專利名稱：具有最大引導(dǎo)點(diǎn)火強(qiáng)度的、供給氣體燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景技術(shù)1.本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明通常涉及一種至少部分由氣態(tài)燃料如天然氣提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)(在下文中稱為供給氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī))，更加具體地說，本發(fā)明涉及供給氣體燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用一些方法在它的壓縮沖程期間把引燃燃料噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中，從而通過壓縮點(diǎn)火使氣態(tài)燃料充量著火。本發(fā)明還涉及一種使供給氣體燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的引燃燃料點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的方法。
2.現(xiàn)有技術(shù)的討論近年來已經(jīng)看到，提高了在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中使用氣態(tài)燃料作為主要燃料源的需要。許多人認(rèn)為氣態(tài)燃料如丙烷或者天然氣優(yōu)于柴油燃料等，因?yàn)闅鈶B(tài)燃料通常不貴，并且當(dāng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中時(shí)，通過相同或者更好的燃料經(jīng)濟(jì)性提供了相同或者更多的功率，并且明顯地降低了排放。這個(gè)最后優(yōu)點(diǎn)使氣態(tài)燃料特別有吸引力，因?yàn)榻曛朴喓驼谥朴喌氖澜绶秶姆蓛A向于禁止使用柴油作為許多發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要燃料源。由于下面原因使氣態(tài)燃料的吸引力進(jìn)一步提高現(xiàn)有的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)容易適合于燃燒這些氣態(tài)燃料。
氣態(tài)燃料的一個(gè)缺點(diǎn)是，與傳統(tǒng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的柴油、潤滑油和其它液體燃料相比，它們具有明顯較高的點(diǎn)火臨界溫度。氣體和空氣的混合物的壓縮溫度在標(biāo)準(zhǔn)的壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的工作期間不足以進(jìn)行自燃。這個(gè)問題通過用火花塞等點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料來克服。它還可以通過下面方法來克服把-定量的引燃燃料、典型地是柴油噴射到具有均勻氣態(tài)燃料/空氣混合物的、發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)燃燒室中。在噴射之后點(diǎn)燃引燃燃料，并且以足夠能點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料充量的高溫進(jìn)行燃燒。引導(dǎo)點(diǎn)火的、壓燃的、供給氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)稱為“雙燃料”發(fā)動(dòng)機(jī)，特別地，如果它們成形成單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)在柴油上，或者運(yùn)轉(zhuǎn)在柴油和氣態(tài)燃料的結(jié)合上。它們常常有時(shí)稱為MircroPilot發(fā)動(dòng)機(jī)(MircroPilot是Clean Air Partner，Inc.of San Diego，Ca的注冊商標(biāo))，特別地，如果引燃燃料噴射器太小以致不能只以柴油模式使用發(fā)動(dòng)機(jī)。典型的、真實(shí)的“雙燃料”發(fā)動(dòng)機(jī)使用了最大燃料率的6％-10％的引燃充量。在MircroPilot發(fā)動(dòng)機(jī)中，引燃燃料的這種百分比可以減少到最大值的1％，或者甚至更小。本發(fā)明應(yīng)用到這種真正的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、MircroPilot發(fā)動(dòng)機(jī)和其它引導(dǎo)點(diǎn)火的、壓燃的、供給氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)中。為了方便，簡單地稱為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)”。
相對于火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是潛在地增加了氮的氧化物量(NOx)，這種氮的氧化物是由引燃燃料充量的亞最大點(diǎn)火強(qiáng)度所導(dǎo)致的，結(jié)果小于引燃燃料和氣體燃料充量的最佳燃燒。發(fā)明人推理出，小于最大點(diǎn)火強(qiáng)度是由于不能使引燃燃料自燃定時(shí)到至少通常產(chǎn)生于氣體/空氣混合物中的引燃燃料充量的最佳穿透、分配和汽化之后。如果在引燃燃料噴射之后自燃(定義為引燃燃料燃燒的開始定時(shí))產(chǎn)生得太快，那么引燃燃料將高度聚中在噴射器附近，因?yàn)樗鼪]有時(shí)間在整個(gè)燃燒室內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。其結(jié)果是，過濃的空氣/燃料混合物在噴射器附近進(jìn)行燃燒，而過稀的混合物遠(yuǎn)離噴射器進(jìn)行燃燒。相反，如果在引燃燃料噴射之后自燃產(chǎn)生得太長，那么將產(chǎn)生過量的引燃燃料汽化，從而導(dǎo)致了失火。
而且，與擴(kuò)散燃燒即產(chǎn)生于緊接在噴射到燃燒室中而在燃料與空氣混合之前的燃燒相比，引燃燃料的預(yù)混合燃燒即產(chǎn)生于燃料與空氣混合之后的燃燒提供了更大的點(diǎn)火強(qiáng)度。借助于延遲自燃而提高了引燃燃料的最大預(yù)混合燃燒，從而使引燃燃料有機(jī)會完全地與空氣混合并且形成了均勻的氣體/引燃燃料/空氣混合物。但是，在柴油機(jī)技術(shù)中，延遲自燃定時(shí)常常被認(rèn)為是不好的。事實(shí)上，通常幾乎都同意，通過可能的最短點(diǎn)火延遲來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)壓燃式柴油機(jī)中的最佳燃燒，并且通常優(yōu)選的是，點(diǎn)火延遲時(shí)間應(yīng)該總是短于噴射時(shí)間，從而避免了過度的壓力升高速率、較高的最大壓力和過度的NOx排放。(例如參見SAE，Paper No.870344，F(xiàn)actors That Affect BSFC and Emissionsfor Diesel EnginesPart II Experimental Confirmation ofConcepts Presented in Part I，page 15)。但是，傳統(tǒng)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)借助于點(diǎn)燃大部分進(jìn)行了預(yù)混合的引燃充量而沒有充分的混合時(shí)間從而使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化。
因此，需要使雙燃料充量的點(diǎn)火強(qiáng)度最大化。
本發(fā)明的概述已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引燃噴射最佳化從而實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火延遲和噴射時(shí)間之間的關(guān)系非常重要。當(dāng)燃料和燃燒環(huán)境控制成使引燃燃料的噴射時(shí)間小于點(diǎn)火延遲時(shí)間(點(diǎn)火延遲時(shí)間定義為引燃燃料噴射開始和引燃燃料自燃開始之間的時(shí)間)，可以得到最好的性能。以另外一種方式表述，當(dāng)比率Dp/Di＜1(這里，Dp是噴射時(shí)間，而Di是點(diǎn)火延遲時(shí)間)時(shí)，可以得到最好的性能。應(yīng)該相信，引燃噴霧束在混合時(shí)間期間Dm全部進(jìn)行了預(yù)混合，而這種混合時(shí)間Dm產(chǎn)生于引燃燃料噴射結(jié)束和自燃開始Ti之間。這種完全預(yù)混合導(dǎo)致了最大的點(diǎn)火強(qiáng)度，并且大大地減少了排放。因此，發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的結(jié)果發(fā)生于直接遠(yuǎn)離提供點(diǎn)火延遲時(shí)間的傳統(tǒng)知識，該點(diǎn)火延遲時(shí)間短于噴射時(shí)間。但是，在優(yōu)選的實(shí)施例中，混合時(shí)間Dm最好也被控制成足夠短從而避免失火。
借助于改變引燃燃料噴射定時(shí)、引燃燃料噴射時(shí)間或者自燃定時(shí)來改變比值Dp/Di。由于Dp/Di依賴于點(diǎn)火延遲，因此對于給定的Di而言，通過下面方法可以使比值Dp/Di最佳化確定最佳Dm，并且與得到確定的最佳Dm所需要的那樣調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)。這種控制最好根據(jù)全部時(shí)間、全速和負(fù)荷范圍來執(zhí)行。它可以是開環(huán)或者閉環(huán)。
也可以根據(jù)引燃點(diǎn)火所產(chǎn)生的最大功率來考慮點(diǎn)火強(qiáng)度最大化。如果噴射和自燃被控制成使引燃燃料的油滴的數(shù)目和分布最大化并使它們的尺寸大小最小化，那么可以得到大約100KW/l的點(diǎn)火功率，從而非常有效地點(diǎn)燃?xì)鈶B(tài)燃料充量。在這些情況下的點(diǎn)火可以被認(rèn)為是模擬在整個(gè)氣體/燃料混合物中所分布的數(shù)十千個(gè)小火花塞同時(shí)通電。
附圖的簡短描述本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施例圖示在附圖中，在這些附圖中，相同的標(biāo)號在所有附圖中表示相同的零件，在這些附圖中

圖1示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)的燃料供給系統(tǒng)，在該內(nèi)燃機(jī)中可以執(zhí)行本發(fā)明的點(diǎn)火強(qiáng)度最大化控制系統(tǒng)。
圖2示意性地示出了圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒氣流控制系統(tǒng)。
圖3是圖1和2的發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分的局部示意性剖視側(cè)視圖；圖4是可以用于圖1-3的發(fā)動(dòng)機(jī)上的引燃燃料噴射器組件的示意性局部剖視的側(cè)視圖，它示出了處于關(guān)閉位置上的噴射器；圖5與圖4相對應(yīng)，但示出處于打開位置上的噴射器；圖5a是圖5的燃料噴射器組件的噴嘴的一部分的放大視圖；圖6示意性示出了來自ECIS型的燃料噴射器的噴射霧束的分布；圖7是底部落座柱針式噴嘴和頂部落座柱針式噴嘴的排出通道的底部處的速度對針閥升程的圖形；圖8示意性地示出了圖1-3的發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制器；圖9是示出了在一組特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下點(diǎn)火延遲的變化對Nox排放的影響的圖形；圖10是一組圖線，它們示出了燃料穿透/分布百分比和噴霧束汽化百分比對各種空氣充量溫度(ACT)的混合時(shí)間；圖11是一組圖線，它們示出了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性；圖12是一組圖線，它們示出了在各種引燃燃料噴射定時(shí)時(shí)改變ACT對點(diǎn)火延遲的影響；圖13是一組圖線，它們示出了在各種Dp/Di的比值下點(diǎn)火延遲對混合時(shí)間的影響；圖14是流程圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明使引燃燃料點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的開環(huán)控制系統(tǒng)；
圖15是流程圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明使引燃燃料點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
在詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例之前，應(yīng)該知道，本發(fā)明不局限用到下面描述所提出的或者附圖中所示出的這些零件的結(jié)構(gòu)和布置的細(xì)節(jié)中。本發(fā)明可以是其它實(shí)施例，或者可以以各種各樣的方式來實(shí)現(xiàn)或者執(zhí)行。此外，應(yīng)該知道，這里所采用的術(shù)語和措詞是用來描述，而不能認(rèn)為是限制的。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述1.概述根據(jù)本發(fā)明，燃料預(yù)噴射和/或點(diǎn)火被控制在引導(dǎo)點(diǎn)火的、氣體燃料的、壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)中，從而保持這樣的關(guān)系Dp/Di＜1，其中Dp是燃料預(yù)噴射過程的時(shí)間，而Di是噴射延遲時(shí)間，這些都是從燃料預(yù)噴射(Tp)開始到引燃燃料自燃(Ti)所測得的。盡管這種控制與傳統(tǒng)的知識相反，但是發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，借助于在點(diǎn)火之前使噴射出來的燃料完全散布在燃燒室內(nèi)并且在燃燒室內(nèi)與氣體燃料/進(jìn)氣進(jìn)行混合，保持點(diǎn)火延遲時(shí)間(該點(diǎn)火延遲時(shí)間長于噴射時(shí)間)所導(dǎo)致的混合時(shí)間(Dm)使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化。這又提高了引燃燃料、氣態(tài)燃料和空氣的接近均勻混合物的預(yù)混合燃燒，并且大大減少了NOx的排放。
實(shí)際上，根據(jù)一個(gè)接一個(gè)的循環(huán)、全速和負(fù)荷范圍，使比值Dp/Di(或者它的特性如Di或者Dm)最好保持在預(yù)定范圍內(nèi)，從而在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下使點(diǎn)火強(qiáng)度最大。最好借助于調(diào)整Dp、Di或者這兩者的結(jié)合來使Dp/Di最佳化。這種控制可以是開環(huán)(使用查尋表等)，或者是閉環(huán)(使用依賴于點(diǎn)火強(qiáng)度的參數(shù)來進(jìn)行反饋)。引導(dǎo)點(diǎn)火強(qiáng)度的最后最大化可以產(chǎn)生大約200KW/l的發(fā)動(dòng)機(jī)排量的引導(dǎo)點(diǎn)火的瞬時(shí)功率。2.系統(tǒng)概述a.基本發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，首先特別是轉(zhuǎn)到圖1-3中，示出了發(fā)動(dòng)機(jī)10，本發(fā)明可以在該發(fā)動(dòng)機(jī)10中來實(shí)現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)10是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有若干個(gè)缸12，每個(gè)缸用缸蓋14(圖3)蓋住。還如圖3所示一樣，活塞16可滑動(dòng)地設(shè)置在每個(gè)氣缸12的孔內(nèi)，從而在缸蓋14和活塞16之間限制出燃燒室18。活塞16還以傳統(tǒng)的方式連接到曲軸20上。傳統(tǒng)的進(jìn)氣閥和排氣閥22和24設(shè)置在缸蓋14的相應(yīng)通道26和28的端部上，并且借助于標(biāo)準(zhǔn)的凸輪軸30來致動(dòng)，從而控制空氣/燃料混合氣供給到燃燒室18中并且控制來自燃燒室18的燃燒產(chǎn)物的排出。氣體通過進(jìn)氣管34和排氣管35各自供給到發(fā)動(dòng)機(jī)10和從發(fā)動(dòng)機(jī)10中排出。但是，與傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火式氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同，沒有節(jié)流閥(該節(jié)流閥在正常情況下存在于進(jìn)氣管34內(nèi))或者至少不能工作，因此產(chǎn)生了“無節(jié)流”式發(fā)動(dòng)機(jī)。出于下面詳細(xì)描述的原因，還提供了進(jìn)氣控制系統(tǒng)。
B.空氣和燃料輸送系統(tǒng)氣態(tài)燃料(如壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)或者丙烷)通過一個(gè)測量閥來供給，而該測量閥通到位于歧管34的入口處的混合主體中，或者氣態(tài)燃料通過相同設(shè)置的機(jī)械控制閥來供給。但是，在圖示的實(shí)施例中，為每個(gè)氣缸12提供了獨(dú)立的噴射器40。每個(gè)噴射器40接受來自共用箱39和歧管36中的天然氣、丙烷或者其它氣態(tài)燃料，并且通過管路41把燃料直接噴射到相關(guān)氣缸12的入口26中。
發(fā)動(dòng)機(jī)10通過許多電控的液體燃料噴射器組件32而供給有引燃燃料。每個(gè)引燃燃料噴射器組件32包括電控噴射器和相關(guān)的設(shè)備。合適的噴射器的例子可以是(1)壓力增強(qiáng)儲壓器型液壓電子元件噴射器，這種噴射器公開在US再公告專利No.33270和美國專利No.5392745；及(2)壓力增強(qiáng)非儲壓器型液壓電子燃料噴射器，這種噴射器公開在5191867中，這些專利文件的公開內(nèi)容在這里全部引入以作參考，或者合適的噴射器的例子可以是高壓共軌系統(tǒng)。優(yōu)選的噴射器組件是下面要描述的、所謂的OSKA-ECIS噴射器組件。
參照圖1和3，噴射器組件32通過供給管路或者共軌44從傳統(tǒng)的箱子42中供給有燃料。設(shè)置在管路44中的是過濾器46、泵48、高壓溢流閥50和壓力調(diào)節(jié)器52。返回管路54也從噴射器32連通到箱子42中。燃料可以是適合用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的任何燃料。柴油是最常用于公知型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的引燃燃料。但是，可以使用發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油。發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油在Micro Pilot應(yīng)用中特別有吸收力，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要如此小量的引燃燃料(典型地，平均包括不超過供給到燃燒室中的總?cè)剂铣淞康拇蠹s1％)，以致可以連續(xù)地補(bǔ)充潤滑油，從而保持油新鮮并且不需要更換機(jī)油。
氣態(tài)燃料通過一個(gè)測量閥來供給，而該測量閥裝料到位于歧管34的入口處的一個(gè)節(jié)流體中，或者通過類似設(shè)置的機(jī)械控制閥來供給氣態(tài)燃料。但是，在圖示的實(shí)施例中，為每個(gè)氣缸12提供了獨(dú)立的噴射器40。每個(gè)噴射器40接受來自共用箱39和歧管36中的天然氣、丙烷或者其它氣態(tài)燃料，并且通過管路41把燃料直接噴射到相關(guān)氣缸12的入口26中。
參照圖2，進(jìn)氣控制系統(tǒng)包括(1)廢氣再循環(huán)(EGR)子系統(tǒng)，它允許再循環(huán)過的廢氣(EGR)從排氣管35流到進(jìn)氣管34中，和/或進(jìn)行過濾，從而除去炭煙；(2)廢氣渦輪增壓子系統(tǒng)，它使加入到進(jìn)氣管34中的非GER的空氣增壓。EGR子系統(tǒng)改變EGR和空氣流量，該子系統(tǒng)可以用來提高著火遲延期、稀釋進(jìn)料、減少最大燃燒溫度并且防止形成NOx排放。它包括(1)EGR冷卻器59和EGR測量閥60，它們設(shè)置在返回管路58中，該返回管路58從排氣管35通到進(jìn)氣管34中。管路58可以連通到排氣管路中，該排氣管路在它的入口端裝有廢氣閥74(下面詳細(xì)描述)，該管路58在它的出口端借助于混合文氏管61而最好注入到進(jìn)氣管路中。EGR過濾器63也設(shè)置在EGR冷卻器的上游處的管路58中，從而減少了柴油機(jī)的炭煙。第二管路62從渦輪旁通閥76連通到進(jìn)氣系統(tǒng)并且返回到進(jìn)氣系統(tǒng)中。此外，排氣背壓(EBP)閥68具有可調(diào)整的流量限定測量噴孔，該閥68可以設(shè)置在廢氣流中，從而控制廢氣絕對壓力(EGAP)，因此改變了GER流量。如果有閥68，那么閥68可以通過控制器56(參見圖6)來致動(dòng)，從而在沒有控制閥60的情況下調(diào)整EGR在加入到進(jìn)氣口66中的總充氣中的百分比。
如圖2所示一樣，進(jìn)氣控制系統(tǒng)的渦輪增壓子系統(tǒng)包括渦輪增壓器和后置冷卻器72，該后置冷卻器72設(shè)置在位于閥60和進(jìn)氣口66的上游處的管路62中。借助于廢氣閥74和渦輪旁通閥76以傳統(tǒng)方式來控制渦輪增壓器70的工作，而廢氣閥74和渦輪旁通閥76可以電連接到控制器56上(下面詳細(xì)描述)。也可以采用其它進(jìn)氣量改進(jìn)裝置如增壓器、渦輪-空氣旁通閥或者EGR改進(jìn)裝置如膨脹渦輪或者后置冷卻器。在待審和公知的授權(quán)美國專利申請系列No.08/991413(413專利申請)中(413專利申請的名稱為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳λ控制，該413專利申請由Beck等提交)提供了這些方式的例子，在這些例子中，這些裝置可以進(jìn)行工作，從而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)如空氣充量溫度(ACT)、過量空氣比(λ)和歧管絕對壓力。413專利申請的公開內(nèi)容以背景技術(shù)信息的方式引入以作參考。c.OSKA-ECIS燃料噴射器組件用于本發(fā)明的優(yōu)選的、圖示的實(shí)施例中的OSKA-ECIS燃料噴射器組件32包括(1)高排出系數(shù)的噴射器300；(2)所謂的OSKA破壞物體302；和(3)ω形燃燒室304，它設(shè)置在活塞16的上部表面306的腔中。噴射器300以快速落下的速率排出高速流，從而提供膨脹云狀噴霧束(Expanding Cloud Injection Spray)(ECIS)。所噴射出來的燃料流撞擊物體302，這使燃料滴破裂成更小的燃料滴，并且使燃料作為分散的、汽化的噴霧束折回到燃燒室304中。然后，使噴霧束以較大的渦流方式在整個(gè)燃燒室304中渦旋，從而使穿透、分配、汽化的速率最大化，并且與室18內(nèi)的空氣/燃料混合物進(jìn)行混合。
噴射器300最好是儲壓器型噴射器如美國再公告專利No.33270和美國專利No.5392745所描述的那種，這兩個(gè)專利的內(nèi)容在這里引入以作參考。在儲壓器型燃料噴射器中，噴射壓力作為平方函數(shù)而從初始最大值下降，并且噴射速度作為壓力的平方根函數(shù)而下降。因此，在噴射過程中，速度基本上以直線函數(shù)而下降。以另一種方式來說明，由于所有的或者接近所有的引燃燃料以均勻的下降速率進(jìn)行噴射，因此從噴嘴中噴射出來的油滴的每個(gè)連續(xù)部分移動(dòng)得比它之前的部分要慢，因而這些油滴沒有機(jī)會聚集起來。這種效果圖示在圖6的示意圖中，圖6示出了由快速落下的噴射速度或者-dUj/dt所產(chǎn)生的分離。
還如745專利所討論的一樣，通過下面方法可以提高ECIS效果在噴射器中使用噴嘴，與傳統(tǒng)的閥-罩-噴孔(VCO)噴嘴相比，該噴嘴具有相對較高的排出系數(shù)。中空噴嘴具有一個(gè)相對較大的排出噴孔，該噴孔直接朝向物體302，這樣的中空噴嘴就足夠了。但是，優(yōu)選的噴嘴310是所謂的底座柱針式噴嘴，例如這種噴嘴描述在美國專利No.5853124中，該專利的內(nèi)容在這里引入以作參考。在那種噴嘴中，負(fù)干涉角形成于針的錐形端部和配合的錐形閥座之間，因此針閥座設(shè)置在閥座的底部上而不是設(shè)置在閥座的頂部上。即使在很小的針閥升程中，但是所得到的噴嘴在針閥座的下游處沒有任何速率降，因此實(shí)質(zhì)上，用來使燃料增壓的所有能量被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能了。因此明顯提高了處于較小針升程中的噴霧束分散和穿透能力。
參照圖3-5a，柱針式噴嘴310包括噴嘴體312，在該噴嘴體312內(nèi)安裝著針閥組件，該針閥組件包括針閥314和閥座316。針閥314可滑動(dòng)地安裝在孔318內(nèi)，該孔318從閥座316沿軸向向上延伸到噴嘴體312中。壓力室319形成在針閥314的下部周圍，并且借助于燃料進(jìn)入通道(未示出)和進(jìn)入管路44而連接到燃料源42中。針閥314的下端形成了頂部328。針閥314的上端連接到針桿(未示出)上，該針桿本身由襯套或者其它針閥導(dǎo)向裝置(也未示出)來導(dǎo)向，從而與孔318進(jìn)行共心運(yùn)動(dòng)。借助于回位彈簧(也未示出)作用在針閥導(dǎo)向裝置的上表面上，使針閥314向下偏壓到閥座316上。相對較短的圓柱形通道324形成于閥座316下方的噴嘴體312中，并且出于下面要詳細(xì)描述的目的而使之通到噴嘴體312的底表面326上。
參照圖5a，閥座316典型地直接機(jī)加工成噴嘴體312并且形成了孔318的底端部，該閥座316終止于閥座噴孔330中。針閥頂部328成形成可選擇地(1)座落在閥座316上，從而防止噴射；及(2)從閥座316中升起，從而進(jìn)行噴射。當(dāng)針閥頂部328處于圖5和5a的升高位置上時(shí)，排出通道332形成于閥座316和針閥頂部328之間，從而通過排出通道332從壓力室319中使燃料進(jìn)行流動(dòng)并且通過閥座噴孔330流出噴射閥組件32。閥座316和密封閥座316的至少一部分針閥頂部328通常是錐形或者截錐形(這里所使用的術(shù)語錐形包括呈直角錐形的結(jié)構(gòu)和截面積從上部到下部進(jìn)行減少的其它結(jié)構(gòu))。
針閥頂部328包括與閥座316接合的截錐形部分334并且終止于底表面336。截錐形部分334長于閥座316，但是卻相當(dāng)短，或者只要它相對于要“底部落座”的閥座16而成形，甚至也可以采用其它形狀，“底部落座”如下面要定義的那個(gè)術(shù)語一樣。即使在噴射器300處于圖4的關(guān)閉位置上時(shí)，針閥頂部328的底表面336也保持凹入到缸蓋14中，從而保護(hù)針閥頂部328以免受到燃燒室18內(nèi)的熱氣體的影響。為了形成聚中的“激光”流，而該激光流成形成以最大力撞擊在物體302上，因此當(dāng)針閥頂部328處于它的關(guān)閉位置或者落座位置上時(shí)，噴嘴300終止于所謂的0角度針?biāo)ㄖ?pintle pintle)，從而減少了在錐形閥座316下方進(jìn)行延伸的任何結(jié)構(gòu)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在0針?biāo)ㄖ樦?，來?角度針?biāo)ǖ闹樖絿娮斓膰婌F束呈鉛筆式薄噴射(pencil-thin jet)的形式。
在優(yōu)選的圖示實(shí)施例中，柱針式噴嘴300是所謂的無節(jié)流柱針式噴嘴，在該噴嘴中，形成于柱針336和圓柱形通道324的邊緣表面之間的間隙面積總是大于閥座噴孔330的有效面積，因此最小的流量限制發(fā)生在閥座326的下游處。這種結(jié)構(gòu)確保了燃料以最大速度從噴嘴300排出-在較小的針閥升程和較小的燃料噴射量時(shí)考慮它非常重要。
閥座錐形所包括的角度a和針閥頂部錐形所包括的角度β常常是不同的，因此在它們之間形成了所包括的干涉角，從而確保落座在截然不同的針閥座上，該針閥座只是局部地沿著閥座316的長度進(jìn)行延伸，并且理論上講包括線接觸。干涉角設(shè)置成負(fù)的，因此針閥頂部328的錐形部分334落座在針閥座342上，而該座342設(shè)置在閥座316的底端上，而該底端位于這樣的位置上，該位置處于閥座孔330上或者接近鄰近閥座孔330，因此形成了底部落座的柱針式噴嘴。其結(jié)果是，通道332的橫截面積從閥座孔330到它的上端連續(xù)增大。干涉角應(yīng)該設(shè)置成足夠大，以致可以實(shí)現(xiàn)落座在閥座316的底部處的理想位置上，但是一定設(shè)置成足夠小，從而充分地分配針閥關(guān)閉時(shí)所產(chǎn)生的撞擊力，從而在針閥頂部328和閥座316上避免過度的撞擊應(yīng)力。優(yōu)選地，干涉角？的范圍應(yīng)該為0.5°到2°之間，并且它最好應(yīng)該設(shè)置為大約1°。
在工作時(shí)，噴嘴310的噴嘴針閥314在正常情況下借助于回位彈簧(未示出)而被迫處于關(guān)閉或者落座位置上，如圖4所看到的一樣。當(dāng)希望起動(dòng)噴射過程時(shí)，使燃料從燃料進(jìn)入通道320加入到壓力室319中。當(dāng)壓力室319中的增壓燃料作用在針閥314上的升力克服彈簧所施加的關(guān)閉力并且減少儲壓器式噴射器的控制腔內(nèi)的流體壓力時(shí)，噴嘴針閥314升高，從而允許燃料流過排出通道332、通過針閥座342、流出閥座孔330，然后流出噴嘴310。當(dāng)壓力室319內(nèi)的燃料壓力充分減少從而導(dǎo)致所得到的升力降低到小于回位彈簧施加在針閥314上的關(guān)閉力時(shí)，噴嘴針閥314關(guān)閉，從而終止噴射過程。
傳統(tǒng)的頂部落座針?biāo)?TSP)的排出通道的頂部上的流動(dòng)面積小于0.0到0.035mm的針閥升程值的閥座噴孔處的面積。另一方面，底部落座針?biāo)?BSP)300的排出通道的流動(dòng)面積，在閥座噴孔330處小于在所有針閥升程值時(shí)的排出通道332的頂部。因此，連續(xù)或者流動(dòng)的規(guī)則規(guī)定，BSP的閥座噴孔330處的流動(dòng)速度小于排出通道的上端處的流動(dòng)速度一個(gè)量，該量與閥座噴孔330處的流動(dòng)面積和排出通道332的上端處的面積之間的差值成比例。例如，在0.005mm的針閥升程中，在TSP噴嘴的排出通道的頂部處的流動(dòng)面積是0.0125mm2，而在通道的底部上的面積是0.025mm2，或者比值為0.5∶1.0。這種差別在第一次眼中好象是微不足道的。但是，考慮到，在相同的針閥升程和流動(dòng)速率時(shí)，噴嘴300的流動(dòng)面積在排出通道332的頂部處是0.045mm2，而在底部處即在閥座噴孔330處是0.0125mm2。在相同針閥升程時(shí)，在底部落座的柱針式噴嘴的出口或者閥座噴孔處的噴霧束速度由于BSP300的排出通道332的匯合流動(dòng)面積而將是頂部落座的柱針式噴嘴的噴霧束速度的兩倍。由于噴霧束的動(dòng)能與速度的平方成比例，因此在相同的針閥升程和容積流率時(shí)，BSP300的噴霧束能量將是類似的頂部落座的針?biāo)ǖ乃谋?。這又允許快速混合和汽化所噴射出來的燃料。
借助于圖7的曲線370和372來評價(jià)這種效果的重要性，這些曲線作圖表示了BSP和TSP的排出通道的底部處的流體速度。這些曲線特別合適，這些曲線示出了在小于大約0.03mm的針閥升程時(shí)，BSP的排出通道的底部處的速度基本上大于TSP的排出通道的底部處的速度。在0.01mm的升程處，BSP的噴霧束的速度與TSP的噴霧束的速度之比是175m/s比121m/s，或者能量比是2∶1。
底部落座(bottom seated)的柱針式噴嘴300所提供的提高速度產(chǎn)生了這樣的閥座噴孔處的噴霧束速度，該速度是工作在相同針閥升程和噴射壓力下時(shí)其它類似結(jié)構(gòu)的頂部落座(top seated)的柱針式噴嘴的速度的兩倍。提高的速度在OSKA-ECIS燃料噴射器和撞擊物體組件中提供了兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。首先，它在每單位時(shí)間內(nèi)可以噴射大量的燃料，因此可以使用更短的Dp來噴射給定量的引燃燃料，因此有利于使Dp/Di大約為0.2或者更小。第二，高速噴射撞擊撞擊物體302使噴射霧束能量最大化，并且還提高了由OSKA物體302所提供的增強(qiáng)混合效果，因此進(jìn)一步減少了Dm。
再參照圖4和5，OSKA物體302通常是由美國專利No.5357924所公開的那種，該專利的內(nèi)容在這里引入以作參考。物體302安裝在平臺350上，平臺350從腔304的中心向上延伸。物體302最好包括平頭插入物，該插入物擰到平臺350的頂部上的孔352中或者插入到孔352中。與鑄造金屬活塞16的剩余部分相比，該插入物較硬，從而減輕了磨損。物體302的上表面354包括所噴射出來的燃料的進(jìn)入流的、基本上是平的撞擊平面。環(huán)形區(qū)域356包圍著物體302并且沿著徑向形成于平臺350的邊緣和物體302之中，該環(huán)形區(qū)域356用作過渡區(qū)域，該過渡區(qū)域促使折回燃料流以這樣的方式進(jìn)入ω形燃燒室304中，以致可以增強(qiáng)由燃燒室304的ω形所提供的渦流運(yùn)動(dòng)。
燃燒室304不是真正的ω形，因?yàn)榻柚诮厝セ钊?6的上表面360的頭部而使ω形的頂部減小了。切斷(1)提供了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的余隙容積和壓縮比；(2)截去了ω形的上表面的內(nèi)邊緣362的頭部，從而防止形成刃狀物，因此使活塞的結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。截?cái)喑潭仍O(shè)置成在活塞的TDC位置上使活塞14的上表面360接近接觸缸蓋16的最下部表面362，因此提高了所謂的“擠壓混合”的效果，該效果產(chǎn)生于空氣/燃料混合物聚集在非常小的間隙中，而間隙位于活塞16的最上表面360和缸蓋14的最下表面364之間。
燃燒室304的橫截面設(shè)置成提供所需要的容積，從而提供發(fā)動(dòng)機(jī)的額定壓縮比。在具有16∶1的壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)中，環(huán)形橫截面具有大約為0.25XDBORE的直徑DrORIOD，這里DBORE是孔的直徑，在該孔內(nèi)放置著活塞。因此，在140mm的直徑孔的情況下，每個(gè)環(huán)形具有35mm的直徑。燃燒室304的各個(gè)環(huán)形具有55mm的中心-對-中心空間。相反地，DTOROID等于大約0.20DBORE，從而得到20∶1的壓縮比，并且DTOROID等于大約0.30DBORE，從而得到12∶1的壓縮比。
選擇噴嘴300、物體302和燃燒室304的總體尺寸大小和結(jié)構(gòu)，從而在使理想的ECIS效果最大化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)理想的Dp/Di減少量和Dm的減少量效果。當(dāng)燃料以下面這樣的速度進(jìn)行噴射時(shí)該速度大小從大約200到250m/s(最好是230m/s)的初始最大速度下降到大約130m/s到220m/s(最好為160m/s)的最后速度，最好實(shí)現(xiàn)ECIS效果。這些效果通過下面方法可以實(shí)現(xiàn)在5到10mPa的氣缸壓力下得到20到30mPa的噴射壓力。
在心中有這些約束條件，可以發(fā)現(xiàn)，對于140mm的活塞直徑和2mm3的引燃燃料量QPILOT而言，最佳的噴射器和噴霧束尺寸大小接近如下表1優(yōu)選的OSKA-ECIS噴射器特性
由于OSKA物體302使噴霧束破裂成這樣尺寸大小的油滴，該尺寸大小大約是進(jìn)入的噴霧束的直徑的5％到10％，由于油滴在ECIS型噴射過程中移動(dòng)大約500到1000油滴直徑的距離，因此最后得到的OSKA-ECIS噴射器組件32將使油滴分布在25到100倍的初始噴霧束直徑的空間內(nèi)，或者分布在作為第一近似值的8到32mm的空間中。最后所得到的布置允許燃料穿透率、分配率和汽化率在最小的Dm期間最大化，因此大大有利于Dp/Di和Dm最小化，并且有利于這些特性的主動(dòng)控制，從而使點(diǎn)火強(qiáng)度最佳。
d.電子控制系統(tǒng)參照圖8，控制器或者電子控制元件(ECU)56包括任何電子裝置，該電子裝置可以監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)工作，并且控制供給到發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃料和空氣。在圖示的實(shí)施例中，ECU56包括可編程數(shù)字微處理器?？刂破骰蛘逧CU56接受來自各種傳感器的信號，該各種傳感器各自包括控制器位置或者其它動(dòng)力命令傳感器80、燃料壓力傳感器81、發(fā)動(dòng)機(jī)速度(RPM)傳感器82、曲軸角度傳感器84、進(jìn)氣管絕對壓力(MAP)傳感器86、進(jìn)氣管空氣充氣溫度(ACT)傳感器88、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度傳感器90、測量排氣背壓(EBP)的傳感器92和監(jiān)視廢氣閥74的工作的傳感器94。控制器56還確定EGAP直接來自EGAP傳感器98或者非直接來自EBP傳感器92(如果使用EBP閥68)。用來控制燃料噴射的其它傳感器以100圖示在圖8中。其它值如指示平均有效壓力(EMEP)和所噴射出來的氣體質(zhì)量及大小(各自為QGAS和VGAS)借助于控制器56使用來自一個(gè)或者多個(gè)傳感器80-100的數(shù)據(jù)和公知的數(shù)學(xué)關(guān)系來計(jì)算出來。還有其它值如進(jìn)氣管絕對壓力(MAP)、指示平均有效壓力(IMEP)、最大發(fā)動(dòng)機(jī)速度(RPM)、容積效率燃料質(zhì)量和各種系統(tǒng)常數(shù)最好儲存在ROM或者控制器56的其它儲存裝置中?？刂破骼眠@些信號并且發(fā)射輸出信號，從而各自控制柴油軌壓力調(diào)節(jié)器52、引燃燃料噴射器組件32和氣體噴射器40。類似信號用來各自控制渦輪廢氣閥74、渦輪旁通閥76和測量噴孔或者EBP閥68。
3.點(diǎn)火強(qiáng)度最大化a.通過Dp/Di控制來使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化i.基本理論根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，控制器56(1)接受來自各種傳感器的信號，(2)根據(jù)這些信號執(zhí)行計(jì)算，從而確定使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的噴射和/或燃燒特性；及(3)相應(yīng)地調(diào)整所確定的特性。這種控制最好根據(jù)全部時(shí)間(即一個(gè)接一個(gè)的循環(huán))、全速和負(fù)荷范圍來執(zhí)行。它可以是開環(huán)或者閉環(huán)?，F(xiàn)在描述可能的控制圖表，但是應(yīng)該知道，其它控制圖表也是可能的。
如上所述，點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的關(guān)鍵是得到比值Dp/Di＜1。借助于改變引燃燃料噴射定時(shí)Tp、引燃燃料噴射時(shí)間Dp和/或自燃定時(shí)Ti來改變Dp/Di。借助于改變混合時(shí)期Dm(這里Dm＝Di-Dp)，所有這三種可以改變了Dp/Di.Dm是燃料充量的最后油滴從噴射器噴出到自燃開始之間的時(shí)間。因此，點(diǎn)火強(qiáng)度通過優(yōu)化Dm可以達(dá)到最大。這個(gè)事實(shí)通過圖9的曲線可以得到證實(shí)。那個(gè)圖的曲線110表示在各種Tp和Dm值下、Caterpillar Model 3406發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在1800RPM和全負(fù)荷情況下的NOx排放物對Dm。Dm可以通過改變點(diǎn)火定時(shí)Ti來進(jìn)行調(diào)整。Dp保持不變，并且，由于Ti在6°c.a.和BTDC時(shí)接近不變，因此Di接近等于Tp-6°，并且Dm接近等于Tp-12°。
對于圖9、曲線110的數(shù)據(jù)而言，Dp/Di的范圍以下面進(jìn)行運(yùn)行Dp＝6°c.a.
Tp＝10-40°c.a.
Di＝4-34°Dm＝0-28°Dp/Pi＝1.5-0.17Dp/Di opt＝6/22到6/36＝0.27到0.17用來形成圖9的數(shù)據(jù)再現(xiàn)在下面的表2中
表2BSNOx和Dm之間的關(guān)系
實(shí)際數(shù)據(jù)可以改變。曲線110’表示通過使用減少的ACT作為工具來調(diào)整Di和Dp/Di所期望的。就減少的ACT或者加入EGR等而言，Di增加，從而在增加Dm和移向最佳的Dm和Dp/Di時(shí)提供了直接效果。
上面只是示出這種趨勢的典型例子。最佳的Dm不是不變的。它隨著許多因素進(jìn)行改變，這些因素包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和ACT。由于燃料汽化率隨著溫度而升高，因此最大的理想Dm隨著VCT而反向改變。那種效果借助于圖10來證明，該圖10表示在上述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在1800RPM和全負(fù)荷的情況下(1)燃料穿透率和分配百分比，及(2)燃料汽化百分比。曲線120證明了，對于所有的ACT大小而言，在大約25°c.a.的Dm之后，燃料穿透和分配的百分比連續(xù)增加到實(shí)際的100％。曲線120’表明，平均穿透率隨著MAP的減少而增大。燃料汽化百分比在平均比率(該比率隨著ACT增加)下增加得更慢(比較小的ACT曲線122(即ACT-30℃)和中等的ACT曲線124(即ACT-50℃)及小的ACT曲線126(即ACT-70℃))。點(diǎn)火強(qiáng)度最大化產(chǎn)生于(1)穿透和汽化的百分比及燃料汽化的百分比超過至少大約50％、最好是75％，從而得到預(yù)混合的燃燒；及(2)對于超過大約10°c.a.(在那個(gè)點(diǎn)之后可以產(chǎn)生失火)而言，燃料噴霧束汽化的百分比不會保持在100％。使用這些參數(shù)，可以看到，對于小的ACT而言，最佳Dm范圍從25到30°c.a.，對于中等ACT而言，最佳Dm范圍從20到25°c.a.，對于大的ACT而言，最佳Dm范圍從18到23°c.a.。用來產(chǎn)生圖10的數(shù)據(jù)再現(xiàn)在表3中表3Dm和汽化穿透及分配百分比之間的關(guān)系
點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的效果可以用圖11的曲線來表示。曲線130、132和134表示在Caterpillar Model 3406B發(fā)動(dòng)機(jī)具有2.4l/氣缸的排量并且工作在1800RPM的速度和全負(fù)荷的情況下的瞬時(shí)熱量釋放(BTU/c.a.)、累積的熱量釋放(BTU)和氣缸壓力對曲柄角位置。Tp、Dp和Ti各自設(shè)置在18°BTDC、6°c.a.和12°c.a.，從而保持6°c.a.的Dm和0.5的Dp/Di。由于點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的作用，瞬時(shí)熱量釋放曲線130在引燃燃料燃燒期間非常陡(實(shí)際上接近垂直)，這產(chǎn)生于從大約7°到2°BTDC。熱量以0.05BTU/°c.a.或者0.5BTU/毫秒的速率進(jìn)行釋放。通過大約220KW/l的最大點(diǎn)火強(qiáng)度，這種高熱量釋放導(dǎo)致非常快速地點(diǎn)燃主要?dú)鈶B(tài)燃料充量。(假設(shè)引燃只產(chǎn)生了點(diǎn)燃能量的一半來計(jì)算出熱量釋放速率的估計(jì)值)。(這種百分比可以通過EGR和/或水噴射等來進(jìn)行調(diào)整)。如從曲線132所看到的一樣，在整個(gè)燃燒過程中，累積熱量釋放非?？焖俚匦纬桑瑥亩绊懡咏鶆蚧旌衔锏挠行紵⑶医档蚇Ox排放物。
假設(shè)對于Tp和Dp不變的時(shí)間而言，Dm及相應(yīng)的Di/Dp可以通過改變自燃定時(shí)Ti來進(jìn)行改變。如圖13的曲線180、182、184和186所示的一樣，混合時(shí)間時(shí)的Di變量的作用將依賴于作為Di變量和/或Dp變量的結(jié)果而得到的Dp/Di。這些曲線證實(shí)了，Dm對Di變化的敏感度在小的Dp/Di比率比在大的Dp/Di比率時(shí)大得多(比較曲線180到曲線186)。這些曲線還證實(shí)了，較長的混合時(shí)間在小的Dp/Di比率時(shí)更加容易實(shí)現(xiàn)，從而有利于使Dp/Di比率保持小于0.5、最好保持小于0.2，從而在沒有過度延遲Ti的情況下形成足夠大的Dm。用來形成圖13的數(shù)據(jù)再現(xiàn)在表4中表4Tp和Di之間的關(guān)系
對于特殊的一系列發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性而言，Ti進(jìn)行改變從而優(yōu)化Dm的方式需要理解影響它的因素。
自燃定時(shí)主要依賴于下面因素發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比；空氣充量溫度(ACT)；壓縮壓力(MEP)；壓縮溫度；燃料的十六烷值；氣體燃料壓縮指數(shù)，Cp/Cv；空氣/燃料比(λ)廢氣再循環(huán)(EGR)。
在這些因素當(dāng)中，對于特殊發(fā)動(dòng)機(jī)(這種發(fā)動(dòng)機(jī)供給特殊燃料并且沒有EGR或者水的再循環(huán))而言，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、燃料十六烷值和Cp/Cv是不變的。此外，壓縮溫度直接依賴于ACT，并且壓縮壓力直接依賴于歧管的絕對壓力MAP。λ依賴于(A)供給到燃燒室中的氣態(tài)燃料充量的質(zhì)量；(B)供給到燃料室中的空氣充量的質(zhì)量；(C)ACT；(D)MAP；及(E)跳火工作時(shí)的點(diǎn)火氣缸部分FFC。
如上所述，Di和相應(yīng)的Dm及Di/Dp也可以通過改變噴射定時(shí)Tp進(jìn)行改變，噴射時(shí)間常常保持盡可能地短，因此很少故意改變噴射時(shí)間。但是，下面這些是理想的調(diào)整引燃量、噴射壓力等從而處理引燃噴霧束，從而有助于引燃點(diǎn)火過程的優(yōu)化。Tp和Di之間的關(guān)系隨著許多因素進(jìn)行改變，特別是明顯地隨著ACT和/或EGR進(jìn)行改變。這個(gè)事實(shí)由圖12中的曲線142、144和146所知道了，這些曲線各自示出了小的ACT、中等的ACT和大的ACT的Di比Tp。這些曲線示出了，如果一個(gè)人借助于得到如15°c.a.的Di而希望得到理想的Dm和Di/Dp，那么Tp在大約為30℃的小ACT時(shí)將大約是18°BTDC、在大約為50℃的中等ACT時(shí)將大約是24°BTDC、并且在大約為70℃的在ACT時(shí)將大約是30°BTDC。
總之，點(diǎn)火強(qiáng)度最大化通過使Dp/Di小于1、最好小于0.5并且常常處于0.1和0.2之間或者甚至更小來實(shí)現(xiàn)。Dp/Di通過調(diào)整Tp、Dp和/或Di來進(jìn)行改變。主要注意的是，Dp/Di的任何控制不應(yīng)該導(dǎo)致形成失火危險(xiǎn)的Dm。Dp/Di的變量常常受到Dm的變量影響并且依賴于Dm的變量。因此引導(dǎo)點(diǎn)火強(qiáng)度最大化常常被認(rèn)為是根據(jù)全部時(shí)間、全部范圍來優(yōu)化Dm?，F(xiàn)在詳細(xì)描述優(yōu)化Dm的可能的控制圖。
ii.開環(huán)控制現(xiàn)在參照圖14，在全部時(shí)間、全部范圍內(nèi)使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的一個(gè)可能的程序用150來示出。程序150最好通過圖8的控制器56來執(zhí)行，而控制器56使用了那個(gè)附圖中所示出的各種傳感器和控制設(shè)備。該程序借助于使混合時(shí)間Dm最佳化而使Dp/Di最佳化。典型地，Dm通過使Tp、Di或者這兩者最佳化而最佳化。程序150從152的開始轉(zhuǎn)到方塊154中，在那里，讀出各種發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，從而使用來自圖8的傳感器的預(yù)定值和讀數(shù)。這些工作參數(shù)可以包括控制設(shè)置或者一些其它的動(dòng)力命令指示；發(fā)動(dòng)機(jī)速度(Sc)；曲軸位置(Pm)；歧管絕對壓力(MAP)；空氣充量溫度(ACT)；廢氣再循環(huán)(EGR)；施加到歧管中的氣體量(QGAS)；及燃料成分；數(shù)據(jù)進(jìn)入之后，程序150轉(zhuǎn)到方塊156中，并且開始計(jì)算影響Dm的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，這些參數(shù)包括λ、引燃燃料軌壓力PRAIL、Tp和Dp。然后，在方塊158中，程序150確定得到最大點(diǎn)火強(qiáng)度所需要的Dm的值。最好從查尋表中得到在特殊工作條件下的最佳Dm，而該查尋表為包括速度、負(fù)荷、λ等在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件的全部范圍進(jìn)行校準(zhǔn)過。
一旦確定了最佳Dm，那么程序150轉(zhuǎn)到方塊160中，在那里，查尋表被用來確定在普通的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下得到確定的Dm所需要的、一個(gè)或者多個(gè)工作參數(shù)的合適設(shè)定值。如上面所顯而易見的是，選擇要調(diào)整的參數(shù)及調(diào)整量的大小根據(jù)許多因素來改變，這些因素包括瞬時(shí)速度和負(fù)荷和其它同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的程序如λ最佳程序。如上所述，如果使用Tp、λ、MAP、ACT和EGR的話，那么所控制的參數(shù)典型地是Tp、λ、MAP、ACT和EGR的結(jié)合。如果Tp不變、或者根據(jù)其它考慮單獨(dú)控制Tp，那么Dm通過調(diào)整Ti來進(jìn)行調(diào)整。Ti可以通過下面兩種方法來進(jìn)行調(diào)整調(diào)整初始的空氣溫度(即噴射/燃燒循環(huán)開始時(shí)的溫度)，及在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)的壓縮相期間，調(diào)整燃燒室內(nèi)的空氣溫度的升高速率。在這種情況下，初始空氣溫度可以通過改變ACT來調(diào)整。例如借助于調(diào)整廢氣再循環(huán)(EGR)、水噴射、MAP和λ中的一個(gè)或者多個(gè)來調(diào)整空氣溫度升高速率。
查尋表包含根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所確定的信息，該信息涉及在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下這些參數(shù)中的每一個(gè)對Dm的影響，并且控制器56選擇得到Dm(Dm落入使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的、可接受的范圍內(nèi))所需要的特殊設(shè)定值。另一方面，使用例如從圖12的Tp對Di曲線所搜集起來的數(shù)據(jù)，調(diào)整Tp，從而得到最佳Di，并且相應(yīng)地得到最佳的Dm。
然后，該程序轉(zhuǎn)到方塊162中，在那里，所控制的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)調(diào)整成得到在方塊160中所確定的Dm的值所需要的。其結(jié)果是，當(dāng)氣體/空氣混合物加入到燃燒室中并且引燃燃料充量噴射到方塊164中的空氣和氣體的預(yù)混合充量中時(shí)，可以得到所確定的最佳Dm，從而得到理想的Dp/Di和點(diǎn)火強(qiáng)度的最大化。然后，該程序轉(zhuǎn)到方塊166中的返回中。
iii.閉環(huán)控制另一方面，在閉環(huán)方式中使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化，該閉環(huán)方式使用測量過的參數(shù)，例如，該參數(shù)從快速NOX傳感器、爆震探測器、氣缸壓力傳感器或者用為反饋的氫火焰離子化檢測器中得到。從根據(jù)上講，火焰離子化優(yōu)選為反饋參數(shù)，因?yàn)樵谝粋€(gè)接一個(gè)的循環(huán)中它可以相對容易監(jiān)視到，并且可以提供直接的Di測量值，因?yàn)镈i＝Tp-Ti及Dm＝Tp-Ti-Dp。參照圖15，執(zhí)行閉環(huán)反饋控制的程序200從方塊202的開始進(jìn)行，并且除了用作反饋如火焰離子化的一個(gè)或者多個(gè)輔助值在方塊204中讀出之外，與圖14的開環(huán)例子一樣通過讀出和計(jì)算步驟202和204。然后，在方塊206中，使反饋參數(shù)的測量值與預(yù)定值或者這些的范圍進(jìn)行比較，從而確定Dm的調(diào)整量是否需要。如果查詢的回答是YES，那么表明不需要混合時(shí)間調(diào)整量，那么程序200轉(zhuǎn)到步驟212中并且在沒有調(diào)整Dm的情況下控制燃料加入量、引燃燃料噴射和燃料點(diǎn)火循環(huán)。另一方面，如果方塊206的查詢回答是NO，那么表明在繼續(xù)的循環(huán)中所使用的點(diǎn)火延遲需要改變，那么程序200轉(zhuǎn)到方塊210中并且改變一個(gè)或者多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，從而改變Dm。剛好與前面的一樣，改變過的參數(shù)是Tp、ACT、MAP、λ或者這些的結(jié)合。調(diào)整量的大小可以不變，或者可以依賴于測量值之間的偏差大小，該值大小在正常情況下與理想的Dm和實(shí)際的Dm之間的差值成比例。
然后，程序200與前面一樣轉(zhuǎn)到方塊212中，從而開始引燃燃料噴射、氣態(tài)燃料/空氣充量加入及點(diǎn)火和燃燒循環(huán)。然后，程序轉(zhuǎn)到方塊214中的返回。
c.通過引燃點(diǎn)火的功率的功率最大化來進(jìn)行點(diǎn)火強(qiáng)度最大化控制因此，根據(jù)最佳的Dp/Di或者涉及它如最佳Di或者最佳Dm的因素，在前面描述了最大點(diǎn)火強(qiáng)度。但是，根據(jù)自燃期間引燃燃料所產(chǎn)生的最大瞬時(shí)功率來考慮最大點(diǎn)火強(qiáng)度也是有利的。通過下面方法來得到最大瞬時(shí)功率輸出控制噴射定時(shí)、噴射時(shí)間和/或點(diǎn)火延遲，從而在整個(gè)燃燒室內(nèi)具有最佳尺寸大小和數(shù)目的油滴而得到均勻分布的引燃燃料。點(diǎn)火強(qiáng)度最大化的這種方法可以通過使用具體的例子來知道。在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮點(diǎn)火式引導(dǎo)點(diǎn)火充量中(該發(fā)動(dòng)機(jī)具有每缸2.4升的排量、16∶1的壓縮比和2mm3的柴油引燃量)，點(diǎn)火強(qiáng)度最大化產(chǎn)生于所噴射出來的引燃燃料呈50微米的平均直徑的、均勻分布的油滴的形式時(shí)。如果氣體/空氣充量處于2.0的λ時(shí)，那么噴射的燃燒特性如下表5由最大點(diǎn)火強(qiáng)度所產(chǎn)生的噴燃燒特性
在上面例子中，自燃產(chǎn)生于超過30000個(gè)油滴的瞬時(shí)燃燒，每個(gè)油滴起著小火花塞的作用。所得到的自燃產(chǎn)生了70KW或者30KW/l的瞬時(shí)功率，從而導(dǎo)致了氣態(tài)燃料在燃燒室內(nèi)的非常有效的點(diǎn)火。這種最大點(diǎn)火強(qiáng)度受到圖11的曲線130上的最大值的影響。其它計(jì)算已經(jīng)表明，可以得到超過200KW/l的排量的最大點(diǎn)火強(qiáng)度。
在沒有脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)的情況下可以對本發(fā)明進(jìn)行許多改變和替換。
例如，主要結(jié)合在活塞的進(jìn)氣沖程期間加入氣態(tài)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)描述了本發(fā)明，但是它同樣可以應(yīng)用到這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)中在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，在活塞的壓縮沖程期間，典型地接近活塞的TDC位置，借助于高壓直接噴射(HPDI)來供給氣態(tài)燃料。例如，DPDI描述在美國專利No.5832906(Westpor Industries)中，這個(gè)專利的內(nèi)容在這里引入以作參考。
附加的權(quán)利要求書使其它改變的范圍變得更加顯而易見。
權(quán)利要求
1.一種把引燃燃料充量噴射到壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中從而點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)的氣態(tài)燃料充量的方法，該方法包括控制引燃燃料噴射的開始定時(shí)Tp、引燃燃料噴射時(shí)間Dp和點(diǎn)火延遲時(shí)間Di中的至少一個(gè)，從而使Dp/Di＜1。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)全部時(shí)間、全速和負(fù)荷范圍來重復(fù)控制步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于控制步驟包括得到混合時(shí)間Dm＞1°c.a.，這里Dm＝Di-Dp。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于控制步驟包括得到位于5°c.a.和40°c.a.之間的Dm。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于得到步驟包括改變自燃定時(shí)Di。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于Di通過調(diào)整下面這些中的至少一個(gè)來進(jìn)行改變(A)加入到燃燒室中的空氣充量的溫度ACT；(B)加入燃燒室中的空氣充量的壓力MAP，及(C)燃燒室內(nèi)的天然氣/空氣混合物的空氣/燃料比λ。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于ACT通過調(diào)整下面這些中的至少一個(gè)來進(jìn)行調(diào)整(A)改變從發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣到燃燒室中的廢氣再循環(huán)EGR的百分比；(B)改變下面這些中的至少一個(gè)的工作(1)增壓器、(2)渦輪增壓器、(3)中冷器及(4)設(shè)置于中冷器下游處的膨脹渦輪；(C)改變中間冷卻器的工作，該中間冷卻器冷卻供給到燃燒室中的進(jìn)氣，及(D)將水噴射到進(jìn)氣混合物中。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過下面方法來調(diào)整MAP調(diào)整渦輪空氣旁通閥的工作狀態(tài)，從而控制進(jìn)氣流的百分比，該進(jìn)氣流旁通發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器的壓縮機(jī)輸出。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過調(diào)整廢氣閥或者調(diào)整渦輪增壓器的可變渦輪噴嘴來調(diào)整MAP。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過改變下面這些中的至少一個(gè)來調(diào)整λ(A)供給到進(jìn)氣系統(tǒng)或者燃燒室中的氣態(tài)燃料充量的值，(B)供給到燃燒室中的空氣充量的大小，(C)ACT，(D)MAP，及(E)在跳火工作時(shí)著火氣缸的比例FFC。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于通過調(diào)整廢氣再循環(huán)EGR來改變Di。
12.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于得到步驟包括調(diào)整Tp和Dp中的至少一個(gè)。
13.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于得到步驟包括通過調(diào)整燃燒室內(nèi)的引燃燃料油滴的尺寸大小、數(shù)目、分布和汽化比例中的至少一個(gè)，從而調(diào)整燃燒室內(nèi)的引燃燃料燃燒的速率。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于噴射步驟包括，使連接到燃料源中的電動(dòng)燃料噴射器進(jìn)行工作，而該燃料是可以壓燃的。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于噴射器包括一個(gè)這樣的噴射器，在至少噴射過程的實(shí)質(zhì)部分期間，它以膨脹云狀噴射燃料。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于噴射器包括底部落座的柱針式噴嘴和撞擊物體，從噴嘴噴射出來的燃料撞擊該物體。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于噴射器包括儲壓器型液壓電子元件噴射器和非儲壓器型液壓電子元件噴射器中的一個(gè)，或者包括任何其它共軌電子燃料噴射系統(tǒng)。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于引燃燃料是柴油。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于引燃燃料是發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于引燃燃料充量包括平均不超過供給到燃燒室中的總?cè)剂铣淞康拇蠹s1％。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在活塞的進(jìn)氣沖程期間，把氣態(tài)燃料充量加入到燃燒室中。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在活塞的壓縮沖程期間，把氣態(tài)燃料充量加入到燃燒室中。
23.一種引導(dǎo)點(diǎn)燃內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的氣態(tài)燃料和空氣的混合物的方法，該方法包括(A)在氣態(tài)燃料加入到燃燒室之前或者之后，把引燃燃料充量噴射到燃燒室中，引燃燃料借助于壓縮點(diǎn)火而可以自燃。(B)借助于使發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞進(jìn)行壓縮沖程而點(diǎn)燃引燃燃料充量；及(C)控制引燃燃料噴射定時(shí)、引燃燃料噴射時(shí)間和自燃定時(shí)中的至少一個(gè)，從而使燃燒室內(nèi)的引燃燃料充量的燃燒產(chǎn)生大于100KW/l的最大功率。
24.一種發(fā)動(dòng)機(jī)，它包括(A)氣缸，它包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和活塞，該活塞在所述氣缸內(nèi)可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而在所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和所述活塞之間限制出變?nèi)菔饺紵摇?B)氣態(tài)燃料源，在所述活塞的進(jìn)氣沖程和所述活塞的壓縮沖程中的一個(gè)期間，它設(shè)置成與所述燃燒室處于流體連通；(C)空氣源，在所述活塞的所述進(jìn)氣沖程期間，它設(shè)置成與所述燃燒室處于流體連通中；(D)引燃燃料噴射器，在所述活塞的壓縮沖程期間，它成形成把引燃燃料充量噴射到所述燃燒室中；及(E)控制器，它控制至少包括所述引燃燃料噴射器、所述氣態(tài)燃料源和所述空氣源在內(nèi)的裝置，因此引燃燃料噴射的開始定時(shí)Tp、引燃燃料噴射時(shí)間Dp和點(diǎn)火延遲時(shí)間Di是這樣的Dp/Di＜1。
25.如權(quán)利要求24所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制器控制所述裝置，從而根據(jù)一個(gè)接一個(gè)的循環(huán)、全速和負(fù)荷范圍得到Dp/Di＜1。
26.如權(quán)利要求24所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述控制器控制所述裝置從而得到位于5°和40°之間的混合時(shí)間Dm，這里Dm＝Di-Dp。
27.如權(quán)利要求24所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述噴射器包括一個(gè)這樣的噴射器，在至少噴射過程的實(shí)質(zhì)部分期間，它以膨脹云狀噴射燃料。
28.如權(quán)利要求27所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述噴射器包括底部落座的柱針式噴嘴和撞擊物體，從所述噴嘴噴射出來的燃料撞擊該物體。
29.如權(quán)利要求24所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述燃料源是柴油和發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油中的一種。
30.如權(quán)利要求28所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述氣態(tài)燃料源和所述空氣源共用空氣供給歧管。
31.如權(quán)利要求28所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于所述氣態(tài)燃料噴射到所述進(jìn)氣口中。
32.如權(quán)利要求28所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于在所述活塞的壓縮沖程期間，把所述氣態(tài)燃料噴射到所述燃燒室中。
全文摘要
在引導(dǎo)點(diǎn)火的、供給氣體燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，控制引燃燃料噴射和/或點(diǎn)火，從而保持Dp/Di＜1，這里，Dp是引導(dǎo)噴射過程的時(shí)間，而Di是噴射延遲時(shí)間，該噴射延遲時(shí)間是從引燃燃料噴射開始(Tp)到引燃燃料自燃開始(Ti)所測得的。當(dāng)混合時(shí)間Dm位于引燃燃料噴射結(jié)束和自燃開始之間時(shí)，Dp/Di小于1。這種混合時(shí)間能使所噴射出來的引燃燃料全部分布在整個(gè)燃燒室中，并且與燃燒室內(nèi)的氣態(tài)燃料/空氣充量進(jìn)行混合，及在著火之前進(jìn)行汽化，從而提高了引燃燃料、氣態(tài)燃料和空氣的非均勻混合的預(yù)混合燃燒，并且大大地減少了NOx排放。根據(jù)一個(gè)接一個(gè)的循環(huán)不、全速和負(fù)荷范圍，使Dp/Di(或者它的特性如Dm、Di)最好保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，從而在所有發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下使點(diǎn)火強(qiáng)度最大化。所得到的引導(dǎo)點(diǎn)火強(qiáng)度的最大值可以產(chǎn)生大約200KW/l的發(fā)動(dòng)機(jī)排量的瞬時(shí)功率。
文檔編號F02D43/00GK1479006SQ02141920
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者尼爾斯·J·貝克, 尼爾斯 J 貝克, 克雷西米爾·格伯特, 米爾 格伯特, 王凱清 申請人:凈化空氣合伙公司