用于控制富化预燃室化学计量比的系统和方法与流程

本发明总体上涉及用于发动机的点火控制系统，并且更具体地涉及用于控制发动机中的预燃室点火装置的化学计量比的系统和方法。

背景技术：

在发动机中使用辅助燃烧室装置(通常称为预燃室装置或预燃室点火装置)以控制点火并改善燃料利用或以其他方式改善或影响性能是本领域所公知的。预燃室装置通常包括用于燃烧空气和燃料的混合物的辅助燃烧室(即，燃烧预燃室或预燃室)。预燃室中的燃烧常常通过火花塞等火花引发。所得到的燃烧气体迅速地膨胀，最终通过形成在预燃室中的点火出口从预燃室逃逸，并进入主燃烧室，从而向燃料和空气的主供给提供比点火器能单独提供的更热更均匀的点火催化。

相比于其他点火策略，火花式点火的可靠性和有效性可能更依赖于燃料质量和空气燃料混合物的均匀性。例如，由于燃料质量的不同，诸如天然气的燃料可能经历点火问题或不稳定燃烧，特别是在贫混合物中。这些和其他问题可能同时不利地影响预燃室和主燃烧室两者中的点火和燃烧，从而可能引起诸如不可靠点火正时、点火失败、发动机爆震、增加了诸如nox的废气排放、降低了热效率以及发动机性能整体降低的问题。

人们已经尝试通过调整输送至预燃室的燃料和/或空气来解决这些问题和类似问题。在耶格尔(“yeager”)的美国专利申请第15/296,181号(目前是美国专利第9,903,264号)中阐述了一个这样的策略。耶格尔提出了一种用于发动机汽缸的控制系统，其被构造为响应于预燃室和主燃烧室中的相对压力比调整燃烧输送。该系统利用定位在预燃室和主燃烧室两者中的压力传感器。处理器明显地基于压力差生成用来改变到预燃室或燃烧室的燃料输送的信号。但是在一些应用中，仍然期望改进或替代的策略以用于确定预燃室燃烧特性变化并针对各种目的作出调整。

技术实现要素：

在一个方面，一种用于内燃机的点火控制系统包括：传感器，其被构造成测量预燃室点火装置的燃烧预燃室中co2或o2中的至少一种；以及电子控制单元。电子控制单元被构造成：接收指示co2或o2中至少一个的量的数据，确定与co2或o2中至少一种的该量的产生相关联的预燃室的空燃比，以及输出燃料输送信号以朝着目标空燃比调整燃烧预燃室中的空燃比。

在另一个方面，一种调整内燃机中燃烧预燃室的化学计量比的方法包括：产生指示通过在燃烧预燃室中燃烧空气和燃料的第一供给所产生的co2或o2中至少一种的量的数据，输出燃料输送信号以改变在燃烧空气和燃料的第一供给之后输送给燃烧预燃室的燃料量，以及在燃烧预燃室中点燃燃料和空气的第二供给，该燃料和空气的第二供给具有基于燃料输送信号的燃料量。

在又另一个方面，一种内燃机包括：发动机缸体、形成在发动机缸体中的汽缸、设置在汽缸中的活塞、具有燃烧室的预燃室点火装置，以及点火控制系统，活塞和汽缸限定了燃烧室。点火控制系统包括：被构造成测量co2或o2中至少一种的预燃室传感器、发动机正时传感器、被构造成向燃烧预燃室输送燃料的燃料供应系统，以及电子控制单元。电子控制单元被构造成至少部分基于通过预燃室传感器和发动机正时传感器接收的数据控制燃烧预燃室中的空燃比。

附图说明

图1是根据一个实施例的具有点火控制系统的发动机的局部剖开的侧面示意图；

图2是根据一个实施例的用于预燃室的点火控制系统的一部分局部切开的示意图；

图3是根据一个实施例的用于预燃室的点火控制系统的框图；以及

图4是示出了根据一个实施例的示例性过程和控制逻辑的流程图。

具体实施方式

现在参考图1，显示了具有预燃室点火装置(之后称为“预燃室装置”)12的内燃机(之后称为“发动机”)10的局部剖视图。发动机10包括点火控制系统100，其被构造成监测并调整预燃室装置12的辅助燃烧室(之后被称为“预燃室”)14(如图2中所示，之后进行讨论)内的空燃比(afr)。发动机10是其中可以实施本发明的实施例的示范性发动机。发动机10可以是四冲程气体燃料发动机，尽管本领域技术人员可以认识到，本发明并不受限于此并且可以在任何预燃室点火燃烧发动机中实施。发动机10可以包括在其中具有汽缸18的发动机壳体或缸体16，以及在汽缸18内的活塞20。活塞20和汽缸18限定了主燃烧室(之后称为“燃烧室”)，其以附图标记22示出。发动机10可以包括任何数量的汽缸18和活塞20，其可以按照任何合适的构造设置，比如“直列式”或“v型”构造。活塞20可以通过连杆26联接至曲轴24，使得活塞20在上止点(tdc)位置和下止点(bdc)位置之间的往复运动驱动曲轴24的旋转。

进气管线28可以流体地将发动机10联接到燃料源30和/或空气源32以将空气、燃料或空气燃料混合物中的至少一种传送至燃烧室22。燃料可以通过流体地联接燃料源30和预燃室装置12的燃料输送管线34传送至预燃室装置12。现在也参考图2，显示了预燃室装置12的剖视图。燃料输送管线34可以联接到形成在预燃室装置12内并延伸到预燃室14的燃料通道36，燃料通道36被构造成将燃料或可能的燃料和空气混合物从燃料输送管线34输送至预燃室14。燃料源30可以包含任何的气体燃料，比如天然气、生物气、甲烷、填埋气、丙烷等，它们以压缩气体状态或作为低温液体来储存。在一些实施例中，发动机10可包括两种以上的燃料源，其可以包含多种类型的燃料。空气源32可以包括，例如环境空气进气口或者涡轮增压器中的压缩机出口。在一些实施例中，发动机10可以包括废气再循环(egr)系统(未示出)，其被构造成将废气引向进气管线28，例如用于和燃烧室22和/或预燃室14中的燃料和空气混合。

预燃室装置12可以定位在发动机10中使得预燃室14至少部分在燃烧室22内。预燃室装置12可以包括形成在预燃室壁40中的一个或多个点火出口38，点火出口38在预燃室14和预燃室装置12的外表面42之间延伸。点火出口38可以被构造成流体地联接预燃室14和燃烧室22。预燃室装置12还包括与预燃室装置12联接的火花点燃装置44，比如具有火花间隙的火花塞，以用于点燃预燃室14中空气和燃料的供给。空气和燃料的供给的燃烧形成燃烧气体，该燃烧气体迅速膨胀并且通过点燃出口38离开到达燃烧室22。从预燃室14逃逸的热燃烧气体随后点燃燃烧室22中的空气燃料混合物。所引起的燃烧反应导致燃烧气体的迅速膨胀，这将活塞20推向bdc位置。

点火出口38还可以用作预燃室14的空气进口。活塞20从bdc位置到tdc位置的移动减小了燃烧室22的容积，从而促使一定量的空气和/或一定量的空气燃料混合物或者与燃料或废气中一个或两个混合的空气通过点燃出口38进入预燃室14。传送至预燃室14的气体与输送至预燃室装置12的燃料相混合。

发动机10进一步包括点火控制系统(之后称为“系统”)100，其被构造成通过确定预燃室的afr控制预燃室化学计量比，并且命令改变燃料或其他物质到预燃室14的输送以通过朝着目标afr调整而改变afr。目标afr可以是：空气和燃料的混合物或其他混合物具有已经根据预燃室14中的期望燃烧特性被确定为利于燃烧的化学计量比平衡。目标afr可以基于任何数量的考虑因素而变化，比如发动机构造或燃料类型，或者反映像性能优化或法规遵从的外部因素，或其他因素。已经观察到，相对精确和准确地知晓并控制预燃室afr有助于实现对预燃室中点火正时以及由此对主燃烧室中点火正时的精确和准确控制，与此同时优化了预燃室对发动机排放曲线的贡献。如此，当afr实际上或明显偏离目标afr、落在目标afr范围外或者以其他方式超过目标afr的可容忍方差时，接下来可能出现不期望的后果。

系统100可以包括响应于发动机10或预燃室14的一个或多个工作状态和/或工作参数，一起发挥作用以调节燃料、空气或其他物质到预燃室14的输送的一个或多个部件。除了其他之外，这些部件可以包括与预燃室传感器102、电子控制单元(ecu)106、构造成向预燃室14输送燃料的燃料供应系统108、燃料质量传感器110，以及发动机正时传感器112。预燃室传感器102、燃料供应系统108、燃料质量传感器110，以及发动机正时传感器112中的每一个可以按照以下方式通信地耦合至ecu106，即允许各自向ecu106发送指示感兴趣参数的信号编码数据或者由ecu106询问来产生主题数据。ecu106可以被构造成至少部分基于通过预燃室传感器102和发动机正时传感器112接收的数据控制预燃室14中的afr。在一些实施例中，系统100可以包括另外的和/或替代的部件，以用于测量、监测或感测一个或多个发动机、预燃室、大气和/或其他状态或工作参数，或者用于命令、控制或以其他方式改变燃烧、空气、废气或其他物质到预燃室14或从预燃室14的输送或传送。

预燃室传感器102可以配置为测量或采样指示实际afr的预燃室14的状态。已经发现，co2或o2的量可以与产生该量的co2或o2的在前预燃室afr相对应，其中“量”可以包括浓度、体积、质量、分子质量等。例如，在燃烧事件之后co2和o2的残留量可以与该燃烧事件时的预燃室afr相对应。如此，预燃室传感器102可以被构造成测量预燃室装置12的预燃室14中co2或o2中的至少一种，并且可以包括例如，co2传感器和/或o2传感器，比如非分散红外线(ndir)传感器或化学气体传感器。碳氢化合物(hc)和空气的化学计量比平衡的供给，其主要包括o2和n2，可以理想地观察到o2和碳氢化合物两者同时被大体上完全消耗掉，从而得到h2o、co2的排放物，加上分子态氮和/或氮化合物。o2传感器配置为检测燃烧之后存在的o2的残留量，其可以产生允许和燃料一起燃烧从而产生该残留o2的空气量被收回的数据。类似地，co2传感器配置为检测燃烧之后存在的co2的残留量，其可以产生允许和空气一起燃烧从而产生该量的燃料量被收回的数据。系统100可以同时包括co2传感器和o2传感器两者，或者可以包括被构造成测量指示感兴趣参数的另一预燃室状态的一个或多个不同类型的传感器。预燃室传感器102可以位于预燃室14内，如图2中可见，或者可以以其他方式与预燃室14内的空气燃料混合物流体连通。

本实施例的ecu106还可以包括以上提到的处理器116(如图3中所示，之后进行讨论)，或者一系列处理器，其被构造成进行计算、执行指令、例如通过发送或接收信号与系统100的其他部件进行通信，和/或执行被设计用来利于对系统100进行控制的其他功能。例如，处理器116可以包括微处理器或现场可编程门阵列(fpga)。ecu106还可以包括存储器118(如图3中所示，之后进行讨论)，其与处理器116可通信地耦合并被构造成存储数据和/或计算机可执行指令。存储器118可以包括ram、rom、dram、sdram、闪存或其他类型的存储器。ecu106可以是被构造成用于并专用于调节预燃室化学计量比的独立式单元。在一些实施例中，ecu106可以被构造成执行其他功能，或者可以与发动机10的发动机控制单元集成地形成。

系统100还可以包括以上提到的燃料供应系统108，其可以与被构造成向燃烧室22输送空气和燃料的空气和燃料输送设备一起集成地形成，其中燃料供应系统108包括具有气体燃料供应的燃料源30、燃料输送管线34以及设置在燃料源30和燃料输送管线34之间的阀114。在其他实施例中，燃料供应系统108可以与用于燃烧室22的空气和燃料系统分立。在一些实施例中，燃料供应系统108可以包括与主燃烧室供应系统所提供的燃料不同的燃料，比如更易点燃的燃料。在又其他实施例中，燃料供应系统108可以包括空气进口或压缩空气供应部件。还可以意识到，可以对向预燃室装置12的空气供应进行控制以根据本发明实现操纵预燃室afr。

燃料质量传感器110可以被构造成测量指示供应给预燃室14的燃料中氢与碳的比率的燃料参数。例如，燃料质量传感器110可以被构造成检测燃料的特性(比如热容量)，其与指示燃料质量的燃料参数相对应，比如低热值(lhv)、沃泊指数(wi)、比重(sg)、甲烷值(mn)或比热容比(γ)。在替代实施例中，作为燃料质量传感器110的替代或补充，可以使用被构造成直接或间接地测量、估计、推断燃料中氢与碳的比率的任何其他类型的传感器或者被构造成单独地测量或检测氢或碳的存在的一个或多个传感器。燃料质量传感器110可以坐落在燃料供应系统108的燃料源30中，尽管在替代实施例中，燃料质量传感器110可以坐落在不同的位置，比如在燃料输送管线34中。如以下所讨论的，在一些情况下完全不使用任何燃料质量传感器。

系统100还可以包括用于产生指示发动机正时的数据的发动机正时传感器112。燃烧发动机操作本质上是循环的，并且由此确定与co2或o2测量值相关联的发动机正时使得co2或o2量的数据能够与发动机循环的特定正时相关联。由于可以预期到汽缸内压力变化可能影响观测到的co2或o2量，如得到特定测量值时的曲柄角度的信息允许对该测量值归一化、补偿或以其他方式校准。四冲程发动机的一个发动机循环包括通过曲轴24带来的720度的旋转。本实施例的发动机正时传感器112包括被构造成测量曲轴24的曲柄角度的曲柄角度传感器(之后被称为“曲柄角度传感器112”)。在其他实施例中，例如可以使用适合于测量发动机正时的替代传感器，比如活塞位置传感器或有可能甚至是定位在燃烧室22中的压力或温度传感器。

工业实用性

如之前所讨论的，已经观察到，预燃室化学计量比的变化可能影响发动机性能。燃烧室22中空气燃料混合物的燃烧依赖于之前点火和预燃室14中空气燃料混合物的燃烧时的点火。已经发现，即使在发动机工作状态相对一致的情况下，实际的预燃室afr仍然可能变化。一些这样的变化可能是由于从燃烧室22供应给预燃室14的空气或汽缸内混合物的不一致体积和/或成分而产生。预燃室afr变化还可能由燃料进入阀操作和燃料质量的变化引起。一些涉及对燃料或其他物质的输送进行可变调整的已知系统与特定发动机构造和/或燃料类型有关，用来确定可以为预燃室afr提供可测量估计的预燃室状态。在这些系统中，对到预燃室的燃料输送的调整可能不直接与正在监测的预燃室状态的变化相对应，并且需要进一步的计算以响应于正在输送的燃料的类型进行校准。尽管这些策略在许多发动机循环的过程中可以一定程度上有效减少nox排放或实现其他目标，此类策略在减小预燃室afr的循环到循环可变性方面是低效的。

本发明可以部署在具有被构造成向主燃烧室输送燃烧气体以用于点火的辅助燃烧室的任何内燃机中。通过使用co2或o2采样来确定实际afr可以允许对预燃室afr的直接、实时的监测，并且作为响应对预燃室化学计量比进行调整。

本发明可以通过以下操作调整发动机10中预燃室14的化学计量比：产生指示通过在预燃室14中燃烧空气和燃料的第一供给所产生的co2或o2中至少一种的量的数据，输出燃料输送信号126以改变在燃烧空气和燃料的第一供给之后输送给预燃室14的燃料量，以及在预燃室14中点燃燃料和空气的第二供给，该燃料和空气的第二供给具有基于燃料输送信号126的燃料量。产生数据可以包括通过利用至少部分定位在预燃室14内的传感器测量预燃室14中空气和燃料的第一供给的co2或o2中至少一种的量来产生该数据。调整预燃室化学计量比可以进一步包括：通过指示co2或o2中至少一种的量的数据和指示燃料质量的数据确定afr，和/或将已确定的afr与目标afr进行比较并响应地生成燃料输送信号126，输出发动机正时信号124，其中afr的确定是响应于发动机正时信号124。燃料可以包括气体燃料，并且调整预燃室化学计量比可以进一步包括点燃预燃室14内的燃料和空气的第一供给以及燃料和空气的第二供给中的每一个。

ecu106可以被构造为：接收指示co2或o2中至少一种的量的数据，确定与co2或o2中至少一种的该量的产生相关联的预燃室14中的afr，以及输出燃料输送信号126以朝着目标afr调整预燃室14中的afr。ecu106可以被进一步构造成：基于燃料参数确定afr，基于燃料输送信号126确定用于系统100的燃料供应系统108中阀114的控制命令，和/或将已确定的afr与目标afr进行比较并基于已确定的afr与目标afr之间的差生成燃料输送信号126，其中afr的确定可以反映发动机正时。在一些实施例中，ecu106可以被构造成确定较早发动机循环中预燃室14中的afr，并且生成燃料输送信号126以调整稍后发动机循环的afr。现在还参考图3，示出了系统100中部件和信号的框图。预燃室传感器102可以被构造成对预燃室状态采样，比如燃烧后co2或o2的残留量，并且生成指示预燃室状态的预燃室信号120。燃料质量传感器110可以被构造成测量将输送至预燃室14的燃料的燃料质量并且生成指示器的燃料质量信号122，而曲柄角度传感器112可以测量并生成指示曲轴24的曲柄角度的发动机正时信号124。ecu106产生燃料输送信号126。

现在还参考图4，示出了举例说明用来确定燃料输送信号以朝着目标afr调整afr的过程和控制逻辑的流程图。目标afr可以是空气和燃料的化学计量比平衡，然而，在一些情况下，目标afr可以比化学计量比相对更富或相对更贫。燃料输送信号126可以包括用于命令系统100中阀114的控制信号，以改变到预燃室14的燃料的输送，从而产生目标afr。阀114可以电致动，并且被构造成例如通过改变阀114打开的时间或者改变改变阀的打开量或者同时改变两者来改变到预燃室14的燃料输送。处理器116可以被构造成接收分别由传感器102、110、112生成的信号120、122、124、指示预燃室14或发动机10的状态的编码数据。在图4中，处理器116可以在框200处接收指示co2或o2的量的数据、在框204处接收指示曲柄角度的数据，以及在框202处接收指示燃料质量的数据。在一些实施例中，在燃料供应系统108中使用的一种或多种燃料的氢碳比率可以存储在存储器118中，使得处理器116可以在例如仅有一种燃料被输送给预燃室和/或燃料质量以其他方式已知并一致的情况下，访问存储器118来检索得到氢碳比率或其他燃料质量数据以替代通过使用传感器或其他装置检测该氢碳比率或其他燃料质量数据。

处理器116可以被构造成利用指示co2或o2的数据和燃料质量数据来计算预燃室14中之前、较早燃料反应的实际或明显afr。此外，处理器116可以将指示co2或o2的量的数据与指示曲柄角度或以其他方式指示发动机正时的数据关联，以便解释影响co2或o2的量的预燃室气体的相对压力。处理器116随后可以在框208处确定预燃室的afr并且在框210处将已确定的afr与目标afr进行比较。处理器116随后可以确定燃料(或者类似地系统中改变空气输送的空气)的目标量，如果将该目标量输送给预燃室14，则可以在稍后发动机循环中将实际afr调整到目标afr。如本文所讨论的，可以在计算燃料的目标量中使用燃料质量数据。处理器116随后可以在框212处生成燃料输送信号以调整afr。燃料输送信号126可以包括诸如电流阀致动命令的命令，以循环到循环地方式改变供应给燃料输送管线34的燃料量，从而产生预燃室14的期望afr或者朝着目标afr调整实际afr。例如，如果处理器116确定了实际afr为贫，则燃料输送信号126可以命令阀114保持打开比之前打开时间更长的一段持续时间，以便允许更多的燃料输送至预燃室14。阀114可以按照以下方式设置在燃料供应系统108内，即被配置为响应于燃料输送信号126控制输送给预燃室14的燃料量。相反，如果处理器116确定处afr为富，则燃料输送信号126可以命令阀114保持打开比之前时间更短的时间量。该逻辑随后可以循环返回以按照闭环方式继续对预燃室afr的控制。

本说明书仅用于说明的目的，而不应被解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员可以意识到，在不脱离本发明的全部和合理范围和精神的情况下，可以对本发明所公开的实施例作出各种修改。应当意识到，本发明的某些特征和/或特性，比如相对尺寸或角度，可以不按照比例显示。如上所述，本文中阐述的教导适用于具有相比于本文中所特定描述的那些结构不同的各种结构的各种不同的发动机。通过研究附图和所附权利要求书其他方面、特征和优点将是显而易见的。如本文所使用的，冠词“一(a)”和“一个(an)”旨在包括一个或多个项目，并且可以和“至少一个”互换地使用。其中在旨在表达仅有一个项目的情况下，则使用术语“一个(one)”或类似的语言。同样，如本文所使用的，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”或者类似术语旨在作为开放式的术语。