CN1085300C - 往复式活塞内燃机中的燃油喷射方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于把燃油喷入往复式活塞内燃机的燃烧室中的方法和装置，其特征在于，在每个单个喷射循环期间，燃油喷射被完全中断和恢复许多次，这样，部分燃油量被依次喷射多次，直到为一个喷射循环所提供的全部燃油量被喷射完为止。本方法特别适用于低速运转、自燃式往复活塞内燃机。

Description

往复式活塞内燃机中的燃油喷射方法
本发明涉及一种用于把燃油喷射到柴油机类型的往复式活塞内燃机的燃烧室中的燃油喷射方法。
一种用来把燃油喷入往复式活塞内燃机的燃烧室中的方法可从公开说明书WO94/18449中获知。在该方法中，喷嘴的针阀的位置通过一个致动器来调节。在一个喷射循环期间，该针阀连续地保持开启状态，并能使该针阀的位置以喷油量可调节的方式进行移动。该针阀的位置因而喷油量可以通过设置在致动器后面的一个控制装置以下述方式改变，使得可以实现初步喷射和随后的主喷射。这种已知方法的缺点在于喷油量只能在很小范围内随着时间而变化。
在美国专利US 5280773中公开了一种将燃料注射到空气压缩式自点火内燃机的燃烧室中的方法和设备，其通过引入随时间变化的燃料喷射量来时限更为均匀的混合物制备，并且能够随意控制射流的渗透深度和锥角以及频谱等参数。燃料喷嘴的计时被控制成通过改变开口持续时间与脉冲间隔的比例来确定喷射的燃料量，从而该比例具有线性等式(U＝U0+mt)的时间顺序。在该方法中，在每单个喷射循环器件中，燃油喷射被完全中断和恢复许多次，因而一部分燃油被依次喷射多次，直到用于一个喷射循环的全部燃油量被喷射完为止。然而，上述美国专利的不足之处在于并没有提高效率。
本发明的目的是提出一种改进的燃料喷射方法，从而能够获得更高的效率以及更低的燃油消耗。
更具体地说，该目的可以通过一种用于把燃油喷射到柴油机类型的往复式活塞内燃机的燃烧室中去的方法来达到，其中在每个单个喷射循环期间，该燃油喷射被完全中断和恢复许多次，因而通过该喷射方法，部分量的燃油以增多的燃油量将被依次地喷射多次，直到用于该喷射循环的全部燃油量被喷射完为止。在一个喷射循环期间，该燃油喷射是根据脉冲宽度调制(PWM)或者脉冲幅度调制(PAM)来调节的，其特征在于：出现在一部分燃油喷射之间的中断的持续时间保持恒定。本方法特别适用于柴油机类型的往复式活塞内燃机，特别是适用于低速运转的柴油机。
以下，术语喷射循环是用来表示以下列方式把燃油喷射到气缸的气缸空间中去的程序，使得单个燃烧循环所需要的全部燃油量被喷射完。本发明方法特别适用于柴油机类型的自燃、低速运转的往复式活塞内燃机。在每个完整的燃烧过程以后，该喷射循环重新开始。在每个喷射和燃烧循环期间，燃油按照本发明方法以下述方式进行喷射，使燃油供应中断多次并且燃油量以多个部分喷射。该方法可在两冲程循环往复式活塞内燃机或者四冲程循环往复式活室内燃机的每个单个喷射和燃烧循环中进行。本发明方法的优点可以从下列事实中看出，即从气缸空间中燃烧所产生的放热量可以分别通过使各个喷油量随时间变化或者随曲柄角变化而得到调节。该燃油喷射通过脉冲宽度调制方式进行调节，其中燃油喷射的持续时间可以借助于一个控制装置进行调节。这对于在一个喷射循环期间待喷射的燃油和对于随后要中断喷射3-5次的燃油供应来说是有利的。在一个有利的工作程序中，燃油供应以下列方式进行调节，使得在燃烧室中的放热量随着曲柄角ω近似线性地增加。这种放热量增加的优点是它能以较低的燃油消耗产生较高的效率。
下面本发明将就几个典型的实施例进行说明，附图中示出的是：
图1一个示出喷嘴和气缸的喷射装置；
图2一个喷射装置；
图3一个随曲柄角而变化的燃油喷射实例；
图4一个随曲柄角而变化的燃烧室中的理想的放热量实例。
图1中示出了根据柴油机原理工作的多缸(未示出)、低速转动、两冲程循环往复式活塞内燃机的一个缸44，工作活塞45可在该缸中向上和向下运动并受到导向。工作活塞45与位于气缸44上的气缸盖46一起限定了燃烧室43，液体燃料通过第一喷嘴1a和第二喷嘴1b喷入该燃烧室中。一个未示出的排气阀以这样的方式设置在气缸盖46的中央，以便在工作活塞45开始向上运动时在气缸44内发生纵向排气。具有已知结构型式的第一喷嘴1a以及第二喷嘴1b中的每个都具有一个油量控制针阀7，该针阀在闭合弹簧8的作用下压紧在针阀座表面1′上。一个盲孔设置在该喷嘴壳体中针阀座表面1′的下面，喷射孔2从该盲孔伸出并且通到燃烧室43。在喷嘴壳体中针阀座表面1′的上方设置有压力腔10，该压力腔通过压力管路9a、9b与喷射装置40a、40b相连通。在喷嘴1a、1b的喷射阶段期间，通过管路9a、9b所提供给压力腔10的燃油压力是这样大以致克服了弹簧8的压力并将油量控制针阀7顶离针阀座表面1′，从而使燃油通过喷射孔2进入燃烧室43中。管路42连接在喷嘴1a、1b的壳体上，用来运走泄漏燃油。喷射装置40a、40b的工作方式应使燃油喷射的开始和结束都能通过电控制线路41a、41b来驱动。喷射装置40a、40b还能以另一种方式工作，使得待喷射的燃油量能够通过电控制线路46a、46b来调节。喷射装置40a、40b分别与相应的燃油供应管路47a、47b相连接。控制装置50通过控制线路41a、41b以及通过可能存在的另外的控制线路46a、46b来控制喷射装置40a、40b并由此控制阀1a、1b的开启和关闭。控制装置50通过信号线路50b与检测该往复式活塞内燃机的曲轴53的转动角ω的传感器53相连接。此外，控制装置50还通过信号线路50a与输入/输出装置51相连接，通过该装置可以设定控制值并且显示状态值。控制装置50可以与用来测定状态参数的另外一些未示出的传感器相连接。由于在喷射循环期间，喷射装置40a、40b随着由控制装置50提供的调节信号可使燃油喷射中断和恢复许多次，因而喷射装置40a、40b具有很高的动态特性。两个喷嘴1a、1b可以由控制装置50按时间以及随瞬时位移或随相对于曲柄角的角位移同步驱动。
图2示出了喷射装置40a的一个实施例的部分剖开的示意图，该装置由来自高压泵80和蓄油器81的燃油所充满。燃油的输入通道67分支成通向计量活塞70(它起一个差动活塞的作用)的后侧的通道68和主通道69，通过该主通道，燃油可以经过控制活塞100的环槽141通向输入通道段123。当致动液压控制系统90(它具有压力作用下的进油路和回油路)控制阀91时，活塞100的端面143向下运动。先导控制阀从电子控制设备50接受其信号，以保证燃油喷射程序能够以正确的时刻和正确的数量进行。因此例如来自位于曲轴3的传感器52的角度信号通过电气接线50b传送给控制装置50。信号发生器73(例如它是靠电感应工作的)通过检测轴74的位置把计量活塞70的位置信号传送给控制装置50。由此就可能规定和改变每个喷射过程中的燃油喷射量。
当控制活塞100向下运动时，在主通道69与输入通道段123之间的联系首先被中断。之后输出通道124就通过控制活塞100中的环槽142与喷射通道9a相连通，而该喷射通道通向内燃机的气缸44的喷嘴1a。计量活塞70由于燃油经过通道68作用在该计量活塞的后侧72上的压力而运动。燃油就喷入气缸空间43中。如果该先导阀91处于关闭位置并且控制油的回路处于打开位置，则控制活塞100将由于作用在其端面144上的燃油压力以及通过弹簧力被向上推动。此时对通道9a的燃油供应被中断，因而燃油喷射也被中止。在喷射循环期间，这个过程可以重复许多次。在图2中，只示出了第二喷嘴1b通向燃烧室43的情况。喷嘴1b从另一个与喷油装置40a相同的喷油装置40b(未示出)中供应燃油。
在控制活塞100处，例如有5个密封件将高压作用下的燃油不间断地封住。最重要的密封位置即通向喷嘴1a的位置处被作成一个阀座145，因此管路9a在各个喷射过程之间不被加压。在关闭状态下阀座145被紧密地封住。通过该装置可以防止发生不受控制的喷射。在其他的密封件146处，控制活塞100使用了精密配合，并且考虑到燃油的小泄漏流量的存在，该泄漏流量通过回油通道127返回燃油箱。
图3示出了一个喷射循环期间的一个喷射过程。该往复式活塞内燃机的曲柄角ω由横坐标代表。曲线201表示喷油量随曲柄角ω的变化情况，为了便于理解，曲线201的形状理想化了。实际上，由于燃油喷射装置和流动着的燃油的惯性，曲线201不会具有直角的形状，而是在前后曲折点处显示出过渡振荡特性。专家认识到，矩形波，尤其是通过脉冲宽度调制所调制出来的信号，在曲折点的部分将显示出一种振荡特性。燃油以这样的方式喷射，使得燃油在与阶段201a的宽度相对应的曲柄角范围内的第一阶段201a期间喷入气缸空间43中，然后燃油供应完全中断，直到燃油在相位201b开始时重新喷射为止，以后喷射又依次中断。在此以后，在第三阶段201c处，喷射过程终止。在所示的例子中，曲柄每转一度的喷油量保持常数，使燃油在一个曲柄角总计为20°范围内分3个阶段201a、201b、201c喷射。阶段201a、201b、201c的宽度是经过调制的，而在各个阶段之间的中断长度相对于曲柄角是一个恒定值。另外，图3中示出了随曲柄角ω变化的在气缸空间中产生的放热量202。在第一次喷射阶段201a期间，燃油已在气缸空间中被点火，从而产生了一个与曲线202a相对应的放热量，在中断燃油喷射以后，接着是与曲线202b相对应的放热量。随后的喷射阶段201b产生了一个与曲线段202c和202d相对应的放热量。最后的喷射阶段201c产生了一个与曲线段202c和202f相对应的放热量。从喷油量201的形状与放热量202的形状的配合情况可以清楚看出，放热量202的形状可以在很大范围内受到相应地调节喷油量201的影响。
在柴油机类型的往复式活塞内燃机中通过等压燃烧可以获得理想效率。图4示出了一条随曲柄角ω变化的等压放热量曲线203。在实际的往复式活塞内燃机中，这样理想化的放热量形状是不可能实现的。但是，根据本发明的喷射程序，可以使该形状近似地获得，如从图3中所示的放热量曲线202可明显看到的。该放热量202的形状相当于一个具有叠置的锯齿形组元的近似三角形。为了弄平这些叠置的组元，可以把喷射阶段201a、201b、201c的数目增加，使得在曲枘角20°的整个范围内完成例如5次单独的喷射。这样就可导致放热量202形状波纹的减小。
在一个有利的方法程序中，燃油以下列方式供应，使所喷射燃油的50％在总喷射持续时间的最初的66％时间内喷射。
当然，喷油量也可以以下列方式调节，使得各个喷射阶段201a、201b、201c按它们的宽度调制。这种调制方式被称为脉冲宽度调制(PWM)。此外，还可以用脉冲幅度调制(PAM)方式对喷油量进行调制，在该方式中，喷油量201的幅度不再保持如图3中所示那样不变，而是通过喷射装置40a、40b进行调制。此外，喷油量201还可以以下列方式进行调节，使得脉冲的宽度和高度两者都受到调制，这意味着综合使用了脉冲宽度调制(PWM)和脉冲幅度调制(PAM)。

Claims (6)

1.一种用于把燃油喷射到柴油机类型的往复式活塞内燃机的燃烧室中的方法，在每个单个喷射循环期间，该燃油喷射被完全中断和恢复许多次，因而用这种方法一部分燃油以增多的燃油量被依次喷射多次，直到用于一个喷射循环的全部燃油量被喷射完为止，在一个喷射循环期间，该燃油喷射是根据脉冲宽度调制(PWM)或者脉冲幅度调制(PAM)来调节的，其特征在于：出现在一部分燃油喷射之间的中断的持续时间保持恒定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该往复式活塞内燃机的曲轴(53)的转角ω用控制装置(50)进行测量；并且该控制装置(50)以下列方式控制喷射装置(40a、40b)，使得在每个单个喷射循环期间，所喷射的燃油量可以作为曲柄角ω的函数而预先规定。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：该燃油喷射量以下列方式随曲柄角ω而变，使得在一个燃烧循环期间在燃烧室中发生随曲柄角ω变化而近似线性增加的放热量。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：在一个喷射循环期间，燃油至少依次地喷射3次。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所需喷射的燃油的50％在喷射的总持续时间的最初的66％时间内喷射。
6.按照如权利要求1-6中任一项所述方法运转的柴油机。
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