CN1003087B - 内燃机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种内燃机控制系统，其中喷油量根据加速器踏板的下压量确定，进气量根据喷油量决定。喷油量和进气量的变化由加速器踏板的下压量变化率来校正。

Description

内燃机的控制系统

本发明涉及特别适用于汽车的内燃机的控制系统。

人们都希望汽车发动机能满足降低燃油消耗率和提高加速性能这两个要求。

作为满足这些要求的一个方法，在先有技术中已有了一个向内燃机供应稀混合气的系统，该系统是在第59-224499（1984）号日本公告专利中提出的。但是，这个方法伴随的一个问题是因混合气稀薄而不能达到足够的加速性能。

在另一方面为了克服加速性能差这一缺点，可准备浓混合气并在加速期间供给发动机，这一方法是有效的，但这会导致又一个问题的产生;即当混合气由浓变稀或由稀变浓时，发动机扭矩会突然变化，使驱动性能变差。

不难想象，为消除扭矩的这种突然变化，可以使混合气的浓度逐渐变化。但是在稀混合气区和浓混合气区之间存在这样一个区域（空燃比在15至18之间），在这一区域中氧化氮（NOx）产生的量最大，这对减小发动机气中的有害成份将有不利的影响。

因此，本发明的目的是提供一种内燃机控制系统，这种系统不影响发动机排气中有害成份的减少却能确保足够的加速性能。

本发明的特征在于，根据加速器踏板的下压量，控制一个节气门驱动器的工作，使发动机的扭矩适应性增强。

图1，是根据本发明的一个实施例而做出的控制系统的总体结构示意图。

图2，是节气门驱动器的详细结构示意图。

图3，是用来解释本发明的一个实施例的基本控制原理的方框图。

图4，所示的方框图表示了在这个实施例的控制系统中使用的控制单元的详细结构的一个例子。

图5，是系统地表示控制主要路径的方框图。

图6和图7，中的示意图表示从实际加速器踏板位置信号获得经校正的加速器踏板位置的关系。

图8是图5的控制路径中步骤170的详细流程图。

图9表示了经校正的加速器踏板位置信号与燃油注入量Ti之间的关系。

图10表示了发动机冷却水温和其校正系数K_TW之间的关系。

图11是一张表，显示了由空燃比传感器得到的校正系数Kα。

图12中的表表示了根据发动机的工作条件设定空燃比的校正系数K_MR。

图13表示了在节气门上游的空气温度与校正系数K_A之关系。

图14表示了以比率Ti×K_A/K_MR和发动机的转数确定节气门开度大小的关系图。

图15表示了从燃油注入量和发动机转数确定点火时间BTDC的关系图。

图16是图5的控制路径中步骤280的详细流程图。

图17中的流程图表示了图16所示的步骤280的一种改进方案。

图18是在为提高空气流率的测量精度而使用吸气压力传感器时，加在图5所示的主控制路径上的控制流程图。

图19是节气门开度的校正系数K_θ的表。

图20中的流程图是在使用气流传感器代替吸气压力传感器以提高测量精度时对图18所示的流程图的一种改进。

图21和22是用来说明本发明与先有技术的例子相比的效果的示意图。

图1是表示本发明的一个实施例的总体结构的示意图。图中画出了多缸发动机中的一个气缸的一部分。活塞102在气缸101中的往复运动被转换成曲轴103的转动，并作为驱动功率输出。

进气阀104和排气阀105根据活塞102的运动打开或者闭合。在进气阀104打开的同时，燃油被喷油阀或称喷油嘴109喷入进气管107中。这样喷入的燃油和吸入的空气进行混合，充满了气缸的内部（即燃烧室108）并被活塞102压缩。接着，火花塞106将混合气点燃。当排气阀105打开时，排出的气体被挤入排气管110中。排气管的集气部分上装有一个空/燃（A/F）比检测器124，该检测器根据排气中剩余的含氧浓度来检测吸入发动机的混合气的空/燃比。

另一方面，沿空气滤清器121下游方向上装有：检测吸入空气温度的吸入空气温度传感器120（可以是一个热电偶或者是一个电阻泡）、检测吸入气体流率的气流传感器119和检测节气门116开度的开度传感器118。还装有：检测加速器踏板位置的加速器踏板位置检测器113、检测发动机冷却水或气缸壁的温度的水温传感器123和检测曲轴103的角度的曲轴角度传感器111。

这些传感器检测到的所有信号均被输入控制单元112中，并在其中得到处理，控制单元112内部有一计算机，能产生喷油咀打开信号，点火时间信号及节气门开度信号，并把这些信号分别送给喷油咀109，火花塞106和节气门驱动器114。

气缸吸入的空气量Qa，不但可以通过前面说过的气流传感器119的输出信号计算出来，而且也可以通过设置在进气管107中间的压力传感器119的输出信号以及发动机的转数（即曲轴角度传感器111的输出信号）计算出来。

另一方面，在进气管107的进气阀104附近的进气管内壁上埋有一个嵌入式加热电阻132，这个电阻132的发热量由外部控制。送入该加热电阻132的电流由加热驱动器131控制。加热驱动器131与控制单元112相连，控制单元112根据上面描述的传感器的各个输出信号控制加热驱动器131，使送入它的电流在发动机起动时很大，而在发动机预热之后就逐渐地减小。参考数字122表示电池。

燃油从油箱125中通过滤网126，油泵127，调节器128和油管129送到喷油咀109，燃油的压力被控制在一个预定值上。

图2的示意图表示了节气门驱动器114的详细结构。控制单元112通过算术运算（这将在下面描述）决定必要的节气门开度，步进电机驱动器142根据上面决定的节气门开度，产生决定步进电机143的旋转方向、角度和速度的信号。步进电机143作响应于上述信号的转动，并通过减速齿轮144把节气门116转到预定的开度上。

电位器145被用来测量节气门116的实际开度，并且还被用来构成一闭环控制回路，以实现由控制单元112确定的开度。具体地说就是把当送入步进电机143中的电流为零（即节气门116完全闭合）时的电位器145上的电压电平送入控制单元112中，然后用这个电压电平作为基准测量节气门的开度。这样，电阻值的偏差和个别电位器的调整都可以由控制单元112校准过来。

此外，由于步进电机143象下面将要描述的那样是一个收到一个脉冲转一步的电机，因此，如把从送入步进电机143的电流为零电平时起馈入步进电机143中的脉冲数累计起来，那么不用电位器145也能确定节气门开度。

此外虽然图中未画出，节门气上还应装有回拉簧把节门气116向闭合方向拉紧，这样一旦工作异常、送入步进电机143中的电流中断，回拉簧的拉力也会使节气门闭合。

下面将参考图3所示的方块图来描述控制系统的概念。控制单元112根据加速器踏板位置信号θ_A，及该信号对时间的变化率信号dθ_A/dt发动机转数信号N和变速器位置信号S决定喷油咀109的打开时间Ti，并把这个信号设置在输出电路117中，打开时间Ti是由下列公式确定的：

Ti＝f（θ_A，dθ_A/dt，N，S）

这个打开时间Ti由空燃比传感器124的输出信号（由Kα表示）进行反馈控制。

另一方面，节气门开度θ_T由控制单元112根据喷油咀109的打开时间Ti，发动机转数N和空气温度信号T_A来确定并设定在输出电路133中。

节气门开度由下列公式确定：

θ_T＝f（Ti，N，Ta）

节气门开度θ_T由来自电位器145的信号（这个反馈信号表示为K_θ）进行反馈控制。

下面将参照图4描述控制系统的一个典型的详细结构。

通过一条总线和微处理机（cpu）134相连接的有定时器135、中断控制器136、转数计数器137、数字输入端138、模拟输入端139、RAM140、ROM141、输出电路117和133。由空燃比传感器124和加速器踏板位置传感器113来的信号被送入模拟输入端139中。一旦需要的话，由气流表119、水温传感器123和节气门开度传感器118来的信号也可以引入模拟输入端139中。

输入数字数入端138的有从变速器位置传感器151来的信号。如果点火开关IG已闭合，电能从电池122加到控制单元112上。顺便提一句，RAM140的电源总是接通。

闭合点火开关IG后，就执行事先存贮在ROM141中的一个程序，图5所示的控制主程序即被启动。控制单元112的主要输出信号有喷油咀打开时间信号，点火时间信号，节气门开度信号，等等。

下面将参照图6至图20描述图5中的主程序内容。一旦主程序启动，即进行初始化。然后在步骤160中，读取加速器踏板位置θ_A，变速器位置S和发动机转数N。在步骤170中，作为确定燃油基本注入量Ti的预先处理，通过校正关系预先以θ_A为基础得到经校正的加速器踏板位置 ${\theta }_{c_2}$ 。

当驾驶者希望使车辆更快地加速或减速时，他会快速地踏下或放开加速器踏板。加速器踏板位置信号θ_A被读入控制单元112中，在控制单元中将得到该信号对一预定时间（如40至60ms）的变化率Δθ_A（即dθ_A/dt）。根据变化率Δθ_A的绝对值｜Δθ_A｜以图6中所示的曲线MOD1，MOD2，MOD3中选择一根。例如：

θ≤｜Δθ_A｜≤θ₁时选MOD1，

θ₁＜｜Δθ_A｜≤θ₂时选MOD2，

θ₂＜Δθ_A时选MOD3。

其中C₁和C₂是根据所需的驾驶类型（如运动型或经济型）任意设定的常数。另外，运动型驾驶时所选的C₁和C₂要小于经济型驾驶时所选的常数。

因此，对实际加速器踏板位置θ_A按三根曲线中选出的那根进行校正即可得到一次校正加速器踏板位置 ${\theta }_{c_1}$ ，根据变速齿轮位置S使用图7即可将一次校正位置θ〈＆＆〉转换成二次校正位置θc₂。

燃油的增加率相对于加速器踏板的压下量应根据变速机构位置有所变化，这样才能使车辆速度的变化量（或称加速度）相对于加速器踏板的压下量变速机构从低到高的传速齿轮位置上基本相等。具体地说，假如变速机构在第4档上，那么传送至车轮上的扭矩小于1档时的扭矩，这样加速度就会下降。因此，在4档时，燃油的增加率相对于加速器踏板位置而言应增大。

图8中示出了上面描述的170中的详细步骤。具体地说，在图8中，步骤300计算加速器踏板位置的变化率。步骤301和303判断上述变化率位于MOD1、MOD2和MOD3三种模式中的哪个模式内。步骤302、304和305分别根据MOD1至MOD3的每一种进行校正，得到一次校正加速器位置θc₁。接下来，在步骤306，308和310中，判断挡位。步骤307，309，311和312的校正得到二次校正加速器踏板位置Oc₂。

根据图8的这种处理，加速器踏板位置根据MOD1至MOD3（它们因加速器踏板的变化率不同而不同）得到校正，从而使得不管传动齿轮位置如何加速度总能改善。

再看一下图5，燃油基本注入量Ti在步骤180中得到校正。应用图9以二次校正加速器踏板位置θc₂为基础对一个进气冲程中注入的油量Ti进行校正，接着在步骤190中，一个校正系数可以从图10所示的冷却水温和校正系数特性之间的关系得到补偿。

下面将描述步骤200中及其以后对空燃比传感器124的输出所作的校正。

在步骤200中，空燃比信号V从装在排气管110中的空燃比传感器124中读出，然后，在步骤210中，根据运行状态选择事先决定的空燃比基准V_R。步骤220中设定的空燃比基准V_R与空燃比信号V相比较。接下来，在步骤230中，一个校正系数Kα根据上面描述过的一个公式计算出来，这个校正系数Kα在步骤240中被存入RAM140中，这里的Kα是用于积分控制的一个系数。

顺便提一句，RAM140中有一张以发动机转数N和燃油基本注入量Ti分别为横坐标和纵坐标的系数Kα表，每次在步骤230中得到Kα的一个新值这张表就被刷新。结果，表中的内容通过学习作用就变得非常合适了，这样刷新后的表中的内容即使发动机钥匙开关IG关断也不会消除，这是因为RAM140总是接有电源的。

接下来，校正系数Kα在步骤250中以图11表中的燃油基本注入量Ti和发动机转数N得到校正。燃油注入量Tinj由下列公式得到：

Tinj＝Ti×COEFF×Kα

其中“COEFF”是单个或结合起来使用的下列系数：

K_AS：起动后的燃油增加系数，

K_AT;怠速后的燃油增加系数，

T_ADD;加速度增加系数，

K_DEC：减速度校正系数。

在步骤260中，空燃比校正系数K_MR得到校正。图12是校正系数K_MR的一张表，用于在发动机的各种运动状态下设置最佳的空燃比。

燃油基本注入量Ti高的区域对应着所谓的“功率区域”，在这些区域中加速器踏板的下压量大，提供的混合气浓，功率输出就大。在高速区域中，制备的混合气比较浓，以防止发动机热卡死。另一方面，在其他运行区域（即在部分负荷区域），制备的混合气比较稀，以减小燃油消耗率。使用上面设定的表就能从燃油基本注入量Ti及发动机转数N对校正系数K_MR进行校正。

步骤270中，读取设置在节气门116上游的吸入空气温度传感器120的信号，并应用图13所示的关系对校正系数K_A进行修正，Ti×K_A/K_MR的值也在这一步算出。

在步骤280中，节气门116的开度和点火时间得到校正。首先使用图14所示关系根据Ti×K_A/K_MR的值和发动机转数N校正节气门开度Q_T。图14中的关系是这样设置的，以致于发动机的每个进气冲程的吸气量θa/N满足下列等式（2）：

Qa/N＝Kq×Ti/K_MR

这里的Kq为一常数。

另一方面，在发动机的进气冲程期间燃油的注入量Qf/N可由下列等式（3）来表达：

Qf/N＝K₁₀×Tinj （3）

这里的K₁₀为一常数。

结果，设定的空燃（A/F）比可以由等式（2）和（3）表达为等式（4）：

（A/F）_A＝K₁₁×Ti/（K_MR×Tinj） （4）

顺便提一句，空燃比在15至18之间时，排出的有害成份NOx的浓度上升到很高的值，这在本技术领域内是众所周知的。因此，为了降低NOx的排出，设定的空燃比必须避开15至18这一区域。

图16示出了步骤280的细节。设定的空燃（A/F）_A在步骤400中通过使用公式（4）而被计算出来。当（A/F）_A在15至18的范围之内，也就是说步骤401判定15＜（A/F）_A＜18时，NOx的排出会增加，这在上面也说过。在步骤405和406中，使用公式（4）检测（A/F）_A＝15或（A/F）_A＝18时K_MR的值以制备浓混合物。具体地说就是减小空气量并使燃油量保持不变，从而避开了NOx排出浓度高的空燃比。

接下来，根据图14所示的关系应用新近校正好的K_MR从Ti×K_A/K_MR的值和发动机转数N就可得到一个新的节气门开度θ_T。这样，NOx的排出被减少了。

回到图5中来，在步骤290中，把得到的节气门116的开度信号θ_T送给节气门驱动器114。电位器145检测设定的节气门开度θ_T与当时的节气门开度之间的差值Δθ_T，这个差值用来控制节气门116。顺便插一句，如果把步进电机143用作节气门驱动器114，那么送入步进电机143的脉冲数应与差值ΔO_T相应。此外，如果需要以更高的精度确定节气门开度，那么可以用电位器145测量实际节气门开度以进行闭环控制。这样就可使得实际节气门开度就是设定的节气门开度θ_T。

从发动机转数N和燃油基本注入量Ti之间的关系（这个关系是以点火时间BTDC作为参数来表示的）进行内插运算，即可得到点火时间。

顺便提一下，上面提到的图6至10和图12至15中的所有表及关系都预先存贮在控制单元112的ROM141中。

在先有技术的稀混合气燃烧系统中，加速器和节气门通过连杆或其它类似零件机械联结在一起，所以随着下压量θ_A的增加节气门的开度也增大，使进气量也单调地增加，如图22c所示。另一方面，在加速器踏板的压下量O_A将近达最大时，所要求的输出功率很高，要达到这样只有使混合气变浓。结果，空燃比对加速器踏板的压下量O_A的特性可用图22d所示曲线来表示。

因此，喷油咀109的打开时间对加速器踏板的压下量θ_A的特性（也就是燃油量对θ_A的特性）可由图22a中的曲线来表示。因为发动机的扭矩正比于燃油量，所以可用图22b所示的曲线来表示。具体地说扭矩的特点在于：在加速器踏板的压下量θ_A处于较小的范围内，它的增加比较慢，当压下量接近最大时，其增加突然变得很快。但是，扭矩具有这些特性之后，在加速器踏板θ_A压下量较小的区域内扭矩非常小，驾驶者会感到加速度不足。

另一方面，空燃比的特性可由图22d所示的曲线来表达，在加速器踏板压下量θ_A较大的区域内，空燃比从稀混合气至浓混合气连续变化。这有一个缺点，就是会排出更多的NOx，这是因为随着压下量θ_A的增加，空燃比经过了15至18这一段区域。

与此相反，根据图5的流程图所示的控制，燃油量具有大致上正比于加速器踏板压下量θ_A的特性（如图21a所示），因此，图5的控制有一个优点，就是扭矩随加速器踏板的压下量θ_A单调增加（如图21b所示），这样，加速器踏板的下压量从小到大驾驶都能平稳。

另外，由于吸进发动机的空气量是由节气门驱动器114自由设定的，因此，如果吸进空气量象如图21c所示设定，那么空燃比就具有如图21d所示的特性，这样，当加速器踏板下压量由小到大时，就能跳过NOx排出较多的空燃比为15至18的区域，这样不增加NOx排出就能进行驾驶。

换句话说，采用本发明的节气门驱动器114，就可以根据控制单元112的命令任意设定进气量，这样就能对发动机产生的扭矩及空气燃油混合气的空燃比独立地加以控制，其结果使得防止排污的措施得到简化，这样通过使燃油注入量和加速器踏板的压下量θ_A该压下量已根据其对时间的变化率加以校正成正比，可使加速性和燃油经济性得到兼顾。

如果在图1b中的步骤405、406和403控制的空燃比突然发生变化，那么扭矩也会有一些波动。但在这样的情况下，如果象图17所示的那样，在步骤407和408中校正点火时间，那么这些扭矩波动也能加以抑制。具体地说，这些扭矩波动的校正是通过延迟低空燃比时的点火时间和提前高空燃比时的点火时间来完成的。

图18表示了用进气气压完成校正的又一例子。

一般来说，如果使用进气气压Pm，那么发动机每循环吸入气缸的空气量Qa/N可以用下面的公式（5）来表达：

Qa/N＝K₂×Pm×n×K_AIR

其中，K₂：一常数，

n：一进气效率

K_AIR：进气气温的校正系数。

吸入空气的压力Pm为设定的空燃比给出吸入空气的量，Pm可根据发动机的工作条件由燃油的基本注入量Ti和空燃比的校正系数K_MR用公式（6）来表示：

Pm＝K₃×Ti/（n×K_AIR×K_MR） （6）

其中K₃为一常数。

因此，如果用进气压力传感器115测量实际的进气气压，从而对节气门116的开度进行闭环控制以达到公式（6）设定的进气气压，那么，对进气量实行控制的精度将会更高。

下面将参考图18的流程图描述新的步骤。在步骤500中，应用公式（6）计算出吸入空气的设定气压Pm，在步骤501中，利用吸入空气气压传感器115读取吸入空气的实际气压Pmr。

在步骤502中，用步骤500中计算出来的吸入空气设定气压Pm和实际的气压Pmr计算出来节气门开度校正系数，并把计算结果存贮在控制单元112的RAM140中。

K₀＝K₄（Pm-Pmr）+K₅∫（Pm-Pmr）dt

K₄：为一比例常数。

K₅：为一积分常数。

在步骤504中节气门开度的校正系数K_θ在图19所示的表中得到校正。在图19中，在步骤180（图5）中校正得到的燃油基本注入量Ti以及发动机转数N的校正系数K_θ被制成了一张表。

在步骤505中，校正过的开度θ′_T通过下列公式（8）计算出来：

θ′_T＝K_θ×θ_T （8）

其中，K_θ为节气门开度的校正系数。

θ_T为设定的节气门开度。

图20表示了图18的一种改进方案，其中，气流传感器119取代了图18中的吸入气体压力传感器115。根据发动机工作条件，公式（6）用燃油基本注入量Ti及空燃比K_MR的校正系数K_NR即可给出对设定空燃比的进气量Qa：

Qa＝K₆×Ti×N/K_MR （9）

其中K₆为一常数。

因此，气流传感器119对实际的空气流率进行测量，以此对节气门116的开度进行闭环控制。这样，进气量Qa就可以是公式（9）设定的量了。

下面参照图20的流程图描述新的步骤。

在步骤600中，使用公式（9）从步骤180的Ti和步骤210的K_MR计算出气流率Qa，这样算出的气流率标为Qa。在步骤601中，使用气流传感器119读取实际的气流率。

在步骤602中，使用下面的公式（10）从设定的气流率Qar计算出节气门校正系数K_θ。在步骤603中，K_θ的值被存在RAM140中。

K_θ＝K_Z（Qa-Qar）+K₈∫（Qa-Qar）dt

其中：K_Z为一比例常数

K₈为积分常数

这里K₈的值与图19中的值相近，步骤604和605也和步骤504和505相似。

Claims (22)

1、一种用于内燃机的控制系统，包括：

·一个用于检测加速器踏板下压量的加速器踏板下压量检测器，

·一个用于检测引擎转数的转板检测器，

·一个装在排气管中，用于从排出气体中检测送入引擎中的油气混合物的空/燃比的空/燃比传感器，

·用于根据指示燃油注入量的燃油控制信号的引擎中注入燃油的至少一个喷油嘴，

·一个用于根据指示引擎空气吸入量的吸气控制信号控制节流阀开度的节流阀激励器，

·一个控制单元，该单元包括一个内藏式计算机，上述计算能根据上述的加速器踏板下压量检测器、转数检测器和空/燃比传感器的输出信号向上述的喷油嘴提供一个燃油控制信号;能根据这个燃油控制信号为上述的节流激励器提供一个吸气控制信号，

其特征在于：

上述的控制单元的内藏式计算机还包括：

·能根据上述的加速器踏板下压量检测器的输出计算出加速器踏板的下压量对时间的变化率的装置，

·能根据上述的变化率校正加速器踏板的下压量的装置，

·能使用加速器踏板的下压量的上述校正值对计算机的存贮器中存贮的一张表中基本喷油量进行校正的装置，

·能根据测到的空/燃比校正基本喷油量从而产生燃油控制信号的装置，

·能使用燃油控制信号和检测到的引擎转数对存贮在计算机中的一张表中的吸气量进行校正从而产生吸气控制信号的装置。

2、一种根据权利要求1的控制系统，其中所述的控制单元的内藏式计算机能检测变速齿轮的位置，还能根据检测到的变速齿轮位置和加速器踏板下压量的变化率对加速器踏板的下压量进行校正。

3、一种根据权利要求1的控制系统，其中的基本燃油量校正装置中进行的校正是由一个根据测到的引擎转数和基本喷油量确定的校正系数来实现的。

4、一种根据权利要求1的控制系统，其中所述的吸气量校正装置还包括下述装置：该装置能检测空/燃比是否落入一个使排气中有毒成分浓度变高的区域中，并能产生吸气控制信号避开上述的空/燃比区域。

5、一种根据权利要求4的控制系统，其中当空/燃比落入15至18的范围内时，吸气控制信号或者根据15、或者根据18来决定。

6、一种根据权利要求1的控制系统，其中上述控制单元的内藏式计算机还能根据基本喷油量和检测到的引擎转数确定点火时间。

7、一种根据权利要求6的控制系统，其中的吸气量校正装置还包括下述装置，即能检测空/燃比是否15至18的范围内，并能产生吸气控制信号避免空/燃比落入上述区域的装置。

8、一种根据权利要求7的控制系统，其中当空/燃比落入15至18的范围中时，吸气控制信号根据空/燃比或者为15、或者为18而决定。

9、一种根据权利要求7的控制系统，其中当空/燃比落入上述范围中且接近15时，吸气控制信号以空/燃比等于15为基础而确定，点火时刻倒退一个恒定时间，随后逐渐返回原值;而当空/燃比位于上述范围且接近18时，吸气控制信号以空/燃比等于18为基础而确定，点火时刻前进一个恒定时间，随后逐渐返回原值。

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