CN1748079A

CN1748079A - 内燃机充气量的运算

Info

Publication number: CN1748079A
Application number: CNA2004800036262A
Authority: CN
Inventors: 不破直秀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP4029739B2; EP1593829A4; KR20050097539A; EP1593829B1; CN100408836C; EP1593829A1; US20060037596A1; US7151994B2; JP2004263571A; DE602004014477D1; WO2004070185A1; KR100814647B1

Abstract

筒内充气量的运算模型(22、24)是基于吸气流量(Ms)求出推算吸气压(Pe)，从该推算吸气压(Pe)求出充气量(Mc)的模型。校正执行部(26)在车辆的运行中根据推算吸气压(Pe)和实测吸气压(Ps)的关系对该运算模型进行校正。

Description

内燃机充气量的运算

技术领域

本发明涉及装载在车辆上的内燃机的充气量的运算技术。

背景技术

作为决定内燃机的充气量的方法，主要有以下两种方法。第一种方法是利用吸气路径中设有的流量传感器(被称为“空气流量计”)所测量的吸气流量的方法。第二种方法是利用吸气路径中设有的压力传感器所测量的压力的方法。另外还提出有利用流量传感器和压力传感器二者，更精确地求出充气量的方法(特开2001-50090号公报)。

但是，流量传感器或压力传感器等的测量器，具有各自的特性有很大不同的情况。另外根据流量传感器或压力传感器的测量值求出充气量时的精度也受到内燃机的结构要素的个体差异的影响。并且，即使在内燃机开始使用时准确地算出了充气量，也有充气量的运算精度因为经年变化而降低的情况。这样，以往不一定能高精度地算出内燃机的充气量。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术，能够比以往更高精度地求出内燃机的充气量。

本发明的一个实施方式的控制装置，是车辆上搭载的内燃机的控制装置，具有：流量传感器，用于测量与所述内燃机的燃烧室连接的吸气路径中的新鲜空气的流量；充气量运算部，根据运算模型对向所述燃烧室填充的充气量进行运算，所述运算模型将所述流量传感器的测量值和所述吸气路径内的压力作为参数而包含；压力传感器，测量所述吸气路径内的压力；以及校正执行部，基于所述流量传感器的测量值和所述压力传感器的测量值对所述运算模型进行校正。

根据该装置，由于基于流量传感器和压力传感器的测量值进行运算模型的校正，因此能够补偿由于内燃机结构要素的个体差异或经年变化而产生的误差。其结果是能够比以往更高精度地求出充气量。

另外，本发明可以以各种方式实现，例如，能够以内燃机的控制装置或方法、充气量的运算装置或方法、具有这些装置的发动机或车辆、用于实现这些装置或方法的功能的计算机程序、存储该计算机程序的存储介质等的方式来实现。

附图说明

图1是表示作为实施例的控制装置的构成的示意图。

图2是表示利用可变阀动机构114调整吸气阀112的开阀/闭阀时序的情况的图。

图3是表示筒内充气量运算部18的结构的框图。

图4是表示吸气配管模型22和吸气阀模型24的一例的说明图。

图5是表示第一实施例的模型的校正顺序的流程图。

图6是表示步骤S4、S5的校正处理的一例的说明图。

图7是表示第二实施例的模型的校正顺序的流程图。

图8是表示由于空气流量计130测量的实测吸气流量Ms的误差所引起的推算吸气压Pe的计算误差的说明图。

具体实施方式

以以下的顺序基于实施例对本发明的实施方式进行说明。

A.装置结构

B.运算模型校正的第一实施例

C.运算模型校正的第二实施例

D.变形例

A.装置结构

图1表示作为本发明一个实施例的控制装置的结构。该控制装置作为控制车辆上装载的汽油发动机100的装置而构成。发动机100具有用于向燃烧室供给空气(新鲜空气)的吸气管110、和用于从燃烧室向外部排气的排气管120。在燃烧室中设有将燃料喷射到燃烧室内的燃料喷射阀101、用于使燃烧室内的混合气体点火的火花塞102、吸气阀112以及排气阀122。

在吸气管110中从上游开始依次设有：用于测量吸气流量的空气流量计130(流量传感器)、用于调整吸气流量的节流阀132以及缓冲箱134。在缓冲箱134中设有温度传感器136(吸气温度传感器)和压力传感器138(吸气压传感器)。缓冲箱134的下游的吸气路径分开于连接在多个燃烧室的多根歧管，但在图1中进行简化，仅表示了一根歧管。在排气管120中设有空燃比传感器126和用于去除排气中的有害成分的催化剂128。另外，空气流量计130或压力传感138也可以设在其他位置。另外，在本实施例中，燃料直接喷射到燃烧室里，但也可以将燃料喷射到吸气管110。

发动机100的吸气动作和排气动作根据吸气阀112和排气阀122的开闭状态进行切换。在吸气阀112和排气阀122中分别设有用于调整其开闭时序的可变阀动机构114、124。这些可变阀动机构114、124改变开阀期间的大小(所谓作用角)和开阀期间的位置(也称为“开阀期间的相位”或者“VVT(Variable Valve Timing，可变阀门正时)位置”)。作为这种可变阀动机构，可以利用例如本申请人提供的特开2001-263015号公报中记载的机构。或者也可以利用使用电磁阀并可以改变作用角和相位的可变阀动机构。

控制单元10控制发动机100的运转。控制单元10构成为内部具有CPU、RAM、ROM的微型计算机。来自各种传感器的信号供给到该控制单元10中。这些传感器除了上述传感器136、138、126之外，还包括爆震传感器104、检测发动机水温的水温传感器106、检测发动机转数的转数传感器108、以及加速度传感器109。

在控制单元10的未图示的存储器中存储有VVT映射12，用于设定吸气阀112开阀期间的相位(即，VVT位置)；和作用角映射14，用于设定吸气阀112的作用角。这些映射用于根据发动机100的转数或负荷、电动机水温等，对可变阀动机构114、124或火花塞102的工作状态进行设定。控制单元10的存储器还存储有用于控制从燃料喷射阀101到燃烧室内的燃料供给量的燃料供给控制部16、和执行用于算出流入燃烧室内的空气量的筒内充气量运算部18的功能的程序。

图2表示利用可变阀动机构114调整吸气阀112的开阀/闭阀时序的情况。在本实施例的可变阀动机构114中，通过改变阀轴的提升量调整开阀期间的大小(作用角)θ。另外，利用可变阀动机构114具有的VVT机构(可变阀门正时机构)调整开阀期间的相位(开阀期间的中心)φ。另外，该可变阀动机构114可以独立地改变吸气阀112的作用角和开阀期间的相位。因此，根据电动机100的运转状态分别将吸气阀112的作用角和开阀期间的相位设定于优选状态。排气阀122用的开变阀机构124也具有同样特性。

B.运算模型校正的第一实施例：

图3是表示筒内充气量运算部18的结构的框图。筒内充气量运算部18包括吸气配管模型22、吸气阀模型24以及校正执行部26。吸气配管模型22是基于空气流量计130的输出信号Ms，求出缓冲箱134的吸气压的推算值Pe(以下称为“推算吸气压”)的模型。吸气阀模型24是基于该推算吸气压Pe求出筒内充气量Mc的模型。此处，所谓“筒内充气量Mc”意味着在燃烧室的一次燃烧循环中导入燃烧室内的空气量。校正执行部26基于压力传感器138所测量的吸气压Ps(称为“实测吸气压”)和吸气配管模型22中得到的推算吸气压Pe，执行吸气阀模型24的校正。

图4表示吸气配管模型22和吸气阀模型24的一个示例。该吸气配管模型22除吸气流量Ms之外，将上次计算时的筒内充气量Mc^#(后述)和吸气温度Ts作为输入，求出推算吸气压Pe。吸气配管模型例如下面的(1)式所示

\frac{{dP}_{e}}{dt} = \frac{{RT}_{s}}{V} (M_{s} - M_{c}) - - - (1)

此处，Pe是推算吸气压，t是时间，R是气体常数，Ts是吸气温度，V是空气流量计130以后的吸气管110的全容积，Ms是空气流量计130测量的吸气流量(摩尔/秒)，Mc是将筒内充气量换算成单位时间的流量(摩尔/秒)的值。对(1)式进行积分，推算吸气压Pe可由(2)式得到。

P_{e} = &Integral; d P_{e}

= &Integral; \frac{{RT}_{s}}{V} (M_{s} - M_{c}) dt

= k \frac{{RT}_{s}}{V} (M_{s} - {M_{c}}^{#}) Δt + {P_{c}}^{#} - - - (2)

此处，k是常数，Δt是执行(2)式的运算的周期。Mc^#是上次运算时的筒内吸气流入量。Pe^#是上次运算时的推算吸气压。由于(2)式右边的值分别是已知的，因此根据(2)式可以对每段一定的时间Δt算出推算吸气压Pe。

另外，吸气温度Ts优选由吸气管110中设有的温度传感器136(图1)进行实际测量，但也可以将测量外部气温的其他温度传感器的测量值用作吸气温度Ts。

吸气阀模型24具有表示推算吸气压Pe和填充效率ηc的关系的映射。即，将从吸气配管模型22得到的推算吸气压Pe输入到吸气阀模型24时，能够得到填充效率ηc。众所周知，填充效率ηc符合(3)式，与筒内充气量Mc成比例。

M_c＝k_c·η_c …(3)

此处，kc是常数。根据运转条件(Nen，θ，φ)准备多个表示推算吸气压Pe和填充效率ηc的关系的映射，根据运转条件选择适当的映射使用。在本实施例中，吸气阀模型24中使用的运转条件由电动机转数Nen、吸气阀112的作用角θ以及相位φ这三个运转参数规定。

图4(B)表示以作用角θ为参数的吸气阀模型24的映射的一个示例。此处，对每个作用角θ设定推算吸气压Pe和填充效率ηc的关系。通过利用这种映射，能够根据推算吸气压Pe求出填充效率ηc。

另外，在吸气阀模型24中，填充效率ηc依存于参数Pe、Nen、θ以及φ，因此，该填充效率ηc如下述(4)式所示是这些参数的函数。

η_c＝η_c(P_e，N_en，θ，φ) …(4)

筒内充气量Mc可以表示为例如下面的(5)式。

M_{c} = k_{c} \cdot η_{c} = \frac{T_{s}}{T_{c}} (k_{a} \cdot P_{e} - k_{b}) - - - (5)

此处，Ts是吸气温度、Tc是筒内气体温度、ka、kb是系数。这些系数ka、kb对应于运转条件分别设定为合适的值。利用(5)式时，可以利用吸气温度Ts或筒内气体温度Tc的测量值或推算值、以及根据运转条件确定的参数ka、kb，从推算吸气压Pe算出填充效率ηc。

可以利用上述(2)式和(5)式运算筒内充气量Mc。此时，首先，根据(2)式的吸气配管模型22求出推算吸气压Pe。此时，可以利用在上次计算时根据(5)式的吸气阀模型24得到的筒内充气量Mc^#的值。并且，利用该推算吸气压Pe，根据(5)式的吸气阀模型24算出这次的筒内充气量Mc(或者填充效率ηc)。

从上述说明可以明白，在本实施例的运算模型中，根据吸气配管模型22进行推算吸气压Pe的运算，利用根据吸气阀模型24的运算结果Mc^#。因此，在吸气阀模型24中产生误差时，推算吸气压Pe的值也产生误差。

然而，吸气阀模型24在利用具有可变阀动机构的吸气阀时，经年变化的可能性很高。其原因之一是，在吸气阀的阀体和燃烧室的吸气口之间的缝隙间附有沉积物，其结果，阀开度和流路阻力的关系变化。这种阀位置上的流路阻力的经年变化尤其在作用角θ(图2)小的运转状态下影响很大。另一方面，在不具有可变阀动机构的一般的吸排气阀(仅进行开/关动作的阀)中，由于不能改变作用角θ，因此这种问题比较少。因此，阀位置上的流路阻力的经年变化在可变阀动机构中是很大的问题。

另外，在可以改变作用角θ的可变阀动机构中具有：如图2所示根据提升量的改变而改变作用角θ的第一类型、和使提升量的最大值维持在一定的值而仅改变作用角θ的第二类型。阀位置上的流路阻力的经年变化在该第一类型的可变阀动机构中尤其显著。

这样，由于电动机的吸气系统的经年变化，会有吸气配管模型22或吸气阀模型24产生误差的情况。另外，也有由于发动机的个体差或传感器130、138的个体差，吸气配管模型22或吸气阀模型24产生误差的情况。因此，在本实施例中，通过在车辆的驾驶中校正这些模型22、24补偿该误差。

图5是表示执行第一实施例的筒内充气量Mc的运算模型的校正的过程的流程图。该过程每隔预定时间反复执行。

在步骤S1中，校正执行部26判断电动机100的运转是否在稳定状态。此处，所谓“稳定状态”是指电动机100的转数和负荷(转矩)分别大致一定。具体来说，在预定时间间隔(例如约3秒)内，电动机的转数和负荷在它们的平均值的±5％范围内时，即可判断为在“稳定状态”中。

不在稳定状态时，图5的过程结束，另一方面，在稳定状态时，执行步骤S2以后的校正处理。在步骤S2中，基于空气流量计130测量的吸气流量Ms(图3)，根据吸气配管模型22求出推算吸气压Pe，将其与压力传感器138中测量的实测吸气压Ps进行比较。并且，在推算吸气压Pe小于实测吸气压Ps的情况下执行步骤S4的校正处理，在推算吸气压Pe超过实测吸气压Ps的情况下执行步骤S5的校正处理。

图6是表示步骤S4、S5的校正处理的一例的说明图。该图表示吸气阀模型24的特性，横轴是吸气压Pe，纵轴是填充效率ηc。在进行校正处理时，由于电动机100处于稳定状态，因此由空气流量计130测量的吸气流量Ms与筒内充气量Mc成比例。因此，填充效率ηc的值可以用空气流量计130所得到的吸气流量Ms除以预定常数而得到。以上述(2)式求出推算吸气压Pe时，由于利用该填充效率ηc(＝Mc/kc)，因此吸气阀模型24的推算吸气压Pe和填充效率ηc的关系在补偿前的初始特性(用实线表示)上。但是，存在实测吸气压Ps与该推测吸气压Pe不一致的情况。因此，在步骤S4、S5中，对吸气阀模型24的特性进行校正，以使推算吸气压Pe和实测吸气压Ps一致。具体来说，如图6的示例所示，在推算吸气压Pe小于实测吸气压Ps的情况下，在步骤S4中，将吸气阀模型24向着使推算吸气压Pe上升的方向进行修正。另一方面，在推算吸气压Pe超过实测吸气压Ps的情况下，在步骤S5中，将吸气阀模型24向着使推算吸气压Pe下降的方向进行修正。另外，在本实施例中，由于吸气阀模型24由上述(5)式表示，因此吸气阀模型24的校正意味着对系数ka、kb进行修正。

在步骤S6中，将这样校正过的吸气阀模型24按照当时的运转条件进行存储。具体来说，(5)式的系数ka、kb对应于执行图5的过程时的运转条件，存储在控制单元10的未图示的非易失性存储器中。由于此后使用校正后的模型，因此可以更高精度地求出筒内充气量Mc。另外，车辆驾驶时，电动机的转数或负荷大多逐渐变化。在这种情况下，如果利用校正后的模型22、24，基于空气流量计130测量的实测吸气流量Ms，可以正确地运算出筒内充气量Mc。

另外，在某运转条件下进行的筒内空气量运算模型的校正内容，也可适用于相对与此类似的其他运转条件的系数ka、kb。例如，筒内空气量运算模型22、24的特性对应于三个运转参数(发动机转数Nen、吸气阀的作用角θ、吸气阀开阀期间的相位φ)所规定的运转条件时，对处于各运转参数的±10％以内的范围的其他运转条件的筒内空气量运算模型的特性，校正相等或大致相等的校正量即可。这样，可以对其他近似的运转条件的筒内空气量运算模型进行适当的校正。

如上所述，在第一实施例中，车辆运转中的发动机大体上处于稳定运转状态时，基于推算吸气压Pe和实测吸气压Ps的比较校正筒内充气量运算模型，因此，可以补偿电动机或传感器等结构部件的个体差、阀位置上的流路阻力的经年变化等引起的误差。其结果，可以对每个车辆提高筒内充气量的测量精度。

C.运算模型校正的第二实施例：

图7是表示在第二实施例中执行筒内充气量Mc的运算模型的校正的过程的流程图。该过程在图5所示的第一实施例的过程的步骤S1和步骤S2之间追加了步骤S10。

在步骤S10中，空气流量计130测量的吸气流量Ms被校正。具体来说，在稳定运转状态中，对空气流量计130进行校正，以使在空燃比传感器126(图1)测量的空燃比与燃料喷射阀101的燃料喷射量以及空气流量计130测量的吸气流量Ms(＝Mc)相适合。步骤S2以后的处理中，利用这样校正后的空气流量计130测量的实测吸气流量Ms，与第一实施例同样地进行筒内充气量模型的校正。

图8表示空气流量计130测量的实测吸气流量Ms的误差所引起的推算吸气压Pe的计算误差。此处，假设发动机处于稳定运转状态，因此空气流量计130的实测吸气流量Ms与筒内充气量Mc(即填充效率ηc)成比例。如图3、图4的说明所示，吸气配管模型22得到的推算吸气压Pe基于该实测吸气流量Ms而决定。因此，实测吸气流量Ms偏离真实值时，推算吸气压Pe会产生误差(偏差)。该推算吸气压Pe的偏差会使通常运转时的筒内充气量Mc的运算误差产生。因此，在第二实施例中，在校正筒内充气量Mc的运算模型之前，对空气流量计130进行校正以得到正确的吸气流量Ms。其结果，可以更高精度地运算筒内充气量Mc。

另外，空气流量计130(一般是吸气流量传感器)的校正也可以基于空燃比传感器126以外的传感器的输出进行。例如，可以基于转矩传感器(未图示)测量的转矩进行吸气流量传感器的校正。

D.变形例：

另外，本发明不限于上述实施例或实施方式，在不超过其主旨范围内可以以各种方式实施。例如可以进行如下变形。

D1.变形例：1

上述各实施例中利用的筒内充气量模型的式(1)～(5)仅是一个例子，可以采取除此之外的各种模型。另外，作为规定对应于筒内充气量模型的运转条件的运转参数，也可以利用除上述三个参数(发动机转数Nen、吸气阀的作用角θ、吸气阀开阀期间的相位φ)之外的其他参数。例如，排气阀的作用角或其开阀期间的相位、运转条件也可以用作运转参数。

D2.变形例：2

在上述实施例中，利用根据空气流量计130的实测吸气流量Ms求出压力传感器138测量的吸气压Ps的推算值Pe，使用由该推算值Pe运算筒内充气量Mc的模型，但也可以利用除此之外的运算模型。即，作为筒内充气量的运算模型，可以利用如下的模型：根据流量传感器测量的流量以外的参数推算吸气路径内的压力，将推算的压力和流量传感器的测量值作为参数运算筒内充气量。

另外，在上述实施例中，根据空气流量计130的实测吸气流量Ms求出压力传感器138测量的吸气压Ps的预测值Pe，基于该压力Ps、Pe而进行运算模型校正，但用除此以外的方法也可以校正运算模型。更一般地说，也可以基于用于测量吸气流量的流量传感器的输出信号、用于测量吸气配管的压力的压力传感器的输出信号，执行筒内充气量的运算模型的校正。这种运算模型的校正优选在发动机处于大致稳定的运转状态时进行，但一般可以在车辆的运行中进行。

D3.变形例：3

本发明不限于具有可变阀动机构的内燃机，也适用于不能改变开阀特性的内燃机。但是，如第一实施例所说明，本发明在具有可变阀动机构的内燃机中效果尤其显著。

本发明可适用于汽油发动机或柴油发动机等各种内燃机的控制装置。

Claims

1.一种控制装置，是车辆上搭载的内燃机的控制装置，其特征在于，具有：

流量传感器，用于测量与所述内燃机的燃烧室连接的吸气路径中的新鲜空气的流量；

充气量运算部，根据运算模型对向所述燃烧室填充的充气量进行运算，所述运算模型将所述流量传感器的测量值和所述吸气路径内的压力作为参数而包含；

压力传感器，测量所述吸气路径内的压力；以及

校正执行部，基于所述流量传感器的测量值和所述压力传感器的测量值对所述运算模型进行校正。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

所述运算模型，是根据所述流量传感器的输出信号预测所述吸气路径内的压力，利用所述预测的压力计算向所述燃烧室填充的充气量的模型，

所述校正执行部进行所述运算模型的校正，使所述预测的压力和所述压力传感器测量的压力一致。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，

所述内燃机具有可以通过改变吸气阀的作用角改变所述吸气阀的位置上的流路阻力的可变阀动机构，

根据由包括所述吸气阀的作用角的多个运转参数规定的运转条件，分别设定所述运算模型中的所述吸气路径内的压力和所述充气量的关系。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，

所述校正执行部，通过执行所述运算模型的校正，对与所述吸气阀的作用角的大小和所述吸气阀位置上的流路阻力的关系相关而产生的误差进行补偿。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的控制装置，其特征在于，还具有：

燃料供给控制部，用于控制流入所述燃烧室内的燃料的供给量；和

空燃比传感器，设在与所述燃烧室连接的排气路径上，

所述校正执行部可以根据所述测量的空燃比对所述流量传感器进行校正，以使所述空燃比传感器测量的空燃比、所述燃料供给控制部设定的燃料供给量、和根据所述流量传感器的输出信号而决定的所述充气量相适合，在所述流量传感器的校正之后执行所述运算模型的校正。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的控制装置，其特征在于，

所述校正执行部在所述内燃机的转数和负荷分别大致一定的期间内执行所述校正。

7.一种方法，用于运算车辆上搭载的内燃机的充气量，其特征在于，具有：

(a)准备用于测量与所述内燃机的燃烧室连接的吸气路径中的新鲜空气的流量的流量传感器、和用于测量所述吸气路径内的压力的压力传感器的工序；

(b)根据将所述流量传感器的测量值和所述吸气路径内的压力作为参数而包含的运算模型，对向所述燃烧室填充的充气量进行运算的工序；以及

(c)基于所述流量传感器的测量值和所述压力传感器的测量值对所述运算模型进行校正的工序。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述演算模型是根据所述流量传感器的输出信号预测所述吸气路径内的压力，利用所述预测的压力计算向所述燃烧室填充的充气量的模型，

所述工序(c)进行所述运算模型的校正，以使所述预测的压力和所述压力传感器测量的压力一致。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

根据由包括所述吸气阀的作用角的多个运转参数规定的运转条件分别设定所述运算模型中的所述吸气路径内的压力和所述充气量的关系。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述工序(c)，通过执行所述运算模型的校正，对与所述吸气阀的作用角的大小和所述吸气阀位置上的流路阻力的关系相关而产生的误差进行补偿。

11.根据权利要求7至10的任一项所述的方法，其特征在于，

所述内燃机还具有：

空燃比传感器，设在与所述燃烧室连接的排气路径上，

所述工序(c)包括：根据所述测量的空燃比对所述流量传感器进行校正，以使所述空燃比传感器测量的空燃比、所述燃料供给控制部设定的燃料供给量、和根据所述流量传感器的输出信号而决定的所述充气量相适合的工序；以及

在所述流量传感器的校正之后执行所述运算模型的校正的工序。

12.根据权利要求7至11的任一项所述的方法，其特征在于，

在所述内燃机的转数和负荷分别大致一定的期间内执行所述工序(c)的所述校正。