技术领域
[0001] 本
发明涉及燃料喷射器，并且特别涉及具有预燃室和三级的燃料喷射器。
背景技术
[0002] 在内燃
发动机的操作期间，燃烧事件的
质量取决于各种条件。一个条件是燃料与
燃烧室中的空气如何很好地混合。不良的空气燃料混合可产生不需要的烟粒和/或
碳氢化合物排放。这特别是在冷起动期间。
[0003] 燃料喷射器已用于将燃料喷射到发动机的燃烧室中，通常以高速度喷射以试图使燃料雾化。然而，燃料喷射器仍然可提供令人失望的空气燃料混合。此外，通常为喷射器的特性的长喷雾渗透(spray penetration)可导致喷雾撞击燃烧室壁，特别是在冷发动机条件下，这可倾向于将燃料保持在较冷的
液化状态。
[0004] Allen的美国
专利7，458，364公开了一种试图改善雾化的燃料喷射系统。'364的公开内容包括所谓的混合室，
容积式泵向混合室喷射测量量的燃料。当在相邻的燃烧室中产生部分
真空时，空气或排气
导管向混合室提供气体补充容积，以将排气和燃料以组合流吸入燃烧室，以试图将燃料夹带至排气流中。当
活塞开始向下冲程时，通过延迟进气
门的开启来在燃烧室中产生真空。混合室包括在其出口侧的用以
加速流动的
雾化喷嘴。
[0005] 此方法有一些缺点。对于其中一个，'364的系统需要
增压空气进气门的非常特别的操作，以便在燃烧室中产生真空以引起空气或排气流过混合室以夹带燃料。'364的设计旨在与不包括燃料泵的较小的单缸发动机一起使用。
容积式泵被设计成用于计量喷射，而不是用于增加的压
力。此外，燃料暴露于通过的空气或排气流的时间似乎相当短。燃料和排气之间的任何明显的热传递的时间似乎也很少。排气流和燃料流似乎只是混合。似乎燃料只有在从
雾化喷嘴进入燃烧室时才在混合物内雾化。
发明内容
[0006] 本文的
发明人公开了一种发动机、燃料喷射器和将燃料喷射到发动机的燃烧室中的的方法，该方法提供改进的空气-燃料混合物。该方法可包括在第一持续时间内使内部元件相对于喷射器主体旋转第一旋转量并使排气通道与排气源对准(align)，以允许排气进入预燃室(pre-chamber)。该方法还可包括在第二持续时间内使内部元件相对于喷射器主体旋转第二旋转量并使燃料通道与燃料源对准，以允许燃料进入预燃室。该方法还可包括在第三持续时间内使内部元件相对于喷射器主体旋转第三旋转量并使喷射器喷嘴连接器与喷射器喷嘴对准，以允许燃料和排气的混合物从预燃室喷射到燃烧室。
实施例可提供三级(在一个示例中恰好为三级)燃料喷射器配置，该三级燃料喷射器配置将预燃室内的热排气流引入喷射器销内，以在燃料被喷射到燃烧汽缸中之前促进燃料
蒸发。
[0007] 以这种方式，可经由预定的时间暴露以及经由充足的空间暴露来实现燃料更加显著的暴露于加温的排气。以这种方式，燃料可在预燃室中加温。燃料可利用排气的供应提供有充足的热传递暴露，以将燃料有效地加热到有利的
水平。同样，以这种方式，燃料可在加热的排气中蒸发。
[0008] 当单独使用或结合
附图时，本描述的以上优点和其他优点以及特征将从以下具体实施方式中显而易见。
[0009] 应理解，提供上述发明内容是为了以简化的形式引入在具体实施方式中进一步描述的所选概念。这并不意味着确认所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由具体实施方式之后的
权利要求唯一限定。此外，所要求的主题不限于解决上述或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
[0010] 图1为根据本公开的发动机的示意性系统图。
[0011] 图2为根据本公开的燃料喷射器的局部示意性横截面图。
[0012] 图3A和3B为分别在线3A-3A和3B-3B处截取的图2所示的燃料喷射器的局部示意性横截面视图，视图示出了处于关闭
位置的喷射器。
[0013] 图4A和4B为分别在线3A-3A和3B-3B处截取的图2所示的燃料喷射器的局部示意性横截面视图，视图示出了处于第一级的喷射器。
[0014] 图5A和5B为分别在线3A-3A和3B-3B处截取的图2所示的燃料喷射器的局部示意性横截面视图，视图示出了处于第二级的喷射器。
[0015] 图6A和6B为分别在线3A-3A和3B-3B处截取的图2所示的燃料喷射器的局部示意性横截面视图，视图示出了处于第三级的喷射器。
[0016] 图7为示出根据本公开的方法的
流程图。
具体实施方式
[0017] 参考图1，包括多个汽缸的内燃发动机10由
电子发动机
控制器12控制，在图1中示出了其中的一个汽缸。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，其中活塞36
定位在汽缸壁中并连接到
曲轴40。
飞轮可耦接到曲轴40。
[0018] 燃烧室30被示为经由相应的进气门52和排气门54与进气
歧管44和
排气歧管48连通。每个进气门和排气门可通过进气
凸轮51和排气凸轮53操作。进气凸轮51的位置可由进气凸轮
传感器55确定。排气凸轮53的位置可由排气凸轮传感器57确定。进气凸轮51和排气凸轮53可相对于曲轴40移动。
[0019] 燃料喷射器66被示为定位成将燃料直接喷射到汽缸30中，本领域技术人员称之为直接喷射。另选地，燃料可被喷射到进气道，本领域技术人员称之为进气道喷射。燃料喷射器66可与来自控制器12的
信号的脉冲宽度成比例地递送
液体燃料。燃料通过包括
燃料箱、燃料泵和燃料轨(未示出)的燃料系统(未示出)被递送到燃料喷射器66。
[0020]
进气歧管44被示为与任选的电子节气门62连通，电子节气门62调整节流板64的位置以控制从进气装置42到进气歧管44的空气流。
[0021] 在一个示例中，可使用低压直接喷射系统，其中燃料压力能够提高到约20-30巴。另选地，可使用高压双级燃料系统来生成更高的燃料压力。
[0022] 在一些示例中，节气门62和节流板64可定位在进气门52和进气歧管44之间，使得节气门62为进气道节气门。
[0023]
点火系统88可响应于控制器12经由
火花塞92向燃烧室30提供点火火花。通用排气
氧(UEGO)传感器126被示为耦接到催化转化器70上游的排气岐管48。另选地，双态排气氧传感器可代替UEGO传感器126。
[0024] 在另一示例中，发动机可耦接到混合动力车辆中的电动
马达/
电池系统。进一步地，在一些示例中，可采用其他发动机配置，例如
柴油发动机。
[0025] 在一个示例中，催化转化器70能够包括多个催化剂砖。在另一示例中，能够使用多个排放控制装置，每个排放控制装置具有多个砖。在一个示例中，催化转化器70能够为三元催化剂。催化转化器70的
温度可经由
发动机转速、发动机负荷、发动机冷却剂温度和火花正时来测量或估算。
[0026] 控制器12在图1中被示为常规的微型计算机，包括：
微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、只读
存储器(ROM)106(例如，非暂时性存储器)、
随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110以及常规的
数据总线。控制器12被示为接收来自耦接到发动机10的传感器的各种信号，除了先前讨论的那些信号之外，还包括：来自耦接到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；耦接到加速器
踏板130用于感测由脚132施加的力的
位置传感器134；来自耦接到进气歧管44的
压力传感器122的发动机歧管压力(MAP)的测量值；来自
霍尔效应传感器118的感测曲轴40位置的发动机位置传感器；来自传感器120的进入发动机的空气质量的测量值；来自倾斜计35的道路坡度的测量，以及来自传感器58的节气门位置的测量值。还可感测到
大气压力(传感器未示出)以用于由控制器12处理。
[0027] 在本描述的优选方面，发动机位置传感器118在曲轴的每转产生预定数量的等间隔脉冲，由此能够确定发动机转速(RPM)。
[0028] 在另一示例中，发动机可耦接到混合动力车辆中的电动马达/电池系统。进一步地，在一些示例中，可采用其他发动机配置，例如柴油发动机。
[0029] 在操作期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四冲程循环：该循环包括
进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和
排气冲程。在进气冲程期间，通常排气门54闭合而进气门52打开。空气经由进气歧管44被引入燃烧室30中，并且活塞36移动到汽缸的底部，以增加燃烧室30内的容积。活塞36靠近汽缸的底部并在其冲程末端的位置(例如，当燃烧室30处于其最大容积时)通常被本领域的技术人员称为
下止点(BDC)。在压缩冲程期间，进气门52和排气门54均闭合。活塞36朝向
汽缸盖移动，以便压缩燃烧室30内的空气。在活塞36在其冲程末端并最接近汽缸盖的点位(例如，当燃烧室30处于其最小容积时)通常被本领域的技术人员称为
上止点(TDC)。在下文称为喷射的过程中，将燃料引入燃烧室中。在下文中称为点火的过程中，喷射的燃料由已知的点火装置(诸如，火花塞92)点燃，从而导致燃烧。在示例柴油机应用中，燃料可通过增加压缩经由自动点火来燃烧。在膨胀冲程期间，膨胀气体将活塞36推回到BDC。曲轴40将活塞移动转换为旋
转轴的旋转
扭矩。最后，在排气冲程期间，排气门54打开以将被燃烧的空气-燃料混合物释放到排气歧管48，并且活塞返回到TDC。应注意，上文仅仅作为示例示出，并且进气门和排气门打开和/或闭合正时可改变，以便提供正
气门重叠或负气门重叠、延迟进气门闭合或各种其他示例。
[0030] 如图1中更详细地所示，控制器12可被配置成从发动机10接收输入，因此控制发动机的扭矩输出和/或
液力变矩器、
变速器、DISG、
离合器和/或
制动器的操作。作为一个示例，可通过借助于控制节气门开启和/或气门正时、
气门升程和
涡轮或机械增压发动机的增压调整火花正时、燃料脉冲宽度、燃料脉冲正时和/或空气充气的组合来控制
发动机扭矩输出。在柴油发动机的情况下，控制器12可通过控制燃料脉冲宽度、燃料脉冲正时和空气充气的组合来控制发动机扭矩输出。可在逐缸的
基础上执行发动机控制以控制发动机扭矩输出。
[0031] 各种实施例可提供可包括用于燃烧空气-燃料混合物的燃烧室30的发动机系统150。可包括燃料管线152以供应用于在燃烧室30中燃烧的高压燃料。发动机系统150可包括被配置成经由上游燃料管线156从燃料箱(未示出)移动燃料的燃料泵154。燃料泵154也可对燃料加压，从而提供高压燃料。
[0032] 可提供连接管线(junction line)158以转移(port)来自燃烧室30的排气的一部分。连接管线158可与排气再循环(EGR)管线160
流体耦接。可提供EGR
阀162以至少部分地调节EGR系统。连接管线158还可包括如气门(未示出)的调节机构。在一些实施例中，连接管线158可以流体耦接到在其他方面可不包括EGR管线的发动机排气。
[0033] 图2-7示出了具有各种部件的相对定位的示例配置。如果被示为彼此直接
接触或直接耦接，那么至少在一个示例中，此类元件可分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，被示为彼此邻接或相邻的元件可分别彼此邻接或相邻。作为示例，放置成彼此共面接触的部件可被称为共面接触。作为另一个示例，在至少一个示例中，彼此分开定位仅在其间具有空间而不存在其他部件的元件可被如此称之。作为又一示例，被示为在彼此上方/下方、在彼此的相对侧或在彼此的左侧/右侧的元件可相对于彼此被如此称之。进一步地，如图所示，在至少一个示例中，最顶部元件或元件的最顶部点可被称为部件的“顶部”，以及最底部元件或元件的最底部点可被称为部件的“底部”。如本文所用，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可相对于附图的竖直轴线，并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。因此，在一个示例中，被示为在其他元件上方的元件竖直地位于其他元件上方。
作为又一示例，附图中描绘的元件的形状可被称为具有那些形状(例如，诸如圆形的、直线的、平面的、弯曲的、圆
角的、
倒角的、成角度的等)。进一步地，在至少一个示例中，被示为彼此相交的元件可被称为相交元件或彼此相交。更进一步地，在一个示例中，被示为在另一元件内或被示为在另一元件外部的元件可被如此称之。
[0034] 现在再参考图2-图6B，发动机系统150可包括燃料喷射器200。燃料喷射器200可包括喷射器主体202和设置在喷射器主体202内并相对于喷射器主体202可旋转的内部元件222。可在内部元件222内部在内部元件222的部分和喷射器主体202之间限定预燃室215。内部元件222可为可旋转的，以选择性地对准在预燃室215和连接管线158之间的第一通道
224，以允许排气进入预燃室215。内部元件222也可为可旋转的，以选择性地对准在预燃室
215和燃料管线152之间的第二通道226，以允许燃料进入预燃室215。第一和第二通道可包括可对准以使流体能够穿过的一个或多个区段。内部元件222也可为可旋转的，以选择性地对准在预燃室和一个或多个喷射器喷嘴208之间的一个或多个喷射器喷嘴连接器228，以将燃料-排气混合物从预燃室喷射到燃烧室30中。内部元件222相对于喷射器主体202的选择性旋转可由控制器12直接或间接地控制。旋转可由诸如线圈等的
致动器230来实现。
[0035] 内部元件222可包括围绕并限定混合室215的基本上圆柱形的外壁213或室壁213。一个或多个喷射器喷嘴连接器228可为例如八个喷射器喷嘴连接器228，这八个喷射器喷嘴连接器以八个基本相等的周向间隔径向延伸通过外壁213。喷射器主体202可包括围绕内部元件222的基本上圆柱形的外壁213的基本上圆柱形的主体壁233。类似地，一个或多个喷射器喷嘴208可为八个喷射器喷嘴208，这八个喷射器喷嘴可径向向外并且朝向燃烧室30的中间区域纵向地延伸。例如，这些喷射器喷嘴可与喷射器主体202的中
心轴线235形成一定角度。
[0036] 如上所述，喷射器主体202可具有中心轴线235。内部元件222也可具有可与喷射器主体202的中心轴线235重合的中心轴线。另选地，内部元件222的中心轴线可偏离喷射器主体202的中心轴线、与该中心轴线平行或成一定角度。在所示的示例实施例中，中心轴线235位于圆柱形外壁或室壁213的中心。排气喷嘴224和燃料喷嘴226可相对于中心轴线235位于第一纵向位置，并且一个或多个喷射器喷嘴连接器228可相对于中心轴线235位于第二纵向位置。第二纵向位置可不同于第一纵向位置；即，排气喷嘴224和燃料喷嘴226可穿过第一平面，并且一个或多个喷射器喷嘴连接器228可穿过第二平面。中心轴线235可垂直于第一平面和第二平面二者，并且第一平面和第二平面可彼此平行。
[0037] 图3A和3B示出了处于起始位置、或闭合位置、或零角度248位置的定位在喷射器主体202中的内部元件222，其中排气和燃料都不可进入预燃室215。图4A和图4B示出了处于第一级位置的定位在喷射器主体202中的内部元件222，其中内部元件222旋转第一角度250以允许排气进入预燃室215。图5A和图5B示出了处于第二级位置的定位在喷射器主体202中的内部元件222，其中内部元件222旋转第二角度252以允许燃料进入预燃室215。图6A和6B示出了处于第三级位置的定位在喷射器主体202中的内部元件222，其中内部元件222旋转第三角度254以允许燃料-排气混合物从预燃室215喷出并喷射到燃烧室30中。这些图还示出了相应的通道、连接器和喷嘴的示例相对间隔或取向。
[0038] 排气喷嘴224和燃料喷嘴226可径向延伸通过圆柱形外壁或室壁213，并且可彼此成角度地间隔开例如约11度。此外，至少一个喷射器喷嘴连接器228中的一个可与燃料通道成角度地间隔开例如约23度。一个或多个喷射器喷嘴连接器228可为彼此成角度地间隔开约45度的八个喷射器喷嘴连接器228。
[0039] 各个实施例还可包括喷射器针240，喷射器针240可被配置成进入预燃室215，以迫使燃料-排气混合物通
过喷射器喷嘴208离开预燃室215并进入燃烧室30。
[0040] 如上所述，在一些情况下，连接管线158被配置成从排气歧管48下游的EGR管线160接收排气。在多个类似配置的燃烧室30下游的多个类似配置的排气通道可流体地结合成总的流动路径。
[0041] 实施例可提供燃料喷射器200，燃料喷射器200可包括限定通过其的通道的喷射器主体202。通道可包括一个或多个排气通道204、一个或多个燃料通道206、和一个或多个喷射器喷嘴208。燃料喷射器200还可包括内部元件222，该内部元件具有在其中限定预燃室215的室壁213。室壁213可具有通过其的通道。通道可包括一个或多个排气喷嘴224、一个或多个燃料喷嘴226、和一个或多个喷射器喷嘴连接器228。内部元件222可基本上设置在喷射器主体202内部，并且可相对于喷射器主体202可移动，以选择性地使一个或多个排气喷嘴
224与一个或多个排气通道204对准、使一个或多个燃料喷嘴226与一个或多个燃料通道206对准、以及使一个或多个喷射器喷嘴连接器228与一个或多个喷射器喷嘴208对准，以便将燃料和排气的混合物喷射到发动机10的燃烧室30中。在喷射燃料-排气混合物之后，内部元件222可旋转回到零角度位置，或者可不旋转回到零角度位置。
[0042] 实施例可提供燃料喷射器200，其中内部元件222在喷射器主体202内部可旋转以利用连续的旋转移动使一个排气喷嘴224与一个排气通道204对准、使一个燃料喷嘴226与一个燃料通道206对准、以及使一个或多个喷射器喷嘴连接器228与一个或多个喷射器喷嘴208对准。
[0043] 特别参考图1，在一些实施例中，内部元件222具有在其中限定预燃室215的基本上圆柱形的外壁213。内部元件222可围绕喷射器主体202的中心轴线235枢转。一个或多个排气喷嘴224可为一个排气喷嘴204，该一个排气喷嘴204可在内部元件外壁213的第一周向位置和第一纵向位置径向穿过外壁213。类似地，一个或多个燃料喷嘴226可为一个燃料喷嘴226，该一个燃料喷嘴226在内部元件外壁213的第二周向位置和第一纵向位置径向穿过外壁213。一个或多个喷射器喷嘴连接器228可在第二纵向位置径向穿过内部元件外壁213。
[0044] 喷射器主体202可在其中限定空间225，内部元件222可被设置成装配到该空间225中。密封元件，例如第一O形环242，可定位在空间225中，与在排气喷嘴224、排气通道204、燃料喷嘴226和燃料通道206上方的内部元件外壁213密封接合，以防止或减少排气或燃料的
泄漏。第二O形环244可定位在空间225中，与排气喷嘴224下方但在喷射器喷嘴连接器228和喷射器喷嘴208上方的内部元件外壁213密封接合。以这种方式，可防止或减少燃料排气混合物泄漏和/或自排气通道204和燃料通道206的直接流动。
[0045] 一个或多个喷射器喷嘴连接器228可为八个喷射器喷嘴连接器228，这八个喷射器喷嘴连接器可在八个基本上均匀间隔的周向位置径向穿过外壁213。喷射器喷嘴连接器中的一个可与燃料喷嘴限定第二角度，并且燃料喷嘴与排气喷嘴形成第一喷嘴，并且其中，第一角度250和第二角度252的总和基本上等于第三角度254，第三角度254可为例如45度。
[0046] 实施例可提供将燃料喷射到发动机的燃烧室中的方法700。方法700可包括在702处，在第一持续时间内使内部元件相对于喷射器主体旋转第一旋转量并使排气通道与排气源对准，以允许排气进入预燃室。方法700可包括在704，在第二持续时间内使内部元件相对于喷射器主体旋转第二旋转量并使燃料通道与燃料源对准，以允许燃料进入预燃室。方法700还可包括在706处，在第三持续时间内使内部元件相对于喷射器主体旋转第三旋转量并使喷射器喷嘴连接器与喷射器喷嘴对准，以允许燃料和排气的混合物被从预燃室喷射到燃烧室。在一些实施例中，方法700可包括将喷射针240移动到预燃室215中以迫使燃料和排气的混合物进入燃烧室。
[0047] 对于一些实施例，排气通道与排气源对准可通过使内部元件相对于喷射器主体旋转11度来实现；燃料通道与燃料源对准可通过使内部元件相对于喷射器主体旋转另一11度来实现；并且喷射器喷嘴连接器与喷射器喷嘴对准可通过使内部元件相对于喷射器主体旋转23度来实现。
[0048] 第一旋转量加上第二旋转量加上第三旋转量的总和可基本上等于360度除以围绕喷嘴主体的周长径向等距地间隔开的喷嘴通道的数量。例如，喷嘴通道的数量可为8个，并且第一旋转量加上第二旋转量加上第三旋转量的总和可基本上等于45度。
[0049] 如上所述，内部元件222可在预定的持续时间内旋转到相应的第一、第二、和第三级，并且因此相对于喷射器主体202定向到相应的第一、第二、和第三级。以这种方式，可实现有效的混合和/或热传递。例如，第一预定的持续时间可为10ms、第二预定的持续时间可为15ms、并且第三预定的持续时间可为60ms。
[0050] 本领域技术人员应理解，尽管已参考一个或多个实施例通过示例的方式描述了本公开，但是本公开不限于所公开的实施例，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可构想对所公开的实施例或另选的实施例的一个或多个
修改。
[0051] 因此，应理解，因为可有许多变化，所以本文公开的配置和方法本质上是示例性的，并且这些特定的实施例不应被认为具有限制意义。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他的发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置，以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
[0052] 随附权利要求特别指出被视为新颖的且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等效物。此类权利要求应理解为包括一个或多个此类元件的并入，既不要求也不排除两个或更多个此类元件。所公开的特征、功能、要素和/或性质的其他组合和子组合可通过修改本权利要求或通过在本
申请或相关申请中提出新的权利要求来加以要求。此类权利要求，无论比原始权利要求的范围更宽、更窄、相同或者不同，仍被视为包括在本公开的主题内。
