CN100404831C

CN100404831C - 气缸进气量确定装置

Info

Publication number: CN100404831C
Application number: CNB2005100093045A
Authority: CN
Inventors: 安部和彦; 永石初雄
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: EP1566533B1; CN1657755A; EP1566533A1; US20050178361A1; JP4321294B2; DE602005000052D1; US7025041B2; KR20060042018A; JP2005233047A; KR100668555B1; DE602005000052T2

Abstract

一种气缸进气量确定装置被配置成根据进气歧管的流入空气量和流出空气量计算歧管内空气量。然后，根据歧管内空气量和进气温度计算歧管内压，并根据先前气缸进气量计算对应于曲轴转角的气缸内压。再根据歧管内压、气缸内压和进气温度计算气缸进气量。因此，气缸进气量确定装置被配置成非常准确地计算气缸进气量。

Description

气缸进气量确定装置

对相关专利申请的交叉参照

本申请要求第2004-041888号日本专利申请的优先权。第2004-041888号日本专利申请的整个内容以参照的方式被包含在这里。

技术领域

本发明一般涉及内燃机的气缸进气量确定装置。更具体地说，

本发明涉及一种被配置和设置成根据歧管内压和气缸内压更准确地计算气缸进气量的气缸进气量确定装置。

背景技术

日本公开专利公布第2001-50091号公开了一种用于可变气门正时控制内燃机的气缸进气量确定装置。在该参考文献中所公开的气缸进气量确定装置被配置成通过计算流入进气歧管的空气量和流出进气歧管的空气量之间的平衡计算进气歧管内的空气量，该流出进气歧管的空气量对应于在先前控制例程中所计算的从歧管流进气缸的气缸进气量。然后，该参考文献的气缸进气量确定装置被配置成根据歧管内的空气量计算当前气缸进气量，和根据当进气门关闭时的气缸容积计算被修正的气缸容积。

日本公开专利公布第2002-371894号公开了用于内燃机的气缸进气量确定装置的另一个示例。在该参考文献中，通过计算流入进气歧管的空气量和流出进气歧管的空气量之间的平衡，进气歧管内的质量空气量被计算。然后，流入气缸的气缸进气质量空气量被计算。而且，在该参考文献所公开的气缸进气量确定装置中，当发动机停止运转时，进气歧管内的空气质量被修正以去除多余的空气量，从而获得进气歧管内的空气质量。然后，进气歧管内的该校正质量空气量被用于计算当发动机重新起动时的进气歧管内的质量空气量的初始值。

鉴于上述描述，本领域的技术人员将显而易见地看出有必要对气缸进气量确定装置进行改进。本发明致力于满足对本领域技术人员来说是显而易见的这种需要以及其它的需要。

发明内容

使用在上述参考文献中所说明的气缸进气量装置，通过假设气缸压力为固定值，气缸进气量被计算。然而，当使用可变气门正时系统时，在提前的或延迟的气门关闭正时操作期间，进气歧管内的压力在低气门升程(low valve lift)操作期间变化。在这些情况下，气缸进气量的计算结果有可能出现错误。

本发明致力于解决这一问题。因此，本发明的一个目的是更准确地计算气缸进气量。根据本发明的一个方面，气缸进气量确定装置被设置，其基本上包括歧管内空气量计算部分、歧管内压计算部分、气缸内压计算部分和气缸进气量计算部分。歧管内空气量计算部分被配置成根据流入进气歧管的空气量和流出进气歧管的空气量之间的平衡计算歧管内空气量。歧管内压计算部分被配置成至少根据歧管内空气量计算歧管内压。气缸内压计算部分被配置成根据影响气缸内的蒸气(vapor)状态的至少一个参数计算气缸内压。气缸进气量计算部分被配置成根据歧管内压和气缸内压计算气缸进气量。

从下列对本发明优选实施例的详细描述中结合附图，对于本领域的技术人员来说，本发明的这些目的和其它的目的、特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

现在参照附图，其为原始公开的一部分：

图1是具有根据本发明的优选实施例的气缸进气量确定装置的内燃机的示意图；

图2是用于在根据本发明的优选实施例的气缸进气量确定装置中计算气缸进气量的控制方框图；

图3是用于在根据本发明的优选实施例的气缸进气量确定装置中计算气缸进气量的流程图；

图4是用于在根据本发明的优选实施例的气缸进气量确定装置中计算气缸进气量的气缸内压的流程图。

具体实施方式

现在参照附图将说明本发明的优选实施例。本领域的技术人员将显而易见地看出，以下对本发明的实施例的描述只是为了说明，而非用于限制如由后附的权利要求和其的等同所限定的本发明。

首先，参照图1，其示出了根据本发明的优选实施例的具有气缸进气量确定装置的内燃机1。图1是内燃机1的示意图。为了更好地理解本发明，图1示出了用于计算气缸进气量的各种参数。

如图1中所示，内燃机1包括多个燃烧室(仅示出了一个燃烧室)，这些燃烧室分别由内燃机1的多个活塞2(仅示出了一个活塞)和多个气缸3(仅示出了一个气缸)组成。每一燃烧室最好装有电磁驱动进气门5、电磁驱动排气门6和设置在进气门5和排气门6之间的火花塞4。而且，内燃机1包括多个与燃烧室耦合的进气道7，沿进气道7安装的进气歧管8和多个排气道9。因此，本领域的技术人员将很容易地看出，尽管下列对本发明的气缸进气量确定装置的描述仅参照了1个气缸或燃烧室，但本发明的气缸进气量确定装置也可应用于多缸发动机。

进气门5和排气门6最好分别由电磁可变气门正时装置5a和6a控制。可变气门正时装置5a和6a被配置和被设置成分别可调控进气门5和排气门6的升程(lift)量和开启/关闭正时。当然，从该公开内容中本领域的技术人员将很容易地看出，进气门5和排气门6的可变气门正时控制不限于由图1的所示的电磁可变气门正时装置5a和6a来执行。例如，内燃机1可被配置和设置成包括装有凸轮和挺柱(lifter)的机械式可变气门正时机构，使得进气门5和排气门6的升程量和开启/关闭正时按照机械式可变气门正时机构所要求的被控制。电磁可变气门正时装置5a、6a和机械式可变气门正时机构为本领域公知的常规部件。由于电磁可变气门正时装置5a、6a和机械式可变气门正时机构是本领域所公知的，所以在这里，不详细地讨论或说明其的结构。

电子节气门10被设置到在进气歧管8的上游位置的进气道7上。在如图1中所示的气缸3的进气口部分，进气道7也最好设置有电磁燃油喷射阀11。

内燃机1还包括ECU或发动机控制单元12，其被配置和设置成控制内燃机1的火花塞4、可变气门正时装置5a和6a、电子节气门10、燃油喷射阀11和内燃机1的其它部件的操作。

在本发明中，控制单元12最好包括微计算机，该微计算机具有如下所述的控制气缸进气量计算的气缸进气量计算控制程序。控制单元12也可包括像输入接口电路、输出接口电路和诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置之类的存储装置的其它常规部件。控制单元12的微计算机被编程为控制内燃机1的各种部件。存储电路存储像由处理器电路进行的气缸进气量计算操作之类的处理结果和控制程序。控制单元12以常规的方式可操作地与内燃机1的各个部件耦合。控制单元12的内RAM存储操作标志的状态和各种控制数据。控制单元12的内ROM存储用于各种操作的数据。控制单元12能够根据控制程序有选择地控制系统的任何部件。从该描述中本领域的技术人员将很容易地看出控制单元12的精确结构和算法可以是执行本发明的气缸进气量确定装置功能的任何硬件和软件的组合。换句话说，像在说明书和权利要求中所说明的“装置+功能”项应包括可被用于执行“装置+功能”项功能的任何结构或硬件和/或算法或软件。

而且，控制单元12被配置和设置成从曲轴转角传感器13、加速踏板传感器14、热线式空气流量计15、温度传感器16、排气压力传感器17等中接收输入信号。曲轴转角传感器13被配置和设置成输出与发动机转数同步的曲轴转角信号到控制单元12以检测发动机转速Ne和曲轴转角位置Ca。加速踏板传感器14被配置和设置成检测加速踏板开度(加速踏板被压下多少)并且产生被发送到控制单元12的表示加速踏板开度的输出信号。热线式空气流量计15被配置和设置成检测从电子节气门10到进气歧管8上游部分的进气道7中的空气流量Qa(质量流量；g)，并且产生被发送到控制单元12的表示空气流量Qa的输出信号。温度传感器16被配置和设置成检测进气歧管8内的进气温度Tm(K)并且产生被发送到控制单元12的、表示进气温度Tm的输出信号。排气压力传感器17被配置和设置成检测排气道9中的排气压力Pex(Pa)并且产生被发送到控制单元12的、表示排气压力Pex的输出信号。此外，控制单元12可被配置和设置成从如图1中所示的排气温度传感器24、进气压力传感器25、水温传感器26和一对进气和排气凸轮转角传感器27和28中接收输入信号。

控制单元12被配置和设置成根据发动机工作条件控制燃油喷射阀11的燃油喷射正时和燃油喷射量。更具体地说，控制单元12被配置和设置成控制燃油喷射量以获得所需要的相对于气缸进气量Cc(气缸3内的空气质量)的空燃比，该空燃比根据空气流量计15所测量的流入空气量(质量流量)Qa和如在下文中将要详细说明的其它参数被计算。

而且，控制单元12被配置和设置成根据发动机工作条件控制火花塞4的点火正时以实现MBT(例如最佳转矩的理想点火正时或爆燃界限)。

图2是说明用于控制燃油喷射量等的气缸进气量Cc(气缸3内的空气质量量)的计算的控制方框图。本发明的气缸进气量确定装置被配置和设置成当进气量改变时(例如当气门正时改变时或在低气门升程操作期间在进气门5的前后之间有压差时)，更准确地计算气缸进气量。

本发明的气缸进气量确定装置基本上包括歧管内模型，其包括歧管内空气量计算部分20和歧管内压(internal pressure)计算部分21；和气缸内模型，其包括气缸内压计算部分22和气缸进气量计算部分23。因此，通过气缸进气量确定装置的歧管内模型和气缸内模型，内燃机1的气缸进气量Cc被计算。

歧管内空气量计算部分20被配置和被设置成根据流入进气歧管8的流入空气量Qa和从进气歧管8流出的流出空气量(质量；g)之间的平衡计算歧管内空气量Cm(g)。如上所述，根据来自空气流量计15的输出信号，流入进气歧管8的流入空气量Qa被计算。从进气歧管8流出的流出空气量等于在先前控制例程中所计算的气缸进气量的先前值Cc(n-1)。

歧管内压计算部分21被配置和被设置成根据歧管内空气量Cm和基于来自温度传感器16的输出信号所确定的进气温度Tm(进气歧管8内的蒸气温度)，计算进气歧管8内的歧管内压Pm(Pa)。更具体地说，通过将歧管内空气量Cm、气体常数R和进气温度Tm相乘，并且用歧管容积Vm(m³)除该乘积，歧管内压Pm被计算，如下列方程式1所示：

Pm＝Cm·R·Tm/Vm…方程式1

气缸内压计算部分22被配置和被设置成计算对应于由曲轴转角传感器13所检测的曲轴转角Ca的气缸内压Pc(Pa)。因此，从进气歧管8流出的流出空气量Cc(n-1)和曲轴转角Ca被输入到气缸内压计算部分22。通过用气缸容积Vc(m³)除气缸内空气量Wc(气缸3中的剩余气体量)，气缸内压Pc被计算，如下列方程式2所示。参照图4的流程图，下面将详细地说明气缸内空气量Wc和气缸内压Pc的计算。

Pc＝Wc/Vc…方程式2

气缸进气量计算部分23被配置和被设置成根据进气温度Tm和歧管内压计算部分21中的歧管内压Pm和气缸内压计算部分22中的气缸内压Pc的计算结果计算气缸进气量Cc，该进气温度Tm根据来自温度传感器16的输出信号被确定。更具体地说，通过下列方程式3，使用k作为规定值(例如比热比)和使用Ai作为进气门5的开口表面积，气缸进气量Cc被计算。

Cc = Ai \cdot Pm \sqrt{\frac{k}{k - 1} \cdot \frac{2}{R \cdot Tm} {{(\frac{Pc}{Pm})}^{\frac{2}{k}} - {(\frac{Pc}{Pm})}^{\frac{k + 1}{k}}}}

…方程式3

如上所述，这里所计算的气缸进气量Cc为自进气歧管8的流出空气量，当在下一个控制周期中计算下一个气缸进气量Cc时其用作先前值Cc(n-1)。

在已计算气缸进气量Cc之后，用进气门5的开口表面积Ai和气缸3内的气体密度ρ除气缸进气量Cc以计算气缸流入速度(cylinder inflow velocity)Vi(进气门通过速度)，如下列方程式4所示：

Vi＝Cc/Ai·ρ…方程式4

气缸流入速度Vi可被用于估计附着于进气门5的顶部(headportion)上的燃油周缘流(peripheral flow)(壁流)的模式(pattern)或影响。因此，通过计算气缸流入速度Vi，通过考虑燃油周缘流的影响，内燃机1的操作可被有效地控制。

现在参照图3的流程图将说明气缸进气量Cc计算的控制流程。在图3中所说明的处理最好以规定的时间间隔被执行。

在图3的步骤S1中，控制单元12读取由温度传感器16所检测的进气歧管8内的进气温度Tm。该步骤S1对应于用于计算进气温度Tm的温度计算部分。

在步骤S2中，根据流入进气歧管8的流入空气量Qa和从进气歧管8流出的流出空气量Cc(n-1)之间的平衡(balance)，计算进气歧管8内的歧管内空气量Cm。步骤S2对应于图2中的歧管内空气量计算部分20。

在步骤S3中，计算进气歧管8内的歧管内压Pm。如上述方程式1所示，根据歧管内空气量Cm、进气温度Tm和歧管容积Vm，计算歧管内压Pm。步骤S3对应于图2中的歧管内压计算部分21。

在步骤S4中，如上述方程式2所示，根据气缸内空气量Wc和气缸容积Vc，计算气缸内压Pc。步骤S4对应于图2中的气缸内压计算部分22。

在步骤S5中，如上述方程式3所示，根据进气温度Tm、歧管内压Pm和气缸内压Pc，计算气缸进气量Cc。步骤S5对应于图2中的气缸进气量计算部分23。

在步骤S6中，如上述方程式4中所示，根据气缸进气量Cc和进气门5的开口表面积Ai，计算气缸流入速度Vi。因此，按照本发明，由于在计算气缸流入速度Vi时考虑到了进气歧管8内的歧管内压Pm和气缸3内的气缸内压Pc，所以可以非常准确地计算出气缸流入速度Vi。而且，计算气缸流入速度Vi使得能够在从燃油喷射阀11喷射燃油(即周缘流)之后考虑到附着于进气门5的顶部的燃油的影响。该步骤S6对应于本发明的气缸流入速度计算部分。

现在参照图4的流程图将更详细地说明用于计算气缸内压Pc(图3中的步骤S4)的控制流程。在图4中所说明的该处理最好以规定的时间间隔被执行。

在图4的步骤S11，对应于排气门6关闭时段(period)的排气门关闭时段EVC被检测。通过将升程传感器设置到排气门6或根据由控制单元12所控制的气门关闭命令值，可直接检测排气门关闭时段EVC。而且，根据从曲轴转角传感器13所输出的信号，可确定排气门关闭时段EVC。

在步骤S12中，确定排气门6是否处于排气门关闭时段EVC。如果排气门6处于排气门关闭时段EVC(即当排气门6关闭时)，则控制进到步骤S13。如果排气门6未处于排气门关闭时段EVC(即排气门6打开时)，则控制进到步骤S15。

在步骤S13中，气缸内压Pc被设置为等于根据来自排气压力传感器17的输出信号所确定的排气压力Pex。

在步骤S14中，气缸内空气量Wc被设置为等于气缸3中剩余气体量(内EGR量)。气缸3中剩余气体量最好例如，如在第2002-272670号日本专利申请中所公开的被计算。在该参考文献中，根据来自排气温度传感器24、进气压力传感器25和排气压力传感器17的输出信号，在排气门关闭时段EVC(即排气门6关闭)期间的气缸内温度Tc和气缸内压Pc被计算。然后，对应于空燃比的排气气体常数被计算。通过使用气缸内温度Tc、气缸内压Pc和气体常数，气缸3内的气体量被计算。而且，根据来自曲轴转角传感器13、水温传感器26、进气和排气凸轮角度传感器27和28、加速踏板传感器14的输出信号，在进气门5的开启时段和排气门6的开启时段之间的气门重叠期间的反冲(blow-back)气体量被计算。然后根据所计算气缸3中的气体量和所计算的反冲气体量，气缸3中的剩余气体量(内部EGR量)被计算。

或者，可根据排气压力Pex计算气缸内压Pc，排气温度和气体常数。根据至少一个所计算的值可计算在排气门关闭时段EVC期间的气缸3中的剩余气体量。然后，可计算在气门重叠期间的反冲气体的量，并且根据气缸3中的气体量和反冲气体量可计算气缸3中的剩余气体量(内部EGR量)。

或者，可根据在排气门关闭时段EVC期间的气缸3内的估计温度、所计算的气缸内压Pc和所计算的气体常数中的至少一个，计算在排气门关闭时段EVC期间的气缸3中的气体量。然后，计算在气门重叠期间的反冲气体量。通过计算当发动机处于稳定状态时的气缸3内的平均温度和告知(impart)相对于气缸3内的平均温度变化的时间延迟，计算气缸3内的估计温度。然后，根据气缸3内的气体量和反冲气体量，计算气缸3中的剩余气体量。

在步骤S15中，通过将在步骤S5中所计算的流入空气量Cc(n-1)与气缸内空气量Wc的先前值Wc(n-1)相加，计算当前气缸内空气量Wc。

在步骤S16中，通过将活塞冠面面积Ac与活塞2的行程ΔST(行程距离)相乘，并且将该乘积与气缸容积Vc的先前值Vc(n-1)相加，计算当前气缸容积Vc。

在步骤S17中，通过将在步骤S15中所计算的气缸内空气量Wc除以在步骤S16中所计算的气缸容积Vc，计算当前气缸内压Pc。

因此，本实施例的气缸进气量确定装置基本上包括歧管内空气量计算部分20、歧管内压计算部分21、气缸内压计算部分22和气缸进气量计算部分23。歧管内空气量计算部分被配置和设置成根据流进进气歧管8的流入空气量Qa和从进气歧管8流出的流出空气量Cc(n-1)之间的平衡，计算歧管内空气量Cm(图3中的步骤S2)。歧管内压计算部分21被配置和设置成至少根据在歧管内空气量计算部分20中所计算的歧管内空气量Cm，计算歧管内压Pm(图3中的步骤S3)。气缸内压计算部分22被配置和设置成根据影响气缸3内的气体状态的参数气缸容积Vc、排气压力Pex和气缸内空气量Wc中至少一个，计算气缸内压Pc(图3中的步骤S4和图4中的步骤S11-S17)。气缸进气量计算部分23被配置和设置成根据歧管内压Pm和气缸内压Pc，计算气缸进气量Cc(图3中的步骤S5)。因此，当气缸进气量Cc变化时，例如当气门正时变化时或当低气门升程操作期间在进气门5的前后之间有压差时，可对应于这些变化非常准确地计算气缸进气量Cc。

本实施例的气缸进气量确定装置还包括温度计算部分(图3中的步骤S1)，其被配置和设置成根据来自温度传感器16的输出信号计算进气温度Tm；和歧管内压计算部分21，其被配置和设置成根据歧管内空气量Cm和进气温度Tm计算歧管内压Pm。因此，根据歧管内空气量Cm和进气温度Tm可非常准确地计算进气歧管8内的压力Pm。因此，也可非常准确地计算气缸进气量Cc。

而且，本实施例的气缸进气量确定装置包括如上所述的温度计算部分(图3中的步骤S1)，并且气缸进气量计算部分23还被配置和设置成根据歧管内压Pm、气缸内压Pc和进气温度Tm计算气缸进气量Cc。因此，气缸进气量Cc可按上列方程式3被计算。

也按照本实施例，歧管内空气量计算部分20被配置和设置成根据来自空气流量计15的输出信号计算流入到进气歧管8的流入空气量Qa。因此，没有必要设置单独的测量装置。

此外，本实施例的气缸进气量确定装置也包括气缸流入速度计算部分(图3中的步骤S6)，其被配置和设置成根据由气缸进气量计算部分23所计算的气缸进气量Cc，计算气缸流入速度Vi。因此，可按方程式4计算气缸流入速度Vi，并且可预测进气门5的顶部上的周缘流的影响，并且在控制内燃机1的操作中可考虑该影响。

正如在此为了说明上面的实施例所使用的那样，下列的方向性术语“向前、向后、之上、向下、垂直、水平、之下、横向”以及其它类似的方向性术语指装备了本发明的车辆的这些方向。因此，像所使用的用来描述本发明的这些术语应当被理解为是相对于本发明的车辆而言。在此为了描述部件、部分、装置等实现的操作或功能使用的术语“检测”包括不需要进行物理检测的部件、部分、装置等，也包括执行操作或功能的确定或计算等。在此为了描述装置的部件、部分或单元使用的术语“配置”包括被构造和/或编程以实现要求的功能的硬件和/或软件。此外，在权利要求中被表示为“装置加功能”的术语应该包括为了实现本发明该部分功能可以采用的任何结构。在此使用的诸如“基本上”、“约”和“接近”的关于程度的术语表示所修改术语的合理偏离量，使得不显著改变最终结果。例如，如果该偏离不否定其修改词的意思，可把这些术语被理解为包括对修改术语的±5％的偏离。

尽管以上仅选择所选实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员从所公开的内容清楚地理解在不脱离如后附的权利要求所限定的本发明范围的情况下，可对本发明进行各种变化和修改。此外，根据本发明的实施例的上述描述只是用于说明，而非用于限制由后附的权利要求和其它等同物所限定的本发明。因此，本发明的范围不限于上述所公开的实施例。

Claims

1.一种气缸进气量确定装置，包括：

歧管内空气量计算部分，被配置成根据流入进气歧管的空气量和流出进气歧管的空气量之间的平衡计算歧管内空气量；

歧管内压计算部分，被配置成至少根据歧管内空气量计算歧管内压；

气缸内压计算部分，被配置成根据影响气缸内的蒸气状态的至少一个参数计算气缸内压；和

气缸进气量计算部分，被配置成根据歧管内压和气缸内压计算气缸进气量。

2.根据权利要求1的气缸进气量确定装置，其中：

气缸内压计算部分还被配置成使用气缸容积、排气压力和气缸内空气量中的至少一个作为影响气缸内蒸气状态的至少一个参数。

3.根据权利要求1的气缸进气量确定装置，还包括：

温度计算部分，被配置成计算进气温度；并且

歧管内压计算部分还被配置成根据歧管内空气量和进气温度计算歧管内压。

4.根据权利要求1的气缸进气量确定装置，还包括：

温度计算部分，被配置成计算进气温度；并且

气缸进气量计算部分还被配置成根据歧管内压、气缸内压和进气温度计算气缸进气量。

5.根据权利要求1的气缸进气量确定装置，其中：

歧管内空气量计算部分还被配置成通过使用来自空气流量计的输出信号计算流入进气歧管的空气量。

6.根据权利要求1的气缸进气量确定装置，还包括：

气缸流入速度计算部分，被配置成根据气缸进气量计算气缸流入速度。

7.根据权利要求2的气缸进气量确定装置，还包括：

温度计算部分，被配置成计算进气温度；并且

8.根据权利要求7的气缸进气量确定装置，还包括：

温度计算部分，被配置成计算进气温度；并且

9.根据权利要求8的气缸进气量确定装置，其中：

10.根据权利要求9的气缸进气量确定装置，还包括：

11.一种确定内燃机的气缸进气量的方法，包括：

根据流入进气歧管的空气量和流出进气歧管的空气量之间的平衡计算歧管内空气量；

至少根据歧管内空气量计算歧管内压；

根据影响气缸内的蒸气状态的至少一个参数，计算气缸内压；

根据歧管内压和气缸内压，计算气缸进气量。

12.如权利要求11中所述的确定气缸进气量的方法，其中：

使用气缸容积、排气压力和气缸内空气量中的至少一个作为影响气缸内的蒸气状态的至少一个参数。