CN104655360B - 内燃机的缸内压力推定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能利用常数较少的燃烧模型来以更高的精度推定缸内压力行为的内燃机的缸内压力推定装置。包括：对内燃机的运转状态进行检测的运转状态检测单元(20)；基于所述运转状态检测单元(20)所检测到的运转状态来计算点火后因燃烧而开始产生热量为止的期间、即着火延迟的着火延迟计算单元(302)；以及基于所述运转状态来计算燃烧速度的燃烧速度计算单元(303)，在经过点火后的着火焰期间之后，对火花塞的间隙部所产生的火焰面呈以所述火花塞的间隙部为中心的椭圆体状并以所述燃烧速度扩大到缸内壁面的情况进行模拟，将所述火焰面的内侧设为既燃部，将外侧设为未燃部，从而分别计算所述既燃部与所述未燃部的缸内压力，并基于所述既燃部与所述未燃部的缸内压力来推定整个缸内的缸内压力。

Description

内燃机的缸内压力推定装置
技术领域
本发明涉及内燃机的缸内压力推定装置，具体而言，涉及能实时当前模拟缸内压力的内燃机的缸内压力推定装置。
背景技术
在近几年的环境问题、能源问题的背景下，要求进一步提高内燃机控制装置的燃耗效率。针对该要求，以往对点火时期进行优化，以使其接近MBT(Minimum Advance forBest Torque：最佳转矩时的最小点火提前角)，并利用VVT(Variable Valve Timing：可变气门正时)机构来优化泵气损失、内部EGR量，并且还利用该VVT结构来进行利用进气阀延迟关闭的阿特金森循环，而且还利用EGR(Exhaust Gas Recirculation：废气再循环)结构来优化泵气损失、外部EGR量。
为了如上述那样将大量的控制参数控制在最佳，对缸内压力进行测量并调查最佳的运转状态，从而实现了燃耗效率的提高，然而为了进行优化，原本所必须的数据量也会变得庞大，因此使用DoE(Design of Experiments：实验设计)等来减少测量点，而且还利用MBC(Model-Based Calibration：基于模型的校准)来进行统计建模、数值优化等，以减少控制所需的映射数。
上述方法利用统计模型来优化控制参数，但也考虑利用物理模型而非统计模型来优化点火时期等。即，根据VVT、EGR的控制量以及各种传感器输出值，并利用物理模型来计算缸内的进气量、EGR量，进一步基于计算出的进气量、EGR量、点火时期来实施基于物理模型的燃烧模拟从而推定缸内压力，由此，在不测量缸内压力的运转条件下，也能计算燃耗达到最佳的VVT、EGR、点火时期的控制量，从而优化各控制参数。
进一步地，随着内燃机控制装置中所使用的微机的性能的提高，也考虑在执行内燃机控制的同时，实时地进行燃烧模拟，从而实施该缸内压力的推定、各种控制量的优化。
作为物理模型中、特别是燃烧模拟中所使用的燃烧模型的例子，例如日本专利特开2004-293541号公报(专利文献1)所公开的方法利用由湍流燃烧引起的火焰的生长和由层流燃烧引起的火焰的生长来预测火焰传播，从而构建燃烧的物理模型。此外，例如日本专利特开2004-332658号公报(专利文献2)所公开的方法基于层流燃烧速度来计算主燃烧期间，并进一步基于主燃烧期间来计算MBT点火时期。作为与上述那样忠实于燃烧物理模型的燃烧模拟不同的方式，例如日本专利特开2008-215204号公报(专利文献3)所记载的方法利用近似燃料比率的Wiebe函数来实施热释放率的模拟。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-293541号公报
专利文献2：日本专利特开2004-332658号公报
专利文献3：日本专利特开2008-215204号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，上述专利文献1和2所公开的方法虽然进行了在一定程度上忠实于现有已知的燃烧物理模型的燃烧模拟，但实际缸内的燃烧现象非常复杂，因而认为以安装于内燃机控制装置并实时地对燃烧进行模拟的水平的运算量来进行高精度的推定较为困难。
此外，专利文献3所公开的方法中，由于是对燃烧的进行状况进行近似，因此，虽然运算量较少，但也需要根据缸内形状、运转条件来改变Wiebe函数的常数，若因缸内形状而导致热释放率的形状较为复杂(例如以热释放率的峰值为中心、左右不对称的情况等)，则需要使用复杂的Wiebe函数来进行拟合等，存在为了高精度地进行模拟而需要大量的常数及其适应的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种内燃机的缸内压力推定装置，能利用常数较少的燃烧模型来高精度地推定缸内压力的行为。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的内燃机的缸内压力推定装置包括：对内燃机的运转状态进行检测的运转状态检测单元；基于所述运转状态检测单元所检测到的运转状态来计算点火后因燃烧而开始产生热量为止的期间、即着火延迟的着火延迟计算单元；以及基于所述运转状态来计算燃烧速度的燃烧速度计算单元，
在经过点火后的着火焰期间之后，对火花塞的间隙部所产生的火焰面呈以所述火花塞的间隙部为中心的椭圆体状并以所述燃烧速度扩大到缸内壁面的情况进行模拟，将所述火焰面的内侧设为既燃部，将外侧设为未燃部，从而分别计算所述既燃部与所述未燃部的缸内压力，并基于所述既燃部与所述未燃部的缸内压力来推定整个缸内的缸内压力。
发明效果
若采用本发明的内燃机的缸内压力推定装置，则能利用较少的控制常数来以更高的精度对缸内压力的行为进行推定。
附图说明
图1是简要地表示搭载了本发明实施方式1所涉及的缸内压力推定装置的内燃机的结构图。
图2是简要地表示搭载了本发明实施方式1所涉及的缸内压力推定装置的内燃机的控制装置的结构图。
图3是表示燃烧参数近似单元的框图。
图4是表示初期缸内压力的缸内压力-缸内容积线图。
图5是表示着火延迟与燃烧速度的图。
图6是表示燃烧模拟的运算内容的流程图。
图7是示意性地表示缸内的火焰生长的图。
图8是示意性地表示计算火焰表面积的方法的图。
图9是示意性地表示计算火焰体积的方法的图。
图10是示意性地表示计算既燃部的缸内温度的方法的图。
图11是表示根据缸内压力计算燃烧速度的方法的框图。
具体实施方式
下面，利用附图，对本发明的内燃机的缸内压力推定装置的优选实施方式进行说明。
实施方式1
图1是简要地表示搭载了本发明实施方式1所涉及的缸内压力推定装置的内燃机(以下也称为发动机)的结构图，图2是简要地表示其控制装置的结构图。
图1中，在发动机1的进气系统的上游设有对吸入空气量进行检测的气流传感器(以下称为AFS：Air Flow Sensor)2。在AFS2下游的发动机1一侧，设置有能进行电气控制的电子控制节流器3，以对吸入空气量进行调整。另外，为了对电子控制节流器3的开度进行测定，设置有节流开度传感器4。另外，也可以基于后述的进气歧管压力来推定吸入空气量等，使用其它对吸入空气量进行测定的单元，从而代替使用AFS2来检测吸入空气量。
另外，还设有用于对包含设置在电子控制节流器3下游的气室5以及进气歧管6内在内的空间(以下称为进气歧管)的压力(以下称为进气歧管压力)进行测定的进气歧管压传感器7，以及对进气歧管内的温度(以下称为进气歧管温度)进行测定的进气温度传感器8。此外，也可以使用对严格来讲是不同温度的外部气体进行近似测量的温度传感器、例如内置于AFS2的温度传感器，根据外部气温来对进气歧管温进行推算，以代替设置有测量进气歧管温的进气温传感器8。
而且，气室5连接有从用于将来自排气系统的外部EGR导入的EGR阀9开始的路径。在包含进气歧管6及缸内在内的进气阀附近设有用于喷射燃料的喷射器10，在进气阀及排气阀中分别设有用于使阀正时可变来操作内部EGR的进气VVT11和排气VVT12，气缸盖上设有用于对火花塞进行驱动的点火线圈13，该火花塞用于在气缸内产生火花。在排气歧管14中设置有未图示的氧气传感器、催化剂、通向EGR阀9的路径。还设有曲柄角度传感器16，该曲柄角度传感器16从安装在发动机1的曲柄轴上的旋转板15的边缘检测出发动机转速、曲柄角度。
此外，设有电子控制单元(以下称为ECU：Electric Control Unit)17，如图2所示，向ECU17输入：AFS2所测定的吸入空气量，节流开度传感器4所测定的电子控制节流器3的开度，进气歧管压传感器7所测定的进气歧管压力，进气温度传感器8所测定的进气歧管温度，曲柄角度传感器16所检测到的旋转板15的边缘，以及大气压传感器18所测定的大气压。此外，也可以使用对大气压进行推算的单元，还可以使用内置于ECU17中的大气压传感器，来代替对大气压进行测定的大气压传感器18。另外，来自上述以外的各种传感器19(包含未图示的油门开度传感器、氧气传感器)的测定值也都输入ECU17。
在ECU17内的运转状态检测单元20中，根据旋转板15的边缘周期来计算发动机转速、曲柄角度，并进一步根据吸入空气量、进气歧管压力等来计算气缸吸入空气量、EGR率。基于在这里计算出的气缸吸入空气量、EGR率来驱动喷射器10、点火线圈13等。此外，利用油门开度等所输入的各种数据来计算目标转矩，并计算出达到所算出的目标转矩的目标气缸吸入空气流量，并计算目标节流开度、目标进气VVT相位角、目标排气VVT相位角、目标EGR开度，来达到目标气缸吸入空气流量及目标EGR率，并将它们作为目标值，来对电子控制节流器3的开度、进气VVT11、排气VVT12的相位角、以及EGR阀9的开度进行控制。此外，根据需要也对其它各种致动器21进行控制。
在ECU17内除了上述那样通常的发动机控制以外，也同时进行燃烧模拟。基于上述运转状态检测单元20所求出的运转状态，由燃烧参数近似单元22计算燃烧模拟所需的燃烧参数，并基于运转条件和燃烧参数，由燃烧模拟单元23来进行燃烧模拟。
接着，参照图3，对燃烧参数近似单元22进行说明。图3是表示燃烧参数近似单元22的框图。在运转状态检测单元20中，如上所述，计算通常的发动机控制所使用的运转状态、即发动机转速(Ne)，填充效率(Ec)，点火时期(IG)，空燃比(AFR)，EGR率(InEGR：内部EGR率、ExEGR：外部EGR率、EGR：总EGR率(＝InEGR+ExEGR))，VVT相位角(InVVT：进气侧、ExVVT：排气侧)，以及进气歧管压力(Pb)等。然而，为了实施燃烧模拟，仅靠这些参数是不够的，还需要与缸内压力有关的参数、与燃烧有关的参数。为此，在燃烧参数近似单元22中，由模块301计算初始缸内压力(Pin)，由模块302计算着火延迟(IgDly)，由模块303计算燃烧速度(Vcomb)。另外，模块301为初始缸内压力计算单元，模块302为着火延迟计算单元，模块303为燃烧速度计算单元。
首先，对模块301中的初始缸内压力(Pin)的计算方法进行说明。初始缸内压力(pin)是指压缩行程开始(下死点)时刻的缸内压力。通常在发动机的压缩行程中，已知在进气阀关闭到点火时期为止的期间没有空气进出的状态变化过程中，缸内容积(V)和缸内压力(P)能够记为下式(1)所示的多方变化。该式中，n表示多方指数。
【数学式1】
数1
PVn＝一定··(1)
将利用该式将图4所示、由图中的×标记的缸内容积和缸内压力计算出的下死点(BTDC180degCA)的缸内压力定义为初始缸内压力。对于该初始缸内压力，例如可以利用以通过DoE等预先决定的运转条件而测量到的缸内压力，预先计算各运转条件下的初始缸内压力，利用运转条件(发动机转速、进气歧管压力、VVT相位角等)对计算出的初始缸内压力进行近似，从而能在图3的模块301中进行计算。作为用于计算初始缸内压力(Pin)的近似式的例子，可以将使用了发动机转速(Ne)、进气歧管压力(Pb)、近期VVT相位角(InVVT)、排气VVT相位角(ExVVT)的一次近似式写成下式(2)那样。该式中，K*_Pin表示比例系数，Kcnt_Pin表示常数项。
【数学式2】
数2
Pin＝Kcnt_Pin+Kne_Pin×Ne+Kpb_Pin×Pb
··(2)
+Kinvvt_Pin×InVVT+Kexvvt_Pin×ExVVT
计算初始缸内压力(Pin)的近似式并不限于上式，可以使用更多表示运转状态的参数，也可以使用二次式、三次式那样提高了次数的近似式。
接着，对模块302中示出的着火延迟(IgDly)和模块303中示出的燃烧速度(Vcomb)的计算方法进行说明。
首先，基于图5(a)、(b)(c)(d)所示的利用后述的方法计算出的燃烧速度的示例来说明着火延迟和燃烧速度的定义。这里，图5(a)示出曲柄角与燃烧比率(MFB)的关系，图5(b)示出曲柄角与热释放率(dQ)的关系，图5(c)示出曲柄角与燃烧速度(Vcomb(i))的关系，图5(d)示出曲柄角与修正后燃烧速度(Vcomb)的关系。着火延迟定义为图5(d)所示那样从点火时期到燃烧速度上升为止的延迟期间，获得该延迟期间的操作即为实际着火延迟期间计算单元。作为上述延迟期间的单位，可以使用时间[ms]，也可以使用曲柄角度[degCA]。
另外，有时如图5(c)所示那样在燃烧开始时产生燃烧速度的浪涌，因此可以如后述那样将该浪涌考虑在内来对着火延迟进行修正。此外，关于燃烧速度，将燃烧开始时的初始浪涌部分以及燃烧后半段的递减部分以外的部分的平均值定义为燃烧速度。它们与初始缸内压力的计算一样，能够利用以通过DoE等预先决定的运转条件而测量到的缸内压力，计算出着火延迟和燃烧速度，并利用运转条件(发动机转速、填充效率、点火时期、空燃比、EGR率等)对计算出的着火延迟和燃烧速度进行近似，从而进行计算。作为计算着火延迟(IgDly)与燃烧速度(Vcomb)的近似式的例子，可以将使用了发动机转速(Ne)、填充效率(Ec)、点火时期(IG)、空燃比(AFR)、以及EGR率(EGR)的一次近似写成下式(3)、(4)那样。该式中，K*_*表示比例系数，Kcnt_*表示常数项。
【数学式3】
数3
IgDly＝Kcnt_IgDly+Kne_IgDly×Ne+Kec_IgDly×Ec
··(3)
+Kig_IgDly×IG+Kafr_IgDly×AFR+Kegr_IgDly×EGR
【数学式4】
数4
Vcomb＝Kcnt_Vcomb+Kne_Vcomb×Ne+Kec_Vcomb×Ec
··(4)
+Kig_Vcomb×IG+Kafr_Vcomb×AFR+Kegr_Vcomb×EGR
上述式(3)相当于着火延迟计算单元的实现方式即着火延迟近似单元，上述式(4)相当于燃烧速度计算单元的实现方式即燃烧速度近似单元，但计算着火延迟(IgDly)和燃烧速度(Vcomb)的近似式并不限于上式，可以使用更多表示运转状态的参数，也可以使用二次式、三次式那样提高了次数的近似式。此外，由于燃烧速度如图5(c)所示，倾向于从热释放率的峰值位置附近开始逐渐减小，因此可以在后述的燃烧模拟时，在检测到热释放率达到峰值之后，对燃烧速度进行逐渐减小的修正。
在燃烧模拟单元23中，利用由运转状态检测单元20计算出的运转状态、以及由燃烧参数近似单元22计算出的初始缸内压力、着火延迟、燃烧速度来实施燃烧模拟。
接着，参照图6对燃烧模拟单元23中执行的运算进行说明。图6是表示燃烧模拟的运算内容的流程图。该运算在从压缩行程开始(下死点)到膨胀行程结束(下死点)为止的360[degCA]的曲柄角度内执行。更具体而言，可以在规定曲柄角度的中断处理内进行运算，也可以在多个曲柄角度的中断处理内分别进行运算。此外，也可以在每隔规定时间的中断处理内分别进行运算。另外，在理想的情况下，只要能在整个运转区域的曲柄角度360[degCA]期间结束运算即可，但当无法在高旋转区域结束运算处理时，可以在例如曲柄角度720[degCA]期间、即发动机1转两圈期间对一次燃烧进行运算。
在步骤601中，首先执行燃烧模拟的初始化处理。这里，代入初始缸内压力(Pin)以作为缸内压力(Pcyl)的初始值，代入相当于压缩行程的开始点(下死点)的-180[degCA]以作为曲柄角度(Ang)的初始值，基于下式(5)，由点火时期(IG)和着火延迟(IgDly)来计算着火时期(IA)。该式中，(0)表示初始值。
【数学式5】
数5
Pcyl(0)＝Pin
Ang(0)＝-180··(5)
IA＝IG+IgDly
另外，根据填充效率(Ec)、总EGR率(EGR)以及缸内容积(V(0))计算缸内气体的密度(ρ(0))，并利用下式(6)的状态方程计算缸内温度的初始值(Tcyl(0))。
【数学式6】
数6
Pcyl＝ρRTcyl··(6)
∴
这里，R是气体常数。关于缸内容积(V)，可以预先基于曲柄-活塞机构来求得每个曲柄角度的缸内容积，并以排列方式进行存储，在使用时，参照与曲柄角度(Ang)相对应的缸内容积(V)，也可以在每次使用时基于曲柄-活塞机构来求得缸内容积(V)。
在接下来的步骤602中，曲柄角度被更新。曲柄角度的更新量例如可以设为1[degCA]。然而，当需要在高旋转区域减少运算量的情况下，可以根据发动机转速将曲柄角度的更新量设为2[degCA]，相反地在低旋转区域、或运算处理能力有余力的ECU17中，也可以设为0.5[d egCA]。
在步骤603中，利用曲柄角度更新前的缸内压力和缸内温度进行多方变化运算，从而计算当前曲柄角度下的缸内压力和缸内温度。具体而言，若将当前的曲柄角度设为(i)，将更新前的曲柄角度设为(i-1)，则多方变化能利用下式(7)来进行运算。
【数学式7】
数7
Pcyl(i)V(i)n＝Pcyl(i-1)V(i-1)n，Tcyl(i)V(i)n-1＝Tcyl(i-1)V(i-1)n-1··(7)
∴
另外，如下文所述，分别在缸内的既燃部和未燃部中进行该运算。
在步骤604中，对当前的曲柄角度(Ang(i))是否比着火时期(IA)大、即是否超过着火时期(IA)来进行判定。这里，在当前的曲柄角度(Ang(i))在着火时期之前的情况下，不进行之后的处理而进入步骤609，而在当前的曲柄角度(Ang(i))在着火时期之后的情况下，进入接下来的步骤605。在步骤605中，对当前的既燃部体积(Vb(i))是否比当前的缸内容积(V(i))小、即燃烧是否结束进行判定。这里，若既燃部体积(Vb(i))等于缸内容积(V(i))，则燃烧结束，因此不进行之后的处理而进入步骤609，而若燃烧未结束，则进入接下来的步骤606。
在步骤606中，计算火焰表面积(Sb)，并在接下来的步骤607中计算既燃部体积(Vb)。这里，利用图7对实施方式1中火焰形状的思维方式进行说明。图7(a)、(b)、(c)是示意性地表示缸内火焰的生长的图。图7(a)、(b)、(c)的圆柱示意性地表示缸内的形状，内部的球示意性地表示火焰。
图7(a)是表示刚点火后的火焰的示意图，图7(b)是表示燃烧比率(MFB)进行到50％左右时的火焰的示意图，图7(c)是表示燃烧即将结束的火焰的示意图，呈现出以火花塞的间隙部为中心火焰以燃烧速度(Vcomb)进行扩大的形态。通过如上述那样考虑火焰的生长，从而能对缸内的燃烧进行模拟。另外，并不一定要将火焰考虑成球面状，而考虑成将火焰的赤道方向(图7(a)、(b)、(c)中相当于左右方向)和极轴方向(图7(a)、(b)、(c)中相当于上下方向)的半径设为不同值的旋转椭圆体。该情况下，例如将燃烧速度(Vcomb)与规定值相乘来计算火焰在极轴方向上的生长速度即可。当火焰接触到缸内壁面时，视为该部分的燃烧结束，将该部分从火焰表面积、既燃部体积的运算中排除。
按照上述想法，参照图8对步骤606中的火焰表面积(Sb)的计算方法进行说明。图8是示意性地表示计算火焰表面积的方法的图。考虑以火花塞的间隙部为中心的旋转椭圆体，若如图8那样将旋转椭圆体的赤道方向设为x轴、y轴，将其半径设为a，将极轴方向设为z轴，将其半径设为b，则在与z轴垂直的面上截出的截面的半径R满足下式(8)，因此，若利用该式计算旋转椭圆体表面的微小部分的长度dL，则为下式(9)。
【数学式8】
数8
∴
【数学式9】
数9
而且，以z轴为中心旋转1圈所得部分的面积dS即为下式(10)。
【数学式10】
数10
要在ECU17中计算当前曲柄角度下的火焰表面积(Sb(i))，只需对式(10)进行数值积分一直到着火焰z轴方向的高度即可。另外，如上所述，由于在火焰与缸内壁面接触的部分的燃烧已结束，因此需要将该部分从数值积分中排除。
接着，参照图9，对步骤607中计算既燃部体积(Vb)的计算方法进行说明。图9是示意性地表示计算既燃部体积的方法的图。与表面积的计算一样，对于在与某根轴垂直的面上截出的截面，其截面积Sv(z)可以写成下式(11)。
【数学式11】
数11
要在ECU17中计算当前曲柄角度下的既燃部体积(Vb(i))，只需对式(11)与微小高度dz之积进行数值积分一直到既燃部z轴方向的高度即可。另外，由于既燃部会到达缸内的壁面，因此需要将超过该壁面的部分从数值积分中排除。
如上述那样，在步骤606和步骤607中计算出火焰表面积(Sb)和既燃部体积(Vb)。另外，这里示出了认为火焰形状为旋转椭圆体的情况下的例子，但也可以认为火焰形状为椭圆体，或球体。椭圆体是指x轴、y轴、z轴这三个方向的直径长度均不同，当中任意两个轴方向上的直径相同则为旋转椭圆，三个长度均相同则为球体。这里将它们统称为椭圆体状。
在接下来的步骤608中进行缸内压力以及缸内温度的计算。首先，参照图10对缸内温度的计算方法进行说明。图10是示意性地表示对既燃部、未燃部、新燃烧部分的缸内温度进行计算的方法的图。如图10所示，在实施方式1的方法中，仅分别考虑了既燃部、未燃部与新燃烧的部分，对于未燃部和既燃部，利用式(7)所示的多方变化，如下式(12)所示，由曲柄角度更新前的未燃部与既燃部的温度(Tc1(i-1)、Tc2(i-1))计算当前曲柄角度下未燃部和既燃部的缸内温度(Tc1(i)、Tc2(i))。此外，关于新燃烧的部分，除了未燃部的温度(Tcl(i))，还将因燃烧所产生的热量而上升的温度(ΔTc(i))考虑在内，来计算新燃烧部分的缸内温度。然后，基于既燃部的缸内温度(Tc2(i))、新燃烧部分的温度(Tc1(i)+ΔTc(i))以及燃烧比率(MFB)来计算当前曲柄角度下既燃部的缸内温度的最终值(Tc2’(i))。
【数学式12】
数12
这里，能够利用既燃部体积(Vb(i))和缸内容积(V(i))并用下式(13)来计算当前曲柄角度下的燃烧比率(MFB(i))。
【数学式13】
数13
此外，能够利用定容比热(Cv)并用下式(14)来计算因燃烧所产生的热量(ΔQ(i))而上升的温度(ΔTc(i))。另外，能够利用更新前与当前的曲柄角度下既燃部体积的变化量(ΔVb(i)＝Vb(i)-Vb(i-1))、缸内燃料密度(ρf(i)＝ρ(i)/(1+A FR))、以及燃料的发热量(HVF)来计算燃烧所产生的热量(ΔQ(i)：相当于热释放率)。
【数学式14】
数14
ΔQ＝Cv·ΔTc
ΔQ(i)＝ΔVb(i)·ρf(i)·HVF··(14)
∴
根据以上计算出的未燃部与既燃部的缸内温度(Tc1(i)、Tc2’(i))以及燃烧比率(MFB(i))，并利用下式(15)来计算整个缸内的缸内温度(Tcyl(i))。
【数学式15】
数15
Tcyl＝MFB(i)·Tc2′(i)+(1-MFB(i))·Tc1(i)··(15)
另外，与先对这里算出的热释放率(ΔQ(i))计算出峰值保持值(ΔQph)，当该峰值保持值(ΔQph)与热释放率(ΔQ(i))之差在规定值以上时，若对热释放率的峰值位置进行检测并对燃烧速度进行逐渐减小的修正，在能更准确地模拟图5(c)中说明的燃烧速度的行为。
接着，对缸内压力的计算方法进行说明。对于未燃部，根据式(7)所示的多方变化，利用曲柄角度更新前的未燃部的缸内压力(Pc1(i-1))并用下式(16)来计算当前曲柄角度下未燃部的缸内压力(Pc1(i))。
【数学式16】
数16
基于当前曲柄角度下既燃部的缸内温度的最终值(Tc2’(i))，并利用下式(17)所示的状态方程来计算既燃部的缸内压力的最终值(P c1’(i))。
【数学式17】
数17
Pc2′(i)＝ρ(i)RTc2′(i)··(17)
根据以上计算出的未燃部与既燃部的缸内压力(Pc1(i)、Pc2’(i))以及燃烧比率(MFB(i))，并利用下式(18)来计算整个缸内的缸内压力(Pcyl(i))。
【数学式18】
数18
Pcyl＝MFB(i)·Pc2′(i)+(1-MFB(i))·Pc1(i)··(18)
由此，在步骤608中进行缸内压力以及缸内温度的计算。在接下来的步骤609中，将当前的曲柄角度(Ang(i))与膨胀行程的终止点(下死点)即终止角度(+180[degCA])进行比较，若已终止，则结束处理，若在终止角度以前，则返回步骤602，进行曲柄角度的更新。
通过如上述那样在燃烧模拟单元23中执行燃烧模拟来模拟缸内火焰扩大成椭圆体状的情况，因此能容易地再现与缸内形状相对应的缸内压力变化的行为，也能容易地计算热释放率、燃烧比率，而且也能容易地再现与火花塞位置相对应的缸内压力变化的行为。
然而，到这里为止所进行的说明是以火焰的燃烧速度已知为前提的。下面，对利用到这里为止说明的燃烧模拟、根据在通过DoE等预先决定的运转条件下测量到的缸内压力来计算燃烧速度的方法进行说明。
图11是表示根据缸内压力计算燃烧速度的方法的框图。在模块1101至1103中，根据缸内压力数据来计算热释放率(dQ)和燃烧比率(MFB)。为了根据缸内压力数据来计算当前曲柄角度的热释放率(dQ(i))，通常使用下式(19)。
【数学式19】
数19
这里，能够根据前后曲柄角度数据并利用差分来计算体积变化量(d V(i))和缸内压力变化量(dPcyl(i))。
可以将当前曲柄角度的燃烧比率(MFB(i))设为下式(20)所示的到当前曲柄角度为止的热释放率的累计值(Q(i))与总热释放率的累计值(Qall)的比来计算。
【数学式20】
数20
由此，预先根据压缩行程的开始(下死点)到膨胀行程的终止(下死点)为止的360[degCA]的曲柄角度的缸内压力数据，来计算热释放率(dQ)与燃烧比率(MFB)。
接着，利用图6所示的燃烧模拟来计算燃烧速度，而图11的模块1104至1108示出了更具体的燃烧速度的计算方法。
在从压缩行程的开始(下死点)到膨胀形成结束(下死点)为止的360[degCA]的每个曲柄角度下执行图11的模块1104至1108。在模块1104中进行临时燃烧速度的设定和更新。临时燃烧速度用于在真实的燃烧速度未知的状态下设定燃烧速度来作为临时值，并利用该临时燃烧速度来实施图6的燃烧模拟。这里，首先将临时燃烧速度设为0来进行初始设定。在接下来的模块1105中，利用临时燃烧速度来计算临时既燃部体积，在模块1106中计算临时燃烧比率(MFB’(i))，该计算中使用了到这里为止说明的图6所示的燃烧模拟，特别是步骤607的方法。然后，在模块1107中，将根据该曲柄角度下的缸内压力数据计算出的燃烧比率(MFB(i))与临时燃烧比率(MFB’(i))进行比较。另外，模块1106是临时燃烧比率计算单元，模块1108是实际燃烧速度导出单元。
这里，如果是在燃烧开始以前(着火时期以前)，则根据缸内压力数据计算出的燃烧比率(MFB(i))和临时燃烧比率(MFB’(i))均为0，不等式成立，因此进入模块1108，将临时燃烧速度作为当前曲柄角度下的燃烧速度(Vcomb(i))进行储存。如果是在燃烧开始以后，若将临时燃烧速度维持为初始设定，则根据缸内数据计算出的燃烧比率(MFB)会比临时燃烧比率(MFB’(i))大，因此回到模块1104，将临时燃烧速度与规定值相加来更新临时燃烧速度，并进行模块1105以及模块1106的运算。在模块1107的条件成立以前，重复以上步骤，从而能求得根据缸内压力数据计算出的燃烧比率(MFB(i))与临时燃烧比率(MFB’(i))相等时的燃烧速度。当然，若利用每个该曲柄角度下的燃烧速度(Vcomb(i))来实施燃烧模拟，则能在测量到的缸内压力数据中得到大致相等的模拟结果。
然而，若利用这种方法计算燃烧速度，则在图5(c)所示那样的燃烧速度上升时可能会发生初期浪涌。为此，将该初期浪涌部分以及燃烧后半部逐渐减小的部分以外的部分的平均值定义为燃烧速度，并对着火延迟进行修正，以使得由曲柄角和燃烧速度所包围的部分的面积相等，从而能计算出测量到的缸内压力数据所对应的着火延迟与燃烧速度。
通过采用上述方式，能计算出适用于实施方式1的燃烧模拟的着火延迟和燃烧速度，从而能容易地进行使用缸内压力数据的适应，能以更高的精度来适应着火延迟。
如上所述，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置包括：对内燃机的运转状态进行检测的运转状态检测单元；基于上述运转状态检测单元所检测到的运转状态来计算点火后因燃烧而开始产生热为止的期间即着火延迟的着火延迟计算单元；以及基于上述运转状态来计算燃烧速度的燃烧速度计算单元，
该内燃机的缸内压力推定装置的特征在于，在经过点火后的着火延迟期间之后，对火花塞的间隙部所产生的火焰呈以上述火花塞的间隙部为中心的椭圆体状并以上述燃烧速度扩大到缸内壁面的情况进行模拟，将上述火焰的内侧设为既燃部，将外侧设为未燃部，分别计算上述既燃部与上述未燃部的缸内压力，并基于上述既燃部与上述未燃部的缸内压力来推定整个缸内的缸内压力。
若采用该结构，则对缸内火焰扩大为椭圆体状的情况进行模拟，因此能容易地再现与缸内形状相对应的缸内压力变化的行为。
此外，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置的特征还在于，基于火焰体积的变化量来计算热释放率。
若采用该结构，则在仅想要计算热释放率的情况下，能在不计算缸内压力的情况下计算热释放率。
另外，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置的特征还在于，基于火焰体积的变化量来计算热释放率，基于根据上述热释放率计算出的热量来计算既燃部的缸内温度，基于上述既燃部的缸内温度来计算上述既燃部的缸内压力，基于未燃部的缸内压力与上述既燃部的缸内压力以及燃烧比率来推定整个缸内的缸内压力。
若采用该结构，则能根据计算出的热释放率与燃烧比率来推定缸内压力。
此外，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置的特征还在于，燃烧速度在热产生率的峰值时刻之后逐渐减小。
若采用该结构，则能容易地再现从热释放率达到峰值之后到未燃气体的燃烧结束为止的缸内压力变化的行为。
此外，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置的特征还在于，基于火焰形状的体积和缸内容积来计算燃烧比率。
若采用该结构，则在仅想要计算燃烧比率的情况下，能在不计算缸内压力、热释放率的情况下计算燃烧比率。
此外，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置的特征还在于，具有如下单元来作为燃烧速度与着火延迟的适应方法：利用能自由变更的临时燃烧速度来模拟火焰扩大为椭圆体状的情况，并计算临时燃烧比率的临时燃烧比率计算单元；对临时燃烧速度进行变更、直到根据预先测量的缸内压力计算出的实际燃烧比率与上述临时燃烧比率大致一致为止，并将上述实际燃烧比率与上述临时燃烧比率大致一致时的上述临时燃烧速度作为实际燃烧速度导出的实际燃烧速度导出单元；将点火后上述实际燃烧速度为零的期间作为实际着火延迟进行计算的实际着火延迟期间计算单元；以及能根据运转状态对上述实际燃烧速度以及上述实际着火延迟进行近似的燃烧速度近似单元以及着火延迟近似单元。
若采用该结构，则能容易地进行缸内压力推定装置的适应。
此外，实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置的特征还在于，对于利用上述适应方法而产生的实际燃烧速度的初期浪涌部分，对着火延迟进行修正，以使得当燃烧速度一定时燃烧量相同。
若采用该结构，则能以更高的精度对着火延迟进行适应。
另外，以上对本发明实施方式1的内燃机的缸内压力推定装置进行了说明，但本发明在其范围内可以对实施方式进行适当的变形和省略。例如，这里所示的燃烧模拟的方法的要点在于将火焰考虑为椭圆体状，但也可以在计算燃烧所产生的热量时，例如将化学反应式考虑在内，从而考虑热解离(水、二氧化碳在燃烧时等的高温下局部产生逆反应的现象)、氧化氮(NOx)的生成，从而扩展到将因上述吸热反应引起的温度下降考虑在内的燃烧模型。另外，也可以扩展到将热量逃逸到缸内壁面的冷却损耗考虑在内的燃烧模型，因此并不仅适用于该实施方式所示的方法。
标号说明
1 发动机
2 AFS
3 电子控制节流器
4 节流开度传感器
5 气室
6 进气歧管
7 进气歧管压传感器
8 进气温度传感器
9 EGR阀
10 喷射器
11 进气VVT
12 排气VVT
13 点火线圈
14 排气歧管
15 旋转板
16 曲柄角度传感器
17 ECU
18 大气压传感器
19 各种传感器
20 运转状态检测单元
21 各种致动器
22 燃烧参数近似单元
23 燃烧模拟单元

Claims (7)

1.一种内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，包括：运转状态检测单元(20)，对内燃机(1)的运转状态进行检测；
着火延迟计算单元(302)，基于所述运转状态检测单元(20)所检测到的运转状态来计算点火后因燃烧而开始产生热为止的期间、即着火延迟；以及
燃烧速度计算单元(303)，基于所述运转状态来计算燃烧速度，
在经过点火后的着火延迟期间之后，对火花塞的间隙部所产生的火焰呈以所述火花塞的间隙部为中心的椭圆体状并以所述燃烧速度扩大到缸内壁面的情况进行模拟，
将所述火焰的内侧设为既燃部，将外侧设为未燃部，分别计算所述既燃部与所述未燃部的缸内压力，
基于所述既燃部与所述未燃部的缸内压力来推定整个缸内的缸内压力。
2.如权利要求1所述的内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，
基于所述火焰的体积变化量来计算热释放率。
3.如权利要求1所述的内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，
基于所述火焰的体积变化量来计算热释放率，
基于根据所述热释放率计算出的热量来计算所述既燃部的缸内温度，
基于所述既燃部的缸内温度来计算所述既燃部的缸内压力，
基于所述未燃部的缸内压力、所述既燃部的缸内压力、以及燃烧比率来推定整个缸内的缸内压力。
4.如权利要求2或3所述的内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，
所述燃烧速度在所述热释放率达到峰值后逐渐减小。
5.如权利要求1至3的任一项所述的内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，
基于所述火焰的体积和缸内容积来计算燃烧比率。
6.如权利要求1至3的任一项所述的内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，具有以下单元来作为燃烧速度和着火延迟的适应方法：
临时燃烧比率计算单元(1106)，利用能自由变更的临时燃烧速度来模拟火焰扩大为椭圆体状的情况，从而计算临时燃烧比率；
实际燃烧速度导出单元(1108)，对临时燃烧速度进行变更，直到根据预先测量到的缸内压力计算出的实际燃烧比率与所述临时燃烧比率大致一致为止，并将所述实际燃烧比率与所述临时燃烧比率大致一致时的所述临时燃烧速度作为实际燃烧速度进行导出；
实际着火延迟期间计算单元，将点火后所述实际燃烧速度为零的期间作为实际着火延迟进行计算；以及
燃烧速度近似单元以及着火延迟近似单元，能根据所述运转状态对所述实际燃烧速度以及所述实际着火延迟进行近似。
7.如权利要求1至3的任一项所述的内燃机的缸内压力推定装置，其特征在于，具有以下单元来作为燃烧速度和着火延迟的适应方法：
临时燃烧比率计算单元(1106)，利用能自由变更的临时燃烧速度来模拟火焰扩大成椭圆体状的情况，从而计算临时燃烧比率；
实际燃烧速度导出单元(1108)，对临时燃烧速度进行变更，直到根据预先测量到的缸内压力计算出的实际燃烧比率与所述临时燃烧比率大致一致为止，并将所述实际燃烧比率与所述临时燃烧比率大致一致时的所述临时燃烧速度作为实际燃烧速度进行导出；
实际着火延迟期间计算单元，将点火后所述实际燃烧速度为零的期间作为实际着火延迟进行计算；以及
燃烧速度近似单元以及着火延迟近似单元，能根据所述运转状态对所述实际燃烧速度以及所述实际着火延迟进行近似，
对于因所述适应方法而产生的实际燃烧速度的初期浪涌部分，对着火延迟进行修正，以使得当燃烧速度一定时燃烧量相同。
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