CN106704004A

CN106704004A - 内燃机以及内燃机的控制方法

Info

Publication number: CN106704004A
Application number: CN201510779997.XA
Authority: CN
Inventors: 于广; 安部元幸; 俞吉
Original assignee: Hitachi Automotive Systems China Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Automotive Systems China Ltd
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: CN106704004B

Abstract

本发明涉及一种内燃机以及内燃机的控制方法，以能够针对实际的内燃机得到最优的进气阀和排气阀的开闭角为课题。一种内燃机，包括进气阀、排气阀、控制进气阀和排气阀的开度的阀机构、以及控制装置，控制装置具备：目标转矩计算部，基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算目标转矩；转速检测部，由转速传感器检测内燃机的转速；存储部，存储有多组开闭角(X_i,Y_i)；查找部，查找对应于目标转矩以及内燃机的转速的多组开闭角(X_i,Y_i)；以及计算部，计算每组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率，阀机构以进气阀的开闭角(X_i)和排气阀的开闭角(Y_i)成为多组开闭角(X_i,Y_i)中的充气效率最高的开闭角(X_i,Y_i)的方式控制进气阀和排气阀的开度。

Description

内燃机以及内燃机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机以及内燃机的控制方法。

背景技术

在现有的汽车技术中，配置对设置于气缸的进气阀以及排气阀的开闭时刻进行控制的控制系统是提高内燃机(发动机)的经济性和动力性的常用技术手段。通过改变进气阀以及排气阀在进气行程和排气行程的开启/关闭角(开闭角)，从而能够改变进气歧管里的废气比例来减少发动机的泵气损失，进而能够提高进入气缸的空气密度并且降低发动机的燃油消耗。

通常，内燃机的转速的高低和转矩的大小对进排气流动以及气缸内的燃烧过程产生影响。因此，在内燃机的不同转速/转矩时需要根据实验来取得最优的配气定时以作为控制气缸上的进气阀和排气阀的开闭时刻的依据。这些进气阀和排气阀的开闭时刻的数据存储于ECU的存储器(ROM)中，在内燃机的运行时，根据不同工况读取相对应的开闭时刻的数据并将其送入到控制进气阀和排气阀的阀机构，从而改善整个内燃机的运行范围内的性能。

在专利文献1中，公开了一种进气阀和排气阀的开闭时刻的控制方法。在该控制方法中，针对某种工况下的进气阀和排气阀的开闭时刻，设置为预定值，根据该工况下的预定值来调节进气阀以及排气阀的开闭时刻。

然而，进气阀和排气阀的最优开闭时刻在标称发动机上通过实验来取得。但是，实际上由于制造安装的误差等，在阀的流量系数、充气效率等方面，实际使用的个体发动机和标称发动机会有一定的误差。在上述专利文献1所公开的技术中，在标称发动机上进行实验选择的最优进排气阀的开闭角数据，因此，存在针对实际使用的个体发动机无法得到最优的进气阀以及排气阀的开闭角数据的担忧。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国专利CN101691845B号公报

发明内容

本发明是有鉴于上述的问题而悉心研究的结果，其目的在于，提供一种针对实际使用的个体内燃机能够得到最优的进气阀和排气阀的开闭角、进而能够更加可靠地得到泵气损失的降低效果和燃油消耗的降低效果的内燃机以及内燃机的控制方法。

为了达成上述目的，本发明所涉及的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括进气阀、排气阀、控制所述进气阀和所述排气阀的开度的阀机构、以及控制装置，所述控制装置具备：目标转矩计算部，基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算目标转矩；转速检测部，由转速传感器检测所述内燃机的转速；存储部，存储有作为所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)的各种组合的多组开闭角(X_i,Y_i)；查找部，基于由所述目标转矩计算部计算出的所述目标转矩以及由所述转速检测部检测出的所述内燃机的转速，查找对应于所述目标转矩以及所述内燃机的转速的多组开闭角(X_i,Y_i)；以及计算部，计算由所述查找部查找到的多组开闭角(X_i,Y_i)中的每组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率，所述阀机构以所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)成为多组开闭角(X_i,Y_i)中的充气效率最高的开闭角(X_i,Y_i)的方式控制所述进气阀和所述排气阀的开度，其中，i为自然数。

即，在上述的本发明所涉及的内燃机中，采用一种基于标称内燃机(发动机)数据的在线测试最优开闭角的控制方法，通过已有的标称内燃机的实验数据，通过在线测试内燃机性能来优化阀的开闭角，从而能够解决由个体内燃机和标称内燃机的误差导致的最优开闭角数据的偏移等问题。与现有的内燃机(发动机)的进排气阀正时控制相比，本发明能够根据个体内燃机的实际情况测试一组进排气阀的开闭角数据，从而能够实现针对个体内燃机的最优开闭角，由此能够达到更好的节油效果。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机中，优选，所述查找部从所述存储部中查找由所述内燃机的转速和负载确定的各个工况下的最优开闭角(X_i,Y_i)。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机中，优选，所述查找部按照距离最优开闭角(X_i,Y_i)由近到远的顺序查找下一个次优开闭角(X_i,Y_i)。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机中，优选，次优开闭角(X_i,Y_i)基于标称内燃机的台架试验数据来查找。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机中，优选，所述计算部在车辆的正常行驶中计算各组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率。这样，开闭角的数据是台架测试获得的安全运行数据，测试可以在线完成而不影响实际驾驶。

本发明所涉及的内燃机的控制方法，其特征在于，是包括进气阀、排气阀、控制所述进气阀和所述排气阀的开度的阀机构、以及控制装置的内燃机的控制方法，所述控制装置具备存储有作为所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)的各种组合的多组开闭角(X_i,Y_i)的存储部，所述控制方法包括：目标转矩计算步骤，基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算目标转矩；转速检测步骤，由转速传感器检测所述内燃机的转速；查找步骤，基于由所述目标转矩计算步骤计算出的所述目标转矩以及由所述转速检测步骤检测出的所述内燃机的转速，查找对应于所述目标转矩以及所述内燃机的转速的多组开闭角(X_i,Y_i)；测试步骤，在由所述查找步骤查找到的多组开闭角(X_i,Y_i)中的每组开闭角(X_i,Y_i)的情况下进行车辆的测试并得到充气效率；以及执行步骤，所述阀机构以所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)成为多组开闭角(X_i,Y_i)中的充气效率最高的开闭角(X_i,Y_i)的方式控制所述进气阀和所述排气阀的开度，其中，i为自然数。

即，在上述的本发明所涉及的内燃机的控制方法中，采用一种基于标称内燃机(发动机)数据的在线测试最优开闭角的控制方法，通过已有的标称内燃机的实验数据，通过在线测试内燃机性能来优化阀的开闭角，从而能够解决由个体内燃机和标称内燃机的误差导致的最优开闭角数据的偏移等问题。与现有的内燃机(发动机)的进排气阀正时控制相比，本发明能够根据个体内燃机的实际情况测试一组进排气阀的开闭角数据，从而能够实现针对个体内燃机的最优开闭角，由此能够达到更好的节油效果。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机的控制方法中，优选，所述查找步骤中，从所述存储部中查找由所述内燃机的转速和负载确定的各个工况下的最优开闭角(X_i,Y_i)。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机的控制方法中，优选，所述查找步骤中，按照距离最优开闭角(X_i,Y_i)由近到远的顺序查找下一个次优开闭角(X_i,Y_i)。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机的控制方法中，优选，次优开闭角(X_i,Y_i)基于标称发动机的台架试验数据来查找。

另外，在上述的本发明所涉及的内燃机的控制方法中，优选，所述测试步骤在车辆的正常行驶中计算各组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率。这样，开闭角的数据是台架测试获得的安全运行数据，测试可以在线完成而不影响实际驾驶。

根据本发明，提供了一种针对实际使用的个体内燃机能够得到最优的进气阀和排气阀的开闭角、进而能够更加可靠地得到泵气损失的降低效果和燃油消耗的降低效果的内燃机以及内燃机的控制方法。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的内燃机的系统构成的示意图。

图2是表示进、排气阀的控制时的阀的开闭角的示意图。

图3是标称内燃机和个体内燃机在某个内燃机工况点的最优阀开闭角的差异的说明图。

图4是用于说明现有的最优开闭角的选取的方法和本实施方式的最优开闭角的选取的方法的说明图。

图5是表示现有的进排气阀的开闭角的计算的流程图。

图6是表示本实施方式的进排气阀的开闭角的计算的流程图。

图7是表示本实施方式中的计算充气效率的示意图。

图8是表示本发明和现有技术的效果的差异的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。在此，在附图的说明中，对相同或者相当的要素标记相同的符号，省略重复的说明。

图1是表示本实施方式所涉及的内燃机(以下，也称为发动机)的大致系统构成的示意图。内燃机1由内燃机主体2以及与其相连的进气管路和排气管路构成。在进气管路中配置有空气流量计3，在空气流量计3中内置有气体温度传感器。在空气流量计3的下游配置有压力传感器4。在压力传感器4的下游配置有压气机5。在压气机5的下游配置有控制进入气缸内空气量的节气阀6。节气阀6是其阀开度可以独立于油门踏板的开度而单独控制的电子式节气阀。节气阀6的下游与进气歧管相连接。在内燃机主体2中，在气缸的进气口21处配置有喷油器7。在气缸的顶部配置有可将燃油和空气的混合气点燃的火花塞8。在气缸上配置有可以检测敲缸现象的爆震传感器。在经由连杆26而与气缸的活塞25相连接的曲轴27上配置有转速传感器10，基于转速传感器10的信号而可以得到内燃机的转速。在排气管路中配置有涡轮机11。涡轮机11与压气机5同轴相连，将部分尾气内能转化为机械功来压缩空气。在涡轮机11的下流配置有空燃比传感器12，根据空燃比传感器12的检测结果来调节喷油量使其达到目标空燃比。在空燃比传感器12的下流配置有催化转化装置13，可以净化尾气中的一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物。

另外，内燃机主体2包括打开和关闭气缸的进气口21的进气阀23以及打开和关闭气缸的排气口22的排气阀24，进气阀23的开度以及排气阀24的开度由阀机构控制。

另外，如图1所示，发动机的控制单元(控制装置)ECU(ElectronicControl Unit(电子控制单元))9通过CAN总线而与发动机的各传感器和执行机构相连接。发动机的ECU9接受各传感器的监测数据，然后经过内部程序计算将计算结果输出到各执行机构的驱动装置。本发明所涉及的控制方法储存于ECU9的内部。即，在ECU9中配备有：目标转矩计算部，基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算目标转矩；转速检测部，由转速传感器10检测内燃机1的转速；存储部，存储有作为进气阀23的开闭角(X_i)和排气阀24的开闭角(Y_i)的各种组合的多组开闭角(X_i,Y_i)；查找部，基于由目标转矩计算部计算出的目标转矩以及由转速检测部检测出的内燃机1的转速，查找对应于目标转矩以及内燃机1的转速的多组开闭角(X_i,Y_i)；以及计算部，计算由查找部查找到的多组开闭角(X_i,Y_i)中的每组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率。

图2是进气阀23以及排气阀24的控制时的阀开闭角的示意图。进气阀23以及排气阀24的开启角、关闭角(开闭角)如图2所示，根据进气阀23以及排气阀24的开闭时的曲轴的角度而可以分为进气行程和排气行程，并用相对于上下止点曲轴转角的环形图来表示。由于发动机转速高，每个行程时间很短，通常发动机都采用延长进排气时间的方法，即阀开启和关闭的时刻并不正好是曲轴上止点和下止点的时刻，而是分别提前和延迟一定的曲轴转角来改善发动机的泵气损失并提高燃油经济性等。

图3是描述本发明所要解决的课题，即标称发动机和个体发动机在某个发动机工况点的最优阀开闭角的差异的说明图。阀最优开闭角由发动机台架实验数据确定，在台架上测试的发动机称为标称发动机，实际安装在每台汽车上的发动机称为个体发动机。个体发动机的阀开闭角的数据由标称发动机在发动机台架上的测试数据而得到。如图3所示，标称发动机的阀开闭角最优点是P(In₃,Ex₂)，该最优点的选择原则是在安全范围内的油耗最小且充气效率最高的点。由于制造误差等，例如由于阀的流量系数的误差等，个体发动机的最优点应该是(In₁,Ex₃)。在实际发动机进排气阀正时系统的控制中，在标称发动机测试后选择的最优点会存储在ECU9中，在个体发动机运行时会按照(In₃,Ex₂)来控制进排气阀的开闭角，而由于制造误差，该个体发动机的最优开闭角应该为(In₁,Ex₃)。

图4是用于说明现有的最优开闭角的选取的方法和本实施方式的最优开闭角的选取的方法的说明图。在发动机的转速为2000rpm且负载为60Nm的情况下，测试所有进排气阀的开度的组合，然后可以获得关于进气阀开启角、排气阀关闭角的变量的整个二维平面上的数据。图4分别是燃油消耗率、燃烧波动率和排气温度的等高线图，反映标称发动机在所有开闭角的组合中的发动机性能。根据这些数据选择出对应于燃烧波动率、排气温度安全限制下最优燃油消耗的阀开闭角来作为最优开闭角(即，由内燃机的转速和负载确定的各个工况下的最优开闭角)并储存在ECU9的存储部中。现有的开闭角的选择步骤包括在某个燃烧波动率限制下(3)和某个排气温度限制下(900℃)，选择燃油消耗率最小的开闭角组合点来作为控制值并储存在ECU9中。该值反映了实验发动机的最节油的开闭角运行点(图中圆点)。

在本实施方式中，考虑到标称发动机和个体发动机的制造安装误差，选择在安全范围内且比最优点燃油消耗率高例如0.5％的点作为次优点(图中加号点)。将这些次优点连同最优点一起存储在ECU9中，根据发动机实际运行数据完成测试，选出针对个体发动机的最优点。需要提出0.5％的限制是根据发动机的制造误差对发动机油耗影响的经验设定的。

图5是表示现有的进排气阀的开闭角的计算的流程图。步骤501是基于油门踏板、发动机转速传感器数据计算出目标转矩。步骤502是根据发动机转速、目标转矩找出储存在ECU中的最优进排气阀开闭角数据。步骤503是根据最优开闭角控制进排气阀驱动装置。在现有的控制中，某个工况(某转速及某转矩)下进排气阀开闭角的最优值根据标定实验中选择出的最优点来确定。

图6是表示本实施方式的进排气阀的开闭角的计算的流程图。步骤601是基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算出目标转矩。步骤602是判断测试是否完成的步骤。如果测试完成，则进入到步骤605，根据充气效率选择出最优开闭角。如果测试未完成，则按照步骤603，基于发动机转速和目标转矩找出储存在ECU9中的进排气阀未测试的开闭角数据组，即包含最优点和次优点的数据组。然后按照步骤604，从未测试数据组中找出距离最优开闭角最近的开闭角来作为次优开闭角，并将该值送入步骤607，控制进排气阀的驱动装置(即阀机构)。同时，按照步骤606，基于传感器数据计算该次优开闭角的充气效率，然后将该数据送入步骤605并作为次优点的评价指标。该方法为在线测试方法，即在汽车正常驾驶过程中可以完成测试，不需要单独测试。因为在线测试的测试点都是经过台架试验选择的在安全运行范围之内的点，不会造成发动机熄火等影响车辆实际驾驶的问题。

需要说明的是，步骤604中未测试数据组中距离最优开闭角的距离定义为：

其中，d为距离，(In_opt,Ex_opt)为最优点的进排气阀开闭角，(In₁,Ex₁)为次优点的进排气阀开闭角。

每个工况点(转速及转矩)所对应的测试数据能够按照距离最优开闭角点的距离从小到大升序(即，由近到远)排列存储在ECU9中，在测试时可按照已存储的数据序列顺序测试。

图7是表示本实施方式中的计算充气效率的示意图。该程序在ECU内部，属于由ECU设计厂家设计的实时计算进入气缸气体流量的程序。如图7所示，根据空气流量传感器、节气阀开度传感器、歧管压力传感器和转速传感器，通过内部的物理逆模型可计算出气体流量。

该模型包含小孔流量方程、容积内气体物质平衡方程、容积内能量平衡方程等。然后，通过气体状态方程，可以计算出充气效率。

图8是表示本发明和现有技术的效果的差异的说明图。如图8所示，由于制造误差等，该个体发动机的进气阀的流量系数比标称发动机的流量系数低。在标称发动机上测试的最优点并不是该个体发动机的最优点。在某次发动机运行时运行到该工况点，发动机的开闭角先被设置为最优点来运行，然后，被设置为次优点进行运行后，记录数据。对于排气阀，也同样进行上述那样的测试。通过本发明，会发现次优点的充气效率高于最优点的充气效率。因此，经过测试，次优点的阀开闭角被作为目标值而送给进排气阀的执行机构(即阀机构)。这样，通过本发明的测试方法，进排气阀的开启角修正后，充气效率提高，燃油消耗降低。

如以上所说明的那样，本发明提出了一种新的进排气阀的开闭角的控制方法。在以上的实施方式中，发动机的进排气阀的控制系统为电动马达驱动的系统，但是，也可以选择其他的机械式的可连续调节的控制系统。在以上的实施方式中，吸入气筒内的空气量由空气流量传感器和歧管压力传感器测量，但是，也可以通过其他方式的传感器测量，例如单独的歧管压力传感器等。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化。这些变形和变化均落入本发明的范围内。

Claims

1.一种内燃机，其特征在于，

所述内燃机包括进气阀、排气阀、控制所述进气阀和所述排气阀的开度的阀机构、以及控制装置，

所述控制装置具备：

目标转矩计算部，基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算目标转矩；

转速检测部，由转速传感器检测所述内燃机的转速；

存储部，存储有作为所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)的各种组合的多组开闭角(X_i,Y_i)；

查找部，基于由所述目标转矩计算部计算出的所述目标转矩以及由所述转速检测部检测出的所述内燃机的转速，查找对应于所述目标转矩以及所述内燃机的转速的多组开闭角(X_i,Y_i)；以及

计算部，计算由所述查找部查找到的多组开闭角(X_i,Y_i)中的每组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率，

所述阀机构以所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)成为多组开闭角(X_i,Y_i)中的充气效率最高的开闭角(X_i,Y_i)的方式控制所述进气阀和所述排气阀的开度，

其中，i为自然数。

2.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，

所述查找部从所述存储部中查找由所述内燃机的转速和负载确定的各个工况下的最优开闭角(X_i,Y_i)。

3.如权利要求2所述的内燃机，其特征在于，

所述查找部按照距离最优开闭角(X_i,Y_i)由近到远的顺序查找下一个次优开闭角(X_i,Y_i)。

4.如权利要求3所述的内燃机，其特征在于，

次优开闭角(X_i,Y_i)基于标称内燃机的台架试验数据来查找。

5.如权利要求1所述的内燃机，其特征在于，

所述计算部在车辆的正常行驶中计算各组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率。

6.一种内燃机的控制方法，其特征在于，

是包括进气阀、排气阀、控制所述进气阀和所述排气阀的开度的阀机构、以及控制装置的内燃机的控制方法，

所述控制装置具备存储有作为所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)的各种组合的多组开闭角(X_i,Y_i)的存储部，

所述控制方法包括：

目标转矩计算步骤，基于油门踏板的位置以及位移加速度，计算目标转矩；

转速检测步骤，由转速传感器检测所述内燃机的转速；

查找步骤，基于由所述目标转矩计算步骤计算出的所述目标转矩以及由所述转速检测步骤检测出的所述内燃机的转速，查找对应于所述目标转矩以及所述内燃机的转速的多组开闭角(X_i,Y_i)；

测试步骤，在由所述查找步骤查找到的多组开闭角(X_i,Y_i)中的每组开闭角(X_i,Y_i)的情况下进行车辆的测试并得到充气效率；以及

执行步骤，所述阀机构以所述进气阀的开闭角(X_i)和所述排气阀的开闭角(Y_i)成为多组开闭角(X_i,Y_i)中的充气效率最高的开闭角(X_i,Y_i)的方式控制所述进气阀和所述排气阀的开度，

其中，i为自然数。

7.如权利要求6所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述查找步骤中，从所述存储部中查找由所述内燃机的转速和负载确定的各个工况下的最优开闭角(X_i,Y_i)。

8.如权利要求7所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述查找步骤中，按照距离最优开闭角(X_i,Y_i)由近到远的顺序查找下一个次优开闭角(X_i,Y_i)。

9.如权利要求8所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

次优开闭角(X_i,Y_i)基于标称发动机的台架试验数据来查找。

10.如权利要求6所述的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述测试步骤在车辆的正常行驶中计算各组开闭角(X_i,Y_i)的情况下的充气效率。