CN114810378A - 内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机的控制装置，能够抑制外部EGR的输送延迟的影响，并且高精度地计算缸内气体的温度以及量和EGR率，适当地控制内燃机。在执行内部EGR和外部EGR的内燃机的控制装置中，计算两EGR气体未回流到气缸的理想状态下的理想缸内气体量Gth以及理想缸内气体温度Tcylth(步骤1、2)。基于内燃机的转速NE以及进气压力PBA来计算存在于节气阀(7)的下游侧的、吸入空气与外部EGR气体的混合气体的量(GAIRCYLSD)(步骤21)，并检测混合气体的温度(Tain)。基于理想缸内气体量、理想缸内气体温度、混合气体量以及混合气体温度等，计算实际的缸内气体的温度Tcyl以及量Gact、EGR率REGRT(步骤24、4、5)，基于EGR率来控制内燃机(1)。

Description

内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及内燃机的控制装置，特别是涉及计算填充于气缸的气体所含的EGR气体的比例的EGR率并且基于所计算出的EGR率来进行控制的内燃机的控制装置。
背景技术
以往，作为这种控制装置，已知一种例如本申请人的专利文献1所公开的装置。在该控制装置中，计算在假定为内燃机的排气未向气缸回流(EGR量＝0)的理想状态下填充于气缸内的缸内气体的量以及温度作为理想缸内气体量Gth以及基准缸内气体温度Tcylstd。此外，根据气缸内的温度的平衡关系，使用进气温度Ta、排气温度Tex(内部EGR温度)、外部EGR温度Tegr、吸入空气量Gaircyl、内部EGR量Ginegr以及外部EGR量Gexegr，通过下式(A)来计算实际填充于气缸的缸内气体的温度Tcyl。
Tcyl
＝(Ta×Gaircyl+Tex×Ginegr+Tegr×Gexegr)
/(Gaircyl+Ginegr+Gexegr)···(A)
式(A)的参数当中的外部EGR量Gexegr通过将设置于EGR通路的EGR控制阀的开度及其上游侧以及下游侧的压力应用于喷嘴的公式来计算。此外，外部EGR温度Tegr通过将根据外部EGR量Gexegr等计算出的、外部EGR的执行所引起的温度上升量DTegr与检测出的进气温度Ta相加来计算。然后，根据理想状态与实际的填充状态下的气体的状态方程式，基于如上述那样计算出的理想缸内气体量Gth、基准缸内气体温度Tcylstd以及缸内气体温度Tcyl，来计算实际的缸内气体量Gact。
此外，基于缸内气体量Gact以及吸入空气量Gaircyl，来计算内部以及外部EGR量相对于缸内气体量的比例即EGR率REGRT。进而，使用所计算出的缸内气体温度Tcyl、EGR率REGRT等，作为与点火正时相关的内燃机的控制，计算最佳点火正时、爆震临界点火正时。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第6174264号公报
发明内容
(发明所要解决的课题)
在上述的控制装置中，如式(A)所示，缸内气体温度使用吸入空气、内部EGR气体以及外部EGR气体各自的量以及温度来计算。这些参数当中，外部EGR量通过将喷嘴的公式应用于EGR控制阀来计算，外部EGR温度通过将外部EGR所引起的温度上升量与进气温度相加来计算。但是，外部EGR由于从排气通路侧到进气通路侧经由较长的EGR通路回流，因此到达进气通路的输送延迟较大。因此，外部EGR量以及外部EGR温度即使通过上述的方法能够高精度地计算出，由于输送延迟的影响，在实际填充于气缸的状态下，也会偏离计算结果。该输送延迟的影响特别是在内燃机的过渡运转时变得显著。其结果，不能高精度地进行使用外部EGR量以及外部EGR温度的缸内气体温度的计算，进而，EGR率的计算精度也降低，并且也无法适当地进行使用缸内气体温度以及EGR率的点火正时等的内燃机的控制。
本发明为了解决以上的课题而做出的，其目的在于，提供一种内燃机的控制装置，能够在与内部EGR一起执行外部EGR的情况下，能够抑制外部EGR的输送延迟的影响，并且能够高精度地计算填充于气缸的缸内气体的温度以及量和EGR率，并能够使用计算出的EGR率来适当地控制内燃机。
(用于解决课题的手段)
为了达成该目的，技术方案1所涉及的发明为一种执行内部EGR和外部EGR的内燃机的控制装置，所述内部EGR经由设置于进气通路(实施方式中的(以下，在本技术方案中相同)进气管4)的节气阀7向气缸内吸入空气，并且使通过进气阀与排气阀的重叠而从排气通路(排气管5)侧向进气通路侧逆流的内燃机1的排气作为内部EGR气体回流到气缸内，所述外部EGR使从气缸排出到排气通路的排气的一部分作为外部EGR气体回流到进气通路，所述内燃机的控制装置的特征在于，具备：理想缸内气体量计算单元(ECU2、步骤1)，计算在假定为内部EGR气体以及外部EGR气体未回流到气缸的理想状态下填充到气缸内的缸内气体的量作为理想缸内气体量Gth；理想缸内气体温度计算单元(ECU2、步骤2)，计算理想状态下的缸内气体的温度作为理想缸内气体温度Tcylth；转速检测单元(曲柄角传感器27)，检测内燃机的转速NE；进气压力检测单元(进气压力传感器24)，检测进气通路内的比节气阀7靠下游侧的压力作为进气压力PBA；混合气体量计算单元(ECU2、步骤21)，基于内燃机的转速NE以及进气压力PBA来计算存在于进气通路的比节气阀7靠下游侧且填充到气缸内的吸入空气与外部EGR气体的混合气体的量(SD式吸入空气量GAIRCYLSD)；混合气体温度检测单元(进气歧管温度传感器25)，检测混合气体的温度(进气歧管气体温度Tain)；内部EGR温度取得单元(ECU2，步骤22)，取得内部EGR温度(排气温度Tex)；内部EGR量计算单元(ECU2、步骤23)，基于理想缸内气体量Gth、理想缸内气体温度Tcylth、混合气体量、混合气体温度以及内部EGR温度来计算内部EGR量Ginegr；缸内气体温度计算单元(ECU2、步骤24)，基于理想缸内气体量Gth、理想缸内气体温度Tcylth、混合气体温度、内部EGR温度以及内部EGR量Ginegr来计算实际填充于气缸的缸内气体的温度Tcyl；缸内气体量计算单元(ECU2、步骤4)，基于理想缸内气体量Gth、理想缸内气体温度Tcylth以及缸内气体温度Tcyl来计算缸内气体的量Gact；吸入空气量检测单元(吸入空气量传感器22)，检测吸入到气缸内的吸入空气量Gaircyl；EGR率计算单元(ECU2、步骤5)，基于缸内气体量Gact以及吸入空气量Gaircyl来计算将内部EGR量与外部EGR量合计后的EGR量(Gact－Gaircyl)相对于缸内气体量Gact的比率即EGR率REGRT；以及控制单元(ECU2、图7)，基于EGR率REGRT来控制内燃机1。
根据该结构，计算在假定为内部EGR气体以及外部EGR气体未回流到气缸的理想状态下填充到气缸内的缸内气体的量作为理想缸内气体量，计算理想状态下的缸内气体的温度作为理想缸内气体温度。此外，存在于进气通路的比节气阀靠下游侧的、吸入空气与外部EGR气体的混合气体的量基于所检测出的内燃机的转速以及进气压力(进气通路内的比节气阀靠下游侧的压力)，例如通过速度·密度方式来计算。此外，检测混合气体的温度。如上所述，混合气体以吸入空气和外部EGR气体混合的状态，存在于进气通路的比节气阀靠下游侧，因此如上述那样计算或检测的混合气体的量以及温度与单独处理外部EGR气体的情况不同，几乎没有输送延迟的影响，良好地反映填充于气缸的实际的状态。
此外，根据本发明，基于理想缸内气体量、理想缸内气体温度、混合气体量、混合气体温度以及所检测出的内部EGR温度来计算内部EGR量。此外，基于理想缸内气体量、理想缸内气体温度、混合气体温度、内部EGR温度以及内部EGR量来计算实际填充于气缸的缸内气体的温度。这些基于如下理由。
首先，若在进气压力相同的条件下将内部EGR气体以及外部EGR气体与吸入空气一起填充的实际的状态与内部EGR气体以及外部EGR气体不回流到气缸内而仅填充吸入空气的理想状态进行比较，则气体的状态方程式中的压力(进气压力)和容积(气缸容积)相同，因此在理想缸内气体与实际的缸内气体之间，下式(B)成立。
理想缸内气体量×理想缸内气体温度＝缸内气体量×缸内气体温度···(B)
此外，在上述的实际的状态下，根据气缸内的温度的平衡关系，下式(C)成立。
缸内气体量×缸内气体温度
＝内部EGR量×内部EGR温度+吸入空气量×进气温度+外部EGR量×外部EGR温度
＝内部EGR量×内部EGR温度+混合气体量×混合气体温度···(C)
根据这些式(B)以及(C)，内部EGR量基于上述5个参数(理想缸内气体量、理想缸内气体温度、混合气体量、混合气体温度、内部EGR温度)来计算。同样地根据式(B)以及(C)，实际的缸内气体温度基于上述5个参数(理想缸内气体量、理想缸内气体温度、混合气体温度、内部EGR温度、内部EGR量)来计算。此外，在内部EGR量、缸内气体温度的计算中，不使用外部EGR的量以及温度，而是使用几乎没有输送延迟的影响的混合气体量、混合气体温度，因此能够高精度地进行内部EGR量以及缸内气体温度的计算。
进而，根据本发明，根据式(B)，基于理想缸内气体量、理想缸内气体温度以及缸内气体温度来计算实际的缸内气体量，并且基于该缸内气体量和所检测出的吸入空气量来计算将内部EGR量与外部EGR量合计后的EGR量相对于缸内气体量的比率即EGR率。由此，在与内部EGR一起执行外部EGR的情况下，能够抑制外部EGR的输送延迟的影响，并且高精度地计算填充于气缸的缸内气体温度以及缸内气体量和EGR率。此外，能够使用这样的高精度的EGR率，适当地控制内燃机。
技术方案2所涉及的发明的特征在于，在技术方案1所述的内燃机的控制装置中，内燃机1具备通过变更进气阀以及排气阀的工作相位(进气相位CAIN、排气相位CAEX)来变更内部EGR量的阀工作特性可变装置3，所述内燃机的控制装置还具备：存储单元(ECU2)，存储内燃机的转速NE、进气阀及排气阀的工作相位与理想缸内气体量Gth及理想缸内气体温度Tcylth之间的关系；以及工作相位取得单元(进气凸轮角传感器28以及排气凸轮角传感器29)，取得进气阀以及排气阀的工作相位，根据所检测出的内燃机的转速NE以及所取得的进气阀及排气阀的工作相位，基于存储于存储单元的关系，理想缸内气体量计算单元计算理想缸内气体量Gth，理想缸内气体温度计算单元计算理想缸内气体温度Tcylth。
在该结构中，通过利用阀工作特性可变装置来变更进气阀以及排气阀的工作相位，从而变更内部EGR量。根据本发明，内燃机的转速、进气阀的工作相位以及排气阀的工作相位与理想缸内气体量之间的关系、以及上述3个参数与理想缸内气体温度之间的关系存储于存储单元中。理想状态是内部EGR气体以及外部EGR气体未回流到气缸内而仅填充吸入空气这样的比较单纯的状态，因此能够根据上述3个参数，容易且高精度地设定该状态下的理想缸内气体量以及理想缸内气体温度。
并且，根据本发明，由于根据在内燃机的运转中检测出的内燃机的转速和所取得的进气阀以及排气阀的工作相位，基于所存储的上述的关系，来计算理想缸内气体量，因此能够容易且高精度地进行该计算。同样地，由于根据上述3个参数，基于所存储的关系，来计算理想缸内气体温度，因此能够容易且高精度地进行该计算。
技术方案3所涉及的发明的特征在于，在技术方案1或2所述的内燃机的控制装置中，控制单元具有：基本值计算单元(ECU2、步骤41)，计算与内燃机中的爆震的产生临界对应的爆震临界点火正时的基本值IGKNOCKB；EGR爆震校正量计算单元(ECU2、步骤43)，根据EGR率REGRT来计算EGR爆震校正量DEGRT；温度爆震校正量计算单元(ECU2、步骤42、52)，根据理想缸内气体温度Tcylth与缸内气体温度Tcyl之差来计算温度爆震校正量DIGTIC；以及爆震临界点火正时计算单元(ECU2、步骤45)，通过用EGR爆震校正量DEGRT以及温度爆震校正量DIGTIC对基本值IGKNOCKB进行校正，从而计算爆震临界点火正时IGKNOCK，控制单元使用爆震临界点火正时IGKNOCK来控制点火正时IGLOG(步骤34、36)。
根据该结构，计算与爆震的产生临界对应的爆震临界点火正时的基本值，根据EGR率来计算EGR爆震校正量作为用于校正该基本值的校正量，根据理想缸内气体温度与缸内气体温度之差来计算温度爆震校正量。爆震临界点火正时与EGR率的相关性高，并且实际的缸内气体温度越高，则越容易产生爆震。因此，通过用如上述那样计算出的EGR爆震校正量以及温度爆震校正量对基本值进行校正，能够根据EGR率以及缸内气体温度来适当地计算爆震临界点火正时。此外，能够使用所计算出的爆震临界点火正时来适当地控制点火正时。
技术方案4所涉及的发明的特征在于，在技术方案3所述的内燃机的控制装置中，控制单元还具有根据EGR率REGRT来计算使内燃机的输出最大的最佳点火正时IGMBT的最佳点火正时计算单元(ECU2、步骤31、图14)，控制单元使用爆震临界点火正时IGKNOCK或最佳点火正时IGMBT中的任一滞后角侧的点火正时来控制点火正时IGLOG(步骤33～36)。
根据该结构，根据EGR率来计算最佳点火正时。若EGR率变化，则点火延迟、燃烧速度变化，因此确认了在EGR率与最佳点火正时之间存在密切的关系。因此，通过上述的计算方法，能够根据EGR率简单且高精度地设定最佳点火正时。此外，由于使用所设定的最佳点火正时和爆震临界点火正时中的更靠滞后角侧的点火正时来控制点火正时，因此能够在能够可靠地避免爆震的范围内得到最大的内燃机的输出。
附图说明
图1是将本发明的一个实施方式涉及的控制装置与内燃机一起概略性地示出的图。
图2是示出进气阀以及排气阀的气门正时的变化的升程曲线。
图3是用于说明缸内气体量以及缸内气体温度的计算方法的图。
图4是示出EGR率REGRT的计算处理的流程图。
图5是示出理想缸内气体量Gth的计算处理的流程图。
图6是示出缸内气体温度Tcyl的计算处理的流程图。
图7是示出点火正时IGLOG的计算处理的流程图。
图8是示出爆震临界点火正时IGKNOCK的计算处理的流程图。
图9是示出温度爆震校正量DIGTIC的计算处理的流程图。
图10是示出EGR率REGRT与最佳点火正时IGMBT之间的关系的映射图。
图11是示出发动机转速NE与校正系数KIGTIC之间的关系的映射图。
图12是示出EGR率REGRT与EGR爆震校正量DEGRT之间的关系的映射图。
图13是示出有效压缩比CMPR与压缩比爆震校正量DCMPR之间的关系的映射图。
图14是示出最佳点火正时IGMBT的计算处理的流程图。
图15是示出通过实施方式而得到的EGR率REGRT与爆震临界点火正时IGKNOCK之间的关系的图。
图16是示出通过实施方式而得到的EGR率REGRT与最佳点火正时IGMBT之间的关系的图。
图17是概略性地示出应用本发明的与图1不同类型的内燃机的一部分的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选实施方式详细进行说明。图1将本发明的一个实施方式涉及的控制装置与内燃机一起概略性地示出。该内燃机(以下称为“发动机”)1例如是车辆用的4气缸汽油发动机，具备：4组气缸以及活塞；按每个气缸设置的进气阀以及排气阀(均未图示)；以及用于变更进气阀以及排气阀的工作相位的阀工作特性可变装置3。
阀工作特性可变装置3具有：能够变更驱动进气阀的进气凸轮的相位的进气凸轮相位可变机构(均未图示)；以及能够分别变更驱动排气阀的排气凸轮的相位的排气凸轮相位可变机构(均未图示)。进气凸轮相位可变机构构成为将进气凸轮相对于发动机1的曲柄轴(未图示)的相对相位连续地向提前角侧或滞后角侧变更，由此，变更进气阀的工作相位(以下称为“进气相位”)CAIN。同样地，排气凸轮相位可变机构构成为连续地变更排气凸轮相对于曲柄轴的相对相位，由此，变更排气阀的工作相位(以下称为“排气相位”)CAEX。此外，阀工作特性可变装置3还具有能够以大小2阶段变更进气阀的气门升程(最大扬程)的气门升程可变机构。
在发动机1，连接有进气管4(进气通路)以及排气管5(排气通路)。在进气管4中，从上游侧起依次设置有空气滤清器6以及节气阀7，经由包括其下游侧的进气腔4a的进气歧管(intake-manifold)4b与发动机1的各气缸连接。节气阀7通过由ECU2控制的致动器8来驱动。此外，节气阀7的开度由节气阀开度传感器21检测，其检测信号被输出到ECU2。
此外，在进气管4，在空气滤清器6的上游侧设置有吸入空气量传感器22，在空气滤清器6设置有进气温度传感器23。这些传感器22以及23分别检测吸入空气量Gaircyl以及进气温度(吸入空气的温度)Ta，并将它们的检测信号输出到ECU2。进而，在进气腔4a，设置有进气压力传感器24以及进气歧管温度传感器25。进气压力传感器24检测节气阀7的下游侧的压力即进气压力PBA。进气歧管温度传感器25检测进气腔4a中的吸入空气与后述的外部EGR气体的混合气体(进气歧管气体)的温度作为进气歧管气体温度Tain。它们的检测信号被输出到ECU2。
此外，在进气管4的进气歧管4b中，按每个气缸设置有燃料喷射阀12。各燃料喷射阀12与燃料泵(未图示)连接，其燃料喷射量以及燃料喷射正时通过来自ECU2的驱动信号来控制。
在进气管4与排气管5之间，设置有用于使从发动机1的气缸向排气管5排出的排气的一部分作为外部EGR气体向进气管4侧回流的EGR管13。EGR管13与进气腔4a连接。在EGR管13的中途，设置有用于调整外部EGR气体的流量的EGR控制阀14。EGR控制阀14的开度通过来自ECU2的驱动信号来控制，由此，控制外部EGR量Gexegr。
在发动机1的缸盖，按每个气缸，设置有对燃烧室内的混合气进行点火的火花塞15。各火花塞15的点火正时通过来自ECU2的驱动信号来控制。
此外，在发动机1，设置有检测其冷却水的温度(发动机水温)TW的发动机水温传感器26、检测曲柄轴的旋转角度的曲柄角传感器27、和分别检测进气凸轮轴以及排气凸轮轴的旋转角度的进气凸轮角传感器28以及排气凸轮角传感器29。这些传感器26～29的检测信号被输出到ECU2。
曲柄角传感器27伴随曲柄轴的旋转，将作为脉冲信号的CRK信号以及TDC信号输出到ECU2。CRK信号每隔给定的曲柄角(例如1°)输出。ECU2基于CRK信号来计算发动机1的转速(以下称为“发动机转速”)NE。TDC信号是表示在任意一个气缸中活塞处于比进气行程开始时的上止点稍靠近前的给定的曲柄角位置的信号，在发动机1为4气缸的情况下，每隔曲柄角180°输出。
此外，ECU2基于发动机转速NE和由进气压力传感器24检测出的进气压力PBA，通过速度·密度方式，计算从进气歧管4b向气缸吸入的吸入空气量。以下，将这样计算的吸入空气量称为“SD式吸入空气量GAIRCYLSD”。
进气凸轮角传感器28伴随固定有进气凸轮的进气凸轮轴的旋转，每隔给定的凸轮角(例如1°)将作为脉冲信号的进气CAM信号输出到ECU2。ECU2基于该进气CAM信号以及前述的CRK信号，计算进气相位CAIN。另一方面，排气凸轮传感器29伴随固定有排气凸轮的排气凸轮轴的旋转，每隔给定的凸轮角(例如1°)将作为脉冲信号的排气CAM信号输出到ECU2。ECU2基于该排气CAM信号以及CRK信号，计算排气相位CAEX。
此外，在发动机1，安装有检测高频振动的爆震传感器30，其检测信号被输出到ECU2。
此外，通过利用阀工作特性可变装置3的进气凸轮相位可变机构来变更进气凸轮的相位，从而进气相位CAIN在图2中由实线所示的最滞后角的相位与由单点划线所示的最提前角的相位之间无级地变更。此外，虽未图示，但进气阀的气门升程通过气门升程可变机构，以大小2阶段变更。进而，通过利用排气凸轮相位可变机构来变更排气凸轮的相位，从而排气相位CAEX在图2中由实线所示的最提前角的相位与由虚线所示的最滞后角的相位之间无级地变更。
此外，如图2所示，在上止点(TDC)附近，产生进气阀以及排气阀同时开阀的重叠。由此，排出到排气管5的排气的一部分向进气管4侧逆流，在接下来的吸入行程中被吸入到气缸内，通过回流而得到内部EGR。该内部EGR量通过变更进气相位CAIN以及排气相位CAEX来控制，重叠越大，即进气相位CAIN越位于提前角侧，另外，排气相位CAEX越位于滞后角侧，则该内部EGR量越大，得到比较多量的内部EGR。
ECU2由微型计算机构成，该微型计算机由CPU、RAM、ROM以及I/O接口(均未图示)等构成。如以下说明那样，ECU2根据来自前述的各种传感器的检测信号，进行实际填充于气缸内的缸内气体的温度以及量(质量)的计算、EGR率的计算、点火正时控制。另外，在本实施方式中，ECU2相当于理想缸内气体量计算单元、理想缸内气体温度计算单元、混合气体量计算单元、内部EGR温度取得单元、内部EGR量计算单元、缸内气体温度计算单元、缸内气体量计算单元、EGR率计算单元、控制单元、存储单元、基本值计算单元、EGR爆震校正量计算单元、温度爆震校正量计算单元、爆震临界点火正时计算单元以及最佳点火正时计算单元。
接着，参照图3，对填充于气缸的实际的缸内气体量Gact以及缸内气体温度Tcyl的计算方法进行说明。该图将发动机转速NE为恒定的给定值、并且进气相位CAIN及排气相位CAEX分别为恒定的给定值时的进气压力PBA与缸内气体量G之间的关系作为进气压力PBA为给定值PBA1时的5个状态来示出。
首先，状态i)由通过基准点PWOT的理想线Lth表示。在该基准点PWOT处，通过节气阀7为全开状态，进气压力PBA大致等于大气压。以下，将基准点PWOT处的进气压力以及缸内气体量分别称为基准进气压力PBAWOT以及基准缸内气体量Gstd。此外，在基准点PWOT处，由于几乎没有排气侧与进气侧的压力差，因此即使在产生了进气阀与排气阀的重叠的状态下，也不会发生从排气侧向进气侧的排气的逆流，来自排气侧的倒吹所引起的内部EGR量大致为0。
因此，连结基准点PWOT与原点O的理想线Lth表示假定排气未向气缸内回流的理想状态，即，表示假定不进行外部EGR且没有内部EGR时的理想的状态，缸内气体温度可视为恒定。以下，将包含状态i)的理想线Lth上的缸内气体量称为理想缸内气体量Gth，将缸内气体温度称为理想缸内气体温度Tcylth。
状态ii wo)相当于利用未进行外部EGR的状态(以下称为“外部EGR非实施状态”)(WO)下的实际的缸内气体温度Tcylwo对上述的状态i)下的理想缸内气体量Gth进行了校正的状态。以下，将这样校正后的理想缸内气体量称为温度校正后缸内气体量Gthwo。该温度校正后缸内气体量Gthwo等于外部EGR非实施状态下的内部EGR量Ginegr和吸入空气量Gaircyl之和。
状态ii wt)相当于针对上述的状态ii wo)正进行外部EGR的状态(以下称为“外部EGR实施状态”)(WT)。因此，状态ii wt)下的缸内气体量等于内部EGR量Ginegr、外部EGR量Gexegr与吸入空气量Gaircyl之和。此外，状态iii wo)以及状态iii wt)分别相当于从状态ii wo)以及状态ii wt)中除去内部EGR的状态。以下，对这些5个状态的关系进行说明。
首先，根据状态i)和状态ii wo)下的气体的状态方程式，下式(1)成立。
【数式1】
Gth×Tcylth＝Gthwo×Tcylwo·····(1)
Gth：理想线Lth中的理想缸内气体量
Tcylth：理想线Lth中的理想缸内气体温度
Gthwo：基于缸内气体温度Tcyl的温度校正后缸内气体量
Tcylwo：外部EGR非实施状态下的缸内气体温度
另外，在实施方式中使用的、理想缸内气体温度Gth等温度参数的单位全部用绝对温度(开尔文)表示。
此外，若在状态ii wo)中应用波义耳-查理定律，则得到下式(2)。
【数式2】
Tcylwo×(Gaircyl+Ginegr)＝Tain×Gaircyl+Tex×Ginegr·····(2)
Tain：进气歧管气体温度
Gaircyl：吸入空气量
Tex：排气温度
Ginegr：内部EGR量
根据状态iii wo)与状态ii wo)之间的关系，式(2)的Gaircyl+Ginegr与式(1)的温度校正后缸内气体量Gthwo相等。因此，式(2)可改写为下式(3)。
【数式3】
Tcylwo×Gthwo＝Tain×Gaircyl+Tex×Ginegr·····(3)
此外，若将式(3)的左边置换为上述式(1)的左边，则下式(4)成立。
【数式4】
Gth×Tcylth＝Tain×Gaircyl+Te××Ginegr·····(4)
由于状态ii wo)下的吸入空气量Gaircyl能够置换为前述的SD式吸入空气量GAIRCYLSD，因此若对式(4)进行改写，对内部EGR量Ginegr进行表示，则下式(5)成立。
【数式5】
Figure BDA0003397226720000141
GAIRCYLSD：SD式吸入空气量
这样，根据式(5)，从与前述的以往的计算式(A)的比较可知，内部EGR量Ginegr使用进气歧管气体温度Tain以及SD式吸入空气量GAIRCYLSD代替进气温度Ta、外部EGR量Gegr来计算。
此外，状态ii wt)下的缸内气体温度Tcyl根据波义耳-查理定律，由下式(6)表示。
【数式6】
Figure BDA0003397226720000142
Tcyl：缸内气体温度
Tex：排气温度
Ta：进气温度
Tegr：外部EGR温度
Gegr’：状态ii wt)下的外部EGR量
式(6)的进气温度Ta和外部EGR温度Tegr在吸入空气和外部EGR气体在进气腔4a中混合的状态下，由进气歧管温度传感器25检测为进气歧管气体温度Tain。因此，式(6)可改写为下式(7)。
【数式7】
Figure BDA0003397226720000151
此外，若将状态iiiwt)下的气体量设为GGAS’(参照图3)，则由于处于GGAS’＝Gaircyl+Gegr’的关系，因此式(7)可改写为下式(8)。
【数式8】
Figure BDA0003397226720000152
进而，根据状态iiwo)和状态ii wt)下的气体的状态方程式，式(9)的第一式成立，并且通过如式(10)那样，将第一式中的(GAIRCYLSD+Ginegr)×Tcylwo置换为系数A，从而得到式(9)的第二式。
【数式9】
Figure BDA0003397226720000153
【数式10】
(GAIRCYLSD+Ginegr)×Tcylwo＝A·····(10)
若将该式(9)的第二式代入式(8)并展开，则得到下式(11)，进而若将式(11)对缸内气体温度Tcyl进行求解，则式(12)成立。
【数式11】
A×(Tcyl-Tain)＝Ginegr×(Tex-Tain)×Tcyl·····(11)
【数式12】
Figure BDA0003397226720000161
进而，根据式(1)、(10)，系数A＝Gth×Tcylth成立。通过将其代入式(12)，从而得到缸内气体温度Tcyl的最终的计算式即式(13)。
【数式13】
Figure BDA0003397226720000162
此外，根据状态i)和状态iiwt)下的气体的状态方程式，下式(14)成立。因此，通过将利用式(13)计算出的缸内气体温度Tcyl代入式(14)，从而计算出此时的实际的缸内气体量Gact。
【数式14】
Gth×Tcylth＝Gact×Tcyl·····(14)
此外，使用所计算出的缸内气体量Gact，通过下式(15)来计算内部EGR量以及外部EGR量之和相对于总缸内气体量的比例即EGR率REGRT(％)。
【数式15】
Figure BDA0003397226720000163
接着，参照图4～图6，对使用缸内气体温度Tcyl、缸内气体量Gact等来计算EGR率REGR的EGR率计算处理进行说明。本处理由ECU2与TDC信号的产生同步地执行。
在本处理中，在图4的步骤1(图示为“S1”。以下相同)中，计算理想缸内气体量Gth。图5示出该计算处理。在该计算处理中，首先在步骤11中，计算基准缸内气体量Gstd(图3的基准点PWOT处的缸内气体量)的映射值Gstdm。该计算例如通过根据基于气门升程可变机构的进气阀的气门升程的大小与所检测出的发动机转速NE、进气相位CAIN以及排气相位CAEX检索给定的基准缸内气体量映射图(未图示)来进行。
该基准缸内气体量映射图是在节气阀7为全开的基准状态下，通过实验等来预先求取上述4个参数与缸内气体量之间的关系，并将所得到的缸内气体量存储为基准缸内气体量的映射值Gstdm而得到的。
接着，根据所检测出的发动机水温TW来检索给定的温度校正系数映射图(未图示)，由此计算温度校正系数KTW(步骤12)。接着，将温度校正系数KTW与在步骤11计算出的映射值Gstdm相乘，由此对映射值Gstdm进行温度校正，计算基准缸内气体量Gstd(步骤13)。
然后，在步骤14中，使用基准缸内气体量Gstd以及基准进气压力PBAWOT，对相当于理想线Lth的斜率的Gstd/PBAWOT乘以所检测出的进气压力PBA，由此计算理想缸内气体量Gth。
返回至图4，在接着所述步骤1的步骤2中，计算理想缸内气体温度Tcylth。该计算例如通过根据进气阀的气门升程的大小、发动机转速NE、进气相位CAIN以及排气相位CAEX检索给定的理想缸内气体温度映射图(未图示)来进行。该理想缸内气体温度映射图是在节气阀7为全开的基准状态下通过实验等而预先求取上述4个参数与缸内气体温度之间的关系，并将所得到的缸内气体温度存储为理想缸内气体温度Tcylth而得到的。
接着，计算缸内气体温度Tcyl(步骤3)。图6示出该计算处理。在该计算处理中，首先在步骤21中，计算SD式吸入空气量GAIRCYLSD。该计算例如通过根据所检测出的发动机转速NE、进气压力PBA、进气相位CAIN以及排气相位CAEX检索给定的SD式吸入空气量映射图(未图示)来进行。该SD式吸入空气量映射图是在未导入外部EGR的状态下通过实验等预先求取上述4个参数与吸入空气量之间的关系，并将所得到的吸入空气量存储为SD式吸入空气量GAIRCYLSD而得到的。
接着，计算排气温度Tex(步骤22)。该计算例如通过根据进气阀的气门升程的大小、发动机转速NE以及吸入空气量Gaircyl等检索给定的排气温度映射图(未图示)来进行。在该排气温度映射图中，排气温度Tex被设定为，发动机转速NE越大，并且吸入空气量Gaircyl越大，则排气温度Tex越大。
接着，将在所述步骤1、2计算出的理想缸内气体量Gth以及理想缸内气体温度Tcylth、所检测出的进气歧管气体温度Tain、在步骤21、22计算出的SD式吸入空气量GAIRCYLSD以及排气温度Tex应用于所述式(5)，由此计算内部EGR量Ginegr(步骤23)。
接着，将所计算出的内部EGR量Ginegr与理想缸内气体量Gth、理想缸内气体温度Tcylth、进气歧管气体温度Tain以及排气温度Tex一起应用于所述式(13)，由此计算缸内气体温度Tcyl(步骤24)，并结束本处理。
返回至图4，在接着所述步骤3的步骤4中，将在步骤1～3分别计算出的理想缸内气体量Gth、理想缸内气体温度Tcylth以及缸内气体温度Tcyl应用于所述式(14)，由此计算实际的缸内气体量Gact。
然后，在步骤5中，将所计算出的缸内气体量Gact和吸入空气量Gaircyl应用于所述式(15)，由此计算EGR率REGRT，并结束本处理。
接着，参照图7～图13，对由ECU2执行的点火正时的计算处理进行说明。该点火正时以压缩上止点为基准，将提前角侧表示为正值。本处理与TDC信号的产生同步地执行。
在本处理中，首先，在步骤31中，计算最佳点火正时IGMBT(发动机1的输出转矩成为最大的点火正时)。图14示出该计算处理。在该计算处理中，首先在步骤61中，根据发动机转速NE以及如前所述计算出的EGR率REGRT，检索图10所示的IGMBTB映射图，由此计算最佳点火正时的基本值IGMBTB。随着EGR率REGRT变大，点火延迟变大，并且燃烧速度变小，因此最佳点火正时向更靠提前角侧转移。根据该关系，在IGMBTB映射图中，最佳点火正时的基本值IGMBTB被设定为，EGR率REGRT越大，则最佳点火正时的基本值IGMBTB变得越大(越靠提前角侧)。
接着，在步骤62中，根据发动机转速NE以及填充效率ETAC，检索给定的DIGMETAC映射图(未图示)，由此计算填充效率校正量DIGMETAC。随着填充效率ETAC变大，气缸内的氧量变大，点火延迟变小，因此最佳点火正时向更靠滞后角侧转移。根据该关系，在DIGMETAC映射图中，填充效率校正量DIGMETAC被设定为，EGR率REGRT越大，则填充效率校正量DIGMETAC变得越小(越靠滞后角侧)。
接着，在步骤63中，根据发动机转速NE以及进气相位CAIN，检索给定的DIGMCAIN映射图(未图示)，由此计算气门正时校正量DIGMCAIN。当进气相位CAIN变化时，缸内流动(气缸内的混合气体的流动)变化，相应地燃烧速度变化，因此对最佳点火正时产生影响。在DIGMCAIN映射图中，以反映该影响的方式，设定了气门正时校正量DIGMCAIN。
然后，在步骤64中，将在所述步骤61～63分别计算出的基本值IGMBTB、填充效率校正量DIGMETAC以及气门正时校正量DIGMCAIN应用于下式(16)，由此计算最佳点火正时IGMBT，并结束本处理。
【数式16】
IGMBT＝IGMBTB+DIGMETAC+DIGMCAIN·····(16)
返回至图7，在接着所述步骤31的步骤32中，计算与发动机1中的爆震的产生临界对应的爆震临界点火正时IGKNOCK。图8示出该计算处理。在该计算处理中，首先在步骤41中，根据发动机转速NE以及吸入空气量Gaircyl，检索给定的IGKNOCKB映射图(未图示)，由此计算爆震临界点火正时IGKNOCK的基本值IGKNOCKB。在该IGKNOCKB映射图中，基本值IGKNOCKB被设定为，与EGR率REGRT被设定为给定的基准值并且进气相位CAIN以及排气相位CAEX分别被设定为基准相位(例如最滞后角相位、最提前角相位)时的最佳点火正时相当。
接着，在步骤42中，计算温度爆震校正量DIGTIC。图9示出该计算处理。在该计算处理中，首先在步骤51中，根据进气阀的气门升程的大小以及发动机转速NE，检索图11所示的KIGTIC映射图，由此计算校正系数KIGTIC。在该KIGTIC映射图中，校正系数KIGTIC被设定为，随着发动机转速NE变大而逐渐变大。
接着，将在所述步骤2以及3计算出的理想缸内气体温度Tcylth以及缸内气体温度Tcyl、和校正系数KIGTIC应用于下式(17)，由此计算温度爆震校正量DIGTIC(步骤52)，并结束本处理。
【数式17】
DIGTIC＝(Tcylth-Tcyl)×KIGTIC·····(17)
从以上的计算方法可知，温度爆震校正量DIGTIC被设定为，相对于理想缸内气体温度Tcylth，缸内气体温度Tcyl相对越高，则温度爆震校正量DIGTIC越小，即越靠滞后角侧。
返回至图8，在接着所述步骤42的步骤43中，根据EGR率REGRT以及发动机转速NE，检索图12所示的DEGRT映射图，由此计算EGR爆震校正量DEGRT。在该DEGRT映射图中，EGR爆震校正量DEGRT被设定为，EGR率REGRT越大，则EGR爆震校正量DEGRT越大，即越靠提前角侧。
接着，在步骤44中，计算压缩比爆震校正量DCMPR。关于该压缩比爆震校正量DCMPR，首先，根据进气相位CAIN以及排气相位CAEX，检索给定的CMPR表(未图示)，由此计算有效压缩比CMPR。在该CMPR表中，进气相位CAIN的提前角量越大，则有效压缩比CMPR设定得越大。然后，根据所计算出的有效压缩比CMPR以及发动机转速NE，检索图13所示的DCMPR映射图，由此计算压缩比爆震校正量DCMPR。如图13所示，在DCMPR映射图中，压缩比爆震校正量DCMPR被设定为，取“0”以下的值，并且有效压缩比CMPR越增加，则压缩比爆震校正量DCMPR越小，即越靠滞后角侧。
然后，在步骤45中，将在所述步骤41～44分别计算出的基本值IGKNOCKB、温度爆震校正量DIGTIC、EGR爆震校正量DEGRT以及有效压缩比校正量DCMPR应用于下式(18)，由此计算爆震临界点火正时IGKNOCK，并结束本处理。
【数式18】
IGKNOCK＝IGKNOCKB+DIGTIC+DEGRT+DCMPR·····(18)
返回至图7，在接着所述步骤32的步骤33中，判别最佳点火正时IGMBT是否为爆震临界点火正时IGKNOCK以上。在该判别结果为“是”、且最佳点火正时IGMBT被计算出相对于爆震临界点火正时IGKNOCK为相同或靠提前角侧时，为了避免爆震的产生，将基本点火正时IGB设定为爆震临界点火正时(步骤34)。另一方面，在步骤33的判别结果为“否”、且最佳点火正时IGMBT被计算为比爆震临界点火正时IGKNOCK靠滞后角侧时，为了在避免爆震的产生的同时得到发动机1的最大输出，将基本点火正时IGB设定为最佳点火正时IGMBT(步骤35)。
然后，将在上述步骤34或步骤35设定的基本点火正时IGB与例如根据发动机冷却水温TW计算出的校正值IGCR相加，由此计算点火正时IGLOG(步骤36)，并结束本处理。基于如以上这样计算出的点火正时IGLOG，来进行基于火花塞15的点火。
图15示出通过上述的点火正时的计算处理而得到的、EGR率REGRT与爆震临界点火正时IGKNOCK之间的关系。更具体而言，对于进气相位CAIN和排气相位CAEX的相互不同的6个组合(由不同的6个符号表示)，分别将使用缸内气体温度Tcyl、EGR率REGRT进行校正后的爆震临界点火正时IGKNOCK用与EGR率REGRT的关系进行了绘制。如从该图可知的那样，确认了爆震临界点火正时IGKNOCK不依赖于进气相位CAIN以及排气相位CAEX，而与EGR率REGRT具有高相关性。
此外，图16示出通过上述的点火正时的计算处理而得到的、EGR率REGRT与最佳点火正时IGMBT之间的关系。更具体而言，对于与图15的情况同样的进气相位CAIN和排气相位CAEX的相互不同的6个组合(由不同的6个符号表示)，分别将使用EGR率REGRT计算出的最佳点火正时IGMBT用与EGR率REGRT的关系进行了绘制。如从该图可知的那样，确认了最佳点火正时IGMBT也与上述的爆震临界点火正时IGKNOCK同样，不依赖于进气相位CAIN以及排气相位CAEX，而与EGR率REGRT具有高相关性。
如以上那样，根据本实施方式，将存在于比进气管4的节气阀7靠下游侧的位置的、吸入空气与外部EGR气体的混合气体的量计算为SD式吸入空气量GAIRCYLSD，并将混合气体的温度检测为进气歧管气体温度Tain。此外，使用所得到的SD式吸入空气量GAIRCYLSD以及进气歧管气体温度Tain，依次计算缸内气体温度Tcyl、缸内气体量Gact、EGR率REGRT等。由此，在与内部EGR一起执行外部EGR的情况下，能够抑制外部EGR的输送延迟的影响，并且能够高精度地计算缸内气体温度Tcyl、缸内气体量Gact以及EGR率REGRT。此外，能够使用所计算出的EGR率REGRT，适当地计算爆震临界点火正时IGKNOCK以及最佳点火正时IGMBT，适当地控制点火正时IGLOG。
另外，本发明不限定于所说明的实施方式，能够以各种方式实施。例如，实施方式的发动机是不进行增压的自然进气式的发动机，但并不限于此，本发明也能够应用于增压式的发动机。
图17示出这样的增压式发动机的一例。在该发动机中，在进气管4的空气滤清器6与节气阀7之间，从上游侧起依次设置有涡轮增压器17的压缩机17a和中间冷却器18，EGR管13连接于紧挨压缩机17a的上游侧。此外，进气压力传感器24以及进气歧管温度传感器25与图1的发动机同样，配置于节气阀7的下游侧的进气腔4a。其他的结构与图1的发动机相同。
然后，与图1的发动机的情况同样，基于由进气压力传感器24检测出的进气压力PBA和发动机转速NE，来计算作为吸入空气与外部EGR气体的混合气体量的SD式吸入空气量GAIRCYLSD，并通过进气歧管温度传感器25，来检测作为混合气体温度的进气歧管气体温度Tain。此外，使用这些SD式吸入空气量GAIRCYLSD以及进气歧管气体温度Tain，依次计算缸内气体温度Tcyl、缸内气体量Gact、EGR率REGRT等。由此，能够得到与图1的发动机的情况同样的效果。
此外，在实施方式中，对使用EGR率REGRT来控制点火正时IGLOG的例子进行了说明，但并不限于此，本发明也能够用于发动机1的其他控制。
进而，实施方式是将本发明应用于车辆用的汽油发动机的例子，但只要执行内部EGR以及外部EGR，也能够应用于其他的发动机，另外，也能够应用于其他用途的发动机、例如将曲柄轴沿铅垂方向配置的船外机那样的船舶用发动机等。此外，在本发明的主旨的范围内，能够适当变更细微部分的结构。
符号说明
1 内燃机
2 ECU(理想缸内气体量计算单元、理想缸内气体温度计算单元、混合气体量计算单元、内部EGR温度取得单元、内部EGR量计算单元、缸内气体温度计算单元、缸内气体量计算单元、EGR率计算单元、控制单元、存储单元、基本值计算单元、EGR爆震校正量计算单元、温度爆震校正量计算单元、爆震临界点火正时计算单元、最佳点火正时计算单元)
3 阀工作特性可变装置
4 进气管(进气通路)
5 排气管(排气通路)
7 节气阀
22 吸入空气量传感器(吸入空气量检测单元)
24 进气压力传感器(进气压力检测单元)
25 进气歧管温度传感器(混合气体温度检测单元)
27 曲柄角传感器(转速检测单元)
28 进气凸轮角传感器(工作相位取得单元)
29 排气凸轮角传感器(工作相位取得单元)
Gth 理想缸内气体量
Tcylth 理想缸内气体温度
NE 发动机转速
PBA 进气压力
GAIRCYLSD SD式吸入空气量(混合气体量)
Tain 进气歧管气体温度(混合气体温度)
Tex 排气温度(内部EGR温度)
Ginegr 内部EGR量
Tcyl 缸内气体温度
Gact 缸内气体量
Gaircyl 吸入空气量
REGRT EGR率
CAIN 进气相位(进气阀的工作相位)
CAEX 排气相位(排气阀的工作相位)
IGKNOCKB 爆震临界点火正时的基本值
DEGRT EGR爆震校正量
DIGTIC 温度爆震校正量
IGKNOCK 爆震临界点火正时
IGLOG 点火正时
IGMBT 最佳点火正时。

Claims (4)

1.一种内燃机的控制装置，是执行内部EGR和外部EGR的内燃机的控制装置，所述内部EGR经由设置于进气通路的节气阀向气缸内吸入空气，并且使通过进气阀与排气阀的重叠而从排气通路侧向所述进气通路侧逆流的内燃机的排气作为内部EGR气体回流到所述气缸内，所述外部EGR使从所述气缸排出到所述排气通路的排气的一部分作为外部EGR气体回流到所述进气通路，
所述内燃机的控制装置的特征在于，具备：
理想缸内气体量计算单元，其计算在假定为内部EGR气体以及外部EGR气体未回流到所述气缸的理想状态下填充到所述气缸内的缸内气体的量作为理想缸内气体量；
理想缸内气体温度计算单元，其计算所述理想状态下的缸内气体的温度作为理想缸内气体温度；
转速检测单元，其检测所述内燃机的转速；
进气压力检测单元，其检测所述进气通路内的比所述节气阀靠下游侧的压力作为进气压力；
混合气体量计算单元，其基于所述内燃机的转速以及所述进气压力来计算存在于所述进气通路的比所述节气阀靠下游侧且填充到所述气缸内的吸入空气与外部EGR气体的混合气体的量；
混合气体温度检测单元，其检测所述混合气体的温度；
内部EGR温度取得单元，其取得内部EGR温度；
内部EGR量计算单元，其基于所述理想缸内气体量、所述理想缸内气体温度、所述混合气体量、所述混合气体温度以及所述内部EGR温度来计算内部EGR量；
缸内气体温度计算单元，其基于所述理想缸内气体量、所述理想缸内气体温度、所述混合气体温度、所述内部EGR温度以及所述内部EGR量来计算实际填充于所述气缸的缸内气体的温度；
缸内气体量计算单元，其基于所述理想缸内气体量、所述理想缸内气体温度以及所述缸内气体温度来计算所述缸内气体的量；
吸入空气量检测单元，其检测吸入到所述气缸内的吸入空气量；
EGR率计算单元，其基于所述缸内气体量以及所述吸入空气量来计算将所述内部EGR量与外部EGR量合计后的EGR量相对于所述缸内气体量的比率即EGR率；以及
控制单元，其基于所述EGR率来控制所述内燃机。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述内燃机具备阀工作特性可变装置，该阀工作特性可变装置通过变更所述进气阀以及所述排气阀的工作相位来变更内部EGR量，
所述内燃机的控制装置还具备：
存储单元，其存储所述内燃机的转速、所述进气阀及所述排气阀的工作相位与所述理想缸内气体量及所述理想缸内气体温度之间的关系；以及
工作相位取得单元，其取得所述进气阀以及所述排气阀的工作相位，
根据检测出的所述内燃机的转速以及取得的所述进气阀及排气阀的工作相位，基于存储于所述存储单元的关系，所述理想缸内气体量计算单元计算所述理想缸内气体量，所述理想缸内气体温度计算单元计算所述理想缸内气体温度。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述控制单元具有：
基本值计算单元，其计算与所述内燃机中的爆震的产生临界对应的爆震临界点火正时的基本值；
EGR爆震校正量计算单元，其根据所述EGR率来计算EGR爆震校正量；
温度爆震校正量计算单元，其基于所述理想缸内气体温度与所述缸内气体温度之差来计算温度爆震校正量；以及
爆震临界点火正时计算单元，其通过用所述EGR爆震校正量以及所述温度爆震校正量对所述基本值进行校正，从而计算所述爆震临界点火正时，
所述控制单元使用所述爆震临界点火正时来控制点火正时。
4.根据权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述控制单元还具有最佳点火正时计算单元，该最佳点火正时计算单元根据所述EGR率来计算使所述内燃机的输出最大的最佳点火正时，所述控制单元使用所述爆震临界点火正时或所述最佳点火正时中的任一滞后角侧的点火正时来控制所述点火正时。
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