CN113728158B - 内燃机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机控制装置，能够以对噪声等干扰具有鲁棒性且简易的结构检测燃烧特性来控制发动机。因此，本实施例的内燃机控制装置(ECU12)包括：计算内燃机(发动机(1))的曲柄旋转速度的旋转速度计算部(122a)；计算由旋转速度计算部(122a)计算出的曲柄旋转速度的极值时刻的极值时刻计算部(122b)；和基于由极值时刻计算部(122b)计算出的曲柄速度的极值时刻来推算燃烧状态的燃烧状态推算部(燃烧相位计算部(122c))。

Description

内燃机控制装置
技术领域
本发明涉及内燃机控制装置，特别涉及以对噪声等干扰具有鲁棒性且简易的结构检测燃烧特性来控制发动机的技术。
背景技术
近年来，在汽车等车辆中，关于燃料消耗量(燃料经济性)、废气有害成分的限制被强化，这样的限制今后也有越来越被强化的倾向。特别是，关于燃料经济性的限制是由于燃料价格的高涨、对地球温暖化的影响、能源资源枯竭等问题而非常关心的事项。
已知有在这样的状况下，推算发动机燃烧室内的状态，并基于该推算结果控制发动机的技术。通过根据当前的燃烧状态适当地控制点火正时、燃料喷射正时等，能够提高发动机的热效率。例如在专利文献1中公开了这样的燃烧状态的推算技术的例子。
在专利文献1中记载了“计算发动机的旋转加速度的单元和基于所述旋转加速度推算燃烧室内的燃烧状态的单元”。另外，在专利文献1中记载了“计算发动机输出轴的旋转加速度成为极值的旋转位置，基于所述旋转位置来推算燃烧状态”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-150393号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，近年来，将由发动机发出的电力供给到电动机来驱动车轴的混合动力车正在普及。在混合动力系统中，发动机能够避免热效率低的低负荷、低旋转速度下的运转，能够提高系统整体的热效率。
另一方面，在混合动力系统中，发动机大多在旋转速度比较高的一定负载条件下运转，发动机循环内的旋转速度变化比一般的发动机车小。
另外，在混合动力系统中，与发动机车相比，系统变得复杂，部件数量也变多。因此，系统的简化、成本的降低成为课题。
在上述专利文献1所记载的内燃机控制装置中，基于发动机的旋转加速度来推算发动机燃烧室内的状态。由于旋转加速度是旋转速度的微分值，所以在旋转速度的变化小的情况下，相对于旋转加速度的SN比变低，有可能由于噪声等而燃烧状态的推算精度恶化。
另外，需要将用于根据旋转速度来运算旋转加速度的电路、软件安装于控制器，存在系统变得复杂、成本变高的担忧。
本发明是鉴于上述的状况而完成的，本发明的目的在于提供一种能够对于发动机的旋转状态具有鲁棒性地推算燃烧状态且简易、低成本的内燃机控制装置。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明的内燃机控制装置包括：计算内燃机的曲柄旋转速度的旋转速度计算部；计算由所述旋转速度计算部计算出的曲柄旋转速度的极值时刻的极值时刻计算部；和基于由所述极值时刻计算部计算出的曲柄速度的极值时刻来推算燃烧状态的燃烧状态推算部。
发明效果
根据本发明，能够提供一种内燃机控制装置，该内燃机控制装置以对噪声等干扰具有鲁棒性且简易的结构检测燃烧特性来控制发动机。
上述以外的课题、结构和效果通过以下的实施方式的说明而变得明确。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的混合动力车的系统结构的例子的说明图。
图2是表示本发明的实施方式的发动机的截面的例子的说明图。
图3是表示本发明的实施方式的曲柄角传感器的旋转速度检测的原理的说明图。
图4是表示本发明的实施方式的控制器的构成例的框图。
图5是表示本发明的实施方式的控制器的旋转速度计算部的处理流程的说明图。
图6是表示本发明的实施方式的循环平均旋转速度的时间序列数据的求法的说明图。
图7是表示本发明的实施方式的控制器的极值时刻计算部的处理流程的说明图。
图8是表示3缸4冲程发动机的冲程顺序的说明图。
图9是表示本发明的实施方式的3缸4冲程发动机的气缸窗的决定方法的说明图。
图10是表示本发明的实施方式的局部曲柄角(local crank angle)的定义的说明图。
图11是表示本发明的实施方式的最大速度时刻的计算方法的说明图。
图12是表示本发明的实施方式的最小速度时刻的计算方法的说明图。
图13是表示本发明的实施方式的根据最大速度时刻求取燃烧重心位置的方法的说明图。
图14是表示本发明的实施方式的根据最小速度时刻求取燃烧重心位置的方法的说明图。
图15是表示本发明的实施方式的根据最大速度时刻求取初始燃烧位置的方法的说明图。
图16是表示本发明的实施方式的根据最小速度时刻求取初始燃烧位置的方法的说明图。
图17是表示本发明的实施方式的点火正时的控制模块的说明图。
图18是表示初始燃烧期间与燃烧转矩的变动率的关系的特性图。
图19是表示本发明的实施方式的EGR的控制模块的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式(以下，记述为“实施方式”)的例子进行说明。在本说明书和附图中，对具有实质上相同的功能或结构的构成要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。
＜1.第1实施方式＞[混合动力车的系统结构]
首先，对应用本发明的混合动力车的系统结构的例子进行说明。
图1表示本发明的实施方式的混合动力车的系统结构的例子。在图1所示的混合动力车中，发动机1、增速齿轮2和感应发电机3串联连接。发动机1的轴输出通过增速齿轮2增速到适合于感应发电机3的旋转速度，驱动感应发电机3。由感应发电机3发出的三相交流电力通过整流器4转换为直流电力后，供给到逆变器6和电池5。直流电力被逆变器6再次转换为三相交流电力后，被供给到感应电动机7。感应电动机7经由变速驱动桥8驱动左右的车轮9。
控制器12是控制混合动力车50的各构成要素或执行各种数据处理的混合动力车用控制装置的一例。例如，控制器12根据加速器、制动器、车速和齿轮位置等信息求出车辆的驱动所需的电动机输出，控制逆变器6，来进行向感应电动机7供给规定的电力量的控制。另外，控制器12控制发动机1的输出、增速齿轮2的增速比、感应发电机3的励磁电流，管理车辆的动力系统整体。作为一个例子，控制器12使用ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)。
[发动机]
图2表示发动机1的截面的例子。发动机1是火花点火4冲程汽油发动机的例子，由发动机缸盖和气缸13、活塞14、吸气阀15和排气阀16形成燃烧室。在发动机1中，燃料喷射阀18设置于发动机缸盖，并且燃料喷射阀18的喷射喷嘴贯通燃烧室内，由此构成所谓的缸内直接喷射式的内燃机。另外，在发动机缸盖上还设置有火花塞17。燃烧用的空气通过滤气器19、节流阀20和吸气口21而被导入到燃烧室内。并且，从燃烧室排出的燃烧后的气体(废气)通过排气口24和催化转换器25排出到大气。
被导入到燃烧室的空气的量由设置于节流阀20上游侧的空气流量传感器22计量。另外，从燃烧室排出的气体(排气)的空燃比由设置于催化转换器25的上游侧的空燃比传感器27检测。另外，在将气缸13和曲轴箱一体化而成的构造的气缸体(省略图示)设置有爆震传感器10。爆震传感器10输出与燃烧室内的爆震状态量相应的检测信号。
排气口24和吸气口21通过EGR管28连通，构成在排气口24流动的排气的一部分返回吸气口21的内部的所谓排气再循环系统(EGR)。在EGR管28中流动的气体的量由EGR阀29调节。
而且，在曲轴的轴部设有正时转子26(信号转子)。配置于正时转子26的曲柄角传感器11通过检测正时转子26的信号来检测曲轴的旋转和相位、即发动机旋转速度。爆震传感器10和曲柄角传感器11的检测信号被取入到控制器12，在控制器12中用于发动机1的状态检测、运转控制。
控制器12输出节流阀20的开度、EGR阀29的开度、燃料喷射阀18的燃料喷射时刻、火花塞17的点火正时等，将发动机1控制为规定的运转状态。
此外，在图2中，为了表示发动机1的燃烧室的结构，仅表示了单一气缸，但本发明的实施方式的发动机1也可以是由多个气缸构成的多缸发动机。
[曲柄角传感器]
图3是表示使用曲柄角传感器11和正时转子26检测发动机旋转速度的原理的图。在安装于发动机的曲轴30的正时转子26的圆周上，以一定的角度间隔Δθ设置有信号齿26a。通过曲柄角传感器11检测相邻的信号齿26a通过曲柄角传感器11的检测部的时间差Δt，求出发动机旋转速度ω＝Δθ/Δt(rad/s)。在曲柄角传感器中，由于是这样的旋转速度的检测原理，所以按每个旋转角Δθ检测发动机旋转速度，该旋转速度成为旋转角Δθ间的平均速度。
[控制器]
图4是表示控制器12的构成例的框图。控制器12包括经由未图示的系统总线相互电连接的输入输出部121、控制部122和存储部123。
输入输出部121包括未图示的输入端口、输出端口，对车辆内的各装置、各传感器进行输入和输出的处理。例如，输入输出部121读入曲柄角传感器的信号，并将该信号向控制部122发送。控制部122是运算处理装置，能够使用CPU(central processing unit：中央处理器)、MPU(micro processing unit：微处理器)。另外，输入输出部121按照控制部122的指令向各装置输出控制信号。
控制部122控制车辆的动力系统。例如，控制部122根据由内燃机构成的发动机1的燃烧相位来控制点火正时、节流阀开度、EGR开度。
控制部122包括旋转速度计算部122a、极值时刻计算部122b、燃烧相位计算部122c、内燃机控制部122d。
旋转速度计算部122a进行发动机旋转速度的时间序列数据的平均化和高次谐波成分的除去，将得到的发动机旋转速度的时间序列数据向极值时刻计算部122b输出。
极值时刻计算部122b根据从旋转速度计算部122a输入的发动机旋转速度的时间序列数据，求出旋转速度成为极大值或极小值的曲柄角时刻，并将其结果输出到燃烧相位计算部122c。
燃烧相位计算部122c基于由极值时刻计算部122b求出的发动机旋转速度的极大值时刻或极小值时刻来求出燃烧相位，并将其结果向内燃机控制部122d输出。
内燃机控制部122d基于由燃烧相位计算部122c求出的燃烧相位来控制发动机1。
存储部123是RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等易失性存储器、或者ROM(Read Only Memory：只读存储器)等非易失性存储器。在存储部123中记录有由控制器12所具有的控制部122(运算处理装置)执行的控制程序。控制部122从存储部123读出控制程序并执行，由此实现控制部122的各模块的功能。此外，也可以是，控制器12具有由半导体存储器等构成的非易失性的辅助存储装置，上述的控制程序保存在辅助存储装置中。
此外，本发明优选应用于将发动机设为发电专用的类型的混合动力车的发动机控制。但是，当然也能够应用于不将发动机设为发电专用的类型的混合动力车。另外，本发明也能够应用于仅将发动机作为车辆的驱动源的非混合动力车。
[旋转速度计算部]
图5表示由旋转速度计算部122a进行的处理的流程例。旋转速度计算部122a根据由曲柄角传感器11检测出的发动机旋转速度数据，求出循环平均的发动机旋转速度的时间序列数据(S1)。这是为了在每个循环中发动机旋转速度产生偏差的情况下不对燃烧状态的推算结果造成不良影响。
使用图6对循环平均的发动机旋转速度的时间序列数据的具体的求出方法进行说明。在旋转速度计算部122a中，将由曲柄角传感器11每隔一定曲柄角Δθ得到的旋转速度数据作为发动机1循环量(曲柄角720°期间)的时间序列数据取入。例如，在Δθ＝10°的情况下，由曲柄角10°至720°的合计72点构成的旋转速度的时间序列数据被旋转速度计算部122a取入。图6的左图表示这样取入的每个循环的旋转速度的时间序列数据的一例。
将每个循环的旋转速度数据的取入重复规定循环数N(例如100个循环)，根据式(1)求出循环平均的发动机旋转速度的时间序列数据。通过将各离散点处的发动机旋转速度数据分别以规定循环数N进行平均化，得到除去了循环偏差的发动机旋转速度的时间序列数据。
[式1]
ω：旋转速度
θ：曲柄角度
N：进行平均的循环数
i：循环数
返回图5，继续说明旋转速度计算部122a的处理的流程。接着，在旋转速度计算部122a中，求出从循环平均的发动机旋转速度的时间序列数据中去除高次谐波成分后的发动机旋转速度的时间序列数据(S2)。
该处理是为了从发动机旋转速度中去除与燃烧无关的变动成分而进行的。作为与燃烧无关的旋转速度的变动成分，例如有由设置于发动机1与发电机3之间的增速机2的机械松动引起的旋转变动、曲柄角传感器11的信号所包含的电噪声等。它们通常是与由燃烧转矩产生的发动机旋转变动相比短周期的变动，所以能够通过从旋转速度数据除去高次谐波成分来去除。通过从旋转速度数据中除去与燃烧无关的变动成分，在基于发动机旋转变动的燃烧状态的推算中，能够提高其推算精度。
为了从旋转速度数据中去除高次谐波成分，在旋转速度计算部122a中使用式(2)所示的傅里叶级数展开来重构发动机旋转速度的时间序列数据。在傅里叶级数展开中，通过频率不同的正弦函数的相加来重构原来的函数。在式(2)中，k是正弦函数的级数，k越大则成为频率越高的正弦函数。因此，在使用傅里叶级数展开来重构发动机旋转速度的时间序列数据时，如果以适当的级数终止正弦函数的相加，则能够从原来的数据中去除比该级数高的频率成分。
[式2]
原本的循环平均旋转速度
重新构建的循环平均旋转速度
k：正弦函数的次数
θ：曲柄角度
Θ：循环期间
在一般的4缸4冲程汽油发动机中，用于从旋转速度数据中去除与燃烧无关的高次谐波成分的正弦函数的截断次数(级数)n优选为3～5程度。但是，认为适当的截断次数n根据发动机的结构、运转条件而变化。例如，如果发动机气缸数变多，则由燃烧转矩引起的发动机旋转变动的频率变高，所以为了适当地重构该变动成分，截断次数可以更大。另外，在发动机旋转速度变快的情况下，燃烧转矩引起的发动机旋转变动的频率也变高，所以截断次数可以更大。因此，如果基于发动机旋转速度来变更正弦函数的截断次数n，则在基于发动机旋转变动的燃烧状态的推算中，能够在宽的运转范围内提高其推算精度。
如上所述，旋转速度计算部122a通过对由旋转角传感器得到的曲柄旋转速度的时间序列值进行有限次数(级数)的傅里叶级数展开来计算曲柄旋转速度。另外，优选基于曲柄旋转速度来变更傅里叶级数展开的截断次数。
另外，极值时刻计算部122b以气缸数分割曲柄角720°期间中的曲柄旋转速度时间序列值的期间，将包含各气缸的压缩上止点的期间的曲柄旋转速度时间序列值分配为该气缸中的曲柄旋转速度时间序列值。另外，极值时刻计算部122b优选根据分配给上述各气缸的曲柄旋转速度时间序列值来计算每个气缸的曲柄旋转速度的极值时刻。另外，极值时刻计算部122b优选根据曲柄旋转速度的离散时间序列值，使用连续函数来近似曲柄旋转速度的时间序列值，使用所述连续函数来计算曲柄旋转速度的极值时刻。
[极值时刻计算部]
接着，对控制器12中的极值时刻计算部122b的处理进行说明。
图7表示极值时刻计算部122b的处理的流程例。
在极值时刻计算部122b中，将发动机循环整体(曲柄角0～720°)的发动机旋转速度的时间序列数据转换为与每个发动机气缸的循环同步的局部曲柄角(S3)。接着，根据转换为局部曲柄角的发动机旋转速度的时间序列数据，计算发动机旋转速度成为最大(或最小)的曲柄角时刻(S4)。
使用图8至图10对旋转速度计算部122a中的局部曲柄角的转换处理(S3)进行说明。
图8表示3缸4冲程发动机的各冲程的顺序。在4冲程发动机中，依次进行吸气、压缩、膨胀、排气这4个冲程。在3气缸发动机中，气缸间的冲程每次偏离曲柄角240°。如果按照第2气缸、第1气缸、第3气缸的顺序进行对发动机的点火，则第1气缸的冲程相对于第2气缸延迟240°，进而第3气缸的冲程相对于第1气缸延迟240°。
燃烧的状态较强地反映于曲柄旋转速度的是缸内压力成为最大的各气缸的压缩上止点附近。因此，在处理S3中，将循环整体(曲柄角0～720°)的旋转速度数据在以各气缸的压缩上止点为中心的曲柄角240°区间进行分割。然后，将各窗分配为在窗内包含压缩上止点的气缸的旋转速度数据。
图9是对发动机旋转速度的时间序列数据设定以各气缸的压缩上止点为中心的宽度240°的窗的例子。在曲柄角0～240°的区间中包含第3气缸的压缩上止点，所以将其分配为第3气缸窗。同样地，将曲柄角240～480°的区间分配为第2气缸窗，将曲柄角480～720°的区间分配为第1气缸窗。
如果这样分配各窗，则在第3气缸窗的旋转速度数据中，与其他气缸窗的旋转速度数据相比，第3气缸的燃烧状态被较强地反映。
同样地，在第2气缸窗的旋转速度数据中，与其他气缸窗的旋转速度数据相比，较强地反映了第2气缸的燃烧状态，在第1气缸窗的旋转速度数据中，与其他气缸窗的旋转速度数据相比，较强地反映了第1气缸的燃烧状态。因此，通过使用各窗的旋转速度数据，能够对每个气缸进行燃烧状态的推算。
并且，在处理S3中，将各窗的旋转速度数据转换为以各气缸的压缩上止点为基准的局部曲柄角。图10表示将各窗的旋转速度数据转换为局部曲柄角的例子。在本例中，使用将各气缸的压缩上止点设为零的-120°～120°的局部曲柄角，重新定义旋转速度的时间序列数据。在处理S3中，针对全部气缸窗生成转换为局部曲柄角的旋转速度的时间序列数据，并将该数据交给处理S4。
接着，在处理S4中，根据转换为局部曲柄角的旋转速度的时间序列数据，计算旋转速度成为最大的时刻或旋转速度成为最小的时刻。
图11表示基于处理S4的旋转速度的最大时刻的计算方法。
由于旋转速度的时间序列数据是离散点数据，所以离散点数据中的旋转速度的最大时刻与实际的旋转速度(在图11中用虚线表示的旋转速度)的最大时刻产生偏差。因此，在处理S4中，根据离散点数据用多项式近似旋转速度，根据该近似式求出旋转速度的最大时刻。
因此，在处理S4中，首先从作为离散点数据的旋转速度的时间序列数据中搜索旋转速度最大的数据点n。然后，提取n处的局部曲柄角θn和旋转速度ωn、n的1时刻前的数据点处的局部曲柄角θn-1和旋转速度ωn-1、n的1时刻后的数据点处的局部曲柄角θn+1和旋转速度ωn+1。
进而，在处理S4中，用作为局部曲柄角θ的二次函数的式3来近似旋转速度ω。在此，a、b、c是常数。在处理S4中，通过求解在式3中代入θn、ωn、θn-1、ωn-1、θn+1、ωn+1而得到的三元联立一次方程式，求出a、b、c。
[式3]
ω＝aθ2+bθ+c
在旋转速度成为极值的点，式3的微分值成为零，所以在处理S4中根据式4求出旋转速度成为最大的局部曲柄角(最大速度时刻)θmax。通过同样的流程求出各气缸的θmax，并将它们交给燃烧相位计算部122c。
[式4]
另外，在处理S4中求取旋转速度的最小时刻的情况下，也通过与求取上述旋转速度的最大时刻的情况同样的方法求取。
图12表示基于处理S4的旋转速度的最小时刻的计算方法。
在处理S4中，首先从作为离散点数据的旋转速度的时间序列数据中搜索旋转速度最小的数据点n。然后，提取n处的局部曲柄角θn和旋转速度ωn、n的1时刻前的数据点处的局部曲柄角θn-1和旋转速度ωn-1、n的1时刻后的数据点处的局部曲柄角θn+1和旋转速度ωn+1。然后，在处理S4中，使用这些值，根据式3求出二次函数的常数a、b、c，进而根据式4求出旋转速度最小的局部曲柄角(最小速度时刻)θmin。通过同样的流程求出各气缸的θmin，并将它们交给燃烧相位计算部122c。
此外，在上述实施例中，用局部曲柄角θ的二次函数近似旋转速度ω，但本发明不限于此。例如能够使用局部曲柄角θ的三次函数、正弦函数等各种连续函数来近似旋转速度ω。
[燃烧相位计算部]
接着，使用图13对控制器12中的燃烧相位计算部122c的燃烧相位的计算方法进行说明。
图13是表示发动机旋转速度的最大时刻θmax与燃烧重心位置MFB50之间的相关性的图。在此，质量燃烧比例(MFB：Mass Fraction Burned)是燃烧了的部分的质量相对于混合气整体的质量的比例，燃烧重心位置MFB50表示燃烧质量比例成为50％时的曲柄角。发动机旋转速度的最大时刻θmax与燃烧重心位置MFB50之间存在强相关性，如图13所示，两者的关系大致为线性。以下对其理由进行说明。
发动机旋转速度的时间变化由式5所示的旋转体的运动方程式表示。其中，Tc是燃烧转矩，TL是负载转矩。从式5可知，旋转加速度dω/dt与燃烧转矩Tc成比例关系，当燃烧转矩变化时，旋转加速度随之变化。例如，如果燃烧重心位置滞后化，则燃烧转矩的产生时刻滞后化，与此同步地旋转加速度成为最大的时刻延迟。因此，旋转加速度的最大时刻与燃烧重心位置出现较强的相关性。
[式5]
ω：旋转速度
Tc：燃烧转矩
TL：负载转矩
I：惯性矩
t：时间
另一方面，在负载转矩TL的变化小的情况下，燃烧转矩的时间变化大致成为正弦波状。这是因为决定燃烧转矩的大小的曲柄的臂长度随着曲柄轴的旋转而呈正弦波状变化。在旋转加速度为正弦波状的情况下，通过旋转加速度的积分求出的旋转速度也为正弦波状，旋转加速度的时间变化波形与旋转速度的时间变化波形保持一定的相位差。因此，旋转加速度的最大时刻与旋转速度的最大时刻的相位差也一定，燃烧重心位置不仅与旋转加速度的最大时刻具有较强的相关性，还与旋转速度的最大时刻具有较强的相关性。即，在本实施例中，优选构成为表示纵轴的曲柄旋转速度相对于横轴的曲柄角度的波形为正弦波状。
发动机旋转速度的最大时刻θmax与燃烧重心位置MFB50的相关线预先通过校准等求出，以相关式或参照表的形式存储于控制器12的ROM。在燃烧相位计算部122c中，使用图13所示的发动机旋转速度的最大时刻θmax与燃烧重心位置MFB50的相关线，从由极值时刻计算部122b传递来的当前的发动机旋转速度的最大时刻θmax_current求出当前的燃烧重心位置MFB50current。针对各气缸以同样的流程求出当前的燃烧重心位置MFB50current，并将它们交给控制器12的内燃机控制部122d。
另外，即使使用发动机旋转速度的最小时刻θmin，也能够与发动机旋转速度的最大时刻θmax的情况同样地求出燃烧重心位置。
图14是表示发动机旋转速度的最小时刻θmin与燃烧重心位置MFB50之间的相关性的图。发动机旋转速度的最小时刻θmin与燃烧重心位置MFB50之间存在强相关性，如图14所示，两者的关系大致为线性。以下对其理由进行说明。
如上所述，在负载转矩TL的变化小的情况下，发动机旋转速度的时间变化成为正弦波状。因此，旋转速度的最大时刻与旋转速度的最小时刻成为大致一定的相位差。因此，燃烧重心位置不仅与旋转速度的最大时刻具有较强的相关性，还与旋转速度的最小时刻具有较强的相关性。
发动机旋转速度的最小时刻θmin与燃烧重心位置MFB50的相关线预先通过校准等求出，以相关式或参照表的形式存储于控制器12的ROM。在燃烧相位计算部122c中，使用图14所示的发动机旋转速度的最小时刻θmin与燃烧重心位置MFB50的相关线，从由极值时刻计算部122b传递来的当前的发动机旋转速度的最小时刻θmin_current求出当前的燃烧重心位置MFB50current。针对各气缸以同样的流程求出当前的燃烧重心位置MFB50current，并将它们交给控制器12的内燃机控制部122d。
另外，也能够使用发动机旋转速度的最大时刻θmax来求取初始燃烧位置MFB10(质量燃烧比例10％位置)。
图15是表示发动机旋转速度的最大时刻θmax与初始燃烧位置MFB10之间的相关性的图。发动机旋转速度的最大时刻θmax与初始燃烧位置MFB10之间存在强相关性，如图15所示，两者的关系大致为线性。这是因为，当初始燃烧位置变化时，燃烧转矩的产生时刻随之变化。因此，如果预先通过校准等求出发动机旋转速度的最大时刻θmax与初始燃烧位置MFB10的相关线，则能够根据当前的发动机旋转速度的最大时刻θmax_current，使用图15所示的发动机旋转速度的最大时刻θmax与初始燃烧位置MFB10的相关线，求出当前的初始燃烧位置MFB10current。另外，通过从MFB10current减去当前的点火时刻θig_current，也能够求出当前的初始燃烧期间Δθig10_current。
在燃烧相位计算部122c中，针对各气缸以同样的流程求出当前的燃烧重心位置MFB10current、初始燃烧期间Δθig10_current，并将它们交给控制器12的内燃机控制部122d。
此外，能够使用发动机旋转速度的最小时刻θmin来获得初始燃烧位置MFB10。
图16是表示发动机旋转速度的最小时刻θmin与初始燃烧位置MFB10之间的相关性的图。发动机旋转速度的最小时刻θmin与初始燃烧位置MFB10之间存在强相关性，如图16所示，两者的关系大致为线性。因此，如果预先通过校准等求出发动机旋转速度的最小时刻θmin与初始燃烧位置MFB10的相关线，则能够根据当前的发动机旋转速度的最小时刻θmin_current，使用图16所示的发动机旋转速度的最小时刻θmin与初始燃烧位置MFB10的相关线，求出当前的初始燃烧位置MFB10current。另外，通过从MFB10current减去当前的点火时刻θig_current，也能够求出当前的初始燃烧期间Δθig10_current。
在燃烧相位计算部122c中，针对各气缸以同样的流程求出当前的燃烧重心位置MFB10current、初始燃烧期间Δθig10_current，并将它们交给控制器12的内燃机控制部122d。如上所述，本实施例的内燃机控制装置(ECU12)包括：旋转速度计算部122a，其计算内燃机(发动机1)的曲柄旋转速度；极值时刻计算部122b，其计算由旋转速度计算部122a计算出的曲柄旋转速度的极值时刻；和燃烧状态推算部(燃烧相位计算部122c)，其基于由极值时刻计算部122b计算出的曲柄速度的极值时刻来推算燃烧状态。
[内燃机控制部]
接着，对内燃机控制部122d对发动机的控制进行说明。
为了提高发动机的热效率，需要适当地控制燃烧相位。如果燃烧相位过早，则在压缩冲程中压缩气体的功增加，所以损失增加。另外，如果燃烧相位过慢，则排气温度上升，由排气引起的热损失增大。由于热效率成为最大的燃烧相位由燃烧重心位置MFB50规定，所以通过控制点火正时以使得燃烧重心位置MFB50成为规定值，能够提高发动机的热效率。因此，在内燃机控制部122d中实施基于燃烧重心位置MFB50的发动机控制。
图17是控制器12中的点火正时的控制框图。在控制器12中的点火正时的控制中，基于由燃烧相位计算部122c计算出的当前的MFB50_current与目标MFB50的偏差，由内燃机控制部122d计算点火正时，在计算出的点火正时向发动机1发送点火信号。
内燃机控制部122d由PID控制器构成，调整点火时刻以使得MFB50_current与目标MFB50的偏差变小。更具体而言，在MFB50_current比目标MFB50滞后的情况下，为了使燃烧相位提前而使点火正时提前。另外，在MFB50_current比目标MFB50提前的情况下，为了使燃烧相位延迟而使点火正时延迟。
本实施例的内燃机控制装置(ECU12)包括基于由燃烧状态推算部(燃烧相位计算部122c)推算出的燃烧状态来进行内燃机(发动机1)的燃烧控制的内燃机控制部122d。另外，优选构成为内燃机(发动机1)驱动串联式混合动力系统的发电机3。
另外，内燃机控制装置(ECU12)的燃烧状态推算部(燃烧相位计算部122c)基于曲柄旋转速度成为极大或极小的时刻来推算内燃机(发动机1)的燃烧质量比例成为设定值的燃烧相位，内燃机控制部122d进行内燃机(发动机1)的燃烧控制，以使得推算出的燃烧相位成为设定相位。内燃机控制部122d控制内燃机(发动机1)的点火正时，以使得推算出的燃烧相位成为设定相位。具体而言，燃烧状态推算部(燃烧相位计算部122c)计算燃烧质量比例为50％的燃烧相位(燃烧重心位置MFB50)、燃烧质量比例为10％的燃烧相位(初始燃烧位置MFB10)。并且，优选内燃机控制部122d控制点火正时，以使得推算出的燃烧相位(燃烧重心位置MFB50)成为例如上止点后8°～15°。另外，优选内燃机控制部122d控制点火正时，以使得推算出的燃烧相位(初始燃烧位置MFB10)例如在点火后成为15°以内。
即，内燃机控制部122d控制内燃机(发动机1)的EGR阀开度，以使得推算出的燃烧相位(初始燃烧位置MFB10)成为设定相位(例如点火后15°以内)。在推算出的燃烧相位(初始燃烧位置MFB10)比设定相位(例如点火后15°以内)延迟的情况下，内燃机控制部122d将内燃机(发动机1)的EGR阀开度向关闭方向控制。
在推算出的燃烧相位(燃烧重心位置MFB50、初始燃烧位置MFB10)比上述的设定相位延迟的情况下，内燃机控制部122d进行控制以使得内燃机(发动机1)的点火正时提前。相反，在推算出的燃烧相位(燃烧重心位置MFB50、初始燃烧位置MFB10)比上述的设定相位超前的情况下，内燃机控制部122d进行控制以使得内燃机(发动机1)的点火正时延迟。
此外，在燃烧相位计算部122c中，针对每个气缸求出当前的燃烧重心位置MFB50_current，所以优选针对每个气缸实施基于MFB50_current的点火正时的控制。在多缸发动机中，存在由于吸入空气量的偏差等而在气缸间燃烧相位不同的担忧。然而，通过基于每个气缸的MFB50_current来控制每个气缸的点火正时，能够优化每个气缸的燃烧相位，并且能够提高热效率和排放性能。另外，也可以根据各气缸的MFB50_current求出气缸平均的MFB50_current，并基于此来控制点火正时。在该情况下，所有气缸的点火正时相同，与对每个气缸控制点火正时的情况相比，热效率、排放性能有可能降低，但具有简化控制的优点。
接着，对由内燃机控制部122d进行的其他发动机控制进行说明。
为了提高发动机的热效率，广泛地进行在发动机的吸入空气中混合废气的废气再循环(EGR)控制。如果导入EGR，则向缸内的吸入气体量增加，所以能够降低部分负荷中的泵送损失。另外，由于惰性气体而燃烧温度下降，所以能够降低冷却损失。另外，EGR对高负荷下的爆震的抑制也有效果。通常，EGR在吸入气体中所占的比例(EGR率)越大，则由这些EGR带来的效果越高。另一方面，如果EGR率变大，则燃烧变得不稳定，失火、排放的增加等的担忧变高。
在图18中表示初始燃烧期间Δθig10与燃烧转矩的循环变动率的关系的一例。初始燃烧期间Δθig10表示对混合气的点火的容易度，Δθig10大表示对混合气的点火性低。因此，如果Δθig10变大，则容易引起失火，燃烧转矩的循环变动增大。特别是当Δθig10变得比规定值大时，失火循环急速增加，转矩变动的增大加速。
这样，由EGR引起的燃烧的不稳定性由初始燃烧期间Δθig10规定，所以通过控制EGR率以使得初始燃烧期间Δθig10成为规定值，能够在防止失火、排放的恶化的同时提高发动机的热效率。因此，在内燃机控制部122d中实施基于初始燃烧期间Δθig10的发动机控制。
控制部122的燃烧状态推算部基于曲柄旋转速度成为极大或极小的时刻来推算内燃机(发动机1)的初始燃烧期间Δθig10，内燃机控制部122d进行内燃机(发动机1)的燃烧控制，以使得推算出的初始燃烧期间Δθig10成为设定初始燃烧期间。具体而言，内燃机控制部122d在推算出的初始燃烧期间Δθig10比设定初始燃烧期间长的情况下，将内燃机(发动机1)的EGR阀开度向关闭方向控制。另外，在推算出的初始燃烧期间Δθig10比设定初始燃烧期间短的情况下，内燃机控制部122d将内燃机(发动机1)的EGR阀开度向关闭方向控制。
图19是控制器12中的EGR的控制框图。在控制器12中的EGR的控制中，基于由燃烧相位计算部122c计算出的当前的初始燃烧期间Δθig10_current与目标Δθig10的偏差，由内燃机控制部122d计算EGR阀开度，以计算出的EGR阀开度使发动机1运转。在此，初始燃烧期间Δθig10_current从各气缸的初始燃烧期间Δθig10_current中选择最大的Δθig10_current，基于此进行EGR控制。在此，选择最大的Δθig10_current是因为，如前所述，燃烧稳定性相对于初始燃烧期间Δθig10的增加有急速恶化的倾向，优先进行Δθig10_current最大的气缸的稳定性改善。内燃机控制部122d控制内燃机(发动机1)的EGR阀开度，使得推算出的燃烧相位为各气缸的初始燃烧期间，各气缸的初始燃烧期间中最大的初始燃烧期间成为设定相位。
内燃机控制部122d由PID控制器构成，调节EGR阀开度以使得Δθig10_current与目标Δθig10的偏差变小。更具体而言，在Δθig10_current比目标Δθig10大的情况下，为了减少EGR率而减小EGR阀开度。在Δθig10_current比目标Δθig10小的情况下，为了增加EGR率而增大EGR阀开度。
这样，通过基于当前的初始燃烧期间Δθig10_current来控制EGR，能够在不损害燃烧稳定性的情况下使EGR率最大化，能够提高发动机的效率。
另外，在本发明中，基于发动机旋转速度的极大时刻求出燃烧相位。因此，不需要像现有技术那样进行用于求出发动机旋转加速度的微分处理，所以具有不易受到噪声等干扰影响的优点。另外，由于不需要微分处理，所以控制器的结构变得更简单，还具有降低软件的制作工时、电路成本的优点。
本发明并不限定于上述的各实施方式，只要不脱离要求的权利范围所记载的本发明的主旨，则能够采取其他各种应用例、变形例。
例如，在上述的实施例中，表示了本发明向串联混合动力车辆的应用事例，但本发明并不限定于此。例如，在并联混合动力车辆、发动机专用车辆中能够应用本发明。
另外，上述的控制器12的各结构、功能、处理部等的一部分或者全部例如也可以通过由集成电路设计等而由硬件实现。
附图标记说明
1…发动机、3…感应发电机、5…电池、7…感应电动机、10…爆震传感器、11…曲柄角传感器、12…控制器、17…火花塞、20…节流阀、26…正时转子(timing rotor)、28…EGR管、29…EGR阀、122…控制部、121…输入输出部、122a…旋转速度计算部、122b…极值时刻计算部、122c…燃烧相位计算部、122d…内燃机控制部、123…存储部。

Claims (14)

1.一种内燃机控制装置，其特征在于，包括：
计算内燃机的曲柄旋转速度的旋转速度计算部；
计算由所述旋转速度计算部计算出的曲柄旋转速度的极值时刻的极值时刻计算部；
基于由所述极值时刻计算部计算出的曲柄旋转速度的极值时刻来推算燃烧状态的燃烧状态推算部；和
内燃机控制部，该内燃机控制部基于由所述燃烧状态推算部推算出的燃烧状态来进行所述内燃机的燃烧控制，
所述燃烧状态推算部基于预先求出的、曲柄旋转速度成为极大或极小的时刻与所述内燃机的燃烧质量比例成为设定值的燃烧相位的相关性，根据所述曲柄旋转速度成为极大或极小的时刻来推算所述内燃机的燃烧质量比例成为所述设定值的燃烧相位作为所述燃烧状态，
所述内燃机控制部进行所述内燃机的燃烧控制，以使得推算出的燃烧相位成为设定相位。
2.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机构成为能够驱动串联式混合动力系统的发电机。
3.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
构成为使得表示纵轴的曲柄旋转速度相对于横轴的曲柄角度的波形成为正弦波状。
4.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机控制部控制所述内燃机的点火正时，以使得推算出的所述燃烧相位成为所述设定相位。
5.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机控制部在推算出的所述燃烧相位比所述设定相位延迟的情况下，进行控制以使得所述内燃机的点火正时提前。
6.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机控制部控制所述内燃机的EGR阀开度，以使得推算出的所述燃烧相位成为所述设定相位。
7.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机控制部在推算出的所述燃烧相位比所述设定相位延迟的情况下，将所述内燃机的EGR阀开度向关闭方向控制。
8.如权利要求6所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机控制部控制所述内燃机的EGR阀开度，以使得推算出的所述燃烧相位为各气缸的初始燃烧期间，所述各气缸的初始燃烧期间中最大的初始燃烧期间成为所述设定相位。
9.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述燃烧状态推算部基于曲柄旋转速度成为极大或极小的时刻来推算所述内燃机的初始燃烧期间，
所述内燃机控制部进行所述内燃机的燃烧控制，以使得推算出的初始燃烧期间成为设定初始燃烧期间。
10.如权利要求9所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述内燃机控制部在推算出的所述初始燃烧期间比设定初始燃烧期间长的情况下，将所述内燃机的EGR阀开度向关闭方向控制。
11.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述旋转速度计算部将由旋转角传感器得到的曲柄旋转速度的时间序列值进行有限次数的傅里叶级数展开来计算曲柄旋转速度。
12.如权利要求11所述的内燃机控制装置，其特征在于：
基于曲柄旋转速度来变更所述傅里叶级数展开的截断次数。
13.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述极值时刻计算部将曲柄角720°期间中的曲柄旋转速度时间序列值的期间以气缸数进行分割，将包含各气缸的压缩上止点的期间的曲柄旋转速度时间序列值作为该气缸中的曲柄旋转速度时间序列值进行分配，根据分配给所述各气缸的曲柄旋转速度时间序列值来计算每个气缸的曲柄旋转速度的极值时刻。
14.如权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于：
所述极值时刻计算部根据曲柄旋转速度的离散时间序列值，使用连续函数来近似曲柄旋转速度的时间序列值，使用所述连续函数来计算曲柄旋转速度的极值时刻。
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