专利名称：内燃机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机，尤其是使用压缩气体燃料如液化丙烷气体(LPG)和液化丁烷气体(LBG)作燃料的燃气发动机的控制系统，特别是一种控制发动机运行以保持准恒定转速操作的控制系统。
广为人们所熟知的燃气发动机是这样一种结构，即来自压缩气体燃料源的压缩气体燃料如液化丙烷气体(LPG)和液化丁烷气体(LBG)经由称为“零点调节器(zero governor)”的压力调节器被输送到发动机在燃烧室中燃烧。
在传统的燃气发动机中，来自压缩燃气源的压缩气体燃料通过压力调节器被减压到大气压力，并借助于发动机中所产生的真空度使减压的气体燃料供入发动机。特别是，在传统的燃气发动机中，在进气管中装设有作为发动机控制系统的一个元件的节气门，用以控制进入的空气量，同时与所控制的空气进气量相当的气体燃料被供入发动机。然而，由于进气管和节气门的安装受到发动机结构布局的空间的限制，因而不利于发动机及其控制系统的小型化。另外，节气门的设置要求使用钢绳连接件控制节气门，结果使得设计结构简单的发动机控制系统变得很困难。
为了克服这些困难，例如，公开号为NO.2-23258的日本专利申请提出了这样一种发动机，其设计意图为通过省略进气管中的节气门而只通过控制供入发动机的气体燃料流速来控制发动机有效功率这样一种方式设计出一种体积小、结构简单的发动机。
上述燃气发动机利用压缩气体燃料如液化丙烷气体(LPG)和液化丁烷气体(LBG)具有此诸如汽油和轻油等液体燃料具有更宽的可燃浓度范围这一特性，通过仅对气体燃料量进行控制而不对空气进气量进行控制这样一种方式实现其有效功率的控制。例如，在使用汽油的状况下，空气燃料混合物可燃的最稀的空燃比(稀薄极限)近似为其过量空气系数λ等于1.2，而在液化丙烷气体的情况下，其过量空气系数λ约为1.6。因此，发动机的有效功率可以在发动机相对宽的负荷范围内，仅根据燃料量进行控制，而不必控制进气量。
而且，在上述的燃气发动机中，压力调节器和控制阀以串接方式安装在燃气进气系统中的压缩气体燃料源的下游位置。压力调节器将来自压缩气体燃料源的气体燃料的压力调节到一恒定值，以防止由于气体燃料压力的变化而引起气体燃料量的较大变化。控制阀通过控制气体燃料的流通面积对经过压力调节后的气体燃料的流速进行控制，从而控制气体燃料的供给量。被控制的气体燃料量与进入的空气混合，形成的混合物被供入发动机。
根据上述燃气发动机，在空燃比由于气体燃料供给量的减少而达到它的稀薄极限之前，可以对发动机有效功率进行控制。然而，如果空燃比大于稀薄极限值，发动机可能出现不规则燃烧，产生失火等。结果，在低有效功率区域内发动机有效功率的波动引起振动增加和不规则燃烧，使没燃烧的燃气成分如碳氢化合物(HC)的排放增加，并因此使发动机的排气污染特征变坏。特别如
图1所示，上述燃气发动机有这样一种发动机有效功率特性，即当发动机进入到过量空气系数λ超过例如1.6的不规则燃烧区域时，发动机有效功率急剧下降。在该图中，点A表示稀薄极限点，该点为不则规燃烧区和正常燃烧区的界线，在正常燃烧区中，可以根据气体燃料量正常地控制发动机运行。
也就是说，上述燃气发动机的缺点是当空燃比大于稀薄极限点A时，不规则燃烧频繁发生，而且没燃烧的燃气成分如碳氢化合物HC的排放量急剧增加，使发动机的排气污染特征变得很坏。
在上述燃气发动机中，即使为了净化发动机排出的废气而在排气系统中装设催化转换器，但由于使用高浓度的气体燃料，催化转换器很容易过热，而且不规则燃烧可能引起发动机转速的波动，这将导致振动的产生和发动机过载息火等。因此，上述燃气发动机的使用受到限制。
而且，由于为了调节气体燃料的压力要在进气管中安装压力调节器，而安装尺寸较大的压力调节器需要大的空间，这使设计小型化的发动机控制系统产生困难。
此外，如果所使用的气体燃料的种类发生变化，例如，当燃料从液化丙烷气体变为液化丁烷气体时，由于它们的热值不同，气体燃料的最大通道面积必须改变，从而控制阀本身也要进行调换。
本发明的第一个目的是提供一种用于内燃机特别是燃气发动机的控制系统，该控制系统用以通过控制气体燃料的供给量而不控制空气进气量的方式，来控制供入发动机的空气燃料混合物的空燃比并能够在包括低发动机有效功率范围的较宽发动机有效功率范围内控制发动机有效功率。
本发明的第二个目的是提供这样一种控制系统，不论供给的气体燃料压力变化与否，该系统能在不使用压力调节器的情况下，稳定地控制发动机有效功率，因此尺寸减小，结构简单。
本发明的第三个目的是提供这样一种控制系统，该系统可以很容易地适应所使用的气体燃料的种类变化。
根据本发明的第一方面，提供了一种内燃机的控制系统，包括压缩气体燃料源；用于调节来自压缩气体燃料源的气体燃料量的控制阀；和一个进口通道，在该通道中，其量的大小已经控制阀调节的气体燃料与进入的空气相混合并作为空气燃料混合物供入发动机中。
根据本发明第一方面的控制系统其特征为包括有通过由控制阀调节气体燃料量来控制供入发动机的空气燃料混合物的空燃比的空燃比控制装置；用于检测发动机运行状况的运行状况检测装置；根据由运行状况检测装置检测的运行状况计算发动机点火定时的点火定时计算装置；当空气燃料混合物的空燃比处于预定的稀薄极限范围时通过修正发动机的点火定时控制发动机有效功率的点火定时修正装置。
最好是，在发动机进气管道中不设置用于控制空气进气量的节气门。
最好是，控制系统包括构成运行状况检测装置的一部分、用于检测发动机转速的转速检测装置；根据转速检测装置检测的发动机转速变化量确定发动机燃烧状态的燃烧状态确定装置；和根据燃烧状态确定装置确定的燃烧状态确定空气燃料混合物的空燃比是否处于预定的稀薄极限范围的稀薄极限范围确定装置。
而且最好是，当空气燃料混合物的空燃比处于预定的稀薄极限范围时，点火定时修正装置通过延迟发动机的点火定时，来减少发动机的有效功率。
根据本发明的第二方面，提供了一种内燃机的控制系统，包括有压缩气体燃料源；与压缩气体燃料源相连接的燃料输送通道；安装在燃料输送通道上的控制阀，用于调节来自压缩气体燃料源的气体燃料量；和一个进气通道，在该通道中，其量的大小已经控制阀调节的气体燃料与进入的空气相混合，并且作为空气燃料混合物供入发动机。
根据本发明第二方面的控制系统其特征为包括有以可拆卸形式安装在控制阀下游位置处的燃料输送通道中的燃气喷嘴，用于向进气通道喷射气体燃料。
由可以根据施加的电流大小而不是来自压缩气体燃料源的气体燃料的压力控制供入发动机的气体燃料压力的电磁阀构成的控制阀。
电磁阀最好是一种电磁比例阀。
最好是，电磁比例阀包括有一个用于调节流经电磁比例阀的气体燃料量的阀门部分；其内部装有上述的阀门部分的阀壳；设置在阀壳附近并与上述阀门部分可操纵地连接的励磁装置，用于控制阀门部分的操作；和位于上述阀门部分内的压力调节装置，用于根据流经电磁比例阀的气体燃料的压力调节供入发动机的气体燃料的压力。
本发明的上述和其他目的、性能和优点，从以下的结合附图的说明中可以更清楚地了解。
图1所示为表明传统燃气发动机的发动机有效功率η和碳氢化合物HC排放量之间关系的曲线；
图2所示为本发明第一实施例的燃气发动机及其控制系统的整体布置图；图3为用于图2所示的控制系统中的控制阀(电磁比例阀)的纵剖视图；图4为用于说明如何检测图2所示燃气发动机的燃烧状态的时序图；图5所示为表示点火定时提前角θIG和发动机有效功率η之间关系的曲线；图6所示为用于控制气体燃料量的主程序的流程图；图7所示为用于确定最佳点火定时提前角θIGY的图表；图8所示为用于控制发动机点火定时的子程序流程图，由图6所示的程序执行；图9所示为过量空气系数λ、点火定时提前角θIG和发动机有效功率η之间关系的曲线，以及过量空气系数λ、点火定时提前角θIG和HC排放量之间关系的曲线；图10所示为本发明第二实施例的燃气发动机及其控制系统的整体布置示意图。
现参照表明本发明实施例的附图对本发明进行详细说明。
首先参照图2，它示意性地表明本发明第一实施例的燃气发动机及其控制系统的整体布置。
在该图中，标号1表示一四冲程循环燃气发动机(以下简称为发动机)。在发动机1的进气管2中，在其一端安装有空气滤清器3，燃料输送管4在空气滤清器3和发动机1之间的位置处从进气管2分出支路。
由气缸或类似物构成的压缩气体燃料源5设置在燃料输送管4的一端，其内充有压缩气体燃料如液化丙烷气体(LPG)或液化丁烷气体(LBG)。开关阀6和控制阀7在压缩燃气源5下游的位置处串接在燃料输送管4中。而且节流式燃气喷嘴9安装在位于控制阀7下游位置处的燃料输送管4中，并且位于燃料输送管4从进气管2分出的分出位置附近。开关阀6和控制阀门7与一个电子控制单元8(以后称为ECU)电连接，ECU8发出的信号对上述两个阀的操作进行控制。燃气喷嘴9以可拆卸的方式安装在燃料输送管4中，以便根据所使用气体燃料的种类更换其他类型的燃气喷嘴。
开关阀6由常闭型电磁阀构成，它是通过响应来自ECU8的指令而产生的通断电操作而进行开/闭控制的。具体地说，当发动机停止时，开关阀6被断电而关闭，从而禁止压缩气体燃料源5中的气体燃料供入发动机1，而当开关阀6被通电而打开时，允许气体燃料供入发动机1。
控制阀门7用以根据ECU8的指令控制流经燃料输送管4的气体燃料的流率Q。具体地说，地当发动机的转速NE小于预定的发动机转速NEX(例如2500转/分)时，或当发动机1进入到供入发动机1的空气燃料混合物的空燃比呈现为稀薄的贫油状态时，控制阀7控制气体燃料的通道面积以使流率Q增加；而当发动机转速NE超过上述预定的发动机转速NEX时，或当发动机1进入到混合物的空燃比呈现为浓的富油状态时，使气体燃料流率减少。
如图3所示，控制阀7由电磁比例阀构成，其根据施加到控制阀7的电流的大小而不是根据来自压缩气体燃料源5的气体燃料压力将供λ发动机的气体燃料的压力控制在一个预定的恒定值。
具体地说，控制阀7包括有阀壳12；阀壳12具有进气孔10，气体燃料经此孔流入阀中；和出气孔11，经过此孔气体燃料流出阀外；一个阀门部分13；和一个用于控制阀门部分13操作的励磁部分14。
阀门部分13包括有用铝或类似材料制成的阀门元件15，位于阀门元件15和阀底件50之间的阀弹簧16，其在箭头A所示方向对阀门元件15加偏压，一个安装在阀壳12顶部、用腈基丁二烯橡胶NBR或类似材料制成的大体呈扁平状的膜片17，一个连接在膜片17和阀门元件15之间的阀杆18，一个设置在杆18顶部大体为T形横截面的凸出部分19，位于凸出部分19和膜片17之间、对膜片17加偏压的膜片夹持弹簧20，一个与阀壳12协同作用将膜片17夹持定位的膜片夹持板21。膜片夹持板21的侧壁上形成有孔22，用于将外界空气引入到位于膜片17和膜片夹持板21之间的大气压力室23。
励磁部分14包括有励磁线圈24，一个根据励磁线圈24中施加的电流大小沿箭头B方向移动一个冲程的可动铁心25，一个在预定允许的范围内用于调节可动铁心25行程的调节螺钉26，一个通过螺纹安装在调节螺钉26上的顶盖27，一个安装在调节螺钉26和可动铁心25之间的、用于对可动铁心25在箭头C方向产生偏压的上部可动铁心弹簧28，一个安装在可动铁心25和膜片夹持板21之间、用于在箭头D方向对可动铁心25产生偏压的下部可动铁心弹簧29。
根据上述结构的控制阀7，当励磁线圈24被励磁时，可动铁心借助于由励磁线圈24根据施加的电流大小所产生的吸引力，克服下部可动铁心弹簧29的偏置力向下移动，相应地，阀门元件15通过杆18向下移动将阀打开，结果使气体燃料从进气孔10流向出气孔11。也就是说，可动铁心从其初始位置起算的行程随电流大小而变化，因此从出气孔11流出的气体燃料的流率与电流的大小成线性关系。具体地说，由于大气压室23永远通过孔22与大气相连通，因此其内部压力总是保持为大气压力。因此，当流经进气孔10的气体燃料的压力增加时，膜片17向上移动，因此通过杆18与膜片17相连接的阀门元件15也向上移动，从而阀门元件15沿将阀关闭的方向移动。另一方面，当气体燃料的压力减小时，膜片17向下移动，因此阀门元件15也向下移动，从而阀门元件15沿将阀打开的方向移动。这样，膜片17和膜片夹持板21协同构成了压力调节装置，该装置控制流出控制阀7的气体燃料的压力，使其几乎保持恒定值。由于上述结构，在不使用压力调节器的情况下，供入发动机的气体燃料压力可以控制在几乎恒定值。结果，控制系统可以省掉压力调节器，使系统简单化和小型化。
曲轴角度(CRK)传感器30和点火脉冲发生器31面向发动机1的曲轴(未示出)设置。CRK传感器30在发动机的上死点位置产生信号脉冲(以下称为CRK信号脉冲)，并向ECU8输送CRK信号脉冲。在预定的曲轴角度，点火脉冲发生器31产生点火信号脉冲，并将点火信号脉冲输送给ECU8。
点火装置32与ECU8相连接，并由来自ECU8的指令控制它的点火定时。起动电机33与发动机1驱动连接，用以起动发动机。
线性输出空燃比传感器35(以下称LAF传感器)安装在发动机1的排气管34中，用于检测发动机排气中的氧的浓度，并将表示所检测的氧的浓度的电信号输送到ECU8。
ECU8包括有一个输入电路，它具有对来自如上述各种传感器的输入信号的波形进行整形、将传感器输出信号的电压转换成预定值、将来自模拟输出传感器的模拟信号转换成数字信号等功能，一个中央处理单元(以下称为CPU)，存储由CPU执行的各种运行程序并用于存储计算结果的存储装置，一个向开关阀6、控制阀门7等输出驱动信号的输出电路。而ECU8计算CRK信号脉冲产生的时间间隔ME，用以计算与ME值为倒数关系的发动机转速ME。
ECU8根据上述CRK信号脉冲检测发动机1的曲轴角速度，并且根据曲轴角速度的变化确定发动机1的燃烧状态。
具体地说，如图4A所示，由于供入发动机1的混合物的压缩阻力，发动机1的瞬时转速即瞬时曲轴角速度在处于或靠近产生点火信号脉冲的曲轴角度位置处降至最低值。因此，由于燃烧时气体压力增加所产生的曲轴加速度，瞬间曲轴角速度升高。然而，如果发动机1经历不规则燃烧，曲轴角速度就会低于正常燃烧状态下的设定值。因此，当自产生点火信号脉冲起经过一预定时间间隔t后，(在此时刻，假定曲轴角速度达到几乎最大值)，对曲轴角速度进行取样和保持，将两个相邻循环中的保持值间的差ΔTREV算出，以确定发动机1的燃烧状态。就是说，当差值ΔTREV小于预定的参考值MFREF时，则确定为发动机1处于正常燃烧状态，而如果差值ΔTREV大于预定的参考值MFREF，则确定为发动机1处于不规则燃烧状态。而且，当差值ΔTREV大于预定的失火确定值MEH时，则确定为发动机1经历了失火。
根据发动机的转速NE和过量空气系数λ，燃气发动机控制系统计算出最佳点火定时提前角θIGY，当发动机1的运行状态进入稀薄极限区域时，将最佳点火定时提前角θIGY修正到一延迟值，因此，根据上述修正的点火定时提前角θIG，通过控制点火定时控制发动机有效功率。
具体地如上所述，在使用气体燃料如LPG的燃气发动机中，当混合气的过量空气系数λ小于大约1.6时，发动机有效功率可以只根据气体燃料量进行控制。然而如图1所示，当过量空气系数λ超过1.6时，发动机的失火率急剧增加，导致发动机转速波动，并使没燃烧的燃气成分的排放量急剧增加。也就是说，失火率的增加使发动机有效功率降低，因此，只通过控制气体燃料量Q，在从空载状态到最大发动机有效功率的一个较宽范围内，不可能稳定控制发动机有效功率。
在这方面，点火定时提前角θIG与发动机有效功率η的关系如图5所示(假定λ＝1.6)。从图中可以看出，发动机的有效功率η可以用一条抛物线表示，当点火定时提前角θIG为最佳点火定时提前角θIGY时(例如BTDC即在上死点前45°)，η值为最大，当θTG朝提前侧或延迟侧移动时，η值适当减小。因此，发动机有效功率η可以通过延迟θIG值到适当值而逐渐降低，该值取值范围为从最佳点火提前角θIGY(例如上死点前45°)到发动机有效功率η为零的下限点火定时提前角θIGX(例如上死点前-10°)。这样，发动机有效功率η可以从空载状态到最大功率输出范围内连续稳定地控制。由EVU8执行的控制操作在下面予以说明。
特别地，根据本发明，由于在过量空气系数λ大于例如1.6的稀薄空燃比区域内，发动机有效功率(热效率)主要随点火定时的变化而变化，因此，点火定时按照预定量延迟，而混合物的空燃比保持不变，即保持在稀薄极限值(如λ＝1.6)，以便逐渐减小发动机有效功率，因此扩大了发动机有效功率的控制范围，也就是扩大了发动机有效功率可以稳定控制的发动机有效功率范围。
图6所示为控制气体燃料量的主程序，当检测到发动机1为完全爆发状态时，例如当发动机转速NE超过起动速度，如其起动期间的800转/分转速时，该程序启动。
当本程序起动时，发动机的转速NE(根据CRK传感器29的输出信号算得)和过量空气系数λ(根据LAF传感器34的输出信号算得)在步骤S1读取。然后在步骤S2中，根据发动机的转速NE和过量空气系数λ即发动机的运行状态，对θIGY图进行检索，以便确定最佳点火定时提前角θIGY。
如图7所示，θIGY图表是这样建立的，即各图表值θIGY(00，00)到θIGY(16，19)以对应于发动机转速NE的各预定值NE00到NE19和过量空气系数λ的各预定值λ00到λ16的方式给出。根据发动机运行状态通过读取θIGY图表确定最佳点火定时提前角θIGY。
在步骤S3，通过执行下面将要说明的点火定时控制程序实现点火定时控制，而在步骤S4中，确定发动机的转速NE是否高于较高的极限值NEHLT(例如4000转/分)，该极限值是最大允许转速。如果发动机转速NE超过较高极限值NEHLT，发动机1在步骤S5停车，随后终止本程序。
另一方面，如果对步骤S4问题的答案是否定的(NO)，即如果发动机的转速NE低于较高极限值NEHLT，则程序进入到步骤S6，其确定发动机转速NE是否大于预定转速NEX(例如2500转/分)，该值低于较高极限值NEHLT。如果答案是肯定的(YES)，在步骤S7中控制阀7的阀门孔被减小，从而气体燃料量Q减小，使混合物的空燃比变得比较稀薄，随后程序返回步骤S1。
如果对步骤S6问题的答案是否定的(NO)，即如果发动机的转速NE小于预定的转速NEX，程序进入到步骤S8，其确定过量空气系数λ是否等于或大于1，这意味混合物的空燃比已达到化学空燃比或取值比它大。如果答案是否定的(NO)，即如果混合物的空燃比比化学空燃比的取值少，在步骤S7中，气体燃料量Q减小，在混合物贫油方向调节混合物的空燃比，随后程序返回步骤S1。在本实施例中，过量空气系数λ的临界值如上所述设定为1，由于燃料是气态，当空燃比被控制为化学空燃比时，可以得到满意的燃烧状态，因此混合物的空燃比不需进一步加浓。
另一方面，在步骤S8中如果答案是肯定的(YES)，即如果混合物的空燃比不小于化学空燃比，在步骤S9中气体燃料量Q增加，使混合物的空燃比在混合物加浓的方向转移，随后程序返回步骤S1。
图8所示为图6中步骤S3所执行的用以实现点火定时控制的程序的细节。
首先，在步骤S11中，测量曲轴转速的改变量ΔTREV，在步骤S12中确定特征值FMF是否为1。特征值FMF由一个子程序设定(未示出)，当改变量ΔTREV低于预定的参照值MFREF时，特征值FMF为“0”。这意味着发动机1没有经历不规则燃烧，而当改变量ΔTREV超过预定的参照值MFREF时，特征值FMF为“1”，这意味着发动机1经历了不规则燃烧。这样，在步骤S12中，根据改变量ΔTREV确定发动机1是否经历了不规则燃烧。如果确定特征值FMF为表示发动机1经历不规则燃烧的“1”，则断定混合物的空燃比等于或大于稀薄极限值，然后程序前进到步骤S13。
在步骤S13中，确定点火定时提前角θIG的当前值是否大于下限值θIGX(例如上死点-10°)。如果答案是肯定的(YES)，在步骤S14中，将点火定时提前角θIG减小一预定角度θIGR(例如1°)，计算出新的点火定时提前角θIG，以便延迟点火定时，随后程序返回图6所示的主程序。
如果对步骤S13问题的答案是否定的(NO)，即如果点火定时提前角θIG小于下限值θIGX，在步骤16中，将点火定时提前角θIG增加一预定角度θIGA(例如1°)，计算出新的点火定时提前角θIG，以便提前点火定时，随后程序返回图6所示的主程序。
在另一方面，如果对步骤S12问题的答案是否定的(NO)，即如果发动机1没有经历不规则燃烧，程序前进到步骤S15，其确定点火定时提前角θIG的当前值是否小于最佳点火定时提前角θIGY(例如上死点前45°)。如果答案是肯定的(YES)，在步骤S16中，将点火定时提前角θIG增加一预定角度θIGA(例如1°)，计算出新的点火定时提前角θIG，以便提前点火定时，随后程序返回图6所示的主程序。
如果对步骤S15问题的答案是否定的(NO)，程序转入到步骤S14，将点火定时提前角θIG减小一预定角度θIGR(例如1°)，计算出新的点火定时提前角θIG，以便延迟点火定时，随后程序返回图6所示的主程序。
在上述方法中，根据本实施例，当发动机1在规则燃烧区域内运行时，对点火定时进行控制，使点火定时提前角θIG达到最佳点火定时提前角θIGY，同时根据发动机的运行状态控制气体燃料量Q。总之，仅通过控制空燃比，基本上可以对发动机有效功率进行控制。
另一方面，当空燃比等于或大于使发动机1经历不规则燃烧的稀薄极限值时，通过延迟点火定时同时向发动机输送几乎恒定量的气体燃料而使混合物的空燃比保持在稀薄极限值(例如λ＝1.6)来对发动机有效功率进行控制。具体地说，根据本实施例，即使空燃比达到使发动机1经历不规则的燃烧的稀薄极限值，汽体燃料也以近乎恒定速率供入发动机1。由于输送的燃料量近似恒定，当混合物的空燃比随着发动机转速减小而变得比较富油时，发动机转速开始增加。相反，当混合物的空燃比随发动机转速增加而变得比较贫油时，发动机的转速开始下降。这样，发动机转速保持稳定，甚至当为了消除不规则燃烧而控制发动机有效功率时，也可以稳定发动机转速。
这样，在传统发动机中，虽然其空气进气量可以通过装设在进气系统中的节气门控制，但不规则燃烧仍会发生而引起发动机转速不稳定和发动机过载熄火，而根据本发明，甚至空燃比处于稀薄极限值，由于气体燃料以近乎恒定量Q供入发动机，从而使得发动机转速稳定。因此，通过向延迟方向修正点火定时提前角θIG，即使在低有效功率区域，发动机有效功率也可以连续、稳定地控制，同时保持发动机转速处于稳定状态。
图9所示为表示过量空气系数λ，点火定时提前角θIG与发动机有效功率η之间关系的曲线，以及过量空气系数λ、点火定时提前有θIG与HC排放量之间关系的曲线。
从图中可以清楚看到，在空燃比(过量空气系数λ)达到点A表示的稀薄极限值(过量空气系数λ＝1.6)之前，通过由控制气体燃料流率而实现的对空燃比的控制，同时将点火定时控制在最佳点火定时提前角θIGY，而实现对发动机有效功率的控制。另一方面，在空燃比达到稀薄极限值之后，点火定时向提前或延迟方向修正，从而即使在低有效功率区域也可对发动机有效功率进行控制，并使发动机转速保持在稳定状态下。这样，发动机有效功率的可控制范围可以扩大到从空载区域到最大功率输出区域。另外，即使在发动机有效功率这样控制时，燃料燃烧也不会有任何干扰，因此可以防止在低有效功率区域内HC的排放量急剧增加，如图9中虚线所示。
如上所述，根据本发明控制系统，当发动机处于正常运行状态时，发动机有效功率可以通过改变气体燃料量Q进行控制。另一方面，当混合物的空燃比等于或大于稀薄极限值时，点火定时被延迟以预定角度，因此逐渐减少发动机有效功率，同时使空燃比保持在稀薄极限值(例如λ＝1.6)。这样，发动机有效功率即使在低有效功率区域内也可以稳定控制，不会出现不规则燃烧，同时发动机转速NE被反馈控制到一预定值，使发动机几乎保持恒定速度运行。因此，发动机有效功率可以在从空载区域到最大发动机有效功率区域的较宽范围内稳定控制。此外，只要空燃比保持相同，延迟点火定时就有助于减少(NOx)的排放量，因此在低负荷运行区域，发动机可以实现低NOx运行。
而且，在本实施例中，上述控制是通过控制阀7(电磁比例阀门)实现的，该阀具有调节气体燃料压力的功能，因此供入发动机的气体燃料的压力不需要通过独立的压力调节器如零调节器进行调节，由于可以不必使用压力调节器，因而使该系统简单、小型化。此外在本实施例中，可燃气体喷嘴9是以可拆装方式安装的，这样当所使用的气体燃料种类变化时，只须将燃气喷嘴9变换为另外一种与新气体燃料相符合的喷嘴，因此可以将上述控制应用于各种气体燃料。
下面将说明本发明第二实施例的控制系统。
图10所示为本发明第二实施例的燃气发动机及其控制系统的整体布局图。第二实施例与上述第一实施例的区别仅在于，作为压力调节器的零调节器60被安装在位于压缩燃气源5的下游和与图2相同的开关阀6上游的位置处的燃料输送管4上，图2中的燃气喷嘴9被去掉了，控制阀门7′具有开口可变的喷嘴(未示出)，可以对其开口面积进行控制使之随发动机转速NE和过量空气系数λ作相应改变。除此之外，第二实施例，在结构和布置上与第一实施例相同。因此在图10中，与第一实施例相应的元件和部件用相同的标号表示，对它们的说明在此省略。
零调节器60将气体燃料的压力调节到稍微高于大气压力的预定的恒定值，这样调节压力后的气体燃料经开关阀6、控制阀7′和进气管2被引入到发动机1。
本实施例与第一实施例一样，通过执行图6所示的气体燃料量控制和图8所示的点火定时控制，即使在低有效功率区域内，发动机有效功率也可以稳定控制，并避免在低有效功率范围内的不规则燃烧，同时发动机转速被反馈控制到一预定值，使发动机几乎保持恒定速度运行。就是说，在从空载区域到最大发动机有效功率区域的发动机负荷的较宽范围内，发动机有效功率可以稳定控制。
本发明并不限于上述实施例，而是可以作出许多改型。例如，在上述实施例中，过量空气系数λ是通过借助于LAF传感器16检测氧的浓度而计算得出的。然而，因为空气进气量不是由节气门控制的，所以空气进气量几乎是恒定的。因此，过量空气系数λ可以根据气体燃料量Q和发动机转速NE进行估算，所以LAF传感器16可以省去。
另外，在步骤S12中点火定时是根据是否出现不规则燃烧而向提前或延迟方向修正的。然而，不管混合物的空燃比是等于还是大于稀薄极限值，空燃比可以根据过量空气系数λ进行估算，而且当空燃比取紧靠稀薄极限之前的一个数值时，点火定时可以大大地延迟。就是说，点火定时可以通过使用类似于图5中所示的点火定时图表确定，以代替确定不规则燃烧和点火定时的提前和延迟控制。
权利要求
1.一种用于内燃机的控制系统，其具有一个压缩气体燃料源，一个用于调节来自所述压缩气体燃料源的气体燃料量的控制阀，和一个进气通道，在该通道中其量的大小已经所述控制阀调节的所述气体燃料与进入的空气相混合并作为空气燃料混合物供入该发动机，其改进包括通过由所述控制阀调节所述气体燃料量来控制供入所述发动机的空气燃料混合物的空燃比的空燃比控制装置；用于检测所述发动机的运行状况的运行状况检测装置；根据所述运行状态检测装置检测的运行状况计算发动机点火定时的点火定时计算装置；当空气燃料混合物的空燃比处于预定的稀薄极限区域时，通过修正发动机的点火定时控制所述发动机的有效功率的点火定时修正装置。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征是在所述发动机的进气通道中没有安装用于控制空气进气量的节气门。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征是包括有构成所述运行状况检测装置一部分、用于检测发动机转速的转速检测装置；根据所述转速检测装置检测的发动机转速的改变量确定发动机燃烧状态的燃烧状态确定装置；根据所述燃烧状态确定装置确定的燃烧状态确定所述空气燃料混合物的空燃比是否处于所述预定的稀薄极限区域的稀薄极限区域确定装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其特征是当所述空气燃料混合物的空燃比处于所述预定的稀薄极限区域时，所述点火定时修正装置通过延迟发动机的点火定时来降低发动机的有效功率。
5.一种内燃机的控制系统，具有一个压缩气体燃料源，一个与所述压缩气体燃料源相连接的燃料输送通道，一个安装在所述燃料输送通道上用于调节来自所述压缩气体燃料源的气体燃料量的控制阀，和一个进气通道，在该通道中，其量的大小已经所述控制阀调节的气体燃料与进入的空气相混合并作为空气燃料混合物供入发动机中，其改进包括一个以可拆装方式安装在所述控制阀下游位置处的燃料输送通道中的燃气喷嘴，用于将气体燃料喷入所述进气通道，所述控制阀由电磁阀构成，该电磁阀可以根据施加的电流大小而不是根据来自所述压缩气体燃料源的气体燃料的压力来控制供入发动机的气体燃料压力。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征是所述电磁阀为一种电磁比例阀。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征是所述电磁比例阀包括有，一个用于调节流经所述电磁比例阀的气体燃料量的阀门部分，一个其内部安装所述阀门部分的阀壳，靠近所述阀壳安装并且与所述阀门部分操作连接的励磁装置，用于控制所述阀门部分的操作，设置在所述阀门部分中的压力调节装置，用于根据流经所述电磁比例阀的气体燃料压力来调节供入发动机的气体燃料压力。
8.根据权利要求5所述的控制系统，其特征是包括有通过由所述控制阀调节气体燃料量来控制供入发动机的空气燃料混合物的空燃比的空燃比控制装置；用于检测发动机运行状况的运行状况检测装置；根据运行状况检测装置检测的运行状态计算所述发动机点火定时的点火定时计算装置；当空气燃料混合物的空燃比处于预定的稀薄极限区域时，通过修正发动机的点火定时来控制发动机有效功率的点火定时修正装置。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征是在发动机的进气通道中没有安装用于控制空气进气量的节气门。
10.根据权利要求8或9所述的控制系统，其特征是包括有构成所述运行状况检测装置的一部分、用于检测发动机转速的转速检测装置，根据所述转速检测装置所检测的发动机转速的改变量确定发动机燃烧状态的燃烧状态确定装置，根据燃烧状态确定装置所确定的燃烧状态确定所述空气燃料混合物的空燃比是否处于所述的预定稀薄极限区域内的稀薄极限区域确定装置。
11.根据权利要求8至10中任一项所述控制系统，其特征是当空气燃料混合物的空燃比处于所述的预定稀薄极限范围时，点火定时修正装置通过延迟发动机的点火定时来降低发动机的有效功率。
全文摘要
一种内燃机控制系统，具有一压缩气体燃料源，一用于调节来自压缩燃气源的燃气量的控制阀，一进气通道，在该通道中其量值经控制阀调节的燃气与空气混合后供入发动机，燃气量由控制阀调节。控制系统的电子控制单元通过由控制阀调节燃气量来控制供入发动机中的混合物的空燃比，各种传感器检测发动机运行状态。根据检测的运行状态计算发动机的点火定时，当混合物的空燃比在预定的稀薄极限范围时，通过修正点火定时控制发动机有效功率。
文档编号F02P5/15GK1119239SQ9510814
公开日1996年3月27日 申请日期1995年6月29日 优先权日1994年6月29日
发明者清水元寿 申请人:本田技研工业株式会社