CN104995392B - 循环中期的燃料喷射策略 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的方法和装置。该方法包括将发动机图分割成三个相异的运行区域，在每个区域内具有不同的运行模式。当发动机在低负载区域内运行时，在进气冲程期间、在与燃烧室相关联的进气阀关闭之前将气态燃料引入至燃烧室。当发动机在高负载低速区域内运行时，在压缩冲程期间、在进气阀关闭之后将气态燃料直接喷射至燃烧室内。当发动机在高负载高速区域内运行时，采用分流喷射策略，其中在进气阀关闭之前将气态燃料的第一部分引入增压气体，且在进气阀关闭之后喷射气态燃料的第二部分。

Description

循环中期的燃料喷射策略
技术领域
本申请涉及根据发动机图(engine map)中的供燃区域(fuelling region)将气态燃料引入至内燃机的技术，所述发动机图是随着发动机运行条件的变化而确定的。
背景技术
替代燃料诸如天然气被发动机制造商采用在所谓的双燃料(dual fuel)发动机、二元燃料(bi-fuel)发动机和可变燃料(flex-fueled)发动机中。双燃料发动机是用多于一种的燃料类型同时供燃的，例如消耗天然气作为主燃料且消耗柴油作为引燃燃料的发动机。二元燃料发动机可以消耗多于一种的燃料类型，但是一次仅用一种类型供燃，诸如消耗汽油或天然气但却不将两者一起消耗的发动机。可变燃料发动机结合双燃料发动机和二元燃料发动机两者的特征，并且可以同时消耗多于一种的燃料类型或者可以以单一燃料运行。例如这样的发动机：其通常消耗汽油或天然气，但根据发动机运行条件也可以同时消耗这两种燃料。
作为在直接喷射汽油发动机中采用替代燃料的第一步，制造商整合端口喷射系统，其引入气态燃料以使得该发动机可以作为二元燃料发动机或可变燃料发动机运行。一种用于这些发动机的示例性替代燃料是天然气。因为天然气被认为是一种替代燃料而不是基本燃料，所以这些发动机被优化用于用汽油运行。当发动机用天然气运行时，相比于用汽油运行，其导致减少的功率和扭矩。此减弱的性能的一个原因是在进气冲程期间由天然气取代空气。由于将汽缸中的空气取代，可用来与燃料一起燃烧的氧化剂就较少，这减小了平均燃烧压力和可用于推进车辆的功率。
由于汽油在成本上相对于天然气持续增大并且排放条例变得更严格，发动机制造商有动机在单燃料发动机之外还将二元燃料发动机和可变燃料发动机优化用于以天然气运行。用于增大消耗天然气的发动机的功率和性能的一种已知技术是引入高压的天然气。这需要将天然气加压至高喷射压力，涉及额外部件，诸如泵、热交换器和高压管路，那会增大燃料系统的成本。天然气是可压缩流体，与作为不可压缩流体的汽油相比，需要显著更多的用于加压的能量和时间。在一些应用中，使天然气加压所需要的增大的成本和额外的时间通过其他的经济和物流因素抵消，但是在其他一些应用中它是不可接受的。优化发动机中的天然气运行的其他技术采用向外开口直接喷射器。这些喷射器具有不足的流速，这影响将天然气引入至汽缸的技术。天然气与所捕获的增压气体(charge)的混合较差且导致损失燃烧效率，还减弱在较高发动机速度处(在较高发动机速度处可用于喷射和混合的时间窗(time window)较短)的性能。
公开号为US 2003/0140902 A1、标题为“CNG Direct-Injection Into ICEngine”的美国专利申请公开了一种使用天然气运行四冲程内燃机的方法。该‘902申请公开了，由此在高扭矩-全扭矩运行条件下，在接近吸气冲程的终点或压缩冲程的起点处将天然气直接喷射至发动机的汽缸内。所述方法声称能够喷射气态燃料而不需要产生比储存压力高的气体压力。然而，该系统的一个缺点是在这样的高负载条件下，发动机消耗更多的燃料，并且低气态燃料喷射压力下可能很难足够早地将足够的燃料喷射至汽缸内以允许充分的时间来与汽缸内的增压气体混合。该‘902申请还声称其方法的优点中的一个是“还避免了切换到将伴随着空气的燃料吸入。”
现有技术缺乏改善性能的、随着发动机操作条件的变化将气态燃料引入至内燃机的技术。
发明内容
公开了一种用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的方法，该方法包括将发动机图分割成三个相异区域，在每个区域内具有不同的运行模式。第一区域是一个预定低负载范围，并且当内燃机在第一区域内运行时，运行模式包括在进气冲程期间、在与燃烧室相关联的进气阀关闭之前将气态燃料引入至燃烧室。第二区域是一个预定高负载低速范围，并且当内燃机在第二区域内运行时，运行模式包括在进气阀关闭之后将气态燃料直接喷射至燃烧室内。第三区域是一个预定高负载高速范围，并且当内燃机在所述第三区域内运行时，运行模式包括在进气冲程期间、在进气阀关闭之前将气态燃料的第一部分引入至燃烧室以及在进气阀关闭之后将气态燃料的第二部分直接喷射至燃烧室内。
当在进气冲程期间引入所述气态燃料时，如果燃料喷射装置包括两个分立的燃料喷射器，则可以在进气阀的上游引入所述气态燃料，由此所述气态燃料连同进气空气一起被导入所述燃烧室内。例如，通过此方法，可以使用端口喷射器将导入的气态燃料引入进气增压气体内，其中第二喷射器是一个直接喷射器，以用于当发动机在第二预定运行区域或第三预定运行区域中的一个内运行时将所述气态燃料直接喷射至燃烧室内。
当在进气冲程期间引入气态燃料时，如果燃料喷射装置仅包括用于每个燃烧室的直接喷射器，则可以在与燃烧室相关联的进气阀打开的同时将气态燃料直接喷射至那个燃烧室内。然而，由于气态燃料被导入燃烧室内，此方法不具有将气态燃料与增压气体混合的优点，所述方法的此实施方案通过减少部件的个数而降低了系统的复杂度，并且与在进气阀关闭之后的后期喷射正时(later injection timing)相比仍允许燃料有更多时间与增压空气混合。
在一些实施方案中，该方法还可以包括在所述压缩冲程期间、在下止点之后关闭所述进气阀。例如，当发动机在第一运行区域内运行时，这可以增大可用于引入气态燃料的时间量。在另一个实施方案中，该方法还可以包括在所述进气冲程期间、在下止点之前关闭所述进气阀。例如，当所述发动机在第二区域内运行时这可以是有利的，因为较早地关闭进气阀允许用于喷射起点(在进气阀关闭之后)的正时提前，而这允许更多的时间用于将气态燃料与增压气体混合，并且因为在喷射阀已关闭之后喷射气态燃料，所以气态燃料没有取代在进气阀尚还开着时被导入燃烧室内的任何增压气体。当在下止点之前关闭进气阀时，该方法还可以包括增大进气歧管空气压力，使得在进气阀关闭之前增大量的氧气被导入燃烧室内，抵消在下止点之前关闭进气阀的影响并且减少用于导入增压气体的时间。
该方法还可以包括根据特定运行区域，调整用于进气阀关闭的正时。当发动机配备有可变的阀正时系统时，可以启用该方法的此实施方案。
当发动机在第二区域或第三区域内运行时，在优选的实施方案中，用于在进气阀关闭之后将气态燃料直接喷射至燃烧室内的喷射起点的正时，是在上止点之前的150度曲柄角和210度曲柄角之间。下止点是在上止点之前的180度曲柄角，因此当用于喷射起点的正时在上止点之前的180度曲柄角和210度曲柄角之间时，这仅仅用于当进气阀在进气冲程期间下止点之前被关闭的实施方案。用于直接喷射气态燃料的“喷射终点”的正时取决于用于喷射起点的正时，并且优选地被定时以在上止点之前65度曲柄角和200度曲柄角之间发生，其中较早的正时是优选的以允许有更多的时间用于混合。用于喷射起点的正时和用于喷射终点的正时是出于如下意图而被确定的：在被可用喷射压力和整体发动机设计允许的情况下，尽可能地减小喷射脉冲的持续时间。这影响喷射器喷嘴中的孔口的尺寸，但是在优选实施方案中，为了较高喷射速度用于改善混合，而将所述孔口定尺寸用于经过喷嘴的扼流条件。
在优选的实施方案中，当将气态燃料直接喷射至燃烧室内时，以20巴和40巴之间的喷射压力，将所述气态燃料供应至燃料喷射器。在这样的实施方案中，所述方法还可以包括当以气态形式储存所述气态燃料时将所述气态燃料压缩至所述喷射压力，或者当以液化形式储存所述气态燃料时将所述气态燃料泵送至所述喷射压力。
在一个优选方法中，通过一个预定的功率划分线来分割第二区域和第三区域。在一个替代实施方案中，通过一个固定的预定发动机速度来分割第二区域和第三区域。
气态燃料可以是天然气、甲烷、天然气和氢气共混物、甲烷和氢气共混物、丙烷以及其他合适的气态燃料。在此公开内容中，“气态”燃料被限定为是适合于在内燃机中燃烧且在大气压和温度下处于气态形式的燃料。
用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的方法的一个实施方案包括：在进气冲程期间，在与运行所述内燃机相关联的发动机图的第一区域内将所述气态燃料引入所述燃烧室内；在压缩冲程期间、在与所述燃烧室相关联的进气阀关闭之后，在所述发动机图的第二区域内将所述气态燃料引入所述燃烧室内；以及在所述进气冲程和所述压缩冲程期间，在所述发动机图的第三区域内将所述气态燃料引入所述燃烧室内；其中所述第一区域是所述发动机图的一个低负载区域，所述第二区域是所述发动机图的、在一个预定功率水平和一个预定速度中的至少一个之下的一个高负载区域，并且所述第三区域是所述发动机图的、在所述预定功率水平和所述预定速度中的至少一个之上的一个高负载区域。
在此公开内容中，所述发动机图由沿x轴线的第一发动机参数和沿y轴线的第二发动机参数限定。在优选实施方案中，所述第一发动机参数是发动机速度，且所述第二发动机参数是扭矩和每循环燃料量中的一个。
为了实施所述方法，公开了一种用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的装置。此装置包括：一个燃料喷射装置，所述燃料喷射装置用于将所述气态燃料引入所述内燃机的增压气体，所述燃料喷射装置包括一个用于将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内的直接燃料喷射器；一个控制器，所述控制器被编程成根据三个运行模式致动所述燃料喷射装置。更具体地，所述控制器被编程以：(a)当所述内燃机以由预定低负载范围限定的第一运行模式运行时，在进气冲程期间、在与所述燃烧室相关联的进气阀打开的同时，将所述气态燃料引入所述增压气体内；(b)当所述内燃机以由预定高负载低速范围限定的第二运行模式运行时，在所述进气阀关闭之后致动所述直接燃料喷射器以将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内；以及(c)当所述内燃机以由预定高负载高速范围限定的第三运行模式运行时，将燃料喷射分成两个脉冲，由此在进气冲程期间，当所述进气阀打开的同时将所述气态燃料的第一部分引入所述增压气体内，并且通过在所述进气阀关闭之后致动所述直接燃料喷射器以将所述燃料直接喷射至所述燃烧室内而将第二部分引入。
在一个实施方案中，所述燃料喷射装置还可以包括一个端口燃料喷射器，所述端口燃料喷射器与通入所述燃烧室的端口相关联，用于在所述进气阀的上游引入所述气态燃料，由此所述气态燃料与进气增压气体一起被导入所述燃烧室内。在另一个实施方案中，借助所述控制器能运行所述直接燃料喷射器，以在进气冲程期间将所述气态燃料引入所述增压气体内。
发动机可以采用用于打开和关闭所述进气阀的常规正时，但是如在附图中示出的以及稍后在此公开内容中描述的，可以采用用于打开和关闭所述进气阀的不同的正时，特别地，如果发动机具有可变的阀正时系统使得用于打开和关闭所述进气阀的不同的正时可以用于不同的运行模式。例如，在一些实施方案中，所述进气阀能运行以在所述进气冲程期间、在下止点之前关闭，例如以允许用于在进气阀关闭之后被喷射的直接喷射燃料的喷射起点的正时被提前。在另一个实施方案中，所述进气阀能运行以在所述压缩冲程期间、在下止点之后关闭，例如以允许有更多的时间用于喷射在进气阀被关闭之前引入的燃料。
附图说明
图1是根据用于与随着发动机操作条件的变化而确定的发动机图中的供燃区域相符地将气态燃料引入至发动机的燃烧室的技术的第一实施方案，包括直接燃料喷射器和端口燃料喷射器的内燃机的局部示意图。
图2是例示在图1的内燃机的排气冲程、进气冲程和压缩冲程期间的进气阀事件、早期燃料喷射事件以及后期燃料喷射事件的发动机循环事件线的曲线图。在此公开内容中，“后期”燃料喷射事件被限定为相对于“早期”喷射事件晚，“早期”喷射事件被定时为在与燃烧室相关联的进气阀已经关闭之前发生。“后期”燃料喷射事件在进气阀关闭之后且在压缩冲程的早期部分期间发生。因此，此公开内容中描述的“后期”燃料喷射事件比用于通常与柴油循环发动机相关联的燃料喷射事件的后期正时早得多。
图3是用于图1的内燃机的发动机图的曲线图，例示了供燃区域A、B和C均具有一个相应的供燃策略，并且供燃区域B和C通过预定的功率分隔。
图4是根据图1的内燃机的另一个实施方案的发动机图的曲线图，例示了供燃区域A、B和C均具有一个相应的供燃策略，并且供燃区域B和C通过预定的速度分隔。
图5是根据用于与随着发动机操作条件的变化而确定的发动机图中的供燃区域相符地将气态燃料引入至发动机的燃烧室的技术的第二实施方案，包括直接燃料喷射器的内燃机的局部示意图。
图6是例示在图5的内燃机的排气冲程、进气冲程和压缩冲程期间的进气阀事件、早期燃料喷射事件以及后期燃料喷射事件的发动机循环事件线的曲线图。
图7是根据例示在图1或图5的内燃机的排气冲程、进气冲程和压缩冲程期间的进气阀事件、早期燃料喷射事件以及后期燃料喷射事件的另一个实施方案的发动机循环事件线的曲线图。
具体实施方式
图1、图2、图3和图4中例示了将气态燃料引入至内燃机的技术的第一实施方案。参考图1，发动机10包括燃烧室20，该燃烧室在此实施例中由汽缸壁30、汽缸盖40和活塞50限定。虽然图1中示出仅一个这样的汽缸，但是本领域技术人员会知晓，发动机10通常包括两个或更多个汽缸，并且本文公开的技术适用于具有一个或多个汽缸的任何发动机。端口燃料喷射器60在进气阀80的上游将气态燃料引入至进气歧管70，使得至少空气和气态燃料的增压气体被吸至燃烧室20内。直接燃料喷射器90将气态燃料直接引入至燃烧室20。在本实施方案中，发动机10包括一个节流阀(未示出)，所述节流阀被采用以控制进入燃烧室20内的空气进气。在其他实施方案中，发动机10可以包括液体燃料喷射器，所述液体燃料喷射器将液体燃料(诸如，汽油)直接引入燃烧室20内或在进气阀80的上游引入。
参考图2，示出了发动机循环事件线140，例示了针对发动机10的每个汽缸的排气冲程、进气冲程和压缩冲程期间的对应事件。熟悉该技术的人员会知晓，事件的正时是借助于曲柄轴角位置测量的，曲柄轴角位置是沿着轴线150在上止点(TDC)之前和之后以及下止点(BDC)之前和之后以角度测量的。进气阀80在进气阀打开(IVO)处开始打开，这在排气冲程期间开始。进气阀80在进气阀关闭(IVC)处关闭，这在压缩冲程期间发生。在进气阀打开(IVO)和进气阀关闭(IVC)之间，进气阀80是打开的，允许增压气体进入燃烧室20。
端口燃料喷射器60在端口喷射-喷射起点(PI-SOI)处开始引入气态燃料，这在进气冲程期间开始。端口喷射-喷射起点(PI-SOI)可以是在进气阀打开(IVO)后不久，例如一旦在排气阀85关闭之后到汽缸内的正向流动已建立且对废气的清扫已完成时。端口燃料喷射器60在端口喷射-喷射终点(PI-EOI)处停止引入气态燃料，这在进气冲程期间在进气阀关闭(IVC)之前发生。在端口喷射-喷射起点(PI-SOI)与端口喷射-喷射终点(PI-EOI)之间，气态燃料被引入进气歧管70内，在该进气歧管处气态燃料通过进气端口经过进气阀80被吸入燃烧室20内。当采用可变速率喷射时，端口喷射-喷射起点(PI-SOI)与端口喷射-喷射终点(PI-EOI)之间的持续时间基于期望的早期喷射量和期望的早期喷射速率。选择期望的早期喷射量来提供排放、燃料经济性和扭矩输出之间最好的整体平衡。喷射器60被致动以在如图3和图4中看到的供燃区域A和C内引入燃料，如下面将更详细地解释的。
直接燃料喷射器90在后期直接喷射-喷射起点(LDI-SOI)处开始引入气态燃料，这在压缩冲程期间在进气阀关闭(IVC)之后开始。直接燃料喷射器90在后期直接喷射-喷射终点(LDI-EOI)处停止引入气态燃料，这在压缩冲程期间上止点之前发生。在后期直接喷射-喷射起点(LDI-SOI)与后期直接喷射-喷射终点(LDI-EOI)之间，气态燃料被直接引入燃烧室20内。当采用可变速率喷射时，LDI-SOI与LDI-EOI之间的持续时间基于期望的整体当量比和期望的后期喷射速率。在优选实施方案中，后期直接喷射-喷射终点(LDI-EOI)尽可能早地发生，以增大可用于混合的时间量且允许喷射期望量的燃料，同时减少提高气态燃料的压力需要的能量的量。例如，根据发动机的尺寸和设计，如果用于直接喷射气态燃料的正时结束早于上止点之前的约65度曲柄角，则汽缸内的压力通常在约7巴和15巴之间，因此，当将气态燃料直接喷射至燃烧室内时，期望的是，通过所公开的方法，以在进气阀关闭之后尽可能快地设定用于喷射起点的正时，且在气缸内压力增大至需要较高喷射压力的水平之前就尽可能快地完成喷射。在一些实施方案中，根据气态燃料是以液化形式还是以气态形式储存，燃料系统还可以包括泵或压缩机，以将气态燃料提升至20巴和40巴之间的压力用于直接喷射至燃烧室内。较高的喷射压力允许以较短的时间量喷射燃料，但是需要更多的能量来对气态燃料加压，而喷射压力和喷射正时的最佳组合可以基于发动机的特定特性来确定。例如，一般地，以较低速度运行的发动机可以使用具有较长喷射脉冲宽度的较低的喷射压力，但是通常以较高速度运行的发动机可以使用较高的喷射压力以允许较短的脉冲宽度。直接燃料喷射器90被致动以在如图3和图4中看到的供燃区域B和C内引入燃料，如下面将更详细地解释的。
参考图3，示出了包括供燃区域A、B和C的发动机供燃图100的曲线图。构成图100的是沿x轴线110的发动机速度和沿y轴线120的扭矩。可以采用除了发动机速度和扭矩之外的发动机参数来构成图100。例如，代替扭矩，可以沿y轴线120采用每循环的燃料量。在供燃区域A、B和C的每个内采用不同的燃料引入策略(其将在下面被更详细地解释)，以改进各种性能参数，诸如发动机10的效率、排放、扭矩和功率。在供燃区域的每个中改进的性能参数是变化的。在轻负载条件期间任何发动机速度下采用供燃区域A。在高负载条件期间且在最多达功率划分线130的速度下采用供燃区域B。在高负载条件期间且在大于功率划分线130的速度下采用供燃区域C。
参考图4，示出了根据另一个实施方案的发动机供燃图100的曲线图，其中与图3的实施方案相同的部分具有相同的参考标号，并且仅仅讨论不同点。通过根据一个预定速度(ESBC)的速度划分线135将供燃区域B和供燃区域C分隔。在其他实施方案中，可以随着发动机操作条件变化的功率和速度的组合来分隔供燃区域B和供燃区域C。
现在讨论用于发动机图100中的供燃区域中的每个的供燃策略。图3和图4中的区域A包括这样的供燃策略：根据先前参考图2描述的正时，在进气冲程期间通过端口燃料喷射器60将气态燃料引入燃烧室20。此供燃策略使混合势能最大化，且有意允许由气态燃料取代进气空气，由此减小节流损失且提高发动机效率。在低负载的、以接近且优选地化学计量运行的、火花点火的节流式发动机中，由于减少的功率要求，所以调整节流阀以将较少的空气引入燃烧室20内。这导致节流损失，其中活塞50正在小于大气压的压力下通过阀80抽入空气。也就是，发动机10正在做功以将空气吸入燃烧室20内。当气态燃料取代被引入燃烧室20内的空气的一部分时，节流阀可以被放松且活塞可以在比先前更接近大气压的压力下吸入空气和气态燃料，由此需要发动机10做的功较少并且减少节流损失。长的混合时间将帮助消除富集混合物和过稀薄(over-lean)混合物区域，允许燃烧火焰传播，导致微粒和碳氢化合物排放较低。在空载和部分负载下可以针对更长的喷射周期选择端口燃料喷射器，减少可变压力调节或可变升力直接喷射器(variable lift direct injector)的需要。
图3和图4中的供燃区域B包括这样的供燃策略：根据先前参考图2描述的正时，在压缩冲程期间进气阀关闭(IVC)之后，通过直接燃料喷射器90将气态燃料直接引入至汽缸。最大喷射周期(LDI-EOI和LDI-SOI之间的差)被限制，以增大燃料引入之后用于混合的时间量。供燃区域B允许更多的空气(氧气)在进气冲程期间进入燃烧室20，是因为气态燃料在进气阀关闭(IVC)之后被引入，因此不取代进气增压气体的任何一部分。这允许在燃烧室20内消耗更多燃料，增大平均燃烧压力，由此提供更多的扭矩和功率。
供燃区域C包括这样的供燃策略：通过端口燃料喷射器60和直接燃料喷射器90的组合将气态燃料引入至汽缸，并且根据先前参考图2描述的它们对应的正时致动每个喷射器。在供燃区域B内，由于在特定扭矩处发动机速度增大，也就是在图3和图4中操作点水平地移动，最终速度足够地快，使得在压缩冲程期间引入的燃料可能未充分地混合或者没有足够的时间用于基于燃料喷射压力的燃料引入。为了克服这些问题，在供燃区域C内，在进气冲程期间引入被引入至燃烧室20的总燃料的一部分。端口喷射允许在较长的周期内发展稀薄混合物。一旦进气阀关闭，通过后期直接喷射富集此稀薄混合物。因为第一混合物是稀薄的，所以相比于可以是化学计量混合物的情况，取代较少的进气空气。进气阀关闭(IVC)之后的后期直接喷射将混合物富集度增大至接近化学计量的最终值。因为区域C中的后期喷射具有相比于全燃料量减少的量，所以喷射周期减小，允许更多的用于混合的时间。
当气态燃料罐压力降至用于直接燃料喷射器90的喷射压力范围之下时，可以在发动机图的全部供燃区域期间采用端口燃料喷射器60引入燃料。用于常规端口燃料喷射器的喷射压力范围通常是1巴至10巴的范围。
现在参考图5和图6，且首先参考图5，例示了用于将气态燃料引入至内燃机的技术的第二实施方案，其中与先前的实施方案相同的部分具有相同的参考标号并且如果有的话不再详细描述。直接燃料喷射器91将气态燃料引入至燃烧室20。类似于先前的实施方案，根据图3和图4的发动机图100中的至少一个来操作本实施方案中的发动机11。图6的发动机循环事件线141类似于图2的发动机循环事件线，且本实施方案的区域A、B和C中的供燃策略类似于先前实施方案并且仅讨论不同点。喷射器91可以在进气冲程期间(且作为替代或作为补充在压缩冲程期间)起作用以引入气态燃料。当在进气冲程期间引入燃料时，直接燃料喷射器91在早期直接喷射-喷射起点(EDI-SOI)处开始引入气态燃料。早期直接喷射-喷射起点(EDI-SOI)可以在进气阀打开(IVO)后不久，例如一旦在排气阀85关闭之后到汽缸内的正向流动已建立且对废气的清扫已完成时。喷射器90在进气冲程期间的早期直接喷射-喷射终点(EDI-EOI)处停止引入气态燃料，这在进气阀关闭(IVC)之前发生。在EDI-SOI与EDI-EOI之间，气态燃料被直接引入燃烧室20内。当直接喷射器91在进气冲程期间在进气阀80关闭之前引入气态燃料时，在低负载下减小节流损失。后期直接喷射-喷射起点(LDI-SOI)和后期直接喷射-喷射终点(LDI-EOI)类似于先前实施方案。
区域A和C中的供燃策略在进气冲程期间采用早期直接喷射。采用直接燃料喷射器，而不是采用直接燃料喷射器与端口燃料喷射器的组合，通过去除机械零件而减小用于发动机11的燃料系统的成本并且减小故障率。直接燃料喷射器91可以是可变速率燃料喷射器，具有的调节比(turn-down ratio)允许在进气冲程期间以减小的速率引入燃料，以及在压缩冲程期间以增大的速率引入燃料。进气冲程期间的减小的速率通过提供更加一致的混合而改善与燃烧室内增压气体的混合。压缩冲程期间的增大的喷射速率是有利的，因为它增大了可用于与燃烧室内的增压气体混合的时间。直接喷射器90和91可以是相同类型的喷射器，可以是可变速率喷射器或具有单一燃料流速的标准燃料喷射器。
可以通过本公开内容的技术实现某些性能改善。区域A中的供燃策略提高了效率且减少了排放，诸如微粒物质和未燃烧的碳氢化合物。区域B中的供燃策略改善了扭矩输出和响应。与仅端口喷射策略和单直接喷射策略相比，供燃区域C中的供燃策略改善了功率输出和效率。
现在参考图7，例示了用于将气态燃料引入至内燃机的技术的第三实施方案，其中与先前的实施方案相同的部分具有相同的参考标号并且如果有的话可能不再详细描述。图1中的发动机10和图5中的发动机11可以采用发动机循环事件线142。根据先前讨论的供燃策略，当与发动机10一起使用时，采用PI-SOI和PI-EOI，并且当与发动机11一起使用时，采用EDI-SOI和EDI-EOI。在此实施方案中，进气阀关闭(IVC)在进气冲程期间在下止点(BDC)之前发生。在BDC之前关闭进气阀80导致过膨胀循环，其中有效的膨胀冲程比有效的压缩冲程更长。在正常地吸气的发动机中，这会导致功率的减小，因为在进气冲程期间较少的空气(氧气)被引入燃烧室20。为了抵消此功率减小，采用涡轮增压器(未示出)或机械增压器(未示出)来增大空气歧管压力，使得增大量的空气(氧气)被引入至燃烧室。当进气阀80在BDC之前关闭且空气歧管压力增大时，效率增大而不损失扭矩和功率。进气阀80在BDC之前关闭的另一个优点是增大可用于在进气阀关闭之后引入的气态燃料的混合时间。在供燃区域B和C中，在进气阀关闭之后引入气态燃料，并且通过增大可用于混合的时间，通过穿过气态燃料和空气混合物的增强的火焰传播改善燃烧性能。
虽然已经示出和描述了本发明的具体元件、实施方案和应用，但是应当理解，本发明并不限于此，因为在不偏离本公开内容的范围的情况下，本领域技术人员尤其根据前述教导可以做出修改。

Claims (33)

1.一种用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的方法，包括将发动机图分割成如下三个相异的区域，且在每个区域内具有不同的运行模式：
第一区域，是一个预定低负载范围，并且当所述内燃机在所述第一区域内运行时，所述运行模式包括在进气冲程期间、在与所述燃烧室相关联的进气阀关闭之前将所述气态燃料引入至所述燃烧室；
第二区域，是一个预定高负载低速范围，并且当所述内燃机在所述第二区域内运行时，所述运行模式包括在所述进气阀关闭之后将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内；以及
第三区域，是一个预定高负载高速范围，并且当所述内燃机在所述第三区域内运行时，所述运行模式包括在进气冲程期间，在所述进气阀关闭之前将所述气态燃料的第一部分引入至所述燃烧室，以及在所述进气阀关闭之后将所述气态燃料的第二部分直接喷射至燃烧室内。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括当在所述进气冲程期间引入所述气态燃料时，在所述进气阀的上游引入所述气态燃料，由此所述气态燃料连同进气空气一起被导入所述燃烧室内。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括当在所述进气冲程期间引入所述气态燃料时，将所述气态燃料直接引入所述燃烧室内。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在压缩冲程期间、在下止点之后，关闭所述进气阀。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述进气冲程期间、在下止点之前，关闭所述进气阀。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括增大进气歧管空气压力，使得在所述进气阀关闭之前将增大量的氧气导入所述燃烧室内。
7.根据权利要求5所述的方法，其中用于将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内的喷射起点的正时是在上止点之前的180度曲柄角和210度曲柄角之间。
8.根据权利要求4所述的方法，其中当所述发动机在所述第一区域内运行时，用于关闭所述进气阀的正时与所述运行模式相关联。
9.根据权利要求1所述的方法，其中通过一个固定的预定发动机速度来分割所述第二区域和所述第三区域。
10.根据权利要求1所述的方法，其中通过一个预定功率划分线来分割所述第二区域和所述第三区域。
11.根据权利要求1所述的方法，其中当将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内时，以在20巴和40巴之间的喷射压力将所述气态燃料供应至燃料喷射器。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括当以气态形式储存所述气态燃料时，将所述气态燃料压缩至所述喷射压力。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括当以液化形式储存所述气态燃料时，将所述气态燃料泵送至所述喷射压力。
14.根据权利要求1所述的方法，其中当将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内时，喷射终点的正时在上止点之前65度曲柄角和200度曲柄角之间。
15.根据权利要求1所述的方法，其中当将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内时，喷射起点的正时在上止点之前150度曲柄角和210度曲柄角之间。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述气态燃料是天然气。
17.一种用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的方法，包括：
在进气冲程期间，在与运行所述内燃机相关联的发动机图的第一区域内将所述气态燃料引入所述燃烧室内；
在压缩冲程期间、在与所述燃烧室相关联的进气阀关闭之后，在所述发动机图的第二区域内将所述气态燃料引入所述燃烧室内；
在所述进气冲程和所述压缩冲程期间，在所述发动机图的第三区域内将所述气态燃料引入所述燃烧室内；
其中所述第一区域是所述发动机图的一个低负载区域，所述第二区域是所述发动机图的、在一个预定功率水平和一个预定速度中的至少一个之下的一个高负载区域，并且所述第三区域是所述发动机图的、在所述预定功率水平和所述预定速度中的至少一个之上的一个高负载区域。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第一区域内，在所述进气阀的上游引入所述气态燃料。
19.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第一区域内，将所述气态燃料直接引入所述燃烧室内。
20.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第二区域内，将所述气态燃料直接引入所述燃烧室内。
21.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第三区域内，在所述进气冲程期间在所述进气阀的上游将所述气态燃料引入至所述燃烧室，并且在所述压缩冲程期间将所述气态燃料直接引入所述燃烧室内。
22.根据权利要求17所述的方法，其中在所述第三区域内，在所述进气冲程期间和所述压缩冲程期间将所述气态燃料直接引入至所述燃烧室。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述发动机图由沿x轴线的第一发动机参数和沿y轴线的第二发动机参数限定。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一发动机参数是发动机速度，且所述第二发动机参数是扭矩和每循环燃料量中的一个。
25.一种用于将气态燃料引入内燃机的燃烧室内的装置，包括：
一个燃料喷射装置，用于将所述气态燃料引入至用于所述内燃机的增压气体，所述燃料喷射装置包括一个用于将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内的直接燃料喷射器；
一个控制器，被编程成根据三种运行模式致动所述燃料喷射装置，以：
(a)当所述内燃机以由预定低负载范围限定的第一运行模式运行时，在进气冲程期间、在与所述燃烧室相关联的进气阀打开的同时，将所述气态燃料引入所述增压气体内；
(b)当所述内燃机以由预定高负载低速范围限定的第二运行模式运行时，在所述进气阀关闭之后，致动所述直接燃料喷射器以将所述气态燃料直接喷射至所述燃烧室内；以及
(c)当所述内燃机以由预定高负载高速范围限定的第三运行模式运行时，将燃料喷射分成两个脉冲，由此在进气冲程期间，当所述进气阀打开的同时将所述气态燃料的第一部分引入所述增压气体内，并且通过在所述进气阀关闭之后致动所述直接燃料喷射器以将所述燃料直接喷射至所述燃烧室内而将第二部分引入。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述燃料喷射装置还包括一个端口燃料喷射器，所述端口燃料喷射器与通入所述燃烧室的端口相关联，用于在所述进气阀的上游引入所述气态燃料，由此所述气态燃料与进气增压气体一起被导入所述燃烧室内。
27.根据权利要求25所述的装置，其中借助所述控制器能运行所述直接燃料喷射器，以在进气冲程期间将气态燃料引入所述增压气体内。
28.根据权利要求25所述的装置，其中所述气态燃料是天然气。
29.根据权利要求25所述的装置，其中所述进气阀能运行以在所述进气冲程期间、在下止点之前关闭。
30.根据权利要求25所述的装置，其中所述进气阀能运行以在压缩冲程期间、在下止点之后关闭。
31.根据权利要求25所述的装置，其中所述进气阀还包括可变的阀正时能力，并且关闭所述进气阀的正时对于所述三种运行模式中的至少两种是不同的。
32.根据权利要求31所述的装置，其中当所述气态燃料的至少一部分被直接喷射至所述燃烧室内时，当所述内燃机以所述运行模式中的一种运行时，所述进气阀在所述进气冲程期间关闭。
33.根据权利要求31所述的装置，其中当所述内燃机以所述第一运行模式运行时，所述进气阀在压缩冲程期间关闭。
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