CN1473238A - 发动机、发动机的排气温度控制装置及控制方法 - Google Patents

发动机、发动机的排气温度控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明用于将燃气发动机的汽缸排气温度维持在规定范围内，防止失火或汽锤的发生。本发明中，在步骤S1，若发动机转速在规定转速以上，则在S2一规定时间间隔对汽缸的排气温度取样，在S3算出排气温度的平均值，S4判断该时刻的负载率，在S5比较平均排气温度Tave和各汽缸的排气温度T(n)，判定其偏差ΔTn和上述负载率下的设定偏差Tlimit比的大小。在该值小时，排气温度处于设定偏差内，不需要燃料喷射期间的调节，返回S2。在该值大时，在S6判定是增大还是减小电子燃料喷射阀的开阀期间。在要增大开阀期间时，进入S7，在要减小开阀期间时，进入S8。而且，在S9若发动机转速在规定转速以上，则重复S2～S6，在S9若发动机转速不足规定转速，则停止控制动作。

Description

发动机、发动机的排气温度控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及在燃气发动机等发动机中，通过控制电子燃料喷射阀来自动调节各汽缸的排气温度，并改善汽缸间排气温度的偏差的发明，具体地说，涉及一种可进行这种控制的发动机、可进行这种控制的发动机的排气温度控制装置及控制方法。
背景技术
在多汽缸发动机中，来自各汽缸的排气温度没有完全一致的，目前，在商用发动机方面，汽缸间排气温度的偏差，在100％负载时，规定为平均在±15℃以内。对排气温度脱离该范围的汽缸，通过手动调节该汽缸的燃气调节阀来调节排气温度，并是汽缸间的排气温度平衡。
但是，由于上述燃气量调节阀是以100％负载时为对象进行调节的，故在100％负载以外的情况下，有时汽缸间会产生大的温度偏差。即使在100％负载时，燃气量调节阀的设定值随时间变化有时也会偏离初期设定值，必须重新调节设定值。若对这种时间变化引起的设定值偏离不予理会，则汽缸间排气温度的偏差就会变得更大，成为失火或汽锤(ノツキング)的原因。
这种失火或汽锤的发生在例如运用共同振荡(コ-ジエネレ-シヨン)***时，会成为大的不利因素。也就是说，在共同***中，在产生了发动机的失火或汽锤时，作为人的或机器的安全措施的第一步是使发动机输出(***发电量)降低，第二步是使发动机停止，但是这种发动机输出的降低或运行停止，其结果，不仅不能供给所需的电力，有时，还会因违反电力合同(超过需求)，而被追加罚款。
因此，人们期望，有一种能在发动机运行中自动控制汽缸间排气温度的偏差并可靠地实现汽缸间排气温度的均匀的技术。该技术在安全稳定地运用例如上述共同***上也很重要。
本发明就是鉴于上述问题而开发的，其目的在于，提供一种排气温度控制技术，其可在燃气发动机等发动机的运行中，自动控制汽缸间的排气温度偏差，将各汽缸间排气温度维持在规定范围内，防止失火或汽锤的发生。
发明内容
本发明第一方面提供一种发动机，其具有多个汽缸和与这些各汽缸对应设置并供给燃料的多个电子燃料喷射阀，其特征在于，包括排气温度测量装置和控制装置，所述排气温度测量装置分别测量各汽缸的排气温度并将各汽缸的排气温度信号分别输出；所述控制装置对来自排气温度测量装置的排气温度信号按每规定时间取样，运算多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和各汽缸的排气温度得到的偏差超过规定的设定偏差时，以规定的控制量控制该汽缸的电子燃料喷射阀的开阀期间。
本发明第二方面提供一种发动机的排气温度控制装置，所述发动机利用各自设置的电子燃料喷射阀将燃料分别供给多个汽缸，其特征在于，包括排气温度测量装置和控制装置，所述排气温度测量装置分别测量各汽缸的排气温度并将各汽缸的排气温度信号分别输出；所述控制装置对来自排气温度测量装置的排气温度信号按每规定时间取样，运算多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和各汽缸的排气温度得到的偏差超过规定的设定偏差时，以规定的控制量控制该汽缸的电子燃料喷射阀的开阀期间。
本发明第三方面提供一种发动机的排气温度控制装置，该发动机具有利用各自设置的电子燃料喷射阀供给燃料的多个汽缸，其特征在于，包括多个排气温度测量装置，分别测量各汽缸的排气温度并将各汽缸的排气温度信号分别输出；负载率测量装置，其检测发动机的负载率，输出负载信号；控制装置，其设定与发动机的负载率对应的设定偏差及控制量，同时，利用来自负载率测量装置的负载信号判断发动机当前的负载率，并对来自各排气温度测量装置的各排气温度信号按每规定时间取样，运算多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和各汽缸的排气温度得到的偏差超过当前负载率下的设定偏差时，以与当前负载率对应的控制量控制该汽缸的电子燃料喷射阀的开阀期间。
本发明第四方面提供一种发动机的排气温度控制方法，所述发动机利用各自设置的电子燃料喷射阀将燃料分别供给多个汽缸，其特征在于，每规定时间分别测量各汽缸的排气温度并将各汽缸的排气温度信号分别输出；由各排气温度信号运算多个汽缸整体的平均排气温度，并在比较该平均排气温度和各汽缸的排气温度得到的偏差超过规定的设定偏差时，以规定的控制量控制该汽缸的电子燃料喷射阀的开阀期间。
本发明第五方面提供一种发动机，该发动机具有：多个汽缸；分别设置在这些汽缸上并可利用控制信号控制开阀期间的电子燃料喷射阀；分别设置在这些汽缸上并将各汽缸的排气温度作为排气温度信号分别输出的排气温度测量装置；检测发动机的负载率并输出负载信号的负载率测量装置，其特征在于，将以发动机为控制对象的计算机作为控制装置使用，该控制装置设定与发动机的负载率对应的设定偏差及控制量，利用来自负载率测量装置的负载信号判断发动机当前的负载率，并对来自各排气温度测量装置的排气温度信号按每规定时间取样，运算多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和各汽缸的排气温度得到的偏差超过当前负载率下的设定偏差时，以当前负载率下的控制量控制该汽缸的电子燃料喷射阀的开阀期间。
附图说明
图1是本发明实施例的示意图；
图2是说明本发明实施例中排气温度的控制概要的控制曲线图；
图3是本发明实施例中负载率和设定偏差之间关系的曲线图；
图4是本发明实施例中负载率和持续率(デイレ-シヨンレ-ト)之间的关系的曲线图；
图5是本发明实施例中发动机的排气温度控制步骤的流程图；
图6是本发明实施例中增大电子燃料控制阀的开阀期间时的操作曲线图；
图7是本发明实施例中减少电子燃料控制阀的开阀期间时的操作曲线图；
图8是表示利用本发明进行控制的发动机排气温度随时间变化的一例的图。
具体实施方式
以下参照图1～图6说明本发明的实施例。
图1是示意性表示本发明实施例的图。本例的燃气发动机具有多个汽缸。各汽缸的缸头2上分别安装有电子燃料喷射阀1。各电子燃料喷射阀1通过燃料气体配管3连接在未图示的燃料供给源上，将气体燃料供给汽缸内的燃烧室。另外，在各汽缸的缸头2上分别安装有排气温度测量装置4。各排气温度测量装置4测量各汽缸出口附近的排气温度，将排气温度信号10输出到后述的控制装置5。排气温度测量装置4可利用后述的高温计等温度计。另外，图1各自一个显示了电子燃料喷射阀1和排气温度测量装置4。这是用于显示一个汽缸，实际上，如前所述，在多个汽缸上各自安装了电子燃料喷射阀1和排气温度测量装置4。
本例的燃气发动机为了将各汽缸的排气温度维持在规定的范围内，具有控制电子燃料喷射阀1的开阀期间的排气温度控制装置5(以下简称控制装置)。控制装置5上连接有各汽缸的排气温度测量装置4和电子燃料喷射阀1，输入来自排气温度测量装置4的排气温度信号10，同时，将控制信号11输出到各电子燃料喷射阀1，分别调节各电子燃料喷射阀1的开阀期间，使排气温度维持在规定的范围内。
具体地说，作为控制装置5使用写入了以后述规定的步骤处理信息并调节电子燃料喷射阀1的开阀期间的程序的计算机、或设定为于该计算机进行同样控制的控制器。
另外，本例的燃气发动机具有测量发动机负载率的负载率测量装置6和测量发动机转速的转速测量装置7。它们被连接在控制装置5上，分别将负载率信号12和转速信号13输出到控制装置5 。这些信号12、13在控制装置5作用用于调节电子燃料喷射阀1的开阀期间的信息使用。
本例的燃气发动机作为共同用原动机使用。驱动未图示的发电机。因此，所述发动机的负载相当于发电的功率，负载率意味着功率率。具体地说，将表示由发电机发电的功率的信号送到未图示的发电机床，该信号自发电机床作为负载率信号输出到控制装置5。也就是说，本例中，发电机及发电机床作为负载率测量装置6起作用。
转速测量装置7可利用设在发动机的旋转驱动部分的、使用光的非接触式转速检测元件等。
在本例的燃气发动机的控制装置5上连接有用于设定控制所需的规定数据的输入装置8。控制所需的规定数据有如下(1)～(5)。
(1)控制开始(终了)转速[rpm]
其是超过该值时开始控制，低于该值时，结束控制的发动机的转速。
(2)取样设定时间[sec]
是对排气温度信号进行取样的时间间隔，本例中，可在0.1秒～60秒的范围内设定。
(3)设定负载[％]
是本例控制中作为控制分歧点设定的1以上的负载值，本例中自L0～L7设定8个值。
(4)持续率Rdur[deg·CrankAngle/sec]
表示根据设定负载的各值设定的控制量的变化速度。所谓控制量在本例中表示控制装置5的直接控制对象即电子燃料喷射阀1的开阀期间(单位为[degCA])。这种情况下，用曲柄角度表示每1秒钟开阀期间的变化量。例如，0.1degCA表示1秒钟增加或减少0.1degCA燃料喷射阀的开度。
(5)设定偏差Tlimit[℃]
是确定取样时各汽缸实际的排气温度和燃气发动机所有汽缸的平均排气温度的偏差的允许范围的值。在各设定负载中，所述持续率独立设定。
图2是示意性表示本例的发动机中排气温度的控制的图。参照该图，就本例中控制的步骤或所述控制装置5的功能进行简单说明。
控制装置5对各汽缸的排气温度及发动机的负载每规定的取样时间(tshmp[sec])定期取样，根据该负载确定设定偏差Tlimit[℃]，同时，在本例的控制中，运算汽缸整体的排均排气温度Tavc[℃]。
图2中的偏差上限值及偏差下限值分别表示(平均排气温度Tavc+设定偏差Tlimit)[℃]及(平均排气温度Tavc-设定偏差Tlimit)[℃]。即使6缸中的某个缸如图中虚线所示，在某一时刻偏离设定偏差的范围，也会由本例的排气温度控制而调节该汽缸的排气温度，使其进入设定偏差的范围内(偏差上限值和偏差下限值之间)。
这里，在图2所示的控制中，例如将取样设定时间设定为0.1秒，则控制装置5每0.5秒进行上述运算。若将取样设定时间设定为60秒，则每60秒进行上述运算。在本例中取样设定时间为2秒。
由控制装置5进行的上述运算中，按每个取样设定时间，测量各汽缸的汽缸出口处的排气温度，算出汽缸整体的平均排气温度，比较该平均排气温度和各汽缸的汽缸出口处的实际排气温度，判断各汽缸的排气温度是否在预设的设定偏差内。该设定偏差如上所述是指相对于排气温度的平均值的正负(上限、下限)偏差。然后控制排气温度的平均值和实际排气温度之差偏离设定偏差的汽缸的电子燃料喷射阀1。
在控制电子燃料喷射阀1时，用所述持续率使电子燃料喷射阀1的开阀量改变，使作为控制对象的汽缸的排气温度进入所述设定偏差内。另外，如前所述，设定偏差和持续率可按每个设定负载设定为不同的值。
图3是例示设定负载(负载率、横轴)和持续率Rdur[deg·CrankAngle/sec](纵轴)关系的图。设定负载可在L0～Ln设定任意个数，但在本例中为n＝7，设定了8个设定负载。例如设定L0为0％，L1为25％等。如图3所示，设定负载的各点(L0，L1，…)之间的持续率设定为线性连结各点之间。
图4是例示设定负载(负载率、横轴)和设定偏差Tlimit(纵轴)关系的图。设定偏差也可在L0～Ln设定任意个数，但在本例中为n＝7，如前所述设定了n＝7共8个设定负载。另外，此时的设定负载可独立于持续率的设定负载而设定。如图4所示，设定负载的各点(L0，L1，…)之间的设定偏差设定为线性连结各点之间。
当例如将设定偏差设定为10℃时，则相对于汽缸整体的平均排气温度正负10℃以内是允许范围，只要实际排气温度与平均排气温度之差在该范围内，就不进行控制，若偏离该范围则进行控制。
图5本例的写入控制装置5的控制程序的排气温度的控制步骤流程图。图中，S1～S9对应步骤1～步骤9。控制装置5和写入该控制装置的程序协动进行的控制步骤或由两者协动实现的控制装置5的控制功能参照该图进行说明。
如图5所示，当发动机启动后，控制装置5开始运转时，在步骤1中，控制装置5根据转速测量装置输出的转速信号13检测发动机的转速。这里，若发动机的转速例如为950rpm以上，则进行控制动作，进入步骤2。而若不足950rpm，则不进行控制动作，以适当的间隔重复步骤1。另外，要进行控制动作的发动机的转速可由输入装置任意设定。
在步骤2中，控制装置5开始排气温度的取样。即控制装置5根据排气温度测量装置4输出的排气温度信号10，按每个预设的取样设定时间txnmp[sec]检测各汽缸的排气温度。
在步骤3中，控制装置5由每个预设的取样设定时间txnmp[sec]输入的各汽缸的排气温度瞬时算出汽缸整体的平均排气温度Tave[℃]。
在步骤4中，控制装置5由负载率测量装置6输出的负载率信号12判断发动机的负载率。由该负载率，根据图4算出用于判定是否进行电子燃料喷射阀1的控制的设定偏差Tlimit[℃]，同时，根据图3算出在判定要进行电子燃料喷射阀1的控制时使用的持续率Rdur[degCA/sec]。然后，控制装置5比较步骤3算出的排均排气温度Tave[℃]和各(最大18缸，最小6缸)的排气温度T(n)[℃]，算出其偏差ΔTn[℃]。
在步骤5中，控制装置5判定各汽缸中上述偏差ΔTn[℃]的绝对值Δ|Tn|和上述负载率下的设定偏差Tlimit[℃]的大小，判定是否进行各汽缸的电子燃料喷射阀1的控制。
在|ΔTn|＞Tlimit时，由于该汽缸的排气温度偏差ΔTn[℃]超过了设定偏差Tlimit[℃]，故需要控制。因此，进入下一步骤6(图5，步骤5中(1)式)。在|ΔTn|≤Tlimit时，由于该汽缸的排气温度偏差ΔTn[℃]处于设定偏差Tlimit[℃]范围内，故不需要进行该汽缸的电子燃料喷射阀1的燃料喷射期间的调节。因此，返回步骤2，重复同样的步骤(图5，步骤5中(2)式)。
在步骤6中，控制装置5检索排气温度偏差ΔTn[℃]的符号，判定该汽缸的当前排气温度T(n)[℃]是否向高温侧或低温侧的某一侧偏离。即在ΔTn＞0时(图5，步骤6中(1)式)，排气温度T(n)＜平均排气温度Tave，判定该汽缸的当前排气温度T(n)[℃]向低温侧偏离。在ΔTn＜0时(图5，步骤6中(2)式)，排气温度T(n)＞平均排气温度Tave，判定该汽缸的当前排气温度T(n)[℃]向高温侧偏离。
在步骤6中，在该汽缸的排气温度T(n)＜平均排气温度Tave(即ΔTn＞0)时，该汽缸的当前排气温度比所述下限值更向低温侧偏离，故进入步骤7，使该排气温度上升。即控制装置5使用作为步骤4决定的汽缸的电子燃料喷射阀1开阀期间的变化速度的持续率Rdur[deg·CA/sec]，如图6所示，运算开阀期间的目标值，将该输出信号11提供给电子燃料喷射阀1，改变电子燃料喷射阀1的开阀期间。具体地说，将在步骤5判定需要进行控制后，经步骤S9，S2，S3，S4…的循环，直至最终再次在步骤5判断不需要控制而停止控制的经过时间设定为tc，则相对于开阀期间目标值的初期值Do的开阀期间的目标值由下式表示。
开阀期间的目标值[degCA]＝Do+Dc
在此，Dc[degCA]＝Rdur[degCA/sec]×tc[sec]
在步骤6中，在该汽缸的排气温度T(n)＞平均排气温度Tave(即ΔTn＜0)时，该汽缸的当前排气温度比所述上限值更向高温侧偏离，故进入步骤8，使该汽缸排气温度下降。即控制装置5使用作为步骤4决定的汽缸的电子燃料喷射阀1开阀期间的变化速度的持续率Rdur[deg·CA/sec]，如图7所示，运算开阀期间的目标值，将该输出信号11提供给电子燃料喷射阀1，改变电子燃料喷射阀1的开阀期间。具体地说，将在步骤5判定需要进行控制后，经步骤S9，S2，S3，S4…的循环，直至最终再次在步骤5判断不需要控制而停止控制的经过时间设定为tc，则相对于开阀期间目标值的初期值Do的开阀期间的目标值由下式表示。
开阀期间的目标值[degCA]＝Do-Dc
在此，Dc[degCA]＝Rdur[degCA/sec]×tc[sec]
这样，利用持续率控制即步骤7或步骤8抑制在设定偏差内，来进行燃料喷射阀1的开阀期间，调节燃料喷射量后，在步骤9中，控制装置5与步骤1同样检测发动机的转速，若发动机的转速在例如950rpm以上，则是控制步骤返回步骤2，重复步骤2～步骤7、8的步骤。由此，对偏离设定的设定偏差的汽缸，利用在发动机的各负载下设定的持续率Rdur[degCA/sec]来增加或减少电子燃料喷射阀1的开阀期间，从而持续控制直至使排气温度处于设定偏差以内。在步骤9若发动机的转速不足950rpm，则停止控制动作。另外，步骤1和步骤9的基准转速设定为相同。
在上述控制中，排气温度的偏差，通常是越低负载时越大，而越高负载时越小。当在低负载下要与高负载时同样抑制排气温度的偏差时，有可能因过分控制使排气温度发散(不集中)。相反，在高负载时，若持续率值大则有时难于控制，低负载时，若持续率值小则有时控制速度慢。也就是说，持续率也因负载有适当的调节量。
作为其对策，可举出改变各负载时的设定偏差或持续率，使排气温度进入适合负载的排气温度范围的对策。通常，设定偏差及持续率有越是低负载越大，而越是中高负载越小的倾向。由于设定偏差和持续率独立，具有可进行适于负载的精密控制的优点。
图8是表示本例的发动机的控制效果的曲线图。
这种情况下，发动机的运转状态使负载率自50％变化至80％，然后返回负载率50％。设定偏差Tlimit[℃]设定为汽缸整体的汽缸出口处的排气温度平均值的正负10℃。持续率Rdur[degCA/sec]在负载率50％～80％下设定为0.05[degCA/sec]。
图8中，在负载率为65％左右的情况下，存在偏离了排气温度设定的设定偏差的偏差上限及偏差下限的汽缸。通常，若没有该控制，则排气温度不会复位，各汽缸在其排气温度不平衡的状态下运行，但是，由于本控制的效果，如图8所示，其后排气温度复位到正常范围内。这样，根据本控制，即使在排气温度有可能偏差的情况下，也可自动补正该偏差，其结果，可防止汽缸间排气温度的不平衡导致的汽锤或失火。
另外，在上述例中使用的发动机是缸径220mm的6缸发动机，但是根据本发明即使改变发动机的缸径或缸数，也可得到同样的效果。另外，持续率和设定偏差将所有负载分为8个，但该个数可根据需要增减。
虽然本例是有关燃气发动机的粒子，但是，只要是可为了控制排气温度调节电子燃料喷射阀的开阀期间的发动机，则也可适用于燃气发动机以外的发动机。

Claims (5)

1、一种发动机，其具有多个汽缸和与这些各汽缸对应设置并供给燃料的多个电子燃料喷射阀，其特征在于，包括排气温度测量装置和控制装置，所述排气温度测量装置分别测量各汽缸的排气温度并将各汽缸的排气温度信号分别输出；所述控制装置对来自排气温度测量装置的排气温度信号按每规定时间取样，运算多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和各汽缸的排气温度得到的偏差超过规定的设定偏差时，以规定的控制量控制该汽缸的所述电子燃料喷射阀的开阀期间。
2、一种发动机的排气温度控制装置，所述发动机利用电子燃料喷射阀将燃料分别供给多个汽缸，其特征在于，包括排气温度测量装置和控制装置，所述排气温度测量装置分别测量所述各汽缸的排气温度并将所述各汽缸的排气温度信号分别输出；所述控制装置对来自该排气温度测量装置的所述排气温度信号按每规定时间取样，运算所述多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和所述各汽缸的排气温度得到的偏差超过规定的设定偏差时，以规定的控制量控制该所述汽缸的所述电子燃料喷射阀的开阀期间。
3、一种发动机的排气温度控制装置，该发动机具有利用各自设置的电子燃料喷射阀供给燃料的多个汽缸，其特征在于，包括多个排气温度测量装置，分别测量所述各汽缸的排气温度并将所述各汽缸的排气温度信号分别输出；负载率测量装置，其检测所述发动机的负载率，输出负载信号；控制装置，其设定与所述发动机的负载率对应的设定偏差及控制量，同时，利用来自所述负载率测量装置的负载信号判断所述发动机当前的负载率，并对来自所述各排气温度测量装置的各排气温度信号按每规定时间取样，运算所述多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和所述各汽缸的排气温度得到的偏差超过当前负载率下的设定偏差时，以与当前负载率对应的控制量控制该所述汽缸的所述电子燃料喷射阀的开阀期间。
4、一种发动机的排气温度控制方法，所述发动机利用各自设置的电子燃料喷射阀将燃料分别供给多个汽缸，其特征在于，每规定时间分别测量所述各汽缸的排气温度并将所述各汽缸的排气温度信号分别输出；由所述各排气温度信号运算所述多个汽缸整体的平均排气温度，并在比较该平均排气温度和所述各汽缸的排气温度得到的偏差超过规定的设定偏差时，以规定的控制量控制该所述汽缸的所述电子燃料喷射阀的开阀期间。
5、一种发动机，该发动机具有：多个汽缸；分别设置在这些汽缸上并可利用控制信号控制开阀期间的电子燃料喷射阀；分别设置在所述多个汽缸上并将所述各汽缸的排气温度作为排气温度信号分别输出的排气温度测量装置；检测发动机的负载率并输出负载信号的负载率测量装置，其特征在于，将以所述发动机为控制对象的计算机作为控制装置使用，该控制装置设定与所述发动机的负载率对应的设定偏差及控制量，利用来自所述负载率测量装置的所述负载信号判断所述发动机当前的负载率，并对来自所述各排气温度测量装置的所述排气温度信号按每规定时间取样，运算所述多个汽缸整体的平均排气温度，在比较该平均排气温度和所述各汽缸的排气温度得到的偏差超过当前负载率下的所述设定偏差时，以当前负载率下的控制量控制该所述汽缸的所述电子燃料喷射阀的开阀期间。
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