CN105723074B - 用于内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

在柴油发动机中，基于参考热产生量Qb和实际热产生量Qr来计算燃料喷射量偏差Δf，并且基于燃料喷射量偏差Δf来校正来自喷射器的燃料喷射量。通过从参考热产生率梯度Sb中减去实际热产生率梯度Sr来计算热产生率梯度偏差ΔS，进气量的偏差ΔA基于热产生率梯度偏差ΔS和燃料喷射量偏差Δf，并且通过基于进气量的偏差ΔA调整涡轮增压器的增压压力来校正进气量。因此，可以调整燃料喷射量和进气量。

Description

用于内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及用于内燃机的控制装置。特别地，本发明涉及用于调整燃料喷射量和进气量的对策。
背景技术
在相关技术中，作为对安装在车辆等上的发动机的控制，来自喷射器的燃料喷射量被控制成使得汽缸的实际空燃比达到目标空燃比(例如，日本专利申请公开No.2011-85061(JP 2011-85061 A)和日本专利申请公开No.2007-2780(JP 2007-2780 A))。
具体地，在JP 2011-85061 A中，通过缸内压力传感器检测汽缸缸中的压力变化，并且根据压力峰值位置的偏差(来自稳定操作状态下的压力峰值位置的偏差)计算空燃比的变化。基于空燃比的变化来校正燃料喷射量，由此使实际空燃比与目标空燃比相匹配。
在JP 2007-2780 A中，基于由空气流量计检测的进气量来检测来自喷射器的燃料喷射量，以使实际空燃比维持在目标空燃比或实际空燃比变得接近目标空燃比。
发明内容
然而，由于在相关技术中基于实际空燃比接近目标空燃比的技术构思来执行燃料喷射量的控制，因此，存在以下问题。
例如，在实际进气量大于适当进气量(例如，适于发动机负载等的进气量)——诸如发动机的过渡运转状态——的情况下，即使通过控制燃料喷射量使实际空燃料比与目标空燃比相匹配时，存在燃料喷射量大于适当燃料喷射量的可能性。在该情况下，燃料喷射量过多，由此导致燃料效率降低。
另一方面，在实际进气量小于适当进气量的情况下，即使通过控制燃料喷射量使实际空燃料比与目标空燃比相匹配时，存在燃料喷射量小于适当燃料喷射量的可能性。在该情况下，不能实现驾驶员所需的发动机扭矩，由此导致驾驶性能恶化。
本发明提供了一种用于内燃机的控制装置，该控制装置能够实现燃料喷射量和进气量的调整。
本发明的解决方案原理
本发明的解决方案原理是，基于与汽缸中的燃料量相关的参数的参考值和实际值之间的差来校正燃料喷射量，并且基于与汽缸中的空气量相关的参数的参考值和实际值之间的差来校正进气量。
根据本发明的方面，提供了一种用于内燃机的控制装置，该控制装置包括：电子控制单元，该电子控制单元被配置成a)基于第一差来计算燃料喷射校正值，该第一差为预定参考热产生量和实际热产生量之间的差，b)基于燃料喷射校正值来控制燃料喷射量，c)基于燃料喷射量的偏差和燃料喷射校正值中的任何一个以及第二差来计算进气校正值，该第二差为参考热产生量的预定梯度和实际热产生量的梯度之间的差，燃料喷射量的偏差基于第一差来计算，以及d)基于进气校正值来控制进气量。
参考热产生量是当执行理想燃烧(例如，用于获得请求扭矩的理想燃烧)时的热产生量，并且可以基于预定燃料喷射量来设置。
参考热产生量的梯度是当执行理想燃烧时热产生量的梯度，并且可以基于预定进气量和预定燃料喷射量来设置。
该解决方案基于“参考热产生量和实际热产生量之间的差”和“燃料喷射量的过剩/不足”之间的相关性。通过在实际热产生量小于参考热产生量时认为燃料喷射量不足并且在实际热产生量大于参考热产生量时认为燃料喷射量过多来计算燃料喷射校正值。基于燃料喷射控制单元的燃料喷射校正值来控制燃料喷射量。
该解决方案还基于在“参考热产生量的梯度和实际热产生量的梯度之间的差”和“燃料喷射偏差(实际燃料喷射量距适当燃料喷射量的偏差)或燃料喷射校正值”与“进气量的过剩/不足”之间的相关性。也就是说，当计算出“梯度的差”和“燃料喷射量的偏差或燃料喷射校正值”时，可以计算“进气量的过剩/不足”。基于进气量的过剩/不足来计算进气校正值，并且基于进气控制单元的进气校正值来控制进气量。
以该方式，可以通过分别计算燃料喷射校正值和进气校正值并分别执行基于燃料喷射控制单元的燃料喷射校正值的喷射燃料控制和基于进气控制单元的进气校正值的进气控制来分别调整燃料喷射量和进气量。
当参考热产生量和参考热产生量的梯度被设置成与获得适当燃料喷射量和适当进气量并且实现目标空燃比的燃烧状态对应时，可以使得实际空燃比与目标空燃比接近或匹配，同时分别执行燃料喷射控制和进气控制。
电子控制单元可以被配置成通过将第一差除以热产生效率来计算燃料喷射量的偏差，热产生效率是每单位体积燃料的热产生量，并且电子控制单元可以被配置成基于燃料喷射量的偏差来计算燃料喷射校正值。
也就是说，为了将参考热产生量和实际热产生量之间的差(例如，单位为“J”)转换成燃料喷射量的偏差(体积)，将该差除以热产生效率(例如，单位为“J/mm3”)。因此，可以容易地根据热产生量的差计算燃料喷射量的偏差(体积)。
电子控制单元可以被配置成通过将第一差除以热产生效率来计算燃料喷射量的偏差，热产生效率是每单位体积燃料的热产生量，电子控制单元可以被配置成基于燃料喷射量的偏差、实际进气量以及实际燃料喷射量来计算进气量的偏差，并且电子控制单元可以被配置成基于进气量的偏差来计算进气校正值。
热产生量的梯度受进气量和燃料喷射量的影响。例如，进气量变得越大，则热产生量的梯度变得越大。燃料喷射量变得越大，热产生量的梯度变得越大。因此，参考热产生量的梯度和实际热产生量的梯度之间的差与燃料喷射量的偏差、进气量的偏差、实际进气量以及实际燃料喷射量相关。因此，可以基于参考热产生量的梯度和实际热产生量的梯度之间的差、燃料喷射量的偏差、实际进气量以及实际燃料喷射量来计算进气量的偏差。当计算出进气量的偏差时，可以基于进气量的偏差来设置进气校正值。以该方式，在该解决方案中，使用热产生量的梯度、进气量和燃料喷射量彼此影响的事实来设置进气校正值。因此，能够以高精度计算进气校正值。
电子控制单元可以被配置成：设置进气校正值，使得即使在第二差等于燃料喷射量的偏差和燃料喷射校正值中的任何一个的情况下，当在燃料喷射时段中燃烧室中的温度等于或大于燃料的预混合燃烧起始温度并且小于燃料的扩散燃烧起始温度时的进气校正值小于当在燃料喷射时段中燃烧室中的温度等于或大于燃料的扩散燃烧起始温度时的进气校正值。
当在燃料喷射时段中燃烧室的温度等于或大于燃料的预混合燃烧起始温度并且小于燃料的扩散燃烧起始温度时，大部分喷射的燃料被提供用于预混合燃烧。另一方面，当在燃料喷射时段中燃烧室的温度等于或大于燃料的扩散燃烧起始温度时，大部分喷射的燃料被提供用于扩散燃烧。预混合燃烧相比于扩散燃烧受氧气量的影响更大(由于燃料在燃烧室内的温度比较低的状态下燃烧，燃烧室中的氧气量极大地影响了燃烧促进)。也就是说，在预混合燃烧中，即使当进气量的偏差相对小(大于扩散燃烧)的情况下，实际热产生量的梯度呈现较大变化。因此，当大部分喷射的燃料被提供用于预混合燃烧时，需要在考虑到与大部分喷射的燃料被提供用于扩散燃烧相比预混合燃烧受氧气量的影响更大的情形下来校正进气量。因此，当在燃料喷射时段中燃烧室内的温度等于或大于燃料的预混合燃烧起始温度并且小于燃料的扩散燃烧起始温度时，热产生量的梯度的偏差等于燃料喷射量的偏差(或燃料喷射校正值)，但进气校正值被设定为比当在燃料喷射时段中燃烧室中的温度等于或大于燃料的扩散燃烧起始温度时小。因此，能够根据燃料的燃料类型来调整进气量。
根据本发明，能够通过分别校正燃料喷射量和进气量来调整燃料喷射量和进气量。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点、以及技术和工业意义，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是示意性地示出了根据本发明的实施方式的柴油发动机及其控制系统的配置的示意图；
图2是示出了柴油发动机的燃烧室及其外围的截面图；
图3是示出了控制系统如ECU的配置的框图；
图4A是示出了在燃烧行程中热产生率(每单位曲轴旋转角的热产生量)的变化的波形图并且图4B是示出了在燃烧行程中燃料喷射率(每单位曲轴旋转角的燃料喷射量)的变化的波形图；
图5是示出了燃料喷射量和进气量的控制流程的流程图；
图6是示出了用于根据参考热产生量Qb和实际热产生量Qr之间的差来计算燃料喷射量的偏差Δf的映射；
图7是示出了当进气量固定时燃料喷射量的偏差Δf和热产生率梯度的偏差ΔS之间的关系的示意图；
图8是示出了燃料喷射量的偏差和热产生率波形之间的关系的示意图；
图9是示出了当燃料喷射量固定时进气量的偏差ΔA和热产生率梯度的偏差ΔS之间的关系的示意图；以及
图10是示出了进气量的偏差和热产生率波形之间的关系的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。在本实施例中，本发明被应用到安装在汽车上的共轨缸内直接喷射型多汽缸(例如，直列4缸)柴油发动机(压缩自点火内燃机)。
发动机的配置
图1是示意性地示出了根据本实施方式的柴油发动机1(以下简称为发动机)及其控制系统的配置的示意图。
如图1所示，根据本实施方式的发动机1被构成为柴油发动机系统，其包括燃料供给系统2、燃烧室3、进气系统6、排气系统7等作为主要部件。
燃料供给系统2包括供给泵21、共同导轨22、喷射器(燃料喷射阀)23以及发动机燃料通路24。
供给泵21将从燃料箱泵送的燃料转换成高压，然后经由发动机燃料通路24将高压燃料供给至共同导轨22。共同导轨22具有在预定压力下保持(压缩)高压燃料的压缩室的功能并且将经压缩的燃料分配给喷射器23，23，......。喷射器(燃料喷射控制单元)23是包含有压电元件的压电喷射器，并且可以通过控制阀开启时段来调整进入燃烧室3的燃料喷射量。
进气系统6包括进气歧管61和进气管62，进气歧管61连接至形成在汽缸盖15中的进气口15a(见图2)，并且进气管62连接至进气歧管61。在进气系统6中，空气滤清器63、空气流量计43和进气节流阀(intake throttle valve)(柴油节气门(diesel throttle))64从上游侧依次排列。
排气系统7包括排气歧管71和排气管72，排气歧管71连接至形成在汽缸盖15中的排气口15b，并且排气管72连接至排气歧管71。排气控制单元73设置在排气系统7中。排气控制单元73设置有NOx存储还原(NSR)催化剂74作为NOx吸藏还原型催化剂以及柴油机微粒过滤器(DPF)75。
如图2所示，在汽缸体11中，形成针对每个汽缸(四个汽缸)的汽缸孔12，并且活塞13被容纳在每个汽缸孔12中，以便沿垂直方向滑动。
燃烧室3形成在活塞13的顶表面13a上。也就是说，燃烧室3由附接至汽缸体11的上部的汽缸盖15的底表面、汽缸孔12的内壁表面以及活塞13的顶表面13a限定。腔(凹部)13b大致形成在活塞13的顶表面13a的中心处，并且腔13b也构成燃烧室3的一部分。
腔13b具有以下形状，其中，在中心部(在汽缸中心线P中)的凹部尺寸较小，并且该凹部尺寸朝向外周增加。
活塞13经由连接杆18连接至作为发动机输出轴的曲轴。电热塞19被设置成面向燃烧室3。
用于关闭或打开进气口15a的进气阀16和用于关闭或打开排气口15b的排气阀17被设置在汽缸盖15中。
如图1所示，发动机1设置有增压器(涡轮增压器)5。涡轮增压器5包括经由涡轮轴51彼此连接的涡轮机叶轮52和压缩机叶轮53。本实施方式中的涡轮增压器5是可变喷嘴涡轮增压器，并且可变喷嘴叶片机构54被布置在涡轮机轮52侧。该可变喷嘴叶片机构54包括多个喷嘴叶片54a，54a...…，使得涡轮机壳体的排气通道的通道面积变化，并且致动器(未示出)改变喷嘴叶片54a的开度。通过使用致动器改变喷嘴叶片54a的开度来改变相邻喷嘴叶片54a，54a之间的通道面积(喉部面积)。通过改变喉部面积，引入到涡轮机轮52的排气的流量被调整并且涡轮机叶轮52和压缩机叶轮53的旋转速度被调整，由此对增压压力进行调整。
进气管62设置有用于冷却进气的中间冷却器65，进气的温度通过由涡轮增压器5增压而升高。
发动机1设置有用于使排气的一部分适当地再循环至进气系统6的排气再循环通路(EGR通路)8。EGR通路8设置有EGR阀81和EGR冷却器82。
ECU
ECU 100包括微型计算机以及输入和输出电路，该微型计算机包括未示出的CPU、ROM和RAM。如图3所示，ECU 100的输入电路被连接到曲柄位置传感器40、轨压传感器41、节气门开度传感器42、空气流量计43、排气温度传感器45a、排气温度传感器45b、水温传感器46、加速器开度传感器47、进气压力传感器48、进气温度传感器49、缸内压力传感器4A、外部空气温度传感器4B以及外部空气压力传感器4C。
另一方面，ECU 100的输出电路连接至供给泵21、喷射器23、可变喷嘴叶片机构54、进气节流阀64以及EGR阀81。
ECU 100基于来自上述传感器的输出、通过使用输出值的计算表达式获得的计算值或存储在ROM中的各种映射来执行发动机1的各种控制。
例如，ECU 100执行引燃喷射和主喷射作为喷射器23的燃料喷射控制。
引燃喷射是在主喷射之前预先从喷射器23喷射少量燃料的操作。引燃喷射是用于抑制主喷射的燃料点火延迟并将燃烧导引成稳定扩散燃烧的喷射操作，并且也被称为子喷射。引燃喷射具有抑制主喷射的初始燃烧速率的功能以及预加热汽缸的温度的功能。也就是说，在执行引燃喷射之后，燃料喷射暂时停止，并且压缩气体温度(汽缸中的温度)令人满意地升高，以在主喷射开始之前达到燃料的自点火温度(例如，1000K)，由此很好地保证了通过主喷射所喷射的燃料的点火性能。
主喷射是用于生成发动机1的扭矩的喷射操作(供给扭矩生成燃料的操作)。主喷射中的燃料喷射量被基本上确定成根据发动机转速、加速器压力、冷却剂温度、进气温度等来获得请求扭矩。例如，发动机转速(基于曲柄位置传感器40的检测值所计算的发动机转速)变得越高以及加速器压力(由加速器开度传感器47检测的施加至加速器踏板的压力)变得越大，则发动机1的扭矩请求值变得越大，从而主喷射中的燃料喷射量将被设定得越大。
下面将描述膨胀行程中的热产生率和燃料喷射率。图4A中所示的波形是与在引燃喷射和主喷射中喷射的燃料的燃烧有关的理想热产生率的示例，其中水平轴表示曲柄角度，垂直轴表示热产生率。图4B中所示的波形是从喷射器23喷射的燃料的喷射率(曲轴的每单位旋转角度的燃料喷射量)的波形。图中的TDC表示与活塞13的压缩上止点对应的曲柄角度位置。
如图4A，4B所示，首先，在执行引燃喷射时，汽缸的内部通过在引燃喷射中喷射出的燃料燃烧而被预热。然后，在执行主喷射时，在主喷射中喷射的燃料被立即暴露于等于或高于自点火温度的温度环境并且被热分解，并且燃烧(其中大部分是扩散燃烧)在喷射之后就开始。
在图4A所示的理想热产生率波形中，例如，在主喷射中喷射的燃料的燃烧从活塞13的压缩上止点(TDC)开始，热产生率在在活塞13的压缩上止点之后的预定活塞位置(例如，压缩上止点之后的10度(ATDC10°))达到最大值(峰值)，并且在主喷射中喷射的燃料的燃烧在压缩上止点之后的预定活塞位置(例如，在压缩上止点之后的20度(ATDC20°))结束。
理想热产生率波形根据发动机1的操作状态量(例如，发动机旋转速度)和操作条件(例如，冷却剂温度或进气温度)而变化。与发动机1的操作状态量和操作条件对应的多个理想热产生率波形被预先存储在ECU 100的ROM中。
ECU100通过根据发动机1的操作状态控制EGR阀81的开度来调整朝向进气歧管61再循环的排气量(EGR容量)。
ECU 100通过控制可变喷嘴叶片机构54的致动器来调整增压压力，以便调整喷嘴叶片54a，54a的开度。通过调整增压压力来控制引入到汽缸中的排气量。因此，包括可变喷嘴叶片机构54的涡轮增压器5构成权利要求中的进气控制单元。
燃料喷射量和进气量的控制
下面将描述表征本实施方式的燃料喷射量和进气量的控制。
首先，将简要描述燃料喷射量和进气量的控制。
燃料喷射量控制的简要描述
本实施方式中的燃料喷射量根据基于预定的参考热产生量和实际热产生量之间的差所计算的燃料喷射校正值来确定。也就是说，使燃料喷射量增加燃料喷射校正值(当实际热产生量小于参考热产生量时)或降低燃料喷射校正值(当实际热产生量大于参考热产生量时)，由此获得适当的燃料喷射量。此处，适当的燃料喷射量是取决于加速器开度、发动机转速等的、被视为目标的燃料喷射量，并且是用于获得上述理想热产生率波形(理想热产生率波形取决于加速器开度、发动机转速等)的燃料喷射量。
参考热产生量被限定为在燃烧行程中执行理想燃烧时的热产生量(其对应于理想热产生率波形的面积)。也就是说，当获得用于实现目标空燃比的适当燃料喷射量并且以令人满意的较高燃烧效率执行理想燃烧时的热产生量是参考热产生量。也就是说，基于预定燃料喷射量来设置参考热产生量。从ECU 100的ROM中提取取决于加速器开度、发动机转速等的理想热产生率波形，并且基于所提取的热产生率波形来限定参考热产生量。
实际热产生量是在燃烧行程中实际执行燃烧时的热产生量(其对应于实际产热率波形的面积)。
因此，当实际热产生量小于参考热产生量时，该不足与燃料喷射量的不足对应。在该情况下，计算与该不足对应的燃料喷射校正值，并且使燃料喷射量增加燃料喷射校正值被确定为给喷射器23的燃料喷射命令。相反，当实际热产生量大于参考热产生量时，过剩与燃料喷射量的过剩对应。在该情况下，计算与过剩对应的燃料喷射校正值，并且使燃料喷射量减少燃料喷射校正值被确定为给喷射器23的喷射命令。
进气量控制的简要描述
本实施方式的进气量根据进气校正值来确定，所述进气校正值基于预定的参考热产生量梯度(以下也称为参考热产生率梯度)与实际热产生量梯度(以下也称为实际热产生率梯度)的差以及根据参考热产生量与实际热产生量之间的差所计算的燃料喷射量偏差来计算。也就是说，使进气量增加进气校正值(例如，当实际热产生量梯度小于在获得适当的燃料喷射量的情形下的参考热产生量梯度时)或减少进气校正值(例如，当实际热产生量梯度大于在获得适当的燃料喷射量的情形下的参考热产生量梯度时)，由此获得适当的进气量。此处，适当进气量是取决于加速器开度、发动机转速等的被视为目标的进气量，并且是用于获得上述理想热发生率波形(理想热发生率波形取决于加速器开度、发动机转速等)的进气量。
参考热产生量梯度被限定为当在燃烧行程中执行理想燃烧时热产生率波形的梯度。也就是说，当获得用于实现目标空燃比的适当燃料喷射量并且以令人满意的较高燃烧效率执行理想燃烧时的热产生率波形的梯度是参考热产生量梯度。也就是说，基于预定进气量和预定燃料喷射量来设置参考热产生量梯度。从ECU 100的ROM提取取决于加速器开度、发动机转速等的理想热产生率波形，并且基于所提取的热产生率波形来限定参考热产生量梯度。
实际热产生量梯度是当在燃烧行程中实际执行燃烧时的实际热产生率波形的梯度。
实际热产生量梯度受燃料喷射量和进气量二者的影响。也就是说，实际热产生量梯度根据适当燃料喷射量与实际燃料喷射量之间的差以及适当进气量与实际进气量之间的差而变化。在考虑到实际热产生量梯度受燃料喷射量和进气量二者的影响的情况下计算进气校正值，并且根据其来确定进气量。这将在下面具体描述。
当获得适当燃料喷射量时
当获得取决于加速器开度、发动机转速等的适当燃料喷射量但是进气量小于适当进气量时，实际热产生量梯度小于参考热产生量梯度。梯度的差对应于进气量的不足。在该情况下，计算与不足对应的进气校正值，并且增加了进气校正值的进气量被确定为目标进气量。
另一方面，当获得适当燃料喷射量但进气量大于适当进气量时，实际热产生量梯度大于参考热产生量梯度。梯度的差对应于进气量过剩。在该情况下，计算与过剩对应的进气校正值，并且减少了进气校正值的进气量被确定为目标进气量。
当燃料喷射量小于适当燃料喷射量时
当燃料喷射量小于适当燃料喷射量(当实际热产生量小于参考热产生量时)并且进气量小于适当进气量时，实际热产生量梯度小于参考热产生量梯度。在该情况下，实际热产生量梯度还小于具有与燃料喷射量的不足对应的差(与参考热产生量梯度之差)的梯度。实际热产生量梯度与具有和燃料喷射量的不足对应的差的梯度之差对应于进气量不足。在该情况下，计算与进气量不足对应的进气校正值，并且增加进气校正值的进气量被确定为目标进气量。
另一方面，当燃料喷射量小于适当的燃料喷射量并且进气量大于适当的进气量时，实际热产生量梯度大于具有与燃料喷射量的不足对应的差(与参考热产生量梯度之差)的梯度。实际热产生量梯度与具有和燃料喷射量的不足对应的差的梯度之差对应于进气量的过剩。在该情况下，计算与过剩对应的进气校正值，并且减少进气校正值的进气量被确定为目标进气量。
当燃料喷射量大于适当的燃料喷射量时
当燃料喷射量大于适当的燃料喷射量(当实际热产生量大于参考热产生量时)并且进气量大于适当的进气量时，实际热产生量梯度大于参考热产生量梯度。在该情况下，实际热产生量梯度还大于具有与燃料喷射量的过剩对应的差(与参考热产生量的梯度之差)的梯度。实际热产生量梯度与具有和燃料喷射量的过剩对应的差的梯度之差对应于进气量的过剩。在该情况下，计算与进气量过剩对应的进气校正值，并且减少了进气校正值的进气量被确定为目标进气量。
另一方面，当燃料喷射量大于适当的燃料喷射量并且进气量小于适当的进气量时，实际热产生量的梯度小于具有与燃料喷射量的过剩对应的差(与参考热产生量的梯度之差)的梯度。实际热产生量梯度与具有和燃料喷射量的过剩对应的差的梯度之差对应于进气量不足。在该情况下，计算与进气量不足对应的进气校正值，并且增加了进气校正值的进气量被确定为目标进气量。
如上所述，在本实施方式中，根据基于参考热产生量与实际热产生量之间的差而计算的燃料喷射校正值来确定燃料喷射量，并且根据基于参考热产生量的梯度与实际热产生量的梯度之间的差以及燃料喷射量的偏差而计算的进气校正值来确定进气量。也就是说，根据本发明的控制装置包括在ECU 100中用于确定燃料喷射量的配置和进气量的配置。在根据本发明的控制装置中，输入的示例包括：发动机1的操作状态量的信息，如发动机转速、加速器开度或缸内压力；以及操作条件信息，如冷却剂温度或进气温度。输入不限于这些示例，而是可以使用用于计算燃料喷射量和进气量所需的其他信息。控制装置的输出的示例包括：用于获得增加了或减少了如上述计算的燃料喷射校正值的燃料喷射量的输出信号(给喷射器23的命令信号)和用于获得增加了或减少了如上述计算的进气校正值的进气量的输出信号(给可变喷嘴叶片机构54的致动器的打开命令信号)。
下面将具体描述燃料喷射量和进气量的控制的多个实施方式。
第一实施方式
首先将描述第一实施方式。在第一实施方式中，将描述在主喷射中喷射的大部分燃料经受如上所述的扩散燃烧时主喷射中喷射的燃料的燃烧。
图5是示出了燃料喷射量和进气量的控制流程的流程图。在发动机1启动之后，每当在任何汽缸中执行燃烧行程时，执行该流程图。
首先，在步骤ST1中，获取发动机1的操作状态量和操作条件。发动机1的操作状态量的示例包括基于以下值而计算的发动机转速：曲柄位置传感器40的检测值；由加速器开度传感器47检测的加速器开度；以及由缸内压力传感器检测的缸内压力。发动机1的操作条件的示例包括由水温传感器46检测的冷却剂温度和由进气温度传感器49检测的进气温度。
此后，在步骤ST2中，计算参考热产生量Qb和参考热产生率梯度Sb。如上所述，在ROM中预先存储取决于发动机1的操作状态量和操作条件的多个理想热产生率波形。在步骤ST2中，从ROM中读取取决于在步骤ST1中获取的发动机1的操作状态量和操作条件的多个理想热产生率波形，并且基于理想热产生率波形来计算参考热产生量Qb和参考热产生率梯度Sb。
例如，在基于图4A中的主喷射的热产生率波形(理想热产生率波形)中，热产生率波形的面积对应于参考热产生量Qb，并且热产生率增大的时段中的斜率对应于参考热产生率梯度Sb。
在计算参考热产生量Qb和参考热产生率梯度Sb时，理想热产生率波形近似为等边三角形，等边三角形的面积被设定为参考热产生量Qb，并且等边三角形的斜边(热产生率梯度增大的时段中的斜边)的斜率被设定为参考热产生率梯度Sb。将热产生率波形近似为等边三角形的方法的示例是通过获取燃烧起始时间以及热产生率的峰值时间和峰值来几何地计算等边三角形的方法。
在计算参考热产生量Qb和参考热产生率梯度Sb之后，在步骤ST3,ST4中计算燃料喷射量的偏差Δf，并且在步骤ST5至ST7中计算进气量的偏差ΔΑ。
在步骤ST3中，计算实际热产生量Qr。实际热产生量Qr基于由缸内压力传感器4A检测的缸内压力的变化来计算。具体地，由于在汽缸中的热产生率和缸内压力之间存在相关性(热产生率变得越大，则缸内压力变得越大)，因此基于由缸内压力传感器4A检测的缸内压力的变化来制备实际热产生率波形并且将实际热产生率波形的面积计算为实际热产生量Qr。例如，所制备的实际热产生率波形被近似为上述等边三角形，并且等边三角形的面积被设定为实际热产生量Qr。可以通过在燃烧行程时段中对由缸内压力传感器4A检测的缸内压力的变化进行积分来计算实际热产生量Qr。
此后，在步骤ST4中，使用公式(1)来计算燃料喷射量的偏差Δf。
Δf＝(Qb-Qr)/热产生效率...(1)
以该方式，通过将从参考热产生量Qb减去实际热产生量Qr而获得的值(单位为“J”的热产生率的差)除以热产生效率(其单位为“J/mm3”)，来计算燃料喷射量偏差Δf(其单位为“mm3”)。
此处，热产生效率是每单位体积的燃料的热产生量，并且例如是30J/mm3。该值是每单位体积轻油的热产生量的最大值(参考热产生效率)，该值是试验获得的值。
可以根据图6所示的映射来计算燃料喷射量偏差Δf。该映射用于根据参考热产生量Qb和实际热产生量Qr之间的差来计算燃料喷射量偏差Δf，该映射通过试验或模拟预先制备并且存储在ECU 100的ROM中。
然后，在步骤ST5中，计算实际热产生率梯度Sr。实际热产生率梯度Sr基于由缸内压力传感器4A检测的缸内压力的变化来计算。具体地，根据在步骤ST3中计算的实际热产生率波形，将从燃烧开始至热产生率达到最大值(峰值)时的时段中的热产生率梯度计算为实际热产生率梯度Sr。也就是说，如上所述，实际热产生率波形近似于等边三角形，并且将等边三角形的斜边的梯度计算为实际热产生率梯度Sr。
此后，在步骤ST6中，使用公式(2)来计算热产生率梯度的偏差ΔS。
ΔS＝Sb-Sr...(2)
然后，在步骤ST7中，使用公式(3)(使用函数h的计算公式)来计算进气量的偏差ΔΑ。
ΔΑ＝h(ΔS，实际进气量，Δf，实际燃料喷射量)...(3)
此处，实际进气量是由空气流量计43检测的进气量。根据由轨压传感器41检测的燃料压力与喷射器23的阀打开时段的乘积来计算实际燃料喷射量。
下面将描述公式(3)。
首先，如上所述，由于热产生率梯度受进气量(氧密度)和燃料喷射量(燃料的量)的影响，因此参考热产生率梯度可以由公式(3-1)给出。
参考热产生率梯度＝α×氧密度×燃料量...(3-1)
在该情况下，当操作状态量和操作条件固定时，缸内体积和氧密度也固定，因此建立公式(3-2)。
氧密度＝β×空气量...(3-2)
根据公式(3-1)和公式(3-2)来建立公式(3-3)。
参考热产生率梯度＝γ×燃料量...(3-3)
另一方面，可以根据公式(3-4)获得实际热产生率梯度。
实际热产生率梯度＝γ×实际空气量×实际燃料量...(3-4)
此处，α、β和γ是常数。
根据公式(3-3)和公式(3-4)建立公式(3-5)。
ΔS＝g(ΔΑ，实际进气量，Δf，实际燃料喷射量)...(3-5)
也就是说，通过具有进气量的偏差ΔΑ、实际进气量、燃料喷射量的偏差Δf和实际燃料喷射量作为变量的函数g来计算热产生率梯度的偏差ΔS。
此处，燃料喷射量的偏差Δf和热产生率梯度的偏差ΔS具有如图7所示的关系。图7是示出了当进气量固定时燃料喷射量的偏差Δf和热产生率梯度的偏差ΔS之间的关系的示意图。也就是说，燃料喷射量的偏差Δf变得越大(实际热产生量Qr相比于参考热产生量Qb越小)，则热产生率梯度的偏差ΔS变得越大(实际热产生率梯度Sr相比于参考热产生率梯度Sb越小)。从使用热产生率波形的角度看，如图8所示，当燃料喷射量的偏差Δf在理想热产生率波形(实线)中具有负值，即实际燃料喷射量较大时，如由图中的一点划线指示的热产生率波形的面积增大。热产生率梯度增大。另一方面，当燃料喷射量的偏差Δf具有正值，即实际燃料喷射量较小时，如由图中的双点划线指示的热产生率波形的面积减小。热产生率梯度减小。
进气量的偏差ΔΑ和热产生率梯度的偏差ΔS具有如图9所示的关系。图9是示出了当燃料喷射量固定时进气量的偏差ΔΑ和热产生率梯度的偏差ΔS之间的关系的示意图。也就是说，进气量的偏差ΔΑ变得越大(实际进气量相比于参考进气量越小)，则热产生率梯度的偏差ΔS变得越大(实际热产生率梯度Sr相比于参考热产生率梯度Sb越小)。从使用热产生率波形的角度看，如图10所示，当进气量的偏差ΔA在理想热产生率波形(实线)中具有负值，即实际进气量较大时，如由图中的一点划线指示的热产生率梯度增大。另一方面，当进气量的偏差ΔA具有正值，即实际进气量较小时，如由图中的双点划线指示的热产生率梯度减小。
以该方式，在热产生率梯度的偏差ΔS、进气量的偏差ΔΑ和燃料喷射量的偏差Δf之间存在相关性。如上所述获得的公式(3-5)的函数g是表示热产生率梯度的偏差ΔS、进气量的偏差ΔΑ和燃料喷射量的偏差Δf之间的相关性的函数。
可以通过相对于ΔΑ求解公式(3-5)来得到公式(3)。也就是说，可以通过具有热产生率梯度的偏差ΔS、实际进气量、燃料喷射量的偏差Δf和实际燃料喷射量作为变量的函数h来计算进气量的偏差ΔΑ。
在以该方式执行燃料喷射量的偏差Δf的计算(步骤ST4)和进气量的偏差ΔΑ的计算(步骤ST7)之后，在步骤ST8中执行根据燃料喷射量的偏差Δf校正燃料喷射量的操作以及根据进气量的偏差ΔΑ校正进气量的操作。
在校正燃料喷射量的操作中，来自喷射器23的燃料喷射量被校正偏差Δf。也就是说，当燃料喷射量的偏差Δf具有正值时，计算用于使燃料喷射量增加偏差Δf的燃料喷射校正值，并且燃料喷射量被校正成增加燃料喷射校正值(校正成从当前燃料喷射量增加)。具体地，喷射器23的阀打开时段延长与燃料喷射校正值对应的时段。另一方面，当燃料喷射量的偏差Δf具有负值时，计算用于使燃料喷射量减少偏差Δf的燃料喷射校正值，并且燃料喷射量被校正成减少燃料喷射校正值(校正成从当前燃料喷射量减小)。具体地，喷射器23的阀打开时段缩短与燃料喷射校正值对应的时段。基于用于根据燃料喷射校正值和燃料压力(轨压)计算喷射器23的阀打开时段的变化度的映射来执行喷射器23的阀打开时段的改变。
校正燃料喷射量的操作可以在目标汽缸的随后燃烧行程中喷射燃料时执行，或者可以在与目标汽缸的燃烧行程之后的燃烧行程对应的、另一汽缸中喷射燃料时执行。
另一方面，在校正进气量的操作中，通过控制涡轮增压器5的可变喷嘴叶片机构54将进气量校正偏差ΔΑ。也就是说，当进气量的偏差ΔΑ具有正值时，计算用于使进气量增加偏差ΔΑ的进气校正值，并且进气量被校正成增加进气校正值(校正成从当前进气量增大)。具体地，操作致动器以减小可变喷嘴叶片机构54中的相邻喷嘴叶片54a,54a之间的通道面积，由此增压压力上升以使进气量增加进气校正值。另一方面，当进气量的偏差ΔΑ具有负值时，计算用于使进气量减少偏差ΔΑ的进气校正值，并且将进气量校正成减少进气校正值(校正成从当前进气量减小)。具体地，操作致动器以扩大可变喷嘴叶片机构54中的相邻喷嘴叶片54a,54a之间的通道面积，由此降低增压压力以使进气量减少进气校正值。通过试验或模拟预先计算致动器的操作度、增压压力的变化和进气量的变化之间的关系，从而在确定进气校正值时，相应地确定致动器的操作度。
校正燃料进气量的操作可以在目标汽缸的随后进气行程中喷射燃料时执行，或者可以在与目标汽缸的燃烧行程之后的燃烧行程对应的、另一汽缸的进气行程中执行。
如上所述，在本实施方式中，根据基于参考热产生量Qb和实际热产生量Qr之间的差所计算的燃料喷射校正值来确定燃料喷射量。也就是说，使燃料喷射量增加或减少燃料喷射校正值，由此获得适当的燃料喷射量。根据基于参考热产生率梯度Sb和实际热产生率梯度Sr之差ΔS和燃料喷射量的偏差Δf所计算的进气校正值来确定进气量。也就是说，使进气量增加或减少进气校正值以获得适当的进气量。
如上所述，在相关技术中，基于实际空燃比接近目标空燃比的技术构思来执行燃料喷射量的控制。因此，即使当实际空燃比与目标空燃比相匹配时，燃料喷射量变得大于适当的燃料喷射量从而导致燃料消耗恶化，或燃料喷射量变得小于适当的燃料喷射量从而导致驾驶性能恶化。
在本实施方式中，可以通过分别计算燃料喷射校正值和进气校正值并且分别执行基于燃料喷射校正值的喷射燃料控制以及基于进气校正值的进气控制来调整燃料喷射量和进气量。参考热产生量Qb和参考热产生率梯度Sb被设定成对应于当获得适当燃料喷射量和适当进气量并且实现目标空燃比时的燃烧状态。因此，可以使实际空燃比与目标空燃比接近或匹配，同时分别执行喷射燃料控制和进气控制。因此，可以在不引起燃料消耗恶化或驾驶性能恶化的情况下调整燃料在燃烧室中的燃烧状态。
第二实施方式
下面将描述第二实施方式。本实施方式描述了以下示例，即在以轻负载操作发动机1时，在从喷射器23喷射燃料(例如，在主喷射中喷射的燃料)的燃料喷射时段中，燃烧室3中的温度等于或高于燃料的预混合燃烧起始温度(例如，900K)并且小于燃料的扩散燃烧起始温度(例如，1000K)(大部分燃料经受预混合燃烧)。
预混合燃烧相比于扩散燃烧受氧气量的影响更大。也就是说，在预混合燃烧中，即使在进气量的偏差ΔA相对较小时，实际热产生率梯度Sr呈现较大变化。因此，当从喷射器23喷射的大部分燃料经受预混合燃烧时，考虑到与大部分燃料经受扩散燃烧的情形(在燃料燃烧时段中燃烧室3中的温度等于或大于扩散燃烧起始温度时：第一实施方式)相比预混合燃烧受氧气量的影响更大的事实，必须校正进气量。
在本实施方式中校正燃料喷射量的操作与第一实施方式中描述的相同，因此将不再重复其描述。
另一方面，在本实施方式中校正进气量的操作在考虑到如上所述其受氧气量的影响更大的事实的情况下来执行。具体地，使用公式(4)来计算第一实施方式所描述的流程图(图5)的步骤ST7中的进气量的偏差ΔΑ。
ΔΑ＝h(ΔS，实际进气量，Δf，实际燃料喷射量)×k...(4)
其中，“k”是校正系数，并且具有小于“1”的多个值。具体数值通过试验或模拟确定。
以该方式，当大部分燃料经受预混合燃烧时，参考热产生率梯度Sb和实际热产生率梯度Sr之间的差ΔS等于燃料喷射量的偏差Δf，但是进气量的偏差ΔΑ被计算成较小，从而进气校正值相比于大部分燃料经受扩散燃烧的情况被设定成较小。
以该方式，可以在考虑到氧气量的影响的情况下计算进气量的偏差ΔΑ。也就是说，防止将进气量的偏差ΔΑ计算为比进气量的原始偏差ΔΑ更大的值，从而即使在大部分燃料经受预混合燃烧时也可以适当校正进气量。因此，可以根据燃料的燃烧类型来实现进气量的调整。
在上述的实施方式中描述了本发明应用于安装在汽车上的直列4汽缸柴油发动机1。本发明不限于用于汽车，而是可以应用于用于其他应用的发动机。汽缸的数目或发动机类型(类型如直列发动机、V型发动机、卧式对置发动机)不受特定限制。本发明不限于使用轻油作为燃料的柴油发动机，而是可以应用于汽油或其他燃料的发动机。
在上述实施方式中，针对在主喷射中喷射的燃料的燃烧来校正燃料喷射量和进气量。本发明不限于该示例，而是可以针对其他燃烧(例如基于引燃喷射、预喷射及后喷射的燃烧)来校正燃料喷射量和进气量。
在上述实施方式中，涡轮增压器5被描述为进气控制单元。也就是说，作为校正进气量的操作，控制涡轮增压器5的可变喷嘴叶片机构54以调整增压压力。本发明不限于该示例，而且可以通过调整进气节流阀64的开度、调整EGR阀81的开度、调整中间冷却器65或EGR冷却器82等的冷却度来校正进气量(引入汽缸的氧气量)。也就是说，可以将进气节流阀64、EGR阀81、中间冷却器65、EGR冷却器82等用作进气控制单元。在该情况下，可以选择多个单元中的两个单元以校正进气量，或者可以对多个单元中的至少两个单元进行组合以校正进气量。特别地，在上述实施方式中所描述的柴油发动机1的情况下，在多个单元中优先执行涡轮增压器5的可变喷嘴叶片机构54的控制。另一方面，在汽油发动机的情况下，优选的是优先执行使用节流阀的开度调整来校正进气量。原因是进气量的可控性较高。
在上述实施方式中，使用燃料喷射量的偏差Δf来计算进气量的偏差ΔΑ。在本发明中，燃料喷射量的偏差Δf可以被转换成根据燃料喷射量的偏差Δf所计算的燃料喷射校正值，并且可以计算进气量的偏差ΔΑ。
在上述实施方式中，通过将燃料喷射量的偏差Δf和燃料喷射校正值设置成同一值来控制燃料喷射量。本发明不限于该示例，而是还可以通过将燃料喷射量的偏差Δf乘以预定系数所获得的值设置为燃料喷射校正值来控制燃料喷射量。类似地，在上述实施方式中，通过将进气量的偏差ΔΑ和进气校正值设置成同一值来控制进气量。本发明不限于该示例，而是可以通过将进气量的偏差ΔΑ乘以预定系数所获得的值设置为进气校正值来校正进气量。
在上述实施方式中，基于参考热产生量Qb和实际热产生量Qr之间的差来计算燃料喷射量的偏差Δf。本发明不限于该示例，而是本发明的技术构思包括以下示例，其中，在不计算燃料喷射量的偏差Δf的情况下基于参考热产生量Qb和实际热产生量Qr之间的差来计算燃料喷射校正值。类似地，在上述实施方式中，基于参考热产生率梯度Sb与实际热产生率梯度Sr之间的差和燃料喷射量的偏差Δf来计算进气量的偏差ΔΑ，并且根据进气量的偏差ΔΑ来计算进气校正值。本发明不限于该示例，而是本发明的技术构思包括以下示例，其中，在不计算进气量的偏差ΔΑ的情况下基于参考热产生率梯度Sb与实际热产生率梯度Sr之间的差和燃料喷射量的偏差Δf来计算进气校正值。
上述实施方式描述了应用了下述压电喷射器23的发动机1：该压电喷射器23仅在供电时段将燃料喷射率改变成完全打开，但是本发明还是可以应用于应用了可变喷射率喷射器的发动机。
本发明可以应用于在安装在汽车上的柴油发动机中校正燃料喷射量和进气量的操作。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的控制装置，所述控制装置的特征在于，包括：
电子控制单元，所述电子控制单元被配置成
a)基于第一差来计算燃料喷射校正值，所述第一差为预定的参考热产生量和实际热产生量之间的差，
b)基于所述燃料喷射校正值来控制燃料喷射量，
c)基于燃料喷射量偏差和所述燃料喷射校正值中的任何一个以及第二差来计算进气校正值，所述第二差为预定的参考热产生量梯度和实际热产生量梯度之间的差，所述燃料喷射量偏差基于所述第一差来计算，以及
d)基于所述进气校正值来控制进气量。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，基于预定的燃料喷射量来设置所述参考热产生量。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中，基于预定的进气量和预定的燃料喷射量来设置所述参考热产生量梯度。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的控制装置，其中，所述电子控制单元被配置成：通过将所述第一差除以热产生效率来计算所述燃料喷射量偏差，所述热产生效率是每单位体积燃料的热产生量，以及
其中，所述电子控制单元被配置成基于所述燃料喷射量偏差来计算所述燃料喷射校正值。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的控制装置，其中，所述电子控制单元被配置成：通过将所述第一差除以热产生效率来计算所述燃料喷射量偏差，所述热产生效率是每单位体积燃料的热产生量，
其中，所述电子控制单元被配置成基于所述燃料喷射量偏差、实际进气量以及实际燃料喷射量来计算进气量偏差，以及
其中，所述电子控制单元被配置成基于所述进气量偏差来计算所述进气校正值。
6.根据权利要求4所述的控制装置，其中，所述电子控制单元被配置成基于所述燃料喷射量偏差、实际进气量以及实际燃料喷射量来计算进气量偏差，以及
其中，所述电子控制单元被配置成基于所述进气量偏差来计算所述进气校正值。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的控制装置，其中，所述电子控制单元被配置成：设置所述进气校正值，使得即使在所述第二差等于所述燃料喷射量偏差和所述燃料喷射校正值中的任何一个的情况下，当在燃料喷射时段中燃烧室中的温度等于或大于所述燃料的预混合燃烧起始温度并且小于所述燃料的扩散燃烧起始温度时的进气校正值小于当在所述燃料喷射时段中所述燃烧室中的温度等于或大于所述燃料的扩散燃烧起始温度时的进气校正值。
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