專利名稱：預燃室式發動機控制方法
技術領域：
本說明書中的公開內容涉及一種用于控制具有預燃室的發動機的控制方法，在該預燃室中進行火花點火。
背景技術：
對于具有預燃室的發動機，傳統上需要控制導入預燃室的氣體的空燃比，以使得火花塞的點火滿意地進行；因此，在一種用于控制具有預燃室的發動機的控制方法中，導入預燃室內的空氣燃料混合物的空燃比被控制(例如，參見專利文獻1)。附帶地講，所述空燃比是空氣燃料混合物中空氣質量與燃料質量之比。空燃比必須保持適當的水平；否則，富含空氣的狀態(空氣過剩狀態)或富含燃料的狀態(燃料過剩狀態)都會導致發動機失火。此外，考慮到尾氣排放，除了預燃室之外， 優選地在主燃燒室內保持適當的富含空氣狀態。圖5示出了常規預燃室式發動機的一個實例。如圖5所示，主燃燒室Sl形成在活塞1上方；具有漸縮形狀的預燃室形成件3布置在氣缸2的頭部側上。在預燃室形成件3 內，形成預燃室S2。在預燃室形成件3的上側，設置有用于點燃預燃室S2內的空氣燃料氣體混合物的火花(點火)塞4。此外，在預燃室形成件3上方，設置有用于供給燃料氣體的燃料氣體供應管5。在燃料氣體供應管5的中間，設置有用于調節燃料流量的預燃室燃料供應閥6。此外，在氣缸2的頭部側上的主燃燒室內的空間與用于將燃料氣體(或空氣燃料氣體混合物)注入主燃燒室Sl的進氣管7連通。進氣門8設置在進氣管7和氣缸2之間的邊界處，該邊界為主燃燒室Sl內部的空間和由進氣管7形成的通道確定界限。在進氣管 7的中途，用于使燃料氣體流進入進氣管7的燃料氣體供應管9連接到進氣管7。此外，在燃料氣體供應管9的中途，設置有用于調節向主燃燒室Sl供應的燃料的流量的主燃料供應閥10。此外，燃料氣體供應管9與預燃室S2以及連接到預燃室S2的燃料氣體供應管5連通；也就是說，燃料氣體管分支成兩個通道(即，燃料氣體供應管9和幻；從而，燃料氣體供應管9向主燃燒室Sl供應燃料，而燃料氣體供應管5向預燃室S2供應燃料。經進氣管7流入主燃燒室Sl的空氣燃料氣體混合物在主燃燒室10內燃燒，并產生燃燒氣體；所產生的燃燒氣體作為排氣從主燃燒室10經排氣(廢氣)管11排放。排氣門12設置在進氣管7和氣缸2的邊界處，該邊界為主燃燒室Sl內部的空間和由排氣(廢氣)管12形成的通道確定界限。諸如燃料供應閥6和10的各種閥由ECU(發動機控制單元)13控制。另一方面，導入主燃燒室Sl以用于主燃燒的一部分稀空氣燃料混合物經主燃燒室流入預燃室S2。為了獲得導入預燃室的空氣燃料氣體混合物的適當空燃比，經預燃室燃料供應閥6向預燃室供應燃料氣體。因此，已經常規地研究和開發了多種方法，以調節導入預燃室S2的空氣燃料氣體混合物的適當空燃比(例如，專利文獻2和3)。在所研究和開發的用于控制具有預燃室的發動機的方法的一個實例中，根據發動機運行條件(例如發動機的負荷條件)控制流向預燃室的燃料氣體流。然而在該方法中， 當發動機負荷或發動機轉速急劇增加時，導入主燃燒室的空氣燃料氣體混合物的空燃比可能瞬時不足(即，空氣燃料氣體混合物瞬時處于富含燃料狀態)；因此，導入預燃室的空氣燃料氣體混合物的空燃比處于富含燃料狀態。因此，在預燃室內可能引起失火。接下來，將說明有關失火的類型(即失火如何發生)。圖6(a)示出了預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率(在下文關于實施例的描述中說明)如何根據發動機轉速變化而變化。在圖6(a)中，實線是在發動機轉速準靜態增加情況下關于預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率相對于發動機轉速的響應的軌跡；因此，即使發動機轉速增加，預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率也不減小，并且保持在平衡狀態。然而，在發動機加速和發動機轉速急劇增加的情況下，連接點A和點B的準靜態線向下彎曲，從而形成如圖6(a)中虛線所示的弧形。即使在這種情況下，虛線也在圖6(a)中的失火區以外。然而，在發動機轉速進一步急劇增加的情況下，關于空氣過剩率相對于發動機轉速的響應的軌跡形成連接點A和點C的點劃線，從而空氣過剩率到達失火區。此外，在圖6 (a)的基礎上，說明圖6 (d)和圖6 (e)。圖6 (e)示出了供入主燃燒室內的燃料量和發動機轉速之間的關系；因此，沿著實線(在發動機轉速準靜態增加的情況下)，主燃燒室內的燃料量根據發動機轉速的增加而線性增加。此外，沿著圖6(e)中的虛線 (即，在發動機轉速急劇增加的情況下)，主燃燒室內的燃料量與在發動機轉速準靜態增加的情況下相比進一步增加；因此，主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率減小。作為結果，經主燃燒室流入預燃室的空氣燃料混合物內的燃料量增加。因此，在預燃室內的燃料量增加的這種情況下，如果進入預燃室的燃料量如圖6(b)中所示被線性控制，則預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率如圖6(a)中所示減小。此外，當發動機急劇加速時(即，在點劃線的情況下)，如上所述在點C處發生失火，并且發動機轉速如圖6(e)中所示降低。在發生失火的情況下，發動機轉速如上所述降低；因此，在相對于發動機轉速執行關于向主燃燒室供應的燃料量的反饋控制時，向主燃燒室供應的燃料量隨著發動機轉速的降低而增加；因此，失火進一步趨于發生，如圖6(a)中所示。[參考文獻][專利參考文獻]專利參考文獻1 JP2007-198140專利參考文獻2 JP1992-259640專利參考文獻3 JP1992-25965
發明內容
要解決的問題然而，在具有預燃室的常規發動機的控制方法中，進行發動機控制，使得根據發動機運行條件而優化來自預燃室的火炬噴射強度；即使在主燃燒室內出現燃料過剩的瞬間狀態時，預燃室內的燃料量變得過剩(即，出現過度富含燃料的狀態)；從而，在預燃室內引起失火。因此，發動機轉速或發動機輸出降低。此外，在對發動機轉速或發動機輸出進行反饋控制的情況下，在主燃燒室內的空氣燃料混合物的富含燃料狀態進一步延續，并且變得更
4難以點燃燃料空氣混合物。因此，可能出現發動機停轉的困難。鑒于常規技術中的上述困難，本發明旨在提供一種控制方法，該方法用于控制預燃室式發動機，從而確實防止預燃室內發生失火現象。解決問題的手段本發明是為了提供克服上述困難的手段而設計的。本發明公開了一種用于控制預燃室式發動機的控制方法，所述發動機包括主燃燒室和預燃室；其中燃料氣體被供應到主燃燒室和預燃室，所述控制方法包括響應于供應到主燃燒室的空氣燃料混合物的空氣過剩率，增加或減少要供應到預燃室的燃料量，從而使得預燃室中的空燃比保持在適當水平。根據上文，以短時間跨度的時間間隔測量發動機運行條件；對預燃室中的空氣燃料混合物的空燃比進行調節，從而使空燃比保持在適當水平；因此，可以確實防止預燃室中可能發生的失火現象。上述公開的優選實施例是包括在要供應到主燃燒室的燃料量瞬時增加時減少要供應到預燃室的燃料量的控制。根據上文，當向主燃燒室供應的燃料量瞬時減少時，向預燃室供應的燃料量增加； 因此，預燃室內的空氣燃料混合物的空燃比得到調節，從而將空燃比保持在適當水平。另一個優選實施例是一種控制方法，所述方法包括用于檢測進氣壓力、進氣溫度和發動機轉速的第一步驟；用于計算供應到主燃燒室的空氣燃料混合物的空氣過剩率的第二步驟；用于根據主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率與預燃室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系表達式計算要供應到預燃室的燃料量的第三步驟；以及，用于基于預燃室燃料供應閥的閥打開持續時間來增加和減少要供應到預燃室的燃料量的第四步驟， 閥打開持續時間響應于要供應到預燃室的燃料量來計算。根據上文，主燃料供應閥的打開持續時間為控制命令變量，其值由ECU產生，并且利用已知值作為閥打開持續時間對照量；可以采取簡單的方式，從而按照此前確定的主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率與供應到預燃室的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系表達式來檢測進氣壓力、進氣溫度和發動機轉速。通過這種方式，可以防止發動機運行過程中的失火。在本發明中，連續且重復地測量進氣壓力、進氣溫度和發動機轉速；并且，可以連續輸出預燃室燃料供應閥的閥打開持續時間的控制命令值；因此，在發動機運行過程中，可以始終適當維持預燃室內的空氣燃料混合物的空燃比。發明效果根據本發明，在用于控制預燃室式發動機的控制方法中，可以確實防止預燃室內的潛在失火。
現在將參照本發明的優選實施例和附圖更詳細地描述本發明，在附圖中圖1說明了具有預燃室的發動機的第一實施例，該發動機被用來應用根據本發明的控制方法；圖2示出了根據本發明的用于控制具有預燃室的發動機的控制方法的流程圖3 (a)至圖3(e)中每幅圖都示出了描繪了發動機轉速與一個參數之間的關系的曲線圖，該參數與根據本發明的用于控制具有預燃室的發動機的控制方法有關；圖3(a)示出了描繪發動機轉速與預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率之間的關系的曲線圖；圖3(b)示出了描繪發動機轉速與預燃室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系的曲線圖；圖3(c)示出了描繪發動機轉速與空氣流量之間的關系的曲線圖；圖3(d)示出了描繪發動機轉速與主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率之間的關系的曲線圖；圖3(e)示出了描繪發動機轉速與主燃燒室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系的曲線圖；圖4示出了描繪主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率與預燃室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系的曲線圖；圖5示出了具有預燃室的常規發動機的一個實例；圖6(a)至圖6(e)中每幅圖都示出了描繪發動機轉速與一個參數之間的關系的曲線圖，該參數與根據常規技術的用于控制具有預燃室的發動機的控制方法有關；圖6(a)示出了描繪發動機轉速與預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率之間的關系的曲線圖；圖6(b)示出了描繪發動機轉速與預燃室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系的曲線圖；圖6(c)示出了描繪發動機轉速與空氣流量之間的關系的曲線圖；圖6(d)示出了描繪發動機轉速與主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率之間的關系的曲線圖；圖6(e)示出了描繪發動機轉速與主燃燒室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系的曲線圖。
具體實施例方式在下文中，將結合附圖中所示實施例詳細描述本發明。然而，除非明確指出，這些實施例中所述部件的尺寸、材料、形狀、相對位置等不應理解為是對本發明的范圍的限制。圖1示出了具有預燃室的發動機，該發動機被用來應用根據本發明的控制方法。 如圖1所示，在氣缸2內上下移動的活塞1的上方，形成了由活塞的上表面和氣缸的內周壁表面確定界限的封閉空間，即主燃燒室Si。在氣缸2的頭部側上的中間部分處，布置有具有漸縮形狀的預燃室形成件3，使得漸縮側朝氣缸2內部伸出。在預燃室形成件3內，形成預燃室S2。在預燃室形成件3的上側，設置有用于點燃預燃室S2內的空氣燃料氣體混合物的火花(點火)塞4。此外，在預燃室形成件3上方，設置有用于供給燃料氣體的燃料氣體供應管5。在燃料氣體供應管5的中途，設置有用于調節燃料流量或流速的預燃室燃料供應閥6。預燃室燃料供應閥6設有比例控制型電磁閥，從而可以連續且平穩地進行燃料氣體供應。此外，在氣缸2的頭部側上的主燃燒室內的空間與用于向主燃燒室Sl內注入燃料氣體(或空氣燃料氣體混合物)的進氣管7連通。進氣門8的閥錐8a布置在進氣管7和氣缸2之間的邊界處，該邊界為主燃燒室Sl內部的空間和由進氣管7形成的通道確定界限。 進氣門8被彈簧(未示出)的向上推力(恢復力)向上推動或向上移動，并且被與彈簧的恢復力(偏置力)相抵抗的凸輪機構(未示出)的推力向下推動或向下移動。在進氣管7 的中途，用于使燃料氣體流進入進氣管7的燃料氣體供應管9連接到進氣管7。此外，在燃料氣體供應管9的中途，設置有用于調節向主燃燒室Sl的燃料的流速或流量的主燃料供應閥10。主燃料供應閥10設有比例控制型電磁閥，從而可以連續且平穩地進行燃料氣體供應。此外，燃料氣體供應管9與預燃室S2連通，并且與連接到預燃室S2的燃料氣體供應管5連通；也就是說，燃料氣體管分支成兩個通道(即，燃料氣體供應管9和幻；從而，燃料氣體供應管9向主燃燒室Sl供應燃料，而燃料氣體供應管5向預燃室S2供應燃料。經進氣管7流入主燃燒室Sl的空氣燃料氣體混合物通過活塞1的向上移動(即壓縮沖程)被壓縮，并且在主燃燒室Sl內燃燒；然后，所產生的燃燒氣體向下推動活塞1; 而且，燃燒氣體通過活塞1的向上移動(即排氣沖程)被擠壓，并通過連接到氣缸2的頭部 (上部)的排氣(廢氣)管排放，該邊界為主燃燒室Sl內部的空間和由排氣管11形成的通道確定界限。排氣門12的閥錐1 布置在排氣管11和氣缸2之間的邊界處。就像進氣門的情況一樣，排氣門12被彈簧(未示出)的向上推力(恢復力)向上推動或向上移動， 并且被與彈簧的恢復力(偏置力)相抵抗的凸輪機構(未示出)的推力向下推動或向下移動。在活塞1壓縮空氣燃料氣體混合物的同時，一部分空氣燃料氣體混合物流入預燃室S2 ；在該實施例中，空氣燃料氣體混合物在預燃室S2內的形成按下列方式進行。在該實施例中，在主進氣管(未示出)處設置有至少一個壓力傳感器和至少一個溫度傳感器；利用這些傳感器，設置在發動機控制單元(ECU) 13內的進氣壓力/溫度檢測裝置131測量進氣壓力和溫度。此外，發動機設有用于檢測發動機轉速的發動機轉速傳感器 13a;利用該轉速傳感器，設置在發動機控制單元(ECU) 13內的發動機轉速檢測裝置132測量發動機轉速。此外，在ECU 13內設有用于控制主燃料供應閥10的閥打開持續時間的閥打開持續時間控制裝置133;即，E⑶13控制主燃料供應閥10的閥打開/關閉定時。因此，E⑶13 控制閥10的閥打開持續時間。根據進氣壓力、進氣溫度、發動機轉速和主燃料供應閥10的閥打開持續時間，利用設置在ECU 13內的空氣過剩率計算裝置134計算供應到主燃燒室Sl 的空氣燃料混合物的空氣過剩率(下文解釋)。此外，根據已計算出的供應到主燃燒室Sl的空氣燃料混合物的空氣過剩率，通過設置在ECU 13內的預燃室燃料計算裝置135計算要供應到預燃室S2的燃料氣體量。此外， 在ECU 13內設置有閥打開持續時間計算裝置136，以根據要供應到預燃室S2的燃料氣體量來計算預燃室燃料供應閥6的閥打開持續時間，要供應的燃料氣體量通過預燃室燃料計算裝置135進行計算。因此，預燃室燃料供應閥6的打開持續時間受到控制，并且確定(調節)在預燃室內形成合適的空氣燃料混合物所需的燃料量，合適的空氣燃料混合物在預燃室內點燃。在該控制方法中，在點火時間點處，適當地維持預燃室內的空氣燃料混合物的空燃比。
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更具體地，對用于計算要供應到預燃室的燃料量的計算方法進行如下說明。圖2示出了根據本發明的用于控制具有預燃室的發動機的控制方法的流程圖。如圖2所示，首先，在步驟Sl中，利用設置在主進氣管(未示出)處的壓力傳感器和溫度傳感器檢測進氣壓力和進氣溫度(第一步驟)；因此，優選的是立刻重復測量壓力和溫度，然后對壓力值和溫度值求平均值。因此，可以限制由于諸如噪音的不利條件對測量數據產生的影響。在隨后的步驟S2中，計算供應到主燃燒室的空氣燃料混合物的空氣過剩率(第二步驟)。該空氣過剩率按照下列公式計算λ m = k {Ne (rpm) · Ps (Pa)} / { θ v (s) · Ts (°C )}其中，k是常數；λπι為主燃燒室內的預混合空氣燃料混合物的空氣過剩率；Ne為發動機轉速；I3S為進氣壓力；θ ν為主燃料供應閥的閥打開持續時間；Ts為進氣溫度。附帶地講，發動機轉速和空氣流量成正比，因此，發動機轉速出現在分母(參考圖 3(c))中。此外，在該實施例中，空氣流量為質量流量。在上式中，空氣進氣壓力、空氣進氣溫度和發動機轉速為在步驟Sl中檢測到的值。此外，主燃料供應閥10的打開持續時間為控制命令變量，其實際值由閥打開持續時間控制裝置133產生；因此，使用已經確定的值作為閥打開持續時間，裝置133設置在E⑶內。 此外，有必要預先確定主燃料供應閥10的打開持續時間與流入主燃燒室Sl側的燃料氣體的質量流量之間的關系，因為閥打開持續時間與燃料氣體的質量流量被類似地使用。在隨后的步驟S3中，根據流入主燃燒室的空氣燃料混合物的空氣過剩率，計算要供應到預燃室的適當的燃料量(第三步驟)。在該計算中，使用如圖4所示的校準公式(關系表達式)。圖4中的校準公式事先根據實驗的評估結果獲得；因此，該校準公式反映了不發生失火的適當的空氣過剩率。在隨后的步驟S4中，根據計算出的要通過閥6供應到預燃室S2的燃料量來計算預燃室燃料供應閥6的適當的閥打開持續時間；因此，也使用由實驗獲得的關系表達式。當預燃室燃料供應閥6按照上述計算出的閥打開持續時間運行時，獲得了在預燃室內點燃的空氣燃料混合物的適當的空氣過剩率。在發動機運行期間，E⑶始終連續地重復步驟Sl至步驟S4的過程；因此，在預燃室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率得到優化控制；從而也可以實現較高的控制響應性。例如，當向主燃燒室供應的燃料量瞬時增加時，減少向預燃室供應的燃料量，并且連續地執行步驟Sl至步驟S4的過程，發動機轉速與預燃室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系形成向下凸出的弧形曲線，如圖3(b)所示；因此，發動機轉速與要供應到預燃室的空氣燃料混合物的空氣過剩率之間的關系形成與發動機轉速坐標軸平行的平直線，如圖3(a)所示。因此，在該實施例中，空氣過剩率沿平直線變化，從而不會進入失火區。根據該實施例，在用于控制具有預燃室的發動機的控制方法中，以短時間跨度的時間間隔測量發動機運行條件；對預燃室內的空氣燃料混合物的空燃比進行調節，從而使空燃比保持在適當水平；因此，可以確實防止預燃室內可能發生的失火現象。更具體地，主燃料供應閥10的閥打開持續時間為控制命令變量，其實際值由設置在ECU內的閥打開持續時間控制裝置133產生；并且，使用已經確定的值(或給定值)作為閥10的閥打開持續時間。作為結果，通過使用進氣壓力/溫度傳感器檢測(第一步)進氣壓力、進氣溫度和發動機轉速的簡單方式，結合此前確定的校準公式(主燃燒室內的空氣燃料混合物的空氣過剩率與預燃室內的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系表達式)，可以防止發動機的失火。到現在為止，已經說明了根據本發明的實施例；顯然，本發明不限于上述實施例， 在模式保持本發明特征的條件下，可以有其他多種模式。在一個燃料供應管分支成如下兩根管的上述實施例中燃料氣體供應管9通向主燃燒室Si，而燃料氣體供應管5通向預燃室S2 ；但本發明不限于該實施例。例如，除了該實施例中分支開的燃料供應管之外，燃料氣體供應管9和燃料氣體供應管5可以彼此獨立地布置，從而，可以同時獨立地進行對主燃料供應閥10的控制和對預燃室燃料供應閥6的控制。工業實用性根據本發明，在用于控制預燃室式發動機的控制方法中，可以確實防止預燃室內潛在的失火。本發明可以應用于例如各種各樣的產品，例如發電機組、車輛、飛機、輪船等； 因此，在每種產品中，都安裝有預燃室式發動機。
權利要求
1.一種用于控制預燃室式發動機的控制方法，所述發動機包括主燃燒室；和預燃室；其中，燃料氣體被供應到所述主燃燒室和所述預燃室，所述控制方法包括響應于供應到所述主燃燒室的空氣燃料混合物的空氣過剩率，增加或減少要供應到所述預燃室的燃料量，以適當地維持供應到所述預燃室的空氣燃料混合物的空燃比，所述空氣過剩率由下列關系表達式確定λ m = k{Ne (rpm) · Ps (Pa)}/{ θ v(s) · Ts (°C )}其中，k是常數；λ m為所述主室中的預混合空氣燃料混合物的空氣過剩率；Ne為發動機轉速；I3S為進氣壓力；θ ν為有關主燃料供應閥的閥打開持續時間；并且Ts為進氣溫度。
2.根據權利要求1所述的控制方法，所述方法包括在瞬時增加要供應到所述主燃燒室的燃料量的同時，減少要供應到所述預燃室的燃料量。
3.根據權利要求1所述的控制方法，所述方法包括第一步驟，用于檢測進氣壓力、進氣溫度和發動機轉速；第二步驟，用于計算供應到所述主燃燒室的空氣燃料混合物的空氣過剩率；第三步驟，用于根據所述主燃燒室中的空氣燃料混合物的空氣過剩率與所述預燃室中的空氣燃料混合物的燃料量之間的關系表達式，計算要供應到所述預燃室的燃料量；以及第四步驟，用于基于有關預燃室燃料供應閥的閥打開持續時間來增加或減少要供應到所述預燃室的燃料量，響應于要供應到所述預燃室的燃料量來計算所述閥打開持續時間。
4.根據權利要求3所述的控制方法，其中，連續且重復地執行所述第一步驟至第四步驟的過程。
全文摘要
一種控制預燃室式發動機的方法，該方法能夠可靠地防止預燃室內發生失火。所述方法設有以下步驟檢測進氣壓力和進氣溫度的第一步驟；使用預定公式計算主燃燒室的空氣過剩率的第二步驟；由主燃燒室的空氣過剩率計算適當的預燃室的燃料量的第三步驟；以及由預燃室燃料供應閥的打開時段與計算獲得的預燃室的燃料量之間的關系公式來計算預燃室燃料供應閥的打開時段的第四步驟。連續地執行第一至第四步驟。
文檔編號F02B19/10GK102333944SQ20108000960
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月25日 優先權日2009年2月27日
發明者古川雄太 申請人:三菱重工業株式會社