CN100441850C - 内燃机的控制装置以及内燃机的失火判定方法 - Google Patents

Abstract

内燃机(1)，使燃料和空气的混合气体在各燃烧室(3)内燃烧而产生动力。内燃机(1)具有缸内压传感器(15)和ECU(20)。ECU(20)对规定的两点算出控制参数，该控制参数是由缸内压传感器(15)检测的缸内压力与该缸内压力检测时的缸内容积以规定的指数累乘后的值的积，并根据规定的两点间的该控制参数的差分判定燃烧室(3)内的失火状态。

Description

内燃机的控制装置以及内燃机的失火判定方法

技术领域

本发明涉及一种使燃料和空气的混合气体在缸内燃烧而产生动力的内燃机的控制装置以及内燃机的失火判定方法。

背景技术

以往以来，在专利文献1中公开有如下的内燃机燃烧状态检测装置：使通过缸内压检测装置检测的各燃烧室的缸内压信号重叠，使用根据重叠的缸内压信号所算出失火判定指标来判定失火状态。这样，使多个燃烧室各自的缸内压力重叠，根据失火的有无，确认上死点前后的波形信号的对称性产生显著的变化，因而可以在内燃机燃烧的整个区域进行失火判定。

然而，在上述的以往的燃烧状态检测装置中，基本上通过按微小的单位曲柄角对由缸内压检测装置检测的缸内压进行积分处理来算出失火破判定指标。因此，以往的燃烧状态检测装置的运算负荷很大，实际上很难将以往的装置适用于例如车辆用内燃机等中。

专利文献1    特开平11-82150号公报

发明内容

本发明提供一种实用的内燃机的控制装置以及内燃机的失火判定方法，可以以低负荷高精度地对缸内失火状态进行判定。

本发明的内燃机的控制装置，使燃料和空气的混合气体在缸内燃烧而产生动力，其特征在于，具有：缸内压检测装置；运算装置，根据由缸内压检测装置检测的缸内压力和该缸内压力检测时的缸内容积算出控制参数；和失火判定装置，根据由运算装置算出的控制参数判定缸内的失火状态。

控制参数优选为，由缸内压检测装置检测的缸内压力与该缸内压力检测时的缸内容积以规定指数累乘后的值的积。

优选的是，运算装置对规定的两点算出控制参数，失火判定装置在该规定的两点间的控制参数的差分小于第一阈值时判断为缸内处于不完全失火状态。

优选的是，失火判定装置在上述规定的两点间的控制参数的差分小于第一阈值，并且小于比第一阈值还小的第二阈值时，判断为缸内处于完全失火状态。

优选的是，规定的两点中的一方设定在吸气阀开阀后且在燃烧开始前，另一方设定在燃烧开始后且在排气阀开阀前。

本发明的内燃机的失火判定方法，使燃料和空气的混合气体在缸内燃烧而产生动力，包括如下的步骤：

(a)检测缸内压力的步骤；

(b)根据在步骤(a)检测的缸内压力和该缸内压力检测时的缸内容积算出控制参数的步骤；

(c)根据在步骤(b)算出的控制参数判定缸内的失火状态的步骤；

控制参数优选为，在步骤(a)检测的缸内压力与该缸内压力检测时的缸内容积以规定指数累乘后的值的积。

优选的是，在步骤(b)中，对规定的两点算出控制参数，在步骤(c)中，在该规定的两点间的控制参数的差分小于第一阈值时判断为缸内处于不完全失火状态。

优选的是，步骤(c)，在上述规定的两点间的控制参数的差分小于第一阈值，并且小于比第一阈值还小的第二阈值时，判断为缸内处于完全失火状态。

优选的是，规定的两点中的一方设定在吸气阀开阀后且在燃烧开始前，另一方设定在燃烧开始后且在排气阀开阀前。

附图说明

图1是表示在本发明中使用的控制参数PV^k和燃烧室内的热产生量的相关性的图表。

图2是本发明的内燃机的概略结构图。

图3是用于说明图3的内燃机的动作的流程图。

具体实施方式

本发明者们，为了实现运算负荷的降低并且可以控制高精度内燃机，进行了专心的研究。其结果，本发明者们着眼于一种控制参数，所述控制参数是根据由缸内压检测装置检测的缸内压力、和该缸内压力检测时的缸内容积而算出的。更为详细而言，本发明者们着眼于控制参数P(θ)·V^k(θ)(以下适当记作PV^k)，该控制参数P(θ)·V^k(θ)，是将曲柄角为θ时通过缸内压检测装置检测的缸内压力设为P(θ)，将曲柄角为θ时的缸内容积设为V(θ)，将比热比设为k时，作为缸内压力P(θ)和缸内容积V(θ)以比热比(规定的指数)k累乘后的值V^k(θ)的积而得到的。而且，本发明者们发现，内燃机的缸内的热产生量Q相对曲柄角的变化模式与控制参数PV^k相对曲柄角的变化模式，具有如图1所示的相关性。在图1中，-360°、0°和360°对应上死点，-180°和180°对应下死点。

在图1中，实线描绘控制参数PV^k，该控制参数PV^k为，在规定的模型气缸中间隔规定的微小曲柄角而检测到的缸内压力与该缸内压力检测时的缸内容积以规定的比热比k累乘后的值的积。而且在图1中，虚线根据下式(1)将上述模型气缸的热产生量Q作为Q＝∫dQ算出并描绘。为了方便起见，在任何情况下都使k＝1.32。

数学式1

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\θ}}=\{\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\θ}}\·V+k\·P\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\θ}}\}\·\frac{1}{k-1}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

由图1所示的结果可知，热产生量Q相对曲柄角的变化模式与控制参数PV^k相对曲柄角的变化模式大致一致(相似)，特别是在缸内的混合气体的燃烧开始(汽油发动机中的火花点火时，柴油发动机中的压缩着火时)前后(例如图1中的约-180°至约135°的范围)，热产生量Q的变化模式和控制模式PV^k的变化模式极为良好地一致。

另一方面，在某个气缸中发生失火时，在该气缸中，与没有发生失火的气缸相比，从燃烧开始(火花点火或者压缩着火)前的某个时序开始至燃烧开始后的某个时序的热产生量∫dQ(例如从θ₁至θ₂(其中θ₁＜θ₂)对dQ进行积分得到的值，下同)变小。而且，该热产生量∫dQ也根据缸内的失火的程度变化。因此，通过利用这种缸内的热产生量Q和失火状态的关系、和由本发明者们发现的缸内的热产生量Q和控制参数PV^k的相关性，可以根据控制参数PV^k以低负荷且精度良好地判定缸内的失火状态，其中，该控制参数PV^k是根据缸内压检测装置检测的缸内压力和该缸内压力检测时的缸内容积算出的。

这样，在本发明的内燃机的控制装置中，根据上述新的发现，根据由检测缸内压力的缸内压检测装置所检测的缸内压力和该缸内压力检测时的缸内容积算出控制参数，根据该控制参数，也就是根据由缸内压检测装置检测的缸内压力与该缸内压力的检测时的缸内容积以规定的指数累乘后的值的积——控制参数PV^k，判定缸内的失火状态。

而且，优选的是，对规定的两点算出控制参数，在该规定的两点间的控制参数的差分小于第一阈值时判断为缸内处于不完全失火状态，而且，优选的是，在上述规定的两点间的控制参数的差分小于第一阈值，并且小于比第一阈值还小的第二阈值时，判断为缸内处于完全失火状态。

如上所述，本发明者们所着眼的控制参数PV^k，反映内燃机的缸内的热产生量Q，规定的两点间(例如缸内燃烧开始的前后两点)的控制参数PV^k的差分，表示上述两点间的缸内的热产生量∫dQ，是以极低负荷算得的。该两点间的缸内的热产生量∫dQ，根据缸内失火的程度而变化，例如缸内处于不完全失火状态等时，该热产生量∫dQ收容于规定的范围内。因此，通过对规定的两点间的控制参数PV^k的差分和第一以及第二阈值进行比较，可以大幅地降低运算负荷并精度良好地判定缸内的失火状态。此时，优选的是，上述规定的两点中的一方设定在吸气阀开阀后且在燃烧开始前，另一方设定在燃烧开始后且在排气阀开阀前。

以下，参照附图对本发明的最佳实施方式进行具体的说明。

图2表示本发明的内燃机的概略结构图。如该图所示的内燃机1，使燃料和空气的混合气体在形成于气缸体2中的燃烧室3的内部燃烧，通过使活塞4在燃烧室3内往复移动而产生动力。内燃机1优选构成为多气缸发动机，本实施方式的内燃机1例如构成为4气缸发动机。

各燃烧室3的吸气口分别与吸气管(吸气歧管)5连接，各燃烧室3的排气口分别与排气管6(排气歧管)连接。而且，在内燃机1的气缸盖上，对应每个燃烧室3设置吸气阀Vi和排气阀Ve。各吸气阀Vi开闭对应的吸气口，各排气阀Ve开闭对应的排气口。该吸气阀Vi和各排气阀Ve例如通过具有可变阀定时功能的阀动机构(未图示)而进行动作。进而，内燃机1具有与气缸数对应的数量的火花塞7，火花塞7以面对对应的燃烧室3内部的方式配置在气缸盖上。

吸气管5，如图2所示，与稳压罐8连接，在稳压罐8上连接有进气管线L1，进气管线L1通过空气过滤器9连接于未图示的空气入口。而且，在进气管线L1的中途(稳压罐8和空气过滤器9之间)组装节流阀(在本实施方式中是电子控制式节流阀)10。另一方面，在排气管6上，如图3所示，连接有包含三元催化剂的前段催化剂装置11a和包含NO_x吸留还原催化剂的后段催化剂装置11b。

而且，内燃机1具有多个喷射器12，各喷射器12如图2所示，面对对应的燃烧室3内部而配置在气缸盖上。而且，内燃机1的各活塞4构成所谓的深盘顶面型(深皿頂面型)，在其上面具有凹部4a。在内燃机1中，在使空气吸入各燃烧室3内的状态下，从各喷射器12向各燃烧室3内的活塞4的凹部4a直接喷射汽油等燃料。由此，在内燃机1中，在火花塞7的附近，燃料和空气的混合气体层以与周围的空气层分离的状态形成(成层化)，因而可以使用极为稀薄的混合气体执行稳定的成层燃烧。本实施方式的内燃机1，作为所谓的直喷发动机进行说明，但是并不限定于此，本发明当然可以适用于吸气管(吸气口)喷射式的内燃机。

上述各火花塞7、节流阀10、各喷射器12以及阀动机构等，与作为内燃机1的失火判定装置而起作用的ECU20电连接。ECU20包括未图示的CPU、ROM、RAM、输入输出口以及存储装置等。如图3所示，在ECU20上，电连接有以内燃机1的曲柄角传感器14为代表的各种传感器。ECU20使用存储在存储装置中的各种映射等，并根据各种传感器的检测值等，控制火花塞7、节流阀10、喷射器12以及阀动机构等，以得到期望的输出。

而且，内燃机1只具有与气缸数对应数量的缸内压传感器(缸内压检测装置)15，该缸内压检测装置包括压电元件或者光纤检测元件等。各缸内压传感器15，面对对应的燃烧室3内部而配置在气缸盖上，与ECU20电连接。各缸内压传感器15检测对应的燃烧室3的缸内压力，将表示检测值的信号提供给ECU20。

接着，参照图3对上述内燃机1的失火判定处理的程序进行说明。

在内燃机1起动后，从怠速(idle)状态向怠速切断(idle off)状态过渡时，如图3所示，ECU20根据来自未图示的加速器位置传感器的信号等，确定内燃机1的目标转矩，并使用预先准备的映射等，设定与目标转矩对应的吸入空气量(节流阀10的开度)和来自各喷射器12的燃料喷射量(燃料喷射时间)(S10)。而且，ECU20在S12将节流阀10的开度设定为在S10求得的开度，并例如在吸气行程中从喷射器12喷射在S10确定的量的燃料。

而且，ECU20，根据来自曲柄角传感器14的信号监视内燃机1的曲柄角。ECU20，按照每个燃烧室3，在到达设定在各吸气阀Vi的开阀后且在各火花塞7进行点火前的第一时序(曲柄角变为θ₁的时序)时，根据来自缸内压传感器15的信号，取得曲柄角变为θ₁时的缸内压力P(θ₁)(S14)。而且，ECU20按照每个燃烧室3算出控制参数P(θ₁)·V^k(θ₁)，存储于RAM的规定存储区域中(S16)。该控制参数是取得的缸内压力P(θ₁)与缸内压力P(θ₁)检测时，也就是曲柄角变为θ₁时的缸内容积V(θ₁)以比热比k(在本实施方式中k＝1.32)累乘后的值的积。

第一时序优选设定为比各燃烧室3内开始燃烧的时刻(点火时)足够靠前的时序。在本实施方式中，第一时序例如为来自曲柄角传感器14的信号所表示的曲柄角为-60°的时序(θ₁＝-60°，也就是上死点前60°)。而且，V^k(θ₁)的值(在本实施方式中为V^k(-60°)的值)预先算出并存储在存储装置中。

在S16的处理后，ECU20，按照每个燃烧室3，在到达设定在各火花塞7的点火后且在各排气阀Ve开阀前的第二时序(曲柄角变为θ₂的时序)时，根据缸内压传感器15的信号，取得曲柄角变为θ₂时的缸内压力P(θ₂)(S18)。进而，ECU20按照每个燃烧室3算出控制参数P(θ₂)·V^k(θ₂)，存储于RAM的规定存储区域中(S20)。该控制参数P(θ₂)·V^k(θ₂)是取得的缸内压力P(θ₂)与缸内压力P(θ₂)检测时，也就是曲柄角变为θ₂时的缸内容积V(θ₂)以比热比k(在本实施方式中k＝1.32)累乘后的值的积。第二时序优选设定为燃烧室3内的混合气体的燃烧大致完成的时序。在本实施方式中，第二时序例如为来自曲柄角传感器14的信号所表示的曲柄角为90°的时序(θ₂＝90°，也就是上死点后90°)。而且，V^k(θ₂)的值(在本实施方式中为V^k(90°)的值)预先算出并存储在存储装置中。

如上所述，求出控制参数和P(θ₁)·V^k(θ₁)和P(θ₂)·V^k(θ₂)时，ECU20按照每个燃烧室3，将第一以及第二时序间的控制参数PV^k的差分，作为ΔPV^k＝P(θ₂)·V^k(θ₂)-P(θ₁)·V^k(θ₁)而算出，存储于RAM的规定存储区域中(S22)。该差分ΔPV^k如上所述，表示第二时序和第一时序之间(规定的两点间)的在各燃烧室3中的热产生量∫dQ，也就是表示从第一时序到第二时序之间在燃烧室3内产生的热量。这样，通过从S14至S22的处理，可以对应每个燃烧室3简易并且迅速地算出能够良好地反映第一时序和第二时序之间的热产生量的控制参数PV^k的差分ΔPV^k。由此，与按照微小的单位曲柄角对缸内压力进行积分处理而判定个燃烧室3中的失火状态的情况相比，可以大幅地降低ECU20的运算负荷。

在此，用于表示第二时序和第一时序之间的(规定的两点间)的在任何一个燃烧室3内的热产生量∫dQ的差分ΔPV^k，根据该燃烧室3内的失火的程度而改变，例如当该燃烧室3内处于不完全失火状态时，差分ΔPV^k变得小于规定值。而且，当该燃烧室3内处于完全失火状态时，差分ΔPV^k小于该规定值(理论上为零)。因此，在S22求得差分ΔPV^k时，ECU20对应每个燃烧室3判定差分ΔPV^k是否小于预先确定的第一阈值α(S24)。在S24判断为整个燃烧室3的差分ΔPV^k不小于第一阈值α时，ECU20认为在任何一个燃烧室3中都没有发生失火，返回S10重复其以后的一系列的操作。

另一方面，在S24判断为对至少任意一个燃烧室3的差分ΔPV^k小于第一阈值α时，ECU20认为该燃烧室3的内部处于不完全失火状态，与该燃烧室对应的未图示的计数器加1(S26)。而且，ECU20判定该计数器的计数值是否超过预先规定的阈值(S28)。在S28判断为计数器的计数值没有超过预先规定的阈值时，ECU20利用规定的映射等，根据求得的差分ΔPV^k对节流阀10的开度、来自喷射器12的燃料喷射量、吸气阀Vi和/或排气阀Ve的开闭时序(在具有排气回流系统的内燃机中，还包括排气回流率)中的至少一个量进行校正(S30)。

也就是在内燃机1中，即使第一时序和第二时序之间的控制参数PV^k的差分ΔPV^k小于第一阈值α，在差分ΔPV^k小于第一阈值α的频度较少的情况下，认为该燃烧室3中发生的失火时暂时的。并且，在这种情况下，通过对节流开度、燃料喷射量、阀开闭时序等进行适当校正(S30)，可以抑制该燃烧室3中的其以后的失火。

而且，ECU20在S28判断为计数器的计数值超过了预先确定的阈值时，也就是判断为该燃烧室3中的失火发生的次数超过了该阈值时，重设该计数器(S32)，进而判定在S22求得的差分ΔPV^k是否小于第二阈值β(其中，β＜α)(S34)。并且，在S34中判断为ΔPV^k小于第二阈值β的情况下，ECU20例如由于火花塞7的原因等，认为该燃烧室3的内部处于完全失火状态，进行规定的警告显示(S36)。

在S34判断为差分ΔPV^k小于第二阈值β的情况下，ECU20利用规定的映射等，根据在S22求得的差分ΔPV^k对节流阀10的开度、来自喷射器12的燃料喷射量、吸气阀Vi和/或排气阀Ve的开闭时序(在具有排气回流系统的内燃机中，还包括排气回流率)中的至少一个量进行校正(S30)。也就是在内燃机1中，即使在某个燃烧室3中的失火的发生次数超过上述阈值，在差分ΔPV^k不小于第二阈值β的情况下，通过对节流开度、燃料喷射量、阀开闭时序等进行适当校正(S30)，可以抑制该燃烧室3中的其以后的失火。在S30或者S36的处理后，ECU20返回S10重复其以后的一系列的处理。

这样，在内燃机1中，根据由缸内压传感器15所检测的缸内压力P(θ)和该缸内压力P(θ)检测时的缸内容积V(θ)算出控制参数，根据该控制参数，也就是根据由缸内压传感器15检测的缸内压力P(θ)与该缸内压力P(θ)的检测时的缸内容积V(θ)以规定的指数k累乘后的值的积——控制参数PV^k，可以以低负荷并精度良好地判定燃烧室3内的失火状态。在内燃机1中，判断为燃烧室3中处于失火状态(不完全失火状态)的情况下，为了消除失火，对节流开度、燃料喷射量、阀开闭时序、排气回流率等中至少任意一个量进行校正。由此，根据内燃机1，可以良好地维持转动速度，始终得到期望的输出。

上述的内燃机1，作为汽油发动机进行说明，但是不限于此，本发明当然也可以适用于柴油发动机。特别是本发明在柴油发动机中可以适用于进行浓运转时的浓失火的判定，在各种内燃机中可以适用于进行所谓稀薄运转时的失火判定。

产业上的利用可能性

本发明对于低负荷且精度良好地判定缸内的失火状态的实用内燃机的控制装置和内燃机的失火判定方法的实现是有用的。

Claims (10)

1.一种内燃机的控制装置，使燃料和空气的混合气体在缸内燃烧而产生动力，其特征在于，具有：缸内压检测装置；

运算装置，根据由所述缸内压检测装置检测的缸内压力和该缸内压力检测时的缸内容积算出控制参数；和

失火判定装置，根据由所述运算装置算出的所述控制参数判定所述缸内的失火状态，

所述控制参数为，由所述缸内压检测装置检测的缸内压力与该缸内压力检测时的缸内容积以规定指数累乘后的值的积，

所述运算装置对规定的两点算出所述控制参数，所述失火判定装置对所述规定的两点间的所述控制参数的差分和规定的阈值进行比较，判定所述缸内的失火状态。

2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述失火判定装置在所述规定的两点间的所述控制参数的差分小于第一阈值时，判断为所述缸内处于不完全失火状态。

3.如权利要求2所述的内燃机的控制装置，由所述失火判定装置判断为所述缸内处于不完全失火状态时，对节流开度、燃料喷射量、吸气阀或者排气阀的开闭时序、以及排气回流率中的至少任意一个量进行校正，以抑制以后的失火。

4.如权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述失火判定装置，在所述控制参数的差分小于比所述第一阈值还小的第二阈值时，判断为所述缸内处于完全失火状态。

5.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述规定的两点中的一方设定在吸气阀开阀后且在燃烧开始前，另一方设定在所述燃烧开始后且在排气阀开阀前。

6.一种内燃机的失火判定方法，该内燃机使燃料和空气的混合气体在缸内燃烧而产生动力，其特征在于，包括如下的步骤：

(a)检测缸内压力的步骤；

(b)根据在步骤(a)检测的缸内压力和该缸内压力检测时的缸内容积算出控制参数的步骤；

(c)根据在步骤(b)算出的所述控制参数判定所述缸内的失火状态的步骤，

在步骤(b)中算出的所述控制参数为，在步骤(a)检测的缸内压力与该缸内压力检测时的缸内容积以规定指数累乘后的值的积，在步骤(b)对规定的两点算出所述控制参数，

步骤(c)，对所述规定的两点间的所述控制参数的差分和规定的阈值进行比较，判定所述缸内的失火状态。

7.如权利要求6所述的内燃机的失火判定方法，其特征在于，在步骤(c)中，在所述规定的两点间的所述控制参数的差分小于第一阈值时判断为所述缸内处于不完全失火状态。

8.如权利要求7所述的内燃机的失火判定方法，其特征在于，还包括步骤(d)：在步骤(c)中判断为所述缸内处于不完全失火状态时，对节流开度、燃料喷射量、吸气阀或者排气阀的开闭时序、以及排气回流率中的至少任意一个量进行校正，以抑制以后的失火。

9.如权利要求8所述的内燃机的失火判定方法，其特征在于，在步骤(c)中，在所述控制参数的差分小于比所述第一阈值还小的第二阈值时，判断为所述缸内处于完全失火状态。

10.如权利要求6所述的内燃机的失火判定方法，其特征在于，所述规定的两点中的一方设定在吸气阀开阀后且在燃烧开始前，另一方设定在所述燃烧开始后且在排气阀开阀前。

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