CN107120202B - 直喷式内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供直喷式内燃机，具有向燃烧室内直接喷射燃料的喷射器，被构成为在燃烧室内生成滚流。能够执行以第1喷射方式和第2喷射方式进行的燃料喷射，所述第1喷射方式是在生成滚流之后完成由喷射器进行的燃料喷射的方式，所述第2喷射方式是在生成滚流之前完成由喷射器进行的燃料喷射的方式，在内燃机完成暖机之前执行以第1喷射方式进行的燃料喷射，在内燃机完成暖机之后执行以第2喷射方式进行的燃料喷射。

Description

直喷式内燃机
技术领域
本发明涉及具有向燃烧室内直接喷射燃料的喷射器的直喷式内燃机，尤其涉及构成为在燃烧室内生成滚流的直喷式内燃机。
背景技术
在日本特开2014－77421号公报(JP’421)中示出在进气冲程中进行分段燃料喷射的直喷式内燃机。记述了下述这样的技术内容：分段燃料喷射主要是以降低废气中的灰烟量(微粒状物质量)为目的而进行的，更具体来说，是进行使进气冲程中的分段喷射完成正时提前至暖机之后的控制、内燃机转速越快则使进气冲程中的最初的喷射正时越提前的控制(图4)、内燃机转速越增加则越减少分段次数的控制(图5)、以及在无法以单一喷射来喷射要求的燃料量时使燃压增大的控制等。
在构成为燃烧室内生成滚流的内燃机中，虽然在滚流的生成正时的前后燃料向燃烧室内壁和活塞顶面(划分燃烧室的活塞的上表面)附着的状态发生变化，但是，在JP’421所示的直喷式内燃机中没有考虑到这一点。
发明内容
本发明的目的在于提供直喷式内燃机，进行考虑到因滚流的生成而引起的燃料的附着的燃料喷射，在内燃机完成暖机前和完成暖机后均能够有效地降低废气中的灰烟量。
用于实现上述目的的本发明提供直喷式内燃机，该直喷式内燃机具有向燃烧室6a内直接喷射燃料的喷射器7，被构成为在所述燃烧室内生成滚流FA，所述直喷式内燃机能够执行以第1喷射方式和第2喷射方式进行的燃料喷射，其中，所述第1喷射方式是在生成所述滚流之后完成由所述喷射器7进行的燃料喷射的方式，所述第2喷射方式是在生成所述滚流之前完成由所述喷射器7进行的燃料喷射的方式，在所述内燃机完成暖机前执行以所述第1喷射方式进行的燃料喷射，所述在内燃机完成暖机后执行以所述第2喷射方式进行的燃料喷射。
根据该结构，在内燃机完成了暖机前执行以第1喷射方式进行的燃料喷射，在生成滚流之后完成由喷射器进行的燃料喷射，在完成暖机后执行以第2喷射方式进行的燃料喷射，在生成滚流前完成由喷射器进行的燃料喷射。在完成暖机前，燃料向活塞顶面的附着为产生灰烟的主要原因，因此，通过采用第1喷射方式，能够降低燃料向活塞顶面附着的附着量，能够有效地抑制灰烟的产生。此外，在完成暖机后，由于滚流导致的燃料向喷射器安装部附近的附着为产生灰烟的主要原因，因此，通过采用第2喷射方式，能够降低燃料向喷射器安装部附近附着的附着量，能够有效地抑制灰烟的产生。其结果是，在完成暖机前和完成暖机后均能有效地降低废气中含有的灰烟量。
优选的是，以所述第2喷射方式进行的燃料喷射是在所述内燃机完成暖机后在所述内燃机的转速NE较高的高旋转运转状态(NE≧NE2)下执行的。
根据该结构，在完成暖机后在内燃机的转速较高的高旋转运转状态下应用第2喷射方式。在高旋转运转状态下，滚流的强度(流速)提高，因此，通过应用第2喷射方式能够获得良好的降低灰烟量的效果。
优选的是，在以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间CA3DI内分为3次来执行以所述第1喷射方式进行的燃料喷射。
根据该结构，将以第1喷射方式进行的燃料喷射设置成在以活塞最远离喷射器的正时为中心的规定角度期间内分成3次的喷射来执行。通过设置为分成3次的喷射而使得所喷射的燃料的渗透性降低(最大到达距离减小)，进而，通过在以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间内执行喷射，能够抑制燃料向活塞顶面附着的附着量，能够获得良好的降低灰烟量的效果。此外，通过进行分成3次的喷射，能够使燃料与空气的混合状态均质化而提高燃烧稳定性。
优选的是，所述第1喷射方式中的对所述喷射器7供应的燃料的压力PF11被设定为低于所述第2喷射方式中的所述燃料的压力PF12。
根据该结构，由于第1喷射方式中的燃料压力被设定得低于第2喷射方式中的燃料压力，因此，能够有效地降低所喷射的燃料的渗透性，并且能够向低负载侧扩大可执行分成3次的喷射的发动机运转区域。
优选的是，所述第2喷射方式中的燃料喷射次数NINJ为1次。
根据该结构，第2喷射方式中的燃料喷射次数被设置成1次。由此，能够在生成滚流前可靠地完成燃料喷射，能够有效地降低燃料向喷射器安装部附近附着的附着量。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式的直喷式内燃机的结构的图。
图2是示意性地示出图1所示的内燃机的1个气缸的结构的图。
图3是示出进行图1所示的进行内燃机的控制的控制系统的结构的框图。
图4是用于说明如何设定本实施方式中的各气缸的1个燃烧循环中的燃料喷射次数NINJ的图。
图5是用于说明燃料喷射正时的图。
图6是用于说明执行分成3次的燃料喷射而带来的降低灰烟量的效果的图。
图7是示出作为喷射器的开阀时间的燃料喷射时间TI与所喷射的燃料的最大到达距离DSTMAX之间的关系的图。
图8是示出燃料压力PF与所喷射的燃料的初始速度VINI与粒径DF之间的关系的图。
图9是用于说明提高燃料压力PF、使燃料喷射结束正时CAIE提前所带来的降低灰烟量PM的效果的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1是示意性地示出本发明的一个实施方式的直喷式内燃机的结构的图，图2是示意性地示出图1所示的内燃机(以下称作“发动机”)1的1个气缸的结构的图。发动机1是具有4个气缸6且将燃料直接喷射至气缸6的燃烧室6a内的直喷式发动机，在各气缸6中设有喷射器7、火花塞8、进气门21、排气门22和活塞23。喷射器7以朝向斜下方喷射燃料的方式被配置在燃烧室1a内的进气门21附近。
发动机1具有进气通路2、排气通路10和涡轮增压器(增压器)12。进气通路2与调压箱4连接，调压箱4经由进气歧管5与各气缸6的燃烧室连接。在进气通路2中设有用于冷却被加压后的空气的中间冷却器3和节气门13，节气门13构成为能够被节气门致动器13a驱动。在调压箱4中设有检测进气压力PB的进气压力传感器31，在进气通路2中设有检测吸入空气流量GAIR的吸入空气流量传感器32。
涡轮增压器12具有:涡轮121，其设置于排气通路10中，通过废气的动能被进行旋转驱动；和压缩机123，其经由轴122与涡轮121联结。压缩机123设置于进气通路2中，进行被吸入到发动机1中的空气的加压(压缩)。
发动机1的各气缸6的燃烧室经由排气歧管9与排气通道10连接。绕过涡轮121的旁通路11与排气通道10连接，在旁通路11中设有排气泄压阀(以下称作“WG阀”)14，排气泄压阀14控制通过旁通路11的废气的流量。
发动机1构成为：通过经由进气口5a和进气门21流入到燃烧室6a内的进气而使得燃烧室1a内生成滚流FA。在由涡轮增压器12进行增压的运转状态下，滚流FA的强度(流速)增加。
图3是示出进行发动机1的控制的控制系统的结构的框图，电子控制单元(以下称作“ECU”)30除了与上述进气压力传感器31和吸入空气流量传感器32连接外，还与检测发动机1的曲轴的旋转角度(曲轴角)CA的曲轴角传感器33、检测由发动机1驱动的车辆的油门踏板(未图示)的踩下量(以下称作“油门踏板操作量”)AP的油门传感器34、检测发动机冷却水温TW的冷却水温传感器35、空燃比传感器36以及未图示的其它传感器连接，这些传感器的检测信号被提供给ECU 30。ECU 30的输出侧与喷射器7、火花塞8、节气门致动器13a和WG阀14连接。根据曲轴角传感器33的检测输出来进行燃料喷射正时、点火正时等的各种时机控制，并计算出发动机转速NE。
ECU 30根据发动机运转状态(主要是发动机转速NE和要求扭矩TRQD)来进行基于喷射器7的燃料喷射控制、基于火花塞8的点火控制、基于WG阀14的涡轮驱动控制、以及基于节气门13的吸入空气量控制。主要根据油门踏板操作量AP来计算要求扭矩TRQD，并且以使得油门踏板操作量AP越增加则要求扭矩TRQD越增加的方式来计算出要求扭矩TRQD。
通过下述方式来控制喷射器7的燃料喷射量QINJ：利用与由空燃比传感器36检测出的空燃比AF对应的空燃比校正系数KAF对根据吸入空气流量GAIR计算出的基本燃料量进行校正。以使得所检测出的空燃比AF与目标空燃比AFCMD一致的方式来计算空燃比校正系数KAF。
图4是用于说明在本实施方式中如何设定各气缸的1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和发动机负载参数LD定义的发动机运转区域。图4的(a)与发动机1完成暖机前的发动机冷却水温TW低于规定温度TWTH(例如60℃度)的发动机运转状态对应，图4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PB作为发动机负载参数LD。
当发动机1的温度较低时，在区域R3内，燃料喷射次数NINJ被设定成“3”，在区域R2内，燃料喷射次数NINJ被设定成“2”，在区域R1内，燃料喷射次数NINJ被设定成“1”。图4的(a)所示的区域R3为如下的低旋转高负载区域：发动机转速NE处于相当于怠速的第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围内，并且发动机负载参数LD处于第2边界负载LD2以上且最大负载LDMAX以下的范围内。区域R2由低旋转中负载区域和中旋转中高负载区域构成，其中，在所述低旋转中负载区域中，发动机转速NE处于第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围内，并且发动机负载参数LD处于第1边界负载LD1以上且小于第2边界负载LD2的范围内，在所述中旋转中高负载区域中，发动机转速NE处于第2转速NE2以上且第3转速NE3以下的范围内，并且发动机负载参数LD处于第1边界负载LD1以上且最大负载LDMAX以下的范围内。区域R1由除了区域R2和R3以外的低负载区域和高旋转区域构成。图4所示的NEMAX为最大转速，第2转速NE2例如被设定成最大转速NEMAX的大致1/2的转速。此外，第2边界负载LD2被设定成可执行分成3次的喷射的最小负载。
在发动机1完成暖机后，在图4的(b)所示的区域R13、R12和R11，燃料喷射次数NINJ分别被设定成“3”、“2”和“1”。区域R13为低旋转高负载区域，在该低旋转高负载区域中，发动机转速NE处于第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围内，并且发动机负载参数LD处于第4边界负载LD4以上且最大负载LDMAX以下的范围内。区域R12为中旋转中负载区域，在该中旋转中负载区域中，发动机转速NE处于第1转速NE1以上且低于第2转速NE2的范围内，并且发动机负载参数LD处于第3边界负载LD3以上且小于第4边界负载LD4的范围内。另外，第3和第4边界负载LD3、LD4被设定成在从第4转速NE4到第5转速NE5的范围内逐渐增加。区域R11由除了区域R12和R13以外的低负载区域和高旋转区域构成。
另外，各边界负载LD1～LD4被设定成满足LD1＜LD3、LD2＜LD4的关系。
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内执行以第1喷射方式进行的燃料喷射。即，如图5的(a)所示，在生成滚流后的以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间CA3DI内将所需的燃料喷射量QINJ进行3等分，执行3次燃料喷射(分成3次的喷射)INJ1、INJ2、INJ3。规定角度期间CA3DI是例如将被分成3次的燃料喷射的执行角度间隔DCA设定成可执行的最小的角度时的执行角度间隔DCA的2倍的角度期间，例如被设定成ATDC130～230度的角度期间。
在进气冲程结束下止点附近，虽然已经生成了滚流，但是，通过进行分成3次的燃料喷射，缩短了1次燃料喷射的时间，所喷射的燃料的渗透性降低(最大到达距离减小)，并且活塞23存在于最远离喷射器7的位置，因此，能够降低燃料向活塞23的顶面附着的附着量，能够降低废气中的灰烟量。此外，在进气冲程结束下止点附近，在1次喷射中喷射所需的燃料喷射量的全部时，虽然燃烧室内的空燃比分布的均质性降低，但是，通过进行分成3次的喷射，能够获得良好的均质性。另外，图5所示的“ATDC”是指“进气冲程开始上止点后”。
此外，在发动机1完成暖机后，在图4的(b)所示的区域R11中的第2转速NE2以上的高旋转区域内执行以第2喷射方式进行的燃料喷射。即，如图5的(b)所示，在生成滚流前的进气冲程的前半部分执行单一喷射，在该单一喷射中，通过1次燃料喷射INJ喷射所需的燃料喷射量QINJ。为了在生成滚流前可靠地完成燃料喷射，提高燃料被喷射时的初始速度是有效的。因此，在本实施方式中，在第2喷射方式中，被供应至喷射器7的燃料的压力(燃压)PF被设定得较高(例如20MPa左右)，另一方面，第1喷射方式中的燃压PF被设定成第2喷射方式中的燃压PF的1/4左右。通过降低燃压PF，能够有效地降低所喷射的燃料的渗透性，并且能够使可执行分成3次的喷射的发动机运转区域向低负载侧扩大。这是因为，由于无法使作为喷射器7的开阀时间的燃料喷射时间比根据喷射器7的规格决定的最小开阀时间短，因此，当燃压PF较高时，通过1次喷射所喷射的燃料量变大，无法执行分成3次的喷射(执行分成3次的喷射时，燃料喷射量变得过大)。
当完成暖机，发动机1的温度上升时，确认到：因附着于活塞顶面的燃料所引起的灰烟的产生量减少，由于燃烧室6a内产生的滚流FA的上升气流而导致所喷射的燃料的一部分返回喷射器7附近而附着，由于该附着燃料导致灰烟的产生量增加。因此，在本实施方式中，在滚流的流速提高的发动机1的高旋转运转状态下，在生成滚流前的进气冲程的前半部分通过执行单一喷射而降低了灰烟量PM。
图6是用于说明执行分成3次的喷射带来的灰烟量降低效果的图，该图所示的“○”表示执行了单一喷射的情况下的数据，“■”表示执行了上述分成3次的喷射的情况下的数据。图6的纵轴的PM表示废气中的灰烟量，灰烟量PM被定义成被发动机1驱动的车辆在行驶了一定距离时排出的灰烟量。此外，横轴的CAI1st表示单一喷射的情况下的其1次燃料喷射执行正时，在分成3的喷射的情况下，表示第1喷射INJ1的执行正时。横轴的角度为进气冲程开始上止点后的角度。另外，与图6所示的分成3次的喷射相关的数据是通过下述方式得到的数据：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的执行正时的40度后执行第3喷射INJ3。
根据图6可以确认：在进气冲程中，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，分成3次的喷射的灰烟量PM较少。
图7是示出作为喷射器7的开阀时间的燃料喷射时间TI与所喷射的燃料的最大到达距离DSTMAX之间的关系的图，细实线L1、虚线L2和粗实线L3分别与燃压PF为第1燃压PF1、第2燃压PF2和第3燃压PF3的情况对应。各燃压满足下述公式(1)的关系，第2燃压PF2为第1燃压PF1的3倍左右，第3燃压PF3为第1燃压PF1的5倍左右。
PF1＜PF2＜PF3(1)
如图7所示，即使燃压PF变化，最大到达距离DSTMAX也几乎不变化，燃料喷射时间TI越减少，最大到达距离DSTMAX越减少。根据该情况可以确认，在发动机1完成暖机前执行分成3次的喷射，缩短1次燃料喷射时间，由此能够缩短所喷射的燃料的最大到达距离DSTMAX(渗透性)，能够降低燃料向活塞顶面附着的附着量。
图8的(a)示出燃压PF与所喷射的燃料的初始速度VINI之间的关系，图8的(b)示出燃压PF与所喷射的燃料的粒径DF之间的关系。该图所示的燃压PF12与燃压PF11的2.5倍左右相当，与图7所示的第3燃压PF3相等。
根据图8的(a)可以确认：燃压PF越高，初始速度VINI越增加。该图所示的初始速度VINI2为初始速度VINI1的1.2倍左右。根据图8的(b)可以确认：燃压PF越高，粒径DF越减小。粒径DF2为粒径DF1的0.7倍左右。
如上所述，在本实施方式中，在发动机1完成暖机前，燃压PF被设定成较低的燃压PF11，在生成滚流FA后的以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间CA3DI内执行分成3次的喷射(以第1喷射方式进行的燃料喷射)，抑制燃料附着到活塞顶面，降低废气中的灰烟量PM。
此外，在发动机1完成暖机后的高旋转运转状态下，燃压PF被设定成较高的燃压PF12，在生成滚流FA前的进气冲程前半部分执行单一喷射(以第2喷射方式进行的燃料喷射)，抑制燃料向喷射器7的安装位置附近附着，降低废气中的灰烟量PM。通过提高燃压PF而使得所喷射的燃料的初始速度VINI增加，能够缩短燃料喷射时间，因此，在生成滚流FA前能够可靠地完成燃料喷射。当提高燃压PF时，最大到达距离DSTMAX几乎不增加，粒径DF减小，并且在完成暖机后，活塞的温度也上升，因此，因附着于活塞顶面的附着燃料所引起的灰烟的产生量与因燃料附着到喷射器7的安装位置附近所引起的灰烟产生量相比而成为可以忽视的程度。
图9是示出在完成暖机后的高旋转状态下提高燃压PF、使燃料喷射结束正时提前所带来的降低灰烟量PM的效果的图。在燃压PF被设定成图8所示的PF11且燃料喷射结束正时CAIE被设定成CAIE1(ATDC113度)的情况下的灰烟量为PM1，在燃压PF被设定成图8所示的PF12且燃料喷射结束正时CAIE被设定成CAIE2(ATDC90度)的情况下的灰烟量为PM2。灰烟量PM2为比灰烟量PM1小45％左右的值，能够获得降低灰烟量PM的效果。
如上所述，在本实施方式中，在发动机1完成暖机前执行以第1喷射方式进行的燃料喷射，在生成滚流FA后完成由喷射器7进行的燃料喷射，在完成了暖机后执行以第2喷射方式进行的燃料喷射，在生成滚流FA前完成由喷射器7进行的燃料喷射。在完成暖机前，燃料向活塞顶面的附着为产生灰烟的主要原因，因此，通过采用第1喷射方式能够降低燃料向活塞顶面附着的附着量，能够有效地抑制灰烟的产生。此外，在完成暖机后，由于滚流导致的燃料向喷射器7的安装部附近的附着为产生灰烟的主要原因，因此，通过采用第2喷射方式，能够降低燃料向喷射器安装部附近附着的附着量，能够有效地抑制灰烟的产生。其结果是，在完成暖机前和完成暖机后均能够有效地降低废气中含有的灰烟量。
更具体来说，在完成暖机后且发动机转速NE为图4所示的第2转速NE2以上的高旋转运转状态下采用第2喷射方式。发动机转速NE上升时，滚流的强度提高，因此，通过采用第2喷射方式，能够获得良好的降低灰烟量的效果。
此外，以第1喷射方式进行的燃料喷射被设置成在以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间CA3DI内、即以活塞23最远离喷射器7的正时为中心的期间内的分成3次的燃料喷射。通过设置成分次数的喷射而使得所喷射的燃料的渗透性降低(最大到达距离减小)，进而，通过在以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间CA3DI内执行喷射，能够抑制燃料向活塞顶面附着的附着量，能够获得良好的降低灰烟量的效果。此外，通过进行分成3次的喷射，能够使燃料与空气的混合状态均质化而提高燃烧稳定性。
此外，由于第1喷射方式中的燃压PF被设定得低于第2喷射方式中的燃压PF，因此，能够有效地降低所喷射的燃料的渗透性，并且能够扩大可执行分成3次的喷射的发动机运转区域。
此外，第2喷射方式中的燃料喷射次数NINJ被设置成1次。由此，能够在生成滚流前可靠地完成燃料喷射，能够有效地降低燃料向喷射器安装部附近附着的附着量。
另外，本发明不限于上述实施方式，能够进行各种变形。例如，图1示出了四缸发动机1，但是，本发明还可以与气缸的数量无关地进行应用。此外，具有增压器的发动机中的滚流FA的强度增高，因此，本发明被应用于带增压器的发动机时，能够获得显著的效果，但是，还可以应用于以生成较高强度的滚流的方式构成的无增压器的发动机。

Claims (8)

1.一种直喷式内燃机，该直喷式内燃机具有向燃烧室内直接喷射燃料的喷射器，被构成为通过经由进气口和进气门流入到燃烧室内的进气而在所述燃烧室内生成滚流，
所述直喷式内燃机能够执行以第1喷射方式或第2喷射方式进行的燃料喷射，其中，所述第1喷射方式是在生成所述滚流之后完成由所述喷射器进行的燃料喷射的方式，所述第2喷射方式是在生成所述滚流之前完成由所述喷射器进行的燃料喷射的方式，
在所述直喷式内燃机完成暖机之前执行以所述第1喷射方式进行的燃料喷射，在所述直喷式内燃机完成了暖机之后执行以所述第2喷射方式进行的燃料喷射。
2.根据权利要求1所述的直喷式内燃机，其中，
以所述第2喷射方式进行的燃料喷射是在所述直喷式内燃机完成暖机之后在所述直喷式内燃机的转速较高的高旋转运转状态下执行的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的直喷式内燃机，其中，
在以进气冲程结束下止点为中心的规定角度期间内分为3次来执行以所述第1喷射方式进行的燃料喷射。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的直喷式内燃机，其中，
所述第1喷射方式中的对所述喷射器供应的燃料的压力低于所述第2喷射方式中的所述燃料的压力。
5.根据权利要求3所述的直喷式内燃机，其中，
所述第1喷射方式中的对所述喷射器供应的燃料的压力低于所述第2喷射方式中的所述燃料的压力。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的直喷式内燃机，其中，
所述第2喷射方式中的燃料喷射次数为1次。
7.根据权利要求3所述的直喷式内燃机，其中，
所述第2喷射方式中的燃料喷射次数为1次。
8.根据权利要求4所述的直喷式内燃机，其中，
所述第2喷射方式中的燃料喷射次数为1次。
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