CN102333944B - 预燃室式发动机控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制预燃室式发动机的方法，该方法能够可靠地防止预燃室内发生失火。所述方法设有以下步骤：检测进气压力和进气温度的第一步骤；使用预定公式计算主燃烧室的空气过剩率的第二步骤；由主燃烧室的空气过剩率计算适当的预燃室的燃料量的第三步骤；以及由预燃室燃料供应阀的打开时段与计算获得的预燃室的燃料量之间的关系公式来计算预燃室燃料供应阀的打开时段的第四步骤。连续地执行第一至第四步骤。

Description

预燃室式发动机控制方法
技术领域
本说明书中的公开内容涉及一种用于控制具有预燃室的发动机的控制方法，在该预燃室中进行火花点火。
背景技术
对于具有预燃室的发动机，传统上需要控制导入预燃室的气体的空燃比，以使得火花塞的点火满意地进行；因此，在一种用于控制具有预燃室的发动机的控制方法中，导入预燃室内的空气燃料混合物的空燃比被控制(例如，参见专利文献1)。附带地讲，所述空燃比是空气燃料混合物中空气质量与燃料质量之比。
空燃比必须保持适当的水平；否则，富含空气的状态(空气过剩状态)或富含燃料的状态(燃料过剩状态)都会导致发动机失火。此外，考虑到尾气排放，除了预燃室之外，优选地在主燃烧室内保持适当的富含空气状态。
图5示出了常规预燃室式发动机的一个实例。如图5所示，主燃烧室S1形成在活塞1上方；具有渐缩形状的预燃室形成件3布置在气缸2的头部侧上。在预燃室形成件3内，形成预燃室S2。在预燃室形成件3的上侧，设置有用于点燃预燃室S2内的空气燃料气体混合物的火花(点火)塞4。此外，在预燃室形成件3上方，设置有用于供给燃料气体的燃料气体供应管5。在燃料气体供应管5的中间，设置有用于调节燃料流量的预燃室燃料供应阀6。
此外，在气缸2的头部侧上的主燃烧室内的空间与用于将燃料气体(或空气燃料气体混合物)注入主燃烧室S1的进气管7连通。进气门8设置在进气管7和气缸2之间的边界处，该边界为主燃烧室S1内部的空间和由进气管7形成的通道确定界限。在进气管7的中途，用于使燃料气体流进入进气管7的燃料气体供应管9连接到进气管7。此外，在燃料气体供应管9的中途，设置有用于调节向主燃烧室S1供应的燃料的流量的主燃料供应阀10。此外，燃料气体供应管9与预燃室S2以及连接到预燃室S2的燃料气体供应管5连通；也就是说，燃料气体管分支成两个通道(即，燃料气体供应管9和5)；从而，燃料气体供应管9向主燃烧室S1供应燃料，而燃料气体供应管5向预燃室S2供应燃料。
经进气管7流入主燃烧室S1的空气燃料气体混合物在主燃烧室10内燃烧，并产生燃烧气体；所产生的燃烧气体作为排气从主燃烧室10经排气(废气)管11排放。排气门12设置在进气管7和气缸2的边界处，该边界为主燃烧室S1内部的空间和由排气(废气)管12形成的通道确定界限。
诸如燃料供应阀6和10的各种阀由ECU(发动机控制单元)13控制。
另一方面，导入主燃烧室S1以用于主燃烧的一部分稀空气燃料混合物经主燃烧室流入预燃室S2。为了获得导入预燃室的空气燃料气体混合物的适当空燃比，经预燃室燃料供应阀6向预燃室供应燃料气体。因此，已经常规地研究和开发了多种方法，以调节导入预燃室S2的空气燃料气体混合物的适当空燃比(例如，专利文献2和3)。
在所研究和开发的用于控制具有预燃室的发动机的方法的一个实例中，根据发动机运行条件(例如发动机的负荷条件)控制流向预燃室的燃料气体流。然而在该方法中，当发动机负荷或发动机转速急剧增加时，导入主燃烧室的空气燃料气体混合物的空燃比可能瞬时不足(即，空气燃料气体混合物瞬时处于富含燃料状态)；因此，导入预燃室的空气燃料气体混合物的空燃比处于富含燃料状态。因此，在预燃室内可能引起失火。
接下来，将说明有关失火的类型(即失火如何发生)。
图6(a)示出了预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率(在下文关于实施例的描述中说明)如何根据发动机转速变化而变化。在图6(a)中，实线是在发动机转速准静态增加情况下关于预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率相对于发动机转速的响应的轨迹；因此，即使发动机转速增加，预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率也不减小，并且保持在平衡状态。然而，在发动机加速和发动机转速急剧增加的情况下，连接点A和点B的准静态线向下弯曲，从而形成如图6(a)中虚线所示的弧形。即使在这种情况下，虚线也在图6(a)中的失火区以外。然而，在发动机转速进一步急剧增加的情况下，关于空气过剩率相对于发动机转速的响应的轨迹形成连接点A和点C的点划线，从而空气过剩率到达失火区。
此外，在图6(a)的基础上，说明图6(d)和图6(e)。图6(e)示出了供入主燃烧室内的燃料量和发动机转速之间的关系；因此，沿着实线(在发动机转速准静态增加的情况下)，主燃烧室内的燃料量根据发动机转速的增加而线性增加。此外，沿着图6(e)中的虚线(即，在发动机转速急剧增加的情况下)，主燃烧室内的燃料量与在发动机转速准静态增加的情况下相比进一步增加；因此，主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率减小。作为结果，经主燃烧室流入预燃室的空气燃料混合物内的燃料量增加。因此，在预燃室内的燃料量增加的这种情况下，如果进入预燃室的燃料量如图6(b)中所示被线性控制，则预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率如图6(a)中所示减小。此外，当发动机急剧加速时(即，在点划线的情况下)，如上所述在点C处发生失火，并且发动机转速如图6(e)中所示降低。
在发生失火的情况下，发动机转速如上所述降低；因此，在相对于发动机转速执行关于向主燃烧室供应的燃料量的反馈控制时，向主燃烧室供应的燃料量随着发动机转速的降低而增加；因此，失火进一步趋于发生，如图6(a)中所示。
[参考文献]
[专利参考文献]
专利参考文献1：JP2007-198140
专利参考文献2：JP1992-259640
专利参考文献3：JP1992-259651
发明内容
要解决的问题
然而，在具有预燃室的常规发动机的控制方法中，进行发动机控制，使得根据发动机运行条件而优化来自预燃室的火炬喷射强度；即使在主燃烧室内出现燃料过剩的瞬间状态时，预燃室内的燃料量变得过剩(即，出现过度富含燃料的状态)；从而，在预燃室内引起失火。因此，发动机转速或发动机输出降低。此外，在对发动机转速或发动机输出进行反馈控制的情况下，在主燃烧室内的空气燃料混合物的富含燃料状态进一步延续，并且变得更难以点燃燃料空气混合物。因此，可能出现发动机停转的困难。
鉴于常规技术中的上述困难，本发明旨在提供一种控制方法，该方法用于控制预燃室式发动机，从而确实防止预燃室内发生失火现象。
解决问题的手段
本发明是为了提供克服上述困难的手段而设计的。
本发明公开了一种用于控制预燃室式发动机的控制方法，所述发动机包括主燃烧室和预燃室；其中燃料气体被供应到主燃烧室和预燃室，所述控制方法包括：响应于供应到主燃烧室的空气燃料混合物的空气过剩率，增加或减少要供应到预燃室的燃料量，从而使得预燃室中的空燃比保持在适当水平。
根据上文，以短时间跨度的时间间隔测量发动机运行条件；对预燃室中的空气燃料混合物的空燃比进行调节，从而使空燃比保持在适当水平；因此，可以确实防止预燃室中可能发生的失火现象。
上述公开的优选实施例是包括在要供应到主燃烧室的燃料量瞬时增加时减少要供应到预燃室的燃料量的控制。
根据上文，当向主燃烧室供应的燃料量瞬时减少时，向预燃室供应的燃料量增加；因此，预燃室内的空气燃料混合物的空燃比得到调节，从而将空燃比保持在适当水平。
另一个优选实施例是一种控制方法，所述方法包括：用于检测进气压力、进气温度和发动机转速的第一步骤；用于计算供应到主燃烧室的空气燃料混合物的空气过剩率的第二步骤；用于根据主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率与预燃室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系表达式计算要供应到预燃室的燃料量的第三步骤；以及，用于基于预燃室燃料供应阀的阀打开持续时间来增加和减少要供应到预燃室的燃料量的第四步骤，阀打开持续时间响应于要供应到预燃室的燃料量来计算。
根据上文，主燃料供应阀的打开持续时间为控制命令变量，其值由ECU产生，并且利用已知值作为阀打开持续时间对照量；可以采取简单的方式，从而按照此前确定的主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率与供应到预燃室的空气燃料混合物的燃料量之间的关系表达式来检测进气压力、进气温度和发动机转速。通过这种方式，可以防止发动机运行过程中的失火。
在本发明中，连续且重复地测量进气压力、进气温度和发动机转速；并且，可以连续输出预燃室燃料供应阀的阀打开持续时间的控制命令值；因此，在发动机运行过程中，可以始终适当维持预燃室内的空气燃料混合物的空燃比。
发明效果
根据本发明，在用于控制预燃室式发动机的控制方法中，可以确实防止预燃室内的潜在失火。
附图说明
现在将参照本发明的优选实施例和附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1说明了具有预燃室的发动机的第一实施例，该发动机被用来应用根据本发明的控制方法；
图2示出了根据本发明的用于控制具有预燃室的发动机的控制方法的流程图；
图3(a)至图3(e)中每幅图都示出了描绘了发动机转速与一个参数之间的关系的曲线图，该参数与根据本发明的用于控制具有预燃室的发动机的控制方法有关；
图3(a)示出了描绘发动机转速与预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率之间的关系的曲线图；
图3(b)示出了描绘发动机转速与预燃室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系的曲线图；
图3(c)示出了描绘发动机转速与空气流量之间的关系的曲线图；
图3(d)示出了描绘发动机转速与主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率之间的关系的曲线图；
图3(e)示出了描绘发动机转速与主燃烧室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系的曲线图；
图4示出了描绘主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率与预燃室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系的曲线图；
图5示出了具有预燃室的常规发动机的一个实例；
图6(a)至图6(e)中每幅图都示出了描绘发动机转速与一个参数之间的关系的曲线图，该参数与根据常规技术的用于控制具有预燃室的发动机的控制方法有关；
图6(a)示出了描绘发动机转速与预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率之间的关系的曲线图；
图6(b)示出了描绘发动机转速与预燃室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系的曲线图；
图6(c)示出了描绘发动机转速与空气流量之间的关系的曲线图；
图6(d)示出了描绘发动机转速与主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率之间的关系的曲线图；
图6(e)示出了描绘发动机转速与主燃烧室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图中所示实施例详细描述本发明。然而，除非明确指出，这些实施例中所述部件的尺寸、材料、形状、相对位置等不应理解为是对本发明的范围的限制。
图1示出了具有预燃室的发动机，该发动机被用来应用根据本发明的控制方法。如图1所示，在气缸2内上下移动的活塞1的上方，形成了由活塞的上表面和气缸的内周壁表面确定界限的封闭空间，即主燃烧室S1。在气缸2的头部侧上的中间部分处，布置有具有渐缩形状的预燃室形成件3，使得渐缩侧朝气缸2内部伸出。在预燃室形成件3内，形成预燃室S2。在预燃室形成件3的上侧，设置有用于点燃预燃室S2内的空气燃料气体混合物的火花(点火)塞4。此外，在预燃室形成件3上方，设置有用于供给燃料气体的燃料气体供应管5。在燃料气体供应管5的中途，设置有用于调节燃料流量或流速的预燃室燃料供应阀6。预燃室燃料供应阀6设有比例控制型电磁阀，从而可以连续且平稳地进行燃料气体供应。
此外，在气缸2的头部侧上的主燃烧室内的空间与用于向主燃烧室S1内注入燃料气体(或空气燃料气体混合物)的进气管7连通。进气门8的阀锥8a布置在进气管7和气缸2之间的边界处，该边界为主燃烧室S1内部的空间和由进气管7形成的通道确定界限。进气门8被弹簧(未示出)的向上推力(恢复力)向上推动或向上移动，并且被与弹簧的恢复力(偏置力)相抵抗的凸轮机构(未示出)的推力向下推动或向下移动。在进气管7的中途，用于使燃料气体流进入进气管7的燃料气体供应管9连接到进气管7。此外，在燃料气体供应管9的中途，设置有用于调节向主燃烧室S1的燃料的流速或流量的主燃料供应阀10。主燃料供应阀10设有比例控制型电磁阀，从而可以连续且平稳地进行燃料气体供应。
此外，燃料气体供应管9与预燃室S2连通，并且与连接到预燃室S2的燃料气体供应管5连通；也就是说，燃料气体管分支成两个通道(即，燃料气体供应管9和5)；从而，燃料气体供应管9向主燃烧室S1供应燃料，而燃料气体供应管5向预燃室S2供应燃料。
经进气管7流入主燃烧室S1的空气燃料气体混合物通过活塞1的向上移动(即压缩冲程)被压缩，并且在主燃烧室S1内燃烧；然后，所产生的燃烧气体向下推动活塞1；而且，燃烧气体通过活塞1的向上移动(即排气冲程)被挤压，并通过连接到气缸2的头部(上部)的排气(废气)管排放，该边界为主燃烧室S1内部的空间和由排气管11形成的通道确定界限。排气门12的阀锥12a布置在排气管11和气缸2之间的边界处。就像进气门的情况一样，排气门12被弹簧(未示出)的向上推力(恢复力)向上推动或向上移动，并且被与弹簧的恢复力(偏置力)相抵抗的凸轮机构(未示出)的推力向下推动或向下移动。
在活塞1压缩空气燃料气体混合物的同时，一部分空气燃料气体混合物流入预燃室S2；在该实施例中，空气燃料气体混合物在预燃室S2内的形成按下列方式进行。
在该实施例中，在主进气管(未示出)处设置有至少一个压力传感器和至少一个温度传感器；利用这些传感器，设置在发动机控制单元(ECU)13内的进气压力/温度检测装置131测量进气压力和温度。此外，发动机设有用于检测发动机转速的发动机转速传感器13a；利用该转速传感器，设置在发动机控制单元(ECU)13内的发动机转速检测装置132测量发动机转速。
此外，在ECU 13内设有用于控制主燃料供应阀10的阀打开持续时间的阀打开持续时间控制装置133；即，ECU 13控制主燃料供应阀10的阀打开/关闭定时。因此，ECU 13控制阀10的阀打开持续时间。根据进气压力、进气温度、发动机转速和主燃料供应阀10的阀打开持续时间，利用设置在ECU 13内的空气过剩率计算装置134计算供应到主燃烧室S1的空气燃料混合物的空气过剩率(下文解释)。
此外，根据已计算出的供应到主燃烧室S1的空气燃料混合物的空气过剩率，通过设置在ECU 13内的预燃室燃料计算装置135计算要供应到预燃室S2的燃料气体量。此外，在ECU 13内设置有阀打开持续时间计算装置136，以根据要供应到预燃室S2的燃料气体量来计算预燃室燃料供应阀6的阀打开持续时间，要供应的燃料气体量通过预燃室燃料计算装置135进行计算。因此，预燃室燃料供应阀6的打开持续时间受到控制，并且确定(调节)在预燃室内形成合适的空气燃料混合物所需的燃料量，合适的空气燃料混合物在预燃室内点燃。在该控制方法中，在点火时间点处，适当地维持预燃室内的空气燃料混合物的空燃比。
更具体地，对用于计算要供应到预燃室的燃料量的计算方法进行如下说明。
图2示出了根据本发明的用于控制具有预燃室的发动机的控制方法的流程图。如图2所示，首先，在步骤S1中，利用设置在主进气管(未示出)处的压力传感器和温度传感器检测进气压力和进气温度(第一步骤)；因此，优选的是立刻重复测量压力和温度，然后对压力值和温度值求平均值。因此，可以限制由于诸如噪音的不利条件对测量数据产生的影响。在随后的步骤S2中，计算供应到主燃烧室的空气燃料混合物的空气过剩率(第二步骤)。该空气过剩率按照下列公式计算：
λm＝k{Ne(rpm)·Ps(Pa)}/{θv(s)·Ts(℃)}
其中，k是常数；λm为主燃烧室内的预混合空气燃料混合物的空气过剩率；Ne为发动机转速；Ps为进气压力；θv为主燃料供应阀的阀打开持续时间；Ts为进气温度。
附带地讲，发动机转速和空气流量成正比，因此，发动机转速出现在分母(参考图3(c))中。此外，在该实施例中，空气流量为质量流量。
在上式中，空气进气压力、空气进气温度和发动机转速为在步骤S1中检测到的值。此外，主燃料供应阀10的打开持续时间为控制命令变量，其实际值由阀打开持续时间控制装置133产生；因此，使用已经确定的值作为阀打开持续时间，装置133设置在ECU内。此外，有必要预先确定主燃料供应阀10的打开持续时间与流入主燃烧室S1侧的燃料气体的质量流量之间的关系，因为阀打开持续时间与燃料气体的质量流量被类似地使用。
在随后的步骤S3中，根据流入主燃烧室的空气燃料混合物的空气过剩率，计算要供应到预燃室的适当的燃料量(第三步骤)。在该计算中，使用如图4所示的校准公式(关系表达式)。图4中的校准公式事先根据实验的评估结果获得；因此，该校准公式反映了不发生失火的适当的空气过剩率。
在随后的步骤S4中，根据计算出的要通过阀6供应到预燃室S2的燃料量来计算预燃室燃料供应阀6的适当的阀打开持续时间；因此，也使用由实验获得的关系表达式。
当预燃室燃料供应阀6按照上述计算出的阀打开持续时间运行时，获得了在预燃室内点燃的空气燃料混合物的适当的空气过剩率。
在发动机运行期间，ECU始终连续地重复步骤S1至步骤S4的过程；因此，在预燃室内的空气燃料混合物的空气过剩率得到优化控制；从而也可以实现较高的控制响应性。
例如，当向主燃烧室供应的燃料量瞬时增加时，减少向预燃室供应的燃料量，并且连续地执行步骤S1至步骤S4的过程，发动机转速与预燃室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系形成向下凸出的弧形曲线，如图3(b)所示；因此，发动机转速与要供应到预燃室的空气燃料混合物的空气过剩率之间的关系形成与发动机转速坐标轴平行的平直线，如图3(a)所示。因此，在该实施例中，空气过剩率沿平直线变化，从而不会进入失火区。
根据该实施例，在用于控制具有预燃室的发动机的控制方法中，以短时间跨度的时间间隔测量发动机运行条件；对预燃室内的空气燃料混合物的空燃比进行调节，从而使空燃比保持在适当水平；因此，可以确实防止预燃室内可能发生的失火现象。更具体地，主燃料供应阀10的阀打开持续时间为控制命令变量，其实际值由设置在ECU内的阀打开持续时间控制装置133产生；并且，使用已经确定的值(或给定值)作为阀10的阀打开持续时间。作为结果，通过使用进气压力/温度传感器检测(第一步)进气压力、进气温度和发动机转速的简单方式，结合此前确定的校准公式(主燃烧室内的空气燃料混合物的空气过剩率与预燃室内的空气燃料混合物的燃料量之间的关系表达式)，可以防止发动机的失火。
到现在为止，已经说明了根据本发明的实施例；显然，本发明不限于上述实施例，在模式保持本发明特征的条件下，可以有其他多种模式。
在一个燃料供应管分支成如下两根管的上述实施例中：燃料气体供应管9通向主燃烧室S1，而燃料气体供应管5通向预燃室S2；但本发明不限于该实施例。例如，除了该实施例中分支开的燃料供应管之外，燃料气体供应管9和燃料气体供应管5可以彼此独立地布置，从而，可以同时独立地进行对主燃料供应阀10的控制和对预燃室燃料供应阀6的控制。
工业实用性
根据本发明，在用于控制预燃室式发动机的控制方法中，可以确实防止预燃室内潜在的失火。本发明可以应用于例如各种各样的产品，例如发电机组、车辆、飞机、轮船等；因此，在每种产品中，都安装有预燃室式发动机。

Claims (4)

1.一种用于控制预燃室式发动机的控制方法，所述发动机包括：
主燃烧室，其中在气缸的头部侧上的所述主燃烧室内的空间与用于向所述主燃烧室内注入空气和燃料气体的混合物的进气管连通；
预燃室，在预燃室形成件内形成所述预燃室；
火花塞，在所述预燃室形成件的上侧设置用于点燃所述预燃室内的空气和燃料气体的混合物的所述火花塞；
第一燃料气体供应管，在所述预燃室形成件上方设置用于供给燃料气体的所述第一燃料气体供应管；
预燃室燃料供应阀，在所述第一燃料气体供应管的中途设置用于调节燃料流量或流速的所述预燃室燃料供应阀；
第二燃料气体供应管，在所述进气管的中途，用于使燃料气体流进入所述进气管的所述第二燃料气体供应管连接到所述进气管；
主燃料供应阀，在所述第二燃料气体供应管的中途设置用于调节流向所述主燃烧室的燃料的流速或流量的所述主燃料供应阀；
设置在发动机控制单元内的进气压力/温度检测装置，其中在进气管处设置有至少一个压力传感器和至少一个温度传感器，并且，利用这些压力传感器和温度传感器，所述进气压力/温度检测装置测量进气压力和温度；
设置在发动机控制单元内的发动机转速检测装置，其中发动机设有用于检测发动机转速的发动机转速传感器，并且，利用该发动机转速传感器，所述发动机转速检测装置测量发动机转速；
在发动机控制单元内设置的阀打开持续时间控制装置，所述阀打开持续时间控制装置用于控制所述主燃料供应阀的阀打开持续时间；
其中，燃料气体被供应到所述主燃烧室和所述预燃室，
所述控制方法包括：所述发动机控制单元控制所述主燃料供应阀的阀打开持续时间，响应于供应到所述主燃烧室的空气燃料混合物的空气过剩率，所述预燃室燃料供应阀的打开持续时间受到控制，从而增加或减少要供应到所述预燃室的燃料量，以适当地维持供应到所述预燃室的空气燃料混合物的空燃比，所述空气过剩率由下列关系表达式确定：
λm＝k{Ne(rpm)·Ps(Pa)}/{θv(s)·Ts(°K)}
其中，k是常数；λm为所述主燃烧室中的预混合空气燃料混合物的空气过剩率；Ne为发动机转速；Ps为进气压力；θv为有关主燃料供应阀的阀打开持续时间；并且Ts为进气温度。
2.根据权利要求1所述的控制方法，
所述方法包括：在瞬时增加要供应到所述主燃烧室的燃料量的同时，减少要供应到所述预燃室的燃料量。
3.根据权利要求1所述的控制方法，所述方法包括：
第一步骤，用于检测进气压力、进气温度和发动机转速；
第二步骤，用于计算供应到所述主燃烧室的空气燃料混合物的空气过剩率；
第三步骤，用于根据对所述主燃烧室中的空气燃料混合物的空气过剩率与对应于该空气过剩率而成为预燃室内不发生失火的适当的空燃比的、预燃室中的空气燃料混合物的燃料量之间的关系进行了预先设定的关系表达式，计算要供应到所述预燃室的燃料量；以及
第四步骤，用于基于有关预燃室燃料供应阀的阀打开持续时间来增加或减少要供应到所述预燃室的燃料量，响应于要供应到所述预燃室的燃料量来计算所述预燃室燃料供应阀的阀打开持续时间。
4.根据权利要求3所述的控制方法，
其中，连续且重复地执行所述第一步骤至第四步骤的过程。
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