循環(huán)中期的燃料噴射策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及根據(jù)發(fā)動機圖(engine map)中的供燃區(qū)域(fuelling reg1n)將氣態(tài)燃料引入至內(nèi)燃機的技術(shù)，所述發(fā)動機圖是隨著發(fā)動機運行條件的變化而確定的。
【背景技術(shù)】
[0002]替代燃料諸如天然氣被發(fā)動機制造商采用在所謂的雙燃料(dual fuel)發(fā)動機、二元燃料(b1-fuel)發(fā)動機和可變?nèi)剂?flex-fueled)發(fā)動機中。雙燃料發(fā)動機是用多于一種的燃料類型同時供燃的，例如消耗天然氣作為主燃料且消耗柴油作為引燃燃料的發(fā)動機。二元燃料發(fā)動機可以消耗多于一種的燃料類型，但是一次僅用一種類型供燃，諸如消耗汽油或天然氣但卻不將兩者一起消耗的發(fā)動機?？勺?nèi)剂习l(fā)動機結(jié)合雙燃料發(fā)動機和二元燃料發(fā)動機兩者的特征，并且可以同時消耗多于一種的燃料類型或者可以以單一燃料運行。例如這樣的發(fā)動機:其通常消耗汽油或天然氣，但根據(jù)發(fā)動機運行條件也可以同時消耗這兩種燃料。
[0003]作為在直接噴射汽油發(fā)動機中采用替代燃料的第一步，制造商整合端口噴射系統(tǒng)，其引入氣態(tài)燃料以使得該發(fā)動機可以作為二元燃料發(fā)動機或可變?nèi)剂习l(fā)動機運行。一種用于這些發(fā)動機的示例性替代燃料是天然氣。因為天然氣被認為是一種替代燃料而不是基本燃料，所以這些發(fā)動機被優(yōu)化用于用汽油運行。當(dāng)發(fā)動機用天然氣運行時，相比于用汽油運行，其導(dǎo)致減少的功率和扭矩。此減弱的性能的一個原因是在進氣沖程期間由天然氣取代空氣。由于將汽缸中的空氣取代，可用來與燃料一起燃燒的氧化劑就較少，這減小了平均燃燒壓力和可用于推進車輛的功率。
[0004]由于汽油在成本上相對于天然氣持續(xù)增大并且排放條例變得更嚴格，發(fā)動機制造商有動機在單燃料發(fā)動機之外還將二元燃料發(fā)動機和可變?nèi)剂习l(fā)動機優(yōu)化用于以天然氣運行。用于增大消耗天然氣的發(fā)動機的功率和性能的一種已知技術(shù)是引入高壓的天然氣。這需要將天然氣加壓至高噴射壓力，涉及額外部件，諸如泵、熱交換器和高壓管路，那會增大燃料系統(tǒng)的成本。天然氣是可壓縮流體，與作為不可壓縮流體的汽油相比，需要顯著更多的用于加壓的能量和時間。在一些應(yīng)用中，使天然氣加壓所需要的增大的成本和額外的時間通過其他的經(jīng)濟和物流因素抵消，但是在其他一些應(yīng)用中它是不可接受的。優(yōu)化發(fā)動機中的天然氣運行的其他技術(shù)采用向外開口直接噴射器。這些噴射器具有不足的流速，這影響將天然氣引入至汽缸的技術(shù)。天然氣與所捕獲的增壓氣體(charge)的混合較差且導(dǎo)致?lián)p失燃燒效率，還減弱在較高發(fā)動機速度處(在較高發(fā)動機速度處可用于噴射和混合的時間窗(time window)較短)的性能。
[0005]公開號為US 2003/0140902 Al、標題為“CNG Direct-1nject1n Into ICEngine”的美國專利申請公開了一種使用天然氣運行四沖程內(nèi)燃機的方法。該‘902申請公開了，由此在高扭矩-全扭矩運行條件下，在接近吸氣沖程的終點或壓縮沖程的起點處將天然氣直接噴射至發(fā)動機的汽缸內(nèi)。所述方法聲稱能夠噴射氣態(tài)燃料而不需要產(chǎn)生比儲存壓力高的氣體壓力。然而，該系統(tǒng)的一個缺點是在這樣的高負載條件下，發(fā)動機消耗更多的燃料，并且低氣態(tài)燃料噴射壓力下可能很難足夠早地將足夠的燃料噴射至汽缸內(nèi)以允許充分的時間來與汽缸內(nèi)的增壓氣體混合。該‘902申請還聲稱其方法的優(yōu)點中的一個是“還避免了切換到將伴隨著空氣的燃料吸入?！?br>[0006]現(xiàn)有技術(shù)缺乏改善性能的、隨著發(fā)動機操作條件的變化將氣態(tài)燃料引入至內(nèi)燃機的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]公開了一種用于將氣態(tài)燃料引入內(nèi)燃機的燃燒室內(nèi)的方法，該方法包括將發(fā)動機圖分割成三個相異區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)具有不同的運行模式。第一區(qū)域是一個預(yù)定低負載范圍，并且當(dāng)內(nèi)燃機在第一區(qū)域內(nèi)運行時，運行模式包括在進氣沖程期間、在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的進氣閥關(guān)閉之前將氣態(tài)燃料引入至燃燒室。第二區(qū)域是一個預(yù)定高負載低速范圍，并且當(dāng)內(nèi)燃機在第二區(qū)域內(nèi)運行時，運行模式包括在進氣閥關(guān)閉之后將氣態(tài)燃料直接噴射至燃燒室內(nèi)。第三區(qū)域是一個預(yù)定高負載高速范圍，并且當(dāng)內(nèi)燃機在所述第三區(qū)域內(nèi)運行時，運行模式包括在進氣沖程期間、在進氣閥關(guān)閉之前將氣態(tài)燃料的第一部分引入至燃燒室以及在進氣閥關(guān)閉之后將氣態(tài)燃料的第二部分直接噴射至燃燒室內(nèi)。
[0008]當(dāng)在進氣沖程期間引入所述氣態(tài)燃料時，如果燃料噴射裝置包括兩個分立的燃料噴射器，則可以在進氣閥的上游引入所述氣態(tài)燃料，由此所述氣態(tài)燃料連同進氣空氣一起被導(dǎo)入所述燃燒室內(nèi)。例如，通過此方法，可以使用端口噴射器將導(dǎo)入的氣態(tài)燃料引入進氣增壓氣體內(nèi)，其中第二噴射器是一個直接噴射器，以用于當(dāng)發(fā)動機在第二預(yù)定運行區(qū)域或第三預(yù)定運行區(qū)域中的一個內(nèi)運行時將所述氣態(tài)燃料直接噴射至燃燒室內(nèi)。
[0009]當(dāng)在進氣沖程期間引入氣態(tài)燃料時，如果燃料噴射裝置僅包括用于每個燃燒室的直接噴射器，則可以在與燃燒室相關(guān)聯(lián)的進氣閥打開的同時將氣態(tài)燃料直接噴射至那個燃燒室內(nèi)。然而，由于氣態(tài)燃料被導(dǎo)入燃燒室內(nèi)，此方法不具有將氣態(tài)燃料與增壓氣體混合的優(yōu)點，所述方法的此實施方案通過減少部件的個數(shù)而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且與在進氣閥關(guān)閉之后的后期噴射正時(later inject1n timing)相比仍允許燃料有更多時間與增壓空氣混合。
[0010]在一些實施方案中，該方法還可以包括在所述壓縮沖程期間、在下止點之后關(guān)閉所述進氣閥。例如，當(dāng)發(fā)動機在第一運行區(qū)域內(nèi)運行時，這可以增大可用于引入氣態(tài)燃料的時間量。在另一個實施方案中，該方法還可以包括在所述進氣沖程期間、在下止點之前關(guān)閉所述進氣閥。例如，當(dāng)所述發(fā)動機在第二區(qū)域內(nèi)運行時這可以是有利的，因為較早地關(guān)閉進氣閥允許用于噴射起點(在進氣閥關(guān)閉之后)的正時提前，而這允許更多的時間用于將氣態(tài)燃料與增壓氣體混合，并且因為在噴射閥已關(guān)閉之后噴射氣態(tài)燃料，所以氣態(tài)燃料沒有取代在進氣閥尚還開著時被導(dǎo)入燃燒室內(nèi)的任何增壓氣體。當(dāng)在下止點之前關(guān)閉進氣閥時，該方法還可以包括增大進氣歧管空氣壓力，使得在進氣閥關(guān)閉之前增大量的氧氣被導(dǎo)入燃燒室內(nèi)，抵消在下止點之前關(guān)閉進氣閥的影響并且減少用于導(dǎo)入增壓氣體的時間。
[0011]該方法還可以包括根據(jù)特定運行區(qū)域，調(diào)整用于進氣閥關(guān)閉的正時。當(dāng)發(fā)動機配備有可變的閥正時系統(tǒng)時，可以啟用該方法的此實施方案。
[0012]當(dāng)發(fā)動機在第二區(qū)域或第三區(qū)域內(nèi)運行時，在優(yōu)選的實施方案中，用于在進氣閥關(guān)閉之后將氣態(tài)燃料直接噴射至燃燒室內(nèi)的噴射起點的正時，是在上止點之前的150度曲柄角和210度曲柄角之間。下止點是在上止點之前的180度曲柄角，因此當(dāng)用于噴射起點的正時在上止點之前的180度曲柄角和210度曲柄角之間時，這僅僅用于當(dāng)進氣閥在進氣沖程期間下止點之前被關(guān)閉的實施方案。用于直接噴射氣態(tài)燃料的“噴射終點”的正時取決于用于噴射起點的正時，并且優(yōu)選地被定時以在上止點之前65度曲柄角和200度曲柄角之間發(fā)生，其中較早的正時是優(yōu)選的以允許有更多的時間用于混合。用于噴射起點的正時和用于噴射終點的正時是出于如下意圖而被確定的:在被可用噴射壓力和整體發(fā)動機設(shè)計允許的情況下，盡可能地減小噴射脈沖的持續(xù)時間。這影響噴射器噴嘴中的孔口的尺寸，但是在優(yōu)選實施方案中，為了較高噴射速度用于改善混合，而將所述孔口定尺寸用于經(jīng)過噴嘴的扼流條件。
[0013]在優(yōu)選的實施方案中，當(dāng)將氣態(tài)燃料直接噴射至燃燒室內(nèi)時，以20巴和40巴之間的噴射壓力，將所述氣態(tài)燃料供應(yīng)至燃料噴射器。在這樣的實施方案中，所述方法還可以包括當(dāng)以氣態(tài)形式儲存所述氣態(tài)燃料時將所述氣態(tài)燃料壓縮至所述噴射壓力，或者當(dāng)以液化形式儲存所述氣態(tài)燃料時將所述氣態(tài)燃料泵送至所述噴射壓力。
[0014]在一個優(yōu)選方法中，通過一個預(yù)定的功率劃分線來分割第二區(qū)域和第三區(qū)域。在一個替代實施方案中，通過一個固定的預(yù)定發(fā)動機速度來分割第二區(qū)域和第三區(qū)域。
[0015]氣態(tài)燃料可以是天然氣、甲烷、天然氣和氫氣共混物、甲烷和氫氣共混物、丙烷以及其他合適的氣態(tài)燃料。在此公開內(nèi)容中，“氣態(tài)”燃料被限定為是適合于在內(nèi)燃機中燃燒且在大氣壓和溫度下處于氣態(tài)形式的燃料。
[0016]用于將氣態(tài)燃料引入內(nèi)燃機的燃燒室內(nèi)的方法的一個實施方案包括:在進氣沖程期間，在與運行所述內(nèi)燃機相關(guān)聯(lián)的發(fā)動機圖的第一區(qū)域內(nèi)將所述氣態(tài)燃料引入所述燃燒室內(nèi)；在壓縮沖程期間、在與所述燃燒室相關(guān)聯(lián)的進氣閥關(guān)閉之后，在所述發(fā)動機圖的第二區(qū)域內(nèi)將所述