CN100529383C

CN100529383C - 内燃发动机的点火定时控制

Info

Publication number: CN100529383C
Application number: CNB2005100093825A
Authority: CN
Inventors: 吉野太容; 佐佐木祐治; 永石初雄
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: KR20060042087A; US7212909B2; EP1571331A1; KR100674536B1; CN1657767A; DE602005021837D1; US20050197762A1; EP1571331B1

Abstract

内燃发动机(1)使汽缸中的空气/燃料混合物通过火花塞(14)的点火来燃烧。发动机控制器(50)根据发动机(1)的运转状态，计算汽缸中的温度和压力(531)，根据汽缸中的温度和压力计算不产生爆震时的极限点火定时(54)，并将火花塞(14)的点火定时控制到不产生爆震时的极限点火定时(55)。因此，通过少量的适应步骤来对点火定时进行合适的控制。

Description

内燃发动机的点火定时控制

技术领域

本发明涉及点火定时的控制，以免内燃发动机中发生爆震。

背景技术

在点火内燃发动机中，点火定时会影响耗油量和发动机输出，不合适的点火定时会导致爆震，点火失败等等。

通常，点火定时是以这样的方式设置的，即，使内部汽缸压力在上死点后10-15度(ATDC度)达到最高压力。然而，被用作设置点火定时的基础的最佳转矩的最小提前点火(在下文中，缩写成“MBT”)，随着发动机转速、发动机负载、提供到发动机的混合物的空气/燃料比、排气再循环(EGR)比及其他因素的不同而不同。

因此，在常规点火定时控制中，通过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，连同为各种操作状态设计的校正值的映射图一起，根据操作条件确定点火定时。在此方法中，为了改进控制的精确性，必须增大每一个映射图的网格密度以及映射图的数量。结果，要求大量的初步实验，以便创建映射图。

另一方面，也已知一种方法，其中，由爆震传感器检测爆震，如果检测到爆震，那么，通过反馈控制来延迟点火定时。然而，由于在实际发生爆震之后点火定时才接受反馈控制，于是，在控制过程中会发生延迟。

日本专利局在1995公开的Tokkai Hei 7-332149说明了这样的一种方法，其中，从相对于曲柄角的汽缸内部的压力、对应于计算开始的曲柄角处的汽缸中的气体的温度，计算汽缸内的气体的温度，假设汽缸中的气体绝热压缩。

如果汽缸内的气体的温度达到1200K或以上，则可以认为将发生爆震。这里，K表示绝对温度。

然而，由于此现有技术通过压力传感器确定燃烧室内的压力，因此，必须使计算适应发动机的运转状态的变化，因此，所需的适应步骤的数量非常大。

发明内容

本发明的目的是通过少量的适应步骤来对点火定时进行合适的控制。

为了实现上述目的，本发明为内燃发动机提供了点火定时控制设备，该设备使汽缸内空气/燃料混合物通过火花塞的点火来燃烧。

该设备包括可编程控制器，该控制器被编程为根据发动机的运转状态计算汽缸中的温度和压力，根据汽缸中的温度和压力计算不产生爆震时的极限点火定时，并将火花塞的点火定时控制到不产生爆震时的极限点火定时。

在说明书的其余部分阐述了并在附图中显示了本发明的详细信息以及其他功能和优点。

附图说明

图1是根据本发明的发动机的点火定时控制设备的示意图。

图2A-2D是显示燃烧爆震产生机制的定时图。

图3是显示根据本发明的爆震产生指标的映射图的特征的图表。

图4是用于比较根据爆震产生指标估算的燃烧爆震产生定时和燃烧爆震产生定时的实测值的图表。

图5是根据本发明的点火定时控制的概述的方框图。

图6是显示根据本发明的爆震产生指标计算单元的结构的方框图。

图7是显示根据本发明的爆震产生指标计算块的结构的方框图。

图8是显示根据本发明的平均汽缸温度和压力计算块的结构的方框图。

图9是显示根据本发明的汽缸体积计算块的结构的方框图。

图10是显示根据本发明的生热计算块的结构的方框图。

图11是显示根据本发明的由Wiebe函数常量设置块实现的计算生热开始定时BURN_ini和实际燃烧时间BURN_r的过程的方框图。

图12是根据本发明的由生热率计算块实现的计算生热率的过程的方框图。

图13是根据本发明的由质量燃烧率计算块实现的计算质量燃烧率X_burn和用于计算属性的质量燃烧率(mass combustion rate)X_burn_r的过程的方框图。

图14是根据本发明的由第一生热计算块实现的计算每个汽缸每个周期产生的热量的过程的方框图。

图15是根据本发明的由第二生热计算块实现的计算产生的热量Q_burn的过程的方框图。

图16是显示根据本发明的冷却损失计算块的结构的方框图。

图17是由传热系数计算块实现的计算传热系数h的过程的方框图。

图18是根据本发明的由冷却损失计算块实现的计算冷却损失Q_loss的过程的方框图。

图19是显示根据本发明的汽缸温度和压力计算块的结构的方框图。

图20是根据本发明的由气体属性计算块实现的计算汽缸中的气体的属性的过程的方框图。

图21是根据本发明的由气体总体积计算块实现的计算气体总体积的过程的方框图。

图22是显示根据本发明的爆震产生指标输出块的结构的方框图。

图23是根据本发明的由复位标志计算块实现的设置复位标志的过程的方框图。

图24是显示根据本发明的未燃烧气体温度计算块的结构的方框图。

图25是根据本发明的由积分块实现的计算爆震产生指标idx_kocr的过程的方框图。

图26是显示根据本发明的提前校正极限计算单元的结构的方框图。

图27是根据本发明的由点火定时计算单元实现的计算点火定时ADV的过程的方框图。

具体实施方式

请参看附图的图1，车辆的多汽缸火花点火汽油发动机1从进气通道3过入口收集器2和进气歧管3A将空气吸入到相应的汽缸的燃烧室5。在进气口4中提供了进气阀15和燃料喷射器21，而进气口4将进气歧管3A连接到燃烧室5。

燃烧室5通过排气阀16连接到排气通道8。

燃烧室5随着活塞6的往复移动放大和收缩，活塞6连接到共同的曲轴7。发动机1是四冲程发动机，该发动机重复进气、压缩、膨胀和排气四个冲程。

在进气冲程期间，进气阀15打开，活塞6下降，而排气阀16处于关闭状态，空气被从进气歧管3A吸入到燃烧室5。燃料喷射器21将汽油燃料喷射到被吸进汽缸中的空气中。燃料与进气混合构成了空气/燃料混合物，该混合物被吸入燃烧室5。

在随后的压缩冲程期间，进气阀15和排气阀16两者都关闭，活塞6上升。因此，密封在燃烧室5内的混合物被压缩。

发动机1包括用于点燃压缩空气/燃料混合物的点火器11。

点火器11包括：点火线圈13，该点火线圈存储来自电池的电能；功率晶体管，用于打开和关闭提供到点火线圈13的初级侧的电能；火花塞14，该火花塞面向燃烧室5，并且当提供到初级侧的电能被关闭时，根据在点火线圈13的次级侧产生的高压产生电火花放电。

火花塞14在压缩冲程的上死点稍前产生火花放电，被此火花点燃的空气/燃料混合物燃烧，所产生的火焰扩散，最后产生爆炸。

在随后的膨胀冲程中，燃烧的气体的压力将活塞6向下推，从而使得曲轴7旋转。进气阀15和排气阀16一直保持关闭，直到膨胀冲程完成。

在随后的排气冲程期间，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将燃烧的气体排出到排气通道8中。当活塞6到达上死点时，四冲程循环完成，并开始下一个四冲程循环。在发动机1的两个循环期间，按汽缸之间的规定的相位差，在每一个汽缸中执行上文所描述的四冲程循环一次。

发动机1具有电子节流阀22，用于调节进气的流率。电子节流阀22包括在进气通道3中提供的节流阀主体23和驱动节流阀主体23的节流阀电动机24。

在发动机1的排气通道8中提供了一对三元催化转换器9，每一个转换器都具有内置的三元催化剂。在以被燃烧的空气/燃料混合物的理论空气/燃料比为中心的狭窄的范围内，三元催化剂与排气中的氮氧化物(NOx)的再循环并行地促进碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，因此，它们清除了这些有毒的成份。

进气阀15被安装在凸轮轴25上的凸轮驱动。凸轮轴25通过链条和阀门定时控制(VTC)机构27连接到曲轴7。VTC机构27具有根据曲轴7的旋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通过链条和阀门定时控制(VTC)机构28连接到曲轴7。VTC机构28具有根据曲轴7的旋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的打开的程度、由燃料喷射器21喷射的燃料的量以及喷射定时、由VTC机构27进行的对进气阀的打开和关闭定时的控制、由VTC机构28进行的对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，都是通过发动机控制器50来进行控制的。

发动机控制器50由微电脑构成，该微电脑包括：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)。可以通过多个微电脑来构成发动机控制器50。

各种检测值被作为输入信号输入到发动机控制器50中。这些检测值是由下列各种装置提供的：用于检测发动机1中的进气的流率的气流计32，用于检测曲轴7的转速和旋转位置的曲柄角传感器33，用于检测进气凸轮的旋转位置的凸轮传感器34，用于检测加速器踏板41的下踏量的加速器踏板下踏传感器42，用于检测三元催化转换器9的上游位置的排气通道8中的排气的氧浓度的一对氧传感器35，用于检测入口收集器2中的进气的温度的进气温度传感器43，用于检测入口收集器2内的进气的压力的进气压力传感器44，用于检测三元催化转换器9的上游位置的排气通道8中的排气温度的排气温度传感器45，用于检测三元催化转换器9的上游位置的排气通道8中的排气压力的排气压力传感器46。

发动机控制器50以如下方式控制进气节流阀23的打开的程度。

发动机控制器50根据来自加速器踏板下踏传感器42的信号指定目标转矩，然后指定目标空气体积以便实现此目标转矩。发动机控制器50通过节流阀电动机24以获取此目标空气体积的方式控制节流阀23的打开的程度。

发动机控制器50以下列方式通过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的打开和关闭定时改变时，留在燃烧室5内的惰性气体的量也相应地改变。留在燃烧室5内的惰性气体的量越大，泵送损失就越低，且耗油量就越低。燃烧室5中的惰性气体的所需要的剩余量是根据发动机1的转速和负载预先设置的。当惰性气体的剩余量已经确定时，进气阀15的关闭定时和排气阀16的关闭定时被确定。这里，发动机控制器50根据由曲柄角传感器33测量的发动机1的转速以及由加速器踏板下踏传感器42确定的代表发动机负载的加速器踏板的下踏量，决定进气阀15和排气阀16的目标关闭定时。发动机控制器50以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以如下方式控制燃料喷射器21进行的燃料喷射。

发动机控制器50从气流计32测量的进气体积计算在发动机1的四冲程循环期间(换句话说，在发动机1的每个7201/4循环)吸入到每一个汽缸的空气体积。

为了使三元催化转换器9显示出所需要的反应效率，必须将空气/燃料比维持在理想配比(stoichiometric)的空气/燃料比的附近。因此，发动机控制器50以这样的方式从进气体积计算目标燃料喷射量，即，使得空气/燃料混合物具有目标空气/燃料比，该比率被设置在理论空气/燃料比的附近。发动机控制器50根据目标燃料喷射量控制燃料喷射器21喷射的燃料量，而同时，它还从由氧传感器35确定的排气中的氧浓度计算燃烧的空气/燃料混合物的实际空气/燃料比。发动机控制器50以这样的方式执行目标燃料喷射量的反馈校正，即，使得实际的空气/燃料比与目标空气/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确定的凸轮的旋转角，以这样的方式控制相应的燃料喷射器21的喷射定时，即，使得燃料按规定的目标喷射定时被喷射到每一个汽缸中。

发动机控制器50以如下方式控制火花塞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确定的凸轮的旋转角，确定在每一个汽缸中的压缩的上死点稍前设置的目标点火定时。在每一个汽缸中，借助于关闭点火线圈13中的初级电流，通过点火器11的功率晶体管使火花塞14在相应的目标点火定时发出火花。

接下来，将描述确定目标点火定时的过程，这是本发明的主题。

首先，将参考图2A-2D和图3A和3B描述目标点火定时规范过程的概述。在图2A-2D中，垂直轴的位置对应于压缩上死点(CTDC)。

当空气/燃料混合物由于火花塞14点火而开始燃烧时，生热率迅速地增大，如图2A所示。此外，图2B所示的汽缸的内部温度和图2C所示的汽缸中的内部压力也增大。

这里，如果在点火产生的火焰扩散之前由于压缩热而发生了压缩空气/燃料混合物的提前点火，那么，会在发动机1中发生所谓的“燃烧爆震”，并且汽缸的内部压力会发生波动，如图2C所示。燃烧爆震会损坏发动机1，因此，发动机控制器50通过控制火花塞14的点火定时来执行爆震控制，以防止发生燃烧爆震。

压缩空气/燃料混合物由于压缩热达到自点火之前所需的时间叫做“自点火定时间隔τ”。此自点火定时间隔τ可以表示为点火温度和压力的因子。自燃点火定时间隔的倒数，即，1/τ，叫做“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

变成1时，发生燃烧爆震。

图3是显示在压缩冲程期间作为汽缸中的温度和汽缸中的压力的因子的点火延迟1/τ的变化的映射图。点火延迟1/τ由粗曲线表示。对此曲线用时间进行积分给出时间积分值这里，时间积分相当于曲线的右上端的1。在下面的描述中，时间积分

叫做爆震产生指标。

图4显示了本发明人作出的对通过如前所述的方法估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进行比较的结果。如图所显示的，根据爆震产生指标估算燃烧爆震定时的方法几乎完全与实际测量的燃烧爆震定时一致。

爆震产生指标是根据汽缸中的压力和汽缸中的温度设置的，如图3A所示。汽缸中的压力和温度是与发动机汽缸中的气体的状态有关的最基本量，因此，由这些因子确定的爆震产生指标

具有几乎一致的特征，不管发动机的类型如何。

由于诸如发动机的加热状态或环境条件之类的因素几乎根本没有影响，因此，可以通过使用爆震产生指标以高精度实时估算燃烧爆震定时。

接下来，参考图5，将描述根据本发明的基于爆震产生指标

的点火定时的控制。此图中显示的所有块都是为了描述控制器50的功能的虚拟单元，而不作为物理实体存在。

请参看图5，操作条件确定单元51确定与发动机1的操作条件有关的参数，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No.6,557 526说明了根据发动机1的操作条件计算在燃烧室中进行正常燃烧的情况下的空气/燃料混合物的燃烧速度、燃烧时间和基本点火定时的方法。操作条件确定单元51以及包括燃烧速度计算子单元521、燃烧时间计算子单元522和基本点火定时计算子单元523的基本点火定时计算单元52，应用此已知的计算方法来计算每一个项。

由基本点火定时计算单元52计算出的基本点火定时MBTCAL对应于美国专利No.6,557,526中的最佳扭矩的最小点火提前(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计算爆震产生指标变成1的曲柄角。此曲柄角对应于点火定时的提前校正极限。

请参看图6，将描述爆震产生指标计算单元53的结构。发动机控制器50在发动机1的操作期间按预先确定的曲柄角delta_theta的间隔实现如下所述的计算过程。

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是布尔值，且当曲柄角与基本点火定时MBTCAL一致时，它从初始值零变为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，存储在发动机控制器50的存储器中的爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ的前一值被输入到比较器53001。图表中的值Z^-1表示前一值。

比较器53001将爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ与前一值进行比较，如果前一值大于爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ，那么它输出值1，否则，它输出值零。在此图中，到比较器53001的输入值由两个平行的箭头表示。其中，由上箭头代表的输入值被放在不等式符号的左侧，由下箭头代表的输入值被放在不等式符号的右侧。

如前所述的关系也用于其他比较器中的输入值和比较过程。

来自比较器53001的输出只有在爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ是1并且前一值Z^-1为零的情况下(换句话说，当爆震产生指标计算开始请求被首先发出时)才是1。如果爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ保持为1，那么，比较器53001的输出变成零。

如果来自比较器53001的比较结果是1，则计数器53002输出值1。如果来自比较器53001的输出是零，那么计数器53002输出通过将值1与计数器53002的前一输出值相加所获得的值。因此，如果爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ在1的状态下继器53002的输出值i增加值1，每次都执行该计算过程。

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的输出是零，那么，曲柄角计算块53003将曲柄角间隔delta_theta加到曲柄角的前一值Z^-1，并输出结果值作为曲柄角CA_calc。换句话说，只要比较器53001的输出持续为零，曲柄角计算块53003在每次发动机控制器50实现该计算过程时将曲柄角CA_calc增大曲柄角间隔delta_theta。

曲柄角CA_calc和计数器输出值i被作为处理过的曲柄角CA_calc(i)输入到爆震产生指标计算块530。

爆震产生指标计算块530从处理过的曲柄角CA_calc(i)计算爆震产生指标

和质量燃烧率X_burn。稍后将详细描述涉及的计算。爆震产生指标计算块530的计算结果被以爆震产生指标同计数器输出值i相结合的形式idx_knocr(i)，以及质量燃烧率X_burn(i)输出。

比较器53004将爆震产生指标idx_knocr(i)与值1.0进行比较。如果爆震产生指标idx_knocr(i)小于1.0，那么，比较器53004输出值1。如果爆震产生指标idx_knocr(i)达到1.0，那么它输出值零。

比较器53005将质量燃烧率X_burn(i)与燃烧结束时的燃烧率X_burn_end进行比较。这里，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，那么，比较器53005输出值1。如果质量燃烧率X_burn(i)达到燃烧结束时的燃烧率X_burn_end，那么它输出值零。

比较器53004和53005的输出由“与”电路53007进行处理。如果比较器53004和53005的输出两者都为1，则“与”电路53007输出值1，如果这些输出中的任何一个为零，则输出值零。“与”电路53007的输出存储在发动机控制器50的ROM中。

另一方面，比较器53006将计数器53002的输出值i与曲柄角计算的预先确定的次数n_CA_calc进行比较。如果计数器值i小于曲柄角计算的次数n_CA_calc，则比较器53006输出值1。如果计数器值i达到曲柄角计算的次数n_CA_calc，那么它输出值零。

如果来自比较器53006的输入信号和存储在RAM中的“与”电路53007的前一输出值两者都为零，那么，“与”电路53008向发动机控制器50输出中断计算请求，并将计算允许输出到爆震产生指标计算块530。如果来自比较器53006的输入信号或存储在RAM中的“与”电路53007的前一输出值为1值，那么，“与”电路53008停止输出中断计算请求和计算允许。

作为上文所描述的过程的结果，如果当曲柄角与基本点火定时MBTCAL一致时爆震产生指标计算开始请求JOB_REQ从零变为1，那么，爆震产生指标计算块530按预先确定的曲柄角间隔delta_theta计算爆震产生指标idx_knocr(i)和质量燃烧率X_burn(i)，且爆震产生指标计算单元53输出这些值。在计算过程的初始阶段，爆震产生指标idx_knocr(i)的值小于1.0，质量燃烧率X_burn(i)小于燃烧结束时的燃烧率X_burn_end，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，并且根据提供到爆震产生指标计算块530的中断计算请求和计算允许，按预先确定的曲柄角间隔delta_theta计算并输出爆震产生指标idx_knocr(i)和质量燃烧率X_burn(i)。

当爆震产生指标idx_knocr(i)的前一值、质量燃烧率X_burn(i)的前一值、以及计数器53002的输出值i中的任何一个达到其比较值时，到“与”电路53008的其中一个输入从零变为1。因此，“与”电路53008停止输出计算请求和计算允许。

接下来，请参看图7，将描述由爆震产生指标计算块530执行的爆震产生指标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包括平均汽缸温度和压力计算块531以及爆震产生指标输出块532。

下列值被输入到平均汽缸温度和压力计算块531中：曲柄角CA、发动机转速NE、基本点火定时MBTCAL、燃料喷射脉冲宽度TP、汽缸体积的初始值V_cyl_ini、汽缸温度的初始值T_cyl_ini、汽缸压力的初始值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柄速度NE。根据由气流计32测量的进气流率Q和由曲柄角传感器33确定的发动机转速NE来计算燃料喷射脉冲宽度TP。上文所描述的美国专利No.5,345,921中所说明的通常已知的计算方法用于此计算。

汽缸体积的初始值V_cyl_ini表示在基本点火定时MBTCAL时汽缸的体积。汽缸体积的初始值V_cyl_ini是通过上文所描述的美国专利No.6,557,526中说明的通常已知的计算方法来预先确定的。汽缸体积的初始值V_cyl_ini对应于如美国专利No.6,557,526中定义的汽缸体积的初始值VIVC。在下面的描述中，汽缸体积的初始值V_cyl_ini被作为固定值来对待。

汽缸温度的初始值T_cyl_ini表示在基本点火定时MBTCAL时汽缸中的温度。汽缸温度的初始值T_cyl_ini是通过上文所描述的美国专利No.6,557,526中说明的通常已知的计算方法来预先确定的。汽缸温度的初始值T_cyl_ini对应于如美国专利No.6,557,526中定义的汽缸温度的初始值TINI。

汽缸压力的初始值P_cyl_ini表示在基本点火定时MBTCAL时汽缸的压力。汽缸压力的初始值P_cyl_ini是从初始汽缸体积V_cyl_ini和初始汽缸温度T_cyl_ini计算出来的。

点火死时间IGNDEAD表示从发动机控制器50输出点火信号直到火花塞14实际点火的时间。点火死时间IGNDEAD取决于发动机转速NE，它是通过美国专利No.6,557,526中说明的通常已知的计算方法来确定的。

燃烧时间BURN是初始燃烧时间BT1和主要燃烧时间BT2的总和，如美国专利No.6,557,526中所说明的。

参考燃烧率X_ref对应于如美国专利6,557,526中所说明的参考燃烧率R2。参考燃烧率R2为按重量计60％。

剩余气体比MRESFR表示燃烧的空气/燃料混合物中剩余的惰性气体的比。剩余气体比MRESFR是通过美国专利No.6,557,526中说明的通常已知的计算方法来确定的。剩余气体比MRESFR对应于如美国专利6,557,526中所说明的剩余气体比EGRREM。

美国专利6,557,526的内容在此进行引用作为参考。

请参看图8，平均汽缸温度和压力计算块531包括汽缸体积计算块5311、生热计算块5312、冷却损失计算块5313，以及汽缸温度和压力计算块5314。

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

请参看图9，汽缸体积计算块5311包括活塞位移计算块53111和汽缸体积计算块53112。活塞位移计算块53111通过下列公式(1)从曲柄角CA计算活塞位移x_pis。

x_pis = (CRL + CND - CRL \cdot \cos CA) - \sqrt{{CND}^{2} - {CRL}^{2} \cdot \sin^{2} CA}

其中，CRL＝曲轴的长度，

CND＝连杆的长度，以及

CND＝连杆的长度。

汽缸体积计算块53112使用下列公式(2)计算汽缸体积V_cyl。

V_cyl = Vc + \frac{π}{4} \cdot D^{2} \cdot x_pis

其中，Vc＝间隙体积(m³)，以及

D＝气缸直径(m)。

请回头参看图8，生热计算块5312从曲柄角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和剩余气体比MRESFR计算生热率Q_burn、用于计算属性的质量燃烧率X_burn_r和质量燃烧率X_burn。

请参看图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、用于计算每个汽缸每个周期产生的热量的第一生热计算块53124，以及用于计算每个汽缸每个计算间隔产生的热量的第二生热计算块53125。

首先，将描述Wiebe函数常量设置块5312所使用的Wiebe函数。

表示生热率的特征的质量燃烧率X(％)可以作为曲柄角θ(度)的函数以下列公式(3)表达。

X = 1 - \exp {- a \cdot {(\frac{θ - θs}{θ_{B}})}^{n + 1}}

其中，θs＝燃烧实际开始时的曲柄角(度)，

θB＝实际燃烧时间(度)，以及

a，n＝常量。

常量a，n取决于发动机的类型，即，燃烧室5的形状、火花塞14的位置、燃烧室5内的气流特征，等等。常量a，n可以由实验预先确定。

公式(3)代表Wiebe函数。

当相对于曲柄角θ对公式(3)进行求导时，获得表示生热率的下列公式(4)。

\frac{dX}{dθ} = \frac{a \cdot (n + 1)}{θ_{B}} \cdot {(\frac{θ - θs}{θ_{B}})}^{n} \cdot \exp {- a \cdot {(\frac{θ - θs}{θ_{B}})}^{n + 1}}

当相对于实际燃烧时间θ_B对公式(4)进行求解时，获得下列公式(5)：

θ_{B} = \frac{θ}{{\frac{- \log (1 - X)}{a}}^{\frac{1}{n + 1}}}

请参看图11，Wiebe函数常量设置块53121通过将点火死时间IGNDEAD与基本点火定时MBTCAL相加来计算生热开始定时BURN_ini。此外，还计算当θ＝BURN、X＝X_ref被代入公式(5)获得的θ_B的值作为实际燃烧时间BURN_r。生热开始定时BURN_ini和实际燃烧时间BURN_r一般来说被称为生热模式。

请参看图12，生热率计算块53122通过按如下方式将各值代入公式(4)来从曲柄角CA、生热开始定时BURN_ini，以及实际燃烧时间BURN_r导出生热率

，这些值是：θ＝CA，θs＝BURN_ini和θ_B＝BURN_r。

请参看图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、实际燃烧时间BURN_r和剩余气体比MRESFR计算公式(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是不考虑留在燃烧混合物中的惰性气体的值，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中的惰性气体的质量燃烧率。

请参看图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和较低的热值Heat_Lower计算每个汽缸每个周期产生的热量。

目标空气/燃料比TABYF是由空气/燃料比控制器在单独的单元中确定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。

请参看图15，第二生热计算块53125根据由生热率计算块53122计算出的生热率

和由第一生热计算块531241计算出的每个汽缸每个周期产生的热量来计算热量Q_burn。

接下来，请参看图16，将描述冷却损失计算块5313的结构。

冷却损失计算块5313包括燃烧室表面积计算块53131、活塞平均速度计算块53132、气体属性计算块53133、汽缸压力计算块53134、汽缸温度计算块53135、传热系数计算块53136和冷却损失计算块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。活塞平均速度计算块53132根据发动机转速NE计算活塞平均速度。这些都是算术计算，这里将省略其详细描述。

气体属性计算块53133根据从剩余气体比MRESFR和汽缸温度确定的质量燃烧率计算比热比k。计算方法与图20所示的气体属性计算块53141所使用的方法相同。下面将描述此计算方法。

汽缸压力计算块53134根据汽缸压力的前一值、汽缸体积的前一值、汽缸体积的当前值和比热比k计算汽缸中的压力P_cyl。此计算是在假设绝热状态下来进行的。

汽缸温度计算块53135根据汽缸温度的前一值、汽缸体积的前一值、汽缸体积的当前值和比热比k计算汽缸中的温度T_cyl。此计算是在假设绝热状态下来进行的。

接下来，将描述传热系数计算块53136。

首先，将描述Woschni公式，该公式用于代表由传热系数计算块53136和冷却损失计算块53137处理的冷却损失。

通过下列公式(6)计算冷却损失QL。

QL = {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} h \cdot A \cdot (T - Tw) \cdot dt

h = 110 \cdot d^{- 0.2} \cdot P^{0.8} \cdot T^{- 0.53} \cdot {C 1 \cdot cm + C 2 \cdot \frac{Vs \cdot T_{I}}{P_{I} \cdot V_{I}} (P - P_{M})}^{0.8}

其中，

d＝气缸芯直径(m)，

Vs＝汽缸的体积(m³)，

Cm＝活塞平均速度(m/sec)，

P₁＝当进气阀关闭时汽缸中的压力(kgf/cm²)

V₁＝当进气阀关闭时气缸的体积(m³)，

T₁＝当进气阀关闭时气缸中的温度(K)，

PM＝汽缸中的压力(kgf/cm²)，

P＝汽缸中的压力(kgf/cm²)，

T＝汽缸温度(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(in/sec-K).

C1和C2是通常所使用的常量。

请参看图17，传热系数计算块53136根据汽缸压力、汽缸温度、活塞平均速度、汽缸压力、初始汽缸温度、初始汽缸体积和初始汽缸压力来计算公式(8)中的传热系数h。

请参看图18，冷却损失计算块53137根据汽缸温度、燃烧室壁温度、燃烧室表面积、传热系数和发动机转速NE，通过对公式(7)进行求解来计算冷却损失Q_loss。

接下来，参考图19描述汽缸温度和压力计算块5314的结构。

汽缸温度和压力计算块5314包括气体属性计算块53141、气体总体积计算块53142、绝热汽缸压力计算块53143、绝热汽缸温度计算块53144、汽缸温度计算块53145和汽缸压力计算块53146。

气体属性计算块53141根据质量燃烧率和汽缸温度计算气体的物理属性(即，比热比和固定体积下的比热)。

这里，当根据燃烧过的气体的比(换句话说，用于计算属性的质量燃烧率)计算气体属性时，应用下列关系，公式(8)。

(气体属性值)＝(燃烧过的气体属性值)×(燃烧过的气体比)+(未燃烧气体属性值)×(1-燃烧过的气体比)

请参看图20，气体属性计算块53141根据汽缸温度T_cyl确定燃烧过的气体的固定体积下的比热和比热比。同样，它还根据汽缸温度T_cyl确定未燃烧气体的固定体积下的比热和比热比。然后，它通过分别乘以燃烧过的气体的比和未燃烧气体的比来计算汽缸中的气体的属性。汽缸温度T_cyl的初始值为T_cyl_ini。

请参看图21，气体总体积计算块53142根据燃料喷射脉冲宽度TP、常量KCONST和目标空气/燃料比TABYF来计算气体总体积。

请回头参看图19，绝热汽缸压力计算块53143根据汽缸压力的前一值、汽缸体积的前一值、汽缸体积的当前值和比热比k计算绝热汽缸压力。

绝热变化汽缸温度计算块53144根据汽缸温度的前一值、汽缸体积的前一值、汽缸体积的当前值和比热比k计算绝热汽缸温度。

汽缸温度计算块53145根据绝热汽缸温度、产生的热量、冷却损失、气体总体积和固定体积下的比热来计算汽缸温度T_cyl。

汽缸压力计算块53146根据绝热汽缸压力、汽缸温度和绝热汽缸温度来计算汽缸压力P_cyl。

这就结束了图7所示的平均汽缸温度和压力计算块531的结构的描述。

接下来，请参看图7，描述图7中的爆震产生指标输出块532的结构。

请参看图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、瞬时点火延迟倒数计算块5323和积分块5324。

请参看图23，如果曲柄角CA超过基本点火定时MBTCAL，则复位标志设置块5321将复位标志设置为ON。

请参看图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与气体属性计算块53141具有相同的结构。这里，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值、汽缸压力的当前值、汽缸压力的前一值和比热比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根据未燃烧气体温度T_ub和汽缸压力P_cyl，通过参考预先通过实验确定的映射图来计算瞬时点火延迟的倒数tauinv。

请参看图25，积分块5324从发动机转速NE计算旋转预先确定的曲柄角所需的时间，它还通过对瞬时点火延迟的倒数tauinv相对于时间进行积分来计算爆震产生指标idx_kocr。当复位标志为ON时，输入零作为爆震产生指标idx_kocr的初始值。

这就结束了图5所示的爆震产生指标计算单元53的结构的描述。

接下来，请参看图26，将描述图5所示的提前校正极限计算单元54的结构。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和延迟宽度计算块544。

曲柄角计算块541根据诸如图中显示的特征图形(预先通过实验确定的)，从爆震产生指标idx_kocr(i)和处理过的曲柄角CA_calc(i)确定爆震时的曲柄角CA_knk。这里，爆震产生指标idx_knocr(i)达到阈值1.0时的处理过的曲柄角CA_calc(i)被作为爆震时的曲柄角CA_knk。在水平轴上标记的曲柄角CA_calc(i)上的箭头的方向对应于延迟方向。

质量燃烧率计算块542根据诸如图中显示的特征图形(预先通过实验确定的)，从处理过的曲柄角CA_calc(i)、质量燃烧率X_burn(i)和爆震时的曲柄角CA_knk确定爆震时的质量燃烧率X_bknk。

爆震强度计算块543从爆震时的曲柄角CA_knk和爆震时的质量燃烧率X_bknk确定爆震强度I_knk。在图中，箭头表示的方向，(换句话说，向下方向)是延迟方向。如果当产生爆震时质量燃烧率是均匀的，那么，爆震强度变得较小，因为爆震时的曲柄角的位置在延迟方向移动。

延迟宽度计算块544根据诸如图中显示的特征图形(预先通过实验确定的)从爆震强度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，这对应于提前校正极限。

接下来，请参看图27，将描述图5所示的点火定时计算单元55。点火定时计算单元55确定点火定时ADV，其相对于基本点火定时MBTCAL被延迟了延迟宽度CA_rtd。

在本发明中，根据发动机的运转状态计算每一个时刻的汽缸温度和汽缸压力，从这些结果计算每一个时刻的瞬时点火延迟，并对瞬时点火延迟的倒数进行积分。瞬时点火延迟的倒数的积分提供了表示“将发生爆震的可能性”的指标。因此，通过比较此指标与预先确定的阈值，可以确定将发生爆震时的曲柄角。汽缸的内部压力和温度是表示发动机的汽缸内的气体的状态的最基本量，且这些属性基本上相同，不管发动机的模型如何。因此，根据这些因素规定的爆震产生指标将显示任何类型的发动机中的基本上均匀的属性。此外，由于发动机的加热状态和环境条件几乎对这些属性根本没有影响，因此，可以通过使用爆震产生指标以高度精度实时地估算爆震产生定时，因此，可以对点火定时进行比较适当的控制。

通过增大每一次计算曲柄角中的计算点的数量，可以增大爆震产生指标计算的精确性。

如果预测到爆震，那么，通过对点火定时应用延迟校正，可以避免爆震的实际发生。基本点火定时可以一直被设置为MBT，因此适应步骤的数量可以减少，耗油量可以得到改进。通过设置合适的延迟宽度，可以防止由于过多的延迟而产生的耗油量或运转性能的恶化。

通过根据运转状态、汽缸体积、产生的热量和冷却损失，而不使用传感器，导出汽缸的内部温度和压力。因此，可以确保实现本发明的成本比较低，同时确定准确的值。

此外，生热模式的基本概况几乎完全受燃烧室的形状和火花塞的位置制约。因此，通过使用此基本模式，可以轻松而准确地确定生热模式。

生热模式是根据基本点火定时和典型的燃烧速度(它们是根据运转状态计算出的)确定的。因此，可以根据运转状态确定准确的生热模式，而不必使用内部汽缸压力传感器。此外，由于汽缸中的燃烧的气体所产生的热量是根据生热模式计算的，因此，可以轻松而准确地计算出产生的热量。

假设点火定时是MBT，根据运转状态均匀地确定生热模式。因此，通过将MBT作为基本点火定时，可以根据发动机的运转状态轻松地确定生热模式。

使用根据压缩开始时的汽缸温度、汽缸压力和汽缸体积，以及当前汽缸温度和汽缸压力计算出的传热系数，导出冷却损失。因此，可以准确地计算出冷却损失。

传热系数是根据从压缩开始时的汽缸压力、汽缸温度和汽缸体积计算出的当前汽缸温度和汽缸压力求出的。当计算用于导出冷却损失的汽缸温度和汽缸压力时，有必要考虑冷却损失的影响，即使燃烧不受这样的损失的影响。然而，当计算冷却损失时，这不具有非常大的影响。因此，借助于替代通过假设绝热变化而计算出的汽缸温度和汽缸压力值，可以减少计算负载。

根据质量燃烧率计算汽缸中的气体的属性，未燃烧气体属性假设汽缸中的所有气体是未燃烧气体，且燃烧过的气体属性假设汽缸中的所有气体是燃烧过的气体。然后，根据汽缸中的气体的这些属性，计算汽缸温度和汽缸压力。气体属性对于汽缸温度和汽缸压力的计算是必不可少的，但是，在燃烧过程中，当确定属性时，必须考虑中间产品和摩尔数的变化。因此，为所有气体都是未燃烧的和所有气体都是燃烧过的气体的情况两者确定属性值。通过根据质量燃烧率求出这些值的加权平均，可以轻松地计算出气体属性，以达到所需的准确度。

此外，根据剩余气体比确定用于计算属性的质量燃烧率，并使用此用于计算属性的燃烧率、未燃烧气体的属性和燃烧过的气体的属性，计算汽缸中的气体的属性。如此，可以更准确地计算气体属性。

由于爆震极限点火定时可以在不使用内部汽缸压力传感器的情况下计算，因此，可以确保实现本发明的成本比较低。

这里引入了2004年2月20日申请的Tokugan 2004-044413、2004年2月20日在日本申请的Tokugan 2004-044473的内容作为参考。

虽然上文是通过参考本发明的某些实施例来对本发明进行描述的，但是，本发明不仅限于上文描述的实施例。那些本领域技术人员可以在权利要求的范围内对上文描述的实施例进行各种修改。

例如，在上文所描述的实施例中，通过相对于时间对点火延迟的倒数进行积分运算

，导出爆震产生指标，但是，通过相对于曲柄角theta，而不是时间，对点火延迟的倒数进行积分运算，也可以确定爆震产生指标。

在上面的实施例中，使用传感器检测控制所需的参数，但是，本发明可以应用于使用所述的参数执行所述的控制的任何点火定时控制设备，而不管如何获取参数。

声明了排它的属性或特权的本发明的实施例按如下方式定义。

Claims

1.一种用于内燃发动机(1)的点火定时控制设备，该设备使汽缸内的空气/燃料混合物通过火花塞(14)的点火来燃烧，该设备包括：

可编程控制器(50)，其被编程用于：

根据发动机(1)的运转状态计算汽缸中的温度和压力(531)；

根据汽缸中的温度和压力，计算不产生爆震时的极限点火定时(54)；以及

将火花塞(14)的点火定时控制到不产生爆震时的极限点火定时(55)。

2.根据权利要求1所述的点火定时控制设备，

其中，运转状态包括发动机(1)的当前曲柄角和进气体积，以及

控制器(50)进一步被编程用于：

根据进气体积，计算相对于该曲柄角的汽缸中的气体的生热模式(53121)；以及

根据生热模式计算汽缸中的温度和压力(531)。

3.根据权利要求2所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程用于：

根据生热模式计算用于计算属性的质量燃烧率(53123)；

根据用于计算属性的质量燃烧率，计算未燃烧的气体的属性，假设汽缸中的所有气体都是未燃烧的气体(53141)；以及

根据用于计算属性的质量燃烧率，计算燃烧过的气体的属性，假设汽缸中的所有气体都是燃烧过的气体(53141)；以及

根据未燃烧气体属性和燃烧过的气体属性，计算汽缸中的温度和压力(531)。

4.根据权利要求3所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程为根据剩余气体比和生热模式计算用于计算属性的质量燃烧率(53123)。

5.根据权利要求1所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程用于：

根据发动机(1)的运转状态计算由汽缸中燃烧的气体所产生的热量(5312)；

根据曲柄角计算汽缸体积(5311)；

根据压缩开始时的汽缸中的温度和压力计算冷却损失(5313)；以及

根据所产生的热量、汽缸体积和冷却损失，计算汽缸中的温度和压力(5314)。

6.根据权利要求5所述的点火定时控制设备，

控制器(50)进一步被编程用于：

根据生热模式计算汽缸中的气体所产生的热量(5312)。

7.根据权利要求2所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程用于：

根据运转状态，计算汽缸中的气体的典型的燃烧速度(521)；以及

根据典型的燃烧速度计算生热模式(53121)。

8.根据权利要求7所述的点火定时控制设备，

其中，所述典型的燃烧速度是实现最大热效率的点火定时下的值。

9.根据权利要求5所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程用于：

根据压缩开始时的汽缸温度、汽缸压力和汽缸体积，计算传热系数(53136)；以及

根据传热系数计算冷却损失(5313)。

10.根据权利要求9所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程为根据压缩开始时的汽缸温度、汽缸压力和汽缸体积，以及在电动回转过程中的汽缸温度和汽缸压力，从而来计算传热系数(53136)。

11.根据权利要求1到权利要求10中任何一个所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程用于：

根据汽缸中的温度和压力，计算构成爆震发生的指示器的爆震产生指标(53)；以及

根据爆震产生指标，计算不产生爆震时的极限点火定时(54)。

12.根据权利要求11所述的点火定时控制设备，

其中，控制器(50)进一步被编程用于：

根据爆震产生指标计算爆震时的曲柄角(541)；

根据爆震时的曲柄角计算不产生爆震时的延迟宽度(54)；

根据运转状态计算基本点火定时(52)；以及

通过根据延迟宽度延迟基本点火定时，确定不产生爆震的极限点火定时(55)。

13.根据权利要求12所述的点火定时控制设备，

其中，基本点火定时是实现最大热效率的点火定时。