CN104169550B - 柴油发动机的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种柴油发动机的控制装置，其包括：附近温度推定部，其对在起动时将缸内加热的电热塞的附近温度进行推定；以及增压压力控制部，其基于推定出的电热塞的附近温度而控制增压压力，以使得发动机的旋转变动不大。

Description

柴油发动机的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种柴油发动机的控制装置及控制方法。

背景技术

与正常运转时相比，刚冷起动后的燃烧稳定性差。即，发动机的旋转变动大。因此，JP2001-263131A公开有在刚冷起动后的怠速运转中喷射比正常运转更多的燃料的技术。这样，发动机转速上升而尽快稳定。

发明内容

然而，如果增加的燃料附着于电热塞，则会妨碍电热塞的温度上升。另外，如果发动机转速上升，则低温的外部气体(空气)的流入量增加，由此也会抑制电热塞的温度上升。如果电热塞的温度不上升，则燃烧稳定性差的状态会持续。另外，增加燃料这一做法会使燃油消耗恶化。

本发明就是着眼于这种可能性而提出的。本发明的目的是提供一种能够尽快地使燃烧稳定的柴油发动机的控制装置及控制方法。

本发明所涉及的柴油发动机的控制装置的一个方式，包括附近温度推定部，其对起动时将缸内加热的电热塞的附近温度进行推定。并且，还包括增压压力控制部，其基于推定出的电热塞的附近温度而控制增压压力，以使发动机的旋转变动不大。

以下，基于附图，对本发明的实施方式、本发明的优点进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的柴油发动机的控制装置的概略结构图。

图2是针对4个情况示出电热塞温度、发动机转速、可变喷嘴的各自的变化的时序图。

图3是转速变动量相对于从起动开始的经过时间的特性图。

图4是表示发动机的冷起动开始后的电热塞温度、工作气体量、发动机转速、燃料喷射量的变化的时序图。

图5是用于说明第1实施方式中的起动标志的设定的流程图。

图6是可变喷嘴完全打开时间的特性图。

图7是用于对直至转换为第1实施方式的刚冷起动后的怠速运转，并结束后加热为止的控制进行说明的流程图。

图8是用于对直至转换为第2实施方式的刚冷起动后的怠速运转，并结束后加热为止的控制进行说明的流程图。

图9是表示对根据增压的有无所引起的缸内的燃料分布进行模拟得到的结果的图。

图10是表示对相对于﹣25℃的环境下的电热塞附近温度和增压压力的发动机旋转变动进行测定得到的实验结果的图。

图11A是表示可变喷嘴的开度的控制模式的图。

图11B是表示控制可变喷嘴的开度时的电热塞附近温度以及增压压力的变化的图。

图12是第3实施方式的控制流程图。

图13A是对步骤S105中的对应图线段进行说明的图。

图13B是对步骤S105中的对应图线段进行说明的图。

图14是表示根据对应图线段设定出的目标增压压力的图。

图15是第4实施方式的控制流程图。

图16是对步骤S203中的对应图线段进行说明的图。

图17A是说明第5实施方式的基本概念的图。

图17B是说明第5实施方式的基本概念的图。

图17C是说明第5实施方式的基本概念的图。

图18是第5实施方式的控制流程图。

图19是说明第5实施方式的作用效果的图。

具体实施方式

(第1实施方式)

图1是本发明的第1实施方式的柴油发动机的控制装置的概略结构图。

可变喷嘴型的涡轮增压器3，包括进气压缩机3A、排气涡轮机3B、将两者连结的轴3C。

吸入空气由在柴油发动机1的进气通路2中所具有的进气压缩机3A增压，利用中间冷却器4进行冷却，在通过进气节流阀5后，经由收集器6而向各气缸流入。

燃料利用高压燃料泵7进行高压化而输送至共轨8，并从各气缸的燃料喷射阀9直接喷射至缸内。高压燃料泵7、共轨8、燃料喷射阀9构成共轨式燃料喷射装置。流入缸内的空气和从燃料喷射阀9喷射的燃料被压缩、进行点火而燃烧。燃烧后的排气向排气通路10流出。

从排气通路10流出的排气的一部分通过EGR通路11而向进气侧再循环。该气体被称为EGR气体。在EGR通路中设置EGR阀12。EGR阀12对流过EGR通路11的EGR气体的流量进行控制。

剩余的排气穿过排气涡轮机3B，对排气涡轮机3B进行驱动。在排气涡轮机3B的涡旋入口具有可变喷嘴3D。

如果减小可变喷嘴3D、即减小可变喷嘴开度，则排气的流速增大，排气涡轮机3B的转速上升。于是，与排气涡轮机3B同轴的进气压缩机3A的转速上升，增压量增加。

如果将可变喷嘴3D打开、即增大可变喷嘴开度，则排气的流速减小，排气涡轮机3B的转速下降。于是，进气压缩机3A的转速下降，增压量减少。

即，在可变喷嘴型的涡轮增压器3中，如果减小可变喷嘴开度，则工作气体增加，如果增大可变喷嘴开度，则工作气体减少。此处，“工作气体”是指吸入至气缸的空气。可变喷嘴3D由致动器3E驱动。致动器3E可以是油压驱动式，也可以是电驱动式。

在控制器21中，输入有来自加速传感器22的加速踏板操作量APO、来自曲轴转角传感器23的发动机转速Ne的各信号。并且，在控制器21中，基于发动机负载(加速踏板操作量等)以及发动机转速，计算主喷射的燃料喷射定时以及燃料喷射量，将开阀指令信号输出至燃料喷射阀9。另外，在控制器21中，协调地进行EGR控制和增压压力控制，以获得目标EGR率和目标吸入空气量。此外，控制器21由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。

在排气涡轮机3B的下游的排气通路10中，配置对排气中的微粒进行捕获的柴油机微粒过滤器(Diesel Particulate Filter(以下，称作“DPF”))13。如果DPF 13的微粒堆积量达到规定值(阈值)，则在刚进行主喷射后的膨胀行程或排气行程中进行后喷射。由此，将堆积于DPF 13的微粒燃烧去除，使DPF 13再生。即，为了获得目标的再生温度，根据发动机的运转条件(负载及转速)预先确定后喷射量与后喷射定时，根据发动机的运转条件执行后喷射以达到适当的后喷射量·后喷射定时。

为了将堆积于DPF 13的微粒全部燃烧去除、即为了完全再生，在再生处理时在不超过DPF 13的容许温度的范围中，需要尽量提高微粒的燃烧温度。因此，在DPF 13的上游配置催化剂14。催化剂14例如为贵金属的氧化催化剂。此外，催化剂14只要是具有氧化功能的催化剂即可，例如也可以是三元催化剂。为了DPF 13的再生处理而利用催化剂14使后喷射之后的未燃燃料燃烧(氧化)，从而将DPF 13的温度提高，促进DPF 13内的微粒的燃烧。此外，也可以不以分体的方式将催化剂14设置在DPF 13的前侧，而是将氧化催化剂涂覆于构成DPF 13的载体上。这样，促进微粒燃烧时的氧化反应而使DPF 13的温度实际地上升，因此，在DPF 13的内部促进微粒的燃烧。

然而，柴油发动机1在冷起动时的起动性略微困难。因此，以临近各气缸的方式设置冷起动用的电热塞31。电热塞31使缸内的温度上升，而提高发动机1的起动性。

此处，基于图4说明相对于本实施方式的参照例。图4是示出发动机1的冷起动开始后的电热塞温度、工作气体量、发动机转速、燃料喷射量的变化的时序图。粗实线表示参照例。细实线表示后述的第1实施方式。

曲轴起动的开始定时是时刻t1。此时，在低温时，为了获得空气过剩率小于1.0的浓空燃比侧的混合气体，对燃料喷射量进行增加校正。另外，开始对电热塞31通电。在发动机转速急剧上升而超过规定值(例如500rpm)的定时，判断为发动机1的起动。在冷起动初始，可变喷嘴3D完全打开。燃料喷射量的增加校正量在经过规定时间后变为零。即，中止燃料的增加校正。此后，以获得空气过剩率大于1.0的稀空燃比侧的混合气体的方式喷射燃料。在时刻t2变为刚冷起动后的怠速运转，可变喷嘴3D从完全打开切换为完全关闭(图4(C)中的粗实线)，开始通过涡轮增压器3进行的增压。于是，工作气体量增加(图4(B)中的粗实线)。

在变为刚冷起动后的怠速运转的时刻t2立即增加工作气体量，利用所增加的工作气体将电热塞31冷却，电热塞31的温度下降(图4(A)中的粗实线)。其结果，燃烧变得不稳定，从时刻t2起，发动机转速(怠速转速)的变动大(图4(D)中的粗实线)。此外，在一部分气缸中有可能因燃烧的不稳定而失火。

因此，现有装置是在刚冷起动后的怠速运转中将正常时限制燃料喷射量与低温时限制燃料喷射量相比较，而将较大的一方设定为限制燃料喷射量。该装置是在刚冷起动后的怠速运转中略微增大燃料喷射量而使发动机转速上升，尽快地使发动机转速稳定化。

然而，如果增加的燃料附着于电热塞，则会妨碍电热塞的温度上升。另外，如果发动机转速上升，则低温的外部气体(空气)的流入量增加，由此也会抑制电热塞的温度上升。如果电热塞的温度不上升，则燃烧稳定性差的状态持续。另外，增加燃料而使燃油消耗变差。最近，在柴油发动机中低压缩比化正在发展。伴随着该低压缩比化，存在刚冷起动后的怠速运转中的燃烧稳定性恶化的倾向。

图2中示出本发明人鉴于如上所述的刚冷起动后的怠速稳定性的恶化而实施的实际机械实验的结果。横轴为从曲轴起动的开始(发动机起动)的经过时间。在图2中在第2层、第3层、第4层、第5层示出以下的<1>至<4>的4个情况的发动机转速的变化以及可变喷嘴3D的动作变化。

<1>可变喷嘴保持完全打开。

<2>使可变喷嘴在A秒后从完全打开变为完全关闭。

<3>使可变喷嘴在B秒后从完全打开变为完全关闭。

<4>使可变喷嘴在C秒后从完全打开变为完全关闭。

此处，在上述例子<2>～<4>中，A＞B＞C＞0。发动机转速的上下变动幅度越大，表示缸内的燃烧越不稳定，关于该发动机转速的上下变动幅度，其在图2中的第2层～第5层中所示出的上下小幅振动的为发动机转速，在中途阶跃性地变化的为可变喷嘴的动作状态。另外，可变喷嘴进行阶跃变化的定时为从完全打开向完全关闭切换的定时。

在图2中的最上层示出上述例子<1>以及例子<2>中的电热塞31的温度变化。

首先，为了使缸内的燃烧稳定性变好，优选不将电热塞31冷却。因此，即使变为冷起动后的怠速运转，发明人也使可变喷嘴3D保持完全打开(在该状态下，工作气体量保持最小)并对该情况进行了观察。其为上述情况<1>。

如图2中的最上层所示，如本发明人预想的那样，如果即使在刚冷起动后的怠速运转中工作气体量也维持最小，则电热塞31的温度不下降。如果电热塞31的温度的下降受到抑制，则失火的发生减少，燃烧稳定。

另一方面，在情况<1>中，发明人首次发现，虽然在刚冷起动后的怠速运转持续不久之后的时刻t0使可变喷嘴3D从完全打开变为完全关闭，但在该切换之后，发动机转速的变动量变小(怠速转速稳定)。

因此，接下来，与情况<1>相比逐渐提前使可变喷嘴3D从完全打开向完全关闭切换的定时。即，在A秒后切换的是情况<2>。在B秒后切换的是情况<3>。在C秒后切换的是情况<4>。如果是情况<2>以及情况<3>，则怠速转速在刚切换后稳定，但是，在情况<4>中，切换定时过早，怠速转速(即，燃烧状态)在刚切换后反而变得不稳定。这暗示出在刚冷起动后的怠速运转中不会导致旋转变动的范围中，能够尽快地减小旋转变动的最佳切换定时处于B秒与C秒之间。如果将该最佳切换定时设为“tM”秒以后，则在使可变喷嘴在该tM秒之后从完全打开切换为完全关闭时，能够实现尽快地向稳定的怠速运转的转换。

图3是针对图2中示出的实验结果绘制出等间隔的8个采样时间下的各个发动机转速的变动幅度(在图中由“Max-Min”表示)的图。为了进行比较，还示出自低温的冷起动初始起使可变喷嘴保持完全关闭时的情况(情况<5>)。在图3中，纵轴的值越小，发动机转速越稳定。在图3中也可知，将可变喷嘴从完全打开向完全关闭切换的定时从A秒提前至B秒，使得怠速转速尽快地稳定。另一方面，可知如果将切换定时进一步从B秒提前至C秒，则怠速转速反而变得不稳定。

因此，在第1实施方式中，在冷起动初始预先相对地降低吸入空气量，在刚冷起动后的怠速运转中、且达到预先设定的条件时，相对地增加吸入空气量。由此，在刚冷起动后不会导致过度的怠速不稳定，能够尽快地向稳定的怠速运转转换。

对此，参照图4进行更加详细的叙述。图4中的细实线表示第1实施方式。在本实施方式中，在发动机1转换为刚冷起动后的怠速运转的时刻t2及其以后也将可变喷嘴保持为完全打开，在怠速运转中使工作气体量保持最小的状态(图4(B)、(C)中的细实线)。如此，电热塞31的温度在刚冷起动后的怠速运转中不会如参照例所示降低，而是维持恒定(图4(A)中的细实线)。这样，通过防止电热塞的温度降低，压缩端温度上升，工作气体中的燃料变得容易着火。并且，失火的发生得以减少，燃烧稳定。因此，实施方式与参照例相比，刚冷起动后的怠速转速的变动量变小(图4(D)中的细实线)。

时刻t3(＝tM)是在刚冷起动后的怠速运转中不会导致旋转变动的范围中能够尽快地减小旋转变动的最佳切换定时，在本实施方式中首次导入。适当地预先求出该定时。在本实施方式中，在到达时刻t3时判断为达到了预先设定的条件，将可变喷嘴3D从完全打开向完全关闭切换。由此，工作气体量在刚冷起动后的怠速运转中达到最大，在时刻t3及其以后，转速变动量比t3之前的小(图4(D)中的细实线)。

只要以下述方式判断是否达到时刻t3(即，是否达到预先设定的条件)即可。在图4中，将从开始冷起动的时刻t1至刚冷起动后变为怠速运转的时刻t2为止的时间设为“T0”。将从时刻t2至时刻t3为止的时间设为“T1”。在时刻t1起动第1定时器，如果第1定时器值达到T0+T1，则能够判断为达到时刻t3(达到预先设定的条件)。作为其它方法，在时刻t2起动第2定时器，如果第2定时器值达到T1，则也能够判断为达到时刻t3(达到预先设定的条件)。后述的图5、图7的流程图与后者的情况对应。此外，将从冷起动起至转换为刚冷起动后的怠速运转为止的电热塞31的控制称为预加热。将从转换为刚冷起动后的怠速运转起直至不对电热塞31进行通电的时刻t4为止的电热塞31的控制称为后加热。

在本实施方式中，利用具有可变喷嘴3D的涡轮增压器3在刚冷起动后的怠速运转中对工作气体量进行了调整，但并不限定于此。也可以利用进气节流阀5进行调整。例如，预先将可变喷嘴4D从冷起动初始至后加热的结束定时(时刻t4)为止完全打开。另一方面，在冷起动初始，将进气节流阀5关闭以减少工作气体量，如果在图4中的时刻t3将进气节流阀5完全打开，则工作气体量增加。这样，利用进气节流阀5也可以调整工作气体量。

下面，基于图5、图7的流程图，对控制器21执行的从冷起动至转换为刚冷起动后的怠速运转并结束后加热为止的控制内容进行详述。图5是表示起动标志的设定方法的流程图。每隔恒定时间(例如每隔10ms)执行该流程。

在步骤S1中，控制器在发动机的冷起动时判断本次点火开关是否接通。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S2转换，如果判断结果为否，则退出处理。

在步骤S2中，控制器判断起动标志(在上一次使发动机运转后的发动机停止时设定为零)是否为零。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S3转换，如果判断结果为否，则退出处理。此处，设为起动标志＝0而进入步骤S3。

在步骤S3中，控制器判断上一次点火开关是否已接通。如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S4转换，如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S9转换。如果此次点火开关接通且上一次点火开关断开，即，在将点火开关从断开向接通切换时，控制器判断为存在发动机的起动要求，将处理向步骤S4转换。

在步骤S4中，控制器将由水温传感器32检测出的水温Tw[℃]转换为起动时水温Twint[℃]。

在步骤S5中，控制器通过检索图6的表并根据起动时水温Twint，而求出在刚冷起动后的怠速运转中将可变喷嘴3D完全打开的时间(以下称作“可变喷嘴完全打开时间”)T1[秒]。在图4中，时间T1是从时刻t2至时刻t3(＝tM)为止的时间。此外，此处所说的“冷”特指零下的温度区域。如图6所示，在起动时水温Twint处于零下的温度区域(小于零℃的温度区域)中，起动时水温Twint越低，可变喷嘴完全打开时间T1越长。另外，在起动时水温Twint处于大于零℃的温度区域中，可变喷嘴完全打开时间T1恒定。在零下的温度区域中，起动时水温Twint越低可变喷嘴完全打开时间T1越长，是对于起动时水温Twint越低、直至在刚冷起动后的怠速运转中旋转变动稳定为止的时间越长的对策。也能够取代起动时水温Twint而使用起动时油温。此外，也可以简单地将可变喷嘴完全打开时间T1设为恒定值。

在步骤S6中，控制器将可变喷嘴3D完全打开以使工作气体量达到最小。

在步骤S7中，控制器对电热塞31通电。

在步骤S8中，控制器对燃料喷射量进行增加校正，以使混合气体的空气过剩率处于小于1.0的浓空燃比侧。该增加校正量随时间逐渐减小而最终变为零。

在本次、上一次的点火开关为接通、即点火开关持续接通时，按照步骤S1→S2→S3→S9前进。

在步骤S9中，控制器判断由曲轴转角传感器23检测出的发动机转速Ne[rpm]是否大于规定值(例如500rpm)。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S10转换，如果判断结果为否，则发动机1仍未起动，控制器将处理向步骤S6转换。

如果步骤S9中的判断结果为是，则发动机1起动(冷起动)。因此，在步骤S10中，控制器设定为起动标志＝1。由于该起动标志＝1，下一次及其之后不从步骤S2向步骤S3前进。

图7是在刚冷起动后对可变喷嘴3D、电热塞31、燃料喷射量进行控制的流程图。在图5的流程之后，接着每隔恒定时间(例如每隔10ms)执行图7的流程。

在步骤S11中，控制器判断是否起动标志＝1。此外，在图5的流程中对起动标志进行了设定。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S12转换，如果判断结果为否，则退出处理。

在步骤S12中，控制器判断是否怠速标志(在发动机起动时，初始设定为零)＝0。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S13转换，如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S19转换。此处，设定为怠速标志＝0而进入步骤S13。

在步骤S13中，控制器判断由车速传感器33检测出的车速VSP[km/h]是否为零、且由加速传感器22检测出的加速踏板操作量APO[无名数]是否为零。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S14转换，如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S16转换。

如果步骤S13中的判断结果为是，则处于车速VSP为零、且加速踏板操作量APO为零的转换为刚冷起动后的怠速运转的状态。因此，在步骤S14中，控制器设定为怠速标志＝1。

在步骤S15中，控制器设定为定时器值tm1[秒]＝0，起动定时器。定时器对从转换为刚冷起动后的怠速运转后的经过时间进行测量。

如果步骤S13中的判断结果为否，则车速VSP不为零、或者加速踏板操作量APO不为零。即，刚冷起动后尚未转换为怠速运转。因此，此时，跳过步骤S14以及步骤S15，将处理向步骤S16转换。

在步骤S16中，控制器将可变喷嘴3D完全打开，使工作气体量持续保持最小。

在步骤S17中，控制器对电热塞31进行通电(持续通电)。

在步骤S18中，控制器供给正常的燃料喷射量。“正常的燃料喷射量”是指在燃料增加校正量变为零之后供给至燃料喷射阀9的燃料喷射量。根据正常的燃料喷射量获得的混合气体的空气过剩率是大于1.0的稀空燃比侧的值。

在步骤S14中，如果怠速标志＝1，则从下一次开始将处理从步骤S12向步骤S19转换。

在步骤S19中，控制器判断定时器值tm1是否小于可变喷嘴完全打开时间T1(已在图5中的步骤5中计算)。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S16转换，如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S20转换。

如果步骤S19中的判断结果为否，则能够判断为已达到最佳的切换定时(tM)。因此，此时，在步骤S20中，控制器判断定时器值tm1是否小于将恒定时间T2与可变喷嘴完全打开时间T1相加所得的值。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S21转换，如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S22转换。在图4中，时间T2是从最佳的切换定时t3(＝tM)至结束后加热的时刻t4为止的时间。对该时间T2也适当地进行预先确定。如果定时器值tm1小于T1+T2的时间，则已达到最佳切换定时(tM)。因此，控制器在步骤S21中将可变喷嘴3D完全关闭，以使工作气体量在刚冷起动后的怠速运转中达到最高。由此，转速的变动在刚冷起动后的怠速运转中减小，怠速旋转稳定。然后，执行步骤S17以及步骤S18。

在步骤S22中，控制器不对电热塞31通电，结束后加热。

在步骤S23中，控制器对可变喷嘴设定与运转条件相对应的开度。

下面，说明本实施方式的作用效果。

根据本实施方式，由于在刚冷起动后转换为怠速运转的初始时工作气体量少(图4(B)中的时刻t2～t3)，因此，电热塞31难以被工作气体(吸入空气)冷却。因此，从燃料喷射阀9喷射的燃料容易利用电热塞31而着火，减少失火的发生。

然后，在转换为刚冷起动后的怠速运转以后，由于电热塞31的辅助，壁温等的缸内温度环境得到改善，压缩端温度上升。如果变为压缩端温度上升、且电热塞31对燃烧的贡献减弱的环境，则增加工作气体量(图4(B)中的时刻t3～t4)。如果在工作气体量增加的状态下燃烧，则燃烧温度上升，尽快地将燃烧稳定性提高。在刚冷起动后过度的怠速不会变得不稳定，尽快地向稳定的怠速运转转换。

另外，根据本实施方式，起动时冷却水温Twint(冷起动时的发动机温度)越低，可变喷嘴完全打开时间T1越长(图6)。由此，即使在低温时起动时冷却水温Twint不同，也不会在刚冷起动后导致过度的怠速不稳定，尽快地实现稳定的怠速运转。

另外，根据本实施方式，利用涡轮增压器3的可变喷嘴3D调整吸入空气量。即，在冷起动初始，可变喷嘴3D完全打开。并且，在切换定时tM完全关闭。这样，由于利用可变喷嘴3D调整吸入空气量，因此，只要是使用可变喷嘴型的涡轮增压器3的柴油发动机1，即使不追加新的设备，也能够应用，抑制成本增加。

此外，在实施方式中，虽然对可变喷嘴的开度在冷起动初始完全打开，然后完全关闭的情况进行了说明，但并不限定于此。只要在冷起动初始相对变小，然后相对变大即可。

(第2实施方式)

图8是第2实施方式的流程图。对与第1实施方式的图7相同的部分标注相同的步骤编号。

第2实施方式的步骤S31与第1实施方式不同。

在步骤S31中，控制器判断刚冷起动后的怠速运转中的冷却水温Tw是否小于规定值[℃]。该规定值是在刚冷起动后的怠速运转中不会导致旋转变动的范围中能够尽快地减小旋转变动的冷却水温的下限值。适当地预先确定该规定值。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S16转换，如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S20转换。

在该第2实施方式中，也与第1实施方式相同地，在刚冷起动后不会引起过度的怠速不稳定，尽快地向稳定的怠速运转转换。

(第3实施方式)

如上所述，对压缩比比现有结构低的柴油发动机进行了研究。如果压缩比变低，则压缩端温度下降，因此，特别是低温起动时的着火性、低温怠速中的燃烧稳定性变差。因此，如果怠速提升，则容易尽快地向稳定的怠速运转转换。如果怠速提升，则还能够使增压器运转。如果使增压器运转，则如后所述，燃料的穿透力减小，燃料难以附着于电热塞。

在第1实施方式及第2实施方式中，如果条件成立，则可变喷嘴等阶跃性地变化，使得工作气体量增加。由此，不会在刚冷起动后引起过度的怠速不稳定，尽快地向稳定的怠速运转转换。

另外，发明人通过进一步专心的研究，明确了在图2中的情况<2>、<3>或者定时tM，如果进行从完全打开→完全关闭转换则稳定度增加，但在图2中的情况<4>中稳定度反而变差的机理。并且，基于该见解，对能够更加尽快地向稳定的怠速运转转换的方法进行了开发。为了容易理解该实施方式，以下对发明人获得的见解进行说明。

发明人注意到着火性与电热塞附近的当量比及温度有关。为了提高压缩端温度，只要通过增压而提高缸内压力即可。另外，通过提高缸内压力，燃料的穿透力下降，电热塞附近的当量比升高。参照图9对此进行说明。

图9是表示对根据增压的有无所引起的缸内的燃料分布进行模拟得到的结果的图。越是颜色浓的地方，燃料分布越密。图9(A)及图9(C)是气缸的右半部分的纵剖面图，图9(A)及图9(C)中的左端为发动机的中心。并且，图9(A)中未进行增压，图9(C)中进行增压。除此以外的燃料喷射量、燃料喷射定时等的条件相同。图9(B)及图9(D)是从气缸上方观察时的剖面图，示出了直至活塞冠面的空腔的边缘为止的燃料分布。图9(B)中未进行增压，与图9(A)对应。图9(D)中进行增压，与图9(C)对应。箭头表示旋转的方向。另外，在图9(B)及图9(D)中，示出了从燃料喷射阀的8个喷口中的1个喷口喷射的燃料的分布。

在活塞100的冠面形成有空腔。从燃料喷射阀9喷射的燃料从电热塞61的附近通过，到达空腔的边缘部分。

在未进行增压时，根据图9(A)判断可知，燃料的穿透力高，到达空腔的边缘的外侧的燃料多。因此，电热塞附近的燃料较少。另外，根据图9(B)判断可知，空腔内的燃料分布稀薄。

在进行增压时，根据图9(C)判断可知，燃料的穿透力小，空腔的边缘的外侧的燃料比图9(A)中的少。因此，电热塞附近的燃料比图9(A)中的多。另外，根据图9(D)判断可知，与图9(B)相比，空腔内的燃料分布变得更浓厚。

由此可知，通过进行增压，电热塞附近的当量比升高。因此，如第1实施方式、第2实施方式所示，通过使可变喷嘴阶跃性地变化而进行增压，电热塞附近的当量比升高，能够提高冷起动性。然而，通过进行增压，低温的空气大量地流入。根据发明人的研究表明，电热塞被该空气冷却。

图10是表示对相对于﹣25℃的环境下的电热塞附近温度与增压压力的发动机旋转变动进行测定得到的实验结果的图。横轴为电热塞附近的推定温度，纵轴为增压压力。此外，通过将电热塞的表面温度TG、与使冷却水温TW乘以系数K1所得的值、使进气温度TI乘以系数K2所得的值相加而求出电热塞附近的推定温度TGA。即，存在下式的关系。此外，适当地设定系数K1、K2。

[式1]

TGA＝TG+TW×K1+TI×K2...(1)

利用安装于电热塞的温度传感器检测电热塞的表面温度TG。另外，预先设定目标温度，并对电热塞的表面温度进行占空比控制以使其达到该目标温度。因此，可以使用电热塞表面的目标温度。利用安装于冷却水路径中的温度传感器检测冷却水温TW。利用安装于收集器6上的温度传感器检测进气温度TI。适当地设定各系数。黑色圆形表示旋转变动小，以下，按照白色四边形→黑色三角形→叉号的顺序使旋转变动变大，即，燃烧稳定性变差。

如果观察各点的分布，则可知并非散乱地存在，而是以一定程度集中于特定的区域。

即，黑色圆形集中于右上区域。因此，利用朝右下的线L1对黑色圆形集中地区域进行划分。线L1的右侧的区域为旋转变动小的稳定区域。

另外，白色四边形、黑色三角形、叉号也以一定程度集中于特定的区域。因此，利用线L2及线L3对这些区域进行划分。

利用各线划分出的区域是旋转变动为相同程度的等变动旋转区域。在等变动旋转区域中，燃烧稳定度处于相同水平。

如图9中说明所示，在进行了增压的情况下，电热塞附近的当量比升高，燃烧稳定度好像有所提高，但通过进行增压，低温的空气大量地流入。电热塞受到该空气冷却。因此，根据图10的实验结果表明，即使单纯地提高增压压力，燃烧也不稳定。

图11A是表示可变喷嘴的开度的控制模式的图。图11B是表示控制可变喷嘴的开度时的电热塞附近温度以及增压压力的变化的图。

下面，参照图11A及图11B对控制可变喷嘴的开度时的电热塞附近温度以及增压压力的变化进行说明。

图11A中的模式P1是尽快地使可变喷嘴进行从完全打开→完全关闭转换的模式。其相当于图2中的情况<4>。如果如该模式P1这样控制可变喷嘴的开度，则如图11B所示，伴随着增压压力的上升，电热塞附近温度大幅降低。即，电热塞附近温度不仅受到电热塞表面温度的影响，还受到冷却水温的影响，在冷却水温低的状态下提高增压压力的模式P1中，伴随着增压压力的上升，电热塞附近温度大幅降低。因此，暂时进入发动机的旋转变动比当前大的区域(线L3左侧的区域)，然后，趋向稳定。

图11A中的模式P2是隔开规定时间使可变喷嘴阶跃性地从完全打开→完全关闭转换的模式。这相当于图2中的情况<2>、<3>或者在定时tM进行从完全打开→完全关闭转换的实施方式。如果如该模式P2这样控制可变喷嘴的开度，则如图11B所示，虽然电热塞附近温度伴随着增压压力的上升而下降，但是发动机旋转变动区域仍然是与当前相同的线L2与线L3之间的区域。因此，在刚变更可变喷嘴的开度后，产生与当前同等程度的发动机旋转变动，然后，趋向稳定。

这样，如果使可变喷嘴阶跃性地进行从完全打开→完全关闭转换，则无法避免低温的空气流入，电热塞附近温度降低这一情况。如果尽快地控制可变喷嘴，则稳定性反而变差，即使隔开时间地进行控制，也在较长的时间内产生与当前同等程度的发动机旋转变动。

此外，如图11A中的模式P5所示，如果可变喷嘴保持完全关闭，则如图11B所示，虽然电热塞附近温度不下降，稳定度增加，但直至转换至稳定区域为止耗费时间。

这样，通过导入电热塞附近温度这样的参数，如图2所示，燃烧稳定性随可变喷嘴的控制定时而变化的原因变得明确。

除了冷却水温以外，电热塞附近温度还受到进气温度(吸入至缸内的空气的温度)的影响。如果增压压力上升，导入至缸内的空气量增加，则压缩端温度也上升，电热塞附近温度也上升。

因此，如图11A中的模式P3所示，发明人隔开规定时间将可变喷嘴逐渐关闭而逐渐提高增压压力。在该情况下，如图11B所示，虽然电热塞附近温度随着增压压力的上升而下降，但是与模式P2相比下降程度较小。因此，与模式P2相比能够更加尽快地使发动机旋转稳定。

另外，如图11A中的模式P4所示在最开始缓慢地将可变喷嘴关闭。在该情况下，如图11B所示，在线L2与线L3之间的区域中，电热塞附近温度不下降。因此，能够尽快地使发动机旋转稳定。

可知，通过使可变喷嘴并非阶跃性地进行从完全打开→完全关闭转换，而是如模式P3、模式P4所示逐渐控制可变喷嘴，能够使发动机旋转尽快地稳定化。

下面，说明对可变喷嘴的具体的控制内容。

图12是第3实施方式的控制流程图。

在步骤S101中，控制器基于传感器信号检测水温TW、进气温度TI、增压压力QA、外部气体温度TA。

在步骤S102中，控制器基于下式计算未进行增压时的电热塞附近温度TGA0。此外，由于以上述方式预先设定电热塞表面目标温度TGT，并进行了占空比控制以达到该目标温度，因此，使用该值。

[式2]

TGA0＝TGT+TW×K1+TA×K2...(2)

在步骤S103中，控制器判断电热塞附近温度TGA0是否小于未进行增压时的燃烧稳定电热塞附近温度TGA1。如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S103转换，如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S107转换。判断结果为否意味着在未进行增压时燃烧稳定。因此，此时，将处理向步骤S107转换，将目标增压压力QAT设定为零，不进行增压。除此之外，如果不进行增压，则燃烧不稳定，因此，将处理向步骤S103转换，对目标增压压力QAT进行设定。

在步骤S104中，控制器基于下式计算电热塞附近温度TGA。

[式3]

TGA＝TGT+TW×K1+TI×K2 ...(3)

在步骤S105中，控制器根据电热塞附近温度TGA以及增压压力QA并利用对应图线段对目标增压压力QAT进行设定。此外，在后文中叙述具体内容。

在步骤S106中，控制器进行反馈控制以使增压压力QA达到目标增压压力QAT。

图13A及图13B是对步骤S105中的对应图线段进行说明的图。此外，预先设定图13A及图13B中的对应图，例如与图10相同地进行。

将初始状态设为A1。并且，如LC1所示求出规定时间后的预测线。如果在该线LC1上，则还能够进行任何控制。然而，为了提高燃烧稳定性，希望与对旋转变动的区域进行划分的线L4相比靠右。例如，希望尽量增大增压压力。其理由在于，在提高增压压力的情况下，电热塞附近温度上升，因此，燃烧尽快地稳定。因而，将线L4与线LC1的交点设定为目标增压压力。此外，考虑到精度波动等，可以不设定为线L4与线LC1的交点，而是设定于线L4的右侧或者线LC1上。

并且，如果变为A2，则再次如LC2所示求出从此时起经过规定时间之后的预测线。并且，同样地，将线L3与线LC2的交点(或者其附近)设定为目标增压压力。

通过逐次地重复以上设定，如图14所示重复设定出目标增压压力。

如以上说明所示，根据本实施方式，进行控制以使得不阶跃性地提高增压压力，电热塞附近温度不下降。由此，能够抑制电热塞附近温度的下降，且能够提高电热塞附近的当量比，能够尽快地向稳定的怠速运转转换。

(第4实施方式)

图15是第4实施方式的控制流程图。

在第3实施方式中，一边逐次地预测经过规定时间后的状态，一边设定目标增压压力。即，一边逐次地确定对应图的详情内容，一边设定目标增压压力。然而，并不限定于这种方法。在该第4实施方式中，对使用预先确定的对应图的方法进行说明。

在步骤S201中，控制器基于传感器信号检测水温TW、进气温度TI。

在步骤S202中，控制器判断水温TW以及进气温度TI是否大于预先设定的规定值。如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S203转换，如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S204转换。

在步骤S203中，控制器根据水温TW以及进气温度TI并利用对应图线段对目标可变喷嘴开度TVNT进行设定。此外，在后文中叙述具体的内容。

在步骤S204中，控制器将目标可变喷嘴开度TVNT设定为零，不进行增压。

图16是对步骤S203中的对应图线段进行说明的图。

将初始的水温以及进气温度设为﹣20℃。此时，基于图16而将目标可变喷嘴开度设为零(完全打开)。

如果水温上升至-15℃但进气温度依然保持﹣20℃，则将目标可变喷嘴开度设定为VNT1。

如果水温变为﹣10℃、且进气温度变为﹣15℃，则将目标可变喷嘴开度设定为VNT2。

如果水温变为0℃、且进气温度变为﹣10℃，则将目标可变喷嘴开度设定为VNT3。

这样，在该第4实施方式中，利用预先确定的对应图对可变喷嘴的开度进行控制。

如以上说明，根据本实施方式，也能够尽快地向稳定的怠速运转转换，并且，由于使用预先确定的对应图，因此能够简易地进行控制。

(第5实施方式)

图17A～17C是对第5实施方式的基本概念进行说明的图。

首先，为了容易理解该第5实施方式，参照图17A～17C对基本概念进行说明。

如图17A所示，在实施方式中，增压压力随着时间的经过而提高，如果达到目标增压压力，则维持该增压压力。此时，水温及进气温度也随着时间的经过而上升。

预先设定电热塞的目标温度。例如设定为1200℃等。并且，为了实现该设定，通常，如图17B所示，进行占空比控制以使占空比初始时高，并逐渐减小。其理由在于，如果不这样控制，则电热塞的表面温度会过度上升，导致电热塞的寿命缩短。

然而，在通常的占空比控制中，不考虑增压压力的变化。因此，实际上，如图17C所示，伴随着增压压力的上升，电热塞的表面温度下降。如果电热塞的温度下降，则与此相应地直至燃烧稳定为止耗费时间。

因此，在该第5实施方式中，对电热塞的占空比控制也进行了研究。以下说明具体内容。

图18是第5实施方式的控制流程图。

在步骤S301中，控制器基于传感器信号检测水温TW、进气温度TI、增压压力QA。

在步骤S302中，控制器基于下式计算电热塞附近温度TGA。此外，TGT为电热塞表面目标温度(例如1200℃)。

[式4]

TGA＝TGT+TW×K1+TI×K2...(4)

在步骤S303中，控制器求出电热塞附近温度TGA时的燃烧稳定增压压力QAT。具体而言，只要参照预先设定的表进行计算等即可。

在步骤S304中，控制器判断燃烧是否稳定，具体而言，判断增压压力QA是否大于燃烧稳定增压压力QAT。如果判断结果为否，则控制器将处理向步骤S305转换，如果判断结果为是，则控制器将处理向步骤S307转换。

在步骤S305中，控制器求出电热塞表面温度下降量TGL。具体而言，例如基于下式进行计算。此外，适当地设定系数K3、K4。

[式5]

TGL＝TW×K3+(TI×QA)×K4 ...(5)

在步骤S306中，控制器利用电热塞表面温度下降量TGL，对预先设定的通电量GL0进行校正，以达到电热塞表面目标温度。具体而言，例如如下式所示设定电热塞通电量GL。此外，适当地设定系数K5。

[式6]

GL＝GLO+TGL×K5...(6)

在步骤S307中，控制器根据增压压力QA求出燃烧稳定的电热塞附近温度的最低值TGAMIN。具体而言，只要参照预先设定的表进行计算等即可。

在步骤S308中，控制器利用最低温度TGAMIN对预先设定的通电量GL0进行校正，以达到电热塞表面目标温度。具体而言，例如如下式所示设定电热塞通电量GL。此外，适当地设定系数K6。

[式7]

GL＝GLO-TGAMIN×K6...(7)

如果按照上述方式设定，则在燃烧不稳定的初期，如图17B所示，即使提高电热塞通电量(占空比)并进行了增压，电热塞表面温度的下降也得到抑制(图17C)。

在燃烧稳定之后，如图17B所示，降低电热塞通电量(占空比)。由此，虽然电热塞表面温度降低，但确保了燃烧稳定的电热塞附近温度。并且，由于在燃烧稳定后降低电热塞通电量(占空比)，因此，电热塞通电量的总量减小，电热塞的负担减轻，其结果，电热塞的寿命延长。

图19是说明第5实施方式的作用效果的图。

根据该第5实施方式，在燃烧不稳定的初期，即使提高电热塞通电量(占空比)并进行了增压，电热塞表面温度的下降也得到抑制。因此，沿着图19中的路径R1所示的实线路径行进。在燃烧稳定以后，即，在进入线L1的右侧的燃烧稳定区域以后，以沿着线L1的方式进行控制。由此，尽快地向稳定的怠速运转转换。

另外，在燃烧稳定以后，水温上升，进气温度由于增压也上升，因此即使降低电热塞表面温度也能够维持电热塞附近温度，燃烧稳定。因此，在本实施方式中，降低电热塞通电量(占空比)，电热塞通电量的总量减小，电热塞的负担减轻，其结果，电热塞的寿命延长。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但是上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，其主旨并非将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。

例如，在上述中，根据电热塞的表面温度、冷却水温TW以及进气温度TI对电热塞附近温度进行了运算。然而，并不限定于此。也可以考虑润滑油的温度、气缸壁面温度、空气过剩率、吸入空气量、空气密度、增压压力。在该情况下，只要适当地设定系数并在式(1)中进一步进行加法运算即可。另外，可以简单地基于任1个参数对电热塞附近温度进行运算。只要考虑所要求的精度、控制器的成本等而适当地决定所要采用哪个参数即可。

另外，在上述中，通过控制可变喷嘴型的涡轮增压器的可变喷嘴而对增压压力进行了控制。然而，也可以是其它增压器，另外，可以通过利用可变动阀机构对阀定时进行调整而控制增压压力(缸内压力)。

另外，上述运算式也不过是一个例子。

上述实施方式能够进行适当的组合。

本申请基于2012年3月14日向日本特许厅申请的日本特愿2012-57713而主张优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书。

Claims (11)

1.一种柴油发动机的控制装置，其包括：

附近温度推定部，其对在起动时将缸内加热的电热塞的附近温度进行推定；以及

增压压力控制部，其基于推定出的电热塞的附近温度而控制增压压力，以在刚起动后转换为怠速运转的初期通过减少吸入空气量抑制电热塞的温度的下降，从而使利用电热塞的燃料的着火变得容易，并且，如果变为电热塞对燃烧的贡献减弱的环境，则增加吸入空气量，以使发动机的旋转变动小。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述增压压力控制部在低温起动时控制增压压力。

3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机的控制装置，其中，

具有以使发动机的旋转变动成为相同程度的方式预先设定电热塞的附近温度以及增压压力的多个等变动旋转区域，所述增压压力控制部进行控制以使得增压压力在各个等变动旋转区域达到最高。

4.根据权利要求1或2所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述增压压力控制部对增压压力进行控制，以使得直至进入旋转变动小的稳定区域为止，电热塞的附近温度不下降。

5.根据权利要求1或2所述的柴油发动机的控制装置，其中，

还包括加热通电控制部，其直至进入旋转变动小的稳定区域为止，与非增压时相比，在增压时提高电热塞的通电量。

6.根据权利要求5所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述加热通电控制部在进入到旋转变动小的稳定区域以后，与非增压时相比，在增压时降低电热塞的通电量。

7.根据权利要求1或2所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述附近温度推定部基于电热塞表面温度、冷却水温、进气温度、润滑油温度、气缸壁面温度、空气过剩率、吸入空气量、空气密度、增压压力中的至少一个，推定电热塞的附近温度。

8.根据权利要求1或2所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述增压压力控制部，在起动初期预先将涡轮增压器的可变喷嘴完全打开，在变为刚起动后的怠速运转并进一步达到预先设定的条件时，将可变喷嘴完全关闭。

9.根据权利要求8所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述增压压力控制部，在从变为所述刚起动后的怠速运转的定时起直至经过规定时间为止时，作为达到所述预先设定的条件，将所述可变喷嘴完全关闭，

起动时的发动机温度越低，所述规定时间设定为越长的时间。

10.根据权利要求8所述的柴油发动机的控制装置，其中，

所述增压压力控制部，在变为所述刚起动后的怠速运转之后，在发动机温度达到规定温度时，作为达到所述预先设定的条件，将所述可变喷嘴完全关闭。

11.一种柴油发动机的控制方法，该方法包括：

附近温度推定工序，在该工序中，推定在起动时将缸内加热的电热塞的附近温度；以及

增压压力控制工序，在该工序中，基于推定出的电热塞的附近温度而控制增压压力，以在刚起动后转换为怠速运转的初期通过减少吸入空气量抑制电热塞的温度的下降，从而使利用电热塞的燃料的着火变得容易，并且，如果变为电热塞对燃烧的贡献减弱的环境，则增加吸入空气量，以使发动机的旋转变动小。