CN105189996A - 内燃机的电气控制单元及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的电子控制单元包括：需求生成层，所述需求生成层生成并且输出关于各种类型的功能的需求值；物理量调解层，所述物理量调解层针对每个预定物理量来汇总并且调解所述需求值；以及受控变量设定层，所述受控变量设定层基于经调解的需求值来设定所述致动器的受控变量并且在从较高层到较低层的单一方向上发送信号。汇总并且调解用在所述受控变量设定层上设定的所述致动器的受控变量表达的需求值和不通过所述物理量调解层从所述需求生成层发送的需求值以及由所述物理量调解层所调解的需求值的受控变量调解层被设置在所述受控变量设定层以下。

Description

内燃机的电气控制单元及其方法
技术领域
本发明涉及通过多个致动器的协调控制来实现关于内燃机的各种类型的功能的需求的电子控制单元及其控制方法。
背景技术
如例如日本专利申请公开No.2009-47101(JP2009-47101A)和日本专利申请公开No.2009-47102(JP2009-47102A)中所公开的，已经知道包括在从较高层到较低层的单一方向上发送信号的递阶控制结构的用于内燃机的电子控制单元。在前述相应的文献中所描述的示例中，用三种物理量表达的需求值是在最高需求生成层上从关于内燃机中的基本三个功能的需求生成的。内燃机是车辆内燃机。基本三个功能是驾驶性能、排气以及燃料消耗并且三个物理量是扭矩、效率以及空燃比。
在最高需求生成层上生成的需求值的信号被发送到下部的物理量调解层。这里，前述需求值的信号被汇总到扭矩、效率以及空燃比的每个物理量。然后，根据预定规则，汇总到扭矩、效率以及空燃比中的每一个的需求值被调解为单个需求值。扭矩、效率以及空燃比中的每一个的经调解的需求值信号被发送到下部的受控变量设定层。在受控变量设定层上，每个需求值是基于相应的需求值之间的关系而调整的，并且根据经调整的需求值，确定了用于致动器的受控变量。
以这种方式，对于内燃机的需求能够用包括扭矩、效率以及空燃比的三种物理量表达并且调解。通过像上面所描述的那样调解对于内燃机的需求，应该通过控制内燃机实现的整个内燃机的操作被确定而不管致动器的特性和种类如何，使得能够实现满足关于内燃机的驾驶性能、排气以及燃料消耗的基本需求的优选控制。
发明内容
在内燃机的操作期间，操作状态常常与诸如故障防护、部件保护的具有高紧迫性的需求对应地改变。在这样的情况下，必须尽可能迅速地执行针对内燃机控制的处理。然而，如果致动器的受控变量是在具有高紧迫性的需求暂时用诸如扭矩、效率或空燃比的需求值代替并且调解之后设定的，则发生不利于内燃机控制的快速处理的额外的算术运算负荷。
原因如下。例如，在控制进气量以防止发动机速度的上升的情况下，油门的开度(油门致动器的受控变量)的控制是简单措施。然而，油门开度的限制值在物理量调解层上暂时被转换为扭矩并且经转换的扭矩连同其它需求一起被调解。然后，必须基于这个调解的扭矩再次计算油门开度。
此外，来自内燃机的需求有时是仅在除内燃机的常规操作条件以外的特定条件下做出的。特定条件例如包括内燃机的启动时间、内燃机的停止时间以及内燃机的板上诊断时间(OBD)。这个需求也用控制油门开度、燃料喷射的量以及点火时刻的序列简单地表达。因此，前述需求用扭矩、效率以及空燃比的组合表达并且然后调解的意义小，使得像前述故障防护一样发生额外的算术运算负荷。
此外，如果内燃机是燃料被直接喷射到汽缸里的燃烧室中的汽缸喷射内燃机，则喷射控制的自由度高。因此，如果内燃机是汽缸喷射内燃机，则可能存在对于根据需要改变喷射时刻或喷射频率以在汽缸中形成极好的燃料-空气混合物的需求。喷射时刻和喷射频率仅仅意指喷射器的操作，即，喷射器的受控变量。因此，将喷射器的受控变量直接设定为受控变量产生比用包括扭矩、效率或空燃比的物理量表达喷射器的受控变量要轻的算术运算负荷。
鉴于上面描述的问题，本发明的目的在于提供具有通过调解物理量在极好平衡下满足对于内燃机的基本需求的递阶结构的电子控制单元，其中优选地能够实现不适合于物理量的调解的需求而不增加控制的算术运算负荷。
为了实现上面描述的目的，本发明提供了对于受控变量中的每一个汇总并且调解不通过物理量调解层从需求生成层发送的信号的需求值以确定致动器受控变量的电子控制单元及其方法。
根据本发明的第一方面，提供了用于内燃机的电子控制单元，所述电子控制单元被配置成通过关于内燃机的操作的多个致动器的协调控制来实现关于内燃机的各种类型的功能的需求。所述电子控制单元具有包括需求生成层、物理量调解层、受控变量设定层以及受控变量调解层的递阶控制结构。需求生成层生成并且输出关于内燃机的功能的需求值。物理量调解层被设置在需求生成层的直接下级，并且物理量调解层汇总并且调解用需求值的预定物理量表达的需求值。受控变量设定层被设置在物理量调解层的直接下级，并且受控变量设定层基于经调解的需求值来设定致动器的受控变量。受控变量调解层被设置在受控变量设定层的直接下级。从需求生成层输出的需求值中的用致动器的受控变量表达的需求值不通过物理量调解层发送到受控变量调解层。并且受控变量调解层针对受控变量中的每一个汇总并且调解用在受控变量设定层上设定的致动器的受控变量表达的需求值以及不通过物理量调解层发送到受控变量调解层的需求值中的致动器的用受控变量表达的需求值。在从需求生成层输出的需求值之中，用致动器的受控变量表达的需求值不通过物理量调解层发送到受控变量调解层。从需求生成层输出的需求值按需求生成层、物理量调解层以及受控变量设定层的顺序在从较高层到较低层的单一方向上进行发送。
在该电子控制单元中，从作为递阶控制结构的最高级的需求生成层输出的需求按下部的物理量调解层、然后更下部的受控变量设定层以及更进一步下部的受控变量调解层的顺序在单一方向上发送。因此，不发生在较高层与较低层之间交换信号，从而减少控制的算术运算负荷。
关于内燃机的各种类型的功能的需求值用预定物理量(例如，扭矩、效率、空燃比)表达并且用物理量表达的需求被调解。因为每个致动器的受控变量是基于这个调解的需求值而设定的，所以通过多个致动器的协调控制在极好平衡下满足了内燃机的基本功能需求(例如，驾驶性能、排气以及燃料消耗)。
另外，例如，故障防护需求、启动需求或关于喷射器的操作的需求用致动器的受控变量表达并且不通过物理量调解层或受控变量设定层从需求生成层发送到下部的受控变量调解层。然后，因为需求值是针对受控变量中的每一个来汇总和调解的，所以不适合于物理量调解的关于故障防护或喷射器的操作的需求被反映在内燃机的控制上。
也就是说，关于内燃机的各种类型的功能的需求被分类为物理量调解和致动器受控变量调解中的适当的一个并且得以处理。结果，能够实现反映了所有需求的优选控制，而不增加控制算术运算负荷。
另外，如果添加了用于向受控变量调解层直接发送需求的功能，则不必要改变物理量调解层或受控变量设定层的控制处理。结果，存在应该在控制程序中改变的部分很少从而有助于工时的减少的这样的有利效果。因此，能够容易地满足对于控制规范的修改的需求。
这里，在受控变量调解层上，不通过物理量调解层从需求生成层向受控变量调解层发送的需求(信号)的优先级可能高于例如与在如上面所描述的内燃机的操作期间在极好平衡下满足所需要的基本需求不同的基本需求(通过物理量调解层发送的需求)的优先级。另外，不通过物理量调解层从需求生成层向受控变量调解层发送的需求(信号)可以是与用物理量相比更易于用致动器受控变量表达的需求。
例如，对于故障防护或部件保护的需求具有紧迫性。因此，如果发生这样的需求，则这个需求的优先级高于在车辆的正常驾驶期间对于驾驶性能、排气或燃料消耗的需求的优先级。因此，通过用致动器的受控变量表达这些需求值而不暂时为了调解用物理量代替并且将它们直接发送到受控变量调解层，能够防止额外的算术运算负荷的发生，从而使处理加速。
另外，诸如启动需求、ODB需求的仅在特定情形下的需求具有高优先级，并且常常它们与用物理量相比更易于用致动器控制序列表达。因此，这些需求值可以用致动器的受控变量表达而不用暂时为了调解用物理量代替并且被直接发送到受控变量调解层。
另外，汽缸喷射型内燃机中的燃料的喷射时刻和喷射频率可以照原样用喷射器的受控变量表达，并且被直接发送到受控变量调解层。结果，能够防止过度的算术运算负荷。
然后，可以按不通过物理量调解层从需求生成层向受控变量调解层发送的需求值的需求将优先级的顺序预先地设定给每个需求(信号)，并且可以通过在受控变量调解层上考虑这样的优先级的顺序来调解那些需求。结果，在充分地在控制上反映了具有高优先级的需求的同时，还能够适当地反映具有低优先级的需求。
根据本发明的第一方面，需求生成层可以包括第一需求输出部和第二需求输出部。第一需求输出部用物理量表达关于内燃机的功能的需求值并且输出所表达的需求值。并且第二需求输出部用致动器的受控变量表达关于内燃机的功能的需求值并且输出所表达的需求值，第一需求输出部和第二需求输出部是为功能中的每一个而提供的。物理量调解层可以针对物理量中的每一个包括物理量调解部，为每个物理量而存在的每个物理量调解部被配置成汇总物理量的需求值，其中物理量调解部负责从需求输出部输出的需求值和对单个需求值的调解。受控变量设定层可以调整由物理量调解部基于由物理量调解部所调解的相应需求值之间的关系而调解的每个需求值并且为多个致动器中的每一个设定受控变量。
内燃机的各种类型的功能包括作为应该在内燃机的操作期间在极好平衡下满足的基本需求的驾驶性能功能、排气功能以及燃料消耗功能。另一方面，作为内燃机的输出，能够涉及扭矩、热和排气，并且能够将用于控制这些输出的参数汇总到三种物理量，诸如扭矩、效率以及空燃比。因此，关于内燃机的功能的需求可以用三个物理量(诸如扭矩、效率以及空燃比)表达。
同时，关于驾驶性能的需求能够用例如扭矩或效率表达。例如，关于排气的需求能够用效率或空燃比表达。例如，关于燃料消耗的需求能够用效率或空燃比表达。
另一方面，作为内燃机在火花点火型内燃机情况下具有的多个致动器，例如，能够提到用于调整进气量的油门阀、用于调整点火时刻的点火器、用于调整燃料喷射量的喷射器以及用于将燃料供应给这个喷射器的燃料泵。原因是能够通过控制进气量、点火时刻以及燃料喷射量容易地实现关于内燃机的每个功能的需求。
尽管那些致动器的受控变量基本上是针对每个致动器而汇总和调解的，但是受控变量调解层可以包括通过使它们彼此相关联整体地调解两个或更多个致动器的受控变量的集成调解部。为了整体地调解多个致动器，例如，可以在控制程序的同一处理步骤中调解它们。结果，能够确保两个或更多个致动器的受控变量的调解的同时性。
例如，如果用于将燃料喷射到内燃机中的喷射器和用于将燃料供应给这个喷射器的燃料泵被包括在多个致动器中，则集成调解部可以是通过使受控变量彼此相关联来调解喷射器的受控变量和燃料泵的受控变量的喷射功能调解部。结果，能够确保在大大地影响燃料-空气混合物在燃烧室中的形成和可燃性的喷射量、喷射时刻以及燃料压力的控制方面的同时性，以便安全地实现极好的燃料-空气混合物的形成。
例如，当调解喷射器的受控变量以停止喷射器的操作时，喷射功能调解部可以通过涉及调解喷射器的受控变量以停止喷射器的操作来调解燃料泵的受控变量以停止燃料泵的操作。结果，当随着车辆的停止而自动地停止内燃机的操作时，例如，在当停止了燃料喷射时的同时停止燃料泵的操作。因此，能够减少泵的驱动损失从而改进燃料消耗性能。
另外，根据本发明的第一方面，如果喷射器将燃料直接喷射到内燃机的汽缸里的燃烧室中并且燃料泵是给喷射器供应具有比预定等级高的压力的燃料，则当调解喷射器的受控变量以在内燃机的汽缸的压缩冲程中操作喷射器时，喷射功能调解部可以通过涉及调解喷射器的受控变量来调解高压泵的受控变量以利用高压泵增加燃料的压力。
结果，当在汽缸中的压力增加的压缩冲程中喷射燃料时，能够利用高压泵增加燃料压力从而实现极好的燃料-空气混合物的形成。另一方面，当在压缩冲程中不喷射燃料时，燃料压力被相对地降低以减少泵驱动损失并且改进燃料消耗性能。
此外，根据本发明的第一方面，如果多个致动器包括调整内燃机的点火时刻的点火器，则受控变量调解层可以包括调解待由点火器调整的点火时刻的点火时刻调解部以及与点火时刻调解部分开地用于调解受控变量以停止点火器的点火的点火切断调解部。
结果，为了加速用于停止与关于故障防护或部件保护的需求相对应的点火的处理，仅必须使与点火时刻调解部不同的点火切断调解部中的算术处理的速度加速。因此，与使点火时刻调解部中的算术处理的速度加速相比能够减少算术运算负荷。
同样地，根据本发明的第一方面，如果多个致动器包括用于将燃料喷射到内燃机中的喷射器，则受控变量调解层可以包括调解喷射器的受控变量的喷射器控制调解部以及与喷射器控制调解部分开地调解受控变量以停止喷射器的操作的喷射切断调解部。
能够通过与喷射器控制调解部分开地仅使喷射切断调解部的算术处理加速来实现用于以这种方式停止与关于故障防护的需求相对应的燃料喷射的处理的加速。因此，与喷射器控制调解部和喷射切断调解部的算术处理的加速相比上面描述的配置能够减少算术运算负荷。通过使喷射切断调解部的算术处理加速，使用于暂时在停止了燃料喷射之后加速了重新启动燃料喷射的处理，这对于发动机失速的防止来说是有利的。
根据本发明，能够在从需求生成层到下部的物理量调解层、受控变量设定层以及受控变量调解层的单一方向上发送信号来减少控制算术运算负荷。另外，通过在物理量调解层上用物理量表达内燃机的诸如驾驶性能、排气以及燃料消耗的基本功能需求并且调解它们，能够实现其中在极好平衡下满足基本需求的优选控制。
另外，通过不通过物理量调解层向受控变量调解层发送并且调解关于故障防护、启动或喷射器的操作的需求，能够优选地实现关于内燃机的各种类型的功能的需求，而不过度地增加控制算术运算负荷。也就是说，通过针对用于处理的物理量调解和受控变量调解将需求分类为适合的调解，能够优选地实现关于内燃机的各种类型的功能的需求，而不过度地增加控制算术运算负荷。
附图说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相同的标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据本发明的实施例的内燃机的示例的配置图；
图2是示出根据实施例的电子控制单元(ECU)的示例的配置图；
图3是示出根据实施例的电子控制单元的递阶结构的框图；
图4是示出实施例中的启动需求的调解的示例的框图；
图5是关于对于故障防护和部件保护的需求的调解的等同于图4的图；
图6是示出对于作为喷射功能调解的示例的多喷射的需求的等同于图4的图；
图7是示出当停止喷射时对于低压泵操作的停止的需求的等同于图4的图；以及
图8是示出对于催化剂的快速加热的需求的等同于图4的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。将关于本发明的电子控制单元已被应用于装载在车辆上的内燃机(在下文中被称为发动机)的情况特别是它被应用于火花点火型发动机的情况对实施例进行描述。
在下文中，参考图1，将描述根据实施例的火花点火型发动机1的结构的示例。尽管图1仅图示发动机1的主体中的汽缸2的结构，但是发动机1像例如直排四汽缸发动机一样有多个汽缸。活塞3被容纳在形成在汽缸体1a中的汽缸2里，使得它在图1中的垂直方向上往复运动。汽缸盖1b被安装在汽缸体1a之上，使得在其底面与活塞3的顶面之间产生燃烧室。
活塞3经由连接杆4连接到曲柄轴5。曲柄轴5被容纳在汽缸体1a的底部的曲柄箱中。转子301a被附接到曲柄轴5。例如，由电磁传感器组成的曲柄位置传感器301被布置靠近转子301a侧。当在转子301a外缘的螺纹通过时，曲柄位置传感器301输出脉冲信号。能够使用所计算的脉冲信号来计算发动机速度。
另外，水套被形成为在汽缸体1a的侧壁上围绕汽缸2。水温传感器303被布置在水套中以检测发动机冷却水w的温度。汽缸体1a的底部在图1中向下扩展以形成曲柄箱的上半部。油盘1c被附接到汽缸体1a的底部以形成曲柄箱的下半部。待供应给发动机的每个部件的润滑油(发动机油)被存储在油盘1c中。
点火塞6被布置在汽缸盖1b上，使得它面对汽缸2中的燃烧室。点火塞6的电极从点火器7供应有高压电力。用于将高压电力供应给点火塞6的时刻(即，发动机1的点火时刻)由点火器7调整。也就是说，点火器7是能够调整发动机1的点火时刻的致动器并且由在下面所描述的电子控制单元(ECU)500控制。
进气口11a和排气口12a形成在汽缸盖1b中，使得它们对汽缸2中的燃烧室开放。进气歧管11b与进气口11a连通，使得进气歧管11b形成通过进气通路11流动的进气的下游侧。排气歧管12b与排气口12a连通，使得排气歧管12b形成通过排气通路12流动的排气的上游侧。
用于检测进气量的空气流量计304(参见图2)被布置在进气通路11中。用于调整进气量的油门阀8被布置在其下游侧。用于检测空气在由发动机1吸入之前的温度(进气温度)的进气温度传感器307(参见图2)也被布置在进气通路11(进气歧管11b)中。
在这个示例中，油门阀8与加速器踏板(未示出)机械地断开并且由电动油门电机8a驱动。油门阀8的开度由电动油门动机8a调整。来自检测油门阀8的开度的油门开度传感器305的信号被发送到在下面所描述的ECU500。ECU500取决于发动机1的操作状态而控制油门电机8a以获得优选量的进气。也就是说，油门阀8是调整发动机1的进气量的致动器。可以将油门阀8认为是涉及本发明的内燃机的操作的多个致动器中的一个。
面对燃烧室的进气口11a的开口由进气阀13打开/关闭。也就是说，进气通路11和燃烧室由进气阀13连接或断开。同样地，排气口12a的开口由排气阀14打开/关闭。也就是说，排气通路12和燃烧室由排气阀14连接或断开。进气阀13和排气阀14的打开/关闭驱动分别由进气凸轮轴15和排气凸轮轴16执行。曲柄轴的旋转经由时刻链等被发送到进气凸轮轴15和排气凸轮轴16。
在这个示例中，凸轮位置传感器302被设置在进气凸轮轴15附近。当特定汽缸2的活塞3到达它的压缩上止点时，凸轮位置传感器302生成脉冲信号。例如，凸轮位置传感器302由电磁传感器构成。像前述的曲柄位置传感器302一样，凸轮位置传感器302随着设置在进气凸轮轴15上的转子的旋转而输出脉冲信号。
例如，由三元催化剂组成的催化剂17被布置在排气通路12中的排气歧管12b的下游。这种催化剂17是使从汽缸2里的燃烧室排出到排气通路12中的排气中的CO、HC氧化并且减少NOx以产生无害的CO2、H2O、N2从而提纯排气的设备。
在这个示例中，排气温度传感器308和空燃比(A/F)传感器309被布置在催化剂17的上游侧的排气通路12中。并且O2传感器310被布置在催化剂17的下游侧的排气通路12中。
接下来，将描述发动机1的燃料喷射系统。
将燃料直接喷射到每个燃烧室中的汽缸喷射喷射器21被布置在发动机1的每个汽缸2中。汽缸喷射喷射器21连接到高压燃料输送管20。将燃料喷射到每个进气口11a的进气口喷射喷射器22被布置在发动机1的进气通路11中。进气口喷射喷射器22连接到公共低压燃料输送管23。
作为燃料泵的低压泵24将燃料供应给低压燃料输送管23。作为燃料泵的高压泵25将燃料供应给高压燃料输送管20。在下文中，低压泵也被称为燃料泵24并且高压泵也被称为燃料泵25。燃料罐26中的燃料由低压泵24泵送并且该燃料被供应给低压燃料输送管23和高压泵25。低压燃料通过高压泵25被增压直到比预定等级高的压力，并且增压燃料被供应给高压燃料输送管20。
用于检测供应给汽缸喷射喷射器21的高压燃料的压力(燃料压力)的高压燃料压力传感器311(参见图2)被布置在高压燃料输送管20中。用于检测供应给进气口喷射喷射器22的低压燃料的压力(燃料压力)的低压燃料压力传感器312(参见图2)被布置在低压燃料输送管23中。
汽缸喷射喷射器21和进气口喷射喷射器22两者是电磁驱动致动器。当施加了预定电压时，这个电磁驱动致动器被打开以喷射燃料。高压泵25和低压泵24是用于将燃料供应给喷射器21、22的致动器。喷射器21、22的操作(喷射期间，即，喷射量和喷射时刻)以及燃料泵24、25的排出量和排出压力由在下面所描述的ECU500控制。
然后，从汽缸喷射喷射器21和进气口喷射喷射器22中的任何一个或两者喷射燃料，使得空气和燃料气体的燃料-空气混合物形成在燃烧室内。所形成的燃料-空气混合物由点火塞6点火使得它燃烧并且爆炸。活塞3被在这时产生的高温高压燃烧气体压下以使曲柄轴5旋转。随着排气阀14的打开，燃烧气体被排出到排气通路12中。
如图2中示意性地所示，ECU500包括中央处理单元(CPU)501、只读存储器(ROM)502、随机存取存储器(RAM)503以及备用RAM504。
各种类型的控制程序和待在执行那些各种类型的控制程序时参考的映射被存储在ROM502中。CPU501基于存储在ROM502中的各种类型的控制程序和映射来执行各种类型的算术处理。RAM503是暂时存储CPU501中的算术结果和从每个传感器输入的数据的存储器。例如，备用RAM504是存储当发动机1被停止时应该存储的数据的非易失性存储器。
CPU501、ROM502、RAM503以及备用RAM504经由总线507彼此连接并且连接到输入接口505和输出接口506。
各种传感器连接到输入接口505。各种传感器包括曲柄位置传感器301、凸轮位置传感器302、水温传感器303、空气流量计304、油门开度传感器305、加速器开度传感器306、进气温度传感器307、排气温度传感器308、空燃比传感器309、O2传感器310、高压燃料压力传感器311以及低压燃料压力传感器312。
点火开关313连接到输入接口505。当这个点火开关313被接通时，发动机1通过起动电动机(未示出)的摇动开始。另一方面，点火塞6的点火器7、油门阀8的油门电机8a、汽缸喷射喷射器21、进气口喷射喷射器22、低压泵24以及高压泵25连接到输出接口506。
然后，ECU500基于来自前述的各种传感器301至312和开关313的信号来执行发动机1的各种控制。发动机1的各种控制包括点火塞6通过点火器7的激发控制、油门阀8(油门电机8a)的控制以及通过喷射器21、22和泵24、25的操作控制的燃料喷射控制。
结果，发动机1的操作状态被优选地控制为使得在极好平衡下满足关于包括驾驶性能、排气以及燃料消耗的基本功能的需求。也就是说，ECU500通过多个致动器(点火器7、油门阀8、喷射器21、22、泵24、25)的协调控制来实现关于发动机1的各种功能的需求。根据本发明的实施例的用于内燃机的电子控制单元由将由ECU500执行的控制程序来实现。
接下来，将详细地描述本实施例的电子控制单元的配置和特征。图3用块示出电子控制单元的相应元件并且信号在各块之间的传输用箭头指示。在这个示例中，电子控制单元具有由六层510至560组成的递阶控制结构。需求生成层510被设置在六层中的最高层上。物理量调解层520和受控变量设定层530被设置在需求生成层510以下。受控变量调解层540和致动器驱动量计算层550被设置在受控变量设定层530以下。控制输出层560被设置在六级中的最低级上。
信号流在前述六级510至560之间的单一方向上。信号是从需求生成层510向物理量调解层520、从物理量调解层520向受控变量设定层530并且从受控变量设定层530向受控变量调解层540发送的。此外，公共信号分配系统独立于其中信号流在单一方向上的六层510至560被设置。公共信号通过公共信号分配系统与层510至550中的每一个并行地分配。这里省略了公共信号分配系统的表示。
在六层510至560之间发送的信号与通过公共信号分配系统分配的信号之间存在如下的差。在六层510至560之间发送的信号是最终被转换为致动器7、8、...的受控变量的关于发动机1的功能的需求的信号。相反，由公共信号分配系统所分配的信号是包含用于生成需求或者计算受控变量所必需的信息的信号。
更具体地，通过公共信号分配系统分配的信号包括关于发动机1的操作条件和操作状态的信息(发动机速度、进气量、估计扭矩、这时的实际点火时刻、冷却水温度、操作模式)。其信息源来自设置在发动机1中的各种传感器301至312和在电子控制单元内部的估计函数。如果关于发动机1的操作条件和操作状态的信息被与相应层510至550并行分配，则不仅能够减少各层510至550之间的通信量，而且能够保持信息在各层510至550之间的同时性。原因是关于发动机1的操作条件和操作状态的信息是由相应层510至550共同使用的公共发动机信息。
在下文中，将从最高层起按顺序描述相应层510至560的配置以及在那里执行的处理。多个需求输出部511至518被布置在需求生成层510上。需求输出部511至518是为发动机1的每个功能而提供的。这里提到的需求指代关于发动机1的功能的需求(或在发动机1中需要的性能)。因为发动机1的功能多样化，所以布置在需求生成层510上的需求输出部的内容取决于发动机1要求什么或给予哪一个优先而不同。
在本实施例中，必须在极好平衡下在满足驾驶性能、排气以及燃料消耗的前提下执行控制，以便高效地驱动与驾驶员的驾驶操作相对应的车辆的发动机1并且满足对于自然环境保护的需求。驾驶性能、排气以及燃料消耗是发动机1的基本功能。因此，与关于驾驶性能的功能相对应的需求输出部511、与涉及排气的功能相对应的需求输出部512以及与燃料消耗的功能相对应的需求输出部513被设置在需求生成层510上。
在本实施例中，考虑了除上面描述的三个基本功能以外的其它需求。例如，启动需求、故障防护需求、部件保护需求、OBD需求以及爆震防止需求是除涉及这三个基本功能的需求外的其它需求。因此，如图3中所示，与那些需求中的每一个相对应的需求输出部514至518也被设置在需求生成层510上。将在下面描述需求输出部514至518的详细描述。
需求输出部511至513数字化并且输出作为关于发动机1的基本功能的需求的驾驶性能、排气以及燃料消耗。通过数字化关于发动机1的功能的需求，能够在致动器7、8、...的受控变量上反映关于发动机1的功能的需求。将在下面描述用于确定致动器7、8、...的受控变量的算术运算。在本实施例中，关于发动机1的基本功能的需求用关于发动机1的操作的物理量表达。
作为关于发动机1的操作的物理量，使用了仅三个物理量，即，扭矩、效率以及空燃比。发动机1的输出主要是扭矩、热以及排气(热和成分)。发动机1的输出与发动机1的诸如驾驶性能、排气以及燃料消耗的前述基本功能有关。因此，必须确定三个物理量(扭矩、效率以及空燃比)以控制发动机1的输出。也就是说，能够通过用三个物理量表达关于发动机1的基本功能的需求并且控制致动器7、8、...的操作在发动机1的输出上反映关于发动机1的基本功能的需求。
在图3中，例如，需求输出部511输出关于驾驶性能的需求(驾驶性能需求)。关于驾驶性能的需求作为用扭矩或效率表达的需求值(在图3中用实线的箭头指示)被输出。例如，如果需求是关于车辆的加速的，则该需求能够用扭矩表达。如果需求是关于发动机失速的防止的，则该需求能够用效率(上升效率)表达。
需求输出部512输出涉及排气的需求。涉及排气的需求作为用效率或空燃比表达的需求值(在图3中用实线的箭头指示)被输出。例如，如果需求是关于催化剂17的加热的，则该需求能够用效率(降低效率)表达并且它也可以用空燃比表达。降低效率提高排气温度并且空气燃料比能够形成其中催化剂17容易地反应的环境。
此外，需求输出部513输出涉及燃料消耗的需求。涉及燃料消耗的需求作为用效率或空燃比表达的需求值(在图3中用实线的箭头指示)被输出。例如，如果需求是增加燃烧效率，则该需求可以用效率(增加效率)表达。如果需求是降低泵送损失，则该需求可以用空气燃料比(稀燃)表达。
同时，从如上面所描述的需求输出部511至513输出的需求值不限于关于每个物理量的一个需求。例如，需求输出部511不仅输出驾驶员要求的扭矩(根据加速器的开度计算的扭矩)而且同时输出与车辆控制命令有关的各种装置要求的扭矩。与车辆控制有关的各种装置是车辆稳定性控制系统(VSC)、牵引控制系统(TRC)、防抱死制动系统(ABS)以及变速器。效率也可以说是与此相同的。
此外，如在图3中用虚线的箭头所指示的，本实施例的需求输出部512、513输出涉及致动器7、8、...的操作的特定需求。涉及致动器7、8、...的操作的特定需求作为用致动器7、8、...的受控变量表达的需求值被输出。将稍后对此进行描述。
公共发动机信息被从公共信号分配系统分配给需求生成层510。通过参考所分配的公共发动机信息，相应的需求输出部511至513确定应该被输出的需求值。原因是需求的内容取决于发动机1的操作条件或操作状态而改变。例如，如果催化剂温度由排气温度传感器308测量到，则需求输出部512基于由排气温度传感器308所获得的温度信息来确定催化剂17的加热的必要性。然后，与前述确定的结果相对应，需求输出部512输出用效率或空燃比表达的需求值。
如上所述，需求输出部511至513输出用扭矩、效率或空燃比表达的多个需求。然而，不可能同时完全实现所有多个需求。原因是即使要求了多个扭矩，也能够实现仅一个扭矩。同样地，即使要求了多个效率，也能够实现仅一个效率以及即使要求了多个空燃比，也能够实现仅一个空气燃料比。因此，用于调解这样的需求的处理是必要的。
物理量调解层520调解从需求生成层510输出的需求值。调解部521至523被设置在用于对应于需求的分类的每个物理量的物理量调解层520上。调解部521汇总用扭矩表达的需求值并且调解为扭矩需求值。调解部522汇总用效率表达的需求值并且调解为效率需求值。然后，调解部523汇总用空燃比表达的需求值并且调解为空燃比需求值。
这些调解部521至523根据预定规则执行调解。这里提到的规则指代用于从多个数值中获得数值的计算规则，例如，最大值的选择、最小值的选择、平均值或叠加并且可以适当地组合那些多个计算规则。然而，应该采用哪一个规则取决于电子控制单元的设计并且本发明不限制规则的内容。
附加地，公共发动机信息被从公共信号分配系统分配到物理量调解层520，使得公共发动机信息能够由相应的调解部521至523使用。例如，尽管可以取决于发动机1的操作条件或操作状态而改变调解规则，但是如在下面所描述的，考虑到发动机1能够实现的扭矩范围从不改变调解规则。
在调解部521至523中，在调解中不考虑发动机1能够实现的上限扭矩或下限扭矩。另外，在其它调解部的调解中不考虑由调解部521至523中的一个所执行的调解的结果。也就是说，相应的调解部521至523在不考虑发动机1能够实现的扭矩范围的上限扭矩或下限扭矩或通过其它调解部的调解结果的情况下独立地执行调解。这还有助于控制的算术运算负荷的减少。
当相应的调解部521至523像上面所描述的那样执行调解时，从物理量调解层520输出扭矩需求值、效率相关值以及空燃比需求值。然后，在作为在物理量调解层520的直接下级的层的受控变量设定层530上，致动器7、8、...的受控变量是基于由物理量调解层520所调解的扭矩需求值、效率需求值以及空燃比需求值而设定的。
根据本发明，调整转换部531被设置在受控变量设定层530中的每一个上。受控变量设定层530调整由物理量调解层520所调解的扭矩需求值、效率需求值以及空燃比需求值的大小。因为像上面所描述的那样不在物理量调解层520上考虑发动机1能够实现的扭矩范围，所以能够取决于每个需求值的大小适当地驱动发动机1。然后，调整转换部531基于相应需求值之间的关系来调整每个需求值以便使得发动机1能够被适当地驱动。
扭矩需求值、效率需求值以及空燃比需求值是在比受控变量设定层530高的层上独立地计算的，使得所计算的值在与计算有关的因素之间从不被相互使用或彼此参考。也就是说，首次在受控变量设定层530上彼此参考扭矩需求值、效率需求值以及空燃比需求值。因为调整目标限于三个(即，扭矩需求值、效率需求值以及空燃比需求值)，所以调整所需要的算术运算负荷可以是小的。
应该如何执行前述调整取决于电子控制单元的设计并且调整的内容在本发明中不受限制。然而，如果在扭矩需求值、效率需求值以及空燃比需求值当中存在优先级的顺序，则可以调整(校正)具有较低优先级的需求值。例如，具有高优先级的需求值被尽可能多地反映在致动器7、8、...的受控变量上。具有低优先级的需求值在被调整之后被反映在致动器7、8、...的受控变量上。
结果，在其中发动机1被适当地驱动的范围内，能够在可以在某种程度上实现具有低优先级的需求的同时充分地实现具有高优先级的需求。例如，如果扭矩需求值的优先级最高，则校正效率需求值和空燃比需求值。当校正了效率需求值和空燃比需求值时，在效率需求值和空燃比需求值之中，具有较低优先级的需求的校正的程度变得更大。如果优先级的顺序取决于发动机1的操作条件等而改变，则基于从公共信号分配系统分配的公共发动机信息确定优先级的顺序并且然后，确定应该校正哪一个需求值。
在受控变量设定层530上，使用从物理量调解层520输入的需求值和从公共信号分配系统分配的公共发动机信息来生成新信号。例如，由调解部521所调解的扭矩需求值与在公共发动机信息中包含的估计扭矩之间的比由除法部(未示出)计算。估计扭矩是当点火时刻在当前进气量和当前空燃比情况下被设定为MBT时输出的扭矩。针对估计扭矩的算术运算是在电子控制单元的不同任务中执行的。
如果扭矩需求值的优先级像上面所描述的那样是最高的，则尽管省略了详细描述，但是扭矩需求值、校正的效率需求值、校正的空燃比需求值以及扭矩效率由受控变量设定层530计算。在扭矩需求值、经校正的效率需求值、经校正的空燃比值以及扭矩效率之中，油门开度是根据扭矩需求值和经校正的效率需求值来计算(转换)的，并且所计算的油门开度被发送到受控变量调解层540。
更具体地，首先，扭矩需求值被除以经校正的效率需求值。因为经校正的效率需求值是1或更小，所以将扭矩需求值除以经校正的效率需求值提高扭矩需求值。经提高的扭矩需求值被转换为空气的量并且油门开度是根据空气的量来计算的。同时，从扭矩需求值到空气的量的转换以及油门开度根据空气的量的计算是通过参考预定映射来执行的。
另外，点火时刻是主要根据扭矩效率来计算(转换)的。当计算出点火时刻时，扭矩需求值和经校正的空燃比需求值被用作基准信号。更具体地，通过参考映射，点火时刻相对于MBT的延迟量是根据扭矩效率来计算的。扭矩效率越小，点火时刻的延迟量越大。结果，扭矩降低。扭矩需求值的前述提高是用于补偿由于点火时刻的延迟而导致的扭矩的减少的处理。
根据本发明，能够通过基于扭矩效率的点火时刻的延迟以及基于效率需求值的扭矩需求值的提高来实现扭矩需求值和效率需求值两者。同时，扭矩需求值和经校正的空燃比需求值被用来选择用于将扭矩效率转换为点火时刻的延迟量的映射。然后，最终点火时刻是根据点火时刻和MBT(或基本点火时刻)的延迟量来计算的。
另外，燃料喷射量是根据经校正的空燃比需求值和进入到发动机1的汽缸2中的进气量来计算的。进气量被包含在公共发动机信息中并且从公共信号分配系统分配给调整转换部531。
作为上述处理的结果，从受控变量设定层530(调整转换部531)向受控变量调解层540发送的信号是油门开度的需求值、点火时刻的需求值以及燃料喷射量的需求值。这些信号被输入到受控变量调解层540的调解部541、542、545并且然后像在下面详细地描述的那样加以调解。
如图3中所示，受控变量调解层540基于需求的分类针对致动器7、8、...的每个受控变量包括调解部541至545(545a至545c)。在图3的示例中，调解部541汇总油门开度的需求值并且将经汇总的油门开度需求值调解为单个需求值。调解部542汇总点火时刻的需求值并且将经汇总的点火时刻需求值调解为单个需求值。另外，调解部543调解表达点火停止(点火截止)的需求值并且调解部544调解表达燃料喷射停止(喷射截止)的需求值。
另外，调解部545共同地调解涉及燃料喷射的多个受控变量需求值。在图3的示例中，调解部545是其中集成了用于调解喷射器21、22的受控变量的调解部545a(喷射器受控变量调解部)、用于调解低压泵24的受控变量的调解部545b、以及用于调解高压泵25的受控变量的调解部545c的喷射功能调解部(集成调解部)。
调解部545通过彼此相关联整体地调解包括喷射器21、22、低压泵24以及高压泵25的多个致动器的受控变量。因此，喷射功能调解部545被配置成例如在控制程序的同一处理步骤中实现三个调解部545a、545b、545c的功能。结果，能够确保喷射器21、22、低压泵24以及高压泵25的受控变量的调解的同时性。
相应的调解部541至545(545a至545c)像在物理量调解层520上的相应的调解部521至523一样根据预定规则执行调解。规则取决于电子控制单元的设计并且本发明不限制规则的内容。在受控变量调解层540上执行的调解的情况下，关于所发送的信号需求预先地设定了优先级的顺序并且基于优先级的顺序执行调解。同时，公共发动机信息也被从公共信号分配系统分配给受控变量调解层540，使得相应的调解部541至545能够使用该公共发动机信息。
如上所述，相应的调解部541至545执行调解并且结果，受控变量调解层540输出油门开度需求值、点火时刻需求值(或点火切断需求值)、喷射器21、22的一对喷射量需求值(或喷射切断需求值)和一对喷射时刻需求值、低压泵排出量需求值以及高压泵排出压力需求值。
致动器7、8、...的受控变量是在作为在受控变量调解层540以下的层的致动器驱动量计算层550上基于每个需求值根据需要而计算的。在图3的示例中，计算部551根据从受控变量调解层540的喷射功能调解部545(545a)发送的喷射量需求值计算喷射量(喷射期间)。另外，计算部552根据从调解部545b发送的低压泵排出量需求值计算低压泵驱动负荷。计算部553根据从调解部545c发送的高压泵燃料压力需求值来计算高压泵排出量。
然后，控制输出部561至565被设置在与从致动器驱动量计算层550发送的信号相对应的最低控制输出层560上。油门开度需求值被发送到控制输出部561(油门驱动控制部)并且输出了与所发送的油门开度需求值相对应的油门驱动信号。点火时刻需求值或点火切断需求值被发送到控制输出部562(点火器激发控制部)并且输出了与所发送的点火时刻需求值或点火切断需求值相对应的点火器激发信号。
喷射量和喷射时刻的需求值或喷射切断需求值被发送到控制输出部563(喷射器驱动控制部)并且输出了与所发送的喷射量和喷射时刻的需求值或喷射切断需求值相对应的喷射器驱动信号。低压泵驱动负荷被发送到控制输出部564(低压泵驱动控制部)并且输出了与所发送的低压泵驱动负荷相对应的低压泵驱动信号。高压泵排出量的需求值被发送到控制输出部565(高压泵驱动控制部)并且输出了与所发送的高压泵排出量需求值相对应的高压泵驱动信号。
接下来，将参考图3和图4至图6具体地描述致动器的受控变量在受控变量调解层540上的调解。如上所述，本实施例的电子控制单元用包括扭矩、效率以及空燃比的三个物理量的组合来表达对发动机1的基本功能(即，驾驶性能、排气以及燃料消耗)的需求并且在物理量调解层520上调解这样的功能需求。通过用三个物理量表达和调解发动机1的基本功能需求，能够在极好平衡下在满足基本功能需求的优选条件下驱动发动机1。
然而，发动机1所要求的功能不仅是诸如驾驶性能、排气以及燃料消耗的基本功能，而且是诸如故障防护的具有高紧迫性的需求、诸如启动和OBD的仅在特定条件下的需求以及对喷射器21、22的操作的受控变量的需求。除基本功能以外的发动机1所要求的功能不适合于用包括扭矩、效率以及空燃比的三个物理量表达那些并且调解的方法。
例如，如果操作状态与诸如故障防护、部件保护的具有高紧迫性的需求相对应地改变，则必须尽可能迅速地执行该处理。如果在这样的需求被暂时转换为关于扭矩、效率或空燃比的需求值并且然后调解，则设定了诸如点火器7和喷射器21、22的致动器的受控变量，并且发生对于增加处理速度来说不利的过度的算术运算负荷。
也就是说，能够通过简单地限制油门开度(油门阀8的受控变量)来执行用于抑制发动机速度的上升的进气量的限制。如果在暂时转换为诸如扭矩的物理量之后，在物理量调解层520上调解油门开度并且再次基于经调解的需求值计算油门开度，则必须执行过度的计算。
另外，对于发动机1，存在仅在诸如启动、停止、OBD的特定情形下发生的需求以及在正常操作条件下的那些需求。因为这些需求能够简单地用诸如油门开度、燃料喷射量、点火时刻的控制序列表达，所以用诸如扭矩的物理量表达那些并且调解它的意义小，以及另外，像上面所描述的那样发生过度的算术运算负荷。
另外，因为本实施例的发动机1能够从汽缸喷射喷射器21将燃料直接喷射到汽缸2的燃烧室中，所以喷射控制的自由度高。存在用于适当地改变喷射时刻或喷射频率以形成极好的燃料-空气混合物的需求。因为喷射时刻和喷射频率仅仅意指喷射器21、22的操作(即，喷射器21、22的受控变量)，所以算术运算负荷在喷射时刻和喷射频率被直接设定为受控变量时比在它们用诸如扭矩的物理量表达时要小。
从这样的观点看，根据本实施例，需求输出部514至518被设置在与启动需求、部件保护需求、OBD需求、爆震防止需求相对应的需求生成层510上，例如，如图3中所示。然后，需求输出部514至518输出需求作为用致动器7、8、...的受控变量而不用物理量表达的需求值。
如在图3中用虚线的箭头所指示的，这些需求值的信号不通过物理量调解层520或受控变量设定层530直接发送到受控变量调解层540。采用如上面所描述的从受控变量设定层530向受控变量调解层540发送的油门开度、点火时刻或燃料喷射量的需求值，关于每个受控变量汇总了这些需求值。关于每个受控变量汇总的需求值通过受控变量调解层540上的相应的调解部541至545而被调解为每个受控变量的单个需求值。
如图4中所示，更具体地，来自需求生成层510上的启动需求输出部514的信号被发送到受控变量调解层540上的油门开度需求调解部541、点火时刻需求调解部542以及喷射功能调解部545(545a、545b、545c)。另外，如图5中所示，来自故障防护需求输出部515的信号被发送到点火切断需求调解部543和喷射切断需求调解部544。
同样地，如图5中所示，来自部件保护需求输出部516的信号被发送到点火切断需求调解部543、喷射切断需求调解部544以及喷射功能调解部545(545a)。如在图3中用虚线的箭头所示的，来自OBD需求输出部517的信号和来自爆震防止需求输出部518的信号被发送到喷射功能调解部545(545a)。
另外，如在图3中用虚线的箭头所示的并且如图6中所示，关于喷射器21、22和燃料泵24、25的操作的特定需求(例如，稍后描述的多喷射)的信号不经由物理量调解层520从需求生成层510上的排气需求输出部512和燃料消耗需求输出部513直接发送到受控变量调解层540。特定需求由稍后详细地描述的喷射功能调解部545等调解。
在本实施例中，关于从需求输出部514至518输出的信号预先地设定了优先级的顺序。例如，如果停止了发动机1，则启动需求的优先级顺序最高，以及如果启动之后的发动机正在运行，则故障防护需求的优先级顺序最高。在那之后，按部件保护需求、OBD需求以及爆震防止需求的顺序设定优先级顺序。另外，那些需求中的任何一个的优先级顺序被设定为高于在车辆的驱动期间的基本需求(驾驶性能、排气以及燃料消耗)。
如图4中所示，如果在与点火开关313的操作相对应的需求生成层510上的启动需求输出部514上发生启动需求，则生成了用致动器的受控变量表达的需求值。用致动器的受控变量表达的需求值包括针对发动机的启动的启动油门开度、启动点火时刻、启动喷射量以及喷射时刻(喷射器21、22的操作)、启动燃料量(低压泵24的排出量)以及启动燃料压力(高压泵25的排出压力)的需求值。这些需求值被发送到受控变量调解层540上的调解部541、542、545(545a、545b、545c)。
这些需求值根据预定启动控制序列来激活诸如点火器7、油门阀8、喷射器21、22、低压泵24以及高压泵25的致动器。在已接收到这些需求值的信号的相应的调解部541、542、545(545a、545b、545c)中，选择并且输出了用于启动控制的每个需求值。例如，油门开度的需求值被从调解部541发送到的控制输出部561输出油门驱动信号并且点火时刻的需求值被从调解部542发送到的控制输出部562输出点火器激发信号。
喷射量(喷射期间)信号是通过从喷射功能调解部545接收喷射量的需求值从计算部551输出的，并且这个信号被发送到的控制输出部563输出喷射器驱动信号。另外，低压泵24的驱动负荷信号是从已接收到低压泵24的排出量的需求值的计算部552输出的，并且这个信号被发送到的控制输出部564输出低压泵驱动信号。燃料压力需求值信号是从已接收到高压泵25的排出压力的需求值的计算部553输出的，并且这个信号被发送到的控制输出部565输出高压泵驱动信号。结果，实现了优选的发动机启动控制。
例如，根据本实施例，除非在有可能发生意外点火的担心的极其低温度下在启动时的初始预定燃烧循环中，燃料由汽缸喷射喷射器21在汽缸2的压缩冲程中喷射以便增加发动机1的启动响应性，使得发动机1的燃烧状态变成已分层的燃烧状态(这时，也可以从进气口喷射喷射器22喷射燃料)。为了将发动机1的燃烧状态变成已分层的燃烧状态，不仅通过低压泵24的操作向喷射器21、22供应燃料，而且在预定压力之上提高来自高压泵25的燃料的排出压力。
在那时，如果气泡存在于将燃料供应给喷射器21、22的管子中，则没有燃料由高压泵25的首先的一个或两个回转加以馈送，但是启动响应性可能降低。因此，预先地激活低压泵24。例如，如果接通了车辆的电力，则输出低压泵24的排出量需求信号并且当在那之后接通了点火时，输出关于油门开度、点火时刻、喷射器操作以及高压泵25的排出压力的需求。
结果，在发动机1的启动控制开始之前，低压泵24的操作启动，使得管中燃料的压力增加从而消除气泡。因此，在当高压泵25的旋转启动时的同时，燃料被从高压燃料输送管20供应给汽缸喷射喷射器21并且执行燃料的喷射从而改进启动响应性。
例如，如果在发动机1的操作期间检测到任何故障或者检测到部件的过度温度上升，则在需求生成层510上的需求输出部515、516中发生故障防护需求或部件保护需求。如图5中所示，利用用于暂时停止发动机1的操作的致动器受控变量表达的需求值(即，点火切断和喷射切断的需求值)被发送到受控变量调解层540上的调解部543、544。
因为这些需求值具有高优先级，所以点火切断需求值和喷射切断需求值是从相应的调解部543、544输出的。这个信号被发送到的控制输出层560上的控制输出部562(点火器激发控制部)停止点火器激发信号的输出并且控制输出部563(喷射器驱动控制部)停止喷射器驱动信号的输出。结果，通过点火塞6的点火以及通过喷射器21、22的燃料的喷射停止，使得发动机1的操作很快停止。
同时，在部件保护需求的情况下，取决于情况不需要发动机1的操作停止。在这种情况下，用于降低燃料的喷射量的需求值被从需求输出部516发送到喷射功能调解部545中的关于喷射器21、22的受控变量的调解部545a。通过接收这个需求，喷射量计算部551基于从调解部545a发送并且与此相对应的喷射量需求值来计算喷射量，控制输出部563输出减少燃料的喷射器驱动信号。
在本实施例中，受控变量调解层540与用于调解点火时刻的调解部542分开地包括点火切断调解部543并且与用于调解喷射器21、22的受控变量的喷射功能调解部545(545a)分开地进一步包括喷射切断调解部544。这旨在允许待在具有高紧迫性的情形下执行的处理停止发动机1的与对于故障防护或部件保护的需求相对应的操作。
也就是说，如果点火时刻调解部541或喷射功能调解部545被配置成调解关于点火切断或喷射切断的需求，则必须使点火和燃料喷射所必需的所有处理的速度加速，从而增加算术运算负荷。因此，关于点火切断和喷射切断的调解部543、544被独立地提供来使那些处理的速度加速。同时，如果使喷射切断调解部544的处理加速，则还使用于在暂时停止之后重新启动燃料喷射的处理加速，这对于发动机失速的防止来说是有利的。
如在图3中用虚线的箭头所示的，例如，如果在需求生成层510上的需求输出部517中生成了对于故障诊断的OBD需求，则用于使点火器7、油门阀8、喷射器21、22执行预定故障诊断操作的受控变量需求值被发送到喷射功能调解部545。通过接收这个需求值，在喷射功能调解部545中选择了故障诊断需求值并且向致动器驱动量计算层550输出信号。结果，发动机1进入预定操作状态，从而执行故障诊断。
另外，例如，如果在发动机1的操作期间检测到爆震使得在需求生成层510上的需求输出部518中生成了爆震防止需求，则用于增加燃料喷射量的需求值被发送到受控变量调解层540上的喷射功能调解部545。为了降低燃烧温度，有必要增加燃料喷射量。通过接收这个信号，喷射功能调解部545选择燃料的增加以得到爆震的防止并且向致动器驱动量计算层550输出信号。结果，实现了爆震的防止。同时，可以延迟点火期间。
另外，如图6中所示，如果在发动机1的操作期间确立了预定条件，则从关于排气或燃料消耗的需求输出部512、513输出用于实现多喷射的需求值。喷射器21、22的操作的需求值(喷射量和喷射时刻)以及用于增加燃料压力的高压泵25的排出压力的需求值是从关于排气和燃料消耗的需求输出部512、513输出的。多喷射指代在汽缸喷射喷射器21和进气口喷射喷射器22的喷射器两者被激活的情况下分开地在单个燃烧循环中执行燃料喷射多次的燃料喷射。
例如，当去除在汽缸喷射喷射器21的喷射孔上累积的沉积物或者抑制油通过燃料的稀释时，从排气需求输出部512输出关于多喷射的需求值。另外，如果旨在通过在来自汽缸喷射喷射器21的噪声对于车辆驾驶员来说难以听到的驱动状态下增加燃料喷射的分散性来减少燃料消耗，则从燃料消耗需求输出部513输出多喷射的需求值。
如果在发动机1的操作期间不存在对于前述的故障防护、部件保护、OBD或爆震防止的需求，则发送这些需求值。喷射功能调解部545(调解部545a、545c)为多喷射选择(调解)需求值，即，用于激活汽缸喷射喷射器21和进气口喷射喷射器22的受控变量以及用于同时提高高压泵25的燃料排出压力的受控变量。
然后，通过接收从调解部545a发送的喷射量需求值，致动器驱动量计算层550上的计算部551计算喷射量(喷射期间)。所计算的喷射量信号被发送到控制输出部560上的控制输出部563，并且同时，喷射时刻信号被从调解部545a直接发送到控制输出部563。通过接收这个信号，控制输出部563输出喷射器驱动信号以在发动机1的单个燃烧循环中执行喷射操作多次。
通过接收从调解部545c发送的关于高压泵25的排出量的需求值，计算部553输出需求值的信号以用于调整来自高压泵25的排出量以满足这个需求。这个信号被发送到的控制输出部565输出用于提高排出量的高压泵驱动信号。结果，来自高压泵25的排出量和排出压力增加，使得比预定等级高的压力燃料被从高压燃料输送管20供应给汽缸喷射喷射器21。因此，在压缩冲程中实现了燃料到高压汽缸2中的喷射。
如图7中所示，喷射器21、22的操作和低压泵24的操作是在预定状态下通过从燃料消耗需求输出部513输出的需求同时停止的。也就是说，例如，当随着车辆的停止而自动地停止发动机1的操作(空闲停止)时，从燃料消耗需求输出部513输出用于将通过喷射器21、22的燃料喷射量减少至零(喷射停止)的需求值以及用于将低压泵24的排出量减少至零(操作停止)的需求值。
通过接收这些信号，从喷射功能调解部545中的调解部545a输出了用于将喷射量减少至零的需求值。用于将喷射量减少至零的喷射操作信号是从致动器驱动量计算层550上的计算部551发送的，并且控制输出部563输出用于停止喷射器21、22的操作的喷射器驱动信号。另外，从调解部545b输出用于将低压泵24的排出量减少至零的需求值并且从计算部552输出用于将排出量减少至零的控制负荷信号。控制输出部564输出用于停止低压泵24的操作的低压驱动信号。
以这种方式，当停止了发动机1的操作时，停止了通过喷射器21、22的燃料喷射并且还停止了低压泵24的操作。结果，能够减少由于低压泵24的浪费操作而导致的动力消耗，这对于发动机1的燃料消耗的减少来说是有利的。
另外，如图8中所示，关于用于催化剂的快速加热的油门开度、点火时刻、燃料的喷射量和喷射时刻以及高压泵25的排出压力的需求值不通过物理量调解层520从排气需求输出部512直接发送到受控变量调解层540。通常，为了提高催化剂17的温度以便其活化，从需求输出部512向物理量调解层520上的调解部522、523发送的效率需求值被改变并且结果，排气温度由于效率的减少而上升。
相反，如果旨在最大程度地提高排气温度以便像紧接在发动机1的冷启动之后一样在最短时间内加热催化剂17，则必须延迟点火时刻直到在上止点(TDC)之后，使得与催化剂的前述加热相比效率降低。以这种方式大幅地延迟点火时刻使燃烧性变坏。因此，为了防止意外点火，增加空气的量并且进一步延迟待在压缩冲程中执行的燃料喷射，以便增加在点火塞6周围的燃料-空气混合物的浓度。
由于此原因，如果在需求输出部512中发生对于催化剂的快速加热的需求，则关于用于增加油门开度(打开油门)的需求值、用于点火延迟的需求值、用于压缩冲程喷射的需求值以及用于增加燃料压力的需求值的信号被发送到受控变量调解层540上的调解部541、542、545。通过接收这些信号，从相应的任意部分输出了关于油门开度、点火时刻、喷射器21、22的操作(喷射量和喷射时刻)以及高压泵25的排出量的需求值。
油门开度需求值被从调解部541发送到的控制输出部561输出用于增加油门开度的油门驱动信号。点火时刻需求值被从调解部542发送到的控制输出部562输出用于延迟点火时刻的点火器激发信号。从喷射功能调解部545接收到喷射量需求值的计算部551输出喷射量信号，并且这个信号被发送到的控制输出部563输出喷射器驱动信号以使汽缸喷射喷射器21在汽缸2的压缩冲程中执行喷射操作。
另外，从喷射功能调解部545接收到高压泵25的排出压力需求值的计算部553输出获得排出压力所必需的排出量需求值。通过接收这个信号，控制输出部565输出用于增加排出量的高压泵驱动信号。通过接收这个信号，点火器7、油门阀8、喷射器21、22以及燃料泵24、25操作，使得排气温度变得尽可能高并且催化剂17的温度迅速地上升。由于点火时刻的大延迟而导致的燃烧的不稳定通过增加进气量和在点火塞6周围的燃料-空气混合物的丰富性而被抑制。
如上所述，在本实施例的电子控制单元中，信号从作为递阶结构的最高层的需求生成层510起在单一方向上通过较低层物理量调解层520、受控变量设定层530以及受控变量调解层540被发送到致动器驱动量计算层550，从而减少控制算术运算负荷。
另外，诸如驾驶性能、排气和燃料消耗的发动机1的基本功能需求用包括扭矩、效率以及空燃比的三种物理量的组合表达并且在物理量调解层520上调解。结果，能够在极好平衡下满足那些基本需求的优选状态下驱动发动机1。
另一方面，对于故障防护、启动或多喷射的需求不经由物理量调解直接发送到受控变量调解层540并且加以调解。换句话说，关于发动机1的功能的各种类型的需求被分类为物理量调解和受控变量调解中的适当的一个并且得以处理。结果，能够优选地实现所有功能需求而不过度地增加控制算术运算负荷。
因为信号从需求生成层510到物理量调解层520、受控变量设定层530以及受控变量调解层540的发送是在单一方向上，所以如果添加了用于将需求直接发送到受控变量调解层540的功能，则不必要改变物理量调解层520或受控变量设定层530的处理。因此，存在应该在控制程序中改变的部分很少从而有助于工时的减少的这样的有利效果。
另外，根据本实施例，喷射功能调解部545通过整体地组合用于调解喷射器21、22的受控变量的调解部545a以及用于调解燃料泵24、25的受控变量的调解部545b、545c并且使它们彼此相关联而被设置在受控变量调解层540上。结果，确保了用于燃料喷射的受控变量的调解方面的同时性，从而实现了具有极好的燃料-空气混合物的极好的燃烧。
另外，根据本实施例，在受控变量调解层540上，点火切断调解部543与点火时刻调解部542分开地设置并且喷射切断调解部544与点火功能调解部545分开地设置，从而仅使点火切断调解部543和喷射切断调解部544的处理的速度加速。结果，能够在抑制控制算术运算负荷的增加的同时迅速地执行针对故障防护和部件保护的处理。
尽管上面已经描述了本发明的实施例，但是本发明不限于上面描述的实施例，而是可以在不脱离本发明的精神的范围内被修改。例如，尽管上面描述的实施例已经提到包括驾驶性能、排气以及燃料消耗的三种功能作为发动机1的基本功能需求并且这些功能需求用诸如扭矩、效率以及空燃比的三个物理量表达并加以调解，但是本发明不限于这个示例。
另外，用致动器7、8、...的受控变量表达并且加以调解来代替三个物理量的功能需求不局限于上面描述的实施例中所描述的启动、故障防护、部件保护、OBD以及爆震防止。作为其它功能需求，例如，能够提到发动机在空闲停止时的自动停止和催化剂17的性能的恢复。
尽管根据上面描述的实施例，与发动机1的操作条件和操作状态有关的信号(公共信息)通过公共信号分配系统来分配，但是可以在具有需求值的递阶结构中从较高层向较低层分配这些信号。
另外，发动机1的致动器不局限于上面描述的实施例的点火器7、油门阀8、喷射器21、22以及燃料泵24、25。例如，可以将可变阀定时系统(VVT)、可变阀升程系统(VVL)以及外部EGR系统选择为待控制的致动器。在具有汽缸停止系统或可变压缩比系统的发动机中，可以将那些系统选择为待控制的致动器。
在具有电机辅助涡轮增压器(MAT)的发动机中，可以将MAT选择为待控制的致动器。因为能够用诸如交流发电机的发动机辅助装置间接地控制发动机1的输出，所以可以将该辅助装置选择为待控制的致动器。
另外，尽管在上述实施例中，已经描述了已经对安装在车辆上的火花点火型发动机1应用了本发明的电子控制单元的情况，但是可以将本发明应用于除火花点火型发动机1外的其它发动机，例如，柴油发动机或设置在具有电动机的混合系统中的发动机。

Claims (11)

1.一种用于内燃机的电子控制单元，所述电子控制单元被配置成通过对关于所述内燃机的操作的多个致动器进行协调控制来实现关于所述内燃机的各种功能的需求，
所述电子控制单元包括：
需求生成层，所述需求生成层生成并且输出关于所述内燃机的功能的需求值；
物理量调解层，所述物理量调解层被设置在所述需求生成层的直接下级，所述物理量调解层汇总并且调解所述需求值中的用预定物理量表达的需求值；
受控变量设定层，所述受控变量设定层被设置在所述物理量调解层的直接下级，所述受控变量设定层基于被调解的需求值来设定所述致动器的受控变量；以及
受控变量调解层，所述受控变量调解层被设置在所述受控变量设定层的直接下级，从所述需求生成层输出的所述需求值中的用所述致动器的受控变量表达的所述需求值以不经过所述物理量调解层的方式被发送到所述受控变量调解层，所述受控变量调解层针对所述受控变量中的每一个来汇总并且调解用在所述受控变量设定层上设定的所述致动器的受控变量表达的需求值以及以不经过所述物理量调解层的方式被发送到所述受控变量调解层的所述需求值中的用所述致动器的所述受控变量表达的所述需求值；
其中，所述电子控制单元包括递阶控制结构，并且在所述递阶控制结构中，从所述需求生成层输出的所述需求值按照所述需求生成层、所述物理量调解层以及所述受控变量设定层的顺序在从较高级到较低级的单一方向上来被进行发送。
2.根据权利要求1所述的电子控制单元，其中，
在所述受控变量调解层上，以不经过所述物理量调解层的方式被从所述需求生成层发送到所述受控变量调解层的所述需求值的优先级高于以经过所述物理量调解层的方式被发送的所述需求值的优先级。
3.根据权利要求1、2中的任一项所述的电子控制单元，其中，
在以不经过所述物理量调解层的方式被从所述需求生成层发送到所述受控变量调解层的所述需求值的需求上预先地设定优先级顺序，并且通过在所述受控变量调解层上考虑所述优先级顺序来调解所述致动器的所述受控变量。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电子控制单元，其中，
所述需求生成层包括第一需求输出部和第二需求输出部，所述第一需求输出部用所述物理量来表达关于所述内燃机的功能的所述需求值并且输出所表达的需求值，所述第二需求输出部用所述致动器的所述受控变量来表达关于所述内燃机的功能的所述需求值并且输出所表达的需求值，针对每一个功能来提供所述第一需求输出部和所述第二需求输出部；
所述物理量调解层包括针对所述物理量中的每一个的物理量调解部，
针对每个物理量而存在的每个物理量调解部被配置成汇总从所述需求输出部输出的需求值中的由所述物理量调解部负责的所述物理量的所述需求值，并且调解到单个需求值；
所述受控变量设定层基于由所述物理量调解部所调解的各个需求值之间的关系来调整由所述物理量调解部调解的每个需求值，并且针对所述多个致动器中的每一个来设定所述受控变量。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子控制单元，其中，
所述受控变量调解层包括集成调解部，所述集成调解部通过使所述受控变量彼此相关联而整体地调解两个或更多个致动器的受控变量。
6.根据权利要求5所述的电子控制单元，其中，
所述多个致动器包括用于将燃料喷射到所述内燃机中的喷射器以及用于将燃料供应到所述喷射器的燃料泵，并且
所述集成调解部是喷射功能调解部，所述喷射功能调解部通过使所述受控变量彼此相关联来调解所述喷射器的受控变量和所述燃料泵的受控变量。
7.根据权利要求6所述的电子控制单元，其中，
当调解所述喷射器的所述受控变量以停止所述喷射器的操作时，所述喷射功能调解部通过关联至用于停止所述喷射器的操作的对所述喷射器的所述受控变量的调解，来调解所述燃料泵的所述受控变量以停止所述燃料泵的操作。
8.根据权利要求6和权利要求7中的任一项所述的电子控制单元，其中，
所述喷射器将燃料直接喷射到所述内燃机的汽缸里的燃烧室中，并且所述燃料泵是高压泵，所述高压泵对所述喷射器供应具有比预定等级高的压力的燃料，并且
当调解所述喷射器的所述受控变量以在所述内燃机的所述汽缸的压缩冲程中操作所述喷射器时，所述喷射功能调解部通过关联至用于在所述内燃机的所述汽缸的所述压缩冲程中操作所述喷射器的对所述喷射器的所述受控变量的调解，来调解所述高压泵的所述受控变量以用所述高压泵增加燃料的压力。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的电子控制单元，其中，
所述多个致动器包括用于调整所述内燃机的点火时刻的点火器，并且
所述受控变量调解层包括点火时刻调解部和与所述点火时刻调解部分开的点火切断调解部，所述点火时刻调解部用于调解要由所述点火器调整的所述点火时刻，所述点火切断调解部用于调解所述受控变量以停止通过所述点火器的点火。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的电子控制单元，其中，
所述多个致动器包括用于将燃料喷射到所述内燃机中的喷射器，并且
所述受控变量调解层包括喷射器控制调解部和与所述喷射器控制调解部分开的喷射切断调解部，所述喷射器控制调解部用于调解所述喷射器的受控变量，所述喷射切断调解部用于调解所述受控变量以停止所述喷射器的操作。
11.一种内燃机的控制方法，
所述控制方法用于通过由电子控制单元对关于所述内燃机的操作的多个致动器进行协调控制来实现关于所述内燃机的各种功能的需求，所述控制方法包括：
1)在需求生成层上，生成并且输出关于所述内燃机的功能的需求值；
2)在物理量调解层上，汇总并且调解在所述需求值之中的用预定物理量表达的需求值；
3)在受控变量设定层上，基于被调解的需求值来设定所述致动器的受控变量；以及
4)在所述受控变量调解层上，针对所述受控变量中的每一个，来汇总并且调解在从所述需求生成层输出的所述需求值之中的用所述致动器的所述受控变量表达的需求值，其中，在从所述需求生成层输出的所述需求值之中的用所述致动器的所述受控变量表达的需求值以不经过所述物理量调解层的方式来被发送到所述受控变量调解层；
其中，从所述需求生成层输出的所述需求值按照所述1)至所述4)的顺序在单一方向上来被进行发送。
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