CN100347437C - 火花点火内燃发动机的燃烧控制设备及其燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于火花点火内燃发动机(2)的操作控制设备，用以在固定点火曲柄角范围中执行点火。该操作控制设备包括可编程控制器(1)和用于输出每个单位曲柄角的单位曲柄角信号的单位曲柄角传感器(9)。控制器(1)基于单位曲柄角信号计算发动机旋转速度(S1)。通过防止基于在点火曲柄角范围中检测到的单位曲柄角信号计算发动机旋转速度，以便消除由发动机点火噪声引起的发动机旋转速度计算中的误差，并获得精确的发动机旋转速度。

Description

火花点火内燃发动机的燃烧控制设备及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及火花点火内燃发动机的燃烧控制，更具体地说，涉及检测火花点火内燃发动机中的发动机旋转速度的燃烧控制设备及其燃烧控制方法。
背景技术
由日本专利局在2001年公开的JP2001-082302A公开了将发动机的旋转速度作为参数的内燃发动机的点火定时控制。曲柄角传感器检测发动机旋转速度。当发动机的曲柄轴到达用于每个汽缸的指定基准旋转位置时，曲柄角传感器输出信号。
当曲柄轴旋转过设置为例如一度的单位角度时，输出单独的信号。该单独的信号称为基准位置信号或REF信号，以及该单位角度称为单位曲柄角信号或POS信号。
通过测量REF和POS信号之间的间隔获得发动机旋转速度。由于POS信号比REF信号更新更频繁，故由POS信号获得的旋转速度具有比从REF信号获得的旋转速度更高的发动机实际旋转速度的跟踪能力(tracking ability)。
发明内容
当以短的间隔诸如10毫秒执行发动机的点火定时(ignitiontiming)控制、燃料喷射量或燃料喷射定时，使用POS信号在每个周期计算发动机旋转速度。在这种情况下，当POS信号的检测定时与火花塞点火重叠时，存在将点火噪声误检测为POS信号的可能性。因此，会将大的误差引入发动机旋转速度的计算中。
因此，本发明的目的是消除在检测发动机旋转速度中点火噪声的影响。
如果在固定周期执行发动机的点火定时控制、燃料喷射量或燃料喷射定时，则按固定周期更新用于点火定时的控制目标值、燃料喷射量和燃料喷射定时。然后将控制目标值设置到寄存器中。按对应于目标点火定时或目标燃料喷射定时的特定曲柄角执行实际点火或燃料喷射。因此，在检测POS信号以用于计算发动机旋转速度的时间和实际执行点火或燃料喷射的时间之间存在时滞。因此，当发动机的旋转速度经历大的波动时，这一时滞降低了控制例程的精确度。当使用曲柄角更新发动机旋转速度的检测和控制目标值时，换句话说，当与REF信号同步地执行更新处理时，从检测发动机旋转速度到实际燃料喷射或点火的周期变为固定的。因此，可以提高控制精确度。然而，在这种情况下，根据发动机旋转速度改变控制间隔，因此用于更新控制目标值所需的每单位时间的计算负载在高的发动机旋转速度时变得非常大。
本发明的另一目的是缩短从检测发动机旋转速度到控制燃料喷射或点火的时间周期，而不会过多地增加计算负载。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于火花点火内燃发动机的燃烧控制设备，用以在固定的点火曲柄角范围中执行点火，该控制设备包括：单位曲柄角传感器，其输出对应于发动机的单位曲柄角的单位曲柄角信号；以及可编程控制器，该可编程控制器基于在点火曲柄角范围之外检测到的单位曲柄角信号计算发动机旋转速度；以及根据该计算得出的发动机旋转速度来控制发动机的燃烧。
本发明还提供了一种用于火花点火内燃发动机的燃烧控制方法，用以在固定点火曲柄角范围中执行点火，该方法包括下列步骤：检测所述发动机的单位曲柄角信号；根据在点火曲柄角范围之外检测到的单位曲柄角信号计算发动机旋转速度；以及根据上述计算得到的所述发动机旋转速度来控制发动机的燃烧。
本发明的详细情况和特征及优点将在说明书的剩余部分中阐述并在附图中示出。
附图说明
图1是根据本发明的发动机控制设备的示意图。
图2是描述根据本发明的控制器的功能的框图。
图3是描述用于控制由控制器执行的发动机的燃料喷射和火花点火的例程的流程图。
图4是描述根据本发明的POS信号检测定时的图。
图5A-5G是表示由基于POS信号的旋转速度和基于REF信号的旋转速度引起的点火定时控制的差异的时序图。
图6A和6B是表示由在发动机旋转速度上的POS信号的检测定时引起的误差的图。
图7是表示根据本发明的第二实施例，由控制器执行的信号开关例程的流程图。
图8A-8F是表示根据本发明的第二实施例，由控制器执行的控制的影响的时序图。
图9是描述POS信号中的噪声混合的图。
具体实施方式
参考图1，应用本发明的四冲程循环六汽缸V型发动机2包括进气管3和排气管23。进气管3经由具有进气阀20的进气口7连接到每个汽缸的燃烧室6。排气管23经由具有排气阀21的排气口22连接到每个汽缸的燃料室6。
在进气管3中提供电子节流阀5。在进气口7中的进气阀20附近提供燃料喷射器8。每个汽缸提供一个燃料喷射器8。以固定的压力将汽油燃料提供到燃料喷射器8。当打开燃料喷射器8，将对应于升程周期(lift period)的汽油燃料量喷射到从进气口7进入到燃烧室6的入口空气中。
由从控制器1输出到每个燃料喷射器8的脉冲信号控制来自每个汽缸的燃料喷射器8的燃料喷射定时和燃料喷射量。燃料喷射器8与脉冲信号的输入同时起动燃料喷射，以及在等于脉冲信号的脉冲宽度的间隔期间连续执行喷射。
在每个汽缸的燃烧室6中产生具有固定空气-燃料比的气体混合物作为来自燃料喷射器8的燃料喷射和来自进气管3的入口空气的结果。响应由点火线圈14产生的高压电流，使朝向燃料室6的火花塞24打火花并起动并点燃和燃烧在燃烧室6中的气体混合物。由从控制器1输出到点火线圈14的点火信号控制火花塞24的点火定时。
四冲程循环发动机2的冲程模式包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。这四个冲程循环相对于由每个汽缸中的活塞的垂直运动定义的上死点(TDC)和下死点(BDC)而改变。
在从作为每个汽缸的压缩冲程的终点的压缩上死点(CTDC)的固定的提前范围内，在这种类型的发动机2中执行点火。换句话说，在压缩冲程期间执行点火。用曲柄角表示的角度范围称为点火曲柄角范围。
控制器1包括具有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机。控制器21可以包括多个微型计算机。
表示检测数据的信号被输入到控制器1，用于燃料喷射控制和点火控制。从用于检测发动机2中的空气进气量的空气流量计4、曲柄角传感器9、凸轮位置传感器11、点火开关13、检测发动机2的冷却水温度的水温传感器15、以及检测来自发动机2的废气中的氧浓度的氧传感器16输入各信号。
当发动机2的曲柄轴10到达基准旋转位置时，曲柄角传感器9输出RFF信号。另外，当曲柄轴10旋转过例如为一度的单位角度时输出POS信号。基准旋转位置对应于六汽60度V型发动机中的每个汽缸的上死点(TDC)之前110度的旋转位置。
凸轮位置传感器11响应用于驱动排气阀21的凸轮12的特定旋转位置输出PHASE信号。在四冲程循环发动机2中，对每两个REF信号，在每个汽缸中执行一次点火。上死点(TDC)包括压缩上死点(CTDC)和排气上死点(ETDC)。控制器1根据REF信号和PHASE信号的组合来区别这些信号。
点火开关13通过在能发生点火的状态下输出点火信号IGN来设置火花塞24。点火开关13还输出起动信号StartSW以便起动用于转动发动机2曲柄的起动电动机的操作。
参考图2，控制器1包括起动开始判定部件101、汽缸判定部件102、旋转速度信号产生部件103、喷射脉冲宽度计算部件104、喷射起动定时计算部件105、喷射器驱动信号输出部件106、点火信号计算部件107和点火信号输出部件108。这些部件的每一个都是表示控制器1的功能的虚拟部件，而不是实际存在的。
起动开始判定部件101基于起动信号StartSW和来自点火开关13的点火信号IGN检测转动发动机曲柄的起动。当起动信号为ON时，确定发动机起动。
汽缸判定部件102使用由曲柄角传感器9输出的POS信号和由凸轮位置传感器11输出的PHASE信号以便确定发动机2的每个汽缸的各自的冲程位置。在下文的描述中，这一确定称为汽缸判定。
旋转速度信号产生部件103基于来自曲柄角传感器9的REF信号的输出间隔计算发动机旋转速度LNRPM。旋转速度信号产生部件103还基于来自曲柄角传感器9的POS信号的输出间隔计算发动机旋转速度FNRMP3。然而，用在根据本发明计算中的POS信号限定到在点火曲柄角范围外检测的POS信号。这一范围称为非点火曲柄角范围。
喷射脉冲宽度计算部件104通过查找预先存储的图，基于由旋转速度信号产生部件103计算的发动机旋转速度和由空气流量计4检测的空气进气量来计算基本燃料喷射脉冲宽度。
喷射脉冲宽度计算部件104通过对基本燃料喷射脉冲宽度加上校正来确定目标燃料喷射脉冲宽度，以便燃烧室6中的汽油混合物与固定目标空气-燃料比相符。基于由氧传感器16检测的废气中的氧浓度和由水温传感器15检测的冷却水温度来计算燃料校正量。
当起动发动机2时，喷射脉冲宽度计算部件104使用在下文中描述的不同于正常操作状态的方法的方法来确定目标燃料喷射脉冲宽度。
喷射起动定时计算部件105基于喷射脉冲宽度和发动机旋转速度来计算燃料喷射的目标初始定时。
喷射器驱动信号输出部件106在用于燃料喷射的目标开始定时，将用于目标燃料喷射脉冲宽度的脉冲信号输出到燃料喷射器8。
点火信号计算部件107基于发动机2的发动机旋转速度和水冷却温度来确定火花塞24的目标点火定时。
点火信号输出部件108基于POS信号和REF信号，通过在目标点火定时控制提供给点火线圈14的电源来使火花塞24打火花。
接着，参考图3，在下文中，将描述由如上所构造的控制器1执行的用于发动机2的燃料喷射和点火的控制例程。这一例程在发动机2工作的同时，以每10毫秒的间隔执行。
首先，在步骤S1，控制器1基于在点火曲柄角范围外检测的最新POS信号的间隔计算发动机旋转速度FNRPM3。
参考图4，下面将描述在步骤S1中确定的点火曲柄角范围的确定。在六汽缸V型发动机中，在每个汽缸的上死点前110度(110度BTDC)输出REF信号。在发动机起动期间的点火定时最多延迟到压缩上死点(CTDC)为止。在发动机起动后，响应旋转速度的增加，在固定角范围中提前点火定时。考虑到根据操作条件发生点火的可能性，将来自CTDC的固定提前角范围作为点火曲柄角范围。
在步骤S1中，禁止基于在如上所述设置的点火曲柄角范围中检测的POS信号来计算发动机旋转速度FNRPM3。这是通过基于在非点火曲柄角范围内检测的最新POS信号的间隔来计算发动机旋转速度FNRPM3而实现的。结果，必然在形成计算基础的POS信号输入与实际上计算发动机旋转速度FNRPM3的时间之间产生时滞。控制器1顺序地将从曲柄角传感器9输入的POS信号和REF信号存储在存储器中。控制器1从存储器(RAM)中所存储的POS信号选择非点火曲柄角范围内两个最新的POS信号，并基于这些信号的间隔计算发动机旋转速度FNRPM3。
在图4中，从压缩上死点(CTDC)到其后立即输入的REF信号REF 110的间隔总是位于非点火曲柄角范围内。在步骤S1中，最好通过在CTDC和REF 110之间的范围中获得的最新POS信号的间隔来计算发动机旋转速度FNRPM3。
通过将POS信号的检测间隔限定到非点火曲柄角范围，实现POS信号检测而不受点火噪声干扰。因此，可以提高发动机旋转速度的计算精确性。这一例程允许每10毫秒仅计算发动机旋转速度FNRPM3一次而不是由REF信号的输入频率决定。因此，即使在REF信号的输入频率很高的高旋转发动机性能区中，也不会增加计算负载。
在步骤S2中，控制器1从REF信号的最新输入间隔计算发动机旋转速度LNRPM。
在步骤S3中，控制器1使用发动机旋转速度FNRPM3和由空气流量计4检测的空气进气量，以便通过查找预先存储在存储器(ROM)中的图来计算基本燃料喷射脉冲宽度。通过将校正加到基本燃料喷射脉冲宽度来确定喷射脉冲宽度，以便燃烧室6中的汽油混合物与固定目标空气-燃料比相符。校正是基于由氧传感器16检测的废气中的氧浓度和由水温传感器15检测的冷却水温度。
然后，在步骤S4中，控制器1基于发动机2的冷却水温度和发动机旋转速度FNRPM3来确定火花塞24的点火定时。
接着，在步骤S5，控制器1基于发动机旋转速度FNRPM3和喷射脉冲宽度计算用于燃料喷射的起动定时。
最后，在步骤S6，控制器1将点火定时、用于燃料喷射的起动定时、以及喷射脉冲宽度设置到寄存器中。在设定定时，同时执行将点火信号输出到点火线圈14和将燃料喷射脉冲信号输出到燃料喷射器8。
参考图5A-5G，将描述在发动机起动期间的点火定时控制上的差异，这种差异是由于使用基于REF信号的发动机旋转速度LNRPM和使用基于POS信号的发动机旋转速度FNRPM3而产生的。
与POS信号相比，由于低更新频率，REF信号不显示与实际发动机速度的高度对应。因此，如图5C-5D所示，例如当在发动机起动期间发动机旋转速度经历大的增加时，基于REF信号的发动机旋转速度LNRPM小于实际发动机旋转速度。
最小化发动机输出轴转矩的点火定时被称为用于最佳转矩的最小点火提前(MBT)。随着发动机旋转速度降低，使MBT延迟。因此，当根据从REF信号获得的发动机旋转速度LNRPM设置点火定时并同时增加发动机旋转速度时，如由图5F的虚线所示，从最佳点火定时延迟点火定时。因此，不可能获得足够的轴转矩。因此，当计算点火定时时，最好使用基于显示出与实际发动机旋转速度高度相符的POS信号的发动机旋转速度FNPRM3。
当发动机旋转速度未经历大的变化时，在起动后不总是出现这一问题。因此，仅当起动信号为ON(如图5G所示)时，使用基于POS信号的发动机旋转速度FNRPM3来设置点火定时。当起动信号StartSW切换到OFF时，可以使用基于REF信号的发动机旋转速度LNRPM来设置点火定时。
接着，参考图6A和6B、图7和图8A-8F，将描述第二实施例。
首先，参考图6A和6B，将描述POS信号的检测定时和实际发动机旋转速度之间的关系。基于POS信号的发动机旋转速度FNRPM3比基于REF信号的发动机旋转速度LNRPM更接近实际发动机旋转速度。在起动发动机时，发动机旋转速度中发生大变化期间尤其如此。在发动机起动中发动机旋转速度发生大变化期间，如图6B所示，例如，有时是在REF信号之前的10毫秒期间，发动机旋转速度经历达到每分钟175转(rpm)的变化的情形。因此，即使当基于POS信号计算发动机旋转速度，当在检测到POS信号的时间与实际执行燃料喷射或点火的时间之间存在时滞时，对点火定时、燃料喷射量或燃料喷射定时进行精确控制是不可能的。燃料喷射或点火以固定曲柄角执行。因此，当以固定时间周期执行对燃料喷射或点火的控制时，在每个控制周期中时滞的程度波动。
如上所述，从压缩上死点(CTDC)到紧接其后REF信号的输入之间的间隔总是位于非点火曲柄角范围内。在这一实施例中，在发动机旋转速度经历相当大的增加的发动机起动期间，与紧接压缩上死点(CTDC)之后的REF信号输入同步地执行对点火和燃料喷射的控制。然而，在完成发动机起动之后，以固定时间间隔执行这些控制例程。
在这一实施例中，如图7所示，控制器1执行信号开关例程以便开关控制周期。每10毫秒执行这一例程。
参考图7，首先，在步骤S11，控制器1确定起动信号StartSW是否为ON。
当起动信号StartSW为ON时，在步骤S12，控制器1确定与REF信号同步地执行图3中的例程。
当起动信号StartSW不为ON时，在步骤S13，控制器1确定每10毫秒执行图3中的例程。在步骤S12或S13的处理后，控制器1中止该例程。
如图8B和8F所示，当起动信号StartSW为ON时，与REF信号同步地执行图3中所示的例程。在起动信号StartSW为OFF时，以10毫秒的间隔执行图3中的例程。
在六汽缸V型发动机中，每次回转输出六个REF信号。每隔三个回转执行燃料喷射和点火。因此，当发动机旋转速度为2000rpm时，以10毫秒间隔执行图3中的用于燃料喷射和点火的控制例程相当于与REF信号同步地执行该例程。当发动机旋转速度低于2000rpm时，用于与REF信号同步地执行该例程的控制周期超过10毫秒的间隔。如图8C所示，当在起动期间发动机2的旋转速度通常低于2000rpm时，与REF信号同步地执行该例程实际上降低了计算负载。
另一方面，当与REF信号同步地执行图3中的例程时，在REF信号之前立即检测POS信号，以及在其之后立即执行步骤S3-S5中的计算操作。因此，可以执行发动机旋转速度的精确检测。
与第一实施例相比，这一实施例使得可增加对发动机2的起动期间的燃料喷射和点火的控制精确度，并且减少了发动机起动期间控制器1的计算负载。
参考图9描述本发明的第三实施例。
这一实施例涉及用于POS信号的检测方法。在第一和第二实施例中，通过计算仅基于点火曲柄角范围外的POS信号的发动机旋转速度来消除发动机点火噪声对POS信号检测的不期望的影响。
在这一实施例中，通过连续基于POS信号计算发动机旋转速度至少三次并将这些值中的最小值用作发动机旋转速度FNRPM3，可完全消除关于POS信号检测的排气噪声。
参考图9中的POS信号p1、p2和p3，假定噪声分量pn插入p1和p2间。在这种情况下，表观的POS信号间隔变为p1-pn、pn-p2和p2-p3。如果假定控制器1在三个连续时刻检测POS信号的输出间隔，并基于这三个输出间隔的最大值计算发动机旋转速度，则不受噪声影响的脉冲间隔p2-p3将形成最终发动机转速的基础。在图3的步骤S1中，当将这一计算方法应用到发动机旋转速度FNRPM3的计算中时，可以获得不受噪声影响的精确的发动机旋转速度FNRPM3。
2002年12月20日在日本提交的(Tokugan)2002-369849的内容在此一并作为参考。
尽管参考本发明的某些实施例描述了本发明，但本发明不限于如上所述的实施例。在权利要求书的范围内，本领域的技术人员将会想到上述实施例的各种改变和变化。
要求排它财产权或专用权的本发明的实施例定义如下。

Claims (11)

1.一种用于火花点火内燃发动机(2)的燃烧控制设备，用以在固定的点火曲柄角范围中执行点火，该控制设备包括：
单位曲柄角传感器(9)，其输出对应于发动机(2)的单位曲柄角的单位曲柄角信号；以及
可编程控制器(1)，该可编程控制器(1)基于在点火曲柄角范围之外检测到的单位曲柄角信号计算发动机旋转速度；以及
根据该计算得出的发动机旋转速度来控制发动机(2)的燃烧。
2.如权利要求1所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述可编程控制器(1)以预定的固定时间间隔执行发动机旋转速度的计算。
3.如权利要求1所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述发动机(2)包括以固定角度间隔重复燃烧周期的多个汽缸，并且所述燃烧控制设备包括以相等角度间隔输出基准位置信号的基准位置传感器(9)，基准位置的数量等于在360度曲柄角范围内的汽缸数量，所述控制器(1)通过基于所述基准位置信号确定点火曲柄角范围来选择点火曲柄角范围之外的最新单位曲柄角信号，并基于所选定的单位曲柄角信号来计算发动机旋转速度。
4.如权利要求3所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述点火曲柄角范围被设置成从每个汽缸的压缩上死点起的一个固定的提前角范围。
5.如权利要求4所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述发动机(2)是四冲程循环六汽缸发动机，以及所述控制器(1)基于在从每个汽缸的压缩上死点到下一基准位置信号的输入的范围中检测到的单位曲柄角信号的间隔来计算发动机旋转速度。
6.如权利要求4所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述设备进一步包括汽缸判定传感器(11)，该汽缸判定传感器(11)结合所述基准位置信号判定每个汽缸的压缩上死点。
7.如权利要求1至6中任何一个所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述控制器(1)确定发动机控制项的目标值，该发动机控制项是从燃料喷射量、燃料喷射定时和对喷射燃料的点火定时中选择的，并且所述控制器控制所述发动机(2)以实现所述目标值。
8.如权利要求7所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述设备进一步包括用于确定所述发动机(2)是否起动的起动传感器(13)，并且所述控制器(1)当起动所述发动机(2)时与所述基准位置信号同步地控制所述发动机(2)的燃烧，当所述发动机(2)未起动时以固定时间间隔控制所述发动机(2)的燃烧。
9.如权利要求8所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述发动机(2)进一步包括用于转动该发动机(2)曲柄的起动电动机，所述起动传感器包括开关(13)，该开关输出用于指令提供给所述起动电动机的电源的信号，以及所述控制器(1)用于确定当所述起动信号为ON时所述发动机起动。
10.如权利要求1所述的燃烧控制设备，其特征在于，所述控制器(1)用于连续测量单位曲柄角信号的三个间隔，并基于所述三个间隔中的最大值计算所述发动机旋转速度。
11.一种用于火花点火内燃发动机(2)的燃烧控制方法，用以在固定点火曲柄角范围中执行点火，该方法包括下列步骤：
检测所述发动机(2)的单位曲柄角信号；
根据在点火曲柄角范围之外检测到的单位曲柄角信号计算发动机旋转速度(S1)；以及
根据上述计算得到的所述发动机旋转速度来控制发动机(2)的燃烧(S3-S6)。
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