CN101255838A - 内燃机的燃料喷射阀及其控制方法和控制装置 - Google Patents

内燃机的燃料喷射阀及其控制方法和控制装置 Download PDF

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CN101255838A CNA2008100012681A CN200810001268A CN101255838A CN 101255838 A CN101255838 A CN 101255838A CN A2008100012681 A CNA2008100012681 A CN A2008100012681A CN 200810001268 A CN200810001268 A CN 200810001268A CN 101255838 A CN101255838 A CN 101255838A
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夏井博行
铃木邦彦
土田健二
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Abstract

本发明涉及一种内燃机的燃料喷射阀、该燃料喷射阀的控制方法、燃料喷射阀的控制电路装置以及缸内喷射型内燃机的燃料喷射装置。目的在于解决配合缸内喷射型发动机的运转状况而得到各种喷雾形状的课题。超磁致伸缩元件型喷射阀根据发动机的要求控制给予使超磁致伸缩元件变位的磁场发生用的螺线管的供给电流的变化比率或峰值，对螺线管的供给电流的上升倾斜越大，柱塞的升起速度越快，喷雾的初始速度变快，穿透度越长。倾斜越小，柱塞的升起速度越慢，喷雾的初始速度越慢，使穿透度越短。使供给电流的峰值越大，柱塞的升起量越大，燃料流量越大，能够形成密度大且难以溃散的喷雾。供给电流的峰值越小，则能够使燃料流量越小，形成密度小的喷雾。

Description

内燃机的燃料喷射阀及其控制方法和控制装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机的燃料喷射阀及其控制方法，尤其涉及一种通过燃料喷射阀(也称喷射器)直接向燃烧室供给燃料的缸内喷射型内燃机(也称缸内喷射型发动机)的燃料喷射装置。而且，也涉及该燃料喷射阀的控制电路装置。
背景技术
在以往的技术中，如日本特开2000-170629号公报所述，公知的结构是：控制施加在压电元件上的电压，来切换喷射器的阀体的行程，并且设置构成与各个行程对应的燃料通路的涡旋生成机构，在各行程状态下，利用不同的涡旋机构可以得到不同的喷雾形状。
专利文献1：日本特开2000-170629号公报
在该以往的技术中，存在着以下问题：在阀座的上游燃料通路内必须安装多个涡旋机构，由于这些涡旋机构的加工公差和装配误差，导致每个喷射器的喷雾形状产生偏差，不适合于产品化。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种根据内燃机的运转状态可以改变喷雾形状的燃料喷射阀及其控制方法，且部件件数少、喷雾形状的偏差少的燃料喷射阀以及燃料喷射阀的控制方法。
本发明的上述目的通过如下达成，提供一种内燃机的燃料喷射阀，其具有：至少一个燃料喷口；阀座面，该阀座面位于燃料喷口的上游；阀体，该阀体通过相对于该阀座面接触和分离，来对通到所述燃料喷射口的燃料通路进行开闭控制；电磁驱动装置，该电磁驱动装置操作所述阀体，其中，通过供给所述电磁驱动装置的电力的大小，来维持所述阀体在全开位置和与阀座面接触的全闭位置之间的任意的开度位置。
具体而言，提供如下这样达成：控制对所述电磁驱动装置或构成该电磁驱动装置的电磁螺线管的通电时间来控制燃料喷射量，并且控制所述电流的上升倾斜、峰值的至少一个，而控制喷射燃料的穿透度、喷雾角、喷雾密度的至少一个。
另外优选的是通过如下达成本发明的目的，所述电磁驱动装置包含：电磁螺线管；磁致伸缩元件，该磁致伸缩元件在所述电磁螺线管所产生的电磁力的作用下使伸缩量变化；变位传递机构，该变位传递机构将所述磁致伸缩元件的伸缩变位传递给所述阀体。
(发明的效果)
根据以上那样构成的本发明，可以提供适合大批量生产的燃料喷射阀，该燃料喷射阀由于对喷雾形状带来影响的加工部件少，所以结果是燃料喷射阀间的喷雾形状的偏差少。而且，因为偏差少，这种偏差可以通过控制消除。
附图说明
图1是缸内喷射型发动机的概略图；
图2是超磁致伸缩喷射器的概略图；
图3是供给电流的上升倾斜陡峭情况下的喷雾；
图4是供给电流的上升倾斜缓慢情况下的喷雾；
图5是供给电流的峰值大的情况下的喷雾；
图6是供给电流的峰值小的情况下的喷雾；
图7是柱塞上升(plunger lift)量和燃料流量的关系；
图8是用于说明在各运转区域中的喷射方法的图；
图9(i)是运转区域中的供给电流波形；
图10(ii)是运转区域中的供给电流波形；
图11(iii)是运转区域中的供给电流波形；
图12(iv)是运转区域中的供给电流波形；
图13(v)是运转区域中的供给电流波形；
图14是发动机控制单元；
图15是供给电流波形决定方法的例子；
图16是直上喷射型发动机的概略图；
图17是基于直上喷射型发动机的减少燃料附着的说明图；
图18是基于直上喷射型发动机的成层燃烧时的喷雾。
图中：
1-喷射器；2-点火线圈；3-活塞；4-吸气通路；5-废气通路；6-驱动电路；7-发动机控制装置(ECU)；8-吸气阀；9-排气阀。
具体实施方式
以下，参照附图的实施例对本发明进行详细说明。
本实施例基于以下所示的基本原理而构成。
根据发动机的要求，控制对将超磁致伸缩元件用于执行器的喷射器以及使所述超磁致伸缩元件变位的磁场产生用的螺线管提供的供给电流的变化比率(上升倾斜度)或峰值。如果对螺线管供给的供给电流的上升倾斜度越大，则柱塞的上升速度越快，喷雾的初始速度变快，可以使穿透度(penetration)变长。倾斜度越小，则柱塞的上升速度越慢，喷雾的初始速度变慢，可以使穿透度变短。另外，使向螺线管提供的供给电流的峰值越大，则能够使柱塞的上升量越大，燃料流量越大，能够形成密度大的喷雾(难以溃散的喷雾)。使供给电流的峰值越小，则燃料流量越小，能够形成密度小的喷雾(容易溃散的喷雾)。
因为使驱动超磁致伸缩喷射器的电流波形的上升倾斜度、峰值改变，能够实现喷射的喷雾的形状的可变控制，所以可以喷射出与内燃机的运转状态相对应的喷雾，配合于缸内喷射型发动机的运转状况，从而实现各种喷雾形状，并且能够实现排气、燃料利用率的提高。
(实施例1)
图1是实施本发明的缸内喷射发动机的一个实施例。
发动机100具有工作缸101和工作缸盖102。在工作缸盖102的中央以面对燃烧室103的方式安装有点火火花塞2b。
在工作缸盖102以隔着点火线圈2的方式形成有吸气通路4和废气通路5，并且吸气通路4和废气通路5分别与工作缸101内的燃烧室103连接。
吸气阀8设置在吸气通路4和工作缸103的连接部。
排气阀9设置在废气通路和工作缸103的连接部。
活塞3能够往复运动地配置在工作缸内，通过该活塞3的往复运动来改变燃烧室103的容积。
燃料喷射阀1(以下称为喷射器)，在工作缸的吸气通路4一侧，被安装在两个吸气阀8(只图示出一个)的中间，向工作缸101的燃烧室内103直接喷射燃料。
在点火火花塞2b的安装用孔内安装有一体地设置点火装置(点火器)2a的独立点火型的点火线圈2。
基于发动机控制装置(ECU)7的信号，通过驱动电路6控制喷射器1。
基于发动机控制装置(ECU)7的信号，通过点火装置(点火器)2a控制点火线圈2。
向发动机控制装置(ECU)7输入如下信号：在吸气通路4上设置的吸入空气量传感器(未图示)的输出信号Qa；在发动机的旋转轴附近安装的发动机转速传感器(未图示)的信号Ne；在发动机的工作缸部安装的发动机冷却水温传感器(未图示)的信号Tw；在废气通路5安装的空燃比传感器(O2传感器：未图示)的信号O2；以及对在吸气管上设置的节流阀装置的开度进行检测的节流阀开度传感器(未图示)的信号θTH。
基于这些输入信号，求出喷射器1、点火线圈2的控制信号。
喷射器1如图2所示，由磁场产生用的螺线管10和超磁致伸缩元件11构成，并根据来自ECU7的控制信号对其进行开闭控制。
图2是使用超磁致伸缩元件的喷射器的结构例。
喷射器由磁场产生用的螺线管10、超磁致伸缩元件11、柱塞12、开闭阀用柱塞13、以及孔板14构成。
如果将来自ECU7的燃料喷射信号输入喷射器驱动电路6，从喷射器驱动电路向后面将详细叙述的喷射器1输入驱动电流，则由图2所示的螺线管10产生磁场，超磁致伸缩元件11变位(伸长)，设置在超磁致伸缩元件11上侧的柱塞12被提升，伴随于此，设置在柱塞12下侧的开闭阀用柱塞13被提升，从而形成开阀状态，将被未图示的高压泵加压后的高压燃料喷射到燃烧室内。
图3～图6是表示被输入到喷射器1的电流波形和被喷射的喷雾形状的关系的例子。图3的15表示横轴为时间、纵轴为电流的电流波形，15a表示输入上述电流波形时的来自喷射器1的燃料喷雾形状。
因为超磁致伸缩元件11高速地响应向磁场产生用的螺线管10供给的电流变化，所以通过供给螺线管10的电流，可以精密控制开闭阀用柱塞13的上升动作。
即，流过螺线管的电流的变化特性和柱塞的响应特性大致对应，也可以说柱塞的响应速度取决于电流的上升速度。
另外，柱塞的行程大体对应于施加在螺线管上的电流的大小，电流越大行程越大。电流越小，则与其对应维持小的行程位置。
因此，如果使施加在螺线管上的电流的大小线性地变化，则可以使设置在柱塞13前端的阀体V和阀座面S之间的燃料通过流路截面积A1、A2也线性地变化。
如果通过驱动电路6将输入的电流波形如图3所示的上升倾斜度陡峭的电流波形15供给向螺线管10，则开闭阀用柱塞13的开阀速度变快。因此，流入开闭阀用柱塞13和阀座14之间的燃料速度的上升也变快，由喷射器1喷射的喷雾的初速度增加，如图3所示，能够形成穿透度大的喷雾15a。
另一方面，如果将图4的上升倾斜缓慢的电流波形16供给向螺线管10，则开闭阀用柱塞13的上升速度变慢，流入其与阀座14之间的燃料速度的上升也变慢，由喷射其1喷射的喷雾的初速度下降。因此，从喷射器1喷射的喷雾的初速度下降，能够形成穿透度小的喷雾16a。更进一步，如图4的16b所示，通过使供给电流的上升形成为曲线形状，则可以使穿透度更小。
如上所述，通过供给向螺线管10的供给电流的上升倾斜，可以对穿透度进行控制。
下面，如图5所示，如果将供给电流的峰值大的供给电流17提供给螺线管10，则开闭阀用柱塞13的上升量也变大。因此，如图7所示，在开闭阀用柱塞13和阀座14之间流通的燃料流量变多，由喷射器1喷射的喷雾的密度变大，可以形成强大的喷雾(难以溃散的喷雾)17a。另外，如果在产生涡旋旋转的喷射器中输入如供给电流17所示的供给电流，则由于燃料流量增加，涡旋力变强，可以形成喷雾的扩展范围(喷雾角)大的喷雾17b。
另一方面，如图6所示，如果将峰值小的供给电流18提供给螺线管10，则如图7所示，在开闭阀用柱塞13和阀座14之间流通的燃料流量变少，则由喷射器1喷射的喷雾的密度变小，从而形成弱小的喷雾(容易溃散的喷雾)18a。这种情况下，如果在产生涡旋旋转的喷射器中输入峰值小的供给电流18，则由于燃料流量小，给与喷雾的涡旋力变弱，形成喷雾的扩展范围(喷雾角)小的喷雾18b。
如上所述，通过提供给螺线管10的供给电流的峰值，可以对喷雾的密度(难以溃散难度)以及喷雾角进行控制。
图8是表示实施了本发明的缸内喷射型发动机的运转区域的示例。这是一种以提高燃料利用率为目的，以成层燃烧为积极实施的运转条件的情况，在这种运转状态下，为提高排气性能，有必要根据运转区域来形成最合适的喷雾。下面，以喷射器在执行器中使用超磁致伸缩元件来形成涡旋喷雾的情况作为例子进行说明。图8中横轴是转速、纵轴是负荷，(1)是高负荷高旋转的均质燃烧运转区域，(2)是高负荷低旋转的均质燃烧运转区域，(3)是弱成层燃烧运转区域，(4)是低负荷中旋转的成层燃烧运转区域，(5)是低负荷低旋转的均质燃烧运转区域。在区域(1)中，需要在短时间内喷射很多的燃料，在吸气行程或从排气行程到吸气行程要喷射一次燃料。
在区域(1)中，因为处在发动机转速高，基于活塞的混合效果好的运转条件下，所以通过使喷雾广泛地分布在工作缸内，可以提高混合气化率，提高输出，改善燃料利用率。因此，从驱动电路6提供给喷射器1的供给电流，选择如图9所示的上升倾斜度陡峭、峰值大的供给电流19。由此，可以使穿透度大，增大喷雾的扩展范围，并且可以提高和吸入气的混合气化率。
在区域(2)中，由于是均质燃烧且高负荷，所以在进气行程中需要一次喷射较多的燃料。但是，由于转速低，所以形成基于活塞的混合效果差的运转条件。因此，在运转区域(2)中，选择如图10所示的上升倾斜度缓慢、峰值大的供给电流20a。由此，可以使穿透度小，可以减少燃料对工作缸壁面或活塞冠面的附着，同时提高和吸入空气的混合气化率，可以防止排气恶化。进一步，在排气性能差的情况下，与供给电流20a相比，通过使用上升倾斜为二次曲线的供给电流20b，可以使穿透度更小，并且减少燃料附着量。
在区域(3)中，是通过进行成层燃烧来实现燃料利用率提高的区域。在这个区域(3)中，比如，将燃料喷射分成吸气行程和压缩行程的两次。在这种情况下，在吸气行程喷射时形成均质的稀薄预混合气，以确保火焰的扩散，进一步，在即将点火前的压缩行程喷射时，在火花塞附近形成点火用的浓的混合气。在区域(3)中，从发动机转速低的条件到发动机转速高的条件都有，但在发动机转速低的运转条件下，由于基于活塞的混合效果小，所以在吸气行程喷射时，选择如图11所示的上升倾斜缓慢、峰值中等的电流波形21a。由此，可以使穿透度小，并且减少燃料在壁面上的附着。另外，通过增大喷雾角可以提高混合气化率，可以形成均质的稀薄预混合气。同时，在发动机转速高的运转条件下，由于基于活塞的混合效果大，所以在吸气行程喷射时，选择上升倾斜陡峭、峰值中等的电流波形21b。由此，可以使穿透度大，通过扩大缸内喷雾的分布，可以进一步提高混合气化率，可以形成均质的稀薄预混合气。另一方面，在压缩行程中喷射的喷雾是用于形成点火用的混合气的喷雾，有必要在火花塞周边分布浓的混合气。而且，由于从燃料喷射到点火的时间短，并且工作缸缸内的压力上升，所以致使燃料难以到达火花塞。所以，在压缩行程的喷射时，选择上升陡峭、峰值小的电流波形21c。由此，形成穿透度大、喷雾角小的喷雾，可以在火花塞附近形成密集且浓的混合气。
在区域(4)中，是以成层燃烧来实现燃烧改善的区域。但是，由于是负荷小的区域，也是喷射的燃料量少而难以分割喷射的区域。因此，在该区域(4)中，在压缩行程喷射一次燃料，使火花塞周边分布浓且密集的混合气以实现成层燃烧。所以，选择如图12所示的上升倾斜陡峭、峰值中等的电流波形22。由此，可以使穿透度大，即使在缸内压力高的状态下，也可以使火花塞周边分布浓且密集的混合气。
在区域(5)中，由于以低负荷低旋转进行均质燃烧，所以在吸气行程中喷射一次。在该区域(5)中为确保排气性能，选择如图13所示的上升倾斜缓慢、峰值中等的供给电流23a。因此，通过形成穿透度小且喷雾角大的喷雾，可以减少燃料对工作缸壁面的附着，同时可以提高和吸入气的混合气化率。由此可以防止排气恶化。进一步，在排气性能差的情况下，与供给电流23a相比，通过使用上升倾斜为二次曲线的供给电流23b，从而使穿透度更小，并且减少燃料附着量。
图14是图1所示的ECU的输入输出信号的示例。如图14所示，ECU7根据设置在发动机上的各种传感器来判定发动机的状态，配合图8所示的运转状态来选择喷射方法，向喷射器驱动电路6输出电流波形、喷射时刻、喷射次数、喷射时间长度，或者向点火电路2a输出点火时刻。图15是在图14的ECU内存储的电流模式的示例图。
如图15所示，在ECU内有倾斜模式、峰值模式，根据各运转状态来选择。由于燃烧喷射量可以通过供给螺线管的电流波形的积分值求得，所以可以通过喷射时间长度对最终的喷射量的控制进行调整。
图16是第二实施方式的一个例子。图16的例子是涉及将喷射器配置在燃烧室的中央，将点火火花塞配置在喷射器附近的中心喷射型(正上方喷射型)发动机的实施例。
图17、图18是使提供给涡旋型喷射器的供给电流变化时的喷雾形状的一个例子。图17是供给图5所示的电流模式的情况下的一个例子。由于通过供给螺线管的供给电流的上升倾斜可以控制穿透度，所以如图17所示，可以减少燃料对活塞冠面的附着，改善排气。另外，由于通过供给电流的峰值可以对喷雾角进行控制，因而可以减少燃料对工作缸壁面的附着。图18是在压缩行程中喷射燃料的情况的例子，是实现成层燃烧的情况下的例子。在这种情况下，通过提高供给电流的峰值可以扩大喷雾角，由此，有必要在火花塞附近形成浓的混合气，从而可以进行更稳定的成层燃烧。
在这样的实施例中，利用超磁致伸缩元件的变位特性与提供给使超磁致伸缩元件产生变位的磁场产生用的螺线管的电流变化紧密相关这一物理现象，通过对喷射器的开阀速度或行程进行控制，仅仅用阀体和阀座部件这样的简单的构成部件，就能够对从阀座的下游的燃料喷射口喷射的燃料喷雾的穿透度、扩散角度、密度进行控制。
磁致伸缩元件其结果是，可以使通过超磁致伸缩喷射器喷射的喷雾形状配合于运转条件，对该喷雾形状进行精度良好的微细调整。结果是排气排出性变好，燃料利用率也得到改善。
(工业实用性)
本发明并不限于实施例中说明的实心喷雾型喷射器、带涡流器喷射器，也可以使用于孔式喷嘴型喷射器、板式喷嘴型喷射器、多孔型喷射器等。
另外，对于压电元件(piezoelectric元件)型或磁致伸缩元件型喷射器，只要改善磁回路，提高响应速度，也可以用于螺线管驱动型喷射器。
而且，作为内燃机，不受喷射器的安装位置的影响，可适用于喷射器安装在工作缸座、工作缸盖侧面的缸内喷射型内燃机，也适用于喷射器安装在工作缸盖的顶上的中心喷射型缸内喷射型内燃机。并且，也可以适用于向吸气口喷射燃料的类型的内燃机的喷射器。

Claims (12)

1. 一种内燃机的燃料喷射阀，其具有：
至少一个燃料喷口；
阀座面，该阀座面位于燃料喷口的上游；
阀体，该阀体通过相对于该阀座面接触和分离，来对通到所述燃料喷射口的燃料通路进行开闭控制；
电磁驱动装置，该电磁驱动装置操作所述阀体，
所述内燃机的燃料喷射阀的特征在于，
通过供给所述电磁驱动装置的电力的大小，来维持所述阀体在全开位置和与阀座面接触的全闭位置之间的任意的开度位置。
2. 如权利要求1所述的内燃机的燃料喷射阀，其中，
所述电磁驱动装置包含：
电磁螺线管；
磁致伸缩元件，该磁致伸缩元件在所述电磁螺线管所产生的电磁力的作用下使伸缩量变化；
变位传递机构，该变位传递机构将所述磁致伸缩元件的伸缩变位传递给所述阀体。
3. 如权利要求2所述的内燃机的燃料喷射阀，其中，
所述磁致伸缩元件由至少一个筒状的超磁致伸缩元件构成。
4. 一种权利要求1～3中任一项所述的内燃机的燃料喷射阀的控制方法，其特征在于，
根据内燃机的运转状态控制供给所述电磁驱动装置或构成该电磁驱动装置的电磁螺线管的电力的供给状态，以此控制所述燃料喷射阀的阀体的开闭状态，从而控制喷射燃料，
控制对所述电磁驱动装置或构成该电磁驱动装置的电磁螺线管的通电时间从而控制燃料喷射量，并且，
控制所述电流的上升倾斜、峰值之中的至少一个，从而控制喷射燃料的穿透度、喷雾角、喷雾密度之中的至少一个。
5. 一种权利要求1～3中任一项所述的内燃机的燃料喷射阀的控制方法，其特征在于，
根据内燃机的运转状态控制供给所述电磁驱动装置或构成该电磁驱动装置的电磁螺线管的电力的供给状态，以此控制所述燃料喷射阀的阀体和阀座面之间的燃料通过流路断面面积的大小、或该燃料通过流路断面面积相对于时间的变化比率之中的至少一个。
6. 一种权利要求2或3所述的内燃机的燃料喷射阀的控制方法，其特征在于，
根据内燃机的运转状态控制供给所述磁致伸缩元件或超磁致伸缩元件的电磁螺线管的电流的大小、或电流相对于时间的变化比率之中的任一个，
调整所述磁致伸缩元件或超磁致伸缩元件的伸缩量或者所述磁致伸缩元件或超磁致伸缩元件相对于时间的伸缩量的变化比率，以此控制所述阀体的上升量。
7. 一种用于实施权利要求1所述的内燃机的燃料喷射阀的控制方法的控制电路装置，其特征在于，
将表示从所述电流的上升到下降的时间间隔，并且表示电流值相对于从该电流的上升到峰值为止的时间的变化比率、或最终电流值的大小的至少任一个的信号，作为所述燃料喷射阀的驱动信号，从其输出端子输出。
8. 一种缸内喷射型发动机的燃料喷射装置，其对喷雾形状进行可变控制，其特征在于，具有：
燃料喷射阀，该燃料喷射阀将超磁致伸缩元件用于执行器；
磁场产生用的螺线管，该螺线管使所述超磁致伸缩元件变位；
控制机构，该控制机构控制供给所述螺线管的供给电流的变化比率。
9. 一种缸内喷射型发动机的燃料喷射装置，其对喷雾形状进行可变控制，其特征在于，具有：
燃料喷射阀，该燃料喷射阀将超磁致伸缩元件用于执行器；
磁场产生用的螺线管，该螺线管使所述超磁致伸缩元件变位；
控制机构，该控制机构控制供给所述螺线管的供给电流的峰值。
10. 一种权利要求8或9所述的缸内喷射型发动机的燃料喷射装置，其特征在于，
所述控制机构包含：
存储机构，该存储机构将供给所述螺线管的所述供给电流的变化比率、或峰值的至少一个作为基于发动机的运转状态的多个模式进行存储；
选择机构，该选择机构从所述模式中选择与内燃机的运转状态相对应的模式。
11. 如权利要求8所述的缸内喷射型发动机的燃料喷射装置，其特征在于，
具有通过供给所述螺线管的供给电流的变化比率控制上升速度，并控制喷射的喷雾的穿透度的机构。
12. 如权利要求9所述的缸内喷射型发动机的燃料喷射装置，其特征在于，
具有通过供给所述螺线管的供给电流的峰值控制上升量，并控制喷射的喷雾的密度或喷雾角的机构。
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