实施例1进行说明。图1是示出安装在发动机主体2上的燃料喷射装置1的一个构成例的说明图。发动机主体2具备第一气缸#1～第四气缸#4。第一气缸#1～第四气缸#4分别设置有第一进气口101～第四进气口104。燃料喷射装置1包括第一缸内燃料喷射阀11和第一进气口燃料喷射阀12，来作为向第一气缸#1供应燃料的燃料喷射阀。此外，包括第二缸内燃料喷射阀21和第二进气口燃料喷射阀22，来作为向第二气缸#2供应燃料的燃料喷射阀。并且，包括第三缸内燃料喷射阀31和第三进气口燃料喷射阀32，来作为向第三气缸#3供应燃料的燃料喷射阀，并包括第四缸内燃料喷射阀41和第四进气口燃料喷射阀42，来作为向第四气缸#4供应燃料的燃料喷射阀。

各缸内燃料喷射阀11、21、31、41分别连接在从与燃料泵6连接的输送管5分叉出的第一支管5a1～5a4上。各进气口燃料喷射阀12、22、32、42分别连接在从第一支管5a1～5a4分叉出的第二支管5b1～5b4上。在第二支管5b1的分叉点设置有第一调节阀511。在第二支管5b2的分叉点设置有第二调节阀512。在第二支管5b3的分叉点设置有第三调节阀513。在第二支管5b4的分叉点设置有第四调节阀514。第一调节阀511～第四调节阀514改变缸内燃料喷射阀与进气口燃料喷射阀的喷射比率。在以后的说明中，有时将进气口燃料喷射阀的喷射比率称为进气口喷射比率。

燃料喷射装置1包括ECU7来作为控制部。ECU7是包括进行运算处理的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、存储程序等的ROM（Read Only Memory，只读存储器）、以及存储数据等的RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）或NVRAM（Non VolatileRAM，非易失性RAM）的计算机。ECU7与各缸内燃料喷射阀11、21、31、41电连接。此外，ECU7与各进气口燃料喷射阀12、22、32、42电连接。ECU7与第一调节阀511～第四调节阀514电连接。ECU7与燃料泵6电连接，能够控制燃料泵6的占空比。用于控制发动机主体的运行状态的各种传感器与ECU7连接，水温计8也与ECU7电连接。燃料泵6被设置在靠近第一气缸#1的一侧，第四气缸#4离燃料泵6最远。

通过控制燃料泵6的占空比来调节燃料压力并进行第一调节阀511～第四调节阀514的开闭控制的ECU7具有空泡率调节单元的功能。即，ECU7控制燃料泵6的占空比，或者进行第一调节阀511～第四调节阀514的开闭控制来控制燃料的温度，从而改变从燃料喷射阀、尤其从缸内燃料喷射阀喷射的燃料的空泡率。

缸内燃料喷射阀11、21、31、41能够喷射包含气泡的燃料。图2是示出包含在实施例1的燃料喷射装置中的缸内燃料喷射阀11的主要部分的截面的说明图。由于缸内燃料喷射阀11、21、31、41相同，因此这里对第一缸内燃料喷射阀11进行说明。

缸内燃料喷射阀11包括喷嘴体131、阀针132、以及驱动机构140。驱动机构140控制阀针132的滑动动作。驱动机构140是以往公知的机构，该机构包括适于使阀针132动作的部件，例如利用压电元件、电磁铁等的执行器、和向阀针132施加适当压力的弹性部件等。在以下的说明中，顶端侧表示附图中的下侧，基端侧表示附图中的上侧。

在喷嘴体131的顶端部设置有喷孔133。喷孔133是在喷嘴体131的顶端向沿着喷嘴体131的轴的方向形成的单喷孔。在喷嘴体131的内部，形成有使阀针132落座的阀座部134。阀针132被配置成在喷嘴体131内自由滑动，由此在与喷嘴体131之间形成燃料导入路径136。并且，通过阀针132落座于喷嘴体131内的阀座部134上，使缸内燃料喷射阀130成为闭阀状态。阀针132通过驱动机构140被向上提升而离开阀座部134，由此变成开阀状态。阀座部134被设置在从喷孔133深入的位置。因此，不管在阀针132处于开阀状态的情况还是处于闭阀状态的情况下，喷孔133都处于与外部连通的状态。在以露出到发动机主体1的燃烧室内的状态安装缸内燃料喷射阀11的情况下，喷孔133处于与燃烧室连通的状态。

缸内燃料喷射阀11包括涡流生成部132a，涡流生成部132a被设置在阀座部134的上游侧，对从燃料导入路径136导入的燃料赋予在阀针132的滑动方向上涡旋的涡流。涡流生成部132a设置在阀针132的顶端部上。涡流生成部132a具有比阀针132的基端侧大的直径。涡流生成部132a的顶端部落座于阀座部134。如此，涡流生成部132a在开阀时和闭阀时位于阀座部134的上游侧。

涡流生成部132a包括螺旋槽132b。从燃料导入路径136导入的燃料经过该螺旋槽132b，由此燃料流被赋予涡旋成分，生成燃料涡流。

缸内燃料喷射阀11包括涡旋增速部135，涡旋增速部135被设置在阀座部134的下游侧，增大在涡流生成部132a中生成的涡流的涡旋速度并向喷孔133供应燃料。涡旋增速部135被形成为其内周径朝向位于阀座部134的下游部的最小收缩部缩小。这里，最小收缩部相当于在阀座部134的下游部中内周径最小的位置。在本实施例中，最小收缩部是喷孔133。最小收缩部不限定于喷孔133的开口部。

涡旋增速部135形成在阀座部134与喷孔133之间，使得经过涡流生成部132a而变成涡旋状态的燃料的涡旋速度加快。逐渐缩窄通过涡流生成部132a生成的涡流的旋转半径。涡流流入被缩径的窄区域，从而涡旋速度增大。涡旋速度增大的涡流在喷孔133内形成气柱。涡旋增速部135的内周壁面具有向中心侧凸起的曲面。这里，对该气柱的形成以及基于气柱的形成的微细气泡的形成进行说明。

当在涡旋增速部135内涡流加速时，从喷孔133至涡旋增速部135内形成强涡流，在强涡流涡旋的中心产生负压。若产生负压，喷嘴体131的外部的空气就被吸进喷嘴体131内。由此，在喷孔133内产生气柱。于是，在产生的气柱与燃料的界面生成气泡。生成的气泡混入流经气柱周围的燃料，并作为气泡混入流而与在外周侧流动的燃料流一起被喷射。

此时，燃料流以及气泡混入流通过涡流的离心力而形成从中心扩散的圆锥形喷雾。从而，离喷孔越远，圆锥形喷雾的直径就越大，因此喷雾液膜被扩大而变薄。然后，液膜无法维持而分裂。之后，分裂后的喷雾在微细气泡的自加压效应下直径变小，进而崩溃而变成超微细喷雾。如此，通过缸内燃料喷射阀11喷射的燃料的喷雾被微粒化，因此燃烧室内的快速的火焰传播被实现，从而可进行稳定的燃烧。

如此，当通过实现燃料喷雾的超微细化而促进燃料的气化时，能够减少PM（Particulate Matter，颗粒物质）和HC（碳氢化合物）。此外，还可改善热效率。而且，由于气泡从缸内燃料喷射阀喷射之后破裂，因此能够抑制缸内燃料喷射阀11内的EGR腐蚀。

在本实施例中，进气口燃料喷射阀12、22、32、42也使用了与缸内燃料喷射阀11、21、31、41相同的燃料喷射阀，但也可以使用其他形式的燃料喷射阀来作为进气口燃料喷射阀。此外，缸内燃料喷射阀11、21、31、41也不限定于图2所示的形式的燃料喷射阀，只要能够喷射包含气泡的燃料，也可以是其他形式的燃料喷射阀。

下面，参考附图对如上所述的燃料喷射装置1的控制的一例进行说明。燃料喷射装置1的控制由ECU7进行。

首先，在步骤S01中，获取向发动机主体1供应的冷却水的温度（发动机冷却水温度）Tw。然后，在步骤S02中，判断发动机冷却水温度Tw是否低于预先确定的阈值Tw1。这里，阈值Tw1是用于判断发动机主体1是否处于能够适当进行以后的控制的状态的值。可以使用用于判断暖机完成的值来作为阈值Tw1。

当在步骤S02判断为“否”时，进入步骤S03，在步骤S03中，增大从进气口燃料喷射阀的喷射比率。具体来说，将进气口喷射比率kpfi设定为“1”。即，在各气缸中从进气口燃料喷射阀12、22、32、42喷射被要求喷射的燃料量的全部量。由此，从缸内燃料喷射阀11、21、31、41的燃料喷射被停止。其结果是，缸内燃料喷射阀11、21、31、41通过燃料的冷却效果被抑制，因此通过从燃烧气体受热而可快速升温，变成可进行稳定的燃料喷射的状态。步骤S03的处理被反复进行直到在步骤S02中判断为“是”为止。

另一方面，当在步骤S02中判断为“否”时，进入步骤S04。在步骤S04中，计算目标空泡率。具体来说，参考映射图来决定目标空泡率。这里，目标空泡率由根据发动机冷却水温度而选择的多个映射图决定。图4(A)是在低水温时求目标空泡率的映射图的一例，图4(B)是在高水温时求目标空泡率的映射图的一例。目标空泡率由发动机的负荷率KL和发动机转速NE求出。低水温时的映射图被划分为a、b、c的三个区域。高水温时的映射图被划分为A、B、C的三个区域。这里，各个值具有a＞b＞c、A＞B＞C、a＞A、b＞B、c＞C的关系。越是希望促进微粒化的状态，空泡率被设定得就越大。水温越是低时，越是低负荷低旋转，越是希望促进微粒化，因此要求大的空泡率。

在接在步骤S04之后进行的步骤S05中，进行作为以后的燃料压力设定的基础的基础燃料压力的计算和目标燃料温度的计算。基础燃料压力通过参考图5所示的映射图来算出。基础燃料压力由发动机的负荷率KL和发动机转速NE算出。越是高负荷高旋转，基础燃料压力就越高。另一方面，目标燃料温度作为实现在步骤S04中算出的目标空泡率所要求的燃料温度而被算出。例如，算出实现目标空泡率a所要求的燃料温度。图6是用于说明发动机冷却水温与燃料温度的关系的曲线图。图7是用于说明缸内燃料喷射阀11中的燃料温度与空泡率α及燃料流速间的关系的曲线图。燃料温度与发动机的冷却水温具有相关性，发动机的冷却水温越低，燃料温度就越低。此外，参考图7，燃料流速越高，空泡率α就越高，燃料温度越高，空泡率α就越高。因此，在燃料流速不同时，为了实现相同的空泡率α，需要恰当地设定燃料温度。这里，燃料流速根据燃料压力而变化，因此依据基础燃料压力来设定目标燃料温度。

接下来，在步骤S06中，获取实际燃料温度Tf。实际燃料温度Tf通过参考图8所示的燃料温度计算映射图来获取。燃料温度Tf由燃料喷射量Gf（g/s）算出。

在步骤S07中，计算燃料温度的气缸间差ΔTf。燃料温度的气缸间差ΔTf是从被配置在靠近燃料泵6的位置的第一缸内燃料喷射阀11喷射的燃料的温度与从被配置在离燃料泵6最远的位置的第四缸内燃料喷射阀41喷射的燃料的温度的差。这是因为考虑了被配置在离燃料泵6最远的位置的第四缸内燃料喷射阀41受热时间最长，从而其燃料温度与第一缸内燃料喷射阀11的燃料温度之间容易产生差异。各气缸间的燃料温度差针对每种运行状态预先通过实验求出，并将其反映到在步骤S06中求出的燃料温度Tf中来获取。

在步骤S08中，判断在步骤S07中算出的燃料温度的气缸间差ΔTf是否大于预先确定的阈值ΔTf1。当气缸间差ΔTf大从而判断为“是”时，进入步骤S09。在步骤S09中，为每个气缸间，设定进气口喷射比率kpfi。另一方面，当气缸间差ΔTf小从而判断为“否”时，进入步骤S10。在步骤S10中，为所有气缸间设定共同的进气口喷射比率kpfi。这里，参考图9、图10，对由于改变进气口喷射比率而引起的燃料温度的变化进行说明。如图9所示，当进气口喷射比率小时，发动机越是高负荷高旋转，燃料温度就越低。这是因为由于从缸内燃料喷射阀的喷射量增大而发挥了冷却效果的缘故。另一方面，如图10所示，当进气口喷射比率大时，发动机越是高负荷高旋转，燃料温度就越高。这是因为由于从缸内燃料喷射阀的喷射量减少而无法发挥冷却效果的缘故。在步骤S09、步骤S10中，利用该关系控制到在步骤S05中算出的目标燃料温度。即，根据发动机主体所具备的每个气缸的燃料的温度来调节从缸内燃料喷射阀11、21、31、41喷射的燃料的温度，从而调节燃料的空泡率。

在步骤S11中，计算修正空泡率。修正空泡率由步骤S09、步骤S10的处理后的燃料温度与发动机转速NE、负荷率KL、修正前的燃料压力、即基础燃料压力算出。

在步骤S12中，计算由在步骤S04中算出的目标空泡率与在步骤S11中算出的修正空泡率计算的空泡率背离量Δα。具体来说，求出目标空泡率与修正空泡率的差。

在步骤S13中，使用在步骤S12中求出的空泡率背离量Δα来计算目标燃料压力f（Δα），并进行与此相应的燃料泵占空比控制。

如上所述，通过调节燃料温度以及燃料压力，能够将燃料微粒化并确保燃料净量。

上述实施例中具备缸内燃料喷射阀11、21、31、41和进气口燃料喷射阀12、22、32、42，但在仅具备缸内燃料喷射阀11、21、31、41的情况下，能够简化控制。即，也可以省去与燃料温度相关的控制，通过燃料泵的占空比调节燃料压力来实现希望的空泡率。

上述实施例仅仅是用于实施本发明的一例。由此，本发明不限定于此，可在权利要求所述的本发明宗旨的范围内进行各种变形、变更。

符号说明

1燃料喷射装置

2发动机主体

#1第一气缸

#2第二气缸

#3第三气缸

#4第四气缸

11第一缸内燃料喷射阀

12第一进气口燃料喷射阀

21第二缸内燃料喷射阀

22第二进气口燃料喷射阀

31第三缸内燃料喷射阀

32第三进气口燃料喷射阀

41第四缸内燃料喷射阀

42第四进气口燃料喷射阀

5输送管

5a1～5a4第一支管

5b1～5b4第二支管

511第一调节阀

512第二调节阀

513第三调节阀

514第四调节阀

6燃料泵

7ECU

8水温计

101第一进气口

102第二进气口

103第三进气口

104第四进气口

Claims

1.一种燃料喷射装置，包括：

燃料喷射阀，其被安装在发动机主体上，喷射包含气泡的燃料；以及

空泡率调节单元，其改变从所述燃料喷射阀喷射的所述燃料的空泡率。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其中，

在要求提高空泡率时，所述空泡率调节单元提高从所述燃料喷射阀喷射的燃料的燃料压力。

3.根据权利要求1或2所述的燃料喷射装置，其中，

所述空泡率调节单元改变从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度来调节所述燃料的空泡率。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料喷射装置，其中，

在要求提高空泡率时，所述空泡率调节单元提高从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度。

5.根据权利要求3或4所述的燃料喷射装置，其中，

所述空泡率调节单元根据所述发动机主体所具备的每个气缸的燃料的温度来调节从所述燃料喷射阀喷射的燃料的温度，从而调节所述燃料的空泡率。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的燃料喷射装置，其中，

所述燃料喷射阀包括缸内燃料喷射阀和进气口燃料喷射阀，

所述空泡率调节单元改变缸内燃料喷射阀与进气口燃料喷射阀的喷射比率来调节从所述缸内燃料喷射阀喷射的燃料的温度。

7.根据权利要求6所述的燃料喷射装置，其中，

当被供应给所述发动机主体的冷却水的温度低于预先设定的阈值时，增大所述进气口燃料喷射阀的喷射比率。