CN1800604A - 内燃机及其控制 - Google Patents

内燃机及其控制 Download PDF

Info

Publication number
CN1800604A
CN1800604A CNA2005101269105A CN200510126910A CN1800604A CN 1800604 A CN1800604 A CN 1800604A CN A2005101269105 A CNA2005101269105 A CN A2005101269105A CN 200510126910 A CN200510126910 A CN 200510126910A CN 1800604 A CN1800604 A CN 1800604A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
combustion
internal
combustion engine
firing chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2005101269105A
Other languages
English (en)
Inventor
杰弗里·P·卡斯卡特
克里斯琴·C·萨维尔
唐纳德·A·雷尔顿
约翰·R·麦克格雷斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orbital Engine Co Pty Ltd
Original Assignee
Orbital Engine Co Pty Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Orbital Engine Co Pty Ltd filed Critical Orbital Engine Co Pty Ltd
Publication of CN1800604A publication Critical patent/CN1800604A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B17/00—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
    • F02B17/005—Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders having direct injection in the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B2023/106—Tumble flow, i.e. the axis of rotation of the main charge flow motion is horizontal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/12—Other methods of operation
    • F02B2075/125—Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/244—Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245—Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Ignition Timing (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

一种内燃机，该内燃机包括至少一个具有往复运动活塞的气缸，从而使所述内燃机具有至少一个燃烧室，所述燃烧室还包括传送喷射器，用于将燃料直接喷射到所述燃烧室内，所述内燃机还包括至少一个带阀的空气进入管，用于将燃烧空气传送到所述燃烧室内，其中至少所述空气进入管和/或它的阀设置成为所述至少一个燃烧室提供低纵滚流进入口，所述燃烧室在使用时具有所述燃烧空气的缸内低纵滚流气体运动；其中所述燃烧空气的缸内低纵滚流气体运动减小了燃料在所述燃烧室的尾气区域的过度变稀。

Description

内燃机及其控制
本申请是申请人于申请日2001年3月6日提交的、申请号为01807292.5、发明名称为“内燃机及其控制”的申请的分案申请。
                        发明领域
本发明涉及使用直接缸内喷射(DI)燃料喷射系统(direct in-cylinderfuel injection system)的火花点火内燃机，尤其是涉及喷射导向系统(spary guided system)和双流体喷射系统(dual fluid injection system)，它们通常被称为空气辅助喷射(AADI)系统，本发明还涉及该内燃机的控制，尤其是涉及使用AADI汽油燃料喷射系统的四冲程内燃机。
                        发明背景
由于在功率密度和成本方面几乎不会使目前的汽车汽油发动机受到损失，还具有减少燃料消耗的潜力，所以直喷汽油发动机技术变得日益普及。为了更好地理解下面所述的本发明，适当介绍一些关于不同类型的燃料燃料喷射和燃烧系统的背景技术。
在普通燃料喷射发动机中，为了使燃料汽化，将燃料喷入紧接在燃烧室进气门后面的进气歧管内，与普通燃料喷射(FI)发动机(也称为歧管喷射或PFI发动机)相比较而言，直喷(DI)发动机使用直接喷射到发动机气缸(即燃烧室)内的燃料。
“高压直喷”(HPDI)燃料系统一般是那些在高压下(通常50至120巴)喷射单一燃料的系统。这些系统与所谓的“空气(或气体)辅助直喷”(AADI)燃料系统不同，在该“空气(或气体)辅助直喷”系统中，燃料通过计量进入一般为恒压的传送喷射器的混合室中，以便与空气混合。然后，该“双流体”以较低压力(通常6至8巴)喷入气缸燃烧室中。
通常，对于DI发动机，燃料喷射或传送装置穿过气缸盖而穿透到燃烧室中。具有穿过气缸盖而穿透到燃烧室中，并且燃料传送方向相对于燃烧室轴线为大致为轴向的喷射装置的发动机，可以称为中央直喷发动机(central direct injection engine)。具有为了使燃料流沿着大致径向方向传送，而从侧部透入燃烧室的喷射系统的发动机通常称为侧面直喷发动机。
燃烧室中的燃料喷射器出口相对于燃料点火源(例如，火花塞)的位置，以及所用的燃料喷射系统的类型，HPDI或AADI，都会影响对特定进气传送机构的选择，以便确保燃料与通过进入口供入的燃烧空气恰当混合，以及燃料-空气混合物在燃烧室内的点火。
附图1以高度简化和示意的方式，示出了在四冲程内燃汽油发动机5的气缸中的三种不同进气(即，燃料或燃料-空气混合物)引导(chargeguidance)机构，其中气缸(气缸盖和缸体)用附图标记10来表示。在15处的往复运动活塞界定了内部燃烧室20。为了清楚起见，图1中省略了进口阀和出口阀，但是对于四阀气缸盖的类型来说，该进口阀和出口阀在气缸盖10内的相对设置，以及它们从燃烧室20看时的位置都是公知的，并在图6中示出。应当注意到，火花塞30设置成使得点火间隙靠近气缸10的中心轴线。在不同位置的直接燃料喷射器，即在中央或侧面喷射发动机装置中，都是由25来表示。
在“喷雾引导(spray guided)”(直喷)燃烧系统中，喷射器通常设置成将燃料喷雾引向火花塞间隙，从而对将燃料传送给火花塞间隙的辅助机构的依赖减至最小。在图1中，该系统装置就属于中心喷雾引导类型。另一方面，所谓的“壁引导(wall guided)”燃烧系统设置用于通过辅助机构，例如喷射的燃料与活塞的碗状部分和/或气缸内的空气运动相互作用，将喷射的燃料传送到火花塞间隙。在所谓的“进气运动或空气引导”系统中，从进入口进入燃烧室的空气的运动，通常用于通过涡旋和/或翻滚运动来实现将燃料向点火区域的所述传送。
进气引导和壁引导传送方法都导致燃料有较长的准备时间，以便产生汽化进气。与AADI喷射系统相比，这是单流体喷射系统的通常情况。由于在HPDI系统中喷射流体只是燃料，而且需要在气缸内产生燃料-空气“云”，即汽化的进气，所以该较长的准备时间也是特别重要的。
现代汽油直喷发动机通常试图在燃烧室内产生不均匀的燃料分布。该不均匀分布通常称为分层进气，其意思是在某些负载情况期间，在燃烧室的一个区域中的燃料浓度通常比燃烧室其它区域更大。适于这样工作的发动机通常也称为分层进气发动机。分层进气发动机理论上不存在均质进气发动机的空气燃料比限制(例如，歧管喷射发动机就是典型的均质进气发动机)，在该均质进气发动机中，其目的是在所有负载状态下点火之前，在整个燃烧室中获得空气和燃料的均匀混合物。相反，典型的分层进气发动机在低速和低负载状态下以分层进气方式工作，而在高速和较高负载状态下以均质进气方式工作。
为了在带有中心喷射燃料传送系统的发动机中产生分层进气，喷射装置通常将燃料喷射到燃烧室中的时间在燃烧循环中设定得迟于需要产生均质进气时的喷射时间。通过在循环中更晚进行喷射，燃料喷雾只有有限的时间在燃烧室中与吸入空气相混合，从而导致空气和燃料的分层进气。另一方面，通过在燃烧循环中相对较早地进行喷射，可以产生均质进气，从而由喷射装置所喷射的燃料喷雾有足够的时间与吸入空气混合，因而在燃烧室中形成空气和燃料(即，汽化燃料)的均匀混合物。
如上所述，直喷(DI)发动机的附属设备包括“喷雾引导”直喷燃料燃烧系统。在该发动机中，喷射装置出口设置成使得燃料喷雾流出，从而透入到燃烧室中靠近燃料点火装置处，该点火装置通常为火花塞。喷雾引导直喷燃料燃烧系统可以是中央喷射类型。因此，当中心喷射喷雾引导发动机产生分层进气时，随着从位于中心的喷射装置喷出的喷雾经过点火装置，该分层进气通常可以由点火装置点燃。通常，点火的时间定在喷雾喷射的尾段，从而发生燃烧时，喷射装置的出口关闭。也就是，如通常在“壁引导”和“进气运动/空气引导”系统中的情况那样，喷雾引导系统并不会利用辅助装置将燃料喷雾从喷射装置传送给点火装置。因此，点火在由喷射装置停止传送燃料喷雾之后立刻进行。不过，与喷雾引导系统的单流体装置相关的两个主要问题是，火花塞的使用寿命和不合理的空气/燃料比梯度，该空气/燃料比梯度会导致燃烧稳定性较差。使用AADI燃烧系统可以大大避免这些缺陷，该AADI燃烧系统能够用于喷雾引导系统。不过，即使采用AADI喷雾引导系统，在发动机出气中所表现出的排放水平还是说明喷雾引导系统仍然可能使燃料中的烃产生不完全和/或部分燃烧。因此，随着排放规定的日益严格，还是需要减小发动机外排放，以避免采用昂贵或不经济的催化剂方法。这也是对通过改进燃烧来提高燃料经济性的需求。
通常，分层进气发动机的燃料消耗要优于均质进气发动机。不过，由于当把整个燃烧室作为整体来考虑时，分层进气具有变稀(lean)空气燃料比，所以在发动机的各个工作点通常会发现，分层进气发动机喷出的氧化氮(NOx)排放水平要高于类似的均质进气发动机。因此，喷雾引导直喷燃料系统以分层方式工作，还具有进一步降低发动机外排放的潜力。
分层进气发动机通常在称为“喷油优先(fuel-led)”的控制策略下工作，在该控制策略中，传送到燃烧室的燃料量与由进气歧管传送到燃烧室的空气量无关。这就使得发动机的扭矩和负载直接与传送给发动机的燃料量成比例。相反，在普通均质进气发动机中，能够传送到发动机的燃料量由节气门角度来控制，因此由流向燃烧室的空气来控制。因此，这种控制策略方法被称为“空气优先”控制策略。
通常，“燃料优先”控制策略向燃烧室提供足够的燃料，从而从总体来看，该燃烧室具有变稀的空气和燃料混合物。然而，随着燃料定位在燃烧室的特定区域中，该区域通常可以自身点火，因此，与在均质进气发动机中过度变稀的空气燃料混合物的点火和燃烧相关的某些问题，或者可以减小，尽管并不很显著，或者消除。
考虑到多种影响高效燃烧的变量和上述喷射和燃烧系统的不同类型，尽管它们在发动机工作/负载的某些方面具有显著的优点，但是仍然难以对系统作出选择。相对于HPDI和AADI系统，继续对壁或进气运动引导系统，以及喷射或喷雾引导系统进行研究。例如Niefer.HG等的“TheDI Gasoline Engine：Quo Vadis-where Does the road lead？”、ViennaMotor Symposium，1999，以及Fraidl，GK等的“Gasoline DirectInjection-The Low Fuel Consumption for EURO4”，Vienna MotorSymposium，1993等近期研究都认为喷雾引导燃烧系统可能是直喷汽车汽油发动机中最有潜力的。不过，出于同样原因，后两篇文献已经确定了关于排放控制的某些领域，如上所述。通过简单地交叉引用，这两篇文献被本文参引。
本发明已经考虑到进一步改进直喷式火花点火内燃机的要求，尤其是具有提升阀类型的进口阀和出口阀的汽油四冲程发动机，该汽油四冲程发动机采用喷雾引导燃料喷射系统，特别是AADI喷雾引导燃料喷射系统。本发明尤其涉及这样的机构，该机构能够影响分层进气在喷雾引导燃烧系统的气缸燃烧室中的运动和/或容积，从而间接影响四冲程的火花点火分层工作的发动机的燃料消耗和排放水平。
                        发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种内燃机，它包括至少一个具有往复运动活塞的气缸，从而使所述内燃机具有至少一个燃烧室，所述燃烧室还包括传送喷射器，用于直接将燃料喷射到所述燃烧室内，所述内燃机还包括至少一个带阀的空气进入管，用于将燃烧空气传送到所述燃烧室中，其中至少所述空气进入管和/或它的气门设置成，为所述至少一个燃烧室提供低纵滚流进入口，所述燃烧室在使用时，具有所述燃烧空气的缸内低纵滚流气体运动；所述燃烧空气的所述缸内低纵滚流气体运动，减小了所述燃烧室的尾气区域中燃料的过度变稀。
优选地是，在进入口终止的空气进入管设置成，在紧接着提升阀头部之后产生一种气流圈(air flow pattern)，借此在燃烧室中产生所述低纵滚流气体运动，该提升阀能够可选择地关闭所述孔。
优选地是，所述空气进入管设置成，在紧靠进入口阀座的上游附近，避免形成小曲率半径的空气进入管，否则的话将有助于在从所述进入口送入燃烧室的燃烧室空气中产生气流矢量，该气流矢量将引起所述燃烧室内的纵滚流气体运动。人们相信，在往复运动型发动机中，相对于气缸轴线基本成径向方向的气流矢量，将明显有助于使气缸内的气流产生这样的纵滚流。经过阀座进入燃烧室的气流将受到影响，以致于在经过提升阀头部的背面后产生更均匀分布的轴向气流，该提升阀头部调节流过进入口的气流。
进气的这种低缸内运动将获得静态气缸或静态燃烧室。
优选地是，该燃料喷射器设置为喷雾引导、中心喷射的直接燃料喷射器。
有利的是，所述燃料传送喷射器适用于将夹带于气体中的燃料传送到燃烧室中，例如气体辅助直喷燃料传送系统。夹带在所述气体中的燃料在所述燃烧室中为分层的混合物。因此，发动机设置成通过空气辅助类型的喷雾引导直喷燃料燃料传送系统工作。
由于该低缸内运动减小了夹带于喷射空气中的燃料分层进气和吸入空气之间的混合程度，所以进气的低缸内运动尤其适合于四冲程内燃机的分层工作。燃料与吸入空气之间的混合可能使得燃烧室内区域中的燃料过于变稀，以至于不能点燃，导致更高的烃排放。
用这种方式，采用本发明的发动机可以获得比现有技术更低的排放和更好的燃烧稳定性。
还惊奇地发现，与由H.G.Niefer等和H.Enres等提出的前述模式相背离，该模型在内燃火花点火发动机中设置有“低纵滚流”进入口/进入口管道装置，该火花点火内燃机使用喷雾引导的、中央喷射型的直接缸内燃料喷射系统，该“低纵滚流”进入口/进入口管道装置比“高”纵滚流进入口装置具有显著的优点。而且，本发明的燃烧能够采用相对延迟的点火时间窗口，这会提高燃烧过程的热效率(即，燃料消耗更少)，并可能降低排放水平。
因此，本发明发现了在具有喷雾引导、中心直喷燃料传送系统的所谓分层进气发动机中的优选使用方法，该发动机有从发动机进气歧管通向燃烧室的“低纵滚流进入口”。
“纵滚流”是对IC发动机的气缸内的进气旋转速度的一种量度，并用该旋转速度与平均气缸空气速度之比来表示。这里所用的参数纵滚流比是根据Endres.H.等的“Influence of Swirl and Tumble on Economy andEmissions of Multi Valve SI Engines”，SAE Technical Series PaperNo.920516中所述的方法测量的。
已经发现，纵滚流比小于2.0的“低纵滚流”特别有利于减小通过AADI以中央喷雾引导模式喷射的分层进气的过度变稀。根据上下文的纵滚流比，必须把词语“低纵滚流”在此提及，纵滚流比是例如Ford“Zetec”发动机之类的先进PFI发动机的典型产物。在后一种情况下，在该发动机中，进气门升高9mm时所测得的最大纵滚流比在3和4之间。当与采用壁引导、直喷燃料燃料传送系统的产品和原型发动机比较时，PFI发动机的这些值也可称为“低”，在该原型发动机中，所测得的纵滚流比超过4.0。
根据本发明，向发动机气缸供给进气空气的进气歧管管路和/或进气门座，最好设计成在进入口阀的整个升高范围内都保证缸内纵滚流比为大约2.0或更小。与纵滚流比为大约4.0或更大的对比标准发动机相比，这样的纵滚流比应当使发动机喷射器组合在燃料消耗和Nox值的降低方面获得明显改进。
根据气缸盖的几何形状限制，例如可用于改变在进入口/阀座附近的空气进入管弯曲半径的空间，以及发动机在高负载下工作时的其它限制，优选的是在整个气门升程范围内，该低纵滚流进入口的平均纵滚流比小于1.50，更为优选的是，在进气气门升程的主要部分上为大约1.0。
如前所述，本发明的优选实施方式在于，发动机具有与喷雾引导、分层进气的直接燃料喷射器相结合的低纵滚流进入口结构，因为这种组合至少在分层条件下能够改变点火正时，所以与具有高纵滚流进入口的相同发动机结构相比，它可以在压缩冲程中“更早”进行点火，即以到达上死点前(BTDC)的减小(曲轴的)角度进行。
已经发现，尽管在400RPM至3600RPM的发动机速度范围内，点火正时的通常范围是10°至35°BTDC，但是分层进气、中心喷射且喷雾引导的发动机可以在发动机负载和速度整个范围中，以点火正时在5°至40°BTDC范围内的方式工作。还发现，10°至35°BTDC的点火正时也可用于1巴IMEP至6巴IMEP(此处，IMEP用于表示平均有效压力)的发动机负载范围。备选实施例可以在发动机速度为400RPM至3600RPM，负载为1巴IMEP至6巴IMEP的整个范围中，采用10°至35°BTDC的点火正时。
在本发明的第二方面中，提供一种内燃机，该内燃机包括至少一个燃烧室，该燃烧室有：一进入口，该进入口有相应的进气门，用于使燃烧空气大致沿第一轴线进入所述燃烧室；一点火装置；以及至少一个燃料传送装置，该燃料传送装置沿大致平行于所述第一轴线的方向将燃料直接输送到所述燃烧室，并输送到所述点火装置附近，其中，所述进气和所述燃料的所述大致平行方向减小了燃料在所述燃烧室的尾气区域的过度变稀，所述大致平行的方向是通向所述燃烧室的轴向。
根据本发明的第三方面，提供了一种内燃机，该内燃机包括至少一个燃烧室，该燃烧室带有燃料传送喷射器和点火装置，并布置成使燃料喷雾引导喷射到所述燃烧室中，所述内燃机还包括至少一个带阀的空气进入管，用于将燃烧空气传送到所述燃烧室内，其中至少所述空气进入管和/或它的阀布置成使所述燃烧室内产生低纵滚流气体运动，从而减小燃料在所述喷雾引导燃料的尾气区域的过度变稀。
还可以知道，低纵滚流带阀空气进入管和AADI燃料喷射器的上述组合也可以组合到具有提高燃料燃烧和/或减小废气排放水平的其它措施的发动机中，这些其它措施例如：废气再循环(EGR)；在某些发动机负载条件下双流体喷射器的喷射压力控制；在特定发动机负载状态下，使提供给AADI喷射器的空气具有选定的气体量，该气体例如氧气和氮气；以及这里没有清楚提出的其它措施。例如，SAE的论文980153“Combustion and Emission Characteristics of Orbital’sCombustion Process Applied to Multi-Cylinder Automotive DirectInjected 4-stroke Engines”概述了一些可能的机构，这些机构可将喷射器中的空气压力调节成燃料压力的函数，或者调节成表示发动机负载状态的变量的函数。美国专利US 5,207,204(日本Electronic Control Co)涉及一种空气辅助燃料喷射系统，其中根据燃烧室的压力变化来控制空气压力，从而在喷射循环过程中保持(最佳)压力差水平。类似的，GeoffreyCathcart和Christian Zavier的SAE论文OOP-245“FundamentalCharacteristics of an Air-Assisted Direct Injection Combustion System asApplied to 4-stroke Automotive Gasoline Engines”概述了喷射压力、喷射气体成分和EGR水平也可以用于影响进气分层和燃烧性能。
尤其是，在后面所述的SAE论文中介绍的措施，与进气运动控制相结合可以作为能够共同获得更好的发动机工作参数的互补技术，该进气运动控制通过将低纵滚流空气进入管/进气门与本发明所述的使用AADI喷射器的中央喷射进气结合使用来提供，该SAE论文的内容在此通过交叉引用合并到本发明中。
通过下面参照附图对本发明实施例的描述，本发明的其它优选特征和优点将变得明确。
                     附图简要说明
附图1示意性说明了在内燃机燃烧室内的进气(燃料-空气)引导机构，该内燃机采用三种已知类型的直接缸内喷射燃烧系统，即“喷雾/喷射引导”、“壁引导”和“进气运动/空气引导”；
附图2示意性说明了典型的空气辅助直接燃料喷射器，它能够用于本发明的直喷发动机中；
附图3是显示在利用附图2的喷射器，将燃料供给发动机的整个直喷事件期间的燃料质量流量曲线图表；
附图4是利用附图2的喷射器，喷入燃烧室的进气的穿透速度曲线图；
附图5是显示当采用附图2的空气辅助燃料喷射器时，典型低负载加油事件的液滴大小分布的曲线图；
附图6是四阀单气缸盖10的示意平面仰视图，即当从燃烧室内部观察时的视图，说明了中央喷射系统的进入口、出气口、火花塞和直接缸内燃料喷射器的设置；
附图7a和7b是沿附图6的线VII-VII的示意纵剖图，在附图7a中示出了低纵滚流进口孔/进气歧管结构，而在附图7b中说明了相对于高纵滚流进口孔的结构；
附图8是表示低纵滚流和高纵滚流进口孔的纵滚流测量值的图表；
附图9是说明纵滚流运动在燃料消耗和HC排放方面的效果的图表；
附图10是表示对于不同水平的纵滚流运动的点火正时和燃烧过程的图表；
附图11是表示对于不同水平的纵滚流运动，发动机在1500rpm、2.0巴IMEP状态下的质量分率燃烧曲线视图；
附图12是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，燃料消耗和排放随点火正时变化的图表；
附图13是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，燃烧稳定性和烟雾水平与点火正时的关系曲线图表；
附图14是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，质量分率对于不同点火正时的燃烧曲线的图表；
附图15是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，燃料消耗和排放随点火正时变化的图表；
附图16是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，燃烧稳定性和烟雾水平与点火正时的关系曲线图表；
附图17是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，质量分率对于不同点火正时的燃烧曲线的图表；
附图18是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，燃料消耗和排放随EGR水平变化的图表(点火和喷射正时不变)；以及
附图19是表示在2000rpm、3.0巴IMEP状态下，燃烧稳定性和烟雾水平与EGR水平的关系曲线图表(点火和喷射正时不变)。
                      优选实施例说明
本发明认为，当在四冲程火花点火发动机中采用中央直接燃料喷射系统时，尤其是采用喷雾引导系统时，保持特定的进入口流动特性能够确实影响燃烧过程。下面将对一个试验发动机实例进行描述，该发动机体现和证实了本发明所述的低纵滚流进入口发动机和中央喷雾引导燃料喷射系统的组合所具有的潜在优点。
直接缸内喷雾引导系统可以采用空气辅助直喷燃料系统，以便使喷射的燃料很好地燃烧。与目前的基于在高压下对燃料进行传送的单流体直喷系统相比而言，空气辅助直喷燃料系统在很多方面是非常独特的。燃料也许最明显的区别是燃料添加了除了燃料之外的第二流体(即空气)，该第二流体直接喷射进该燃烧室中。该第二流体的压力、成分和数量都影响发动机的工作。已经证实，通过带阀的进入口流入燃烧室的燃烧空气对燃料云的分层和容积会产生影响，该燃料云由双流体(空气-燃料)喷射导引燃料系统喷射到火花塞的点火带附近燃料。
图2说明了典型的空气辅助直接燃料油喷射器。它示出了一种向外开口的直接喷射器(或进气喷射器)，该喷射器将一个普通类型的多点孔燃料喷射器和一个空气喷射器组合到一起，其中界面区提供了在空气和燃料回路和喷射器之间的通路。普通的孔喷射器提供了燃料计量功能，并在通常为8巴的恒定压差下工作。经计量的燃料与空气在界面区混合，并且包括燃料和空气的进气随后由直接喷射器在通常6.5巴表压下喷射到由发动机的气缸形成的燃烧室中。因为燃料计量与直喷过程分离，燃料直喷过程的持续时间和时间选择基本与喷射到气缸内的燃料数量无关。因此，增加直喷持续时间不会增大喷射的燃料数量，从而使所喷射燃料的整体稀释度随着所喷射空气的增加而增加燃料。单独的燃料计量还导致所喷射燃料的质量流量在整个直喷过程中变化，也就是，通过直接喷射器所喷射的燃料质量流量相对于时间并不恒定。
通过改变在燃料计量时间的结束和直喷过程的开始之间的延时时间，以及整个喷射的持续时间，可以改变在直喷过程期间所传送的燃料的速率。图3示出了在整个直喷过程持续期间中，燃料的质量流量曲线。这种类型的曲线在空气辅助燃料燃料系统中是非常典型的，并导致在接近喷射过程结束时产生相对变稀的喷射混合物。正是空气辅助喷射系统的这一特性曲线，在邻近点火正时时显著降低了空气/燃料比梯度，从而导致稳定性提高。
与在60至200巴之间的压力下工作的目前和将来单流体系统相比，空气辅助燃料系统在标称压力为6.5巴表压的相对低压下工作。该较低喷射压力意味着，穿透速度受到燃料所喷入的气缸压力的很大影响。如图4所示，随着气缸压力增大，该穿透速度减小。在较高气缸压力下的该较低穿透速度使得，压缩冲程后期进行的喷射能够具有良好的分层进气容积。在该较低喷射压力下，空气辅助喷射器使得该喷射器系统产生很好的小液滴尺寸特性，这主要通过燃料液滴剪切。图5示出了典型低负载加油过程的液滴分布，其中SMD大约为10μm。在Houston，R等的“Combustion and Emissions Characteristics of Orbital’s CombustionProcess Applied to Multi-Cylinder Automotive Direct Injected 4-StrokeEngines”，SAE 980153中更详细地介绍了空气辅助燃料喷射系统的工作，其内容在此通过引用合并进来。
应当知道，主要的缸内流场对燃料喷雾流的状态和随后通过直喷燃烧系统供入的进气的可点火性具有影响。通过低压空气辅助直喷系统，并与喷雾引导燃烧系统组合，喷射进气对准火花塞间隙位置。通过低穿透速度和活塞的碗状设计，该喷雾流被容纳在火花塞间隙附近。本发明考虑到，由于用于进气运动引导直喷燃烧，所以喷雾引导系统可能不需要较高的平均流速结构，例如纵滚流或涡旋。并认为存在过量的缸内平均流动实际上可能有害，并使得喷雾引导系统中的喷射燃料云，尤其是雾化良好的喷射燃料混合物过度混合，因此降低了通过中心喷雾引导喷射器系统提供的分层进气的完全燃烧性。
为了证明中央直喷喷雾引导燃烧系统和具有进气歧管的四冲程火花点火发动机组合的优点，利用单缸试验发动机进行了测试，该进气歧管改进成能够使传送给燃烧室的空气有助于在燃烧室内获得“低纵滚流”。在该测试中，空气辅助喷雾引导直喷燃烧系统合并到基于Ford Zetec发动机的4V DOHC气缸盖中。由于对这种类型的气缸盖结构来说，向前的纵滚流被认为是主要进口的诱导流，所以对空气进入管/口作出了各种修改，并进行了测试，以便产生不同程度的纵滚流。
在下面的表1中列出了基本的发动机规格。至于下面所给出的所有结果，是该发动机的规格，除非另外进行说明。
  排量   497cc
  孔径   84.8mm
  冲程   88.0mm
  压缩比   10.7∶1
  进入口结构   低纵滚流，无涡旋
  气门设置   4阀，DOHC
  包括的阀角度   40.0度
  直接喷射器   Synerject part#37x-115(100度喷嘴座角)
  燃料计量喷射器   Siemens Deka II
  空气喷射压力   6.5巴表压
  燃料喷射压力   8.0巴表压
表1.单缸发动机规格
所采用的燃烧室几何尺寸是用于每气缸4阀的燃烧室的典型值，该燃烧室采用双流体喷雾引导燃烧系统，同时火花塞和喷射器位于燃烧室中心附近，在4个阀之间，直接喷射器的轴线平行于气缸孔轴线。火花塞间隙设置在靠近直接喷射器喷嘴出口的位置处，从而提供有当燃料空气混合物经过火花塞间隙时直接对其点火的装置。该结构尤其如附图1以及附图6和7可见。
附图6是四阀、单缸气缸盖10的示意平面仰视图，即从燃烧室内部观察时的视图，其中附图标记35表示由相应提升阀关闭的两个出气口，40表示进入口，而25和30分别表示燃料喷射器25和火花塞位置。附图7a和7b是沿附图6的线VII-VII的示意纵剖图，示出了其中一个进入口提升阀42，其头部43离开由44所表示的其阀座，进气歧管管路46与燃烧室20在该孔开口40处连通。
图7a表示了低纵滚流进入口/进气歧管管路46的形状及其结构，而图7b示出了高纵滚流进入口结构。通过不同结构(布置)措施，可以获得低纵滚流结构，该措施可以单独或组合影响气流在燃烧室20内的滚动。如当前所知，这些措施包括：在空气进入管46中紧接进入口40的上游处提供低紊流度气流；保证气流在经过提升阀头43背面后均匀分布；减小在阀头43和阀座44处的流动扰动；干扰气流经过阀座44后的方向；改变空气进入管46和其它部件的形状。
为了进行测试，对空气进入管的几何形状进行了改变。在图7a和7b中，箭头“l”和“h”用于表示经过进入口40后，低纵滚流和高纵滚流的结构的典型气流流道。图7a的低纵滚流结构上的箭头“l”表示，经过阀部件42的阀头43之后，希望在燃烧室20中出现的近乎均匀并且轴向向下的气流。还发现，减小进气中的径向流动分量将获得与相应燃烧室中低纵滚流气体运动相关的均匀气流。通过将空气进入管46在进入口A1上游处的内径ri和外径ra增加到超过和大于“普通”空气进入管轨线的相应内径ri(h)和半径ra(h)，可以获得这种均匀气流，该“普通”空气进入管轨线的相应内半径ri(h)和外半径ra(h)将另外由仅在气缸盖内的空间限制来表示。与在典型的较小半径和相应高纵滚流孔结构中产生的分离相比，该更大的半径ri和ra选择成具有足够的尺寸，以防止或基本减小在靠近其弯曲部分的气道壁处的气流分离。该气流分离由图7b中的气流箭头“hi”来表示。由于气道壁在空气经过孔开口排出之前缺乏引导能力，因此气流在靠近孔位置40的小内半径处“不能”进行一致的方向变化，这就导致横过阀头43的背面有不均匀的气流分布。换句话说，经过孔40的主气流向量仍然包含足够的径向成分，以便在燃烧室内产生纵滚流效果。
因此，对于低纵滚流进入口结构来说，最好在其末端的孔40(或座44)的上游处具有直的空气进入管部分，从而保证流过该孔的气流的方向主要为轴流向量，该轴流向量有助于在阀头处于打开位置时提供经过阀头43的均匀气流。
显然，也可以采用其它措施来帮助获得在燃烧室内的低纵滚流气体运动，以便(尽可能)防止破坏由AADI喷射器喷射到燃烧室内的分层进气。
附图8示出了在稳态流动工作台上进行的纵滚流流动对比。“低纵滚流孔”结构显示出在阀的整个提升范围内都减小了气缸内的纵滚流流动。“高纵滚流”孔类似于很多目前的FI发动机，并没有表现出比该PFI发动机特别高的纵滚流。如上所述，为了将更多流体引向阀头背面，通过增加空气进入管在靠近进气门孔座处的半径，来对该测试的低纵滚流孔进行机械加工。
为了定量表示在不同缸内流态下的燃料消耗和排放效果，对每个进入口结构都进行了部分负载测试。在每个点处，对于给定的NOx排放水平，标定的目标是使燃料消耗最低。表2概括了带有相应NOx和COV限制的测试点。
  速度(rpm)   负载(IMEP巴)   NOx目标(g/kWh)   IMEP的COV(％)
  850   1.0   1.9   ＜6.0
  1500   2.0   1.0   ＜4.0
  2000   3.0   1.5   ＜4.0
表2.用于纵滚流对比的NOx和COV限制
附图9示出了两种进入口结构的燃料消耗和HC排放。结果显示，低纵滚流进入口在各个部分负载点都能减小燃料消耗，而HC排放也能保持或减小。燃料消耗的减小可能是由于减小了燃料在尾气区域的过度变稀。它的一个最佳标志是最佳扭矩的点火正时延迟，这对于低纵滚流孔结构是很明显的。
附图10对高纵滚流孔和低纵滚流孔在三个部分负载测试点进行了点火正时和燃烧持续时间的比较。在所有情况下，低纵滚流孔的结果都是，延迟了最佳扭矩(最小燃料消耗)的点火正时。
点火正时的延迟是因为如图所示减小了燃烧持续时间，从而提高了燃烧速度。这与均匀工作经验不同，在均匀工作经验中，对于较高的缸内运动，通常表现出较高的燃烧速度。对于空气辅助喷雾引导分层进气燃烧系统来说，减小喷雾末端的燃料过度混合将导致燃烧过程后期的燃烧速度提高。实际上，当对高纵滚流和低纵滚流的质量分率燃烧曲线进行比较时，低纵滚流孔的总燃烧持续时间的减小，主要是由于在燃料燃烧持续时间的80至100％之间的减小。过度混合的减小也可以由HC排放的减小表现出来。不过，HC排放的减小并不是在所有结果中都很明显；而是在两个部分负载点处，HC排放都保持相对恒定。
为了对这种情况进行解释，应当记住在低纵滚流孔的结果中延迟了点火正时，而这将导致增加烃的排放(如下面所述)。因此，为了在延迟点火正时的情况下保持相同的HC排放水平，需要减小燃料的过度变稀。
附图11表示了低纵滚流和高纵滚流在1500rpm，2.0巴IMEP状态下的质量分率燃烧曲线。它清楚显示，对于低纵滚流孔，在燃烧过程的后期燃烧速度增大。这形成了燃烧曲线的高出部分，其中主要燃烧部分能够延迟。
通过对典型的部分负载标定点，即2000rpm，3.0巴IMEP进行参数扫描，也可以对双流体直接缸内喷射燃烧系统的稳定性进行测试。对该点的基线标定获得小于1.5g/kWh的具体NOx排放水平。这一低NOx水平是在该速度/负载点获得的多缸车辆标定的典型值，以便满足综合驱动循环排放的目标。表3示出了标准标定设置，并且基线由该设置得出。下面所述的稳定性测试通过与前面所述的喷射器稍微不同的直接喷射器来进行。在使低NOx排放优化的同时，该喷射器还在燃料经济性方面有很多优点。通过该喷射器，可以在净具体燃料消耗为225g/kWh的情况下获得小于1.5g/kWh的NOx排放水平。
表3.基线标定和排放结果
  速度(rpm)   2000
  负载(IMEP巴)   3.0
  点火正时(度BTDC)   34
  喷射开始正时(度BTDC)   87
  喷射结束正时(度BTDC)   32
  A/F比率(∶1)   24.6
  EGR(％)   40
  ISFC(g/kWh)   225
  ISHC(g/kWh)   5.0
  ISNOx(g/kWh)   1.44
表4.基线标定和排放结果
三个参数进行单独扫描，即：点火正时，喷射正时(固定喷射持续时间)和EGR比例。包括燃料供给量在内的所有其它参数保持恒定，从而能在测试过程中感测到负载的波动。
附图12表示了具体燃料消耗和绝对排放随点火正时的变化。图中示出了在15度区域的点火正时(BTDC：活塞运动的上死点之前)区域中，对燃料消耗影响很小。当点火正时为32度BTDC时，燃料消耗少量降低，这说明当点火正时为34度BTDC时的基线标定稍微靠上。正如所预计的，HC和NOx的排放看起来对点火正时更敏感。随着点火提前从基线开始提高，由于燃烧温度峰值的增大，NOx排放增加。当点火提前大约6度时，HC排放减小。点火从该结果进一步提前将导致HC排放逐渐增大。这是因为当点火点相对于喷射正时不再是最佳点时，将降低燃烧的稳定性。
相反，当点火延迟时，NOx排放减小，而HC排放相应增加。HC排放增加是因为减小了燃烧接近结束时的火焰温度，从而减小了能够顺利燃烧的变稀极限A/F比率。这还使得燃料喷雾有更多时间扩散，从而导致增大燃料云末端变稀。这些效果都增加了火焰实际熄灭时的燃料量，增加了未燃烧烃的排量。
附图13示出了对于不同点火正时的IMEP的COV。由该图可见，在大约14度曲柄角区域中，COV明显小于4％，这与小于0.12巴的IMEP的标准偏差相对应。
附图14示出了与点火正时区域相对应的质量分率的燃烧曲线。随着点火正时延迟，燃烧速度减小，在80至100％的燃料燃烧的区域最显著。
通过提前最佳扭矩的点火正时，90％燃烧也将提前，表示充分混合。由于减小了在火焰锋到达之前的混合时间，所以当点火正时提前超过40度BTDC时，烟雾水平增加。随着点火提前在燃料经济性方面的损失是因为燃烧曲线变得太提前，对于最提前的点火正时，超过90％的燃料在TDC之前燃烧。基线质量分率燃烧曲线显示与典型均匀进气曲线和MBT正时相比提前，根据经验，50％燃烧的位置大约在10度ATDC。对于直喷、分层进气的所述结果，当点火正时在30和34度BTDC之前，IMEP的变化很小。不过，将点火正时从34度延迟到30度BTDC将导致在TDC之前更少燃料燃烧，最后20％燃烧燃料的燃烧速度减小。这两个效果之间的净结果导致单位燃料消耗的变化非常小。随着点火提前减小到30度BTDC之下，在不会明显损失燃烧稳定性的情况下，将减小IMEP。这说明基线标定点的点火正时设置成接近最佳扭矩，不会抑制燃烧的稳定性，因此认为，仅需要使50％燃烧位置处于大约10度ATDC，可能并不是最佳燃烧相位的最佳指标。随着点火正时进一步减小到低于23度BTDC(从基线标定延迟10度)，燃烧稳定性降低到偶然点不着火的状态。
附图15示出了具体的燃料消耗和排放与固定点火正时情况下喷射(SOI)正时的开始之间的关系曲线图。燃料消耗也显示在一定正时范围内对开始喷射正时的变化并不敏感，只是随着点火正时偏离基线标定值而逐渐增加。随着SOI的延迟，HC排放相对没有变化，然而却随着SOI的提前而增加。
HC排放增加是因为燃料容积损失的增加，和燃料云末端的变稀的增加。在SOI正时改变的情况下，NOx排放保持在几乎恒定的水平。
附图16示出了对于SOI扫描的稳定性和烟雾水平。在大致以SOI正时的基线标定为中心的20度区域内，IMEP的COV小于4％。不过，随着喷射正时的延迟，烟雾水平提高。该延迟的喷射正时减小了喷射燃料的准备时间，从而导致更高的烟雾水平。随着喷射正时的延迟，整个直接喷射器的压力差也减小，从而导致在喷射过程接近结束时喷射的液滴较大。减小准备时间和增大在喷射事件接近结束时的喷射燃料液滴大小，共同使得一旦喷射延迟到基线标定正时之后进行的话，烟雾水平就会对SOI具有相当高的敏感性。
通过质量分率的燃烧比较(图17)可知，因为曲线几乎没有变化，所以对于大部分正时，燃料消耗对SOI并不敏感。在所测试的SOI的极限值处，燃烧曲线相对于基线标定延迟，并导致具体燃料消耗增加。对于提前的SOI来说，分层变弱，导致在整个燃烧过程中燃烧速度较低，尤其是所烧燃料的最后50％。如前所述，在所观察到的HC排放增加的情况下，该过度混合非常明显。对于过度延迟的SOI，将使得喷射的燃料在点火正时之前的混合时间不够长。这增加了火焰中心发展的时间。虽然由于点火延迟的增加而使时间延迟，但是燃烧过程的大部分时间内的燃烧速度保持与基线点处的燃烧速度相同。这说明在SOI正时延迟的情况下，燃料喷雾会具有你所希望的良好容积。
点火和喷射正时扫描所得的结果证明，空气辅助喷雾引导直喷燃烧系统有很高的稳定性。这与很多已公开的单流体系统不同，正如在M.Grigo等的论文“Charge Motion Controlled Combustion System for DirectInjection SI Engine”，先进发动机设计和性能，GPC’98以及在C.Preussner等的“GDI：Interaction Between Mixture Preparation，Combustion System and Injector Performance”，SAE论文no.980498中所述，这实际上是这些喷射系统朝壁或进气运动引导燃烧系统移动的一个原因。
据认为，双流体系统的稳定特性的一个主要原因是由于在典型点火正时中提高了靠近火花位置处的弱分层梯度。这可通过将空气与喷射燃料一起喷入，以及使燃料计量和直喷过程分离来实现。如图3所示，从直接喷射器喷射的燃料质量流量并不恒定。随着燃料流量减小，喷射的空气流量通常增加。这导致与在整个喷射期间的平均情况相比，在喷射过程快结束时喷射出变稀燃料混合物。正是该喷射的混合物形成了较低部分负载分层工作的可点火混合物的基础。结果是在较长时间内，可点火混合物保持在点火源位置，从而形成能使燃烧保持稳定的更大喷射和点火窗口。空气辅助喷雾引导燃烧系统的该特性对于使它很容易转用到车辆上是必不可少的。
在进气歧管压力恒定且其它参数保持在基线值水平的情况下，还进行了EGR(再循环废气)的扫描。随着EGR水平从基线水平增加或减小，流过发动机的空气流分别减小或增加。附图18示出了EGR水平的改变对具体燃料消耗和排放的影响。当EGR水平从基线标定变化大约40％时，具体燃料消耗稍微增加。这是因为燃烧过程中的燃烧速度受到了截留进气中的EGR浓度的影响。为了增加EGR的水平，减小了燃烧速度，从而导致点火正时延迟太多，反之亦然。图中显示，HC排放对EGR水平的变化相对并不敏感，直到EGR水平增加到超过45％。这一增加与燃烧稳定性的减小(图19)相符。NOx的排放看起来对EGR水平非常敏感，增加EGR水平将减小NOx排放，减小EGR水平将导致NOx排放很快增加。该高敏感性是由几个组合因素所造成的。如前所述，随着EGR水平的改变，喷射和点火正时保持在基线标定值。增加EGR水平导致燃烧速度减小，从而使得燃烧曲线更加延迟，这降低了NOx排放。随着EGR水平降低，燃烧速度增加，导致燃烧曲线提前，这增加了气缸温度峰值，从而增加了NOx排放。如果考虑到燃烧速度的变化而对各EGR水平的点火正时重新优化，那么NOx的排放对EGR水平变化的敏感程度将小得多。
另一组合效果是由于进入发动机的再循环废气的成分变化。进行EGR扫描，也就是保持进气歧管压力恒定的方式，说明随着EGR水平的降低，A/F比率增大。这意味着不仅EGR的质量减小，而且EGR中的燃烧产物如二氧化碳的浓度将减小，而未燃烧的氧的浓度将增加。氧浓度的增加将进一步增加NOx排放产物。其净效应导致对EGR水平高度敏感，如图18所示。通过当EGR水平变化时，使A/F比保持恒定并对点火正时重新优化，可以显著降低NOx排放对EGR水平的敏感性。例如，在相同的硬件结构下以该方式进行的EGR扫描，表明为了EGR从40％到35％减小5％，NOx排放只是从1.5g/kWh增加到1.9g/kWh，比较而言，前面所给出的数据是增加到4.8g/kWh。
如附图19所示，当EGR水平减至零时，燃烧的稳定性将保持。由于燃烧稳定性保持在可接受的水平，所以EGR水平的增加还存在5％的边界余量。EGR水平增加到超过该水平将导致稳定性的损失，会出现部分燃烧和偶然有点不着火的现象。
对于EGR水平的变化，烟雾水平保持相对稳定在大约为0.06FSN的标称水平上或者更小。烟雾水平随着EGR水平的减小而增加的趋势很小，但是一旦EGR水平减小到10％以下，便会出现相对较大的增加。尽管A/F比随着EGR比例降低而增加，也还是可以看出该效果。这样增加的原因是因为其它标定参数，尤其是点火正时在扫描时保持恒定。如前所述，当EGR水平减小时，燃烧速度增加，导致在燃料喷射和火焰锋到达之间的时间更少。准备时间的这种减小导致所记录的烟雾水平增加。通过对各个特定EGR水平优化点火正时，可以消除该效果。通过所进行的前述EGR扫描，在优化了点火和喷射正时的情况下，烟雾水平可以在整个范围内保持在0.1FSN以下。
读过本说明书的技术人员能够知道本发明的发动机和系统的修改和变化。这些修改和变化也在本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种内燃机，其包括至少一个燃烧室，该燃烧室具有一进入口，该进入口有相应的进气阀，用于使燃烧空气大致沿第一轴线进入所述燃烧室，还具有一点火装置以及至少一个燃料传送装置，该燃料传送装置沿大致平行于所述第一轴线的方向将燃料直接输送给所述燃烧室，并输送到所述点火装置附近，其中，所述进入的燃烧空气和所述燃料的所述大致平行方向减小了燃料在所述燃烧室尾气区域的过度变稀；所述大致平行的方向相对于所述燃烧室为轴向。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其中：传送所述燃料，使其在具有所述尾气区域的所述燃烧室中产生分层进气。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，所述进气相对于所述大致平行方向具有狭窄的径向流。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述燃烧室还设置成，在所述燃烧室内产生所述低纵滚流气体运动。
5.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求4所述的内燃机，其特征在于，用于将燃料直接传送给所述燃烧室的所述燃料传送装置，适合以在燃料传送过程中不恒定的质量流量传送燃料。
6.根据权利要求5所述的内燃机，其中，所述质量流量在所述燃料传送过程的初始阶段提供了富混合料。
7.根据权利要求5或6所述的内燃机，其特征在于，所述质量流量在所述燃料传送过程的后期阶段提供了变稀混合物。
8.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求5至7中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机以指示平均有效压力的协方差小于4％的方式工作，从而使点火正时处于上死点中心前至少30度至上死点中心前40度的范围内。
9.根据权利要求8所述的内燃机，其特征在于，指示平均有效压力的所述协方差小于4％至少出现在部分负载工作点上，例如在2000转每分和3.0巴指示平均有效压力下。
10.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求5至9中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机以ISNOx小于2.0g/kWh的方式工作，从而使燃料传送过程的开始正时在至少上死点中心前75度至至少上死点中心前95度范围内。
11.根据权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述燃料传送过程的所述开始正时至少在部分负载工作点处，例如内燃机负载为3.0巴指示平均有效压力，和每分2000转的发动机速度处有效。
12.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求5至11中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机以指示平均有效压力的协方差为大约4％或更少的方式工作，其中在燃烧进气中的再循环废气的质量小于大约40％。
13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述再循环废气的质量保持在大约15％以上，从而使燃烧烟雾保持在大约0.07FSN以下。
14.根据权利要求12或13所述的内燃机，其特征在于，所述EGR的质量至少在部分负载工作点上有效，例如2000转每分和3.0巴指示平均有效压力。
15.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求5至14中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，从所述传送装置输出的燃料喷雾以燃料喷雾穿透速度基本为45米每秒或更小的方式工作，从而使燃烧室压力大于约0.0巴表压。
16.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或权利要求5至14中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，从所述传送装置输出的燃料喷雾以燃料喷雾穿透速度基本为15米每秒或更小的方式工作，从而使燃烧室压力基本大于3.0巴表压。
17.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求5至14中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述燃烧室包括一个火花塞，该火花塞位于所述燃料传送装置的出口下游，从而在工作时，从所述燃料传送装置中输出的燃料喷雾的至少一部分引导到所述火花塞的火花间隙中；所述燃料喷雾有较低的穿透速度，从而所述燃料喷雾的至少一部分在点火时保持在所述火花塞附近。
18.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，所述低穿透速度基本小于45米每秒，从而使燃烧室压力大于约0.0表压。
19.根据权利要求17或18所述的内燃机，其特征在于，所述低穿透速度基本为15米每秒或更小，从而使燃烧室压力基本为3.0表压或更大。
20.根据权利要求1至3中的任一权利要求，或者权利要求5至19中的任一权利要求所述的内燃机，其特征在于，所述燃料传送喷射器适合将夹带在气体中的燃料传送到所述燃烧室内，特别是，所述燃料传送喷射器是气体辅助直接缸内燃料喷射器。
21.根据权利要求20所述的内燃机，其特征在于，夹带在所述气体中的所述燃料以不恒定的质量流量传送。
22.根据权利要求20或21所述的内燃机，其特征在于，所述喷射器是气体辅助直接缸内燃料喷射器；燃料单独定量供应给所述喷射器，以将该燃料夹带于气体中从所述喷射器传送给所述燃烧室，从而以不恒定的质量流量传送所述燃料。
CNA2005101269105A 2000-03-03 2001-03-06 内燃机及其控制 Pending CN1800604A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AUPQ6040A AUPQ604000A0 (en) 2000-03-03 2000-03-03 Internal combustion engines and control
AUPQ6040 2000-03-03

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN01807292A Division CN1444695A (zh) 2000-03-03 2001-03-06 内燃机及其控制

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1800604A true CN1800604A (zh) 2006-07-12

Family

ID=3820144

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN01807292A Pending CN1444695A (zh) 2000-03-03 2001-03-06 内燃机及其控制
CNA2005101269105A Pending CN1800604A (zh) 2000-03-03 2001-03-06 内燃机及其控制

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN01807292A Pending CN1444695A (zh) 2000-03-03 2001-03-06 内燃机及其控制

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6854440B2 (zh)
EP (1) EP1259727A4 (zh)
JP (1) JP2003525389A (zh)
KR (1) KR20020075468A (zh)
CN (2) CN1444695A (zh)
AU (1) AUPQ604000A0 (zh)
BR (1) BR0108964A (zh)
WO (1) WO2001065105A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104863693A (zh) * 2014-02-26 2015-08-26 西港能源有限公司 内燃发动机的气体燃料燃烧装置

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1319822B9 (de) * 2001-12-14 2007-12-26 Ford Global Technologies, LLC Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
DE10234215A1 (de) * 2002-07-27 2004-02-05 Bayerische Motoren Werke Ag Fremdgezündete, direkt einspritzende Brennkraftmaschine
DE10330540A1 (de) * 2003-07-01 2005-01-20 Volkswagen Ag Verfahren zum Betrieb eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors sowie direkteinspritzender Verbrennungsmotor
US7739999B2 (en) 2005-11-23 2010-06-22 Gm Global Technology Operations, Inc. Method and apparatus to control combustion in a multi-cylinder homogeneous charge compression-ignition engine
JP2008038740A (ja) * 2006-08-04 2008-02-21 Toyota Motor Corp 筒内噴射式火花点火内燃機関
FR2914360B1 (fr) * 2007-04-02 2013-04-12 Renault Sas Conduit d'admission pour culasse de moteur thermique et procede de fabrication
KR101040344B1 (ko) * 2008-09-12 2011-06-10 서울대학교산학협력단 차량의 연소 시스템
KR101072316B1 (ko) * 2008-12-02 2011-10-11 기아자동차주식회사 가솔린 직접분사 엔진용 피스톤
US8800528B2 (en) 2010-04-27 2014-08-12 Achates Power, Inc. Combustion chamber constructions for opposed-piston engines
US9512779B2 (en) 2010-04-27 2016-12-06 Achates Power, Inc. Swirl-conserving combustion chamber construction for opposed-piston engines
US10180115B2 (en) 2010-04-27 2019-01-15 Achates Power, Inc. Piston crown bowls defining combustion chamber constructions in opposed-piston engines
US8820294B2 (en) 2010-08-16 2014-09-02 Achates Power, Inc. Fuel injection spray patterns for opposed-piston engines
US8430074B2 (en) 2010-12-13 2013-04-30 Ford Global Technologies, Llc Rotatable valve in a cylinder intake duct
CN103562515B (zh) 2011-05-18 2018-12-04 阿凯提兹动力公司 对置活塞发动机的燃烧室构造
US20130104848A1 (en) 2011-10-27 2013-05-02 Achates Power, Inc. Fuel Injection Strategies in Opposed-Piston Engines with Multiple Fuel Injectors
US9211797B2 (en) 2013-11-07 2015-12-15 Achates Power, Inc. Combustion chamber construction with dual mixing regions for opposed-piston engines
KR20160057717A (ko) * 2014-11-14 2016-05-24 현대자동차주식회사 스월제어방식 예혼합 연소강도 제어방법 및 엔진제어시스템
IT201800006592A1 (it) * 2018-06-22 2019-12-22 Motore ad accensione comandata con stabilita’ di funzionamento e consumo specifico migliorati e metodo di alimentazione di detto motore
JP2020067021A (ja) * 2018-10-23 2020-04-30 株式会社デンソー 内燃機関及びその制御装置
CN110080915B (zh) * 2019-05-31 2021-01-15 西安交通大学 一种气/液双燃料低压直喷系统
CN114439606B (zh) * 2020-10-30 2023-01-06 比亚迪股份有限公司 一种发动机的进气机构及发动机
CN114810409B (zh) * 2022-05-10 2023-06-23 潍柴动力股份有限公司 一种气缸盖及发动机总成

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2696446B2 (ja) * 1991-09-10 1998-01-14 株式会社ユニシアジェックス 筒内直接噴射型噴射弁のアシストエア供給装置
US5394845A (en) * 1991-10-15 1995-03-07 Mazda Motor Corporation Intake system for engine
JP2628138B2 (ja) * 1994-05-06 1997-07-09 本田技研工業株式会社 内燃機関における吸気ポート構造
JP3965703B2 (ja) * 1994-12-28 2007-08-29 マツダ株式会社 エンジンの排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化方法
US5960767A (en) * 1996-02-09 1999-10-05 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Combustion chamber of in-cylinder direct fuel injection engine
JP2982682B2 (ja) * 1996-02-29 1999-11-29 三菱自動車工業株式会社 内燃機関
JP3740741B2 (ja) 1996-06-26 2006-02-01 日産自動車株式会社 直接筒内噴射式火花点火機関
JP3763491B2 (ja) * 1996-10-08 2006-04-05 富士重工業株式会社 筒内噴射エンジンの燃焼室構造
JP3743896B2 (ja) * 1996-10-31 2006-02-08 富士重工業株式会社 筒内噴射式エンジン
JPH10169453A (ja) 1996-12-11 1998-06-23 Daihatsu Motor Co Ltd 筒内噴射式内燃機関の構造
JPH10274133A (ja) * 1997-03-28 1998-10-13 Daihatsu Motor Co Ltd 筒内噴射型内燃機関
JP2982754B2 (ja) 1997-07-25 1999-11-29 三菱自動車工業株式会社 筒内噴射型火花点火式内燃エンジン
SE519767C2 (sv) * 1997-11-26 2003-04-08 Volvo Car Corp Förbränningssystem
JP3733721B2 (ja) 1997-12-18 2006-01-11 日産自動車株式会社 直噴火花点火式内燃機関
DE19806272C1 (de) 1998-02-16 1999-04-15 Lipcan Sergiu Valentin Im Druckgußverfahren herstellbarer Leichtmetallzylinderkopf für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit drei Ventilen pro Zylinder
US5970957A (en) * 1998-03-05 1999-10-26 Ford Global Technologies, Inc. Vapor recovery system
DE19852551C1 (de) 1998-11-13 2000-06-15 Daimler Chrysler Ag Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
JP3903657B2 (ja) * 1998-12-02 2007-04-11 トヨタ自動車株式会社 筒内噴射式火花点火内燃機関
JP3598880B2 (ja) * 1999-06-07 2004-12-08 日産自動車株式会社 直噴火花点火式内燃機関
GB9920666D0 (en) * 1999-09-01 1999-11-03 Zalkin Anthony L Improved internal combustion engine
JP3692860B2 (ja) * 1999-09-28 2005-09-07 日産自動車株式会社 筒内噴射式火花点火機関
US6276330B1 (en) * 2000-02-23 2001-08-21 Ford Global Technologies, Inc. Air/fuel induction system for developing swirl motion of an air/fuel mixture
JP2001248484A (ja) * 2000-02-29 2001-09-14 Hitachi Ltd 筒内噴射エンジン及びその制御装置，制御方法
JP4415497B2 (ja) * 2000-03-29 2010-02-17 マツダ株式会社 火花点火式直噴エンジン
JP2002038953A (ja) * 2000-07-25 2002-02-06 Hitachi Ltd 筒内噴射エンジン
JP3852310B2 (ja) * 2000-08-07 2006-11-29 トヨタ自動車株式会社 筒内噴射式火花点火内燃機関
JP3812338B2 (ja) * 2001-01-05 2006-08-23 日産自動車株式会社 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン
JP2002295260A (ja) * 2001-03-30 2002-10-09 Mazda Motor Corp 火花点火式直噴エンジン
DE60117382T2 (de) * 2001-07-02 2006-10-19 Hitachi Ltd. Verbrennungsmotor mit direkter einspritzung in den zylinder
JP2003106158A (ja) * 2001-09-28 2003-04-09 Toyota Motor Corp 筒内噴射式火花点火内燃機関
JP2003113716A (ja) * 2001-10-03 2003-04-18 Nissan Motor Co Ltd 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン
US6745745B2 (en) * 2002-02-22 2004-06-08 General Motors Corporation Combustion chamber for reverse tumble spark ignition direct injection engine
JP2003262132A (ja) * 2002-03-07 2003-09-19 Mazda Motor Corp 火花点火式直噴エンジンの吸気装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104863693A (zh) * 2014-02-26 2015-08-26 西港能源有限公司 内燃发动机的气体燃料燃烧装置
CN106164440A (zh) * 2014-02-26 2016-11-23 西港能源有限公司 用于内燃机的气体燃料燃烧装置
US10451012B2 (en) 2014-02-26 2019-10-22 Westport Power Inc. Gaseous fuel combustion apparatus for an internal combustion engine
CN104863693B (zh) * 2014-02-26 2021-08-17 西港燃料系统加拿大公司 内燃发动机的气体燃料燃烧装置

Also Published As

Publication number Publication date
BR0108964A (pt) 2002-11-26
JP2003525389A (ja) 2003-08-26
WO2001065105A1 (en) 2001-09-07
KR20020075468A (ko) 2002-10-04
CN1444695A (zh) 2003-09-24
EP1259727A4 (en) 2006-09-13
AUPQ604000A0 (en) 2000-03-30
US6854440B2 (en) 2005-02-15
US20030140891A1 (en) 2003-07-31
EP1259727A1 (en) 2002-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1800604A (zh) 内燃机及其控制
DE69434774T2 (de) Verfahren zur Zündung und Einspritzung in einer Brennkraftmaschine
CN1083529C (zh) 缸内喷射内燃机的控制系统
CN100350145C (zh) 压燃式内燃机
CN1098416C (zh) 用于直喷式发动机的催化剂触发方法和催化剂触发设备
US6401688B2 (en) Auto-ignition combustion management in internal combustion engine
CN1236205C (zh) 用于将双燃料喷射到内燃机中的方法和装置
CN101351632B (zh) 用于运行火花点火燃料直喷发动机的方法和设备
CN1081737C (zh) 燃油直喷式发动机
CN1097672C (zh) 直接燃料喷射点燃式发动机
CN1460149A (zh) 用于内燃机中气态燃料的引入及控制燃烧的方法和装置
JP2008025534A (ja) 予混合圧縮自着火内燃機関
CN1882772A (zh) 内燃机的工作方法
Okude et al. Effects of multiple injections on diesel emission and combustion characteristics
DE102018128712A1 (de) Vorkammerzündeinrichtung für verbrennungsmotoren und verfahren
EP3770410A1 (en) Fuel injection control device, and method of controlling injection of fuel
EP3770409A1 (en) Fuel injection control device, and method of controlling injection of fuel
CN1274951C (zh) 燃料直喷发动机
JP4103754B2 (ja) 火花点火式直噴エンジン
CN101035976A (zh) 柴油机
JP2005098118A (ja) 火花点火式直噴エンジン
JP2007138780A (ja) 副室式内燃機関
JP2005098120A (ja) 火花点火式直噴エンジン
JP2005098119A (ja) 火花点火式直噴エンジン
CN101346536B (zh) 内燃机

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication