发动机控制系统
技术领域
本公开涉及根据燃料气体的组成来控制发动机的发动机控制系统。本申请主张基于在2017年9月6日提出的日本专利申请第2017-171003号的优先权的利益，其内容引用于本申请。
背景技术
一直以来，使作为气体燃料的燃料气体燃烧的发动机普及。在这样的发动机中，有必要抑制燃料气体的异常燃烧所导致的爆震。例如，在专利文献1中，公开了如下的技术：分析燃料气体的组成，基于燃料气体的组成和发动机的负荷而判定爆震发生的可能性的有无。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-121201号公报。
发明内容
发明要解决的课题
在上述的专利文献1所记载的发动机中，例如对于发动机的运转条件，即使直至爆震发生而存在足够的余量，也仅仅只判定为不存在发生爆震的可能性。
本公开鉴于这样的课题，其目的在于，提供能够掌握直至爆震的程度同时抑制爆震的发动机控制系统。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本公开的发动机控制系统具备：延迟推断部，其基于包括燃料气体的组成的第一参数而推断自燃延迟；自燃预测部，其基于自燃延迟而预测自燃时机；完成预测部，其预测燃料气体的燃烧完成时机；以及控制部，其基于自燃时机与燃烧完成时机的比较结果而控制发动机。
也可以是，延迟推断部对于从开始喷射燃料直到自燃的期间的多个时间点推断自燃延迟，自燃预测部将自燃延迟的倒数的累计值成为1以上的时间点预测为自燃时机。
也可以是，还具备作为第一参数而取得筒内压力、筒内温度的筒内变量取得部，延迟推断部推断与多个时间点下的筒内压力、筒内温度相应的自燃延迟。
也可以是，筒内变量取得部基于包括燃料气体的组成的第二参数而推断筒内压力、筒内温度。
也可以是，完成预测部基于燃料气体的燃烧速度和筒内压力的一个、以及燃料气体的喷射量而预测燃烧完成时机。
也可以是，控制部变更吸气温度、吸气压力、燃料气体的喷射量、燃料喷射时机、压缩比的至少一个。
发明的效果
依据本公开，能够掌握直至爆震的程度，同时抑制爆震。
附图说明
图1是示出燃气发动机(发动机)的概略构成的图。
图2是发动机控制系统的功能框图。
图3是示出筒内压力的变化的一个示例的图。
图4A是示出燃料气体的燃烧所导致的发热量的一个示例的图。
图4B是示出燃料气体的燃烧所导致的发热量的累计值的一个示例的图。
图5是用于说明运转控制部的处理的图。
图6是示出发动机控制处理的流程的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，同时对本公开的一个实施方式详细地说明。实施方式所示出的尺寸、材料、其它具体数值等只不过是用于使理解变得容易的例示，除了特别阐明的情况以外，都不限定本公开。此外，在本说明书和附图中，通过对实质上具有相同的功能、构成的要素标记相同符号，从而省略重复说明。另外，与本公开无直接关系的要素省略图示。
图1是示出燃气发动机100(发动机)的概略构成的图。在图1中，在同一截面上图示吸气口104a、排气口104b以及燃料喷射喷嘴116。但是，吸气口104a、排气口104b以及燃料喷射喷嘴116也可以不位于同一截面上。
如图1所示，燃气发动机100具备气缸102、气缸头104以及活塞106。活塞106容纳于气缸102内。由气缸102、气缸头104以及活塞106形成燃烧室108。
在气缸头104，形成有吸气口104a和排气口104b。吸气口104a和排气口104b开口于燃烧室108。吸气阀110a将吸气口104a中的燃烧室108侧的开口开闭。排气阀110b将排气口104b中的燃烧室108侧的开口开闭。
吸气配管112a连接至吸气口104a。吸气被引导至吸气配管112a。吸气经由吸气配管112a和吸气口104a流入至燃烧室108。排气配管112b连接至排气口104b。从燃烧室108排出至排气口104b的排出气体经由排气配管112b排出至外部。
燃料气体配管114连接至未图示的燃料罐和燃料喷射喷嘴116。在燃料气体配管114，配有后述的气体组成传感器210。燃料喷射喷嘴116设于气缸头104。燃料喷射喷嘴116的顶端部突出至燃烧室108。燃料喷射喷嘴116通过燃料阀116a而开闭。燃料气体配管114经由燃料喷射喷嘴116与燃烧室108连通。燃料气体从燃料罐被引导至燃料气体配管114，如果燃料喷射喷嘴116通过燃料阀116a而打开，则燃料气体被喷射至燃烧室108。
在此，燃料气体为例如将LNG(液化天然气)气化而生成的气体。燃料气体不限于LNG，也能够适用例如将LPG(液化石油气)、轻油、重油等气化的气体。
燃气发动机100是例如四冲程发动机。在吸气行程中，吸气阀110a开阀，排气阀110b闭阀。活塞106移向下止点。吸气从吸气口104a流入至燃烧室108。在压缩行程中，吸气阀110a和排气阀110b闭阀。活塞106移向上止点，混合气体被压缩。燃料从燃料喷射喷嘴116喷射至燃烧室108。在燃烧行程中，燃料气体(混合气体)自燃。混合气体燃烧，活塞106向下止点侧被按压。在排气行程中，吸气阀110a闭阀，排气阀110b开阀。活塞106移向上止点。燃烧后的排出气体通过排气口104b从燃烧室108排出。
图2是发动机控制系统200的功能框图。如图2所示，发动机控制系统200具备气体组成传感器210、发动机控制装置220。
气体组成传感器210由例如基于气相色谱(gas chromatography)、红外分光传感器和氢传感器的复合传感器模块等构成，测定流通于燃料气体配管114的燃料气体的组成。气体组成传感器210的测定结果以例如一小时一次左右的频率输出。燃料气体的组成作为例如各成分的含有比率而示出。
发动机控制装置220由例如ECU(Engine Control Unit)构成。发动机控制装置220由中央处理装置(CPU)、储存有程序等的ROM、作为工作区的RAM等构成，控制燃气发动机100整体。另外，发动机控制装置220作为筒内变量取得部230、延迟推断部232、自燃预测部234、完成预测部236、运转控制部238而起作用。
筒内变量取得部230取得气缸102内部的压力(筒内压力)和气缸102内部的温度(筒内温度)。具体而言，筒内变量取得部230基于筒内取得用参数(第二参数)而导出筒内压力和筒内温度。在筒内取得用参数中，包括燃气发动机100的运转条件(吸气温度、吸气压力、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)、燃料喷射时机、压缩比)和燃料气体的组成。但是，作为筒内取得用参数，至少包括燃料气体的组成即可。在此，吸气温度、吸气压力也可以是例如温度传感器或压力传感器的实测值。吸气温度、吸气压力也可以是例如基于压缩吸气的增压器(压缩机)或冷却吸气的冷却器的工作状态而推断的推断值。
在发动机控制装置220中，预先存储有燃烧速度的响应曲面。燃烧速度的响应曲面使燃料气体的燃烧速度与包括筒内压力、筒内温度、燃料气体的组成、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)的多个参数相关联。对于燃料气体的组成，例如预先登记各成分的含有比率的组合的图案，基于所测定的燃料气体的组成而特别指定最接近的图案。
燃烧速度的响应曲面例如也可以是多个映射形式，也可以是函数模型。筒内变量取得部230通过燃烧速度的响应曲面和筒内取得用参数而导出(推断)燃料气体的燃烧速度。然后，筒内变量取得部230基于燃料气体的燃烧速度和燃气发动机100的运转条件而导出筒内压力和筒内温度。
图3是示出筒内压力的变化的一个示例的图。筒内变量取得部230例如在既定期间导出多个时间点的筒内压力和筒内温度。在此，既定期间是例如从吸气阀110a和排气阀110b闭阀后直至超过上止点(TDC)而排气阀110b打开的期间。多个时间点的间隔是例如按曲轴转角为0.1度等。压缩前的筒内压力和筒内温度的初始值分别设定上述的吸气压力、吸气温度。压缩后的筒内压力和筒内温度使用所设定的压缩比来导出。另外，通过包括所导出的着火时的筒内压力和筒内温度的筒内取得用参数、以及燃烧速度的响应曲面，导出燃烧速度。接着，通过所导出的燃烧速度而导出直到着火时的下一个时间点为止燃烧的燃料的燃烧量，从燃烧量导出着火时的下一个时间点的筒内压力。从所导出的筒内压力或燃烧量(发热量)导出筒内温度。通过包括所导出的筒内压力和筒内温度的筒内取得用参数、以及燃烧速度的响应曲面，导出着火时的下一个时间点的燃烧速度。这样，如果赋予初始值，则能够依次导出随后的筒内压力、筒内温度、燃烧速度。这样，筒内变量取得部230导出与曲轴转角相应的筒内压力和筒内温度的推移(筒内压力经历、筒内温度经历)。
延迟推断部232基于延迟参数(第一参数)而推断自燃延迟。在延迟参数中，包括筒内压力、筒内温度、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)以及燃料气体的组成。自燃延迟是从开始喷射燃料直到自燃的时间。
在发动机控制装置220中，预先存储有自燃延迟的响应曲面。自燃延迟的响应曲面使自燃延迟与包括筒内压力、筒内温度、燃料气体的组成、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)的多个参数相关联。对于燃料气体的组成，如上所述，例如预先登记各成分的含有比率的组合的图案，基于所测定的燃料气体的组成而特别指定最接近的图案。
自燃延迟的响应曲面例如也可以是多个映射形式，也可以是函数模型。延迟推断部232通过自燃延迟的响应曲面和延迟参数而导出(推断)自燃延迟。如上所述，通过筒内变量取得部230导出与曲轴转角相应的筒内压力和筒内温度的推移。延迟推断部232对于多个时间点(曲轴转角)，使用该时间点下的筒内压力和筒内温度来导出自燃延迟。
自燃预测部234按时间序列依次累计延迟推断部232所导出的自燃延迟的倒数。自燃预测部234将该累计值成为1以上的时间点作为自燃时机而预测。这样的自燃延迟的倒数的累计所导致的自燃时机的预测计算被称为Livengood-Wu积分，以下述的算式1表示。
[数1]
在算式1中，时间是变量t，自燃时机是变量te，自燃延迟是变量τ，筒内压力是变量P，筒内温度是变量T。通过进行积分，直到积分值成为1，从而导出(预测)自燃时机(变量te)。
完成预测部236预测供给至燃烧室108的燃料气体燃烧完的、燃料气体的燃烧完成时机。具体而言，完成预测部236基于燃料气体的燃烧速度和燃料气体的喷射量而预测燃烧完成时机。
完成预测部236基于燃料气体的喷射量和筒内压力而推断燃料气体和吸气的混合气体的燃烧室108内的分布(体积)。完成预测部236基于燃料气体的燃烧速度而推断燃烧部分遍及混合气体整体的时刻，将此作为燃料气体的燃烧完成时机。
另外，完成预测部236也可以基于筒内压力和燃料气体的喷射量而预测燃烧完成时机。
图4A是示出燃料气体的燃烧所导致的发热量的一个示例的图。图4B是示出燃料气体的燃烧所导致的发热量的累计值的一个示例的图。如图4A所示，如果燃料气体燃烧，则伴随着燃烧而发热。该发热量能够基于气缸102内部的气体的能量收支而推断。完成预测部236基于筒内压力或筒内温度而导出每小时的伴随着燃料气体的燃烧的发热量。
如图4B所示，完成预测部236累计每小时的伴随着燃料气体的燃烧的发热量(累计发热量)。完成预测部236将累计发热量超过阈值的时间点作为燃烧完成时机。在此，阈值被设定成所喷射的燃料气体全部燃烧而产生的发热量的总量的95%等。
这样，完成预测部236也可以基于筒内压力和燃料气体的喷射量而预测燃烧完成时机。
运转控制部238比较由自燃预测部234预测的自燃时机和由完成预测部236预测的燃烧完成时机。运转控制部238基于该比较结果而控制燃气发动机100。运转控制部238变更燃气发动机100的运转条件。
运转控制部238例如作为运转条件而变更上述的吸气温度、吸气压力、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)、燃料喷射时机、压缩比。具体而言，运转控制部238也可以控制冷却器而变更吸气温度。运转控制部238也可以控制增压器(压缩机)而变更吸气压力。运转控制部238也可以变更燃料阀116a的开闭时机而变更燃料气体的喷射量或燃料喷射时机，或变更点火时机。另外，运转控制部238也可以通过可变阀机构而变更吸气阀110a、排气阀110b的开闭时机。
在自燃时机为燃烧完成时机以后的情况下，推断为爆震不发生。在自燃时机为燃烧完成时机以前的情况下，推断为爆震发生。
另外，如果自燃时机为燃烧完成时机以后，自燃时机与燃烧完成时机的时间差大，则推断为直至爆震发生而存在余量。相反，如果自燃时机与燃烧完成时机的时间差小，则推断为直至爆震发生而不存在余量。运转控制部238根据自燃时机与燃烧完成时机的时间差，在爆震不发生的范围内，将运转条件向燃气发动机100的效率提高的方向变更。
例如，自燃时机为燃烧完成时机以前，自燃时机与燃烧完成时机的时间差大。在此情况下，如果未使运转条件大大地(向爆震难以发生的方向)缓和，则推断为不能避免爆震。相反，自燃时机与燃烧完成时机的时间差小。在此情况下，即使未使运转条件以那样的程度(向爆震难以发生的方向)缓和，也推断为能够避免爆震。运转控制部238根据自燃时机与燃烧完成时机的时间差，抑制燃气发动机100的效率的下降幅度，同时将运转条件向爆震难以发生的方向变更。
图5是用于说明运转控制部238的处理的图。如果自燃时机为燃烧完成时机以后，则运转控制部238进行效率提高控制。如果自燃时机为燃烧完成时机以前，则运转控制部238进行爆震抑制控制。
这样，在发动机控制系统200中，直到爆震发生的运转条件为止的余量程度作为自燃时机与燃烧完成时机的时间差而被导出。根据该时间差来控制运转条件。因此，无论是否存在燃气发动机100的效率提高的余地，都避免未进行运转条件的变更这一事态。能够掌握直至爆震的程度，同时抑制爆震。
图6是示出发动机控制处理的流程的流程图。图6所示的处理隔开既定的间隔(时间间隔)而重复执行。
(步骤300)
筒内变量取得部230和延迟推断部232取得气体组成传感器210最后测定的(最新的)燃料气体的组成的测定结果。
(步骤302)
筒内变量取得部230基于筒内取得用参数(燃气发动机100的运转条件(吸气温度、吸气压力、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)、燃料喷射时机、压缩比)以及燃料气体的组成)而导出筒内压力和筒内温度。
(步骤304)
延迟推断部232基于延迟参数(筒内压力、筒内温度、燃料气体的喷射量(混合气体浓度)以及燃料气体的组成)而推断自燃延迟。
(步骤306)
自燃预测部234按时间序列依次进行累计延迟推断部232所导出的自燃延迟的倒数，将累计值成为1以上的时间点作为自燃时机而预测。
(步骤308)
完成预测部236基于燃料气体的燃烧速度和筒内压力的一个、以及燃料气体的喷射量而预测燃烧完成时机。
(步骤310)
运转控制部238比较由自燃预测部234预测的自燃时机和由完成预测部236预测的燃烧完成时机。运转控制部238判定自燃时机是否比燃烧完成时机更早。在自燃时机比燃烧完成时机更早的情况下，使处理转移至步骤312，在自燃时机为燃烧完成时机以后的情况下，使处理转移至步骤314。
(步骤312)
运转控制部238实行爆震抑制控制，结束该发动机控制处理。
(步骤314)
运转控制部238实行效率提高控制，结束该发动机控制处理。
以上，参照附图同时对一个实施方式进行了说明，但本公开当然不限定于所涉及的实施方式。只要是本领域技术人员，就了解到，显然能在权利要求书所记载的范畴内想到各种变更例或修正例，关于它们，当然也属于技术范围。
例如，在上述的实施方式中，对燃气发动机100为四冲程发动机的情况进行了说明。但是，燃气发动机100也可以是二冲程发动机。例如，燃气发动机100也可以是单流扫气式二冲程发动机。
另外，在上述的实施方式中，对筒内变量取得部230通过计算而导出(取得)筒内压力和筒内温度的情况进行了说明。在此情况下，在一个循环中，能够在爆震发生之前预测爆震。但是，也可以在气缸102设置压力传感器和温度传感器。在此情况下，筒内变量取得部230作为筒内压力和筒内温度而取得分别从压力传感器和温度传感器取得的输出值。在该构成中，例如能够使用前一个循环的值来预测对象的循环中的爆震。另外，能够将实测的筒内压力成为峰值的时间点作为燃烧完成时机。
产业上的可利用性
本公开能够利用于根据燃料气体的组成而控制发动机的发动机控制系统。
符号说明
100：燃气发动机(发动机)
200：发动机控制系统
230：筒内变量取得部
232：延迟推断部
234：自燃预测部
236：完成预测部
238：运转控制部(控制部)。
