CN106996342A - 直喷式内燃机 - Google Patents

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Abstract

提供一种直喷式内燃机，其具备向燃烧室内直接喷射燃料的喷射器，在该直喷式内燃机中，当内燃机的温度在规定的温度以下时，在内燃机的一个燃烧循环中执行第1燃料喷射、第2燃料喷射以及第3燃料喷射。第2燃料喷射在进气冲程开始上止点后160度至200度的下止点附近范围内完成，第1及第3燃料喷射分别在设定成比下止点附近范围靠提前侧及滞后侧的范围内执行，并在上止点后90度至270度的范围内完成。

Description

直喷式内燃机
技术领域
本发明涉及具备向燃烧室内直接喷射燃料的喷射器的直喷式内燃机，尤其涉及利用喷射器在一个燃烧循环中进行三次燃料喷射的直喷式内燃机。
背景技术
在日本特开2007-177731号公报(特开‘731)中示出当处于高负载运转区域时在一个燃烧循环中进行三次由喷射器执行的燃料喷射的直喷式内燃机。具体而言，三次燃料喷射均在进气冲程中执行，第一次喷射在进气冲程开始上止点(以下仅称作“上止点”)后0至60度的范围内执行，第二次喷射在上止点后60度至140度的范围内执行，第三次喷射在上止点后140度至180度的范围内执行。
在进气冲程内供应一次燃料喷射所需要的所有燃料量的情况下，由于烟雾、未燃烧气体的増加量大，因此在特开‘731所示的直喷式内燃机中分为三次进行燃料喷射。但是，由于第一次喷射在进气冲程的前半段执行，在内燃机的温度低的状态(完成暖机前)下，灰烟(烟雾)的产生量比较多，要求进一步减少灰烟的产生量。
发明内容
本发明着眼于这一点，目的在于提供能进一步减少完成暖机前的灰烟的产生量的直喷式内燃机。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的，本发明提供一种直喷式内燃机，该直喷式内燃机具备向燃烧室1a内直接喷射燃料的喷射器6，当所述内燃机的温度TW在规定温度TWTH以下时，在所述内燃机的一个燃烧循环中执行第1燃料喷射INJ1、第2燃料喷射INJ2以及第3燃料喷射INJ3，在进气冲程开始的上止点之后160度至200度的下止点附近范围内完成所述第2燃料喷射INJ2，在设定成比所述下止点附近范围靠提前侧的范围内执行所述第1燃料喷射INJ1，在设定成比所述下止点附近范围靠滞后侧的范围内执行所述第3燃料喷射INJ3，在所述上止点之后90度至270度的范围内完成所述第1燃料喷射INJ1及第3燃料喷射INJ3。
能够使用例如内燃机的冷却水温度或润滑油温度作为表示内燃机的温度的参数。
根据该结构，在以下止点附近范围为中心的、从进气冲程的后半段至压缩冲程的前半段的范围内分三次执行燃料喷射，因此在内燃机的温度低的状态下，能够使燃烧室内的混合气的空燃比均匀度提高，确保燃烧稳定性，并且使喷射的燃料向活塞顶面附着的量减少，从而减少灰烟的产生量。
优选地，使得所述第1燃料喷射INJ1与所述第2燃料喷射INJ2之间的角度间隔、以及所述第2燃料喷射INJ2与所述第3燃料喷射INJ3之间的角度间隔随着所述内燃机的转速NE提高而増大。
根据该结构，内燃机转速越高，执行第1～第3燃料喷射的角度间隔越増大，因此能够在控制喷射器的控制装置的动作特性上的制约范围内尽可能在下止点附近完成燃料喷射。其结果是，能够抑制燃料向活塞顶面附着，减少灰烟的产生量。
优选地，在所述燃烧室1a与进气口2a之间具备进气门7，经由该进气门流入所述燃烧室内的进气导致所述燃烧室内生成滚流，所述喷射器6配置在所述进气门7的附近，以向所述燃烧室内的斜下方喷射燃料，所述内燃机的温度TW越高，所述第1～第3燃料喷射的执行正时越提前。
在燃烧室内生成滚流的内燃机中，在进气冲程后半段至压缩冲程前半段的范围内强烈产生滚流的上升气流，喷射的一部分燃料(特别是在第3燃料喷射中喷射的燃料)被上升气流上推，从而附着于喷射器的安装部附近的壁面的可能性高。另一方面，内燃机的温度上升时，附着于活塞顶面的燃料引起的灰烟的产生量减少。因此，内燃机的温度越高，使第1～第3燃料喷射的执行正时越提前，由此能够同时抑制附着在活塞顶面的燃料引起的灰烟的产生、及滚流导致燃料附着于壁面而引起的灰烟的产生。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的直喷式内燃机及其控制装置的结构的图。
图2是示意性示出图1所示的内燃机的一个气缸的结构的图。
图3是用于说明如何设定一个燃烧循环中的燃料喷射次数的图。
图4是用于说明执行三分段喷射的正时的图。
图5是用于说明执行三分段喷射的效果的图。
图6是示出在内燃机完成暖机后执行了三分段喷射的情况下的燃料喷射执行正时(CAI1st)与灰烟产生量(PM)之间的关系的图。
图7是示出喷射的燃料的最大到达距离(DSTMAX)与经喷射而雾化的燃料的直径(DF)之间的关系的图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
图1是示出本发明的一实施方式的直喷式内燃机(以下称作“发动机”)及其控制装置的结构的图，图2是示意性示出图1所示的发动机1的一个气缸的结构的图。发动机1中连接有进气通道2，在进气通道2的途中配置有节气门3。发动机1例如具有四气缸，各气缸中设有活塞9。从进气通道2分支的进气口2a向各气缸的燃烧室1a开口，在进气口2a与燃烧室1a之间设有进气门7。发动机1构成为：经由进气门7流入燃烧室1a内的进气使得燃烧室1a内生成滚流FA。
在发动机1的各气缸的进气门7的附近设有向燃烧室1a内直接喷射燃料的喷射器6，喷射器6配置成向燃烧室1a内的斜下方喷射燃料。喷射器6的动作由ECU 5控制。此外在发动机1的各气缸上安装有火花塞8，由ECU 5控制火花塞8的点火正时。
ECU 5上连接有：检测发动机1的吸入空气流量GAIR的吸入空气流量传感器21、检测进气温度TA的进气温度传感器22、检测节气门开度TH的节气门开度传感器23、进气压力PBA的进气压力传感器24、检测发动机冷却水温TW的冷却水温传感器25、以及未图示的其他传感器(例如被发动机1驱动的检测车辆的油门踏板操作量AP的油门传感器、车速传感器等)，这些传感器的检测信号被供应至ECU 5。
ECU 5上连接有检测发动机1的曲轴(未图示)的旋转角度的曲轴角位置传感器26，与曲轴的旋转角度相应的脉冲信号被供应至ECU 5。曲轴角位置传感器26输出表示曲轴角位置的多个脉冲信号，该脉冲信号用于燃料喷射正时、点火正时等各种时机控制、及发动机转速NE的检测。
排气通道10中设有用于废气净化的三元催化器11。在三元催化器11的上游侧且比与各气缸连通的废气歧管的集合部靠下游的一侧安装有比例式氧浓度传感器27(以下称作“LAF传感器27”)，该LAF传感器27输出与废气中的氧浓度(空燃比AF)几乎成正比的检测信号，并供应至ECU 5。
ECU 5由以下部分构成：具有对来自各种传感器的输入信号波形进行整形、将电压电平修正为规定的电平、将模拟信号值转换为数字信号值等功能的输入电路、中央运算处理单元(CPU)、存储该CPU所执行的各种运算程序及运算结果等的存储电路、将驱动信号供应至喷射器6、火花塞8等的输出电路等。
喷射器6的燃料喷射量是通过使用与由LAF传感器27检测的空燃比AF相应的空燃比校正系数KAF校正根据吸入空气流量GAIR计算出的基本燃料量来控制的。计算空燃比校正系数KAF，使得检测的空燃比AF与目标空燃比AFCMD一致。
图3是用于说明如何设定本实施方式的各气缸中的一个燃烧循环中的燃料喷射次数NINJ的图，示出由发动机转速NE及发动机负载参数LD定义的发动机运转区域。图3的(a)与发动机1完成暖机前且发动机冷却水温TW比规定温度TWTH(例如60℃度)低的发动机运转状态对应，图3的(b)与发动机1完成暖机后(TW≧75℃)的发动机运转状态对应。例如使用吸入空气流量GAIR或进气压力PBA作为发动机负载参数LD。
当发动机1的温度低时，在区域R3中燃料喷射次数NINJ设定为“3”，在区域R2内燃料喷射次数NINJ设定为“2”，在区域R1内燃料喷射次数NINJ设定为“1”。图3的(a)所示的区域R3是如下的低旋转高负载区域：发动机转速NE位于相当于怠速转速的第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围，并且发动机负载参数LD位于第2边界负载LD2以上且最大负载LDMAX以下的范围。区域R2由低旋转中负载区域和中旋转高负载区域构成，在所述低旋转中负载区域内，发动机转速NE位于在第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围，并且发动机负载参数LD位于在第1边界负载LD1以上且小于第2边界负载LD2的范围，在所述中旋转高负载区域内，发动机转速NE位于在第2转速NE2以上且第3转速NE3以下的范围，并且发动机负载参数LD位于在第1边界负载LD1以上且最大负载LDMAX以下的范围。区域R1由区域R2及R3以外的低负载区域及高旋转区域构成。图3所示的NEMAX为最大转速。
发动机1完成暖机后，在图3的(b)所示的区域R13、R12、及R11中，燃料喷射次数NINJ分别设定为“3”、“2”、及“1”。区域R13是如下的低旋转高负载区域：发动机转速NE位于在第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围，并且发动机负载参数LD位于在第4边界负载LD4以上且最大负载LDMAX以下的范围。区域R12是如下的中旋转中负载区域：发动机转速NE位于在第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围，并且发动机负载参数LD位于在第3边界负载LD3以上且小于第4边界负载LD4的范围。另外，第3及第4边界负载LD3、LD4设定成在从第4转速NE4至第5转速NE5的范围内逐渐増大。区域R11由区域R12及R13以外的低负载区域及中高旋转区域构成。
另外，各边界负载LD1～LD4设定成满足LD1<LD3、LD2<LD4的关系。
如图3的(a)所示，在本实施方式中，发动机1低温时(完成暖机前)，在低旋转高负载运转区域R3内执行将燃料喷射次数NINJ设为“3”的三分段喷射。如图4所示，使第2喷射INJ2在进气冲程开始上止点后曲轴角160度至200度的范围(以下的说明中角度范围均是曲轴角范围的意思)的进气冲程结束下止点附近范围(以下称作“下止点附近范围”)内完成，在设定成比下止点附近范围靠提前侧及滞后侧的范围内分别执行第1喷射及第3喷射，并在进气冲程开始上止点后90度至270度的范围内完成。另外，设定成比下止点附近范围靠提前侧，并且在相对于第2喷射INJ2的执行正时CAI2nd的提前侧30度至50度的范围内执行第1喷射INJ1，设定成比下止点附近范围靠滞后侧，并且在相对于第2喷射INJ2的执行正时CAI2nd的滞后侧30度至50度的范围内执行第3喷射INJ3。另外，图4所示的“ATDC”是“进气冲程开始上止点后”的意思。
此外第1～第3燃料喷射INJ1、INJ2、INJ3的各燃料喷射量设定成根据发动机1的运转状态计算的要求燃料量的1/3的值、即均等分配后的燃料量。
如上所述，参照图5，说明发动机1低温时在区域R3内执行三分段喷射的效果。图5中“○”表示执行燃料喷射次数NINJ为“1”的燃料喷射(以下称作“单一喷射”)时的数据，“■”表示执行上述三分段喷射时的数据。此外横轴的CAI1st表示单一喷射时的一次的燃料喷射执行正时，在三分段喷射时表示第1喷射INJ1的执行时刻。以下，三分段喷射的燃料喷射执行正时由“第1喷射正时CAI1st”代表。横轴的角度是进气冲程开始上止点后的角度。另外，图5及图6所示的三分段喷射的相关数据是在第1喷射正时CAI1st执行第1喷射INJ1、在第1喷射正时CAI1st的40度后执行第2喷射INJ2、在第2喷射INJ2的执行正时起40度后执行第3喷射INJ3而得的数据。
图5的(a)示出被发动机1驱动的车辆行驶一定距离时排出的灰烟的量(以下仅称作“灰烟量”)PM与燃料喷射执行正时之间的关系。根据该图可以确认，进气冲程中燃料喷射正时越滞后，灰烟量PM越减少，并且与单一喷射相比，三分段喷射的灰烟量PM较少。
图5的(b)示出图示平均有效压力IMEP的变动率(以下称作“燃烧变动率”)IMEPCR与燃料喷射执行正时之间的关系。根据该图可以确认，进气冲程中燃料喷射正时越滞后，燃烧变动率IMEPCR越増大，并且与单一喷射相比，三分段喷射的燃烧变动率IMEPCR较小。燃烧变动率IMEPCR较小意味着燃烧室1a内的混合气的空燃比均匀度比单一喷射提高，燃烧稳定性改善。
图5的(c)示出喷射的燃料的油稀释(润滑油的稀释)的程度(以下称作“油稀释程度”)DIL与燃料喷射执行正时的关系。根据该图可以确认，单一喷射中，在进气冲程中燃料喷射正时越滞后，油稀释程度DIL越显著増大，与此相对在三分段喷射中，油稀释程度DIL与单一喷射相比显著下降，并且即使改变燃料喷射执行正时，油稀释程度DIL也几乎不变化。
即，通过进行上述的三分段喷射，能够抑制燃烧变动率IMEPCR的増大及油稀释程度DIL的増大，并使灰烟量PM减少。
上述三分段喷射执行正时的角度范围是为了在发动机1完成暖机前(发动机1的冷却水温TW低于规定温度TWTH时)主要抑制灰烟量PM而设定的，在第1喷射INJ1的执行正时被设定成比90度靠提前侧的情况下、及在第3喷射INJ3的执行正时被设定成比270度靠滞后侧的情况下均为燃料向活塞顶面的附着量増加，灰烟量PM的抑制不充分。此外，优选三分段喷射的执行间隔尽可能缩短，但设定为30度至50度的间隔范围是基于与发动机转速NE对应的ECU 5的动作特性上的制约，在该间隔范围内，通过使喷射角度间隔随着发动机转速NE提高而増大，能够在ECU 5的动作特性上的制约范围内尽可能在下止点附近完成燃料喷射。其结果是能够抑制燃料向活塞顶面附着，减少灰烟量PM。此外在发动机1完成暖机后也同样地尽可能缩短分段喷射的执行间隔，由此能够在滚流FA的上升气流引起燃料发生上推前完成燃料喷射。
图6是示出发动机1完成暖机后在图3的(b)所示的区域R13内执行三分段喷射时的第1喷射正时CAI1st与灰烟量PM之间的关系的图，与图5的(a)的特性不同，当第1喷射正时CAI1st在上止点后80度左右时，灰烟量PM为最小。
根据本发明的发明人的研究，确认了这是因为发动机1的温度低时附着于活塞的顶面(划分燃烧室1a的面)的燃料为产生灰烟的主要因素，在活塞位于最远离喷射器6的位置、即下止点附近范围内执行燃料喷射，从而活塞顶面的燃料附着量减少，能够使灰烟量PM最小。另一方面确认，当暖机完成、发动机1的温度上升时，附着于活塞顶面的燃料引起的灰烟的产生量减少，燃烧室内产生的滚流的上升气流使得喷射的一部分燃料返回附着在喷射器6的附近，该附着燃料使得灰烟的产生量増加。因此，优选如图6的(b)所示那样，根据发动机1的温度、具体而言为检测的发动机冷却水温TW，使第1喷射正时CAI1st提前。发动机冷却水温TW越高，越使第1喷射正时CAI1st提前，由此使滚流的上升气流增强的压缩冲程的前半段的燃料喷射量减少，能够减少附着于喷射器6的附近的燃料量，抑制灰烟量PM。如图6的(a)所示那样，如果使第1喷射正时CAI1st比上止点后80度提前，则灰烟量PM増加，因此将完成暖机后的第1喷射正时CAI1st的下限值(提前临界值)设为80度。
图7示出在执行三分段喷射的情况下，喷射的燃料的最大到达距离DSTMAX与经喷射而雾化的燃料的直径(以下称作“粒径”)DF的关系。当供应至喷射器6的燃料的压力、即燃压PF为第1燃压PF1时，粒径DF为第1值DF1，如果将燃压PF设为第1燃压PF1的2倍、即第2燃压PF2，则最大到达距离DSTMAX几乎不变化，但粒径DF减小至第2值DF2(比第1值DF1小20％左右的值)。因此，通过提高燃压PF，能够进一步雾化喷射的燃料，并且提高燃烧稳定性，同时减少灰烟量PM。
如上所述在本实施方式中，在以下止点附近范围为中心的、从进气冲程的后半段至压缩冲程的前半段的范围内分三次执行燃料喷射，因此在发动机1的温度低的状态下，能够使燃烧室1a内的混合气的空燃比均匀度提高，确保燃烧稳定性，并且使喷射的燃料向活塞顶面附着的量减少，从而减少灰烟的产生量。
此外分成三次的燃料喷射的、以曲轴角表示的执行间隔被控制成发动机转速NE越高越増加，因此能够在控制喷射器6的ECU 5的动作特性上的制约范围内尽可能在下止点附近完成燃料喷射。其结果是，能够抑制燃料向活塞顶面附着，减少灰烟的产生量。此外在发动机1完成暖机后也同样地尽可能缩短分段喷射的执行间隔，由此能够在滚流FA的上升气流引起燃料发生上推前完成燃料喷射。
此外由于在发动机1中在燃烧室1a内生成比较强的滚流，因此在进气冲程后半段至压缩冲程前半段的范围内，强烈产生滚流的上升气流，喷射的一部分燃料(第3喷射INJ3中喷射的燃料)被上升气流上推，从而附着于喷射器6的安装部附近的壁面的可能性高。另一方面，发动机1的温度上升时，附着于活塞顶面的燃料引起的灰烟的产生量减少。因此，通过使第1～第3燃料喷射的执行正时与发动机1的温度的上升对应地提前，能够同时抑制附着在活塞顶面的燃料引起的灰烟的产生、及燃料附着于壁面而引起的灰烟的产生。
并且，本发明并不限于上述的实施方式，能够进行各种变形。例如，上述实施方式中示出四气缸的直喷式内燃机，但本发明无论气缸数多少均适用。

Claims (3)

1.一种直喷式内燃机，该直喷式内燃机具备向燃烧室内直接喷射燃料的喷射器，
当所述内燃机的温度在规定的温度以下时，在所述内燃机的一个燃烧循环中执行第1燃料喷射、第2燃料喷射以及第3燃料喷射，
在进气冲程开始的上止点之后160度至200度的下止点附近范围内完成所述第2燃料喷射，在设定成比所述下止点附近范围靠提前侧的范围内执行所述第1燃料喷射，在设定成比所述下止点附近范围靠滞后侧的范围内执行所述第3燃料喷射，在所述上止点之后90度至270度的范围内完成所述第1燃料喷射和所述第3燃料喷射。
2.根据权利要求1所述的直喷式内燃机，其中，
使得所述第1燃料喷射与所述第2燃料喷射之间的角度间隔以及所述第2燃料喷射与所述第3燃料喷射之间的角度间隔随着所述内燃机的转速提高而増大。
3.根据权利要求1或2所述的直喷式内燃机，其中，
在所述燃烧室与进气口之间具备进气门，经由该进气门流入所述燃烧室内的进气使得所述燃烧室内生成滚流，
所述喷射器以向所述燃烧室内的斜下方喷射燃料的方式被配置在所述进气门的附近，
所述内燃机的温度越高，所述第1燃料喷射、第2燃料喷射以及第3燃料喷射的执行正时就越提前。
CN201611191243.3A 2015-12-25 2016-12-21 直喷式内燃机 Active CN106996342B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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