CN1055520C - 火花点火式二循环发动机的燃烧控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种火花点火式二循环发动机的燃烧控制装置。所述发动机包括：调节排气通路的开口率的排气开口率调节装置，至少在低负载区域内，驱动上述开口率调节装置以调节开口率对应于发动机转数及节流阀开度，可使燃烧室内的新鲜混合气体在对发动和运转为理想的点火时期时自燃，具有：CPU，点火时期调节装置，异常燃烧检测装置，根据异常燃烧检测信号该CPU控制排气通路开口率及点火时期为消除异常燃烧的排气通路开口率及点火时期。

Description

火花点火式二循环发动机的燃烧控制装置
本发明涉及至少在低负载运转区域内在对发动机运转为理想的点火时期使燃烧室内的新鲜混合气体自燃，即，能进行活性热氛围气体燃烧的火花点火式二循环发动机燃烧控制装置。
在火花点火式二循环发动机中，气缸孔的内圆周表面上形成有通过活塞来开闭的排气孔及换气孔，在曲轴室预压的新鲜混合气体通过换气孔供给到气缸室内的同时，气缸室内的已燃烧气体由排气孔排出，气缸室内的压缩新鲜混合气体由火花塞点火。
在这样的现有的火花点火式二循环发动机中，为在高水准以上设定高速、高负载运转区域的输出及效率而增大排气口时，在低负荷运转区域内，由于新鲜混合气体的泄漏、燃烧不稳定，排气中未燃碳氢化合物含量会增大，造成浪费。
为消除这个问题，本发明人开发了下述的发动机：通过驱动排气控制阀来得到对应于发动机转数及节流阀开度的排气开口率，至少在低负载运转区域内，通过活塞适当控制排气开口闭塞时的气缸内压力，通过燃烧室中残留的已燃气体的热能使燃烧室内的新鲜混合气体活性化，在对发动机运转为理想的点火时期，可使燃烧室内的新鲜混合气体自燃。对此，本申请人已进行了专利申请(特愿平5-187488号)。
这样通过积极地控制对发动机运转为理想的点火时期，能进行活性热氛围气体燃烧(active thermal atmospherecombustion)的燃烧，以下称为AR(active radical combustion)燃烧。
在进行正常燃烧的过去的火花点火式二循环发动机中，异常燃烧主要发生在高温高压下，所以作为其对策，可提高发动机的冷却能力，推迟点火时期或降低排气口的位置以使图示的平均有效压力降低。
但是，本申请人的发明涉及的火花点火式二循环发动机在进行正常燃烧运转状态下，发生异常燃烧时，虽然可以采取与过去发动机相同的对策，但在AR燃烧区域或如图9所示的该AR燃烧区域到其它燃烧区域的过渡区域中，当延迟点火时期或减少排气开口率时，相反会激化异常燃烧。
在可以进行AR燃烧的火花点火式二循环发动机中，如图10所示，在降低节流阀开度θth的低负载运转领域中，充分有效地利用上一个循环已燃气体含有的热能使燃烧室内新鲜混合气体活化，可以在近于完全燃烧的状态下使发动机运转，所以与伴有不完全燃烧的正常燃烧相比具有较高的输出特性，其结果是在装载于车辆上时，在高速、高负载运转的状态下，存在着即使大幅度减小节流阀开度，也不会得到由于发动机输出急速降低造成的所谓的发动机闸效应的问题。
本发明的目的在于：活性热氛围气体燃烧发动机在活性热氛围气体燃烧区域进行运转，在活性热氛围气体燃烧运转区域与正常燃烧运转区域的过渡运转区域下进行运转时，能避免异常燃烧。
本发明的另一个目的在于：不需要任何人为的判断能自动的避免异常燃烧。
本发明的目的还在于：在低负载运行区域，通过活性热氛围气体燃烧而具有较高输出特性的活性热氛围气体燃烧的发动机中，在减少节流阀开度时能使发动机的输出急速下降的燃烧控制装置。
根据本发明的一种火花点火式二循环发动机的燃烧控制装置，所述发动机包括：调整排气通路的开口率的排气通路开口率调整装置，至少在低负载运行区域中，驱动上述排气通路开口率调整装置以调节对应于发动机转速及节流阀开度(th的排气通路开口率，在对发动机的运转较理想的点火时期θig可使燃烧室内的新鲜混合气体自燃，其特征在于：该燃烧控制装置还包括：至少一个CPU；调整点火时期的点火时期调整装置；检测燃烧室内的异常燃烧的异常燃烧检测装置，并且该CPU根据该异常检测装置检测并输入至所述CPU的检测信号，控制排气通路开口率及点火时期为能消除异常燃烧的排气通路开口率及点火时期。
本发明由于具有如以上的构成，在AR燃烧运转状态下发生异常燃烧时，通过上述异常燃烧检测装置检测出的异常燃烧检测信号使上述控制装置动作，在由此控制装置动作增大排气通路开口率的同时，提前点火时期，将它们控制在能消除异常燃烧的排气通路开口率及点火时期，也就是说自动避免异常燃烧。根据本发明，在正常燃烧运转区域及AR燃烧运转区域内，尽管对异常燃烧的处理不同，但由于不需要任何人为的判断，可自动处理，避免异常燃烧，故可以防止发动机的损伤及异常燃烧噪音的产生。
根据本发明的另一方面，一种火花点火式二循环发动机的燃烧控制装置，所述发动机至少在低负载运转区域，燃烧室内的新鲜混合气体能自燃，其特征在于：所述控制装置还包括：至少一个CPU；调整排气通路的开口率以控制压缩开始时气缸内压力的排气通路开口率调整装置；该CPU动作以驱动上述排气通路开口率调整装置并调节至少对应于输入所述CPU的发动机回转数及节流阀开度的排气开口率，将压缩开始时气缸内压力控制到燃烧室内的新鲜气体在对发动机运转较理想的点火时期能自燃的压缩开始时气缸内压力的目标值；在最小开度到一特定值的开度区间内的排气通路开口率的设定值要比最小节流阀开度附近的节流阀开度处的排气通路开口率之设定值大。
由于本发明具有上述的构成，节流阀开度从较大状态减小时，通过上述控制装置的控制，上述排气通路开口率调节装置动作，在最小节流阀开度处排气通路开口率增大，在此之前燃烧室内新鲜混合气体在对发动机为理想点火时期自燃的AR燃烧运转状态被切换到正常燃烧运转状态。
这样根据本发明，控制发动机输出的操作者(当发动机装载到车辆上时为驾驶者)以减小节流阀开度来操作节流阀时，由于可以从高输出特性的AR燃烧运转状态切换到正常燃烧运转状态，所以可大幅度降低发动机输出，发动机可以迅速减速。
下面根据附图说明本发明的实施例，其中：
图1是具有本发明燃烧控制装置的火花点火式二循环发动机气缸部分纵断面剖面图。
图2是表示图1中同一侧侧面的气缸部分侧面图。
图3是沿图1中III-III线的横断面图。
图4是表示图1所示实施例的概略图。
图5是本发明其它实施例的概略图。
图6是排气开口控制图。
图7是点火时期控制图。
图8是另一实施例的控制图。
图9是图示横座标为发动机转数，纵座标为平均有效压力的发动机运转状态特性图。
图10是火花点火式二循环发动机中使节流阀开度变化时的正常燃烧状态及AR燃烧状态时平均有效压力变化特性图。
下面，就图1-图4表示的本发明的一个实施例进行说明。
具有本发明节流阀控制装置火花点火式二循环发动机1是装载于未图示的自动二轮车上的发动机，该火花点火式二循环发动机1中，气缸体3及气缸盖4依次重叠于曲轴箱2的上方，并相互结合成一体。
此外，在气缸体3内形成的气缸孔5中，嵌装有可以上下自由滑动的活塞6，该活塞6和曲轴8由连杆7相互连接，随着活塞6的升降，驱动曲轴8回转。
还有，吸气通路10连接在曲轴箱2的曲轴室9，吸气通路10中依次装有化油器11及针簧片阀13，化油器11的活塞型节流阀12通过杆14及15连接在节流阀绞盘16，该节流阀绞盘16由未图示的缆线连接于节流阀把手，向一方拧节流阀把手时，节流阀12上升，使节流阀开度增大。
再有，吸气通路10与曲轴箱2的曲轴室9相接，气缸孔5的内圆周面开有换气孔17及排气孔18，该换气孔17通过换气通路19与曲轴室9连通，同时排气孔18与排气通路20连通。在燃烧室21的凹部设有火花塞22，从化油器11供给的与燃料混合的新鲜混合气体通过针簧片阀13被吸入到活塞上升行程时成为真空状态的曲轴室9内，在下降行程时该气体被压缩，同时在活塞6下降、换气孔17被打开时，由换气孔17、该压缩新鲜气体供给到燃烧室21内，由此压缩新鲜混合气体的进入使燃烧室21内的已燃气体的一部分通过排气孔18排出到排气通路，通过活塞6的上升，换气孔17、排气孔18依次闭合，那么，燃烧室21内的新鲜混合气体随着活塞6上升而被压缩，在上死点附近由火花塞22点火或由上一次循环的残留气体的热能自点火。
排气口18的附近设有排气控制阀23，该排气控制阀23嵌装于间隙26，所说的间隙26位于设置在缸体3上的纵断面呈圆弧状的凹部24和与该凹部24大致具有相同纵断面形状的排气通路零件25之间，该间隙具有大致相同的间隔宽度。排气控制阀23以中心线C为中心可上下摇动地支承在枢轴上，在与排气控制阀23为一体的驱动轴27上，与驱动轴27呈一体地装有图2所示的驱动杆28，该驱动杆28通过驱动缆线29与排气控制伺服电机30的带轮31相连，通过该排气控制伺服电机30，排气控制阀23上下摇动，从而设定从0-100％的所要的排气开口率θe。
而且，排气控制阀23的水平横断面形状形成为“U”状，其侧面臂部23b嵌装在位于排气通路20外侧的间隙部32，除闭塞排气口18的排气控制阀23的圆弧部23a外，侧面臂部23b不会对排气的流动产生不利的影响。
在表示火花点火式二循环发动机1的主要部分的图4中，由手动操作的节流阀12的节流阀开度θth用由电位差计构成的节流阀开度传感器45检测，并输入到CPU40中。
此外，输入到CPU40中的还有：由发动机转数传感器34检测出的发动机转数Ne，由吸气压力传感器35检测出的吸气压力Pi，由温度计36检测出的冷却水温度Tω。由压力或光传感器37检测出的最大压力产生时期或点火时期或压缩开始压力PEC，离合器的开合、变速装置的变速位置等。
在将气缸盖4与气缸体3连接成一体的连接螺栓38上附设有承载传感器39，承载有由燃烧室21内的压力产生的使气缸盖4趋于离开缸体3的力的连接螺栓38的载荷用承载传感器39检测出，在燃烧室21内发生异常燃烧时，此异常由承载传感器39检测出，并将信号输入到CPU40。
CPU40根据这些输入值判断火花点火式二循环发动机1的运转状态，产生各种控制信号，根据对应于发动机转数Ne及节流阀开度θth决定的排气开口率θe的图6的排气开口控制图、对应于发动机转数Ne及节流阀开度θth决定的火花塞22的点火时期θig的图7的点火时期控制图动作，将能够得到由该排气开口控制图产生的排气开口率θe的驱动信号Δθe传送到排气控制伺服电机30，同时在利用上述点火时期控制图产生的点火时期θig使火花塞22点火。
在图6中的排气开口控制图中的排气开口率θe为气缸内填充气体在对火花点火式二循环发动机1的运转最理想的时刻能自点火的值。
图6的图中，节流阀开度θth从最小开度θth0到稍大的微小开度θth1之间的排气通路开口率θe0设定值要比节流阀开度θth2的排气通路开口率θe2大，节流阀开度θth2比上述的θth0、θth1要大。
在用承载传感器39检测出发生异常燃烧时，CPU40在正常燃烧运转区域通过正的补正使排气开口率θe减小，同时延迟点火时期，在AR燃烧运转区域或从该AR运转区域转移到其它区域的过渡区域，通过负的补正增大排气开口率θe，同时提前点火时期θfg。
图1-图4的实施例的构成如上所述，在发动机转数Ne较大的运转区域内，排气控制阀23向上方摇动，大致呈全开放状态，排气通路开口率θe大致为100％，火花点火式二循环发动机1在正常燃烧运转状态下运转。
而且，在发动机转数较大的正常燃烧运转区域内，发生异常燃烧并由承载传感器39检测出时，通过CPU40的控制，排气控制阀23闭合，在排气开口率θe减小的同时，火花塞22的点火时期θig延迟，可以避免异常燃烧的产生。
在发动机转数小，特别是节流阀开度θth小的低负载运转区域内，在进行AR燃烧运转的状态下发生异常燃烧时，通过CPU40的控制，与正常燃烧运转区域相反，排气阀23打开，在使排气开口率θe增大的同时，火花塞22的点火时期θig提前，可以防止异常燃烧，在过渡区域内，动作也如上所述。
发动机转数Ne大的正常燃烧运转状态下，随着发动机转数Ne的减少，排气控制阀23向下方摇动，排气口18被遮挡，排气通路开口率θe降低，在对发动机运转最理想的点火时期，燃烧室21内的新鲜气体自燃，处于AR燃烧状态。
对应于节流阀12的节流阀开度减少，特别是低速回转区域内，排气阀23向下摇动，排气孔18被遮挡，排气通路开口率降低，但节流阀12的节流阀开度θth减少至比θth3还小时，排气通路开口率θe急速下降后，节流阀开度θth变为θth2后，排气通路开口率θe急速上升，节流阀开度θth在θth1～θth0的范围内，排气通路开口率θe为较高水平，虽然在此之前为AR燃烧状态，但这时却从AR燃烧状态恢复到正常燃烧状态，通过火花点火式二循环发动机1的输出功率急速降低，火花点火式二循环发动机1急速减速。
这样，将节流阀12拧到最小开度时，发动机“闸效应”起作用，自动二轮车可急速减速，停车。
在具有化油器11的上述实施例中，通过调整排气开口率θe及点火时期θig来避免异常燃烧，但是，除此之外，在燃料喷射型的二循环发动机中，可追加如下机能：调整燃料喷射阀的燃料喷射量，以便在异常燃烧时改变空燃比，以使空燃比偏离理论空燃比。这样，可比此实施例更确实地能防止异常燃烧。
在图1-图4的实施例中，通过承载传感器39检测出异常燃烧，但如图5所示，也可以用G传感器42、压力传感器43、柱塞密封型的承载传感器44代替承载传感器39。
即使回转数Ne和节流阀开度θth统一地设定，但由于气温、海拔高度等引起的气压变化，往往压缩开始时气缸内压力会产生变动，为消除此问题，在排气通路20中设置排气温度检测传感器41，通过CPU40对下述表1所示的温度补正表中的由发动机转数Ne用节流阀开度θth规定的标准排气温度及排气温度传感器检测的温度进行比较，例如，当此温度差超过50℃时，具体地讲当排气温度传感器检测的温度比标准排气温度低时，使排气控制阀23的排气开口率θe增大，当检测出的排气温度比上述排气温度高时，使排气阀23的排气开口率θe缩小。
表1.排气温度补正表
在由温度计36检测出的冷却水温度不到20℃时，可以如下表2所示补正表1的标准排气温度，也可以取代温度计36检测出的冷却水温，来检测火花塞22的安装座的温度，根据此检测温度对表1的标准排气温度进行补正。
         表2.水温补正表TW    -10℃     0℃    10℃    20℃    20℃以上Tg’  +50       +30    +10     0       0
图1-图4图示的实施例中，使用了图5图示的图形，但也可以用图8所示的图形。
在发动机转数Ne为一特定值或少于此特定值时，发动机的输出功率减小，使排气通路开口率θe急速增大的必要性减小，所以在图6的图形中，在此区域中排气通路开口率θe就取较小的值，但在中高速回转区域内毕竟可以保持减速特性。
在上述实施例中，排气通路开口率调整装置使用了排气控制阀，但作为排气通路20的排气通路开口率调整装置也可以使用蝶形阀。

Claims (5)

1.一种火花点火式二循环发动机(1)的燃烧控制装置，所述发动机(1)包括：调整排气通路(20)的开口率的排气通路开口率调整装置，至少在低负载运行区域中，驱动上述排气通路开口率调整装置以调节对应于发动机转数及节流阀开度(θth)的排气通路开口率，在对发动机的运转较理想的点火时期(θig)可使燃烧室内的新鲜混合气体自燃，其特征在于：该燃烧控制装置还包括：
至少一个CPU(40)；
调整点火时期的点火时期调整装置；
检测燃烧室内的异常燃烧的异常燃烧检测装置；
并且该CPU(40)根据该异常检测装置检测并输入至所述CPU(40)的检测信号，控制排气通路开口率及点火时期为能消除异常燃烧的排气通路开口率及点火时期。
2.如权利要求1记载的火花点火式二循环发动机(1)的燃烧控制装置，其特征在于：在正常燃烧运转区域中，由上述异常燃烧检测装置检测出异常燃烧时，所说CPU(40)使排气通路开口率减小，并延迟点火时期；在AR燃烧运转区域中，由上述异常燃烧检测装置检测出异常燃烧时，所述CPU(40)增大排气通路开口率，并提前点火。
3.如权利要求1记载的火花点火式二循环发动机(1)的燃烧控制装置，其特征在于：异常检测装置包括附设于连接气缸体(3)及气缸盖(4)的螺栓(38)上的承载传感器(39)或柱塞密封型承载传感器(44)。
4.如权利要求1记载的火花点火式二循环发动机(1)的燃烧控制装置，其特征在于：异常燃烧检测装置包括检测加速度的G传感器(42)或检测燃烧室内的压力的压力传感器(44)。
5.一种火花点火式二循环发动机(1)的燃烧控制装置，所述发动机(1)至少在低负载运转区域，燃烧室内的新鲜混合气体能自燃，其特征在于：所述控制装置还包括：
至少一个CPU(40)；
调整排气通路(20)的开口率以控制压缩开始时气缸(3)内压力的排气通路开口率调整装置；
该CPU(40)动作以驱动上述排气通路开口率调整装置并调节至少对应于输入所述CPU(40)的发动机回转数及节流阀开度的排气开口率，将压缩开始时气缸(3)内压力控制到燃烧室内的新鲜混合气体在对发动机(1)运转较理想的点火时期能自燃的压缩开始时气缸(3)内压力的目标值；
在最小开度到一特定值的开度区间内的排气通路开口率的设定值要比最小节流阀开度附近的节流阀开度处的排气通路开口率之设定值大。
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