CN101151445B

CN101151445B - 内燃机的控制装置和控制方法

Info

Publication number: CN101151445B
Application number: CN2006800100395A
Authority: CN
Inventors: 宫野尾裕二
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: EP1960651B1; WO2007069013A1; US7594497B2; US20080190396A1; JP2007162560A; JP4497089B2; EP1960651A1; CN101151445A; DE602006010108D1

Abstract

当发动机输出请求在进气门(9)的气门关闭正时处于进气BDC之前的状态下增加时，不管实际进气量如何，进气门的最大升程的目标值(LT)立即改变到使得进气门的气门关闭正时变为处于BDC之后并且与BDC隔开的正时的值。在这种情况下，通过基于目标值(LT)驱动控制可变气门操作机构(14)，进气门(9)的气门关闭正时立即从进气BDC之前改变到进气BDC之后，这尽可能多地缩短了在此改变过程中进气门(9)的气门关闭正时处于进气BDC附近的时期。

Description

内燃机的控制装置和控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机的控制装置和控制方法。

背景技术

通常，在诸如汽车发动机的内燃机中，将产生最大发动机输出的正时设定为点火正时；并且，在发生爆燃时，延迟点火正时以降低燃烧室温度并抑制爆燃。

此外，对于内燃机来说，随着发动机输出需求的增加，必须向燃烧室馈送更大量的燃料和空气以实现增加的需求。由此，根据发动机输出请求调节设置在进气通道中的节气门的开度以调节进入内燃机中的进气量。

然而，近年来，除了通过调节节气门的开度来调节进气量之外，还可以通过改变进气门的最大升程和持续时间来调节进气量。日本专利申请公开公报2001-263015描述了一种用于改变最大升程和持续时间的机构。在所述可变气门操作机构中，进气门的最大升程和持续时间互相同步地改变；换言之，增加气门的最大升程也增加气门的持续时间。在通过以此方式驱动可变气门操作机构而对进气量进行的调节时，基于发动机输出请求量计算最大升程和持续时间的目标值。驱动可变气门操作机构以使最大升程和持续时间接近这些目标值，从而朝与发动机输出请求相对应的值调节进气量。

目标值例如随发动机输出请求的增加而增加。通过朝以这种方式改变的目标值改变最大升程和持续时间，进气量随发动机输出请求的增加而增加。此外，在计算目标值时，不仅要考虑发动机输出请求量，而且要考虑当时的实际进气量。由此，使朝其目标值改变的最大升程和持续时间达到可获得所请求的进气量的适当值。

在通过驱动可变气门操作机构改变最大升程和持续时间来调节进气量时，在发动机输出需求较小的低负荷运转期间，诸如怠速运转或类似运转期间，随着最大升程和持续时间减小，进气门的气门关闭正时接近进气下止点(“BDC”)之前的正时。在此状态下，当发动机输出请求由于加速等原因增加时，最大升程和持续时间的目标值基于此发动机输出请求的量而增加。由于考虑了实际进气量进行目标值的计算，其中实际进气量渐进地且逐渐地增加，因此目标值也对应于此实际进气量的改变而逐渐增加。此外，响应于增加的发动机输出需求，通过驱动可变气门操作机构使最大升程和持续时间逐渐增加到目标值，这样可以获得对应于发动机输出请求量的进气量。

然而，当最大升程和持续时间从低负荷运转状态逐渐增加时，随同此持续时间的增加，进气门的气门关闭正时逐渐从进气BDC之前的关闭改变到进气BDC之后的关闭。这里，当进气门在大致进气BDC处关闭时，实际的压缩比增加，这常常导致爆燃发生并且导致点火正时延迟。相应地，随同进气门的持续时间的增加，当进气门的气门关闭正时逐渐从进气BDC之前的关闭改变到进气BDC之后的关闭时，发生爆燃的可能性较高，因而延迟点火正时以抑制这种爆燃。因此，由于点火正时的延迟，发动机输出的增加可能会延迟。

发明内容

本发明的目的是提供一种内燃机的控制装置和控制方法，当随同发动机输出请求的增加通过增加进气门的最大升程和持续时间而增加进气量时，其减小了发动机输出增加时的延迟。

本发明的第一方面提供了一种内燃机控制装置，其通过延迟点火正时抑制爆燃并且通过控制对进气门的最大升程和持续时间进行改变的可变气门操作机构来调节进气量；所述内燃机控制装置在所述内燃机的输出请求增加时基于所需增加的输出的量和实际进气量增加所述进气门的最大升程和持续时间的目标值，并且控制所述可变气门操作机构以将所述进气门的最大升程和持续时间增加到所述目标值；其特征在于：当所述输出请求在所述进气门的气门关闭正时处于进气下止点之前的状态下增加时，不管所述实际进气量如何，所述目标值立即改变到使得所述进气门的气门关闭正时变为处于所述下止点之后并且与所述下止点隔开的正时的值。

根据所述第一实施方式，当内燃机的输出请求在进气门于进气BDC之前关闭的条件下增加时，不管实际进气量如何，进气门的最大升程和持续时间的目标值立即改变到进气门于进气BDC之后关闭并且与该BDC隔开情况的值。相反，传统上要考虑实际进气量计算进气门的最大升程和持续时间的目标值；然而，由于实际进气量逐渐地、渐进地增加，所以所述目标值也会逐渐增加，并且进气门的最大升程和持续时间也会逐渐增加到所述目标值。在将进气门的气门关闭正时从进气BDC之前的关闭逐渐改变到进气BDC之后的关闭的过程中，由于高压缩比而发生爆燃的可能性增加。此外，通过延迟点火正时抑制爆燃，发动机动力输出的增加会延迟到此点火正时延迟的程度。然而，对于发动机动力输出增加的延迟，通过立即改变到所述目标值并且将进气门的气门关闭正时立即从进气BDC之前的关闭改变到进气BDC之后的关闭，可以抑制在此改变过程期间发生爆燃。

应该理解，也可以接受的是如此设置，将使得在进气门的最大升程和持续时间达到其目标值时压缩比足够低从而爆燃发生可能性小的值，设定为目标值立即改变时的值，即，使得进气门的气门关闭正时延迟到进气BDC之后并且与该BDC分开的值。

根据本发明的第二方面，在所述第一方面中，在所述内燃机的进气通道中设置有节气门，并且当所述目标值立即改变到使得所述进气门的气门关闭正时变为处于所述进气下止点之后并且与所述进气下止点隔开的所述正时的值时，除了朝所述目标值改变所述进气门的最大升程和持续时间之外，还通过调节所述节气门的开度执行所述内燃机的进气量的调节。

当目标值立即改变到进气门的气门关闭正时变为BDC之后并且与BDC隔开的正时的值且进气门的最大升程和持续时间根据这些目标值改变时，则存在内燃机的进气量变得过多的可能性。然而，因为在目标值改变时节气门的开度也被调节，所以当目标值如上所述立即改变时，可以调节通往内燃机的进气量使得过量的空气不会进入内燃机。

附图说明

通过以下参照附图对优选实施方式的描述，本发明的前述和进一步的目的、特征和优点将变得明确，其中类似的附图标记用于表示类似的元件并且其中：

图1是示出应用了本发明实施方式的控制装置的发动机整体图的示意图；

图2是示出基于可变气门操作机构改变进气门的最大升程和持续时间的模式的图表；

图3是示出进气门开启的模式的示例图；

图4A和4B分别是示出目标值LT改变的模式的时序图和示出进气门的气门关闭正时随此目标值LT的改变而改变的模式的时序图；

图5是示出进气门开启的模式的示例图；

图6A和6B分别是示出目标值LT改变的模式的时序图和示出进气门的气门关闭正时随此目标值LT的改变而改变的模式的时序图；和

图7是示出进气量控制过程的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照图1-7描述本发明应用于汽车火花点火型发动机的实施方式。在图1所示的发动机1中，与通过进气通道3进入燃烧室2中的空气一起，通过从燃料喷射阀4直接喷射供给燃料。当由此空气和燃料组成的混合物由火花塞5点燃时，混合物燃烧，使得活塞6往复运动，从而转动曲轴7，曲轴7是发动机1的输出轴。在燃烧循环之后，混合气体从燃烧室2排入排气通道8。

在发动机1中，进气门9的开启和关闭操作允许或中断燃烧室2与进气通道3之间的连通。类似地，排气门10的开启和关闭操作允许或中断燃烧室2与排气通道8之间的连通。进气门9和排气门10分别通过进气凸轮轴11和排气凸轮轴12的旋转而开启和关闭，其中曲轴7的旋转传输到所述进气凸轮轴11和排气凸轮轴12。

在进气凸轮轴11和进气门9之间设置有可变气门操作机构14。可变气门操作机构14由电动马达15驱动并且改变进气门9的最大升程和持续时间(进气门9打开和关闭时的进气凸轮11a的旋转程度)。图2示出了进气门9的最大升程和持续时间根据可变气门操作机构14的这样的驱动而改变的模式。通过图2可以理解，最大升程和持续时间是同步改变的参数，因而例如，当持续时间增加时，最大升程也增加。一般地，增加持续时间意味着延迟进气门9的气门关闭正时。

通过安装在汽车上的电子控制单元26可以实施各种类型的对发动机1的控制。电子控制单元26包括执行用于控制发动机1的计算处理的CPU、储存该控制所需程序和数据的ROM、临时储存计算结果的RAM、从外部输入信号、向外部输出信号的输入、输出端口等。

各种类型的传感器可连接到电子控制单元26的输入端口，诸如检测加速器踏板27由驾驶员致动的量(即，加速器操作量)的加速器位置传感器28；检测设置于进气通道3的节气门29的开度(即，节气门开度)的节气门位置传感器30；检测发动机1中是否发生爆燃的爆燃传感器31；检测经由进气通道3进入燃烧室2的空气量的空气流量计；曲柄位置传感器34，其输出指示用于计算发动机转速等的曲轴7的旋转的信号；和凸轮位置传感器35，其输出指示凸轮的旋转位置的信号。此外，燃料喷射阀4、火花塞5、电动马达15和节气门29连接到电子控制单元26的输出端口。

电子控制单元26基于从上述各种传感器接收的信号确定发动机运转状态，并且基于所确定的发动机运转状态向连接到输出端口的各种驱动电路输出指令信号。以此方式，经由电子控制单元26实现对燃料喷射阀4的燃料喷射量、进气门9的最大升程和持续时间、节气门29的开度等的控制。

发动机1的点火正时控制通常调节点火正时以便得到最高的发动机输出；但是，当发生爆燃时，为了防止该爆燃延迟了点火正时。由此，点火正时控制抑制了爆燃的发生，同时保持了最高的可能发动机输出。

此外，可以通过驱动燃料喷射阀4来喷射数量与一个工作循环中从进气通道3进入燃烧室2中的空气量对应的燃料实现对发动机1的燃料喷射量的控制。由此，对于此发动机1，进气量越大，供给到燃烧室的空气和燃料量越大，因此相应地增加了发动机1的输出。

在本实施方式的发动机1中，节气门29通常保持在完全开启状态，并且通过可变气门操作机构14的驱动来调节进气门9的最大升程和持续时间从而调节进气量。相应地，随着加速器操作量增加以及发动机1的输出请求增加，最大升程和持续时间也增加，进而进气量增加使得发动机输出可满足增加输出的需求。

接下来，将详细描述对用于调节发动机1进气量的可变气门操作机构14的控制。在可变气门操作机构14的驱动控制中，使用进气门9的最大升程和持续时间的目标值。应该理解，由于进气门9的最大升程和最大持续时间如上所述地互相同步改变，所以将使用最大升程的目标值LT作为控制可变气门操作机构14的目标值。

基于发动机1的输出请求量计算目标值LT，更具体地，基于加速器操作量的量值计算目标值LT。即，目标值LT越大，加速器操作量(即，请求的输出)越大。并且控制可变气门操作机构14而使最大升程接近以如上所述方式计算出的目标值LT。由此，可以调节进气门9的最大升程和持续时间以得到对应于加速器操作量(即，请求的输出)的进气量。

此外，在计算目标值LT时，不仅考虑了此时的加速器操作量(即，请求的输出)，而且考虑了实际进气量。通过以此方式在考虑实际进气量的同时计算目标值LT，接近目标值LT的最大升程和与其同步改变的持续时间接近适于得到请求进气量的值。

在通过驱动可变气门操作机构14改变进气门9的最大升程和持续时间来调节进气量时，在发动机1低负荷运转期间(即，发动机的输出请求较小)，诸如在发动机怠速或类似运转时，由于请求的进气量较小，所以目标值LT也设定得较小。相应地，进气门的最大升程和持续时间也设定得较小。图3示出了此时进气门9开启的模式。从此图可以理解，随持续时间减小，进气门9的气门关闭正时改变到早于进气BDC的正时tC1。

当处于此状态时，由于加速或类似操作，发动机的输出请求增加，随之目标值LT逐渐变大，如图4A所示，基于此请求输出量和实际进气量并且根据此目标值LT，驱动可变气门操作机构14使得最大升程和持续时间逐渐增加。应该理解，在这样的增加发动机输出请求的过程中，目标值LT逐渐增加的原因在于实际空气量相对于最大升程和持续时间的增加而逐渐发生增加并且目标值LT的计算考虑了此实际空气量。通过基于以此方式计算出的目标值LT驱动可变气门操作机构14，在增加发动机动力输出的过程中，可以根据发动机输出请求量获得进气量。

然而，当在低负荷运转状态下增加发动机1的输出请求时，在最大升程和操作角增加时，持续时间随之增加到例如图3的虚线所示的状态，并且，伴随地，进气门9的气门关闭正时逐渐从正时tC1(即，进气BDC之前的关闭)改变到正时tC2(即，进气BDC之后的关闭)，如图4B所示。当进气门9的气门关闭正时处于进气BDC附近的范围H之内时，因为实际压缩比较高经常发生爆燃，这导致点火正时被延迟。相应地，如上所述，随着进气门9的持续时间增加，进气门9的气门关闭正时逐渐从进气BDC之前的正时tC1改变到进气BDC之后的正时tC2，于是进气门9的气门关闭正时处于范围H之内的正时时期M变得更长，因此需要频繁地实施点火正时的延迟以抑制此时期M内的爆燃。由此，不可能避免发动机1的动力输出增加会延迟恰好由于此点火正时延迟造成的延迟量。

因而，在此实施方式中，当发动机1的输出请求在进气门9的气门关闭正时在进气BDC之前的状态下增加时，则目标值LT独立于实际进气量立即改变到例如图5所示的值，诸如正时值tC3，在此值处，进气门9的气门关闭正时处于进气BDC之后并且还与进气BDC隔开。目标值LT的这种类型的改变和与之伴随的进气门的气门关闭正时的改变如图6所示。

当目标值LT以如上所述方式立即改变并且如图6A所示转变时，则基于此目标值LT驱动可变气门操作机构14，并且最大升程接近最大可能速度时的目标值LT。由此，进气门9的气门关闭正时如图6B所示立即从进气BDC之前的正时tC1改变到进气BDC之后的正时tC3，这减小了进气门9的气门关闭正时处于范围H之内的时期M。相应地，这样可以减小此时期M内的爆燃的发生，并且因而可以抑制由于为了抑制爆燃而延迟点火正时所导致的发动机1动力输出增加的延迟。

接下来，将参照图7的流程图解释用于控制发动机1的进气量的过程的顺序，图7示出了进气量控制程序。此进气量控制程序由电子控制单元26例如依靠计时器中断每经过预定的时间间隔执行一次。

在此程序中，首先，对标记F的值是否为零(即，“没有增加”)进行判断(在步骤S101中)，其中所述标记F用于从进气门9的气门关闭正时是处于进气BCD之前的状态判断出已经发生发动机输出需求增加。如果此判断的结果为肯定，则执行步骤S102和S103，以判断是否已发生了上述类型的请求输出增加。换言之，在步骤S102中，对进气门9的气门关闭正时是否处于进气BCD之前--例如进气门9是否处于BDC之前10°进行判断。接下来，在步骤S103中，基于加速器操作量是否增加对是否请求增加发动机1的输出动力进行判断。

如果步骤S102和S103中任一个步骤的判定为否定，则当前状况不是处于进气门9的气门关闭正时在进气BDC之前的状态下已经发生发动机1的输出请求增加的状况。因此，执行正常的进气量控制(在步骤S110中)，其中，基于发动机1的输出请求量和实际进气量计算目标值LT，并且基于该目标值LT驱动控制可变气门操作机构14。

另一方面，如果在步骤S102和S103中都做出肯定判断，则当前状况处于进气门9的气门关闭正时在进气BDC之前的状态下已经发生发动机1的输出请求增加的状况。于是将标记F设为1(即，“增加”)(在步骤S104中)，并且设定目标值LT(在步骤S105中)，使得进气门9的气门关闭正时变为进气BDC之后并且与该BDC隔开的正时。应该理解，还可以接受的是如此设置，将在进气门9的最大升程到达目标值LT时压缩比足够低从而发生爆燃的可能性小的值，设定为此目标值LT以此方式立即改变到的值，即，使进气门9的气门关闭正时与进气BDC隔开的值。例如，可以采用使得进气门9的气门关闭正时变为在进气BDC之后30°的值。并且，在步骤S106中，控制可变气门操作机构14使得最大升程以最大速度接近目标值LT。补充来说，该最大速度为可变气门操作机构14正常操作范围内的最大速度。

通过以这种方式控制可变气门操作机构14，可以尽可能多地缩短将进气门9的气门关闭正时从进气BDC之前改变到进气BDC之后所需的时间间隔，并且因而确保在此时间间隔内不发生爆燃；并且可以抑制为了抑制爆燃而延迟点火正时导致的发动机1动力输出增加的延迟。然而，如上所述，当目标值LT在不考虑实际进气量的情况下立即改变到进气门9的气门关闭正时变为进气BDC之后30°正时的值并且最大升程朝此目标值LT改变时，进入发动机1的进气量变得过多的可能性增加。为了抑制过多的进气量，在步骤S107中，节气门29的开度减小到使得发动机1的进气量变为所请求量的开度。

应该理解，在标记F设为1(即，“增加”)并且目标值LT已经立即改变之后，当发动机转速稳定时(在步骤S108中为“是”)，则(在步骤S109中)将标记F设为0(即，“没有增加”)。当标记F以这种方式设为0时，在步骤S102做出肯定判断，在步骤S103做出否定判断，因此恢复了正常的进气量控制(在步骤S110中)。

根据上面详述的实施方式，可得到以下有益效果。

(I)当发动机1的动力输出请求在进气门9的气门关闭正时处于进气BDC之前的状态下增加时，进气门9的最大升程的目标值LT不考虑实际进气量而立即改变到使得进气门9的气门关闭正时处于进气BDC之后并且与该BDC隔开的正时的值。在这种情况下，通过基于目标值LT驱动控制可变气门操作机构14，可以将进气门9的气门关闭正时迅速从进气BDC之前改变到进气BDC之后，并且从而可以尽可能多地缩短此改变过程期间的时间间隔M，进气门9的气门关闭正时在此时间间隔M内处于进气BDC附近的范围H内。相应地，可以确保在此时间间隔M期间内不发生爆燃，并且可以抑制为了抑制这种爆燃而延迟点火正时所导致的发动机1的动力输出增加的延迟。

(II)当目标值LT以上述方式立即改变并且根据此目标值LT改变进气门9的最大升程时，存在发动机的进气量变得过多的可能性。然而，当目标值LT如上所述地立即改变时，节气门29的开度调节到比完全开启更接近关闭侧的开度区域，从而使得发动机1的进气量变为所请求量，进而可以确保进气量不会变得过多。

应该理解，上述实施方式可以如下所述改变。即，尽管在上述实施方式中，在图7的进气量控制程序的步骤S102中，是关于进气门9的气门关闭正时是否在进气BDC之前的判断，但也可以判断进气门9的气门关闭正时是否处在进气BDC之前10°的正时，还可以接受的是设置为对所述值“进气BDC之前10°”适当地改变。

此外，尽管在上述实施方式中，在图7的进气量控制程序的步骤S105中，是在目标值LT立即改变时使得进气门9的气门关闭正时处于进气BDC之前并且与该BDC隔开的值，但还可以采用进气门9的气门关闭正时处于进气BDC之后30°的值，还可以接受的是设置为采用使其变为不同于所述值“进气BDC之后30°”的一些值的目标值LT。

尽管已经参照本发明的实施方式描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所述的实施方式或构造。相反，本发明意在覆盖各种变体和等同布置。另外，尽管在各种示例性的组合和配置中示出了实施方式的各种元件，但是其只是示例性的，包括更多、更少或仅单个元件的其它组合和配置也在本发明的实质和范围内。

Claims

1.一种内燃机控制装置，其通过延迟点火正时抑制爆燃并且通过控制对进气门(9)的最大升程和持续时间进行改变的可变气门操作机构(14)来调节进气量；所述内燃机控制装置在所述内燃机(1)的输出请求增加时基于所需增加的输出的量和实际进气量增加所述进气门(9)的最大升程和持续时间的目标值，并且控制所述可变气门操作机构(14)以将所述进气门(9)的最大升程和持续时间增加到所述目标值；其特征在于：

当所述输出请求在所述进气门(9)的气门关闭正时处于进气下止点之前的状态下增加时，不管所述实际进气量如何，所述目标值立即改变到使得所述进气门(9)的气门关闭正时变为处于所述下止点之后并且与所述下止点隔开的正时的值。

2.如权利要求1所述的内燃机控制装置，

其中，所述内燃机(1)的进气通道(3)中设置有节气门(29)，并且当所述目标值立即改变到使得所述进气门(9)的气门关闭正时变为处于所述进气下止点之后并且与所述进气下止点隔开的所述正时的值时，除了朝所述目标值改变所述进气门(9)的最大升程和持续时间之外，还通过调节所述节气门(29)的开度执行对所述内燃机(1)的进气量的调节。

3.如权利要求1或2所述的内燃机控制装置，

其中，所述目标值改变到使得压缩比足够低从而爆燃发生可能性小的值。

4.一种内燃机控制方法，其通过延迟点火正时抑制爆燃并且通过控制对进气门(9)的最大升程和持续时间进行改变的可变气门操作机构(14)来调节进气量，其特征在于包括以下步骤：

在所述内燃机(1)的输出请求增加时，基于所需增加的输出的量和实际进气量增加所述进气门(9)的最大升程和持续时间的目标值，控制所述可变气门操作机构(14)以将所述进气门(9)的最大升程和持续时间增加到所述目标值；以及

当所述内燃机(1)的输出请求在所述进气门(9)的气门关闭正时处于进气下止点之前的状态下增加时，不管所述实际进气量如何，将所述目标值立即改变到使得所述进气门(9)的气门关闭正时变为处于所述下止点之后并且与所述下止点隔开的正时的值。

5.如权利要求4所述的内燃机控制方法，进一步包括以下步骤：

当所述目标值立即改变到使得所述进气门(9)的气门关闭正时变为处于所述进气下止点之后并且与所述进气下止点隔开的所述正时的值时，除了朝所述目标值改变所述进气门(9)的最大升程和持续时间之外，还通过调节设置在所述内燃机(1)的进气通道(3)中的节气门(29)的开度执行对所述内燃机(1)的进气量的调节。