CN101360902B - 用于内燃机的控制器以及控制内燃机的方法 - Google Patents

用于内燃机的控制器以及控制内燃机的方法 Download PDF

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Abstract

用于内燃机的控制器(6)包括：计算部分(5)，用于计算角加速度或角速度；运行状态确定部分(5，6)，用于根据角加速度或角速度确定运行状态；增益设定部分(6，3a)，用于根据反馈控制设定转矩增益；以及，控制部分(6)，用于控制增益设定部分，使得当运行状态为第一运行状态时，增益设定部分将角加速度用作输入数据，设定增益(i)，并且，当运行状态为第二运行状态时，增益设定部分将角速度用作输入数据，设定增益(ii)。

Description

用于内燃机的控制器以及控制内燃机的方法
技术领域
本发明涉及用于内燃机的控制器以及控制内燃机的方法，其中，设定例如对内燃机进行操作所需要的转矩增益。
背景技术
例如，日本专利申请公报No.9-303243(JP-A-9-303243)和日本专利申请公报No.2004-92603(JP-A-2004-92603)描述了这样的技术，它们通过针对在多汽缸的每个膨胀冲程期间的两个预定曲柄角范围(CA：Crank Angle)检测角加速度，并且，根据检测的所有汽缸的角加速度的平均值与每个汽缸的角加速度的平均值之间的差值，对汽缸的喷油量和/或点火定时进行校正，降低了所有汽缸中的燃烧不规则。
但是，对于在JP-A-9-303243和JP-A-2004-92603中描述的技术，在启动内燃机期间或之后，或者，在发动机预热(在高怠速期间)期间，外部环境和/或运行状态变化的影响比发动机稳态运行时更明显，难以实现适当的反馈控制。因此，操纵性能下降的可能性(即，例如，出现旋转不规则变化的频率增加的可能性)和/或尾气中不希望的成分如碳氢化合物增加的可能性增加。更具体地说，对于在上述的JP-A-9-303243和JP-A-2004-92603中描述的技术，由于在要求的转矩明显变化的不稳定的瞬态驱动条件期间以及在相对稳定的稳态运行期间采用了相同的反馈控制，因此技术上难以在每个运行状态中实现高度精确的反馈控制。
发明内容
本发明提供了用于内燃机的控制器，利用这个控制器可以按照例如在内燃机启动期间出现的各种运行状态，设定最佳增益。
按照本发明的一个方面，用于内燃机的控制器包括：计算部分，用于计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；运行状态确定部分，用于根据角加速度或角速度确定内燃机的运行状态(如模式是否为启动模式)；增益设定部分，用于根据将角加速度或角速度用作输入数据的反馈控制(自动控制)，设定操作内燃机所需要的转矩增益；以及，控制部分，用于控制增益设定部分，使得当确定运行状态为第一运行状态(启动模式或旋转减速模式)时，增益设定部分将角加速度用作输入数据，设定增益，并且，当确定运行状态为第二运行状态(高怠速模式)时，增益设定部分将角速度用作输入数据，设定增益。
利用按照本发明的这个方面的、用于内燃机的控制器，计算部分计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度。在进行这个计算的同时、之前或之后，运行状态确定部分根据角加速度或角速度，确定内燃机的运行状态。按照本发明的这个方面的“运行状态”表示内燃机的驱动状态，它包括例如取决于内燃机中的燃烧状态的转矩生成状态和曲轴转速(即曲柄角速度)。可以根据计算的角加速度或角速度估算运行状态。在进行确定的同时、之前或之后，增益设定部分根据将角加速度或角速度用作输入数据的反馈控制(自动控制)，设定操作内燃机所需要的转矩增益。
具体地说，按照本发明的这个方面，在控制部分的控制下，当确定运行状态为第一运行状态(后面描述的启动模式或旋转减速模式)时，增益设定部分将角加速度用作输入数据，设定增益。当确定运行状态为第二运行状态(后面描述的高怠速模式)时，增益设定部分将角速度用作输入数据，设定增益。即，由于在控制部分如ECU(EngineControl Unit)的控制下，对应于第一运行状态或第二运行状态，对用于反馈控制的输入数据进行切换，因此可以在每个运行状态中设定最佳增益。
因此，例如，可以在启动内燃机期间、紧接在发动机启动之后、或者在发动机预热期间，设定几乎不受或不受内燃机的外部环境(例如温度)变化或运行状态变化如内燃机要求的转矩变化影响的最佳增益。因此，可以实现对内燃机进行高度精确的控制，实现灵敏的并且适当的驾驶性能(即，对驾驶员的操作作出适当且快速响应，输出转矩的内燃机)，并且实现显著减少尾气中的不希望的成分，如碳氢化合物。
按照本发明，按照用于内燃机的控制器的一个方面，当第一运行状态为第一启动运行状态时(启动模式)时，控制部分对增益设定部分进行控制，使得增益设定部分根据将角加速度设定为希望值(例如正恒定值)而进行的反馈控制来设定增益，在第一启动运行状态中，角速度小于希望的角速度，从启动内燃机期间直到角速度达到希望的角速度。
按照这个方面，在例如在从启动内燃机到角速度达到希望的角速度期间发生的，角速度小于希望的角速度的运行状态(启动模式)期间，增益设定部分根据将角加速度设定为希望的角加速度如恒定值(正恒定值)而进行的反馈控制，设定增益。因此，可以在达到希望的角速度之前的时间段中，显著提高对反馈控制的响应，此外，实现了高度精确的控制。
如果将角速度(曲柄旋转速度)用作输入数据进行反馈控制，则由于活塞以及其他部件的往复运动惯量的影响很大，因此不可能准确提取关于内燃机中的燃烧的信息，即，表示由汽缸中的气体压力产生的转矩的大小的信息。因此，在角速度明显变化的瞬变条件下，技术上难以进行适当的反馈控制。
另一方面，如果将角加速度用作输入数据进行反馈控制，则对于内燃机的汽缸中的每个工作冲程(explosion)，可以例如逐个汽缸地准确提取关于燃烧的信息。因此，例如，在从内燃机启动到角速度达到希望的角速度期间发生的，角速度小于希望的角速度的运行状态(启动模式)期间，在达到希望的角速度之前，可以显著提高对反馈控制的响应，此外，实现了高度准确的反馈控制。
按照本发明的用于内燃机的控制器的另一个方面，当第一运行状态为第一变转速运行状态(旋转减速模式)时，控制部分对增益设定部分进行控制，使得增益控制部分根据将角加速度实质上设定为零(0±α)而进行的反馈控制设定增益，其中，当内燃机稳态运行时出现角速度不在包括希望的角速度的预定角速度范围内的运行状态为第一变转速运行状态。
按照这个方面，在当内燃机稳态运行时出现的、角速度不在包括希望的角速度的预定角速度范围内的第一变转速运行状态(旋转减速模式)期间，在控制部分的控制下，增益设定部分根据将角加速度设定为预定角加速度如恒定值(基本上为零)而进行的反馈控制，设定增益。因此，对于内燃机的汽缸中的每个工作冲程，可以例如逐个汽缸地准确提取关于燃烧的信息方面的变化。因此，可以比角速度(曲柄转速)的实际变化更快、更准确地确定当内燃机运行时角速度的意外变化，这使得能够对燃烧信息方面的变化进行快速响应，从而实现适当的反馈控制。这样，可以更快速地将角速度恢复到希望的角速度。
按照本发明的用于内燃机的控制器的另一个方面，可以对控制器进行配置，使得当第一运行状态为第一变转速运行状态时，控制部分对增益设定部分进行控制，使得增益控制部分根据将角加速度的积分实质上设定为零或为恒定值而进行的反馈控制，设定增益，其中，当内燃机稳态运行时出现的、角速度不在包括希望的角速度的预定角速度范围内的运行状态为第一变转速运行状态。
按照这个方面，在内燃机稳态运行时出现的、角速度不在包括希望的角速度的预定角速度范围内的第一变转速运行状态(旋转减速模式)期间，在控制部分的控制下，增益设定部分根据将角加速度的积分设定为预定角加速度例如基本上为零或恒定值而进行的反馈控制，设定增益。因此，对于内燃机的汽缸中的每个工作冲程，可以例如逐个汽缸地准确提取关于燃烧的信息的变化。因此，当内燃机运行时，可以比角速度(曲柄转速)的实际变化更快、更准确地确定角速度的意外变化，这使得能够对燃烧信息方面的变化进行快速响应，从而实现适当的反馈控制。这样，可以更快速地将角速度恢复到希望的角速度。
按照本发明的用于内燃机的控制器的另一个方面，当第二运行状态(FI模式)为以下运行状态中的任何一个状态时，控制部分对增益设定部分进行控制，使得增益控制部分根据将角速度设定为恒定值(正恒定值)而进行的反馈控制，设定增益，其中，所述运行状态包括内燃机稳态运行时出现的：(i)角加速度在包括零的预定角加速度范围内的运行状态；以及(ii)角速度在包括希望的角速度的预定角速度范围内的运行状态。
按照这个方面，在运行状态如内燃机稳态运行时出现的例如(i)角加速度在包括零的预定角加速度范围内的运行状态(高怠速(fastidle)模式)，或者，(ii)角速度在包括希望的角速度的预定角速度范围内的运行状态(高怠速模式)期间，在控制部分的控制下，增益设定部分根据将角速度设定为预定恒定值(正恒定值)而进行的反馈控制，设定增益。因此，可以实现能够补偿稳定偏差(steady deviation)如燃料特性(fuel property)的反馈控制。此外，可以实现充分满足与输入数据的微小变化相对应的所要求的响应的稳定反馈控制。
如果在角速度大致恒定的、相对稳定的运行状态中，将角加速度用作输入数据，则输入数据的量大于需要。在这种情况下，控制变得对输入数据过于敏感，出现反馈控制发散如振荡，技术上难以进行适当的反馈控制。此外，当内燃机稳态运行时，转子加工误差导致的时间导数方面的误差的影响变得明显，并因此降低了角加速度的计算精度。因此，将角加速度用作反馈控制中的输入数据变得不适当。
另一方面，如果将角速度用作输入数据进行反馈控制，则可以实现稳定的反馈控制。因此，例如当内燃机稳态运行时，可以实现能够补偿稳定偏差如燃料性质的反馈控制，同时，可以实现充分满足与输入数据的微小变化相对应的所要求的响应的稳定反馈控制。
按照本发明的用于内燃机的控制器的另一个方面还可以包括能量计算部分，用于根据角加速度或角速度计算曲柄机构的旋转能量，其中，增益设定部分可以包括将角加速度用作输入数据来设定增益的第一设定部分，以及将角速度用作输入数据来设定增益的第二设定部分，并且，控制部分可以根据计算的旋转能量，从利用第一设定部分进行的控制和利用第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。
按照这个方面，能量计算部分根据角加速度或角速度计算曲柄机构的旋转能量(即与角速度有关的能量)。第一设定部分将角加速度用作输入数据来设定增益。第二设定部分将角速度用作输入数据来设定增益。
控制部分根据计算的旋转能量，从利用第一设定部分进行的控制和利用第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。这里的旋转能量指的是旋转系统的刚体的动能。对每个后面描述的预定时间段计算旋转能量，这使得关于燃烧的信息，即，表示由汽缸中的气体压力产生的转矩大小的信息，能够被正确地反映在旋转能量中。
如果不是根据旋转能量，而是根据角加速度或角速度，在利用第一设定部分进行的控制和利用第二设定部分进行的控制之间进行切换，则切换受物理因素，如由活塞的往复运动质量产生的惯性转矩，以及测量因素(噪声)，如在确定角加速度或角速度过程中由转子的加工误差而导致的时间导数方面的误差的影响。因此，切换定时不适当以及因此反馈控制发散的可能性增加。
另一方面，按照本发明的上述方面，控制部分根据计算的旋转能量，从利用第一设定部分进行的控制和利用第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。因此，按照不同的运行状态，根据旋转能量，在适当时刻，通过对在设定增益的反馈控制的上述处理当中进行切换，可以快速设定最佳增益，利用这种方法可以明显削弱或消除诸如由包括活塞和曲柄机构的刚体的往复运动质量产生的惯性转矩之类的因素的影响。因此，可以实现对内燃机进行高度精确的控制，实现灵敏的并且适当的驾驶性能(即，对驾驶员的操作做出适当且快速响应、输出转矩的内燃机)。
可以针对上述控制部分的一个方面，对控制器进行配置，使得能量计算部分为依据曲轴的曲柄角范围定义的每个预定时间段计算旋转能量，并且，在启动期间或者在转速下降时，当角速度高于预定角速度并且为每个预定时间段计算的旋转能量的变化率小于预定变化率时，控制部分从利用第一设定部分进行的控制切换到利用第二设定部分进行的控制，或者，当角速度低于预定角速度并且为每个预定时间段计算的旋转能量的变化率大于预定变化率时，控制部分从利用第二设定部分进行的控制切换到利用第一设定部分进行的控制。
利用这样的配置，可以通过根据旋转能量的变化率，在更适当的时刻按照不同运行状态进行切换，快速设定最佳增益。
针对关于预定时间段的一个方面，可以这样规定预定时间段，使得在该预定时间段内，与曲柄机构的惯性运动对应的每个转矩平均值为常数。
利用这样的配置，可以根据为每个按照与曲柄机构的惯性运动对应的惯性转矩的平均值为常数而规定的预定时间段计算的旋转能量的变化率，通过在更适当的时刻按照不同运行状态进行切换，快速设定最佳增益。
针对关于预定时间段的一个方面，可以根据内燃机的汽缸数，规定预定时间段。
利用这样的配置，可以根据为基于内燃机具有的汽缸数而规定的每个预定时间段计算的旋转能量的变化率，通过在更适当的时刻按照内燃机的性能和特性，同时按照不同运行状态进行切换，快速设定最佳增益。
针对关于预定时间段的一个方面，可以根据通过将720度除以汽缸数获得的曲柄角范围，规定预定时间段。
利用这样的配置，可以根据为每个基于四冲程循环(four cycle)内燃机的汽缸数规定的预定时间段计算的旋转能量的变化率，通过在更适当的时刻按照不同运行状态进行切换，快速设定最佳增益。
按照本发明的一个方面的用于内燃机的另一种控制器包括：计算部分，用于计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；能量计算部分，用于根据角加速度或角速度计算曲柄机构的旋转能量；第一设定部分，用于根据将角加速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；第二设定部分，用于根据将角速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；以及，控制部分，用于根据计算的旋转能量，从利用第一设定部分进行的控制和利用第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。
对于按照本发明的这个方面的、用于内燃机的另一种控制器，计算部分计算角加速度或角速度。在进行这样的计算的同时、之前或之后，能量计算部分根据角加速度或角速度计算曲柄机构的旋转能量(即与角速度有关的能量)。第一设定部分将角加速度用作输入数据，设定增益。第二设定部分利用角速度设定增益。控制部分根据计算的旋转能量，从利用第一设定部分进行的控制和利用第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。
因此，可以按照不同的运行状态，根据旋转能量，通过在适当时刻，在设定增益的反馈控制的上述处理当中进行切换，快速设定最佳增益，利用这种方法可以明显削弱或消除诸如由包括活塞和曲柄机构的刚体的往复运动质量产生的惯性转矩之类的因素的影响。因此，可以实现对内燃机进行高度精确的控制，实现灵敏的并且适当的驾驶性能(即，对驾驶员的操作做出适当且快速响应、输出转矩的内燃机)。
按照本发明的这个方面的用于内燃机的另一种控制器的实施例，可以采用与按照本发明的上述方面的、用于内燃机的控制器的实施例所采用的各个方面对应的各个方面。
按照本发明的一个方面的、用于控制内燃机的方法包括如下步骤：计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；根据角加速度和角速度确定内燃机的运行状态(如模式是否为启动模式)；根据将角加速度或角速度用作输入数据的反馈控制(自动控制)，设定操作内燃机所需要的转矩增益；并且，对设定步骤进行控制，使得当确定运行状态为第一运行状态(启动模式或旋转减速模式)时，设定步骤将角加速度用作输入数据来设定增益，而当确定运行状态为第二运行状态(高怠速模式)时，设定步骤将角速度用作输入数据来设定增益。
按照本发明的这个方面的用于控制内燃机的方法，可以享有按照本发明的上述方面的用于内燃机的控制器的实施例所具有的各种优点。
按照本发明的这个方面的用于控制内燃机的方法的实施例可以采用与按照本发明的上述方面的用于内燃机的控制器的实施例所采用的各个方面对应的各个方面。
按照本发明的一个方面的、用于控制内燃机的另一种方法包括如下步骤：计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；根据角加速度或角速度计算内燃机的曲柄机构的旋转能量；第一设定步骤，用于根据将角加速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；第二设定步骤，用于根据将角速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；并且，根据计算的旋转能量，从利用第一设定步骤进行的控制和利用第二设定步骤进行的控制中的一个切换到另一个。
按照本发明的这个方面的用于控制内燃机的另一种方法，可以享有按照本发明的上述方面的用于内燃机的另一种控制器的实施例所具有的各种优点。
按照本发明的这个方面的用于内燃机的另一种方法的实施例可以采用与按照本发明的上述方面的用于内燃机的另一种控制器的实施例所采用的各个方面对应的各个方面。
附图说明
根据以下参照附图对优选实施例进行的描述，本发明的上述以及其他目的、特性和优点将变得更加清楚，在附图中，用相同的数字代表相同的要素，其中：
图1为示出了安装了按照实施例的内燃机控制器的汽车的基本配置的示意图；
图2A为示出了在按照内燃机的运行状态进行按照实施例的反馈控制时，角速度沿着时间轴变化的曲线；
图2B为示出了在按照内燃机的运行状态进行按照实施例的反馈控制时，角加速度沿着时间轴变化的曲线；
图3为示出了按照实施例的，按照运行状态进行反馈控制的处理流程的流程图；
图4为示出了按照实施例的，在按照运行状态进行反馈控制的过程中进行的切换处理流程的流程图，其中，处理模式从启动模式切换到高怠速模式；
图5为示出了按照实施例的预定时间段的示意图，其中，在按照运行状态进行反馈控制的过程中进行的切换处理中，为每个预定时间段计算旋转能量；
图6为按照实施例，示意性地示出了由汽缸中的气体压力产生的转矩的变化，由质量产生的惯性转矩的变化以及作用在曲轴上的实际转矩的变化的示意图；
图7为按照实施例，示出了在四缸内燃机中的进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程等四个冲程的定时序列(timing sequence)的示意图；并且
图8为示出了按照实施例，在按照运行状态进行反馈控制的过程中，从高怠速模式切换到旋转减速模式的切换处理的流程的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的示例性实施例进行描述。
首先将参照图1，对安装了按照本实施例的内燃机控制器的汽车的基本配置进行描述。图1为示出了安装了按照本实施例的内燃机控制器的汽车的基本配置的示意图。在安装了按照本实施例的内燃机控制器的汽车中，根据曲轴2的曲柄角速度(以下在适当情况下称为“角速度”)的变化，估算从所谓的直线四缸往复式发动机(in-linefour-cylinder reciprocating engine)(以下在适当情况下称为“发动机”)1中输出的转矩，在这个发动机中，按行排列四个汽缸1a到1d，即#1汽缸(1a)到#4汽缸(1d)。例如，发动机1被用作汽车的驱动动力源。
如图1所示，安装了按照本实施例的内燃机喷油控制器的汽车包括发动机1、曲轴2、火花塞3a到3d、曲柄角度传感器5、发动机控制单元6、存储器7、加速器踏板操作量传感器8、活塞10、连杆11和飞轮12。
发动机1配备有曲柄角度感测系统(没有示出)，用于感测曲轴2的旋转位置(曲柄角度)。曲柄角度感测系统包括：与曲轴一起旋转的转子4；以及曲柄角度传感器5，它可以被当作曲柄角度信号输出单元，被布置为面对转子4的外围。转子4的外围布置有沿着外围按照一定间隔如30度间隔排列的突起(没有示出)。曲柄角度传感器5响应于对每个突起的检测，输出预定检测信号。转子4的外围布置有参考位置指示部分如缺口(没有示出)，用于确定曲轴2的旋转位置。当检测到参考位置指示部分时，曲柄角度传感器5输出特定的参考检测信号。
来自曲柄角度传感器5的输出信号被引导到发动机控制单元6(以下在适当的情况下称为“ECU(Engine Control Unit，发动机控制单元)”，它是按照本发明的控制部分的实施例)。作为具有微处理器的计算机单元的ECU 6执行存储在存储器7中的各种发动机控制程序，以对喷油阀(没有示出)等进行操作，由此控制发动机1的运行状态。存储器7由半导体存储器如ROM、SRAM和RAM构成。ECU 6通过将从曲柄角度传感器5输出的参考检测信号用作参考来对突起检测信号的数量进行计数，确定曲柄角度。ECU 6通过测量从曲柄角度传感器5输出的检测信号之间的时间间隔，确定曲柄的角速度。这样，ECU6起计算曲柄角速度的计算部分的作用。
ECU 6包括CPU(中央处理单元)、ROM、RAM、A/D转换器和输入/输出接口。ECU 6根据从各种传感器提供的检测信号执行控制处理和各种判断处理。ECU 6执行存储在存储器7中的、用于估算转矩的程序，由此起本发明的控制部分、增益设定部分和能量计算部分的作用。火花塞3a到3d连接到ECU 6，以调节作为转矩反馈控制的一个受控变量的点火定时。加速器踏板操作量传感器8连接到ECU 6，加速器踏板操作量传感器8起用于调节作为转矩反馈控制的另一个受控变量的进气的传感器的作用。此外，诸如用于测量进气的气流计以及用于输出与尾气的空燃比(air/fuel ratio)对应的信号的A/F传感器连接到ECU 6。但是，省略了对这些传感器的描述。
存储器7可以存储各种映射表，这些映射表被ECU 6用作数据，以便起各种校正部分的作用。
以下将参照图2A、2B和3，描述按照本实施例的、按照运行状态进行的反馈控制。
图2A为示出了在按照内燃机的运行状态进行按照本实施例的反馈控制时，角速度沿着时间轴变化的曲线。图2B为示出了在按照内燃机的运行状态进行按照本实施例的反馈控制时，角加速度沿着时间轴变化的曲线。图2A的纵轴代表角速度值，其横轴为时间轴。图2A中的实线示出了角速度的变化。图2B的纵轴代表角加速度值，其横轴为时间轴。图2B中的虚线示出了角加速度的变化。
如图2A和2B所示，按照本实施例，在控制部分如ECU(发动机控制单元)和CPU(中央处理单元)的控制下，增益设定部分(i)当确定运行状态处在启动模式或减速模式(按照本发明的第一运行状态的例子)时，将角加速度用作输入数据来设定增益，或者，(ii)当确定运行状态处在高怠速模式(按照本发明的第二运行状态的例子)时，将角速度用作输入数据来设定增益。这样，在控制部分如ECU的控制下，对应于第一运行状态和第二运行状态，对用于反馈控制的输入数据进行切换，因而可以在每个运行状态中设定最佳增益。
具体地说，从图2A和2B所示的启动模式期间的变化可见，例如，在从内燃机启动到角速度达到希望的角速度期间出现的，角速度小于希望的角速度的运行状态(启动模式)期间，增益设定部分根据将角加速度设定为希望的角加速度如恒定值而进行的反馈控制，来设定增益。因此，在达到希望的角速度之前的时间段中，可以显著提高反馈控制的响应，此外，实现了高度精确的反馈控制。更具体地说，如图2A所示，角速度增加到希望的角速度，并且，如图2B所示，角加速度从正值减小到零。
如果将角速度(曲柄转速)用作输入数据进行反馈控制，则由于活塞以及其他部件的往复运动惯量(reciprocation inertia)的影响，不可能准确提取关于内燃机中的燃烧的信息，即，表示由汽缸中的气体压力产生的转矩大小的信息。因此，在角速度明显变化的瞬变条件下，技术上难以进行适当的反馈控制。
另一方面，如果将角加速度用作输入数据进行反馈控制，则对于内燃机的汽缸中的每个工作冲程，可以例如逐个汽缸地准确提取关于燃烧的信息。因此，例如，在从内燃机启动到角速度达到希望的角速度期间发生的，角速度小于希望的角速度的运行状态(启动模式)期间，可以在直到达到希望的角速度之前显著提高对反馈控制的响应，此外，实现了高度精确的反馈控制。
同时，从图2A和2B所示的高怠速模式期间的变化可见，在这种运行状态期间，例如当内燃机稳态运行时发生的，(i)角加速度在包括零的角加速度预定范围内的运行状态(高怠速模式)，或者(ii)角速度在包括希望的角速度的预定角速度范围内的运行状态(高怠速模式)，在控制部分的控制下，增益设定部分根据将角速度设定为恒定值(恒定正值)而进行的反馈控制，设定增益。因此，可以实现能够补偿稳定偏差如燃料特性的反馈控制。此外，可以实现充分满足与输入数据的微小变化相对应的所要求响应的稳定反馈控制。更具体地说，如图2A所示，角速度保持在希望的角速度，并且，如图2B所示，角加速度保持在基本上为零。
如果在角速度大致恒定的、相对稳定的运行状态中，将角加速度用作输入数据，则输入数据量大于需要。在这种情况下，控制变得对输入数据不必要的敏感，出现反馈控制发散、例如振荡，并且，技术上难以进行适当的反馈控制。此外，当内燃机稳态运行时，转子的加工误差导致的、在时间导数方面的误差的影响变得明显，并且因此，计算的角加速度的精度降低。因此，在反馈控制中，将角加速度用作输入数据是不适当的。
另一方面，如果将角速度用作输入数据进行反馈控制，则可以实现稳定的反馈控制。因此，例如当内燃机稳态运行时，可以实现能够补偿稳定偏差如燃料性质的反馈控制。此外，可以实现充分满足与输入数据的微小变化相对应的所要求响应的稳定反馈控制。
此外，从图2A和2B所示的减速模式期间的变化可见，当内燃机稳态运行时，在角速度不在包括希望的角速度的预定角速度范围内的运行状态(减速模式)期间，在控制部分的控制下，增益设定部分根据将角加速度设定为预定角加速度而进行的反馈控制，来设定增益。更具体地说，如图2A所示，角速度减小到低于希望的角速度，然后角速度增加，并且，如图2B所示，角加速度减小到负值，然后增加到正值，其中，中间值基本上为零。
因此，对于内燃机的汽缸中的每个工作冲程，可以例如逐个汽缸地准确提取关于燃烧的信息的变化。因此，例如，可以比角速度(曲柄转速)的实际变化更快、更准确地确定当内燃机运行时的角速度的意外变化，这使得能够对燃烧信息方面的变化进行快速响应，从而实现适当的反馈控制。这样，可以将角速度更快地恢复到希望的角速度。
因此，在内燃机启动期间，在发动机启动之后，或者在发动机预热期间，可以按照各种运行状态，设定最佳增益，这个最佳增益几乎不受或不受内燃机外部环境(例如温度)变化或运行状态变化，如内燃机的要求的转矩变化的影响。因此，可以实现对内燃机进行高度精确的控制，实现灵敏的并且适当的驾驶性能(即，对驾驶员的操作作出适当且快速响应，输出转矩的内燃机)，并且实现在尾气中显著减少不希望的成分，如碳氢化合物。
以下将参照图3，对按照本实施例的，按照运行状态进行反馈控制的处理进行描述。图3为示出了按照本实施例的，按照运行状态进行反馈控制的处理流程的流程图。应该注意，在预定时间段如几微秒和几十微秒内，ECU反复执行这个控制过程。
如图3所示，在ECU的控制下，确定是否应该执行按照运行状态的反馈控制(步骤S110)。具体地说，可以根据对与内燃机的温度有关的水温是否在预定范围内的判断，确定是否应该执行按照本实施例的反馈控制。当确定应该执行按照运行状态的反馈控制时(步骤S110，YES)，在ECU的控制下确定运行状态是否为例如从启动内燃机到角速度达到希望的角速度期间出现的、角速度小于希望的角速度的运行状态(启动模式)(步骤S120)。当确定运行状态为启动模式时(步骤S120，YES)，在ECU的控制下，根据将角加速度用作输入数据的反馈控制，设定增益(步骤S130)。
另一方面，当在步骤S120中确定运行状态不是启动状态时(步骤S120，NO)，在ECU的控制下，确定运行状态是否为例如内燃机稳态运行时发生的，诸如(i)角加速度在零的预定范围内的运行状态(高怠速模式)，或者(ii)在角速度在希望的角速度的预定范围内的运行状态(高怠速模式)的运行状态(高怠速模式)(步骤S140)。当确定运行状态为高怠速模式时(步骤S140，YES)，在ECU的控制下，根据将角速度用作输入数据的反馈控制，设定增益(步骤S150)。
另一方面，当在步骤S140中确定运行状态不是高怠速模式时(步骤S140，NO)，在ECU的控制下，确定运行状态是否为内燃机稳态运行时出现的角速度不在希望的角速度的预定范围内的运行状态(减速模式)(步骤S160)。当确定运行状态为减速模式时(步骤S160，YES)，在ECU的控制下，根据将角加速度用作输入数据的反馈控制，设定增益(步骤S170)。在步骤S170中，在ECU的控制下，可以根据利用角加速度的积分的反馈控制，设定增益。
以下参照图4到8以及上述的图2A和2B，对按照本实施例的，按照运行状态切换反馈控制的处理进行描述。
首先，参照图4和5以及上述的图2A和2B，对按照本实施例的，按照运行状态切换反馈控制的处理进行描述。图4为示出了按照实施例的，在按照运行状态进行反馈控制的过程中进行的切换处理流程的流程图，其中，处理模式从启动模式切换到高怠速模式。在预定周期内，如几微秒和几十微秒，ECU反复执行这个切换处理。图5为示出了按照实施例的预定时间段的示意图，其中，在按照运行状态进行反馈控制的过程中进行的切换处理中，为每个预定时间段计算旋转能量。
如图4所示，在ECU的控制下，确定是否达到希望的角速度(S210)。当确定达到了希望的角速度时(步骤S210，YES)，在ECU的控制下，确定在ECU的控制下为每个预定时间段计算的曲柄机构的旋转能量(换句话说，旋转系统的动能或角速度能量)的变化率是否小于预定变化率(S220)。具体地说，通过将预定阈值“Eth”与为第(k-1)个预定时间段计算的旋转能量和为第k个预定时间段计算的旋转能量之间的差“E(k-1)-E(k)”进行比较，可以在预定变化率与为每个预定时间段计算的旋转能量的变化率之间进行比较。例如，可以通过实验或通过理论分析或者根据经验或仿真，独立地并且具体地设定预定阈值“Eth”。在这里，旋转能量指的是旋转系统的刚体的动能。具体地说，可以利用以下公式(1)计算旋转能量。
E(k)＝0.5×J×sqr{ω(k)}...(1)
式中，“sqr”表示对数求平方的函数，“J”表示包括活塞和曲柄机构的刚体的转动惯量，“ω(k)”表示在第k个预定时间段的角速度。通常，转矩为转动惯量与角加速度的乘积。
本实施例的预定时间段被规定为，使得与曲柄机构的惯性运动对应的惯性转矩的平均值为常数。预定时间段为用一个用曲柄角度范围表示的时间段。因此，当计算旋转能量时，可以明显削弱或消除诸如由包括活塞和曲柄机构的刚体的往复运动质量产生的惯性转矩之类的因素对计算的影响。后面将对预定时间段的细节进行描述。
参照图4，当在上述的步骤S220中确定为每个预定时间段计算的曲柄机构的旋转能量的变化率小于预定变化率时(步骤S220，YES)，在ECU的控制下，将从将角加速度用作输入数据的反馈控制切换到将角速度用作输入数据的反馈控制(步骤S230)。具体地说，参照图2A和2B描述的，在ECU的控制下，将模式从启动模式切换到高怠速模式。另一方面，当在步骤S210中确定没有达到希望的角速度时(步骤S210，NO)，或者，当在步骤S220中确定为每个预定时间段计算的曲柄机构的旋转能量的变化率不小于预定变化率时(步骤S220，NO)，在ECU的控制下，结束按照本实施例的，在按照运行状态进行反馈控制的过程中的切换处理。
因此，根据旋转能量，在适当时刻，按照不同的运行状态，通过对在设定增益的反馈控制中的上述处理当中进行切换，可以快速设定最佳增益，利用这种方法可以明显削弱或消除诸如由包括活塞和曲柄机构的刚体的往复运动质量产生的惯性转矩之类的因素的影响。因此，可以实现对内燃机进行高度精确的控制，实现灵敏的并且适当的驾驶性能(即，对驾驶员的操作做出适当且快速响应并输出转矩的内燃机)。
以下将参照图6和7，对按照本实施例的，在按照运行状态进行是反馈控制中的切换处理中使用的预定时间段进行描述。图6为按照本实施例的，示意性地示出了由汽缸中的气体压力产生的转矩的变化，由质量产生的惯性转矩的变化以及作用到曲轴上的实际转矩的变化的示意图。在图6中，纵轴代表转矩大小，横轴代表曲柄角。在图6中，实线代表作用在曲轴上的实际转矩的变化，虚线代表由质量产生的惯性转矩的变化，双点划线代表由汽缸中的气体压力产生的转矩的变化。图7为按照本实施例的，示出了在四缸内燃机中的进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程等四个冲程的时序的示意图。图7中的数字“#1”到“#4”为用于识别汽缸的标号。
如上所述，按照本实施例的预定时间段被规定为，使得与曲柄机构和活塞的惯性运动对应的惯性转矩的平均值为常数。预定时间段为一个用曲柄角度范围表示的时间段。具体地说，如图6所示，本发明人进行的研究已经揭示出，例如，在四缸内燃机中，由曲柄机构、活塞和其他部件的质量在180度的曲柄角度范围内产生的惯性转矩的平均值和积分值大致为零。具体地说，如图6所示，已经揭示出，“作用在曲轴上的实际转矩”为在180度的曲柄角度范围内“由汽缸内的气体压力产生的转矩”与“由质量产生的惯性转矩”之和。
当根据为每个180度的预定时间段计算的旋转能量，切换设定增益的反馈控制中的处理时，可以明显削弱或消除诸如由包括活塞和曲柄机构的刚体的往复运动质量产生的惯性转矩之类的因素的影响。
因此，可以根据为每个预定时间段计算的旋转能量，在适当时刻，按照不同的运行状态，通过在设定增益的反馈控制的上述处理当中进行切换，快速设定最佳增益。因此，可以实现对内燃机进行高度精确的控制，并且实现灵敏的并且适当的驾驶性能(即，对驾驶员的操作做出适当且快速响应，输出转矩的内燃机)。
例如，在四缸内燃机的情况下，如图6和7所示，按照本实施例的，被规定为使得与曲柄机构和活塞的惯性运动对应的惯性转矩的平均值为常数的预定时间段被定义为180度的曲柄角度范围(＝720度/4)。可以根据内燃机的汽缸数定义预定时间段。具体地说，在六缸发动机的情况下，预定时间段被定义为120度的曲柄角度范围(＝720度/6)。在八缸发动机的情况下，预定时间段被定义为90度的曲柄角度范围(＝720度/8)。通常，在n缸发动机的情况下，预定时间段被定义为“720度/n”的曲柄角度范围。
以下参照图8以及上述的图2A和2B，对按照本实施例的，按照运行状态的反馈控制中的切换处理进行描述。图8为示出了按照实施例的，在按照运行状态进行反馈控制的过程中，从高怠速模式切换到减速模式的切换处理的流程的流程图。在预定周期内，如几微秒和几十微秒，ECU反复执行这个控制过程。
如图8所示，在ECU的控制下，确定是否达到希望的角速度(步骤S310)。当确定没有达到希望的角速度时(步骤S310，NO)，在ECU的控制下，确定在ECU的控制下为每个预定时间段计算的曲柄机构的旋转能量(换句话说，旋转系统的动能或角速度的能量)的变化率是否小于预定变化率(步骤S320)。具体地说，如上所述，这个比较可以通过将预定阈值“Eth”与为第(k-1)个预定时间段计算的旋转能量和为第k个预定时间段计算的旋转能量之间的差“E(k-1)-E(k)”进行比较来进行。
当在步骤S320中确定为每个预定时间段计算的曲柄机构的旋转能量的变化率小于预定变化率时(步骤S320，YES)，在ECU的控制下，将控制从将角加速度用作输入数据的反馈控制切换到将角速度用作输入数据的反馈控制(步骤S330)。具体地说，参照图2A和2B描述的，在ECU的控制下，将模式从高怠速模式切换到减速模式。另一方面，当在步骤S310中确定达到希望的角速度时(步骤S310，YES)，或者，当在步骤S320中确定为每个预定时间段计算的曲柄机构的旋转能量的变化率不大于预定变化率时(步骤S320，NO)，在ECU的控制下，结束按照本实施例的，在按照运行状态进行反馈控制的过程中的切换处理。
因此，可以根据旋转能量，在适当时刻，按照不同的运行状态，通过在设定增益的反馈控制中的上述处理当中进行切换，快速设定最佳增益，利用这种方法可以明显削弱或消除诸如由包括活塞和曲柄机构的刚体的往复运动质量产生的惯性转矩之类的因素的影响。
已经针对作为反馈控制中的输出数据(或操作变量)的例子的内燃机的点火定时，对上述实施例进行了描述。但是，在上述实施例中，除了点火定时以外，或者，取代点火定时，例如，用于控制喷油量、喷油时序和进气口的各种操作变量(如油门打开量和如电磁阀之类的阀门的操作量或控制时序)和/或作为外部因素的尾气循环量也可以是操作变量。操作变量的数量可以是单个或多个。已经针对作为稳定运行状态的例子的高怠速模式，对本实施例进行了描述。但是，稳定运行状态可以是例如车辆依靠惯性被驱动的断油(fuel cut)的运行状态。已经针对用于所有汽缸的反馈控制，对本实施例进行了描述。但是，也可以对每个汽缸进行反馈控制。此外，在本实施例中，由于角速度(发动机速度)为用于在稳定运行状态期间进行反馈控制的数据项，因此，出于计算角速度的目的，使用角速度在360度的曲柄角度范围内的平均值并且/或者使用对代表角速度情况的模型进行求平均值或者使之变平滑的各种平滑处理是有利的。此外，尽管在本实施例中，进行了三种模式的分类，即启动模式、高怠速模式和减速模式，但是，也可以采用例如两种模式、四种模式或多种模式的分类。
本发明不限于上述实施例。相反，在根据权利要求和详细说明认识到的本发明的精神的范围内，可以进行替换和修改，并且，经过这样的替换和修改的任何用于内燃机的控制器和内燃机的控制方法也在本发明的技术范围内。

Claims (22)

1.一种用于内燃机(1)的控制器(6)，其特征在于包括：
计算部分，用于计算内燃机的曲柄机构的曲轴(2)的角加速度或角速度；
运行状态确定部分，用于根据所述角加速度或所述角速度确定内燃机的运行状态；
增益设定部分，用于根据将所述角加速度或所述角速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；以及
控制部分，用于控制所述增益设定部分，使得当确定运行状态为第一运行状态时，所述增益设定部分将所述角加速度用作输入数据来设定所述增益，而当确定运行状态为第二运行状态时，所述增益设定部分将所述角速度用作输入数据来设定所述增益。
2.如权利要求1所述的用于内燃机的控制器，其中，当所述第一运行状态为第一启动运行状态时，所述控制部分对所述增益设定部分进行控制，使得所述增益设定部分根据被执行用来将角加速度设定为期望值的反馈控制来设定所述增益，所述第一启动运行状态在内燃机启动直到所述角速度达到期望的角速度期间出现，在该第一启动运行状态中，所述角速度小于期望的角速度。 
3.如权利要求1或2所述的用于内燃机的控制器，其中，当所述第一运行状态为第一旋转改变运行状态时，所述控制部分对所述增益设定部分进行控制，使得所述增益设定部分根据被执行用来将角加速度基本上设定为零的反馈控制来设定所述增益，所述第一旋转改变运行状态在内燃机稳定运行时出现，在该第一旋转改变运行状态中，所述角速度不在包括期望的角速度的预定角速度范围内。
4.如权利要求1或2所述的用于内燃机的控制器，其中，当所述第一运行状态为第一旋转改变运行状态时，所述控制部分对所述增益设定部分进行控制，使得所述增益设定部分根据被执行用来将角加速度的积分基本上设定为零或常值的反馈控制来设定所述增益，所述第 一旋转改变运行状态在内燃机稳定运行时出现，在该第一旋转改变运行状态中，所述角速度不在包括期望的角速度的预定角速度范围内。
5.如权利要求1或2所述的用于内燃机的控制器，其中，当所述第二运行状态为以下两种运行状态中的任何一种时，所述控制部分对所述增益设定部分进行控制，使得所述增益设定部分根据被执行用来将角速度设定为常值的反馈控制来设定所述增益，所述的两种运行状态包括在内燃机稳定运行时出现的：角加速度在包括零的预定角加速度范围内的运行状态；以及角速度在包括期望的角速度的预定角速度范围内的运行状态。
6.如权利要求1或2所述的用于内燃机的控制器，还包括能量计算部分，用于根据角加速度或角速度计算曲柄机构的旋转能量，
其中，所述增益设定部分包括将角加速度用作输入数据来设定所述增益的第一设定部分，以及将角速度用作输入数据来设定所述增益的第二设定部分，并且
其中，所述控制部分根据计算的旋转能量，从利用所述第一设定部分进行的控制和利用所述第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。
7.如权利要求6所述的用于内燃机的控制器，其中，
所述能量计算部分为依据曲轴的曲柄角度范围定义的每个预定时段计算旋转能量，并且，
当角速度高于预定角速度并且为每个预定时段计算的旋转能量的变化率小于预定变化率时，所述控制部分从利用所述第一设定部分进行的控制切换到利用所述第二设定部分进行的控制，或者，当角速度低于预定角速度并且为每个预定时段计算的旋转能量的变化率大于预定变化率时，所述控制部分从利用所述第二设定部分进行的控制切换到利用所述第一设定部分进行的控制。
8.如权利要求7所述的用于内燃机的控制器，其中，
所述预定时段被规定为，使得在所述预定时段中得到的与所述曲柄机构的惯性运动对应的转矩的每个平均值为常数。 
9.如权利要求7所述的用于内燃机的控制器，其中，
根据内燃机具有的汽缸(1a；1b；1c；1d)的数目规定所述预定时段。
10.如权利要求7所述的用于内燃机的控制器，其中，根据通过用汽缸数除720度获得的曲柄角度范围来规定所述预定时段。
11.一种用于内燃机的控制器，其特征在于包括：
计算部分，用于计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；
能量计算部分，用于根据所述角加速度或所述角速度计算所述曲柄机构的旋转能量；
第一设定部分，用于根据将所述角加速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；
第二设定部分，用于根据将所述角速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；以及
控制部分，用于根据计算的旋转能量，从利用所述第一设定部分进行的控制和利用所述第二设定部分进行的控制中的一个切换到另一个。
12.一种控制内燃机的方法，其特征在于包括如下步骤：
计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；
根据所述角加速度或所述角速度确定内燃机的运行状态；
根据将所述角加速度或所述角速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；以及
控制所述设定步骤，使得当确定运行状态为第一运行状态时，所述设定步骤将所述角加速度用作输入数据来设定所述增益，而当确定运行状态为第二运行状态时，所述设定步骤将所述角速度用作输入数据来设定所述增益。
13.如权利要求12所述的控制内燃机的方法，其中，所述控制步骤包括当所述第一运行状态为第一启动运行状态时，根据被执行用来将角加速度设定为期望值的反馈控制来设定所述增益，所述第一启动 运行状态在内燃机启动直到角速度达到期望的角速度期间出现，在该第一启动运行状态中，所述角速度小于期望的角速度。
14.如权利要求12或13所述的控制内燃机的方法，其中，所述控制步骤包括当所述第一运行状态为第一旋转改变运行状态时，根据被执行用来将所述角加速度基本上设定为零的反馈控制来设定所述增益，所述第一旋转改变运行状态在内燃机稳定运行时出现，在该第一旋转改变运行状态中，所述角速度不在包括期望的角速度的预定角速度范围内。
15.如权利要求12或13所述的控制内燃机的方法，其中，所述控制步骤包括当所述第一运行状态为第一旋转改变运行状态时，根据被执行用来将角加速度的积分基本上设定为零或常值的反馈控制来设定所述增益，所述第一旋转改变运行状态在内燃机稳定运行时出现，在该第一旋转改变运行状态中，角速度不在包括期望的角速度的预定角速度范围内。
16.如权利要求12或13所述的控制内燃机的方法，其中，所述控制步骤包括当所述第二运行状态为以下两种运行状态中的任意一种时，根据被执行用来将角速度设定为常值的反馈控制来设定所述增益，所述的两种运行状态包括在内燃机稳定运行时出现的：角加速度在包括零的预定角加速度范围内的运行状态；以及角速度在包括期望的角速度的预定角速度范围内的运行状态。
17.如权利要求12或13所述的控制内燃机的方法，其中，还包括根据所述角加速度或所述角速度计算曲柄机构的旋转能量，
其中，所述设定步骤包括将角加速度用作输入数据来设定所述增益的第一设定步骤，以及将角速度用作输入数据来设定所述增益的第二设定步骤，并且
其中，所述控制步骤包括根据计算的旋转能量，从利用所述第一设定步骤进行的控制和利用所述第二设定步骤进行的控制中的一个切换到另一个。
18.如权利要求17所述的控制内燃机的方法，其中， 
所述计算步骤包括为依据曲轴的曲柄角度范围定义的每个预定时段计算旋转能量，并且，
所述控制步骤包括当所述角速度高于预定角速度并且为每个预定时段计算的旋转能量的变化率小于预定变化率时，从利用所述第一设定步骤进行的控制切换到利用所述第二设定步骤进行的控制，并且
所述控制步骤包括当所述角速度低于预定角速度并且为每个预定时段计算的旋转能量的变化率大于预定变化率时，所述控制步骤包括从利用所述第二设定步骤进行的控制切换到利用所述第一设定步骤进行的控制。
19.如权利要求18所述的控制内燃机的方法，其中，所述预定时段被规定为，使得在所述预定时段得到的与所述曲柄机构的惯性运动对应的转矩的每个平均值为常数。
20.如权利要求18所述的控制内燃机的方法，其中，根据内燃机具有的汽缸数规定所述预定时段。
21.如权利要求18所述的控制内燃机的方法，其中，根据通过用汽缸数除720度获得的曲柄角度范围规定所述预定时段。
22.一种控制内燃机的方法，其特征在于包括如下步骤：
计算内燃机的曲柄机构的曲轴的角加速度或角速度；
根据角加速度或角速度计算内燃机的曲柄机构的旋转能量；
第一设定步骤，用于根据将角加速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；
第二设定步骤，用于根据将角速度用作输入数据的反馈控制，设定操作内燃机所需要的转矩增益；并且
根据计算的旋转能量，从利用所述第一设定步骤进行的控制和利用所述第二设定步骤进行的控制中的一个切换到另一个。 
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