CN100526627C - 用于内燃机的控制装置 - Google Patents
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Abstract
计算发动机负荷比的目标值。为了使实际的发动机负荷比等于目标发动机负荷比,根据进气管压力计算所需的目标节气门开度,该进气管压力是在节气阀下游的进气通道中的压力。计算收敛的节气门开度,假定该目标进气量保持在计算的目标进气量时,实际的节气门开度收敛于该收敛的节气门开度。当发动机处于瞬态运行过程中时,将最终目标节气门开度设置为目标节气门开度,而当发动机处于稳态运行过程中时,将最终目标节气门开度设置为收敛的节气门开度。然后,驱动节气阀,以便使该实际的节气门开度等于该最终的目标节气门开度。
Description
技术领域
本发明涉及用于内燃机的控制装置。
背景技术
业已知道有一种内燃机,其中计算目标进气量,计算为了使实际进气量等于目标进气量所需要的目标节气门开度,并且节气阀由致动器驱动,以便使实际的节气门开度等于目标节气门开度(见日本待审查专利公开5—65845号)。
例如,当发动机加速并因此目标进气量逐渐增加时,目标气门开度突然增加然后突然减小,因此实际气门开度突然增加然后突然减小,其后收敛在某个值,以便使实际进气量很快等于目标值。换句话说,当目标进气量增加或减少时,节气门开度波动或摆动很大。
另一方面,在发动机加速或减速时,目标进气量连续增加或减少,而在发动机稳态运行过程中,目标进气量增加和减少交替地重复进行。即便在目标进气量稍稍增加或减少时,也将发生上述的节气门开度波动。因此,在发动机稳态运行过程中,也可能够存在节气门开度大幅度波动的情况。此外,节气阀或致动器的寿命可能在短时间内降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于内燃机的控制装置,在发动机稳态运行过程中其能够防止节气门开度的波动,因此防止节气阀和用于驱动该节气阀的装置的寿命在短时间内降低。
根据本发明,提供一种用于内燃机的控制装置,该内燃机具有进气通道和设置在该进气通道中的节气阀,该控制装置包括:用于计算进气量的目标值的目标空气量计算装置;用于计算为了使实际进气量等于目标进气量所需要的目标节气门开度的目标节气门开度计算装置;用于计算收敛的节气门开度并当发动机在稳态运行过程中时将最终目标节气门开度设定为收敛的节气门开度的设置装置,该收敛的节气门开度是假定目该标进气量保持在由该目标进气量计算装置所计算的目标进气量时实际节气门开度收敛于其的节气门开度;以及驱动装置,用于驱动节气阀以便实际节气门开度等于最终的目标节气门开度。
附图说明
从下面结合附图对本发明优选实施例的描述可以更充分地理解本发明,其中:
图1示出内燃机的全貌;
图2示出说明根据本发明实施例的示意图;
图3示出图解说明KLT的映射;
图4A和图4B示出用于说明根据本发明实施例的时间图;
图5A和图5B分别示出用于说明正向进气模型和反向进气模型的示意图;
图6A和图6B示出用于说明每种计算模型的示意图;
图7示出图解说明μA(θt)的映射;
图8A和图8B分别示出图解说明k1和k2的映射;
图9示出说明根据本发明实施例的用于计算最终目标节气门开度θtTf程序的流程图。
具体实施方式
图1示出本发明应用于火花点火式内燃机的情形。可选地,本发明也可以应用于压缩点火式内燃机。
参考图1,附图标记1表示作为例子的具有四缸的发动机机身,2表示气缸体,3表示气缸盖,4表示活塞,5表示燃烧室,6表示进气阀;7表示进气口,8表示排气阀,9表示排气口以及10表示火花塞。进气口7经相应的进气支管11连接于稳压罐(surge tank)12,而稳压罐12经进气道13连接于空气滤清器14。燃料喷射器15设置在每个进气支管11中,而节气阀17设置在进气道13中,由步进电机16驱动。注意,节气阀17下游的进气道13、稳压罐12、进气支管11以及进气口7在本说明书中称之为进气管IM。
另一方面,排气口9经排气歧管18和排气管19连接于催化转换器20,而该催化转换器经消音器(未示出)与外面的空气连通。
电子控制单元30由数字计算机构成,该计算机包括ROM(只读存储器)32,RAM(随机存储器)33,CPU(微处理器)34,输入端口35和输出端口36,它们通过双向总线31相互连接。节气门开度传感器40连接于节气阀17,用于检测该节气阀17的开度,即节气门开度θt。空气流量计41连接于在节气阀17上游的进气道13,用于检测流过该发动机进气通道的进气流量。该空气流量计41具有内置的大气温度传感器,用于检测大气温度Ta(K)。还有,加速踏板42与用于检测该加速踏板42的降低ACC的负荷传感器43相连。该加速踏板42的降低ACC代表所需要的负荷。传感器40、41和43的输出电压通过相应的A/D转换器37输入给输入端口35。而且,该输入端口35与曲轴转角传感器44相连,曲轴转角用于例如,曲轴每旋转30°产生输出脉冲。CPU34根据来自曲轴转角传感器44的输出脉冲计算发动机速度NE。另一方面,输出端口36通过相应的驱动电路38连接于火花塞10、燃料喷射器15和步进电机16,它们根据从电子控制单元30输出的信号控制来控制。
参考图2,根据本发明的实施例中,首先计算表示进气量的发动机负荷比KL(%)的目标值KLT。目标发动机负荷比KLT可以根据加速踏板42的降低ACC进行计算,并且可以用图3所示的映射形式预先存储在ROM32中。然后,利用反向进气模型(稍后说明)从目标发动机负荷比KLT计算目标节气门开度θtT,该开度是为了使实际的发动机负荷比KL等于目标值KLT所需要的节气门开度。而且,利用反向节气阀模型(稍后说明)从目标发动机负荷比KLT计算收敛的节气门开度θtCV,假定目标发动机负荷比保持在计算的KLT的情况下,实际节气门开度收敛于该收敛的节气门开度。
在此之后,判断是哪种过程,发动机稳态运行过程或瞬态运行过程。例如,当加速踏板42的下降ACC的变化量或变化速率大于预定值时,判断为发动机瞬态运行过程;当加速踏板42的下降ACC的变化量或变化速率小于预定值时,判断为发动机稳态运行过程。然后,在发动机瞬态运行过程时将最终目标节气门开度θtTf设定为目标节气门开度θtTf;当发动机在稳态运行过程时,将最终目标节气门开度θtTf设定为收敛的节气门开度θtCV。之后,节气阀17被步进电机16驱动,以便实际节气门开度θt等于最终目标节气门开度θtTf。
参考图2,如果进气管IM中的压力被称作进气管压力Pm(kPa),那么当实际节气门开度θt等于最终目标节气门开度θtTf时实现的进气管压力Pm利用正向进气模型(稍后说明)从最终目标节气门开度θtTf计算出。重复计算目标发动机负荷比KLT、目标节气门开度θtT、收敛的节气门开度θtCV以及最终目标节气门开度θtTf,并且利用这样计算的进气管压力Pm计算在下一步处理循环中的目标节气门开度θtT和收敛的节气门开度θtCV。
下面,参考图4A和图4B,以目标发动机负荷比KLT增加并且然后保持不变作为例子,进一步说明根据本发明的实施例。
图4A示出发动机瞬态运行过程的情况。当目标发动机负荷比KLT如图4A中箭头所示大大增加时,在这种情况下等于目标节气门开度θtT的最终目标节气门开度θtTf突然增加,然后突然减小,此后其收敛于某个值。最终目标节气门开度θtTf以这种形式表现的原因是,从反向进气模型计算的目标节气门开度θtT(见图2)是为了,例如通过节气阀17的单个驱动/运行,使实际发动机负荷比KL等于目标比KLT所需要的节气门开度。结果,实际的发动机负荷比KL快速增加,并且快速地等于并保持在目标比KLT。
另一方面,图4B示出发动机稳态运行过程的情况。当目标发动机负荷比KLT如图4B所示稍稍增加时,目标节气门开度θtT突然增加并然后突然减小,此后,如瞬态运行过程一样,它收敛于收敛的节气门开度θtCV。因此,如果最终目标节气门开度θtTf设置为目标节气门开度θtT,并且实际节气门开度θt控制成等于最终目标节气门开度θtTf,那么节气门开度θt可能不合乎要求地大幅度波动。
另一方面,如果实际节气门开度θt转变为并保持在收敛的节气门开度θtCV,实际的发动机负荷比KL比较缓慢地增加,并且然后收敛于目标发动机负荷比KLT。在这种情况下,节气门开度θt不大幅度波动。
所以,在根据本发明的实施例中,在发动机稳态运行过程中,最终目标节气门开度θtTf设置为收敛的节气门开度θtCV。在这种情况下,使实际的发动机负荷比KL等于目标比KLT需要比较长的时间。但是,这不会引起任何问题,因为在发动机稳态运行过程中目标发动机负荷比KLT稍稍变化。
注意,在发动机稳态运行中,根据最终目标节气门开度θtTf而不是目标节气门开度θtT计算进气管压力Pm。这确保了进气管压力Pm的精确计算。
上述发动机负荷比KL由下面的方程式(1)定义,例如:
其中,Mc表示气缸内充气量(克),它是当进气冲程完成时已经充入每个气缸中的空气量;DSP表示发动机的排量(升);NCYL表示气缸数;pastd表示标准状态下(1个大气压和25℃)的空气密度(=约1.2g/升)。
如果从进气管IM吸进气缸CYL中的空气流速称作气缸内进气流速mc(克/秒),则气缸内充气量Mc用下面的方程式(2)表示:
Mc=mc·tiv (2)
其中tiv表示每个气缸进行一次进气冲程所需要的时间(秒)。
通过用kk代替系数,那么发动机负荷比KL也可以用下面的方程式(3)表示:
KL=kk·mc (3)
另一方面,反向进气模型和正向进气模型是模拟进气流的计算模型。下面将说明正向进气模型。
在根据本发明的实施例中,正向进气模型由节气阀模型、进气管模型和进气阀模型构成,如图5A所示。
下面说明节气阀模型。该节气阀模型是模拟通过节气阀17的进气流的计算模型。注意,进气管IM中的空气温度称作进气管温度Tm(K)。
如图6A所示,假定节气阀17上游的压力和温度分别是大气压力Pa和大气温度Ta,而节气阀17下游的压力和温度分别是进气管压力Pm和进气管温度Tm,通过节气阀的空气流速mt(克/秒)是通过节气阀17的空气流速,利用通过节气阀17的空气的线性速度vt(米/秒)用下面的方程式(4)表示:
mt=ut·At·vt·ρm (4)
其中μt表示在节气阀17中的流动系数,At表示该节气阀17的开启面积(m2),而ρm表示该节气阀17下游或进气管IM中的空气密度(kg/m3)。注意,流动系数μt和开启面积At分别是节气门开度θt的函数。
而且,关于节气阀17上游和下游的空气的能量守恒定律用下面的方程式(5)表示:
其中Cp表示在恒定空气压力下的比热。
而且,认为,在节气阀17的无限远上游,该进气管IM的截面积是无穷大并且空气流速为零,关于节气阀17上游和下游的空气的动量守恒定律用下面的方程式(6)表示:
ρm·v2=Pa-Pm (6)
因此,通过节气阀的空气流速mt用下面的方程式(7)表示,这是从节气阀17的上游的表达式(Pa=ρa·R·Ta,其中ρa表示该节气阀17上游或大气中的空气的密度(kg/m3),R表示气体常数)、节气阀17下游的表达式(Pm=ρm·R·Tm)以及上面的方程式(4)、(5)和(6)得到的:
其中,μA(θt)代表表示流动系数μt和开启面积At的节气门开度θt的函数。函数μA(θt)预先从实验得到并以图7所示的映射形式储存在ROM32中。
从方程式(7)计算的通过节气阀的空气流速mt表示当进气管压力等于Pm时实现的通过节气阀的空气流速,并且在这时节气门开度转变为θt。
下面说明进气管模型。进气管模型是模拟在进气管IM中的进气流动的计算模型。
根据本发明实施例的进气管模型集中在关于进气管IM的质量守恒定律和能量守恒定律上。具体说,进入进气管IM的空气的流速等于通过节气阀的空气流速mt,而流出进气管IM的空气流速等于气缸内进气流速mc,如图6B所示,因此,关于进气管IM的质量守恒定律和能量守恒定律分别用下面的方程式(8)和(9)表示:
其中,Mm表示在进气管IM中存在的空气量(克),t表示时间,Vm表示进气管IM的体积(m3),而Cv表示空气等容下的比热。
方程式(8)和(9)可以用表达式(Pm·Vm=Mm·R·Tm)、迈尔关系式(Cp=Cv+R)、比热比K(=Cp/Cv)和压力-温度比PBYT(Pm/Tm)分别重写成下面的方程式(10)和(11):
在实际计算中,方程式(10)和(11)用计算的时间间隔Δt和表示计算循环次数的参数i分别表示为方程式(12)和(13):
还有,进气管温度Tm从下面的方程式(14)进行计算:
从方程式(13)计算的进气管压力Pm(i)表示在进气管压力和温度等于Pm(i-1)和Tm(i-1)时实现的进气管压力,在这时,空气进入进气管IM中的量为mt(i-1)并且流出进气管IM的量为mc(i-1)。
下面将说明进气阀模型。进气阀模型是模拟通过进气阀6的进气流动的计算模型。
实验和理论证明,气缸内进气流速mc和进气管压力Pm,或者更具体地说,进气阀6关闭时的进气管压力Pm之间,存在线性关系。根据本发明该实施例的进气管模型集中在这种关系上,因此,气缸内进气流速mc可以用下面的方程式(15)表示:
mc=k1·Pm-k2 (15)
其中,k1和k2是根据诸如发动机速度NE的发动机运行状态的常数组,并且分别以图8A和8B所示的映射形式预先储存在ROM 32中。
从方程式(15)计算的气缸内进气流速mc表示在进气管压力等于Pm时实现的气缸内进气流速。
因此,利用当方程式(7)中的(θt,Pm)用(θtTf,Pmo)代替时从方程式(7)计算的通过节气阀的空气流速mt、从方程式(15)计算的气缸内进气流速mc、以及从方程式(12)和(14)计算的进气管温度Tm,从方程式(13)计算出进气管压力Pm,该进气管压力Pm表示在实际节气门开度θt等于最终目标节气门开度θtTf时实现的进气管压力。注意,Pmo表示在前一个计算循环中的进气管压力Pm。
下面将说明反向进气模型。在根据本发明的实施例中,反向进气模型由反向节气阀模型、反向进气管模型和反向进气阀模型构成,如图5B所示。反向节气阀模型、反向进气管模型和反向进气阀模型分别用于在节气阀模型、进气管模型和进气阀模型中沿反方向进行计算。
首先说明反向进气阀模型。在反向进气阀模型中,当气缸内进气流速等于mc时,进气管压力Pm用下面的从方程式(15)导出的方程式(16)表示:
下面将说明反向进气管模型。假定在进气管压力和温度等于Pmo和Tmo时,在这时,空气进入进气管IM的量为mt而流出进气管IM的量为mc,所实现的进气管压力等于Pm,通过节气阀的空气流速mt用下面的从方程式(13)推导的方程式(17)表示:
下面将说明反向节气阀模型。当通过节气阀的空气流速等于mt时,节气阀开度θt用下面的从方程式(7)推导的方程式(18)表示:
其中,μA-1表示μA的反函数。
因此,当方程式(16)中的mc用mcT代替时,从方程式(16)计算的进气管压力Pm表示进气管压力Pm的目标值PmT,其中mcT表示对应于目标发动机负荷比KLT的气缸内进气流速mc的目标值。而且,当方程式(17)中的Pm用PmT替换时,从方程式(17)计算的通过节气阀的空气流速mt表示通过节气阀的空气流速mt的目标值mtT。还有,当方程式(18)中的mt用mtT替换时,从方程式(18)计算的节气门开度θt表示为了使实际的发动机负荷比KL等于目标发动机负荷比KLT所需要的目标节气门开度θtT。
目标气缸内进气流速等于mcT可以用下面的从方程式(3)推导的方程式(19)进行计算:
另一方面,当实际的发动机负荷比KL收敛于并保持在目标比KLT时,通过节气阀的空气流速mt等于气缸内进气流速mc或目标气缸内进气流速mcT。此外,收敛的进气管压力PmCV这时是进气管压力Pm,其基本上是不变的,并且可以用下面的从方程式(16)推导的方程式(20)表示:
因此,当(mt,Pmo)用(mcT,PmCV)代替时,从方程式(18)计算的节气门开度θt表示收敛的节气门开度θtCV。
图9示出了根据本发明实施例的最终目标节气门开度θtTf的计算程序。这种程序用每个预定时间的中断来执行。
参考图9,在步骤100,目标发动机负荷比KLT从图3的映射图来计算。在下一步101,目标节气门开度θtT用反向进气模型计算。在下一步102,计算收敛的节气门开度θtCV。在下一步103,判断发动机是否在稳态运行过程。如果发动机是在稳态运行过程,则该程序进行到步骤104,其中最终目标节气门开度θtTf设置为收敛的节气门开度θtCV。然后,处理循环结束。相反,如果发动机是在瞬态运行过程,该程序从步骤103进行到步骤105,其中,最终目标节气门开度θtTf设置为目标节气门开度θtT。然后处理循环结束。
注意,只有在判断为发动机稳态运行过程时,才可能进行收敛的节气门开度θtCV计算。
根据本发明,能够提供一种用于内燃机的控制装置,当发动机处于稳态运行过程时其能够防止节气门开度的波动,因此防止节气阀和用于驱动该节气阀的装置的寿命在短时间内降低。
虽然为了说明的目的已经参考选择的具体实施例对本发明进行了描述,但是,很显然,在不脱离本发明的基本构思和范围的情况下,本领域的技术人员能够进行各种修改。
Claims (10)
1.一种用于内燃机的控制装置,该内燃机具有进气通道和设置在该进气通道中的节气阀,该控制装置包括:
目标空气量计算装置,用于计算进气量的目标值;以及
驱动装置,用于驱动节气阀,以便使实际节气门开度等于最终目标节气门开度,
其特征在于,该控制装置还包括:
进气管压力计算装置,用于计算进气管压力,所述进气管压力是在节气阀下游的进气通道中的压力;
第一目标节气门开度计算装置,用于计算第一目标节气门开度,所述第一目标节气门开度是用于使实际进气量与目标进气量相等所需要的节气门开度;
第二目标节气门开度计算装置,用于在假定目标进气量被保持的情况下基于目标进气量和进气管压力的收敛值计算第二目标节气门开度,所述第二目标节气门开度在假定目标进气量被保持的情况下是由第一目标节气门开度计算装置计算的第一目标节气门开度的收敛值;以及
设置装置,用于当目标进气量随着比预定值大的改变量或改变率改变时将最终目标节气门开度设定为第一目标节气门开度,并且当目标进气量随着比预定值小的改变量或改变率改变时将最终目标节气门开度设定为第二目标节气门开度。
2.如权利要求1所述的用于内燃机的控制装置,第一目标节气门开度计算装置进行如下计算:
基于所述目标进气量和所述进气管压力计算通过节气阀的空气量的目标值;
基于通过节气阀的目标空气量和进气管压力计算所述第一目标节气门开度。
3.如权利要求1所述的用于内燃机的控制装置,所述进气管压力计算装置包括用于根据所述最终目标节气门开度重复估算进气管压力的估算装置。
4.如权利要求3所述的用于内燃机的控制装置,其中所述第一目标节气门开度计算装置根据以前计算的进气管压力和所述目标进气量计算第一目标节气门开度。
5.如权利要求4所述的用于内燃机的控制装置,其中所述第一目标节气门开度计算装置进行如下计算:
根据目标进气量计算气缸内进气流速的目标值,该气缸内进气流速是从进气通道吸入气缸中的空气的流速;
根据计算的目标气缸内进气流速计算进气管压力的目标值;
根据以前估算的进气管压力和计算的目标进气管压力计算通过节气阀的空气流速的目标值;
根据以前估算的进气管压力和计算的通过节气阀的目标空气流速计算目标节气门开度。
6.如权利要求3所述的用于内燃机的控制装置,其中所述第二目标节气门开度计算装置根据以前估算的进气管压力和目标进气量计算第二目标节气门开度。
7.如权利要求6所述的用于内燃机的控制装置,其中所述第二目标节气门开度计算装置进行如下计算:
根据目标进气量计算气缸内进气流速的目标值,该气缸内进气流速是从进气通道吸入气缸中的空气的流速;
根据该计算的目标气缸内进气流速计算收敛的进气管压力,该收敛的进气管压力是当实际的进气量收敛于目标进气量时实现的进气管压力;以及
根据计算的目标气缸内进气流速和计算的收敛的进气管压力计算第二目标节气门开度。
8.如权利要求3所述的用于内燃机的控制装置,其中所述估算装置进行如下估算:
根据以前估算的进气管压力和最终的目标节气门开度,估算通过节气阀的空气流速;
根据以前估算的进气管压力估算气缸内进气流速,该气缸内进气流速是从进气通道吸入气缸中的空气的流速;
根据以前估算的进气管压力、该估算的通过节气阀的空气流速、和该估算的气缸内进气流速估算新的进气管压力。
9.如权利要求1所述的用于内燃机的控制装置,其中所述目标空气量计算装置根据所需的发动机负荷计算目标进气量。
10.如权利要求1所述的用于内燃机的控制装置,其中所述驱动装置包括步进电机。
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