CN100552213C - 用于控制内燃机的点火正时的电子控制单元及方法 - Google Patents

Abstract

通过使用校正项来计算内燃机的点火正时值，该校正项包括第一校正项和第二校正项，该第一校正项是基于一受控变量来计算的，并不反映预期值，而第二校正项是基于该受控变量和预期值之间的差值来计算的。可以根据该受控变量计算第一校正项，而不影响该预期值。因此，即使在受控变量和预期值之间的差值发生阶跃变化的情况下，也不会出现反馈受控变量的突变。此外，该第一校正项是比例项(51)，而该第二校正项是积分项(55)。该受控变量是内燃机的转速(NE)，该转速是由用于检测内燃机转速的检测器检测到的。

Description

用于控制内燃机的点火正时的电子控制单元及方法

技术领域

本发明涉及用于控制内燃机的点火正时的电子控制单元，具体地，涉及一种适于在内燃机刚启动后控制其点火正时的控制单元。

背景技术

日本专利申请已审公报(公告)特许平第7-59927号公开了一种用于在内燃机(以下称为“发动机”)刚启动后计算其点火正时的方法。根据该方法，点火正时被提前到发动机刚启动后。当运转条件参数达到一预定值时，将该点火正时转换为正常的正时。

然而，为了执行用于快速预热催化式排气净化器的所谓FIRE模式，以使催化式排气净化器在发动机启动后起作用，需要快速地延迟点火正时，以提高废气温度。根据以上公开的方法，由于在提前点火正时后执行了延迟操作，并随后转换到正常点火正时，所以可能不能快速地使催化剂活化。

此外，作为用于控制发动机的一种方法，通常使用PI控制(一种反馈控制方案)。根据该PI控制，根据以下公式(1)来获得控制输入u，其中e表示预期值与受控变量之间的差值。

$u=K_{P}e+K_I\∫e\∂\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

在公式(1)中，K_P是比例项(P项)，而K_I是积分项(I项)。在控制开始时或者改变该预期值时，这种控制方案可能会产生该差值的阶跃(step)。这是因为，该方案使用了反映预期值和受控变量之间的差值的校正项。这种阶跃是不期望的，因为它可能导致反馈校正量的突变，而施加给致动器很大的负载。

因此，本发明的目的是提供一种点火正时控制技术，其使得能够在发动机启动后对点火正时进行快速延迟，而提高废气温度，并迅速使催化剂活化。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于控制内燃机的点火正时的电子控制单元，该电子控制单元是采用微计算机的控制单元。该电子控制单元被编程用来通过使用多个校正项来计算内燃机的点火正时值，这些校正项包括第一校正项和第二校正项，该第一校正项是基于受控变量计算的，并不反映预期值，该第二校正项是基于受控变量和预期值之间的差值计算的。

根据本发明，可以根据该受控变量来计算该第一校正项，而不影响该预期值。因此，即使在该受控变量和预期值之间的差值产生阶跃的情况下，也不会出现该反馈控制的变量的突变。

根据本发明的一个方面，该第一校正项是比例项，而该第二校正项是积分项。另外，根据本发明的另一方面，该受控变量是内燃机的转速，该转速是由用于检测发动机转速的检测器检测的，而该预期值是目标转速。根据本发明的这些方面，该比例项直接反映了发动机启动时的发动机转速的上升行为。因此，可以根据这种上升行为来控制点火正时，并且因此可以平滑地转换到正常点火正时。

根据本发明的另一方面，根据发动机状态(例如内燃机的发动机水温)，对第一校正项的系数(调和增益(coordination gain))和第二校正项的系数(调和增益)赋于相应的值。因此，可以通过将发动机状态反映在校正系数上，来根据发动机状态设定该受控变量的收敛程度。

根据本发明的另一方面，将通过基于发动机状态的前向反馈操作而获得的点火正时值与通过使用校正值而获得的另一点火正时值进行比较。使用较小的比较值来控制内燃机的点火正时。

根据本发明的这一方面，可以根据发动机转速的上升行为来改变点火正时，因此，可以将该正时平滑地转换到正常点火正时。

根据本发明的另一方面，使用通过利用校正值而获得的点火正时值，来控制内燃机刚启动后的点火正时。

附图说明

图1示意性地表示了根据本发明一个实施例的内燃机及其控制单元。

图2表示根据本发明一个实施例的在内燃机启动时执行的操作的功能框图。

图3示意性表示了根据本发明一个实施例的点火正时操作电路的功能框图。

图4表示根据本发明一个实施例的发动机转速的突然升高(A)与缓慢升高(B)之间的点火正时的差值。

图5表示根据本发明一个实施例的FIRE模式中的进气校正量(A)、发动机转速(B)、点火正时IGLOG(C)之间的关系。

图6表示根据本发明一个实施例的NORMAL模式中的进气校正量(A)、发动机转速(B)、点火正时IGLOG(C)之间的关系。

图7表示根据作为本发明一个实施例的IP控制的进气校正量(A)、发动机转速(B)、点火正时IGLOG(C)之间的关系。

图8表示根据本发明一个实施例的处理的流程图。

图9表示根据本发明一个实施例的用于计算点火正时校正量的处理的流程图。

图10以图形的方式表示了一表格，通过该表格，基于发动机水温来获得积分项增益和比例项增益。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的优选实施例。图1表示根据本发明一个实施例的内燃机(以下称为“发动机”)的总体系统结构以及该内燃机的电子控制单元。

电子控制单元(以下称为“ECU”)5包括：输入电路5a，用于从车辆的各个部分接收要进行发送的数据；CPU(中央处理单元)5b，用于执行控制车辆的各个部分所需的计算；存储器装置5c，具有只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)；以及输出电路5d，用于向车辆的各个部分发送控制信号。用于控制车辆的各个部分的程序以及相关的各种数据存储在存储器5c的ROM中。用于根据本发明来执行内燃机的转速控制的程序，以及在执行该程序的过程中要使用的数据和表格存储在该ROM中。该ROM可以是诸如EEPROM的可重写ROM。在RAM中设置有用于CPU 5b进行计算的工作空间。从车辆的各个部分发送的数据以及要发送给车辆的各个部分的控制信号被临时存储在该RAM中。

发动机1例如是四缸发动机。进气管2与发动机1相连。节气门3位于进气管2的上游。节气门打开(θTH)传感器4与节气门3相连。传感器4向ECU 5提供与节气门3的开度相对应的电信号。

在进气管2中设置有用于旁通节气门3的通路21。在旁通通路21中设置有旁通门22，用于控制要提供给发动机1的空气量(以下称为“进气量”)。旁通门22由旁通门致动器23驱动。ECU 5通过向旁通门致动器23提供表示该旁通门的阀门开度的旁通门打开信号，来控制旁通门22的阀门开度。

对于各个汽缸，在发动机1和节气门3之间，稍微在进气管2的进气门(未示出)的上游，设置有燃料喷射阀6。每一个燃料喷射阀6与燃料泵(未示出)相连，并且该燃料喷射阀6通过该燃料泵从燃料箱(未示出)接收燃料。燃料喷射阀6由燃料喷射阀致动器24驱动。ECU 5通过向燃料喷射阀致动器24提供表示燃料喷射阀的阀门打开时间的信号，来控制燃料喷射阀6的阀门打开时间。

在进气管2的节气门3的下游设置有绝对进气管内压(Pb)传感器8以及进气温度(Ta)传感器9。分别将由Pb传感器8和Ta传感器9检测到的进气管压力Pb和进气温度Ta转换为要发送给ECU 5的电信号。

在发动机1的汽缸体(cylinder block)的侧壁(未示出)(发动机冷却水在该侧壁处循环)上安装有发动机水温(Tw)传感器10。将由Tw传感器10检测到的冷却水温度转换为要随后发送给ECU 5的电信号。

在发动机1的凸轮轴或曲轴(都未示出)的周边设置发动机转速(NE)传感器13。该NE传感器13以曲柄角周期(例如，30度)输出CRK信号脉冲，该曲柄角周期小于要在与活塞的TDC位置相对应的曲柄角处输出的TDC信号脉冲的周期。由ECU 5对该CRK信号脉冲进行计数，以使得可以检测发动机转速NE。

排气管14在发动机1的下游侧与发动机1相连。发动机1通过三路催化式排气净化器15(其为沿排气管14设置的废气净化装置)排出废气。同样沿排气管14设置的O2传感器16用作为废气浓度传感器，以检测废气中的氧气浓度，并产生要发送给ECU 5的电信号。

在发动机1的燃烧室(未示出)中设置有火花塞26。火花塞26通过点火装置25与ECU 5电连接。ECU 5向点火装置25提供点火正时信号。火花塞26产生火花，以将燃烧室中的空燃混合物点燃。

大气压力(Pa)传感器17与ECU 5相连，以检测大气压力并将其转换为待发送给ECU 5的电信号。发送给ECU 5的各种信号都进入输入电路5a。该输入电路5a调整输入信号波形、将它们的电压电平校正为预定电平，然后将模拟信号转换为数字信号值。CPU 5b对所转换的数字信号进行处理，根据存储在存储器装置5c中的程序来执行适当的操作，并生成要提供给车辆各个部分中的致动器的控制信号。输出电路5d将这些控制信号发送给旁通门致动器23、燃料喷射阀致动器24、点火装置25以及其它致动器。

图2表示根据本发明一个实施例的ECU的功能框图。通常由软件程序来实现这些功能块。

响应于启动电机(未示出)对发动机1驱动器进行的启动操作，图1所示的系统进入启动模式。在启动模式(其中油门踏板没有被踩下)中，节气门4的开度为0，因此仅通过旁通门22来执行燃烧室的进气。在该启动模式下，ECU 5执行启动模式处理。为了启动发动机1，该启动模式处理根据由图1中所示的各种传感器检测的值，参照预先存储在存储器装置5c(图1)中的表格和方程，以确定点火正时、燃料供应量以及旁通开度。根据所确定的点火正时、燃料供应量和旁通开度，来驱动火花塞26、燃料喷射阀6和旁通门22。当建立了发动机1的完全燃烧时，操作转换到FIRE模式，在FIRE模式下，使催化剂15快速活化，同时发送机1保持空转状态。启动模式确定部分41根据发动机转速NE来确定是否已经完成启动模式。

如果启动模式确定单元41确定已经完成启动模式，则操作模式确定单元44确定应该执行FIRE模式，还是应该执行NORMAL模式。旁通开度计算单元45生成用于实现催化剂15的快速活化的旁通开度θCMD。提供给催化剂15的废气的热量几乎与进气量成正比。因此，旁通开度计算单元45通过对进气量的反馈控制来计算旁通开度θCMD。以下将这种控制称为“进气量控制”。通过执行进气量控制，可以解决催化剂15的升温变化问题。这种进气量控制可以使用例如在由与本发明相同的发明人提交的日本专利申请No.2002-176782中所述的滑动模式控制。

点火正时计算单元46生成点火正时信号IGLOG，该点火正时信号IGLOG用于使实际转速NE收敛于目标转速NOBJ。点火正时计算部分46通过发动机转速的反馈控制来计算该点火正时IGLOG。

图3表示根据本发明一个实施例的点火正时计算电路的结构。该计算电路根据以下公式(2)来计算点火正时校正值IGAST：

IGAST＝-Kp×NE-Ki×∑(NE-NOBJ)+IGINT    (2)

在公式(2)中，IGINT表示发动机刚开始转动后的点火正时的设定值。根据发动机运转条件(例如发动机水温)，对IGINT赋予预定值。NE表示发动机转速，NOBJ表示目标发动机转速，Kp表示比例项增益，而Ki表示积分项增益。

公式(2)中的第一项是IP控制中的比例项(比例项在先控制)，其作用是仅与受控变量(即NE)成比例地来延迟点火正时。如公式(1)中所示的比例项是传统PI控制中的比例项，并与受控变量NE和预期值之间的差值成正比。因此，如果将传统PI控制用于发动机刚启动后的点火正时控制，则受控变量NE和预期值NOBJ之间的差值立即变为负值。结果，点火正时被提前为尖峰形状(spike shape)，并且校正量保持正值，直到NE达到预期值为止。另一方面，根据本发明的IP控制中的比例项不依赖于预期值，结果导致反映NE的上升程度的负校正值。换句话说，在NE突然升高的情况下延迟量增大，而在NE缓慢升高的情况下延迟量减小。

公式(2)中的第二项是IP控制中的积分项，其作用是根据受控变量NE与预期值NOBJ之间的差值来逐渐提前点火正时。由于校正量是根据受控变量NE与预期值NOBJ之间的差值的累计值来计算的(所计算的值是累计值，因为该计算是基于离散值进行的。其等效于模拟量计算中的积分值)，所以在控制开始时不会产生校正量的阶跃。

图4表示发动机刚启动后的发动机转速NE的上升状态与根据公式(2)计算的点火正时校正量IGAST之间的关系。

在需要快速延迟点火定时并且需要增大进气量，以在发动机启动后对催化剂快速加热(FIRE模式)的条件下，比例项增益起主导作用。相反，在不需要对催化剂快速升温，但是需要将点火正时提前到适当的点火正时点，以产生最佳扭矩的条件下，积分项增益起主导作用。因此，可以将点火正时快速地改变为所需的点火正时设置。

在图3所示的电路中，在选择器处将通过IP控制计算的校正量IGAST与正常条件下的点火正时的值IGCMD进行比较。从这两个值中选择较小的值。通常根据发动机水温TW、发动机转速NE，以及进气管压力PB来确定IGCMD。由于IGCMD是公知的，所以不对其进行详细描述。由此选择的点火正时的值成为最终的点火正时值IGLOG。

下面参照图5，在催化剂快速升温模式(其中必须延迟点火正时，以使催化剂快速升温)下，操作确定单元44(图2)选择FIRE模式，旁通开度计算单元45响应于该选择来计算FIRE模式的旁通开度，并且点火正时计算单元46开始提供用于FIRE模式的点火正时信号IGCMD，该信号IGCMD用于延迟点火正时。在产生这种IGCMD之前，选择IGAST。图5(A)表示根据由旁通开度计算单元45计算的FIRE模式的旁通开度而引入的进气量。图5(B)表示发动机转速NE在发动机刚启动后增大，并收敛于目标转速NOBJ。

图5(C)表示由点火正时计算单元46计算的点火正时值IGCMD与由图3的电路基于本发明的IP控制根据公式(2)计算的点火正时值IGAST之间的关系。图3的选择器57选择这些值中的较小值，并将其作为IGLOG输出。根据IGLOG对发动机的点火定时进行控制。在FIRE模式下，为了升高废气温度，使得比例项增益Kp起主导作用，并且增大进气量，以使IGLOG的值几乎与发动机转速NE的增大成比例地迅速变为负(延迟)值。当发动机转速NE开始收敛于目标转速NOBJ时，点火正时计算单元46(图2)开始输出表示FIRE模式的延迟值的点火正时值IGCMD。当该状态开始时，由于积分项的影响，IGAST已经开始朝提前方向增大，并且IGAST最终变得大于IGCMD。此时，图3的选择器57选择IGCMD。

参照图6，在正常模式(其中没有执行FIRE处理)下，由于不需要提高废气温度，所以进气量保持得较小。在该模式下，公式(2)的比例项增益Kp被设定为较小，而积分项增益Ki被设定为较大。因此，当发动机转速NE增大时IGAST取负值，但是其绝对值明显小于图5的FIRE模式的情况。公式(2)的第二积分项具有将IGAST朝提前方向设置的作用。所以，由于当前在公式中起主导作用的积分项增益的作用，IGAST最终开始取提前值。另一方面，点火正时计算单元46将IGCMD设定为一提前值，以使发动机产生最佳扭矩。当值IGAST超过值IGCMD时，图3的选择器将输出IGLOG切换为IGCMD，以将控制模式转换为正常点火正时控制。

图7表示该传统方法与本发明一个实施例的比较。根据该传统方法，在发动机刚启动后使点火正时以给定的增量提前，直到点火正时达到用于设定正常点火正时的IGCMD为止。然后，当对于FIRE模式开始反馈IGCMD时，点火正时开始重启。相反，根据本发明的实施例，利用IP控制的积分项的作用，在发动机刚启动后迅速开始延迟操作。在FIRE模式下，即使在发动机启动后也需要增加进气量，以向催化剂传送大量的热。在传统方法中，必须对进气量进行限制，以控制发动机转速NE的增大。根据本发明的实施例，在发动机刚启动后开始点火正时的延迟，从而可以控制扭矩的增大，并且可以防止转速NE的增大。因此，即使在发动机刚启动之后，也可以引入大量的空气，以向催化剂提供大量的热。

如上所述，根据本发明的一个实施例，与传统方法相比，通过在发动机刚启动后延迟点火正时并增大进气量，可以非常快速地升高FIRE模式下的发动机废气温度以及催化剂温度。因此，本发明通过发动机启动时催化剂的快速活化而有助于减少排放。

下面将参照图8来说明根据本发明一个实施例的点火正时控制的处理。在预定循环(例如曲柄角循环(TDC))中执行该处理。当发动机启动时，将初始处理标记设定为1，而将启动时的初始点火正时值IGINT设定为点火正时设定值IGLOG(S137)。因此，当执行用于启动发动机的起动操作并且发动机启动时，将该初始处理标记设定为0，并且该处理前进到步骤S103，在步骤S103确定初始处理完成标记是否已设定为1。该初始处理完成标记表示完成发动机启动后的初始处理。首先，该初始处理完成标记未被设定为1。所以，处理前进到步骤S105，在步骤S105检查节气门开度。如果节气门开度超过了预定值，则终止根据本发明的点火正时操作，并将正常点火正时IGCMD反映到最终点火正时IGLOG上。

当节气门开度没有超过该预定值时，发动机在启动后处于空转状态。因此，在步骤S107中确定积分项保持标记是否已设定为1。从公式(2)中可以看出，积分项用于在发动机转速NE低于目标转速NOBJ时提前点火正时，而在发动机转速NE超过目标转速NOBJ时用于延迟点火正时。根据该实施例，当发动机转速NE超过了预期值NOBJ时(S109)，控制处理停止增大由比例项产生的延迟，并保持由积分项产生的增量DIGIPI(稍后将参照图9来进行说明)(S119)。从图5可以看出，当发动机转速增大时，由于比例项的作用，点火正时几乎与转速成正比地延迟。此外，当转速超过目标转速时，由积分项产生的增量DIGIPI也变为负值，并且积分项改变为朝向减小的方向。此时，保持由积分项产生的增量DIGIPI，以防止过度地延迟点火正时。

当在步骤S109中发动机转速NE低于目标转速NOBJ时，处理转到子例程S111，在该子例程S111中，根据本发明的IP控制来计算点火正时校正量。稍后将参照图9来说明该子例程。将校正量IGIP添加到初始点火正时值IGINT中，以获得点火正时值IGAST(S113)。将保持标记重设为0(S115)。在步骤S121中，对点火正时值IGAST执行限制处理。换句话说，将值IGAST限制为不超过给定值。

接下来，在步骤S123中确定反馈标记是否设定为1。当完成发动机刚启动后的处理，并且正在计算正常点火正时IGCMD的反馈计算时，将该标记设定为1。在这种状态下，优先执行IGCMD的反馈控制，从而将IGCMD的值用作IGLOG的值(S133)。当进入这种状态时，将初始处理完成标记设定为1(S135)。在步骤S103中对该标记进行检查。

当没有设定该反馈标记时，将已根据IP控制计算的点火正时值IGAST与已通过程序设定的点火正时IGCMD进行比较(S125)。当IGAST小于IGCMD时，选择IGAST的值作为点火正时IGLOG(S127)。在步骤S129中，将IGAST和IGCMD之间的差值IPIGFIR存储在存储器中。在开始IGCMD的反馈控制时，使用该差值作为初始值。

当IGCMD没有超过IGAST时，将差值IPIGFIR重设为0(S131)，并且选择IGCMD的值作为点火正时IGLOG(S133)。此时，如上所述将初始处理完成标记设定为1(S135)。

下面将参照图9来说明根据子例程S111的IP控制的点火正时校正量IGIP的计算处理。首先，根据发动机水温来搜索准备并存储在ROM中的表格(参见图10)，以获得积分项增益KIGIPI的值(S201)。接下来，在步骤S203中，将发动机转速NE(其为受控变量)与预期值NOBJ之间的差值乘以积分项增益KIGIPI，从而获得积分项的增量DIGIPI。然后，将该增量DIGIPI添加到积分项的先前值中，以获得积分项的当前值(S207)。

接下来，根据发动机水温来搜索准备并存储在ROM中的该表格(图10)，以获得比例项增益KIGIPP的值(S209)。将发动机转速NE乘以比例项增益KIGIPP，以获得比例项值IGIPP(S211)。将由此获得的积分项IGIPI和比例项IGIPP相加，以获得校正量IGIP(S213)。

尽管参照具体实施例说明了本发明，但是本发明并不限于该实施例。

另外，可以将本发明应用于船舶推进发动机，例如具有垂直延伸的曲柄轴的舷外马达。

Claims (6)

1、一种电子控制单元，用于控制内燃机的点火正时，该电子控制单元(5)被编程用来：

通过使用第一校正项(Kp)和第二校正项(Ki)来计算发动机(1)的点火正时值(IGAST)，该第一校正项与一受控变量(NE)成比例，而该第二校正项与所述受控变量(NE)和预期值(NOBJ)之间的差值的积分成比例，其中通过以下表达式来计算所述点火正时值IGAST：

IGAST＝-Kp×NE-Ki×∑(NE-NOBJ)+IGINT

其中Kp是比例项的校正系数，NE是发动机(1)的转速，Ki是积分项的校正系数，NOBJ是发动机(1)的预期转速，而IGINT是根据发动机的运转条件而赋予的预定值。

2、根据权利要求1所述的电子控制单元，还包括用于检测发动机(1)转速的检测器(13)，所述预期值(NOBJ)是目标转速。

3、根据权利要求1所述的电子控制单元，其中所述电子控制单元(5)被构造用来将通过基于发动机(1)的状态的前向反馈操作而获得的点火正时值与通过使用所述表达式而获得的点火正时值(IGAST)进行比较，以及使用较小的正时值来控制发动机(1)的点火正时。

4、根据权利要求3所述的电子控制单元，其中使用通过所述表达式而获得的点火正时值(IGAST)来控制发动机(1)刚启动后的点火正时。

5、一种电子控制系统，用于控制内燃机的点火正时，该电子控制系统包括：

用于通过使用第一校正项(Kp)和第二校正项(Ki)来计算发动机(1)的点火正时值(IGAST)的装置，该第一校正项与一受控变量(NE)成比例，而该第二校正项与所述受控变量和预期值(NOBJ)之间的差值的积分成比例，其中通过以下表达式来计算所述点火正时值IGAST：

IGAST＝-Kp×NE-Ki×∑(NE-NOBJ)+IGINT

其中Kp是比例项的校正系数，NE是发动机的转速，Ki是积分项的校正系数，NOBJ是发动机的预期转速，而IGINT是根据发动机的运转条件而赋予的预定值。

6、一种用于控制内燃机的点火正时的方法，包括：

通过使用第一校正项(Kp)和第二校正项(Ki)来计算发动机(1)的点火正时值(IGAST)，该第一校正项与一受控变量(NE)成比例，而该第二校正项与所述受控变量和预期值(NOBJ)之间的差值的积分成比例，其中通过以下表达式来计算所述点火正时值IGAST：

IGAST＝-Kp×NE-Ki×∑(NE-NOBJ)+IGINT

其中Kp是比例项的校正系数，NE是发动机的转速，Ki是积分项的校正系数，NOBJ是发动机(1)的预期转速，而IGINT是根据发动机的运转条件而赋予的预定值。

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