CN108368794A - 内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种内燃机的控制装置，能够实时并高精度地对内燃机的控制所需的内燃机参数、特别是基于缸内压力传感器的检测结果的燃烧参数进行运算，由此，能够提高内燃机的可控性。本发明的内燃机的控制装置具有：缸内压力传感器(21)，其对气缸(3a)内的压力(缸内压力(PCYL))进行检测；对象模型(42)，其设置于电子控制单元(2)，具有使用检测出的缸内压力(PCYL)对热产生率(dQdθ)进行运算的燃烧模型，对包括热产生率(dQdθ)在内的表示内燃机(3)的状态的内燃机参数(热产生率(dQdθ)、进气歧管压力(Pin)、EGR温度(Tegr)、EGR压力(Pegr))进行运算；以及发动机控制部(43)，其设置于电子控制单元(2)，使用由对象模型(42)运算出的内燃机参数对内燃机(3)进行控制。

Description

内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及使用对象模型来对表示内燃机的状态的内燃机参数进行运算、并根据该运算结果来对内燃机进行控制的内燃机的控制装置。
背景技术
近年来，与内燃机的废气和燃料效率相关的限制变得严格起来，相应地，为了应对该限制而设置的传感器、装置的数量和种类增加，与此相伴，向ECU(电子控制单元)输入的检测信号的输入数量处于增加的倾向，从而成为成本上升的原因。因此，为了实现低成本化和可控性的提高，开发出一种用于通过运算来进行估计的对象模型(虚拟传感器)以代替利用传感器来检测内燃机的状态这一方式。
例如，在专利文献1中所公开的内燃机的控制装置中，为了EGR(Exhaust GasRecirculation：废气再循环)控制而设定了EGR率的多个目标值候补，针对多个目标值候补中的每一个使用对象模型来预测EGR阀开度的将来值，并分别学习对象模型的多个模型参数。此外，控制装置具有搭载有大量处理器核的多核处理器，针对各目标值候补的将来值的预测任务和针对各模型参数的学习任务被分配给各个核。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-228859号公报
发明内容
发明所要解决的课题
如上述那样，在现有的控制装置中，将来值的预测任务按照多个目标值候补中的每一个分配给处理器核，学习任务按照多个模型参数中的每一个分配给处理器核，从而将来值的预测和模型参数的学习使用了大量的处理器核。这样的处理器核的使用对于通常搭载于车辆的个人计算机的有限的性能是不现实的，并且有可能对内燃机的控制所需的、表示内燃机的状态的其他参数的运算造成障碍。
例如，已知利用缸内压力传感器对内燃机的气缸内的压力进行检测，并从该检测结果取得表示燃烧所产生的气缸内的压力、热和能量等燃烧状态的燃烧参数。这样的燃烧参数良好地反映出了气缸内的实际的燃烧状态，因此对内燃机的控制非常有效。另一方面，为了获得有效的燃烧参数，希望将缸内压力传感器的检测结果按照每个燃烧循环而逐次地进行分析，该情况下的运算负载是非常大的。在上述结构的现有的控制装置中，运算性能被限制，因此有可能无法良好地进行燃烧参数的运算。
本发明是为了解决以上那样的课题而被完成的，其目的在于提供一种内燃机的控制装置，该控制装置能够实时并高精度地对内燃机的控制所需的内燃机参数、特别是基于缸内压力传感器的检测结果的燃烧参数进行运算，由此提高内燃机的可控性。
用于解决课题的方法
为了达成上述目的，权利要求1的内燃机的控制装置的特征在于，具有：缸内压力传感器21，其对气缸3a内的压力进行检测；对象模型(模型运算部42)，其设置于电子控制单元2，具有使用缸内压力传感器21的检测结果(实施方式中的(以下，在本项中相同)缸内压力PCYL)对表示气缸3a内的燃烧状态的燃烧参数(热产生率dQdθ)进行运算的燃烧模型，对包括燃烧参数在内的表示内燃机3的状态的内燃机参数(热产生率dQdθ、进气歧管压力Pin、EGR温度Tegr、EGR压力Pegr)进行运算；以及控制器(发动机控制部43)，其设置于电子控制单元2，使用由对象模型所运算出的内燃机参数对内燃机3进行控制。
根据该结构，由于对象模型所包含的燃烧模型使用缸内压力传感器的检测结果来对燃烧参数进行运算，因此能够在反映出气缸内产生的实际的压力的同时，高精度地运算出燃烧参数。此外，由于燃烧模型和使用燃烧参数来对内燃机进行控制的控制器设置在1个电子控制单元内，因此控制器能够在无通信延迟的状态下实时地使用由燃烧模型所运算出的燃烧参数。根据以上内容，能够提高使用了燃烧参数的内燃机的可控性。并且，由于燃烧模型以外的对象模型对燃烧参数以外的内燃机参数进行运算，因此能够省略为了该检测而设置的传感器，从而能够实现低成本化。
权利要求2的发明的特征在于，在权利要求1所述的内燃机的控制装置中，燃烧参数是热产生率dQdθ，燃烧模型使用由多个1次函数针对作为热产生率dQdθ的近似函数的Wiebe函数进行近似而得到的1次函数模型式(图5、图6)来对热产生率dQdθ进行运算(图9的步骤12、13)。
根据该结构，作为燃烧参数的热产生率是使用由多个1次函数对Wiebe函数进行近似而得到的1次函数模型式运算出的。已知Wiebe函数是热产生率的近似函数，其整体的形状比较简单，具有较多的近似于直线的部分。因此，能够利用多个1次函数而高精度地对Wiebe函数进行近似。此外，由多个1次函数构成的1次函数模型式的运算负载与Wiebe函数相比是非常小的。因此，能够在维持热产生率的运算的精度的同时，在较短时间响应性良好地进行该热产生率的运算，从而能够进一步提高使用了热产生率的内燃机的可控性。
权利要求3的发明的特征在于，在权利要求2所述的内燃机的控制装置中，1次函数模型式具有多个模型参数(第1～第4模型基准点PM1～PM4)，燃烧模型具有辨识单元(模型运算部42、图15)，该辨识单元根据缸内压力传感器21的检测结果对多个模型参数进行实时辨识。
根据该结构，由于1次函数模型式的多个模型参数根据缸内压力传感器的检测结果而被实时辨识，因此能够随时对因燃烧状态的偏差和老化等而导致的1次函数模型式的模型误差进行恰当的补偿，从而能够良好地维持热产生率的运算精度。
权利要求4的发明的特征在于，在权利要求1至3的任意一项所述的内燃机的控制装置中，电子控制单元2具有多个处理器核41～43，使用缸内压力传感器21的检测结果来执行燃烧运算的燃烧运算器(CPS运算部41)、对象模型(模型运算部42)和控制器(发动机控制部43)被分别独立地搭载于多个处理器核41～43。
根据该结构，使用缸内压力传感器的检测结果来执行燃烧运算的燃烧运算器、对象模型和控制器被分别独立地搭载于电子控制单元的多个处理器核。由此，能够以较高的运算速度或者控制速度分别进行由燃烧运算器进行的燃烧运算、由对象模型进行的内燃机参数的运算、和由控制器进行的内燃机的控制，并且能够以良好的响应进行相互之间的数据的授受，因此能够进一步提高内燃机的可控性。
权利要求5的发明的特征在于，在权利要求1至4的任意一项所述的内燃机的控制装置中，内燃机3具有向气缸3a内直接喷射燃料的燃料喷射阀4，缸内压力传感器21与燃料喷射阀4一体设置。
根据该结构，由于缸内压力传感器与燃料喷射阀一体设置，因此与在燃料喷射阀和火花塞等设备与气缸盖之间配置有垫圈状的检测部的类型的缸内压力传感器相比，能够在抑制气缸盖的振动的影响的同时，以更高精度检测缸内压力。由此，能够进一步提高使用缸内压力传感器的检测结果对燃烧参数进行运算的运算精度，从而能够进一步提高内燃机的可控性。
附图说明
图1是概要地示出应用了本发明的内燃机的图。
图2是示出内燃机的控制装置的框图。
图3是详细地示出了图2的控制装置的图。
图4是示出了气体系统模型的概念的图。
图5是示出了用于计算热产生率的燃烧模型的图。
图6是用于说明燃烧模型的设定方法的图。
图7是示出模型运算处理的流程图。
图8是将进气歧管模型与气体参数的输入输出关系一并示出的图。
图9是示出缸内温度的计算处理的流程图。
图10是将排气歧管模型与气体参数的输入输出关系一并示出的图。
图11是将EGR阀的上游侧的EGR通路模型与气体参数的输入输出关系一并示出的图。
图12是示出EGR控制处理的流程图。
图13是示出用于计算校正基准点的燃烧运算处理的流程图。
图14是用于对校正基准点的计算方法进行说明的图。
图15是示出模型基准点的辨识处理的流程图。
图16是示出缸内压力传感器的故障判定处理的流程图。
图17是示出燃料喷射阀和与其一体的缸内压力传感器的外观的图。
具体实施方式
在以下，参照附图对本发明所优选的实施方式详细地进行说明。图1示出了应用了本发明的内燃机(在以下，称之为“发动机”)3。该发动机3是搭载于车辆(未图示)的例如4气缸的汽油发动机。在各气缸3a(仅图示1个)的活塞3b与气缸盖3c之间形成有燃烧室3d。
在各气缸3a上经由具有进气收集部6a的进气歧管6b而连接有进气通路6，并设置有进气门8，并且在各气缸3a上经由具有废气收集部7a的排气歧管7b而连接有排气通路7，并设置有排气门9。此外，在各气缸3a上，以面向燃烧室3d的方式设置有燃料喷射阀4和火花塞5(参照图2)。燃料喷射阀4的燃料的喷射量/喷射正时、和火花塞5的点火正时通过来自后述的电子控制单元(以下称之为“ECU”)2的控制信号而被控制。
并且，在各气缸3a中设置有用于对其内部的压力、即缸内压力PCYL进行检测的缸内压力传感器21(参照图2)。如图17所示，缸内压力传感器21是与燃料喷射阀4一体型的传感器，具有安装在燃料喷射阀4的末端部的环状的压力检测元件21a、和放大电路单元(未图示)等。压力检测元件21a检测缸内压力PCYL的变化率，放大电路单元在对压力检测元件21a的检测信号进行滤波以及放大并转换为缸内压力PCYL之后，将该检测信号输出至ECU 2。这样，缸内压力传感器21与燃料喷射阀4的末端部一体设置，因此与一般的垫圈型的缸内压力传感器相比，能够在抑制气缸盖3c的振动的影响的同时，更高精度地检测出缸内压力PCYL。
在进气通路6的比进气收集部6a靠上游侧的位置处设置有节气门机构10。该节气门机构10具有，配置在进气通路6内的蝶形式的节气门10a、对节气门10a进行驱动的TH致动器10b。节气门10a的开度(在以下，称之为“节气门开度”)θTH通过利用ECU 2来控制向TH致动器10b供给的电流而被控制，由此来调节供给至燃烧室3d的新气量。
此外，在发动机3中设置有EGR装置11，该EGR装置11用于使从燃烧室3d排出到排气通路7的废气的一部分作为EGR气体而向进气通路6回流。EGR装置11由EGR通路12和设置在EGR通路12的中途的EGR阀机构13及EGR冷却器14等构成。EGR通路12与排气通路7的废气收集部7a和进气通路6的进气收集部6a连接。
EGR阀机构13具有配置在EGR通路12内的截止式的EGR阀13a和对EGR阀13a进行驱动的EGR致动器13b。EGR阀13a的升程量(在以下，称之为”EGR阀开度”)LEGR通过利用ECU 2控制向EGR致动器13b供给的电流而被控制，由此来调节向进气通路6回流的EGR量。
在发动机3的曲轴上设置有曲轴角传感器22(参照图2)。曲轴角传感器22随着曲轴的旋转而向ECU 2输出作为脉冲信号的CRK信号及TDC信号。CRK信号按照规定的曲轴角度(例如1度)而被输出。ECU 2根据该CRK信号来计算发动机3的转速(在以下，称之为“发动机转速”)NE。
TDC信号为表示在任意气缸3a中、发动机3的活塞3b处于进气行程开始时的TDC位置的信号，在像本实施方式那样，发动机3为4气缸的情况下，该TDC信号每隔曲轴角度180度就被输出。ECU 2根据TDC信号和CRK信号，按照每个气缸3a而计算出以TDC信号的输出时机为基准的曲轴角θ。
此外，在进气通路6的比节气10a靠上游侧的位置处设置有大气压传感器23和外部气温传感器24。大气压传感器23检测大气压PA，外部气温传感器24检测导入到进气通路6中的外气(新气)的温度TA，并将这些检测信号输出至ECU 2。
并且，从节气门开度传感器25向ECU 2输入表示节气门开度θTH的检测信号，并且从EGR阀开度传感器26向ECU 2输入表示EGR阀开度LEGR的检测信号。
如图3所示，ECU 2具有输入输出部31和多核型的运算处理单元(在以下，称之为“MCU”)32。输入输出部31从上述的各种传感器21～26被输入有检测信号，并且向燃料喷射阀4、火花塞5和EGR致动器13b等输出驱动信号。
MCU 32具有，第1～第3处理器核41～43、与处理器核41～43分别对应设置的高速缓冲存储器44～46、由处理器核41～43共用的共享存储器47。高速缓冲存储器44～46、共享存储器47和输入输出部31经由总线50而相互连接。输入至输入输出部31的数据首先存储在共享存储器47中。处理器核41～43从共享存储器47读取运算处理所需的数据，并暂时存储在高速缓冲存储器44～46中，并执行运算处理。
更加具体而言，第1处理器核41(在以下，称之为“CPS运算部41”)根据由缸内压力传感器21检测出的缸内压力PCYL和曲轴角θ来执行燃烧运算处理，该燃烧运算处理是对表示气缸3a内的燃烧状态的热产生率dQdθ等燃烧参数进行运算的处理。
第2处理器核42(在以下，称之为“模型运算部42”)根据后述的对象模型执行模型运算处理，该模型运算处理是对表示发动机3的状态的发动机参数进行运算的处理。该发动机参数包括进气通路6、排气通路7和EGR通路12中的进气、废气及EGR气体各自的质量流量、温度、压力等。
此外，第3处理器核43(在以下，称之为“发动机控制部43”)使用由模型运算部42运算出的发动机参数执行发动机控制处理，该发动机控制处理是对用于控制发动机3的燃料喷射阀4、火花塞5、节气门10a、EGR阀13a等装置的控制参数进行运算的处理。所运算出的控制参数被输送到输入输出部31，在被输入输出部31转换为驱动信号后，输出至装置。
另外，在本实施方式中，CPS运算部41相当于燃烧运算器，模型运算部42相当于对象模型和辨识单元，发动机控制部43相当于控制器。
作为上述的模型运算处理的基础的对象模型被分类为气体系统模型和燃烧模型。如图4所示，气体系统模型是将进气、废气和EGR所流过的发动机3的流路(进气通路6、排气通路7及EGR通路12等)的结构作为存在有节气门10a、EGR阀13a等“节流口”部分和其以外的”接收器”部分的组合来进行模型化而得到的。此外，将连续性方程式(质量守恒定律、能量守恒定律)和气体状态方程式等应用于接收器，将节流口的数学式应用于节流口，由此来计算发动机3的流路的各部位中的流体的质量流量、温度和压力等。
另一方面，燃烧模型是以如下方式得到的：为了减轻运算负载，将通常作为热产生率的近似函数而已知的Wiebe函数简化、并模型化。更加具体而言，如图5和图6所示，燃烧模型是以如下方式得到的：将Wiebe函数(虚线)按照热产生率的产生模式而划分为4个期间(第1气化期间eh1、第2气化期间eh2、第1燃烧期间bh1、第2燃烧期间bh2)，对这4个期间分别以第1～第4个1次函数I～IV进行近似。此外，为了设定1次函数I～IV，使用了下面的4个模型基准点PM1～PM4。
第1模型基准点PM1相当于燃烧即将开始之前热产生率dQdθ成为最小的点，根据此时的最小热产生率dQdθmin和与之对应的曲轴角θmin，以PM1＝(θmin，dQdθmin)来表示。第2模型基准点PM2相当于利用曲轴角θ对热产生率dQdθ进行微分而得到的热产生率微分值dQd2θ成为最大的点，根据此时的热产生率即最大微分值对应热产生率dQdθmax2和与之对应的曲轴角θmax2，以PM2＝(θmax2，dQdθmax2)来表示。
第3模型基准点PM3相当于热产生率dQdθ成为最大的点，根据此时的最大热产生率dQdθmax和与之对应的曲轴角θmax，以PM3＝(θmax，dQdθmax)来表示。此外，第4模型基准点PM4相当于热产生率微分值dQd2θ成为最小的点，根据此时的热产生率、即最小微分值对应热产生率dQdθmin2和与之对应的曲轴角θmin2，以PM4＝(θmin2，dQdθmin2)来表示。
当确定了以上这4个模型基准点PM1～PM4时，据此，以如下方式设定1次函数I～IV。首先，如图6的(a)所示，第3个1次函数III被唯一地设定为穿过第2模型基准点PM2和第3模型基准点PM3的直线(1次式)。
具体而言，当将该1次式设为dQdθ＝A·θ+B(A：斜率，B：截距)时，斜率A通过A＝(dQdθmax-dQdθmax2)/(θmax-θmax2)来计算，截距B通过将dQdθmax、θmax和计算出的A代入到B＝dQdθ-A·θ中而计算出。这样的计算方法在设定后述的其他的1次函数的情况下也被同样应用。此外，计算在第3个1次函数III中使热产生率dQdθ＝0成立的曲轴角θ作为燃烧开始角θbs，设定燃烧开始点Pbs(θbs，0)。
此外，如图6的(b)所示，第4个1次函数IV被设定为穿过第3模型基准点PM3和第4模型基准点PM4的直线。此外，计算在所设定的第4个1次函数IV中使热产生率dQdθ＝0成立的曲轴角θ作为燃烧结束角θbe，设定燃烧结束点Pbe(θbe，0)。并且，如图6的(c)所示，计算出第3模型基准点PM3与燃烧开始点Pbs之间的曲轴角θ的差(＝θmax-θbs)作为第1燃烧期间bh1，计算出燃烧结束点Pbe与第3模型基准点PM3之间的曲轴角θ的差(＝θbe-θmax)作为第2燃烧期间bh2。
如图6的(d)所示，第1个1次函数I被设定为穿过气化开始点Pes(θes，0)和第1模型基准点PM1的直线。该气化开始点Pes是在燃烧前混合气开始气化的点，气化开始角θes被设定为规定的固定值。此外，第2个1次函数II被设定为穿过第1模型基准点PM1和燃烧开始点Pbs的直线。并且，计算出第1模型基准点PM1与气化开始点Pes之间的曲轴角θ的差(＝θmin-θes)作为第1气化期间eh1，计算出燃烧开始点Pbs与第1模型基准点PM1之间的曲轴角θ的差(＝θbs-θmin)作为第2气化期间eh2。
像以上那样，利用第1～第4个1次函数I～IV简化设定燃烧模型的结果是，使用该燃烧模型计算热产生率dQdθ时的运算负载相比于使用Wiebe函数的情况，大幅度地降低。
接下来，参照图7对由模型运算部42执行的模型运算处理进行说明。该处理是根据前述的对象模型，估计EGR控制所需的进气歧管压力Pin和紧接EGR阀13的上游侧的废气的温度及压力，分别作为EGR温度Tegr和EGR压力Pegr。本处理按照每个气缸3a而与CRK信号的产生同步执行。
在本处理中，首先在步骤1(图示为“S1”。以下相同)中，对进气通路6的比节气门10a靠下游侧的位置的进气压、即进气歧管压力Pin进行计算。如图8所示，在该进气歧管压力Pin的计算中，将从图1的进气通路6的比节气门13a靠下游侧的位置起至进气腔室6a为止的部分和EGR通路12的连接部设定为进气歧管模型(接收器)，并且该进气歧管压力Pin的计算根据在进气歧管模型中成立的以下所述的参数之间的关系来进行。
具体而言，如图8所示，将经由端口PO1而流入接收器的新气的质量流量、温度、定压比热、定容比热和能量分别设为mdot1、T1、Cp1、Cv1和E1，并将经由端口PO3而流入的EGR气体的质量流量、温度、定压比热、定容比热和能量分别设为mdot3、T3、Cp3、Cv3和E3。此外，当将接收器内的气体质量(新气的质量、EGR气体的质量)、温度、定压比热、定容比热、压力和EGR率分别设为M(M1，M3)、T、Cp、Cv、P和rPort3，将从接收器经由端口PO2而流出的气体的质量流量和能量分别设为mdot2和E2时，根据连续性方程式和气体状态方程式等，在这些参数之间，下式(1)～(16)的关系成立。另外，虽然这些参数是时间函数，但在式中，为了方便而省略了其表示。
首先，对于接收器内的气体，根据质量守恒定律，下式(1)成立，对于经由端口PO1和PO3而流入的新气和EGR气体，根据质量守恒定律，式(2)和(3)分别成立。
此外，根据流入接收器的新气和EGR气体的定压热容M1·Cp1、M3·Cp3分别守恒的关系，式(4)和(5)成立，根据新气和EGR气体的定容热容M1·Cv1、M3·Cv3分别守恒的关系，式(6)和(7)成立。
此外，流入接收器的新气的能量(焓)E1、从接收器流出的气体的能量E2、和流入接收器的EGR气体的能量E3分别以式(8)～(10)来表示。
E1＝Cp1·Tin1·mdot1·····(8)
E2＝Cp·T·mdot2·····(9)
E3＝Cp3·Tin3·mdot3·····(10)
根据接收器内的气体的定压热容Cp·M和定容热容Cv·M分别是新气的部分和EGR气体的部分之和这一关系，式(11)和(12)成立。
Cp·M＝Cp1·M1+Cp3·M3·····(11)
Cv·M＝Cv1·M1+Cv3·M3·····(12)
从接收器向外部放热的放热量Qwall以下式(13)来表示。
Qwall＝K·Swall(T-Twall)·····(13)
在此，Twall是接收器的壁温度，Swall是壁面积(常数)，K是热传递系数(常数)。
此外，对于接收器内的气体，根据能量守恒定律，式(14)成立。
并且，通过将气体的状态方程式应用于接收器内，式(15)成立。
P·V＝M(Cp-Cv)·T·····(15)
※Cp-Cv＝R
此外，接收器内的气体的EGR率rPort3以式(16)来表示。
通过将例如联立方程应用于以上的式(1)～(16)，将与新气和EGR气体有关的参数作为已知参数，能够计算出与接收器内的气体有关的参数、和从接收器流出的气体的质量流量mdot2和能量E2，在所述步骤1中，计算出接收器内的压力P作为进气歧管压力Pin。
返回至图7，在所述步骤1之后的步骤2中，计算出缸内温度Tcyl。在该计算处理中，设定前述的燃烧模型，并且根据所设定的燃烧模型计算缸内温度Tcyl，该计算处理根据图9所示的子程序来执行。
在图9的处理中，首先在步骤11中计算燃烧模型的模型基准点PM1～PM4。该计算通过如下方式进行：按照发动机3的运转状态、例如发动机转速NE、混合气的空燃比、点火正时和EGR率，从规定的映射图(未图示)分别检索模型基准点PM1～PM4的映射图值，并且以后述的校正项来校正这些映射图值。此外，作为上述的EGR率，例如使用在进气歧管模型中利用所述式(16)而计算出的EGR率rPort3。
接下来，使用计算出的模型基准点PM1～PM4，利用前述方法来设定由4个1次函数I～IV形成的燃烧模型(步骤12)，并且使用所设定的燃烧模型来计算热产生率dQdθ(步骤13)。接下来，使用计算出的热产生率dQdθ利用下式(17)来计算基于燃烧模型的估计缸内压力Pm(步骤14)。
Pm＝dQdθ·(κ-1)/(κ·dV)-(V·dPm)/(κ·dV)·····(17)
在此，缸内容积V的变化量dV根据曲轴角θ而唯一确定，缸内压力变化量dPm作为2个运算时机之间的差分而求出。比热比κ为常数。
接下来，将气体的状态方程式应用于气缸3a内，使用估计缸内压力Pm，利用下式(18)计算缸内温度Tcyl(步骤15)，结束本处理。
Tcyl＝Pm·V/(M·R)·····(18)
返回到图7，在上述步骤2之后的步骤3中，计算排气歧管7b内的温度、即排气歧管温度Tex。如图10所示，在该排气歧管温度Tex的计算中，将排气通路7的从排气歧管7b起至排气腔室7a为止的部分和EGR通路12的分支部设定为排气歧管模型(接收器)，并且该排气歧管温度Tex的计算根据在排气歧管模型中成立的以下所述的参数间的关系来进行。
根据与图8的比较可知，在进气歧管模型中，输入端口是2个，输出端口是1个(2输入/1输出)，与此相对，在排气歧管模型中，输入端口是1个，输出端口是2个(1输入/2输出)，因此与进气歧管模型的情况部分不同的以下的参数关系成立。
首先，代替进气歧管模型中的所述式(1)，接收器内的气体的基于质量守恒定律的关系式以下式(1)’来表示。
此外，与流入接收器的燃烧气体的定压热容M1·Cp1和定容热容M1·Cv1的守恒有关的关系式以下式(4)’和(6)’来表示。
关于流入接收器的燃烧气体的能量E1、从接收器向排气通路7的下游侧流出的废气的能量E2、和从接收器向EGR通路12流出的EGR气体的能量E3，利用所述式(8)～(10)而以同样方式表示。此外，接收器内的气体的定压热容Cp·M和定容热容Cv·M分别以下式(11)’和(12)’来表示，关于从接收器释放的放热量Qwall，利用所述式(13)同样地表示。
Cp·M＝Cp1·M1·····(11)’
Cv·M＝Cv1·M1·····(12)’
此外，接收器内的气体的基于能量守恒定律的关系式以下式(14)’来表示，关于接收器内的气体状态方程式，利用所述式(15)同样地表示。
通过将联立方程式应用于以上的数学式(1)’(4)’(6)’(8)～(10)(11)’(12)’(13)(14)’和(15)，能够将与流入接收器的燃烧气体有关的参数作为已知参数，计算出与接收器内的气体有关的参数、和从接收器向排气通路7侧流出的废气的质量流量mdot2和能量E2、向EGR通路12侧流出的EGR气体的质量流量mdot3和能量E3，在所述步骤3中，计算出接收器内的温度T作为排气歧管温度Tex。
返回至图7，在所述步骤3之后的步骤4和5中，分别计算出紧接EGR阀13a的上游侧的EGR气体的温度和压力作为EGR温度Tegr和EGR压力Pegr，并结束本处理。如图11所示，在该EGR温度Tegr和EGR压力Pegr的计算中，将EGR通路12的从排气通路7的分支部起至紧接EGR阀13a的上游侧为止的部分设定为EGR通路模型(接收器)，并且该EGR温度Tegr和EGR压力Pegr的计算根据在EGR通路模型中成立的以下所述的参数关系来进行。
如图11所示，在EGR通路模型中，由于输入端口和输出端口均为1个(1输入/1输出)，因此与前述的进气歧管模型和排气歧管模型的情况部分不同的以下的参数关系成立。
接收器内的气体的基于质量守恒定律的关系式以下式(1)”来表示。
此外，与流入接收器的EGR气体的定压热容M1·Cp1和定容热容M1·Cv1的守恒有关的关系式以下式(4)”和(6)”来表示。
关于流入接收器的EGR气体的能量E1和从接收器流出的EGR气体的能量E2，利用所述式(8)和(9)同样地表示。此外，关于接收器内的气体的定压热容Cp·M和定容热容Cv·M、以及从接收器释放的放热量Qwall，利用所述式(11)’(12)’及(13)同样地表示。
此外，接收器内的气体的基于能量守恒定律的关系式以下式(14)”来表示，接收器内的气体状态方程式利用所述式(15)同样地表示。
通过将联立方程式应用于以上的式(1)”(4)”(6)”(8)(9)(11)’(12)’(13)(14)”和(15)，能够将与流入接收器的EGR气体有关的参数作为已知参数而计算出与接收器内的气体有关的参数，在所述步骤4中，计算出接收器内的温度T作为EGR温度Tegr，在所述步骤5中，计算出接收器内的压力P作为EGR压力Pegr。
接下来，参照图12而对由发动机控制部43执行的EGR控制处理进行说明。本处理按照每个气缸3a而与TDC信号的产生同步执行。在本处理中，首先在步骤21中设定目标EGR量GEGRCMD。该设定通过按照目标扭矩和发动机转速NE来检索规定的映射图(未图示)来进行。
接下来，使用在图7的步骤1中计算出的进气歧管压力Pin和在步骤5中计算出的EGR压力Pegr，利用下式(19)来对压力函数Ψ进行计算(步骤22)。
时
时
·····(19)
接下来，使用EGR压力Pegr以及压力函数Ψ、和在图7的步骤4中计算出的EGR温度Tegr，利用下式(20)，对通过EGR阀13a的EGR气体的质量流量(在以下称之为“实际EGR量”)GEGRACT进行计算(步骤23)。
该式(20)将节流口的数学式应用于EGR阀13a，R是气体常数，Cd是流量系数，R和Cd都是常数。此外，A是EGR阀13a的开口面积，其根据EGR阀开度LEGR来计算。
接下来，利用下式(21)来设定EGR阀13a的开口面积A的目标值、即目标开口面积ACMD(步骤24)。
该式(21)针对开口面积A而表示了上述的节流口的式(20)，并且将实际EGR量GEGRACT置换成目标EGR量GEGRCMD，将开口面积A置换成目标开口面积ACMD。
接下来，计算出目标EGR量GEGRCMD与实际EGR量GEGRACT之差作为EGR量偏差ΔGEGR(步骤25)，并且根据该EGR量偏差ΔGEGR来计算反馈校正项ΔAFB(步骤26)。然后，通过将该反馈校正项ΔAFB与目标开口面积ACMD相加来对该目标开口面积ACMD进行校正(步骤27)。
接下来，根据被校正后的目标开口面积ACMD来设定对EGR阀13a进行驱动的EGR致动器13b的目标电流值ICMD(步骤28)。此外，计算出目标开口面积ACMD与根据EGR阀开度LEGR计算出的实际开口面积A之差作为开口面积偏差ΔA(步骤29)，并且根据该开口面积偏差ΔA来计算反馈校正项ΔIFB(步骤30)。然后，通过将该反馈校正项ΔIFB与目标电流值ICMD相加来对该目标电流值ICMD进行校正(步骤31)，结束本处理。
接下来，对燃烧模型的辨识处理进行说明。在该辨识处理中，根据由缸内压力传感器21所检测出的实际的缸内压力PCYL来对燃烧模型的模型基准点PM1～PM4进行实时辨识(校正)，该辨识处理由以下处理构成：由CPS运算部41执行的燃烧运算处理；和由模型运算部42使用该燃烧运算处理的结果执行的辨识运算处理。
在图13所示的燃烧运算处理中，根据缸内压力PCYL来计算作为对燃烧模型的模型基准点PM1～PM4进行辨识时的基准的、校正基准点PC1～PC4，该燃烧运算处理按照每个气缸3a与CRK信号的产生同步执行。
在本处理中，首先在步骤41中，根据缸内压力PCYL和曲轴角θ而利用下式(22)来计算热产生率dQdθ。
dQdθ＝(V·dPCYLdθ+κ·PCYL·dV/(κ-1)·····(22)
由此，例如根据图14的(a)的表示缸内压力PCYL的曲线而得到该图的(b)中所示的表示热产生率dQdθ的曲线。
接下来，在步骤42中，通过以曲轴角θ对热产生率dQdθ进行微分而计算出热产生率微分值dQd2θ。由此，得到图14的(c)所示的表示热产生率微分值dQd2θ的曲线。
接下来，如图14的(b)～(d)所示，在步骤43～46中，根据热产生率dQdθ和热产生率微分值dQd2θ而分别计算出与模型基准点PM1～PM4对应的校正基准点PC1～PC4，结束本处理。
具体而言，在步骤43中，提取步骤41中计算出的热产生率dQdθ中的在燃烧即将开始之前产生的最小值作为最小热产生率dQdθmina，并设定由该最小热产生率dQdθmina和与该最小热产生率dQdθmina对应的曲轴角θmina组合而成的点(θmina，dQdθmina)作为第1校正基准点PC1。
在步骤44中，提取得到在步骤42中计算出的热产生率微分值dQd2θ的最大值时的热产生率dQdθ，作为最大微分值对应热产生率dQdθmax2a，并设定由该最大微分值对应热产生率dQdθmax2a和与该最大微分值对应热产生率dQdθmax2a对应的曲轴角θmax2a组合而成的点(θmax2a，dQdθmax2a)，作为第2校正基准点PC2。
在步骤45中，提取热产生率dQdθ的最大值作为最大热产生率dQdθmaxa，并且设定由最大热产生率dQdθmaxa和与该最大热产生率dQdθmaxa对应的曲轴角θmaxa组合而成的点(θmaxa，dQdθmaxa)，作为第3校正基准点PC3。
此外，在步骤46中，提取得到热产生率微分值dQd2θ的最小值时的热产生率dQdθ作为最小微分值对应热产生率dQdθmin2a，并且设定由该最小微分值对应热产生率dQdθmin2a和与该最小微分值对应热产生率dQdθmin2a对应的曲轴角θmin2a组合而成的点(θmin2a，dQdθmin2a)，作为第4校正基准点PC4。
接下来，参照图15来对由模型运算部42执行的辨识运算处理进行说明。本处理以使燃烧模型的模型基准点PM1～PM4分别近似于相同的燃烧循环中所得到的校正基准点PC1～PC4的方式来进行辨识(校正)。本处理按照每个气缸3a而与TDC信号的产生同步执行。
在本处理中，首先在步骤51中，使曲轴角校正用的规定的校正系数Kθ与第1校正基准点PC1的曲轴角要素、即θmina和第1模型基准点PM1的曲轴角要素、即θmin之差(＝θmina-θmin)相乘，由此计算出第1模型基准点PM1的曲轴角校正项ΔθC1。
此外，在步骤52中，使热产生率校正用的规定的校正系数KdQ与第1校正基准点PC1的热产生率要素、即dQdθmina和第1模型基准点PM1的热产生率要素、即dQdθmin之差(＝dQdθmina-dQdθmin)相乘，由此计算出第1模型基准点PM1的热产生率校正项ΔdQC1。
以下同样，针对第2模型基准点PM2，在步骤53中，使校正系数Kθ与第2校正基准点PC2的曲轴角θmax2a和第2模型基准点PM2的曲轴角θmax2之差(＝θmax2a-θmax2)相乘，由此计算出曲轴角校正项ΔθC2，在步骤54中，使校正系数KdQ与第2校正基准点PC2的热产生率dQdθmax2a和第2模型基准点PM2的热产生率dQdθmax2之差(＝dQdθmax2a-dQdθmax2)相乘，由此计算出热产生率校正项ΔdQC2。
针对第3模型基准点PM3，在步骤55中，使校正系数Kθ与第3校正基准点PC3的曲轴角θmaxa和第3模型基准点PM3的曲轴角θmax之差(＝θmaxa-θmax)相乘，由此计算出曲轴角校正项ΔθC3，在步骤56中，使校正系数KdQ与第3校正基准点PC3的热产生率dQdθmaxa和第3模型基准点PM3的热产生率dQdθmax之差(＝dQdθmaxa-dQdθmax)相乘，由此计算出热产生率校正项ΔdQC3。
此外，针对第4模型基准点PM4，在步骤57中，通过使校正系数Kθ与第4校正基准点PC4的曲轴角θmin2a和第4模型基准点PM4的曲轴角θmin2之差(＝θmin2a-θmin2)相乘，由此计算出曲轴角校正项ΔθC4，在步骤58中，通过使校正系数KdQ与第4校正基准点PC4的热产生率dQdθmin2a和第4模型基准点PM4的热产生率dQdθmax之差(＝dQdθmin2a-dQdθmin2)相乘，由此计算出热产生率校正项ΔdQC4，结束本处理。
在下一次的燃烧循环中，将以如上方式计算出的曲轴角校正项ΔθC1～ΔθC4及热产生率校正项ΔdQC1～ΔdQC4与按照发动机3的运转状态利用映射图而检索到的第1～第4模型基准点PM1～PM4所对应的曲轴角要素及热产生率要素相加，由此对第1～第4模型基准点PM1～PM4进行实时辨识(校正)。
接下来，参照图16对由模型运算部42执行的故障判定处理进行说明。本处理根据第1～第4模型基准点PM1～PM4与第1校正基准点PC1～PC4的比较结果来判定缸内压力传感器21的故障的有无。本处理按照每个气缸3a而与TDC信号的产生同步执行。
在本处理中，首先在步骤61中计算出第1～第4校正基准点PC1～PC4的各曲轴角要素和与之对应的第1～第4模型基准点PM1～PM4的曲轴角要素之差的绝对值，分别作为曲轴角偏差Δθ1～Δθ4。接下来，对所计算出的曲轴角偏差Δθ1～Δθ4是否均为曲轴角判定用的规定阈值θREF以下进行判断(步骤62)。在该答案为“否”，曲轴角偏差Δθ1～Δθ4中的至少1个超过阈值θREF时，判定为在缸内压力传感器21中发生了故障，将故障标志F＿CYLNG设定为“1”(步骤63)，结束本处理。
在步骤62的答案为“是”时，在步骤64中计算出第1～第4校正基准点PC1～PC4的各热产生率要素和与之对应的第1～第4模型基准点PM1～PM4的热产生率要素之差的绝对值，分别作为热产生率偏差ΔdQ1～ΔdQ4。接下来，对所计算出的热产生率偏差ΔdQ1～ΔdQ4是否均为热产生率判定用的规定阈值dQREF以下进行判断(步骤65)。在该答案为“否”，热产生率偏差ΔdQ1～ΔdQ4中的至少1个超过了阈值dQREF时，判定为缸内压力传感器21中发生了故障，转移到所述步骤63，将故障标志F＿CYLNG设定为“1”，结束本处理。
另一方面，在所述步骤65的答案为“是”时，判定为缸内压力传感器21中没有发生故障，将故障标志F＿CYLNG设定为“0”(步骤66)，结束本处理。像上述那样，在判定为缸内压力传感器21发生了故障并将故障标志F＿CYLNG设定为“1”的情况下，禁止基于缸内压力传感器21的检测结果的图13的燃烧运算与图14的辨识运算。
像以上那样，根据本实施方式，由于利用模型运算部42基于使用缸内压力传感器21的检测结果而设定的对象模型的燃烧模型对热产生率dQdθ进行运算，因此能够在反映出气缸3a内产生的实际压力的同时，高精度地对热产生率dQdθ进行运算。
此外，模型运算部42和对发动机3进行控制的发动机控制部43均由处理器核构成，并配置在1个ECU 2内，因此发动机控制部43能够在无通信延迟的状态下实时地使用由模型运算部42运算出的热产生率dQdθ。根据以上内容，能够提高使用了热产生率dQdθ的EGR控制的可控性。
并且，根据对象模型的气体系统模型，通过运算而求出EGR控制所需的进气歧管压力Pin、EGR温度Tegr和EGR压力Pegr，因此能够省略为了该检测而设置的传感器，从而能够实现低成本化。
此外，由于是利用由多个1次函数对Wiebe函数进行近似而得到的1次函数模型式来设定燃烧模型，使用该燃烧模型来对热产生率dQdθ进行运算的，因此，能够在维持该热产生率dQdθ的运算精度的同时，以较短时间且响应性良好地进行该热产生率dQdθ的运算，从而能够进一步提高使用了热产生率dQdθ的EGR控制的可控性。
并且，由于利用基于缸内压力传感器21的检测结果而计算出的校正基准点PC1～PC4对该燃烧模型的模型参数、即模型基准点PM1～PM4进行实时辨识，因此能够随时恰当地针对因燃烧状态的偏差或老化等而导致的燃烧模型的模型误差进行补偿，从而能够良好地维持热产生率dQdθ的运算精度。
此外，由于是根据模型基准点PM1～PM4与校正基准点PC1～PC4的比较结果来判定缸内压力传感器21的故障，因此能够在利用燃烧模型的设定和辨识中所使用的参数的同时，高效率地恰当地进行缸内压力传感器21的故障的判定。
此外，使用缸内压力传感器21的检测结果来对校正基准点PC1～PC4进行运算的CPS运算部41、模型运算部42及发动机控制部43分别独立地搭载于ECU 2的处理器核，因此能够以较高的运算速度或者控制速度分别进行由CPS运算部41进行的校正基准点PC1～PC4的运算、由模型运算部42进行的热产生率dQdθ和其他发动机参数的运算、和由发动机控制部43进行的发动机3的控制，并且能够以良好的响应进行相互之间的数据的授受，从而能够进一步提高发动机3的可控性。
并且，由于缸内压力传感器21与燃料喷射阀4的末端部一体设置，因此与一般的垫圈型的缸内压力传感器相比，能够在抑制气缸盖3c的振动的影响的同时，以更高精度检测缸内压力PCYL，因此，能够进一步提高使用缸内压力PCYL对热产生率dQdθ进行运算的运算精度。
另外，本发明不限定于所说明的实施方式，能够以各种方式来实施。例如，实施方式是计算出热产生率dQdθ作为燃烧参数，并使用热产生率dQdθ执行EGR控制来作为发动机控制的示例。本发明不限定于此，例如也可以计算出图示平均有效压力、燃烧扭矩或者使缸内压力成为最大的最大缸内压力角、可取得规定的燃烧质量比例的曲轴角(例如MFB50)、实际点火正时等，来作为燃烧参数。此外，还可以根据这些计算结果而在发动机控制中对燃料喷射量和点火正时等进行控制。
此外，在实施方式中，虽然CPS运算部41、模型运算部42和发动机控制部43分别独立地搭载于ECU 2内的多个处理器核，但也可以将其全部或者一部分统一设置于单个ECU 2内。
并且，虽然实施方式的发动机3是4气缸的汽油发动机，但发动机3的类型和气缸3a的数量是任意的。此外，虽然在实施方式中，在全部气缸3a中都设置了缸内压力传感器21，但是也可以设置在一部分气缸3a中。此外，虽然实施方式的发动机3为车辆用的，但本发明不限定于此，也能够应用于其他用途的发动机，例如曲轴配置于铅直方向的船外机那样的船舶推进机用发动机等。另外，能够在本发明的主旨的范围内，适当地变更细微部分的结构。
标号说明
2：ECU(电子控制单元)；3：发动机(内燃机)；3a：气缸；4：燃料喷射阀；21：缸内压力传感器；41：CPS运算部(处理器核、燃烧运算部)；42：模型运算部(处理器核、对象模型、辨识单元)；43：发动机控制部(处理器核、控制器)；PCYL：缸内压力(缸内压力传感器的检测结果)；dQdθ：热产生率(燃烧参数)；Pin：进气歧管压力(内燃机参数)；Tegr：EGR温度(内燃机参数)；Pegr：EGR压力(内燃机参数)；PM1～PM4：模型基准点(模型参数)；PC1～PC4：校正基准点(缸内压力传感器的检测结果)；θ：曲轴角。

Claims (5)

1.一种内燃机的控制装置，其特征在于，该内燃机的控制装置具有：
缸内压力传感器，其对气缸内的压力进行检测；
对象模型，其被设置于电子控制单元，具有使用所述缸内压力传感器的检测结果对表示所述气缸内的燃烧状态的燃烧参数进行运算的燃烧模型，对包括所述燃烧参数在内的表示所述内燃机的状态的内燃机参数进行运算；以及
控制器，其被设置于所述电子控制单元，使用由所述对象模型运算出的内燃机参数对所述内燃机进行控制。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述燃烧参数是热产生率，所述燃烧模型使用通过多个1次函数对作为热产生率的近似函数的Wiebe函数进行近似而得到的1次函数模型式来对热产生率进行运算。
3.根据权利要求2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述1次函数模型式具有多个模型参数，
所述燃烧模型具有辨识单元，该辨识单元根据所述缸内压力传感器的检测结果对所述多个模型参数进行实时辨识。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述电子控制单元具有多个处理器核，使用所述缸内压力传感器的检测结果来执行燃烧运算的燃烧运算器、所述对象模型和控制器被分别独立地搭载于所述多个处理器核。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述内燃机具有向所述气缸内直接喷射燃料的燃料喷射阀，
所述缸内压力传感器与所述燃料喷射阀一体设置。
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