CN101501310A - 直接喷射火花点火式内燃发动机及其燃料喷射方法 - Google Patents

Abstract

一种直接喷射火花点火式内燃发动机，所述内燃发动机包括用于直接将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器(1)并且在均匀燃烧过程中利用在接近进气行程下死点时喷射到缸孔内的燃料来增强翻转流。基于燃烧室状态、喷射燃料的温度以及喷射孔朝向中的至少一个来设定从燃料喷射器(1)喷射的燃料的推力以增强所述翻转流。

Description

直接喷射火花点火式内燃发动机及其燃料喷射方法

技术领域

本发明涉及直接喷射火花点火式内燃发动机以及用于此发动机的燃料喷射方法。

背景技术

通过在各气缸中形成均匀的空气-燃料混合物并在每个压缩行程结束时的点火时间点燃该混合物来进行均匀燃烧。在这种均匀燃烧过程中，在气缸中产生翻转流，且所产生的翻转流维持活动状态直到压缩行程结束时的点火时间。以这样的方式，能够维持空气-燃料混合物的运动直到点火，并且这种空气-燃料混合物的运动会加速燃烧速度，从而在良好的条件下进行均匀燃烧。

例如，日本专利申请公开JP-A-2005-180247A提出了一种在每个进气口中都具有进气流控制阀的直接喷射火花点火式内燃发动机。在该发动机中，进气流控制阀导引进气沿着进气口的上壁流动并进入气缸。以这样的方式，在气缸中产生高强度的翻转流，使得翻转流能够保持活动状态直到压缩行程结束时的点火时间。

但是，根据该直接喷射火花点火式内燃发动机，当导引进气沿着进气口的上壁流动并进入气缸时，需要由进气流控制阀使进气口通道变窄。根据这种结构，当所需进气量较小时，能够在不引起任何特别问题的情况下在气缸中产生翻转流。但是，当所需进气量较大时，如果进气口通道如上所述地由进气流控制阀而变窄，则有可能引起进气不足。在这种情况下，不能在气缸中产生高强度的翻转流。

但是，在直接喷射火花点火式内燃发动机中，即使不设置这样的进气流控制阀，也能够通过适当地设定燃料喷射方向以及在每个进气行程结束时喷射具有大推力的燃料来增强每个翻转流。然而，在这种情况下，具有大推力的喷射燃料的一部分有可能到达缸孔壁的表面并由于被机油吸收而附着在该处。如果缸孔壁的表面的温度高，则吸收在机油中的燃料将容易蒸发，所以不会涉及特别的损害。但是，如果缸孔壁的表面的温度低，则所吸收的燃料将保持被吸收在机油中，因此稀释了机油。此外，如果喷射燃料的温度过高，则由于减压沸腾效应，喷射燃料容易蒸发，因此不能适当地增强翻转流。此外，如果燃料喷射方向不准确，则不能利用喷射燃料有效增强翻转流。

发明内容

本发明涉及一种利用喷射燃料来适当地增强翻转流的直接喷射火花点火式内燃发动机以及用于此发动机的燃料喷射控制方法。

本发明的第一方面涉及一种直接喷射火花点火式内燃发动机，其在均匀燃烧过程中利用在接近进气行程下死点时朝向缸孔壁喷射的燃料来增强翻转流，且其包括直接将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器。根据该直接喷射火花点火式内燃发动机，所述燃料喷射器喷射具有推力的燃料，基于燃烧室状态、喷射燃料的温度以及喷射孔朝向中的至少一个来设定所述推力，以增强所述翻转流。

本发明的第二方面涉及如本发明的第一方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，则使所述喷射燃料的推力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的降低而减小。

当所述缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，所述喷射燃料从所述缸孔壁的表面蒸发的可能性低。此外，所述喷射燃料的检测温度或估算温度越低，则对于所述喷射燃料而言，越不易于在气缸中运动时汽化，因此到达所述缸孔壁的表面上的燃料的量越大。为了克服这个问题，在如本发明的第二方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机中，当利用在接近进气行程下死点时喷射的燃料来增强翻转流时，如果所述缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度，则减小所述喷射燃料的推力，使其随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的降低而减小。这将使所述喷射燃料到达所述缸孔壁的表面的可能性最小化，并因此使在所述缸孔壁的表面温度低时有可能发生的机油稀释的可能性最小化。此外，所述喷射燃料的检测温度或估算温度越低，则对于所述喷射燃料而言，越不易于在气缸中运动时汽化。因此，即使如上所述地减小所述喷射燃料的推力，仍旧可以由该喷射燃料充分地增强翻转流。

本发明的第三方面涉及如本发明的第一方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，则降低燃料喷射压力，使得所述燃料喷射压力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。

当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，所述喷射燃料由于减压沸腾效应而汽化，因此不能够适当地增强翻转流。为了克服这个问题，在如本发明的第三方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于所述预定上限值时，为了抑制所述喷射燃料上的减压沸腾效应，降低所述燃料喷射压力，使得所述燃料喷射压力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。

本发明的第四方面涉及如本发明的第一方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，则使所述喷射燃料的温度降低至所述预定上限值或者低于所述预定上限值。

当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于所述预定上限值时，所述喷射燃料由于减压沸腾效应而汽化，因此不能够适当地增强翻转流。为了克服这个问题，在如本发明的第四方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于所述预定上限值时，为了抑制所述喷射燃料上的减压沸腾效应，使所述喷射燃料的温度降低至所述预定上限值或者低于所述预定上限值。

本发明的第五方面涉及如本发明的第四方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，通过利用气流对所述燃料喷射器进行冷却来降低所述喷射燃料的温度。

如本发明的第五方面所述，能够通过利用气流对所述燃料喷射器进行冷却来降低所述喷射燃料的温度。

本发明的第六方面涉及本发明的第三到第五方面中任一方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度低于预定下限值时，则使所述喷射燃料的温度升高至所述预定下限值或者高于所述预定下限值。

当所述喷射燃料的检测温度或估算温度低于所述预定下限值时，所述喷射燃料未充分汽化，因此喷射燃料部分地保持于液体状态并撞击所述缸孔壁，从而引起机油的稀释。为了克服这个问题，在如本发明的第六方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度低于所述预定下限值时，使所述喷射燃料的温度升高至所述预定下限值或者高于所述预定下限值，以便有助于)所述喷射燃料的汽化。

本发明的第七方面涉及如本发明的第六方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，通过给阀门开启致动器通电而不开启所述燃料喷射器的方式来加热所述阀门开启致动器，由此升高所述喷射燃料的温度。

如本发明的第七方面所述，因为通过给阀门开启致动器通电而不开启所述燃料喷射器的方式来加热所述阀门开启致动器，由此升高所述喷射燃料的温度，所以不需要再设置用于加热所述喷射燃料的装置。

本发明的第八方面涉及如本发明的第一方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，所述燃料喷射器具有多个喷射孔，并且，从所述喷射孔中沿与平行于所述翻转流的平面基本平行的方向的一个喷射孔喷射的燃料的推力大于从所述喷射孔中沿与平行于所述翻转流的平面相交的方向的另一喷射孔喷射的燃料的推力。

与沿与平行于所述翻转流的平面相交的方向喷射的燃料相比，沿与平行于所述翻转流的平面基本平行的方向喷射的燃料更有效地增强翻转流。因此，如本发明的第八方面所述，通过使沿与平行于所述翻转流的平面基本平行的方向喷射的燃料的推力大于沿与平行于所述翻转流的平面相交的方向喷射的燃料的推力，能够在不增加所述喷射燃料的总量的情况下有效增强翻转流。此外，因为所述燃料是沿多个方向喷射的，所以所述燃料能够容易地遍布气缸中的整个区域，因此能够有效增强翻转流。

本发明的第九方面涉及如本发明的第一方面所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，与燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较小时相比，当燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较大时，增大从所述燃料喷射器喷射的燃料的推力。

如本发明的第九方面所述，因为与燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较小时相比，当燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较大时，增大从所述燃料喷射器喷射的燃料的推力，所以可以避免如下情形：即，所述喷射燃料穿透翻转流，因此大部分动能未被用于增强翻转流。所以，能够在不增加所述喷射燃料的总量的情况下，有效增强翻转流。

本发明的第十方面涉及一种用于直接喷射火花点火式内燃发动机的燃料喷射控制方法，所述内燃发动机在均匀燃烧过程中利用在接近进气行程下死点时朝向缸孔壁喷射的燃料来增强翻转流并且包括直接将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器。在该燃料喷射控制方法中，基于燃烧室状态、喷射燃料的温度以及喷射孔朝向中的至少一个来设定从所述燃料喷射器喷射的燃料的推力，以增强所述翻转流。

附图说明

从以下参考附图的实施例描述中，本发明的上述及其它的目的、特征和优点将变得清楚，图中，使用相同的标号表示相同的元件，并且图中：

图1是示意性地示出如本发明第一示例性实施方式所述的直接喷射火花点火式内燃发动机的各气缸的结构的纵截面图；

图2是示意性地示出燃料喷射器的下端的截面图；

图3A和图3B是示意性地示出可变地和连续地改变燃料喷射器的阀件的升程的机构的示例性结构的视图；

图4是示意性地示出如本发明第二示例性实施方式所述的直接喷射火花点火式内燃发动机的各气缸的结构的纵截面图；

图5是示意性地示出如本发明第三示例性实施方式所述的直接喷射火花点火式内燃发动机的各气缸的结构的纵截面图；

图6是图5所示气缸从活塞侧观察的视图；

图7是示意性地示出燃料喷射器的下端的截面图；

图8是沿着图7中8A-8A线截取的截面图，图中未示出阀件；以及

图9是用于在燃料喷射期间阀件的提升的时序图。

具体实施方式

图1是示意性地示出如本发明第一示例性实施方式所述的直接喷射火花点火式内燃发动机的各气缸的结构的纵截面图。具体地，图1示出了接近与用于均匀燃烧的燃料喷射的时间相应的进气行程时的下死点(以下将称作“进气行程下死点”)的状态。参考图1，燃料喷射器1设置于气缸上部区域的大体中心处以将燃料直接喷射到气缸内。此外，在气缸中，火花塞20设置成靠近燃料喷射器1位于其进气门侧，并设置有活塞30。虽然未在图中示出，但在气缸上方右侧设置了一对进气门并在气缸上方左侧设置了一对排气门。

在第一示例性实施方式的直接喷射火花点火式内燃发动机中，通过以下方式来进行均匀燃烧：即，将燃料直接喷射到各气缸内使得在点火时在气缸中形成均匀的空气-燃料混合物，然后由电火花点燃所形成的均匀的空气-燃料混合物。例如，基于燃料喷射量来设定起动燃料喷射的曲柄转角，使得燃料喷射将在接近进气行程下死点的曲柄转角处结束，或者，不考虑燃料喷射量，将起动燃料喷射的曲柄转角设定为每个进气行程的后半程。

如图1所示，燃料喷射器1将燃料F倾斜向下喷射到排气门侧的缸孔壁(优选地，喷射到排气门侧的缸孔壁的下部)。设定从燃料喷射器1喷射的燃料F的推力使得喷射燃料F的前锋在燃料喷射开始之后1毫秒到达距离喷射孔至少60毫米的位置。

由于具有这种大推力的喷射燃料F从气缸上侧的大体中心处朝向排气门侧的缸孔壁倾斜向下运动，所以喷射燃料F的推力增强已在气缸中产生的翻转流T。翻转流T在气缸的排气门侧向下流动并在进气门侧向上流动。以此方式增强的翻转流T保持活动状态直到压缩行程的后半程，从而能够使空气-燃料混合物的运动保持强劲直到压缩行程结束时的点火时间。空气-燃料混合物的强劲运动提高燃烧速度，使得在良好的条件下进行均匀燃烧。

燃料F喷射的形状可以从各种形状中任意选择。例如，如使用单一的喷射孔，则能够将燃料F喷射成例如实心或空心锥的形状。此外，如使用狭缝形的喷射孔，则能够将燃料F喷射成较薄的扇形。此外，如使用弧线狭缝形的喷射孔，则能够将燃料F喷射成较薄的弧形，其凸起侧面对上侧及排气门侧。此外，如使用两个或多个直线狭缝形的喷射孔的组合，则能够将燃料F喷射成锯齿形。简而言之，只要能够使喷射燃料F的推力足够大以加速气缸中的翻转流T，可以将燃料F喷射成任何形状。

在第一示例性实施方式中，因为火花塞20设置在燃料喷射器1的进气门侧，所以火花塞20由于燃料从燃料喷射器1朝向排气门侧的气缸壁喷射而不会弄湿，因此火花塞20能够在点火时间适当地产生电弧。

在第一示例性实施方式中，为了节省燃料消耗，将用于均匀燃烧的空燃比设定为比化学计量空燃比稀的比率(优选为抑制NO_X(氮氧化物)产生的稀空燃比)，因此均匀燃烧倾向于缓慢进行。因此，如前所述地提高燃烧速度能提供了多种优点。同时，用于均匀燃烧的空燃比可以替代地设定为化学计量空燃比或设定为浓空燃比。在这种情况下，提高燃烧速度也提供了多种优点。

同时，当在接近进气行程下死点时将具有大推力的燃料朝向排气门侧的缸孔壁喷射时，喷射燃料的一些液态部分会到达缸孔壁的表面并由于被吸收在机油中而附着在该处。此时，如果缸孔壁的表面的温度等于或高于预定温度，则吸收在机油中的燃料将容易蒸发，所以不会涉及特别的损害。但是，如果缸孔壁的表面的温度低于预定温度，则所吸收的燃料将保持被吸收在机油中，因此稀释了机油。

但是，能够通过在缸孔壁的表面的温度低于预定温度时减弱在接近进气行程下死点时从燃料喷射器1喷射的燃料F的推力来防止这种机油稀释。即，减弱喷射燃料F的推力使喷射燃料F难以到达缸孔壁的表面，因此减小机油稀释的可能性。注意，缸孔壁的表面的温度能够以各种方式获得。例如，因为缸孔壁的表面的温度随着冷却剂的温度的升高而升高，所以能够基于冷却剂的温度来估算缸孔的表面的温度。此外，燃烧温度随着发动机速度的升高、喷射量的增加以及点火正时的提前而升高。缸孔壁的表面的温度则随着燃烧温度的升高而升高。因此，能够基于发动机速度、点火正时和/或点火正时来估算缸孔壁的表面的温度。在这种情况下，优选地，也通过将以下事实作为考虑因素来进行缸孔壁的表面的温度的估算：即，油盘处的机油温度越低，则当机油被供应到缸孔壁的表面时机油冷却缸孔壁的表面的程度越大。替代地，可以通过对其进行检测而获得缸孔壁的表面的温度。但是，如果仅仅减弱喷射燃料F的推力，则即使能够避免机油稀释，也不能充分地增强翻转流T。

图2是示出燃料喷射器1的下端部的截面图。参考图2，形成有沿燃料喷射器1的轴线方向延伸的燃料通道2，并且阀件3布置在燃料通道2中。阀件3能够在燃料通道2中沿燃料喷射器1的轴线方向移动。燃料贮槽5形成于燃料通道2中阀座部分4的下方。阀件3的设置于其下端的密封部落座在阀座部分4上。形成有与燃料贮槽5连通的喷射孔6。燃料通道2充以从燃料蓄压室(图中未示出)供应的高压燃料。

在如上述构造的燃料喷射器1中，燃料以如下方式喷射。首先，提升阀件3。此时，阀件3的密封部因此而移动离开阀座部分4，由此燃料通道2中的高压燃料开始进入燃料贮槽5。然后，响应于燃料贮槽5中的燃料压力超过气缸中的压力，燃料贮槽5中的燃料开始从喷射孔6喷射。然后，阀件3向下移动且阀件3的密封部因此而落座在燃料通道2中的阀座部分4上，由此中断从燃料通道2到燃料贮槽5的高压燃料的流动，因此燃料贮槽5中的燃料压力开始降低。然后，当燃料贮槽5中的燃料压力变为低于气缸中的压力时，通过喷射孔6的燃料喷射即停止。

第一示例性实施方式的内燃发动机设置有可变地和连续地改变燃料喷射器1的阀件3的升程的机构。图3A和图3B示意性地示出了该机构的示例性结构。在图3A所示示例中，阀件3通过设置于阀件3与阀主体10之间的阀门关闭弹簧11而沿阀门关闭方向受到迫压。压电式应变致动器(压电致动器)12也设置于阀件3与阀主体10之间。阀件3随着压电式应变致动器12的延伸而向上移动，由此燃料喷射器1开启。即，能够通过控制供应到压电式应变致动器12的电压来调节压电式应变致动器12延伸的量。因此，通过控制供应到压电式应变致动器12的电压能够连续地控制阀件3的升程。

另一方面，在图3B所示示例中，阀件3通过设置于阀件3与阀主体10之间的阀门关闭弹簧13受到迫压，且电磁致动器(螺线管致动器)14设置于燃料喷射器主体10中。电磁致动器14布置成面对阀件3的基部，使得电磁致动器14的电磁吸引力沿向上提升阀件3的方向即沿开启燃料喷射器1的方向作用。如此，通过控制供应到电磁致动器14的电压来改变阀件3上的电磁吸引力，由此能够连续地控制阀件3的升程。

如上所述，在第一示例性实施方式中，能够连续地控制阀件3的升程。因此，当缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，获取将要从燃料喷射器1喷射的燃料的温度，且控制阀件3的升程使其随着所获得的燃料温度的降低而减小。该燃料温度能够通过例如利用设置在燃料通道2中的温度传感器来对其进行检测而获得。替代地，因为燃料温度随着冷却剂温度的升高而升高，所以可以基于冷却剂温度来估算燃料温度。阀件3的密封部与阀座部分4之间的间隙随着阀件3的升程的减小而变窄，因此间隙处的压力损失增加，由此从燃料贮槽5喷射的燃料的压力降低。即，燃料的推力随着阀件3的升程的减小而减小。

如此，当缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，减小燃料的推力使其随着喷射燃料的温度的降低而减小。喷射燃料的温度越低，则喷射燃料在气缸中运动时越不易于汽化，因此喷射燃料越容易到达缸孔壁的表面。为了克服这个问题，在本示例性实施方式中，减弱喷射燃料的推力，以便使喷射燃料到达缸孔壁的表面的可能性最小化，并因此使当缸孔壁的表面的温度低时有可能发生的机油稀释的可能性最小化。此外，喷射燃料的检测温度或估算温度越低，则喷射燃料在气缸中运动时越不易于汽化。即，假设存在两股或多股喷射燃料，所述喷射燃料已被喷射成使得它们的推力彼此相等，则最冷的燃料最能有效增强翻转流。因此，即使因喷射燃料的检测温度或估算温度降低而减小喷射燃料的推力，仍旧可以通过该喷射燃料来充分地增强翻转流。

如上所述，在第一示例性实施方式中，通过连续地改变阀件3的升程来控制燃料喷射压力，以便按照需要连续地控制喷射燃料的推力。替代地，在不改变阀件3的升程的情况下，可以通过将燃料通道2中的部分燃料返回燃料箱或其它部位来控制燃料喷射压力。更具体地，在这种情况下，通过连续地控制所返回的燃料的量来连续地改变燃料通道2中的燃料压力，由此控制燃料喷射压力。

此外，因为喷射燃料的推力随着喷射燃料的量的减少而降低，所以，也能够通过使燃料喷射分段来降低喷射燃料的推力。即，当缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，可以将用于喷射所需燃料量的燃料喷射划分成两段或多段喷射。在这种情况下，分段喷射的数目随着喷射燃料的检测温度或估算温度的降低而增大，使得每一喷射燃料的推力减小。注意，所需燃料量是根据发动机工况来设定的。例如，随着发动机速度升高以及随着发动机负荷增大，所需燃料量增加。

在进行上述分段燃料喷射的情况下，能够以分级方式调节每一喷射燃料的推力。例如，在能够将每次喷射最多划分成八段喷射的情况下，能够以八级来调节每一喷射燃料的推力。如果喷射燃料的推力能够以至少三级来调节，则能够防止前述的机油稀释，使得能够根据喷射燃料的温度以两级来增强翻转流，其中所述三级中包括用于当缸孔壁的表面的检测温度或估算温度等于或高于预定温度时的标准状态的级别。亦即，阀件3的升程和燃料通道2中的燃料压力能够以至少三级来控制就足够了。

这是在第一示例性实施方式中进行均匀燃烧的方式。此外，当发动机负荷小于预定负荷时，可以通过在每个压缩行程的后半程从燃料喷射器1喷射燃料进行分层燃烧。通常，为了能够进行分层燃烧，在每个活塞30的顶面都形成有空腔，且在每个压缩行程的后半程将燃料喷射至空腔内。此时，空腔将喷射燃料导引至火花塞20附近，由此在火花塞20附近形成易燃的空气-燃料混合物。此外，在火花塞20设置于燃料喷射器1的排气门侧的情况下，仅通过从燃料喷射器1喷射燃料就能够在火花塞20附近直接形成易燃的空气-燃料混合物。

图4是示意性地示出根据本发明的第二示例性实施方式的直接喷射火花点火式内燃发动机的各气缸的结构的纵截面图。具体地，图2示出接近对应于用于均匀燃烧的燃料喷射的时间的进气行程下死点的状态。在第二示例性实施方式中，与第一示例性实施方式中的部件和零件相同的部件和零件用相同的标号表示，并将省略其描述。注意，第二示例性实施方式的直接喷射火花点火式内燃发动机也包括如图2所示的燃料喷射器1的下端的结构以及包括在图3A和图3B中以示例方式示出的用于可变地和连续地控制阀件3的升程的结构中的任一个。以下，将仅描述第二示例性实施方式的区别于第一示例性实施方式的结构。同时，为了提高喷射燃料的推力，需要将燃料喷射压力设定为较高水平。因此，当喷射燃料的温度高于预定上限值时，喷射燃料有可能由于减压沸腾效应而在从燃料喷射器1喷射之后随即汽化。这种汽化引起喷射燃料的推力的急剧减小，并因此而不能增强翻转流T。

在第二示例性实施方式的直接喷射火花点火式内燃发动机中，环绕气缸盖中的燃料喷射器1设置有空间21，使得供应至空间21的气流对燃料喷射器1进行冷却。图4示出：气泵22，该气泵既可以是机械驱动式气泵也可以是电动气泵；储气室23，其充以由气泵22压缩的空气；以及检测燃料喷射器1的温度的温度传感器1a。储气室23经由在其中设置有控制阀25的通道24与气缸盖中的空间21连通。孔口26形成于通道24中空间21的附近。空间21经由不同于通道24的其它通道敞通至大气。

优选地，当发动机速度降低时，则驱动气泵22以在储气室23中储蓄压缩空气。这是因为在发动机速度的减速期间发动机输出的降低不会引起任何损害。由温度传感器1a检测的燃料喷射器1的温度越高，则喷射燃料的温度越高。因此，如果基于检测到的燃料喷射器1的温度而估算的喷射燃料的温度高于预定上限值，则在开启燃料喷射器1时或者在开启燃料喷射器1之前开启控制阀25，使得储气室23中的压缩空气冲入空间21内。燃料喷射器1由空间21中的气流冷却且燃料喷射器1中的燃料的温度降低。如此，喷射燃料的温度降低至或低于预定上限值，从而消除了喷射燃料由于减压沸腾效应而在从燃料喷射器1喷射之后随即汽化的可能性。因此，能够由喷射燃料来增强翻转流T。

当喷射燃料的温度低于预定下限值时，喷射燃料在气缸中未充分地汽化，因此大部分喷射燃料保持于液体状态并撞击缸孔壁，因而引起机油稀释。为了克服这个问题，可以控制经由控制阀25供应至空间21的气流量，使得喷射燃料的检测温度或估算温度落入从预定下限值到预定上限值的范围中。在第二示例性实施方式的结构中，因为压缩空气在冲入空间21内之前流经孔口26，所以压缩空气的内能减小且其温度因此而降低。因此，能够有效冷却燃料喷射器1。

尽管在第二示例性实施方式中基于燃料喷射器1的外表面的温度估算喷射燃料的温度，但是可以按多种其它方式获得喷射燃料的温度。例如，可以通过在燃料喷射器1的燃料通道中设置温度传感器来检测喷射燃料的温度。此外，因为喷射燃料的温度随着冷却剂温度的升高而升高，所以可以基于冷却剂温度来估算喷射燃料的温度。

在第二示例性实施方式中，阀件3的升程如上所述地能够被连续地调节。因此，例如，为了避免当喷射燃料由于减压沸腾效应而在从燃料喷射器1喷射之后随即汽化时所发生的喷射燃料的推力的急剧减小，当喷射燃料的温度高于预定的上限值时，可以使处于燃料喷射器1的开启位置的阀件3的升程比在标准状态下小，并且最佳地，阀件3的升程可以随着喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。在这种情况下，因为阀件3与阀座部分4之间的间隙随着阀件3的升程的减小而减小，所以间隙处的压力损失增加，因此从燃料贮槽5喷射的燃料的压力降低。

如此，如果喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限温度，则降低燃料喷射压力，使得燃料喷射压力随着喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。这消除了喷射燃料由于减压沸腾效应而在从燃料喷射器1喷射之后随即汽化的可能性，因此能够充分地增强翻转流T。

尽管在上述第二示例性实施方式中通过连续地改变阀件3的升程来控制燃料喷射压力，但是替代地，可以通过在不改变阀件3的升程的情况下将燃料通道2中的部分燃料返回至燃料罐或其它部位并且连续地控制所返回的燃料的量来控制燃料喷射压力。此外，在上述第二示例性实施方式中，阀件3的升程和燃料通道2中的燃料压力受到连续地控制。但是，如果能够以包括用于标准状态的级别在内的至少三级对阀件3的升程和燃料通道2中的燃料压力进行调节，则能够抑制喷射燃料由于减压效应而在喷射之后随即汽化，因此能够利用喷射燃料适当地增强翻转流T。在这种情况下，当喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，在两个燃料喷射压力之间选择性地调节燃料喷射压力，使得燃料喷射压力随着喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。

如上所述，当喷射燃料的温度低于预定下限值时，喷射燃料未在气缸中充分地汽化，因此，喷射燃料部分地保持于液体状态并撞击气缸壁。在这种情况下，虽然能够充分地增强翻转流，但会稀释机油。为了克服这个问题，优选地，如果喷射燃料的检测温度或估算温度低于预定下限值，则使喷射燃料的温度升高至或高于预定下限值，以便有助于气缸中的喷射燃料的汽化。为此，例如，可以在气缸盖中的空间21中设置电加热器以加热燃料喷射器1。

此外，当喷射燃料的检测温度或估算温度低于预定下限值时，可以通过给阀门开启致动器(压电式应变致动器12或电磁致动器14)通电使得燃料喷射器1保持关闭的方式来升高燃料通道2中的燃料的温度，由此使喷射燃料的温度升高至或高于预定下限值。在这种情况下，就不必另外设置电加热器等来升高喷射燃料的温度。

同时，发动机速度越高，则接近进气行程下死点时气缸温度变得越高，因此喷射燃料越容易汽化。鉴于此，可以随着发动机速度的升高而增大预定上限值和预定下限值。

这是在第二示例性实施方式中进行均匀燃烧的方式。此外，当发动机负荷小于预定负荷时，可以通过在每个压缩行程的后半程从燃料喷射器1喷射燃料进行分层燃烧。通常，为了能够进行分层燃烧，在每个活塞30的顶面上都形成有空腔，且在每个压缩行程的后半程将燃料喷射至空腔内。此时，空腔将喷射燃料导引至火花塞20附近，由此在火花塞20附近形成易燃的空气-燃料混合物。此外，在火花塞20设置于燃料喷射器1的排气门侧的情况下，通过从燃料喷射器1喷射燃料就能够在火花塞20附近直接形成用于分层燃烧的易燃的空气-燃料混合物。

图5是示出如本发明第三示例性实施方式所述的直接喷射火花点火式内燃发动机的各气缸的结构的纵截面图。具体地，图5示出接近对应于用于均匀燃烧的燃料喷射的时间的进气行程下死点的状态。在第三示例性实施方式中，与第一示例性实施方式中的部件和零件相同的部件和零件用相同的标号表示，并将省略其描述。图6示出图5所示气缸从活塞侧观察的视图。如图6所示，在图5所示气缸上方右侧设置有一对进气门31，且在左侧设置有一对排气门32。

在第三示例性实施方式的直接喷射火花点火式内燃发动机中，通过将燃料直接喷射至气缸内使得在点火时间时在气缸中形成均匀的空气-燃料混合物，然后点燃该均匀的空气-燃料混合物来进行均匀燃烧。例如，基于燃料喷射量来设定起动燃料喷射的曲柄转角，使得燃料喷射将在接近进气行程下死点的曲柄转角处结束，或者，不考虑燃料喷射量，将起动燃料喷射的曲柄转角设定为每个进气行程的后半程。

燃料喷射器1具有多个喷射孔，燃料F1、F2以及F3从相应的喷射孔朝向排气门侧的缸孔壁(优选地，朝向排气门侧的缸孔壁的下部)倾斜向下喷射。从燃料喷射器1喷射的各燃料F1、F2以及F3的推力被设定为使得每一喷射燃料的前锋在燃料喷射开始之后1毫秒到达距离喷射孔至少60毫米的位置。

由于各自具有这种强劲推力的喷射燃料F1、F2以及F3从气缸上侧的大体中心处朝向排气门侧的缸孔壁倾斜向下运动，所以燃料F1、F2以及F3的推力增强已在气缸中产生以便在气缸的排气门侧向下流动并在进气门侧向上流动的翻转流T。因此而被增强的翻转流T保持活动状态直至压缩行程的后半程，由此能够使空气-燃料混合物的运动保持强劲直至压缩行程结束时的点火时间。空气-燃料混合物的强劲运动提高燃烧速度，使得在良好的条件下进行均匀燃烧。

在第三示例性实施方式中，如图5和图6所示，燃料喷射器1具有五个喷射孔，然而本发明并不局限于此。从这五个喷射孔喷射的五股燃料是：沿与平行于翻转流T的回旋方向的平面基本平行的方向喷射的燃料F1；沿与平行于翻转流T的回旋方向的平面明显相交的方向喷射的两股燃料F2；以及沿与平行于翻转流T的回旋方向的平面明显相交的方向喷射的另外两股燃料F3。

所述两股燃料F2和所述两股燃料F3沿关于平面P对称的方向喷射，该平面P平行于翻转流T的回旋方向并位于气缸的轴线上。所述两股燃料F2中的每个的喷射方向相对于平面P的角度小于所述两股燃料F3中的每个的喷射方向相对于平面P的角度。所述两股燃料F3的喷射方向在二维视图中基本垂直于平面P。即，燃料F3大致沿着与平面P相垂直的平面喷射。如此，在第三示例性实施方式中，燃料被喷射至较广的区域，这有助于喷射燃料散布在气缸中的整个区域，使得产生良好均匀的空气-燃料混合物。

例如，如果除了前述五个喷射孔之外还设置其它喷射孔，则另外的喷射孔的喷射方向被设定成比喷射燃料F3的喷射方向更靠近排气门32。以这样的方式，所有燃料都朝向排气门侧的缸孔壁(优选地，朝向排气门侧的缸孔壁的下部)倾斜向下喷射，换言之，在气缸中所有燃料都从燃料喷射器1朝向燃料喷射器1的排气门侧喷射。这种布置方式消除了火花塞20由于喷射燃料而会弄湿的可能性。如此，火花塞20能够在点火时适当地产生电弧。

在如上所述地从多个喷射孔喷射燃料的情况下，所有喷射燃料并不总是用来有效增强翻转流T。即，沿与平行于翻转流T的平面基本平行的方向喷射的燃料F1对翻转流T的增强所起的作用最大。其它喷射燃料对翻转流T的增强所起的作用都比喷射燃料F1小。即，喷射方向相对于平行于翻转流T的平面的平行度越大(在二维视图中喷射方向与平行于翻转流T的平面相交的点处的锐边角越大)，则对翻转流T的增强所起的作用越小。因此，沿与平行于翻转流T的平面P相垂直的方向喷射的燃料F3对翻转流T的增强几乎不起作用。

鉴于上述问题，在第三示例性实施方式中，使对翻转流T的增强所起的作用最大的喷射燃料F1的推力大于喷射燃料F2和F3的推力，并相应地减小喷射燃料F2和F3的推力。以这样的方式，能够在不增加燃料喷射量的情况下有效增强翻转流T。另外，优选地，对翻转流的增强所起的作用越大，则使喷射燃料的推力越大。因此，使喷射燃料F2的推力大于喷射燃料F3的推力。

图7是示意性地示出燃料喷射器1的下端的截面图。图8是沿着图7中8A-8A线贯穿燃料喷射器1截取的截面图。注意，在图8的截面图中未示出阀件1b。燃料通道1c形成于燃料喷射器1中，且阀件1b布置于燃料通道1c中。阀件1b能够沿着燃料喷射器1的轴线方向上下移动。第一喷射孔H1、两个第二喷射孔H2以及两个第三喷射孔H3都形成于燃料喷射器1的锥状端部处。当阀件1b的密封部1d落座在锥状端部处的喷射孔H1、H2以及H3的上游侧的阀座部分上时，来自喷射孔H1、H2以及H3的燃料喷射停止。随着阀件1b的提升，响应于密封部1d移动离开阀座部分，燃料通道1c中的高压燃料通过喷射孔H1、H2以及H3中的每个喷射。

如图8所示，各个喷射孔H1、H2以及H3的内端位于环绕阀件1b的轴线的共同虚圆中。第一喷射孔H1的内端位于第一角度a1的中间，每个第二喷射孔H2的内端位于第二角度a2的中间，并且每个第三喷射孔H3的内端位于第三角度a3的中间。第一角度a1、两个第二角度a2以及两个第三角度a3的总和是360°。

简而言之，在阀件1b的锥状端部处的第一角度a1区域中的燃料通过第一喷射孔H1喷射，在第二角度a2区域中的燃料通过第二喷射孔H2喷射，并且在第三角度a3区域中的燃料通过第三喷射孔H3喷射。因此，通过将第一角度a1设定为最大角度(例如180°)而使对翻转流T的增强所起的作用最大的喷射燃料F1的推力大于喷射燃料F2和F3的推力。

同样地，通过将第二角度a2设定成大于第三角度a3(例如，a2：60°，a3：30°)而使对翻转流T的增强起作用的喷射燃料F2的推力大于几乎不对翻转流T的增强起作用的喷射燃料F3的推力。

如此，减小了对使燃料散布在气缸中的整个区域而言有必要但是对翻转流T的增强基本不起作用的喷射燃料F3的推力。这使喷射燃料F3到达缸孔壁并引起机油稀释的可能性最小化。

虽然将燃料喷射器1设置于气缸上侧的大体中心处，但是本发明并不局限于该结构。例如，替代地，燃料喷射器1可以设置于气缸上侧的***处的两个排气门32之间，或者设置于气缸上侧的***处的两个进气门31之间。如果将燃料喷射器1设置于在气缸上侧的***处设置的两个排气门32之间，则可以将相应的燃料例如朝向活塞顶面的排气门侧喷射，使得增强翻转流T。此外，如果将燃料喷射器1设置于在气缸上侧的***处设置的两个进气门31之间，则可以将相应的燃料例如朝向缸孔壁的排气门侧的上部喷射，使得增强翻转流T。

亦即，在任何情况下，如上所述，通过将一些燃料沿与平行于翻转流T的平面基本平行的方向喷射并且将一些燃料沿与平行于翻转流T的平面明显相交的方向喷射而能够使从相应的喷射孔喷射的燃料的推力彼此不同。

同时，每单位时间被抽吸至气缸内的进气量(重量)从进气门开启时逐渐增加，并且在进气门即将关闭之前达到峰值。因此，在接近进气行程下死点的燃料喷射期间，气缸中的翻转流T的强度从燃料喷射开始至燃料喷射结束逐渐增加。因此，翻转流T的强度在燃料喷射时间段的后半程比前半程高。

如果在气缸中的翻转流的强度低时喷射具有大推力的燃料，则喷射燃料会穿透翻转流。在这种情况下，喷射燃料的动能未被充分地用于增强翻转流。为了克服这个问题，在第三示例性实施方式中，控制阀件1b的升程，使其如图9所示地在燃料喷射时间段的前半程T1中变小，并在后半程T2中变大。阀件1b的升程越大，则燃料通道1c中的阀座部分与阀件1b的密封部1d之间的间隙越大。因此，随着阀件1b的升程的增加，对流经密封部1d与阀座部分之间的间隙的燃料的阻力减小，使得从相应喷射孔喷射的燃料的推力增大。

如此，为了使喷射燃料穿透翻转流T的可能性最小化，将每一喷射燃料的推力设为在燃料喷射时间段的后半程比在燃料喷射时间段的前半程大，其中，在燃料喷射时间段的后半程，每单位时间的进气量大且因此翻转流的强度高，而在燃料喷射时间段的前半程，每单位时间的进气量小且因此翻转流的强度低。因此，每一喷射燃料的动能被充分地用于增强翻转流T，从而减小了每一喷射燃料到达缸孔壁的可能性并因此而减小了机油稀释的可能性。

所需燃料量随着发动机速度的增大而增大，并随着发动机负荷的增大而增大。因此，当发动机速度增大并且当发动机负荷增大时，则延长燃料喷射时间段。在如此控制的燃料喷射时间段中，可以总是在前半程将阀件1b的升程设定成较小而在后半程设定成较大。此外，在能够以大、中和小三个级别来调节阀件1b的升程的情况下，可以在早期将阀件1b的升程设定为小升程，在中期设定为中升程，并在后期设定为大升程。

此外，随着所需燃料量的增大，一般而言被抽吸至气缸内的进气量增加，使得翻转流T的总强度增大。鉴于此，当所需燃料量至少在预定范围中增大时，在不改变燃料喷射时间段的总长度的情况下，可以通过缩短时间段T1并延长时间段T2的方式，在所需燃料量增大时增大燃料喷射量，其中，时间段T1是燃料喷射时间段的前阶段，在此阶段阀件1b的升程被设为小升程，而时间段T2则是燃料喷射时间段的后阶段，在此阶段阀件1b的升程被设为大升程。以这样的方式，能够增强在此时一般而言正变得越来越强劲的翻转流T。另一方面，当所需燃料量减少时，可以通过延长时间段T1并缩短时间段T2的方式，在所需燃料量减少时减少燃料喷射量。以这样的方式，使喷射燃料穿透在此时正变得越来越弱的翻转流T的可能性最小化。

以上所述的阀升程控制的应用并不局限于具有多个喷射孔的燃料喷射器。例如，燃料喷射器1可以是从单一喷射孔将燃料喷射成实心或空心锥的形状的燃料喷射器。此外，燃料喷射器1可以是从狭缝形的喷射孔将燃料喷射成较薄的扇形的燃料喷射器。此外，燃料喷射器1可以是从弧线狭缝形的喷射孔将燃料喷射成较薄的凸起侧面对上侧及排气门侧的弧形的燃料喷射器。此外，燃料喷射器1可以是从两个或多个直线狭缝形的喷射孔的组合将燃料喷射成锯齿形的燃料喷射器。简而言之，只要能够使喷射燃料的推力与如上所述的一样大并且喷射方向被设定成以便加速气缸中的翻转流T，燃料喷射器1可以是任何类型。

在第三示例性实施方式中，因为用于均匀燃烧的空燃比被设定为比化学计量空燃比稀的比率(所述比率优选地为用于抑制NO_X产生的稀空燃比)以节省燃料消耗，所以燃烧倾向于缓慢进行。因此，非常期望的是如前所述地加速燃烧速度。注意，用于均匀燃烧的空燃比可以设定为化学计量空燃比或浓空燃比。在这种情况下，也同样期望加速燃烧速度。

Claims (19)

1.一种直接喷射火花点火式内燃发动机，所述内燃发动机在均匀燃烧过程中利用在接近进气行程下死点时朝向缸孔壁喷射的燃料来增强翻转流，所述内燃发动机包括直接将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器(1)，其中

所述燃料喷射器(1)喷射具有推力的燃料，基于燃烧室状态、喷射燃料的温度以及喷射孔朝向中的至少一个来设定所述推力，以增强所述翻转流。

2.如权利要求1所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，则使所述喷射燃料的推力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的降低而减小。

3.如权利要求1所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，则降低燃料喷射压力，使得所述燃料喷射压力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。

4.如权利要求1所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，则使所述喷射燃料的温度降低至所述预定上限值或者低于所述预定上限值。

5.如权利要求4所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中

通过利用气流对所述燃料喷射器(1)进行冷却来降低所述喷射燃料的温度。

6.如权利要求3到5中任一项所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度低于预定下限值时，则使所述喷射燃料的温度升高至所述预定下限值或者高于所述预定下限值。

7.如权利要求6所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中

通过给阀门开启致动器(12)通电而不开启所述燃料喷射器(1)的方式来加热所述阀门开启致动器(12)，由此升高所述喷射燃料的温度。

8.如权利要求1所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中

所述燃料喷射器(1)具有多个喷射孔(H1、H2、H3)，并且

从所述喷射孔(H1、H2、H3)中沿与平行于所述翻转流的平面基本平行的方向的一个喷射孔喷射的燃料的推力大于从所述喷射孔(H1、H2、H3)中沿与平行于所述翻转流的平面相交的方向的另一喷射孔喷射的燃料的推力。

9.如权利要求1所述的直接喷射火花点火式内燃发动机，其中

与燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较小时相比，当燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较大时，增大从所述燃料喷射器(1)喷射的燃料的推力。

10.一种用于直接喷射火花点火式内燃发动机的燃料喷射控制方法，所述内燃发动机在均匀燃烧过程中利用在接近进气行程下死点时朝向缸孔壁喷射的燃料来增强翻转流并且包括直接将燃料喷射到气缸内的燃料喷射器(1)，在所述燃料喷射控制方法中

基于燃烧室状态、喷射燃料的温度以及喷射孔朝向中的至少一个来设定从所述燃料喷射器(1)喷射的燃料的推力，以增强所述翻转流。

11.如权利要求10所述的燃料喷射控制方法，其中

当所述缸孔壁的表面的检测温度或估算温度低于预定温度时，则使所述喷射燃料的推力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的降低而减小。

12.如权利要求10所述的燃料喷射控制方法，其中

当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，则降低燃料喷射压力，使得所述燃料喷射压力随着所述喷射燃料的检测温度或估算温度的升高而降低。

13.如权利要求10所述的燃料喷射控制方法，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度高于预定上限值时，则使所述喷射燃料的温度降低至所述预定上限值或者低于所述预定上限值。

14.如权利要求13所述的燃料喷射控制方法，其中

通过利用气流对所述燃料喷射器(1)进行冷却来降低所述喷射燃料的温度。

15.如权利要求12到14中任一项所述的燃料喷射控制方法，其中，当所述喷射燃料的检测温度或估算温度低于预定下限值时，则使所述喷射燃料的温度升高至所述预定下限值或者高于所述预定下限值。

16.如权利要求15所述的燃料喷射控制方法，其中

通过给阀门开启致动器(12)通电而不开启所述燃料喷射器(1)的方式来加热所述阀门开启致动器(12)，由此升高所述喷射燃料的温度。

17.如权利要求10所述的燃料喷射控制方法，其中

所述燃料喷射器(1)具有多个喷射孔(H1、H2、H3)，并且

使从所述喷射孔(H1、H2、H3)中沿与平行于所述翻转流的平面基本平行的方向的一个喷射孔喷射的燃料的推力大于从所述喷射孔(H1、H2、H3)中沿与平行于所述翻转流的平面相交的方向的另一喷射孔喷射的燃料的推力。

18.如权利要求10所述的燃料喷射控制方法，其中

与燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较小时相比，当燃料喷射期间每单位时间引入的进气量较大时，增大从所述燃料喷射器(1)喷射的燃料的推力。

19.一种直接喷射火花点火式内燃发动机，其在均匀燃烧过程中利用在接近进气行程下死点时朝向缸孔壁喷射的燃料来增强翻转流，包括：

燃料喷射器，其直接将燃料喷射到气缸内，其中

基于燃烧室状态、喷射燃料的温度以及喷射孔朝向中的至少一个来设定从所述燃料喷射器喷射的燃料的推力以增强所述翻转流。

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