引擎系统以及内燃机的控制方法与流程

1.本公开涉及具备内燃机和控制单元的引擎系统以及内燃机的控制方法。


背景技术：

2.一般，在火花点火式内燃机中，在压缩上止点之前的定时点火，在压缩上止点之后的定时得到缸内压高峰。并且，通过使点火时期提前而使缸内压峰值上升，使引擎的输出扭矩增加。
3.此外，已知除了形成于气缸内的通常的燃烧室之外还具有副燃烧室的火花点火式内燃机(例如，参照专利文献1)。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2007-285273号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的技术问题
8.在一般的火花点火式内燃机中，由于在压缩上止点之后的定时产生缸内压高峰，因此在将缸内压转换为曲轴的扭矩时的机械效率未必良好的定时产生缸内压高峰。因此，即使使点火时期提前从而缸内压峰值升高，对于曲轴转换的扭矩并不是那么大，难以提高内燃机的热效率。
9.因此，本公开鉴于以上情况而完成，其目的在于提供一种有利于提高内燃机的热效率的引擎系统以及内燃机的控制方法。
10.用于解决技术问题的技术手段
11.根据本公开的一个方案，提供一种引擎系统，
12.其是具备内燃机和控制单元的引擎系统，所述内燃机包括：
13.主室，其由活塞、气缸以及气缸盖界定而成；
14.火花塞，其被安装于所述气缸盖；
15.副室管，其包围所述火花塞并且从所述气缸盖向下方突出；
16.副室孔，其形成于所述活塞并能够供所述副室管插入；以及
17.喷射器，其喷射向所述主室内供给的燃料，
18.所述控制单元构成为对所述火花塞的点火时期和所述喷射器的喷射量及喷射时期进行控制，
19.在所述副室管插入到所述副室孔时，使所述火花塞点火，
20.在所述火花塞的点火前且所述副室管插入到所述副室孔前的时期，使燃料从所述喷射器喷射。
21.优选的是，所述控制单元控制所述点火时期，使得在所述火花塞的点火后产生的缸内压高峰在曲轴半径与连杆中心轴所成的角度为90
°
或90
°
附近的定时产生。
natural gas))作为燃料的燃气引擎。但是，也可以是将汽油作为燃料的汽油引擎，也可以是使用其他燃料的火花点火式内燃机。本实施方式的引擎1是车辆用，特别是作为货车等大型车辆的动力源而使用。但是，引擎的用途并不限定于此，也可以是应用于车辆之外的移动体，例如船舶、建设机械或工业机械的引擎。另外，引擎也可以不是被搭载于移动体的引擎，也可以是固定式的引擎。在图1中仅示出一个气缸，但本实施方式的引擎1是多气缸引擎。引擎1包括未图示的涡轮增压器。
49.引擎1包括：活塞2；可升降且同轴地收容活塞2的气缸3；关闭气缸3的上端开口的气缸盖4；以及由这些活塞2、气缸3和气缸盖4界定而成的主燃烧室即主室5。主室5相当于一般的火花点火式内燃机的燃烧室。
50.气缸盖4形成有进气口7和排气口8。这些进气口7和排气口8分别通过未图示的进气阀和排气阀开闭。在进气口7上设有喷射器9。喷射器9将之后被供给到主室5内的燃料f向进气口7内喷射。因此，喷射器9构成端口喷射用喷射器。
51.此外，喷射器可以是向气缸3内直接喷射燃料的直喷用喷射器，也可以是端口喷射用喷射器与直喷用喷射器的组合。只要能够喷射被供给到主室5内的燃料f，则可以是任意形态的喷射器。
52.以附图标记c表示气缸的中心轴即气缸轴。以下，只要没有特别说明，则将以气缸轴c为基准的轴向、半径方向以及周向简称为轴向、半径方向以及周向。
53.在气缸盖4的半径方向的中心部安装有火花塞10和包围火花塞10的副室管11。这些火花塞10和副室管11与气缸轴c同轴地配置，从气缸盖4向下方突出。如公知那样，火花塞10包括中心电极13、外侧电极14、以及存在于这些电极间的绝缘体15。
54.副室管11为沿轴向延伸的圆筒状，隔着半径方向的间隙包围火花塞10。副室管11比火花塞10更大地从气缸盖4突出。副室管11形成为直管状，具有一定的内径d1和外径d1。副室管11的下端面12与轴向垂直。副室管11的下端向主室5内开放。
55.另一方面，在活塞2的上表面6形成有能够供副室管11插入的副室孔17。副室孔17为沿轴向延伸的有底圆筒状，其上端开放，下端关闭。副室孔17具有一定的内径d2。该内径d2比副室管11的外径d1稍大。副室孔17的下端面即底面18与轴向垂直。
56.图2表示压缩上止点(tdc(top dead center))时的状态。在该状态下，副室管11插入到副室孔17，由二者形成副燃烧室即副室16。副室16也被称为前腔室，构成容积比主室5小的燃烧室。图2表示副室管11最大地插入到副室孔17，副室16的容积为最小时的状态。在副室管11插入时，在副室管11的下端面12与副室孔17的底面18之间形成有轴向的间隙(称为底部间隙)19，在副室管11的外周面20与副室孔17的内周面21之间形成有半径方向的间隙(称为周部间隙)22。
57.返回图1，在活塞2中的副室孔17的下方的位置设有活塞销孔23。众所周知，在活塞销孔23中插入活塞销(未图示)，活塞2与连杆(未图示)的小端部经由该活塞销而连结。
58.ecu100构成为对火花塞10的点火时期和喷射器9的喷射量及喷射时期进行控制。以下，说明这些控制方法。
59.首先，对与本实施方式不同的一般的火花点火式内燃机(称为比较例)的情况进行说明。在比较例中，未设置副室，火花塞被配置于主室内的中心部。而且，若使火花塞点火，则主室内的燃料与空气的混合气以点火位置为起点向半径方向外侧燃烧扩展。比较例也包
括端口喷射用喷射器，其喷射时期是进气冲程中或进气冲程之前。
60.图3表示曲柄角θ与缸内压p的关系。此处所说的缸内压是指主室内的压力。线a、b、c是比较例的情况，点火时期随着按照线a、b、c前进而提前。例如，线a的情况下的点火时期为压缩上止点前10
°
(btdc(before top dead center)10
°
)，线b的情况下的点火时期为压缩上止点前15
°
(btdc15
°
)，线c的情况下的点火时期为压缩上止点前20
°
(btdc20
°
)。
61.图中的plim在比较例和本实施方式的情况下表示不发生爆震的缸内压的最大值、即爆震极限。此外，比较例的引擎的压缩比为预先决定的一般的值(例如10.0)，将该压缩比称为基准压缩比。
62.如图所示，在比较例中，缸内压的极大峰即缸内压高峰(以pa、pb、pc表示)在压缩上止点之后的定时(例如atdc(after top dead center)15
°
附近)产生。并且，随着点火时期提前，缸内压高峰的缸内压的值(缸内压峰值)上升，逐渐接近爆震极限plim，另外缸内压高峰的产生定时逐渐提前。
63.但是，产生这样的缸内压高峰的压缩上止点之后的定时，是将缸内压转换为曲轴的扭矩时的机械效率未必良好的定时。
64.图4表示该缸内压高峰产生定时的活塞2、连杆25以及曲轴26的位置。缸内压p产生对于活塞2向下的力，该力通过连杆25传递到曲轴26，被转换为用于使曲轴26旋转的扭矩。但是，若为该定时，则连结曲轴中心和曲轴销中心的曲轴半径r与连杆中心轴cc所成的角度θ远大于90
°
，为180
°
附近。因此，计算施加于曲轴26的力的力矩时的力臂的长度r远短于曲轴半径r，即使施加较大的缸内压p，对曲轴26并未施加那么大的扭矩。因此，将缸内压转换为曲轴的扭矩时的机械效率(以下，简称为机械效率)未必良好。
65.如图3所示，即使使点火时期提前而使缸内压峰值上升，缸内压高峰产生定时也没有多少改变，反而逐渐提前，因此角度θ增大，力臂的长度r向缩短的方向变化。因此，扭矩相对于提前量的增加率并没有那么大，即使使点火时期提前，扭矩也不怎么变大，难以提高引擎的热效率。
66.因此，在本实施方式中，为了解决该技术课题，采用上述构成的引擎，进行以下这样的控制。
67.在图3中，线d表示本实施方式的情况。本实施方式的点火时期是副室管11插入到副室孔17并形成副室16的定时。具体而言，为压缩上止点附近，优选为与压缩上止点相等或在压缩上止点之后，但也可以是压缩上止点之前。无论哪一种情况，优选为与比较例相比更靠后的定时。
68.在图3中作为一个示例，示出与压缩上止点(tdc)相等的本实施方式的点火时期θig。在该点火时期θig之前，不发生缸内混合气的自点火。因此，在点火时期θig之前，与电机拖动时同样，缸内压上升。若在点火时期θig时进行点火，则缸内混合气点火、燃烧、缸内压逐渐上升。
69.如图2中星号所示，若在压缩上止点进行点火，则副室16内的混合气点火燃烧(将此称为副燃烧)。由此形成的火焰或火焰核通过底部间隙19和周部间隙22从整周呈放射状地向主室5内扩散，向主室5内传播并使主室5内的混合气燃烧。
70.点火后，活塞2如图5所示逐渐下降，与此同时副室16内的火焰如箭头a所示通过底部间隙19和周部间隙22向主室5内传播。随着活塞2的下降，底部间隙19逐渐变大，周部间隙
22的大小大致恒定。副室16内的火焰通过作为节流部发挥功能的周部间隙22而比较缓慢地向主室5内传播。如图6所示，在副室管11从副室孔17脱出而副室16被开放后，副室16内的火焰向主室5内直接传播。
71.像这样，在本实施方式中，能够延迟从副室16向主室5的火焰传播，能够延长点火时之后的燃烧角度(burn angle)。并且，如图3所示，能够在点火后使缸内压缓慢上升，延迟缸内压高峰产生定时，并且能够较长地维持较高的缸内压。
72.优选的是，控制点火时期θig，使得缸内压高峰pd产生的高峰时期θpd与机械效率成为最大的时期一致或为该时期的附近。
73.图7表示机械效率成为最大的时期(称为机械效率最大时期)的活塞2、连杆25以及曲轴26的位置。在该时期中，曲轴半径r与连杆中心轴cc所成的角度θ等于90
°
。因此，计算施加于曲轴26的力的力矩时的力臂的长度r与曲轴半径r相等，机械效率成为最大。因此，通过控制点火时期θig，使得在机械效率最大时期或其附近产生缸内压高峰pd，由此能够提高引擎的热效率。
74.像这样，ecu100控制点火时期θig，使得缸内压高峰pd在曲轴半径r与连杆中心轴cc所成的角度θ为90
°
或90
°
附近的定时产生。该定时例如是压缩上止点后10～80
°
的范围内的定时，更优选的是45～80
°
的范围内的定时。例如，在连杆比3.1的引擎中可以例示出压缩上止点后70
°
这一定时。
75.另一方面，关于燃料喷射控制，ecu100在火花塞10的点火前且副室管11插入到副室孔17前的时期，从喷射器9喷射燃料。由此，能够在副室16内形成混合气并使该混合气可靠地点火。此时，ecu100从喷射器9喷射主室5和副室16内的混合气在火花塞10的点火前不进行自点火的量的燃料。不进行自点火的量是指，例如在高压缩比(压缩比ε为15以上)且冷却效率差、而且具有在燃烧室内容易产生热点的形状的引擎中的高负荷运转时不进行自点火的量。
76.本实施方式的燃料喷射时期与比较例同样地，是进气冲程中或进气冲程之前(例如排气冲程中)的时期。此外，在喷射器为直喷用喷射器的情况下，能够将燃料喷射时期设为进气冲程中或压缩冲程中的时期。本实施方式的燃料喷射量能够设为比相当于理论空燃比的量更少的量。
77.此外，为了提高引擎的热效率，提高压缩比是有利的。但是，若过度地高压缩比化则有可能产生爆震。因此，在本实施方式中如上所述，将副室管11插入到副室孔17而形成副室16。由此，能够使副室16的压缩比与主室5的压缩比相比实质上降低，能够抑制由高压缩比化导致的爆震。
78.图8表示比较例的情况，图9和图10表示本实施方式的情况。在各附图中，状态a表示压缩下止点，状态c表示压缩上止点，状态b表示其中间定时的状态。
79.首先，在图8所示的比较例中，未设置副室管11和副室孔17。ya、yb、yc是从气缸盖4到活塞上表面6的距离。为ya＝10yc，yb＝5yc＝(1/2)ya。关于压缩比ε，为了方便，可以认为在状态a下ε＝1，在状态b下ε＝2，在状态c下ε＝10。
80.接着，说明图9所示的本实施方式的第一实施例。ya、yb、yc的关系与上述同样，为ya＝10yc，yb＝5yc＝(1/2)ya。另一方面，za、zb、zc是从气缸盖4到副室孔底面18的距离。为za＝15yc，zb＝10yc，zc＝6yc。另外，副室孔17的深度z为5yc。
81.考虑将主室5分为位于活塞上表面6的正上方的半径方向外侧的主室区域r1和位于副室孔底面18的正上方的半径方向内侧的副室区域r2。在状态a下，主室区域r1和副室区域r2的压缩比均为ε＝1。
82.在状态b下，副室管11的下端面12处于与活塞上表面6相同的高度位置，为副室管11正好开始插入副室孔17的定时。此时，主室区域r1和副室区域r2的压缩比也相等，为ε＝2。
83.此时之后，由于副室管11插入到副室孔17，因此副室16实质上从主室5分离。并且，两个室内分别被压缩。
84.在状态c下，主室区域r1即主室5的压缩比与比较例同样，为ε＝10。另一方面，副室区域r2即副室16由于实质上从状态b开始压缩，因此其压缩比为ε＝2
×
(zb/zc)＝3.33。因此，能够使副室16的压缩比与主室5的压缩比相比降低，能够抑制由高压缩比化导致的爆震。
85.此外，图9所示的第一实施例虽然能够使副室16的压缩比与主室5的压缩比相比较大地降低，但副室孔17的深度z变大，活塞2的长度l变长，因此在引擎封装方面存在不优选的情况。
86.因此，应对该问题的是图10所示的本实施方式的第二实施例。以下，对此进行说明。
87.与上述同样，为ya＝10yc。但是，关于yb，与第一实施例不同，为yb＝2yc＝(1/5)ya。另一方面，关于从气缸盖4到副室孔底面18的距离，为za＝12yc，zb＝4yc，zc＝3yc。副室孔17的深度z为2yc。
88.在这种情况下，在状态a下，主室区域r1和副室区域r2的压缩比均为ε＝1。
89.在图10的状态b下，与图9的状态b同样，为副室管11正好开始插入副室孔17的定时。此时，主室区域r1和副室区域r2的压缩比相等，为ε＝5。
90.在状态c下，主室5的压缩比与比较例同样，为ε＝10。另一方面，副室16的压缩比为ε＝5
×
(zb/zc)＝6.66。因此，能够使副室16的压缩比与主室5的压缩比相比降低，能够抑制由高压缩比化导致的爆震。
91.本实施例与图9所示的第一实施例相比，副室16的压缩比相对于主室5的压缩比的降低量较少，但能够使副室孔17的深度z减少且使活塞2的长度l减短。因此能够实现优选的引擎封装。
92.根据本实施方式，能够使副室16的压缩比与主室5的压缩比相比降低。这样，除了能够抑制爆震，还能够减少火花塞10中的点火能量(具体而言为施加于火花塞10的点火线圈次级电压)。这是因为低压缩比的气体密度低。另外，通过该点火能量减少，能够抑制副室16内的点火之后的火焰核生长速度。如果抑制火焰核生长速度，则随之能够使从副室16向主室5的火焰传播、以及在主室5内的火焰传播延迟。因此，有利于使缸内压高峰产生定时θpd接近机械效率最大时期。
93.另外，如图2和图5所示那样，点火后，活塞2下降，并且副室16内的火焰通过周部间隙22向主室5内传播。周部间隙22的大小被设为即使活塞2进行摆头运动副室孔17的内表面也不会与副室管11碰撞的最小的间隙。因此，副室16内的火焰通过周部间隙22向主室5内缓慢地传播，有利于使缸内压高峰产生定时θpd接近机械效率最大时期。
94.由于将副室管11的外径d1和副室孔17的内径d2设为一定，因此能够将点火后且活塞下降中的周部间隙22的大小大致恒定地保持为如上述那样的较小的值。因此，到副室管11从副室孔17拔出为止，能够将从副室16向主室5的火焰传播速度保持为低速。
95.此外，例如在图9中，在从状态b向状态c进行压缩时，由于存在通过周部间隙22的来自副室16的压缩泄漏，因此真正的压缩比不会成为上述那样。但是，由于实际的压缩以高速进行，因此如上述那样计算的压缩比在一定程度上是妥当的。
96.另外，即使本实施方式的缸内压峰值与比较例相比降低，也由于在本实施方式中在机械效率最大时期或其附近产生缸内压高峰pd，因此从产生的引擎扭矩、即引擎的热效率观点出发，与比较例相比能够提高。
97.此外，点火时期θig也可以未必是高峰时期θpd与机械效率最大时期或其附近一致的点火时期，也可以是高峰时期θpd成为比机械效率最大时期或其附近靠前的时期的点火时期。这样依然能够使高峰时期θpd与比较例相比更接近机械效率最大时期，有利于提高热效率。
98.像这样，根据本实施方式，能够提供一种有利于提高内燃机的热效率的引擎系统以及内燃机的控制方法。
99.以上，详细说明了本公开的实施方式，但本公开也可以有其他实施方式和变形例。
100.(1)例如，可以将副室管11和副室孔17的与轴向垂直的截面形状设为圆形以外，例如可以设为椭圆形或四边形等多边形。
101.(2)图8～图10的示例所示的压缩比的值只是一个示例。该值可以任意变更。
102.本公开的实施方式并不仅限于所述实施方式，由保护范围规定的本公开的思想中包含的所有变形例及应用例、等同物包含在本公开中。因此，本公开不应该被限定地解释，也能够应用于属于本公开的思想的范围内的其他任意技术。
103.本技术基于2020年8月11日申请的日本国专利申请(特愿2020-135842)，并将其内容作为参考援引至此。
104.工业可利用性
105.本公开的引擎系统以及内燃机的控制方法有利于提高内燃机的热效率。
106.附图标记说明
107.1内燃机(引擎)
108.2 活塞
109.3 气缸
110.4 气缸盖
111.5 主室
112.9 喷射器
113.10 火花塞
114.11 副室管
115.17 副室孔
116.100电子控制单元(ecu)

技术特征：
1.一种引擎系统，其是具备内燃机和控制单元的引擎系统，所述内燃机包括：主室，其由活塞、气缸以及气缸盖界定而成；火花塞，其被安装于所述气缸盖；副室管，其包围所述火花塞并且从所述气缸盖向下方突出；副室孔，其形成于所述活塞并能够供所述副室管插入；以及喷射器，其喷射向所述主室内供给的燃料，所述控制单元构成为对所述火花塞的点火时期和所述喷射器的喷射量及喷射时期进行控制，所述控制单元在所述副室管插入到所述副室孔时，使所述火花塞点火，所述控制单元在所述火花塞的点火前且所述副室管插入到所述副室孔前的时期，使燃料从所述喷射器喷射。2.如权利要求1所述的引擎系统，所述控制单元控制所述点火时期，使得在所述火花塞的点火后产生的缸内压高峰在曲轴半径与连杆中心轴所成的角度为90
°
或90
°
附近的定时产生。3.如权利要求2所述的引擎系统，产生缸内压高峰的所述定时是压缩上止点后10～80
°
的范围内的定时。4.如权利要求1至3的任意一项所述的引擎系统，所述副室管具有一定的外径，所述副室孔具有比所述副室管的外径大的一定的内径。5.一种内燃机的控制方法，所述内燃机包括：主室，其由活塞、气缸以及气缸盖界定而成；火花塞，其被安装于所述气缸盖；副室管，其包围所述火花塞并且从所述气缸盖向下方突出；以及副室孔，其形成于所述活塞并能够供所述副室管插入；以及喷射器，其喷射向所述主室内供给的燃料，所述内燃机的控制方法包括：在所述火花塞的点火前且所述副室管插入到所述副室孔前的时期，使燃料从所述喷射器喷射的第一步骤；以及在所述副室管插入到所述副室孔时，使所述火花塞点火的第二步骤。

技术总结
引擎系统(S)具备内燃机(1)和控制单元(100)。内燃机包括：主室(5)，其由活塞(2)、气缸(3)以及气缸盖(4)界定而成；火花塞(10)，其被安装于气缸盖；副室管(11)，其包围火花塞并且从气缸盖向下方突出；副室孔(17)，其形成于活塞并能够供副室管插入；以及喷射器(9)，其喷射被供给到主室内的燃料。控制单元在副室管插入到副室孔时使火花塞点火，在火花塞的点火前且副室管插入到副室孔前的时期，从喷射器喷射燃料。料。料。


技术研发人员：德永素久
受保护的技术使用者：五十铃自动车株式会社
技术研发日：2021.10.06
技术公布日：2023/7/6