CN100516505C - 用于内燃发动机的点火定时控制 - Google Patents

Abstract

一种内燃发动机(1)借助于火花塞(14)点火使气缸内的空气/燃料混合物燃烧。一种发动机控制器(50)根据发动机(1)的运行状态计算气缸内的气体的点火延迟(53)，并根据所述点火延迟计算作为发生爆震的指示器的爆震产生指标(53)。所述控制器(50)根据所述爆震产生指标计算不发生爆震的一个极限点火定时(54)，并借助于把火花塞(14)的点火定时控制为所述不发生爆震的极限点火定时(55)，可以通过少量的适应步骤实现点火定时的合适的控制。

Description

用于内燃发动机的点火定时控制

技术领域

本发明涉及为了阻止内燃发动机中的爆震而进行的点火定时的控制。

背景技术

在火花点火式内燃发动机中，点火定时影响燃料消耗和发动机输出，并且不合适的点火定时导致爆震、点火失败及其类似问题。

一般地，点火定时以这样的方式被设置，即，使得内部气缸压力在上止点后10-15度(ATDC度)达到最大压力。不过，被用作设置点火定时的根据的用于获得最好的转矩的最小火花提前(下文缩写为“MBT”)按照发动机转速、发动机负载、提供给发动机的混合物的空气/燃料比、排气再循环(EGR)比以及其它因素而改变。

因此，在常规的点火定时控制中，点火定时按照运行条件被确定，其中使用对应于发动机转速和发动机负载的基本点火定时映射图以及对于不同的运行状态导出的校正值的映射图。在这种方法中，为了改善控制的精度，需要增加每个映射图的网格密度以及映射图的数量。结果，需要大量的预先实验来产生这些映射图。

在另一方面，还知道一种方法，其中由爆震传感器检测爆震，如果检测到爆震，则借助于反馈控制使点火定时被推迟。不过，因为在爆震实际发生之后才对点火定时进行反馈控制，于是在控制程序上具有延迟。

由日本专利局在1995年公布的Tokkai Hei 7-332149披露了一种用于计算气缸内的气体的温度的方法，由气缸内部相对于曲柄角的压力和在相应于开始计算时的曲柄角处气缸内气体的温度来假设气缸内气体的绝热压力。如果气缸内的温度达到1200K或以上，则认为即将发生爆震。其中，K表示绝对温度。

不过，因为这种现有技术利用压力传感器确定燃烧室内的压力，需要使计算适应于发动机的运行状态的改变，因而所需的适应步骤的数量非常大。

发明内容

本发明的目的在于通过少量的适应步骤来实现点火定时的合适的控制。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于内燃发动机的点火定时控制装置，其借助于火花塞点火使气缸内部的空气/燃料混合物燃烧。

所述装置包括可编程的控制器，其被编程用于根据发动机的运行状态计算气缸内气体的点火延迟，根据所述点火延迟计算构成发生爆震的指标的爆震产生指标，根据所述爆震产生指标计算不发生爆震的一个极限点火定时，并把火花塞的点火定时控制为所述不发生爆震的极限点火定时。

本发明还提供一种用于内燃发动机的点火定时控制方法。所述方法包括根据发动机的运行状态计算气缸内气体的点火延迟，根据所述点火延迟计算构成发生爆震的指示器的爆震产生指标，根据所述爆震产生指标计算不发生爆震的一个极限点火定时，并把火花塞的点火定时控制为所述不发生爆震的极限点火定时。

本发明的细节以及其它特征和优点在本说明的其余部分提出并在附图中示出。

附图说明

图1是按照本发明的用于发动机的点火定时控制装置的原理图。

图2A-2D是用于说明燃烧爆震产生机理的定时图；

图3是用于说明按照本发明的爆震产生指标的映射图的特征的曲线；

图4是用于比较根据爆震产生指标计算的燃烧爆震发生定时和燃烧爆震发生定时的实际测量值的曲线；

图5是表示按照本发明的点火定时控制的概况的方块图；

图6是表示按照本发明的爆震产生指标计算单元的构成的方块图；

图7是表示按照本发明的爆震产生指标计算块的构成的方块图；

图8是表示按照本发明的平均气缸温度和压力计算块的构成的方块图；

图9是表示按照本发明的气缸容积计算块的构成的方块图；

图10是表示按照本发明的生热计算块的构成的方块图；

图11是用于说明按照本发明由Wiebe函数常量设置块执行的用于计算热发生开始定时BURN_ini和实际的燃烧时间BURN_r的处理的方块图；

图12是用于说明按照本发明由生热率计算块执行的用于计算生热率的处理的方块图；

图13是用于说明按照本发明由质量燃烧率计算块执行的用于计算质量燃烧率X_burn和用于计算特性的质量燃烧率(masscombustion rate)X_burn_r的处理的方块图；

图14是用于说明按照本发明由第一生热计算块执行的用于计算每个气缸每个循环产生的热量的处理的方块图；

图15是按照本发明由第二生热计算块执行的用于计算产生的热量Q_burn的处理的方块图；

图16是用于说明按照本发明的冷却损失计算块的构成的方块图；

图17是由热传递系数计算块执行的用于计算热传递系数h的处理的方块图；

图18是表示由按照本发明的冷却损失计算块执行的用于计算冷却损失Q_loss的处理的方块图；

图19是表示按照本发明的气缸温度和压力计算块的构成的方块图；

图20是表示按照本发明由气体属性计算块执行的用于计算气缸内气体的属性的处理的方块图；

图21是表示按照本发明由总的气体体积计算机执行的用于计算总的气体体积的处理的方块图；

图22是表示按照本发明的爆震产生指标输出块的构成的方块图；

图23是用于说明按照本发明由复位标志计算块执行的用于设置复位标志的处理的方块图；

图24是表示按照本发明的未燃烧的气体温度计算块的构成的方块图；

图25是表示按照本发明由积分块执行的用于计算爆震产生指标idx_kocr的处理的方块图；

图26是表示按照本发明的提前校正极限计算单元的构成的方块图；以及

图27是表示按照本发明由点火定时计算单元执行的用于计算点火定时ADV的处理的方块图。

具体实施方式

参见图1，用于车辆的多气缸火花点火式汽油发动机1通过入口收集器2和进气歧管3A从进气通路3把空气吸入各个气缸的燃烧室5中。在连接进气歧管3A和燃烧室5的进气口4内提供有进气阀15和燃料喷射器21。

燃烧室5通过排气阀16和排气通路8相连。

燃烧室5按照和公共曲轴7相连的活塞6的往复运动扩大和缩小。图1是一种4冲程循环发动机，其重复吸气、压缩、膨胀和排气4个冲程。

在吸气冲程期间，进气阀15打开，活塞6下降，由于排气阀16处于闭合状态，空气从进气歧管3A被吸入燃烧室5。燃料喷射器21向吸入气缸的空气中喷射汽油燃料。燃料和进入的空气混和而形成被吸入燃烧室5内的空气/燃料混合物。

在随后的压缩冲程期间，进气阀15和排气阀16都被关闭，并且活塞6上升。因而，被封闭在燃烧室5内部的混合物被压缩。

发动机1包括用于对压缩的空气/燃料混合物点火的点火装置11。

点火装置11包括：点火线圈13，其存储来自电池的电能；功率晶体管，用于接通和切断供给点火线圈13的初级侧的电能供应；以及火花塞14，其面对着燃烧室5，并按照当供给初级侧的电能被切断时在点火线圈13的次级侧产生的高压来产生电火花放电。

火花塞14在压缩冲程的上止点稍前产生火花放电，并且由这个火花点火的空气/燃料混合物燃烧，所得的火焰扩散，并最后产生爆炸。

在随后的膨胀冲程中，燃烧的气体的压力向下推动活塞6，因而使曲轴7旋转。进气阀15和排气阀16保持关闭，直到膨胀冲程结束。

在随后的排气冲程中，活塞6再次上升，进气阀15保持关闭，排气阀16打开。上升的活塞6通过排气阀16把燃烧的气体驱逐到排气通路8内。当火花塞6达到上止点时，4个冲程的循环完成，下一个4冲程开始。在发动机1的两转期间，在每个气缸中进行一次上述的4冲程循环，在这些气缸之间具有规定的相位差。

发动机1具有用于调节吸入空气的流率的电子节流阀22。电子节流阀22包括被提供在进气通路3中的节流阀主体23，和用于驱动节流阀主体23的节流阀电动机24。

在发动机1的排气通路8中提供有一对三元催化转换器9，每个具有内装的三元催化剂。在一个以被燃烧的空气/燃料混合物的理论的空气/燃料比为中心的窄范围内，在和排气中的氮氧化物(NOx)再循环的同时三元催化剂促使碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，因而它们清除这些有毒的成分。

吸气阀15被安装在曲轴25上的凸轮驱动。凸轮轴25借助于链条和阀门定时控制(VTC)机构27与曲轴7连接。VTC机构27具有按照曲轴7的转角连续地改变进气阀15的打开和关闭定时的功能。

排气阀16被安装在凸轮轴26上的凸轮驱动。凸轮轴26借助于链条和阀门定时控制(VTC)机构28与曲轴7相连。VTC机构28具有按照曲轴7的转角连续地改变排气阀16的打开和关闭定时的功能。

进气节流阀23打开的程度、根据由燃料喷射器21和喷射定时喷射的燃料的量、由VTC机构27进行的吸气阀的打开和关闭定时的控制、由VTC机构28进行的排气阀的打开和关闭定时的控制、以及火花塞14的点火定时，都由发动机控制器50来控制。发动机控制器50由微控制器构成，其包括：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)。也可以由多个微型计算机构成发动机控制器50。

各种检测值作为输入信号被输入到发动机控制器50。这些检测值由以下传感器提供：用于检测在发动机1中吸入的空气的流率的空气流量计32，用于检测曲轴7的转速和旋转位置的曲柄角传感器33，用于检测吸气凸轮的转动位置的凸轮传感器34，用于检测加速器踏板41被压下的量的加速器踏板下压传感器，一对氧传感器35，其检测在三元催化转换器9上游位置的排气通路8中的排气的氧气浓度，用于检测在入口收集器2内进气温度的进气温度传感器43，用于检测在空气入口收集器2内部的吸入空气的压力的进气压力传感器44，排气温度传感器45，用于检测在三元催化转换器9上游位置的排气通路8中的排气温度，以及排气压力传感器46，用于检测在三元催化转换器上游位置的排气通路8中的排气压力。

发动机控制器50按下述方式控制进气节流阀23的开度。

发动机控制器50根据来自加速器踏板下压传感器42的信号，规定目标转矩，然后规定为实现这个目标转矩的目标空气体积。发动机控制器50通过节流阀电动机24，按照获得这个目标空气体积的方式控制节流阀23的开度。

发动机控制器50用下述方式通过VTC机构27控制进气阀的打开和关闭定时，以及通过VTC机构28控制排气阀的打开和关闭定时。

当进气阀15的打开和关闭定时以及排气阀16的打开和关闭定时被改变时，保留在燃烧室5内部的惰性气体的量相应地改变。在燃烧室5内的惰性气体的量越大，泵吸损失越小，并且燃料消耗越低。在燃烧室5内的惰性气体的所需剩余量按照发动机1的转速和负载被预先设置。当惰性气体的剩余量已被确定时，进气阀15的关闭定时和排气阀16的关闭定时便被确定。其中，发动机控制器50按照下述参数确定进气阀15和排气阀16的目标关闭定时：由曲柄角传感器33测量的发动机1的转速，以及由加速器踏板下压传感器42确定的加速器踏板的下压量，其代表发动机的负载。发动机控制器50按照实现这些目标关闭定时的方式控制VTC机构27和28。

发动机控制器50用下述方式控制由燃料喷射器21进行的燃料喷射。

发动机控制器50根据由空气流量计32测量的吸入空气体积计算在发动机1的4冲程循环期间，换句话说，在发动机1每转720度时，要吸入每个气缸的空气的体积。

为了使三元催化转换器9呈现所需的反应效率，需要把空气/燃料比维持在理想配比(stoichiometric)的空气/燃料比附近。因此，发动机控制器50由吸入的空气的体积用以下方式计算目标燃料喷射体积，即，使得空气/燃料混合物具有目标空气/燃料比，所述目标空气/燃料比被设置在理论空气/燃料比附近。发动机控制器50根据目标燃料喷射量控制由燃料喷射器21喷射的燃料的量，而与此同时，其根据由氧传感器35确定的排气中的氧气浓度计算被燃烧的空气/燃料混合物的实际的空气/燃料比。发动机控制器50用以下方式进行目标燃料喷射量的反馈校正，即，使得实际的空气/燃料比和目标空气/燃料比一致。

发动机控制器50根据由曲柄角传感器33确定的曲柄角和由凸轮传感器34确定的凸轮的转角，用以下方式控制各个燃料喷射器21的喷射定时，即，使得在规定的目标喷射定时向每个气缸喷射燃料。

发动机控制器50用下述方式控制火花塞14的点火定时。

发动机控制器50根据由曲柄角传感器33确定的曲柄角和由凸轮传感器34确定的凸轮的转角，确定被设置为在每个气缸中的压缩上止点稍前的目标点火定时。在每个气缸中，借助于通过点火装置11的功率晶体管切断点火线圈13中的初级电流，使火花塞14在各自的目标点火定时点火。

下面说明作为本发明的主题的用于确定目标点火定时的处理。

首先，参照图2A-2D以及3A和3B说明目标点火定时规定处理的概况。在图2A-2D中，纵轴的位置相应于压缩上止点(CTDC)。

当由于火花塞14的点火而使空气/燃料混合物开始燃烧时，生热率快速增加，如图2A所示。此外，图2B所示的气缸的内部温度和图2C所示的气缸内的内部压力也增加。

此时，如果在由点火而产生的火焰传播之前由于压缩而产生的热量使得发生压缩的空气/燃料混合物的预点火时，则在发动机1内发生所谓的“燃烧爆震”，因而气缸的内部压力发生波动，如图2C所示。燃烧爆震破坏发动机1，因此发动机控制器50借助于控制火花塞14的点火定时进行爆震控制，以便阻止燃烧爆震。

直到由于压缩而产生的热量而使压缩的空气/燃料混合物达到自点火时所需的时间被称为自点火时间间隔tau。自点火时间间隔tau被表示为点火温度和压力的因子。自点火时间间隔的倒数，即1/tau，被称为点火延迟。在下面，也用1/τ表示点火延迟。

如图2D所示，本发明人发现，当点火延迟1/τ的时间积分

等于1时，发生燃烧爆震。

图3是表示在压缩冲程期间作为气缸内的温度和气缸内的压力的因子的点火延迟1/τ的改变的映射图。点火延迟1/τ由粗的曲线表示。用时间对该曲线积分给出时间积分值其中在曲线的右上方端这个时间积分等于1。在下面的说明中，时间积分

被称为爆震产生指标。

图4表示由本发明人进行的在利用上述的方法计算的燃烧爆震定时和使用爆震传感器实际测量的燃烧爆震定时之间比较的结果。由图可见，根据爆震产生指标计算燃烧爆震定时的方法和实际测量的燃烧爆震定时几乎完全一致。

根据气缸内的压力和气缸内的温度设置爆震产生指标，如图3A所示。气缸内的温度和压力是和发动机气缸中的气体状态有关的最基本的量，因此，由这些因素确定的爆震产生指标

具有几乎一致的特性，而和发动机的类型无关。

因为诸如发动机的加温状态或环境条件等因素实际上一般根本无影响，通过使用爆震产生指标，能够以高的精度实时地估算燃烧爆震定时。

下面参照图5说明根据本发明基于爆震产生指标

的点火定时的控制。该图中所示的所有方块是一些用于说明控制器50的功能的虚拟的单元，并不作为物理实体存在。

参见图5，运行条件确定单元51确定和发动机1的运行条件有关的参数，基本点火定时计算单元52根据这些参数计算燃料喷射器21的基本点火定时MBTCAL。基本点火定时计算单元52包括燃烧速度计算子单元521，燃烧时间计算子单元522，以及基本点火定时计算子单元523。

美国专利6557526披露了一种用于根据发动机1的运行条件，在燃烧室内正常燃烧的情况下，对于空气/燃料混合物计算燃烧速度、燃烧时间和基本点火定时的方法。运行条件确定单元51和基本点火定时计算单元52(包括燃烧速度计算子单元521，燃烧时间计算子单元522，以及基本点火定时计算子单元523)其应用这一已知的计算方法计算每个项。

由基本点火定时计算单元52计算的基本点火定时MBTCAL相应于美国专利6557526中的最好转矩下的最小提前(MBT)。

爆震产生指标计算单元53计算爆震产生指标。

提前校正极限计算单元54计算爆震产生指标等于1时的曲柄角。这个曲柄角相应于用于点火定时的提前校正极限。

参见图6，说明爆震产生指标计算单元53的构成。发动机控制器50在发动机1的操作期间以预定的曲柄角delta_theta的间隔执行下述的计算处理。

基本点火定时MBTCAL，曲柄角间隔delta_theta，以及爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ被输入到爆震产生指标计算单元53。

爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ是一个布尔值，当曲柄角和基本点火定时MBTCAL一致时，其从初始值0变为1。

爆震产生指标计算单元53包括比较器53001，53004，53005，和53006，计数器53002，曲柄角计算块53003，“与”电路53007和53008，以及爆震产生指标计算块530。

爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ被输入到比较器53001。同时，在发动机控制器50的存储器中存储的爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ的前一个值被输入到比较器53001。在图中的值Z^-1表示前一个值。

比较器53001比较爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ和前一个值，如果前一个值大于爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ，则其输出1，否则便输出0。在该图中，对比较器53001输入的值由两个平行的箭头表示。其中，由上箭头表示的输入的值被加于不等号的左侧，由下箭头表示的输入值被加于不等号的右侧。

上述的关系也用于其它比较器中的输入值和比较处理。

比较器53001的输出只有在爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ是1并且前一个值Z^-1是0时，换句话说，当爆震产生指标计算开始请求被首次发出时，才是1。如果爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ保持为1，则比较器53001的输出为0。

如果比较器53001的比较结果是1，则计数器53002输出1。如果比较器53001的输出是0，则计数器53002输出通过对计数器53002的前一个输出值加1而获得的值。因此，如果爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ继续保持为1的状态，则每当进行计算处理时，计数器53002的输出值i增加1。

当比较器53001的输出是1时，曲柄角计算块53003输出基本点火定时MBTCAL作为曲柄角CA_calc的初始值。如果比较器53001的输出是0，则曲柄角计算块53003对曲柄角的前一个值Z^-1加上曲柄角间隔delta_theta，并输出所得的值作为作为曲柄角CA_calc。换句话说，只要比较器53001的输出继续为0，则每当发动机控制器50执行计算处理时，曲柄角计算块53003便使曲柄角CA_calc增加曲柄角间隔delta_theta。

曲柄角CA_calc和计数器输出值i作为被处理的曲柄角CA_calc(i)被输入到爆震产生指标计算块530。

爆震产生指标计算块530根据被处理的曲柄角CA_calc(i)计算爆震产生指标和质量燃烧率X_burn。所涉及的计算将在后面详细说明。爆震产生指标计算块530的计算结果以结合有计数器输出值i的爆震产生指标idx_knocr(i)和质量燃烧率X_burn(i)的形式被输出。

比较器5004比较爆震产生指标idx_knocr(i)和1.0。如果爆震产生指标idx_knocr(i)小于1.0，则比较器53004输出1。如果爆震产生指标idx_knocr(i)达到1.0，则比较器53004输出0。

比较器53005比较质量燃烧率X_burn(i)和在燃烧结束时的燃烧率X_burn_end。燃烧结束时的燃烧率X_burn_end被设置为60％。如果质量燃烧率X_burn(i)小于燃烧结束时的燃烧率X_burn_end，则比较器53005输出1。如果质量燃烧率X_burn(i)已达到燃烧结束时的燃烧率X_burn_end，则比较器53005输出0。

比较器53004和53005的输出由“与”电路53007处理。如果比较器53004和53005的输出都是1，则“与”电路53007输出1，如果这些输出的任何一个是0，则其输出0。“与”电路53007的输出被存储在发动机控制器50的ROM中。

在另一方面，比较器53006比较计数器53002的输出值i和曲柄角计算的预定次数n_CA_calc。如果计数器值i小于曲柄角计算次数n_CA_calc，则比较器53006输出1。如果计数器值I已达到曲柄角计算次数n_CA_calc，则比较器53006输出0。

如果来自比较器53006的输入信号和被存储在RAM中的“与”电路53007的前一个输出值都为0，则“与”电路53008对发动机控制器50输出一个中断计算请求，并对爆震产生指标计算块530输出计算允许。如果来自比较器53006的输入信号或被存储在RAM中的“与”电路53007的前一个输出值的任何一个为1，则“与”电路53008停止输出所述中断计算请求和计算允许。

作为上述的处理的结果，如果当曲柄角和基本点火定时MBTCAL一致时爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ从0变为1，则爆震产生指标计算块530以预定的曲柄角间隔delta_theta计算爆震产生指标idx_knocr(i)和质量燃烧率X_burn(i)，并且爆震产生指标计算单元53输出这些值。在这个计算处理的初始阶段，爆震产生指标idx_knocr(i)的值小于1.0，质量燃烧率X_burn(i)小于在燃烧结束时的燃烧率X_burn_end，并且计数器53002的输出值i小于曲柄角计算的预定次数n_CA_calc。

因此，“与”电路53008的输出信号是1，并且根据中断计算请求和施加到爆震产生指标计算块530的计算允许，计算爆震产生指标idx _nocr(i)和质量燃烧率X_burn(i)，并以预定的曲柄角间隔delta_theta输出。

当爆震产生指标idx_knocr(i)的前一个值，质量燃烧率X_burn(i)的前一个值，以及计数器53002的输出值i中的任何一个达到其比较值时，对“与”电路53008的一个输入从0变为1。因而，“与”电路53008停止输出计算请求和计算允许。

下面参照图7说明由爆震产生指标计算块530进行的爆震产生指标idx_knocr(i)和质量燃烧率X_burn(i)的计算。

爆震产生指标计算块530包括平均气缸温度和压力计算块531和爆震产生指标输出块532。

下述的值被输入到平均气缸温度和压力计算块531：曲柄角CA，发动机速度NE，基本点火定时MBTCAL，燃料喷射脉冲宽度TP，气缸体积的初始值V_cyl_ini，气缸温度的初始值T_cyl_ini，气缸压力的初始值P_cyl_ini，点火死时间IGNDEAD，燃烧时间BURN，参考燃烧率X_ref，以及剩余气体比MRESFR。

由曲柄角传感器33确定的曲柄角被用作曲柄角CA。由曲柄角传感器33确定的发动机转速被用作曲轴转速NE。燃料喷射脉冲宽度TP按照由空气流量计32测量的进气流率Q和由曲柄角传感器33确定的发动机速度NE来计算。在美国专利5345921披露的公知的计算方法用于这种计算。

气缸体积的初始值V_cyl_ini表示在基本点火定时MBTCAL时的气缸的体积。气缸体积的初始值V_cyl_ini利用上述美国专利6557526中所述的公知的计算方法被预先确定。气缸体积的初始值V_cyl_ini相应于在美国专利6557526中定义的气缸体积的初始值VIVC。在下面的说明中，气缸体积的初始值V_cyl_ini被作为一个固定值来处理。

气缸温度的初始T_cyl_ini表示在基本点火定时MBTCAL时气缸内的温度。气缸温度的初始值T_cyl_ini利用上述美国专利6557526中所述的公知的计算方法来预先确定。气缸温度的初始值T_cyl_ini相应于在美国专利6557526中定义的气缸温度的初始值TINI。

气缸压力的初始P_cyl_ini表示在基本点火定时MBTCAL时气缸内的压力。气缸压力的初始值P_cyl_ini由初始气缸体积V_cyl_ini和初始气缸温度T_cyl_ini来计算。

点火死时间IGNDEAD表示从发动机控制器50输出点火信号到火花塞14实际点火的时间。点火死时间IGNDEAD取决于发动机速度NE，其借助于美国专利6557526所述的公知的计算方法确定。

燃烧时间BURN是初始燃烧时间BT1和主燃烧时间BT2的和，如美国专利6557526所披露的。

参考燃烧率X_ref相应于美国专利6557526中披露的参考燃烧率R2。参考燃烧率R2按重量是60％。

剩余气体比MRESFR表示在燃烧的空气/燃料混合物中剩余的惰性气体的比率。剩余气体比MRESFR由美国专利6557526中披露的公知的计算方法确定。剩余气体比MRESFR相应于美国专利6557526中披露的剩余气体比EGRREM。

美国专利6557526的内容被包括在此，供在进行上述计算时参考。

参见图8，平均气缸温度和压力计算块531包括气缸体积计算块5311，生热计算块5312，冷却损失计算块5313，和气缸温度与压力计算块5314。

气缸体积计算块5311根据曲柄角CA计算气缸体积V_cyl和活塞位移x_pis。

参见图9，气缸体积计算块5311包括活塞位移计算块5311和气缸体积计算块53112。活塞位移计算块53111利用下式(1)由曲柄角CA计算活塞位移x_pis。

$x\_\mathrm{pis}=(\mathrm{CRL}+\mathrm{CND}-\mathrm{CRL}\·\cos \mathrm{CA})-\sqrt{{\mathrm{CND}}^2-{\mathrm{CRL}}^2\·{\sin }^2\mathrm{CA}}---\left(1\right)$

其中，CRL＝曲轴的长度，

CND＝连杆的长度，以及

CND ＝连杆的长度。

气缸体积计算块5311使用下式(2)计算气缸体积V_cyl：

$V\_\mathrm{cyl}=\mathrm{Vc}+\frac{\mathrm{\π}}{4}\·D^2\·x\_\mathrm{pis}---\left(2\right)$

其中Vc＝间隙体积(m³)，以及

D＝气缸芯直径(m)。

参见图8，生热计算块5312由曲柄角CA，燃料喷射脉冲宽度TP，基本点火定时MBTCAL，点火死时间IGNDEAD，燃烧时间BURN，参考燃烧率X_ref，以及剩余气体比MRESFR来计算生热率Q_burn，用于计算属性的质量燃烧率X_burn_r，以及质量燃烧率X_burn。

参看图10，生热计算块5312包括Wiebe函数常量设置块53121，生热率计算块53122，质量燃烧率计算块53123，第一生热计算块53124，用于计算每个气缸每个循环产生的热量，以及第二生热计算块53125，用于计算每个计算时间间隔每个气缸产生的热量。

首先说明由Wiebe函数常量设置块5312使用的Wiebe函数。

质量燃烧率X(％)表示生热率的特性，其可以作为曲柄角θ(度)的函数被表示为下式(3)：

$X=1-\exp \{-a\·{\left(\frac{\mathrm{\θ}-\mathrm{\θs}}{{\mathrm{\θ}}_B}\right)}^{n+1}\}---\left(3\right)$

其中，θs＝在实际开始燃烧时的曲柄角(度)，

θ_B＝实际的燃烧时间(度)，以及

a，n＝常量。

常量a，n取决于发动机的类型，即，取决于燃烧室5的形状、火花塞14的位置、燃烧室5内的气流特性，等。常量a，n可以由实验预先确定。公式(3)表示Wiebe函数。

当式(3)相对于曲柄角θ被微分时，获得表示生热率的下式(4)

$\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{d\θ}}=\frac{a\·(n+1)}{{\mathrm{\θ}}_B}\·{\left(\frac{\mathrm{\θ}-\mathrm{\θs}}{{\mathrm{\θ}}_B}\right)}^n\·\exp \{-a\·{\left(\frac{\mathrm{\θ}-\mathrm{\θs}}{{\mathrm{\θ}}_B}\right)}^{n+1}\}---\left(4\right)$

当相对于实际燃烧时间θ_B求解式(4)时，获得下式(5)：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{\mathrm{\θ}}{{\left\{\frac{-\log (1-X)}{a}\right\}}^{\frac{1}{n+1}}}---\left(5\right)$

参见图11，Wiebe函数常量设置块53121通过把点火死时间IGNDEAD加到基本点火定时MBTCAL来计算生热开始定时BURN_ini。此外，计算当把θ＝BURN，X＝X_ref代入式(5)时获得的θ_B的值作为实际的燃烧时间BURN_r。生热开始定时BURN_ini和实际燃烧时间BURN_r一般被称为生热模式。

参见图12，生热率计算块53122由曲柄角CA、生热开始定时BURN_ini和实际燃烧时间BURN_r，通过把这些值按下述代入式(4)：θ＝CA，θs＝BURN_ini，θ_B＝BURN_r，导出生热率dX/dθ。

参见图13，质量燃烧率计算块53123通过根据曲柄角CA、生热开始定时BURN_ini和实际燃烧时间BURN_r以及剩余气体比MRESFR计算式(3)来确定质量燃烧率X_burn，和用于计算属性的质量燃烧率X_burn_r。

质量燃烧率X_burn是一个不考虑留在燃烧混合物内的惰性气体的值，并且用于计算属性的质量燃烧率X_burn_r是考虑留在燃烧混合物内的惰性气体的值。

参见图14，第一生热计算块53124根据燃料喷射脉冲宽度TP、常量KCONST、目标空气/燃料比TABYF、以及较低的热值Heat_Lower来计算每个循环每个气缸的生热量。

目标空气/燃料比TABYF是在一个单独的单元中由空气/燃料比控制器建立的燃烧混合物的空气/燃料比的目标值。较低的热值Heat_Lower是一个将由燃料的燃烧产生的热量表示为在燃烧中消耗的每单位质量的空气的热量的值。

参见图15，第二生热计算块53125根据由生热率计算块53122计算的生热率dX/dθ和由第一生热计算块531241计算的每一循环每个气缸产生的热量来计算热量Q_burn。

接着，参照图16说明冷却损失计算块5313的构成。

冷却损失计算块5313包括燃烧室表面积计算块53131、平均活塞速度计算块53132、气体属性计算块53133、气缸压力计算块53134、气缸温度计算块53135、热传递系数计算块53136、以及冷却损失计算块53137。

燃烧室表面积计算块53131根据活塞位移x_pis计算燃烧室5的表面积。平均活塞速度计算块53132根据发动机速度NE计算平均活塞速度。这些都是算数计算，这里省略其详细说明。

气体属性计算块53133根据由剩余气体比MRESFR和气缸温度确定的质量燃烧率计算比热比k。计算方法和图20所示的气体属性计算块53141使用的方法相同。这个计算方法将在后面说明。

气缸压力计算块53134根据气缸压力的前一个值、气缸体积的前一个值、气缸体积的当前值、比热比k来计算气缸中的压力P_cyl。这个计算通过假定为绝热条件来进行。

气缸温度计算块53135根据气缸温度的前一个值、气缸体积的前一个值、气缸体积的当前值、比热比k来计算气缸中的温度T_cyl。这个计算在假定为绝热的条件下进行。

下面说明热传递系数计算块53136。

首先说明用于表示由热传递系数计算块53136和冷却损失计算块53137处理的冷却损失的Woschni方程。

冷却损失QL通过下式(6)计算。

$\mathrm{QL}={\∫}_{11}^{12}h\·A(T-\mathrm{Tw})\·\mathrm{dt}---\left(6\right)$

$h=110\·d^{-0.2}\·P^{0.8}\·T^{-0.53}\·{\{C1\·\mathrm{cm}+C2\·\frac{\mathrm{Vs}\·T_1}{P_1\·V_1}\·(P-P_M)\}}^{0.8}---\left(7\right)$

其中

d＝气缸芯直径(m)

Vs＝气缸的体积(m³)

Cm＝平均活塞速度(m/sec)

P₁＝当进气阀闭合时气缸中的压力(kgf/cm²)

V₁＝当进气阀闭合时气缸的体积(m³)

T₁＝当进气阀闭合时气缸温度(K)

PM＝气缸中的压力(kgf/cm²)

P＝气缸中的压力(kgf/cm²)

T＝气缸温度(K)

C1＝6.18(排气冲程)或2.28(压缩冲程和膨胀冲程)，以及

C2＝3.24×10^-3(m/sec-K)。

C1和C2一般作为常量使用。

参见图17，热传递系数计算块53136根据气缸压力、气缸温度、平均活塞速度、气缸压力、初始气缸温度、初始气缸体积和初始气缸压力，按照式(8)计算热传递系数h。

参见图18，冷却损失计算块53137通过根据气缸温度、燃烧室壁温度、燃烧室表面积、热传递系数和发动机速度NE求解公式(7)来计算冷却损失Q_loss。

下面参照图19说明气缸温度和压力计算块5314的构成。

气缸温度和压力计算块5314包括气体属性计算块53141、总的气体体积计算块53142、绝热气缸压力计算块53143、绝热气缸温度计算块53144、气缸温度计算块53145、以及气缸压力计算块53146。

气体属性计算块53141根据质量燃烧率和气缸温度计算气体的物理属性(即，在恒定体积下的比热比和比热)。

其中，当根据燃烧的气体的比，换句话说，用于计算属性的质量燃烧率，计算气体属性时，应用下面的关系式(8)。

(气体属性值)＝(燃烧的气体属性值)×(燃烧的气体比)+(未燃烧的气体属性值)×(1-燃烧的气体比)     (8)

参见图20，气体属性计算块53141根据气缸温度T_cyl确定在恒定体积下的比热和燃烧的气体的比热比。类似地，还根据气缸的温度T_cyl确定在恒定体积下的比热和未燃烧气体的比热比。然后借助于分别乘以燃烧的气体的比和未燃烧的气体的比来计算气缸中的气体的属性。气缸温度T_cyl的初始值是T_cyl_ini。

参见图21，总的气体体积计算块53142根据燃料喷射脉冲宽度TP、常量KCONST和目标空气/燃料比TABYF来计算总的气体体积。

再次参见图19，绝热气缸压力计算块53143根据气缸压力的前一个值、气缸体积的前一个值、气缸体积的当前值和比热比k计算绝热气缸压力。

绝热变化气缸温度计算块53144根据气缸温度的前一个值、气缸体积的前一个值、气缸体积的当前值和比热比k来计算绝热气缸温度。

气缸温度计算块53145根据绝热气缸温度、产生的热量、冷却损失、总的气体体积和在固定体积下的比热计算气缸温度T_cyl。

气缸压力计算块53146根据绝热气缸压力、气缸温度和绝热气缸温度计算气缸压力P_cyl。

至此结束图7所示的平均气缸温度和压力计算块531的构成的说明。

下面参照图7，说明图7中的爆震产生指标输出块532的构成。

参见图22，爆震产生指标输出块532包括复位标志计算块5321、未燃烧气体温度计算块5322、瞬间点火延迟倒数计算块5323和积分块5324。

参见图23，如果曲柄角CA超过基本点火定时MBTCAL，复位标志设置块5321设置复位标志为ON。

参见图24，未燃烧气体温度计算块5322包括未燃烧气体属性计算块53221和未燃烧气体温度计算块53222。未燃烧气体属性计算块53221具有和气体属性计算块53141相同的构成。其中，通过输入为0的质量燃烧率只计算未燃烧气体的属性。未燃烧气体温度计算块53222根据未燃烧气体温度的前一个值、气缸压力的当前值、气缸压力的前一个值和比热比k来计算未燃烧气体温度T_ub。

瞬时点火延迟倒数计算块5323通过参考由实验预先建立的映射图，根据未燃烧气体的温度T_ub和气缸压力P_cyl来计算瞬时点火延迟的倒数tauinv。

参见图25，积分块5324由发动机速度NE计算转过预定的曲柄角所需的时间，并且其通过相对于时间积分瞬时点火延迟的倒数tauinv来计算爆震产生指标idx_kocr。当复位标志是ON时，0作为爆震产生指标idx_kocr的初始值被输入。

至此结束图5所示的爆震产生指标计算单元53的构成的说明。

下面参照图26说明图5所示的提前校正极限计算单元54的构成。提前校正极限计算单元54包括曲柄角计算块541、质量燃烧率计算块542、爆震强度计算块543、以及延迟宽度计算块544。

曲柄角计算块541根据由实验预先确定的例如图中所示的特性曲线，由爆震产生指标idx_kocr(i)和被处理的曲柄角CA_calc(i)确定在爆震时的曲柄角CA_knk。其中，在爆震产生指标idx_kocr(i)达到门限值1.0时的被处理的曲柄角CA_calc(i)被用作在爆震时的曲柄角CA_knk。在横轴上标记的曲柄角CA_calc(i)上的箭头的方向相应于延迟的方向。

质量燃烧率计算块542根据由实验预先确定的例如图中所示的特性曲线，由被处理的曲柄角CA_calc(i)、质量燃烧率X_burn(i)和在爆震时的曲柄角CA_knk来确定在爆震时的质量燃烧率X_bknk。

爆震强度计算块543由在爆震时的曲柄角CA_knk和在爆震时的质量燃烧率X_bknk确定爆震强度I_knk。在图中，由箭头指示的方向，换句话说，向下的方向，是延迟方向。

延迟宽度计算块544根据由实验预先确定的例如图中所示的特性曲线，由爆震强度I_knk确定延迟宽度CA_rtd。延迟宽度CA_rtd表示从基本点火定时MTBCAL的延迟量，这相应于提前校正极限。

下面参照图27说明图5所示的点火定时计算单元55。点火定时计算单元55确定相对于基本点火定时MBTCAL被延迟所述延迟宽度CA_rtd的点火定时ADV。

在本发明中，根据点火延迟计算爆震极限点火定时。当经过按照发动机型号和条件确定的预定点火延迟时，可燃气体在爆炸中燃烧。在点火延迟和爆震发生的可能性之间具有非常紧密的相关性。

通过如本发明那样根据点火延迟计算爆震极限点火定时，可以精确地计算爆震极限点火定时。

对于每个发动机型号，按照温度和压力均匀地确定点火延迟。借助于计算气缸温度和气缸压力，然后从所得值计算点火延迟，能够实现实际上均匀的防爆震特性，而不管发动机的规范如何。此外，可以实时地以高精度计算点火延迟，而不管发动机的加温状态和环境条件。

在气缸中的气体的点火延迟和未燃烧气体的温度之间具有非常紧密的相关性。因此，通过计算未燃烧的气体的温度，然后根据这个未燃烧的气体的温度计算点火延迟，可以更精确地计算点火延迟。

由爆震定时和在爆震紧前面的质量燃烧率可以精确地估计是否即将发生爆震，并根据这个结果，可以精确地计算爆震极限点火定时。

如果爆震被预测到，则可以通过对点火定时进行延迟校正来避免爆震的实际发生。在所有的时间，都可以把基本点火定时设置为MBT，因而可以减少适应步骤的数量，并且可以改善燃料消耗。通过设置一个合适的延迟量，可以阻止由于过量的延迟而导致的燃料消耗和操作属性的劣化。

此外，在本发明中，通过参考生热模式可以更容易和更合适地计算质量燃烧率。

通过积分在每个时刻的瞬时点火延迟的倒数以便计及气缸温度和气缸压力的变化，可以更精确地计算爆震产生指标。借助于在每次计算曲柄角时增加计算的点的数量，可以增加爆震指标计算的精度。

瞬时点火延迟的倒数的积分提供表示“爆震即将发生的可能性”的指标。因此，通过比较这个指标和一个预定的门限值，能够确定将要发生爆震时的曲柄角。

因为爆震产生定时和爆震极限点火定时根据点火延迟被计算，能够减少在发动机中实际实现时所需的适应步骤的数量，而不管发动机的型号如何。

因为可以不使用内部气缸压力传感器来计算爆震极限点火定时，所以可以确保实现本发明的费用被保持为低。

申请日为2004年2月20日的Tokugan 2004-044423，和在日本的申请日为2004年2月20日的Tokugan 2004-044495的内容被包括在此作为参考。

虽然上面参照本发明的一些实施例对本发明进行了说明，但是本发明不限于上述实施例。在本发明的范围内，本领域技术人员可以对上述实施例作出许多改变和改型。

例如，在上述实施例中，爆震产生指标通过相对于时间积分点火延迟的倒数

被导出，但是爆震产生指标也可以通过相对于曲柄角theta而不相对于时间积分点火延迟的倒数来确定。

在上述实施例中，使用传感器检测用于控制所需的参数。但是本发明也可以应用于使用要求保护的参数进行要求保护的控制的任何点火定时控制装置和方法，而不管这些参数是如何获得的。

要求专有性或私有性而被保护的本发明的实施例被限定如下。

Claims (18)

1.一种用于内燃发动机(1)的点火定时控制装置，所述内燃发动机借助于火花塞(14)点火使气缸内的空气/燃料混合物燃烧，所述装置包括：

可编程的控制器(50)，其被编程用于：

根据发动机(1)的运行状态计算气缸内的气体的点火延迟(53)；

根据所述点火延迟计算构成发生爆震的指示器的爆震产生指标(53)；

根据所述爆震产生指标计算不发生爆震的极限点火定时(54)；以及

把火花塞(14)的点火定时控制为所述不发生爆震的极限点火定时(55)。

2.如权利要求1所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据运行状态计算气缸内的温度和压力(531)，并根据气缸内的温度和压力计算气缸内的气体的点火延迟(5323)。

3.如权利要求2所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据运行状态以及气缸内的温度和压力计算气缸内的未燃烧的气体的温度(5322)，并根据气缸内的未燃烧气体的温度和压力计算气缸内的气体的点火延迟(5323)。

4.如权利要求1所述的点火定时控制装置，其中，所述运行状态包括发动机(1)的曲柄角，并且所述控制器(50)还被编程用于由所述曲柄角计算当前质量燃烧率(530)，根据爆震产生指标计算在爆震时的曲柄角(541)，相对于在爆震时的曲柄角计算气缸内的气体的质量燃烧率(542)，以及由所述相对于在爆震时的曲柄角的气缸内的气体的质量燃烧率和所述当前质量燃烧率计算不产生爆震的极限点火定时(543，544)。

5.如权利要求4所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据爆震产生指标达到预定门限值时的曲柄角来确定不发生爆震的极限点火定时(541-544)。

6.如权利要求4所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据运行状态计算基本点火定时，并由相对于在爆震时的曲柄角的气缸内气体的质量燃烧率以及当前质量燃烧率来计算延迟宽度(543，544)，并通过根据所述延迟宽度延迟所述基本点火定时来确定不产生爆震的极限点火定时(55)。

7.如权利要求6所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于随着相时于爆震时的曲柄角的气缸内气体的质量燃烧率的减少而增加所述延迟宽度(543，544)。

8.如权利要求6所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于随着爆震时的曲柄角沿提前方向增加而增加延迟宽度(543，544)。

9.如权利要求2所述的点火定时控制装置，其中，所述运行状态包括发动机(1)的曲柄角和吸入空气的体积，并且所述控制器(50)还用于根据吸入空气的体积计算相对于所述曲柄角的气缸内气体生热模式(53121)，并根据所述生热模式计算气缸内的温度和压力(5314)。

10.如权利要求9所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于由所述生热模式计算相对于所述曲柄角的气缸内气体的质量燃烧率(53123)，并根据相对于所述曲柄角的气缸内气体的质量燃烧率和爆震时的曲柄角来计算相对于爆震时的曲柄角的气缸内气体的质量燃烧率(542)。

11.如权利要求1-10中任何一个所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于以预定的时间间隔计算气缸内气体的点火延迟(5323)，并借助于积分所述点火延迟的倒数计算爆震产生指标。

12.如权利要求11所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于按照运行状态改变积分时间间隔(53)。

13.如权利要求12所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据运行状态计算基本点火定时(52)，并用于设置所述基本点火定时作为所述积分时间间隔的起点(53)。

14.如权利要求12所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据运行状态计算空气/燃料混合物的燃烧速度(521)，并用于根据所述燃烧速度确定积分时间间隔的结束点(53005)。

15.如权利要求14所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据燃烧速度计算空气/燃料混合物的质量燃烧率(531)，并且当所述质量燃烧率达到一个预定值时确定积分时间间隔结束(53005)。

16.如权利要求14所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于根据燃烧速度计算空气/燃料混合物的质量燃烧率(531)，并且当所述质量燃烧率达到一个预定值时或者当爆震产生指标达到一个预定门限值时确定积分时间间隔结束(53007)。

17.如权利要求12所述的点火定时控制装置，其中，所述控制器(50)还被编程用于当爆震产生指标达到一个预定门限值时确定积分时间间隔结束(53004)。

18.一种用于内燃发动机(1)的点火定时控制方法，所述内燃发动机借助于由火花塞(14)点火使气缸内的空气/燃料混合物燃烧，所述方法包括：

根据发动机(1)的运行状态计算气缸内气体的点火延迟(53)；

根据所述点火延迟计算构成发生爆震的指示器的爆震产生指标(53)；

根据所述爆震产生指标计算不发生爆震的极限点火定时(54)；以及

把火花塞(14)的点火定时控制为所述不发生爆震的极限点火定时(55)。

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