CN1823217A - 内燃机的控制装置和内燃机的进气量计算方法 - Google Patents

Abstract

内燃机(1)通过在每个燃烧室(3)燃烧燃料和空气的混合物来产生动力。该内燃机(1)具有设置在燃烧室(3)内的气缸内压力传感器(15)和ECU(20)。该ECU(20)计算控制参数，其中每个控制参数是从进气阀(Vi)的打开时间到关闭时间的期间内在规定两点处，由气缸内压力传感器(15)检测出的气缸内压力和检测出气缸内压力时的气缸内容积的规定指数幂值的乘积，并且基于该两个规定点之间的控制参数的差分计算吸入到每个燃烧室(3)的空气量。

Description

内燃机的控制装置和内燃机的进气量计算方法

技术领域

本发明涉及内燃机的控制装置和内燃机的进气量计算方法，该内燃机可通过在气缸内燃烧燃料和气体的混合物来产生动力。

背景技术

以往，专利文献1公开了一种内燃机的控制装置，其基于压缩行程期间在两点处检测到的气缸内压力来计算吸入到气缸内的空气量。该内燃机的控制装置求出在压缩行程期间的点火时间之前的两点处检测到的气缸内压力之间的偏差，并且根据该所求出的偏差从预先准备的图(表)中读出空气量。并且，该控制装置向气缸内喷射与上述求出的空气量相对应的量的燃料。

然而，不易制成图，来高精度地规定进气量与在压缩行程期间的点火时间之前的两点处检测到的气缸内压力偏差之间的关系。因此，在现有的内燃机中难以精确获得进气量。

专利文献1：日本专利申请公开9-53503号(1997)

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在较小的负荷下精确计算吸入到气缸内的空气量的有效的内燃机的控制装置和内燃机的进气量计算方法。

根据本发明的内燃机的控制装置，其特征在于，是一种通过使燃料以及空气的混合气在气缸内燃烧而产生动力的内燃机的控制装置，包括：气缸内压力检测装置；运算装置，其根据由所述气缸内压力检测装置所检测出的气缸内压力与检测出该气缸内压力时的气缸内容积计算出控制参数；以及进气量运算装置，其基于运算装置在进气行程的至少两点处计算出的控制参数来计算吸入气缸内的空气量。

优选控制参数包括通过气缸内压力检测装置检测到的气缸内压力与检测该气缸内压力时的气缸内容积的规定指数幂值的乘积。

优选进气量运算装置基于上述两点之间的控制参数的差分来计算吸入到气缸内的空气量。

进一步优选，进气量运算装置基于上述两点之间的控制参数的差分和传递到缸壁上的热能来计算吸入到气缸内的空气量。

此外，优选计算出控制参数的两点是根据进气阀的开/闭时间进行设置的。

根据本发明的内燃机的进气量计算方法，其特征在于，是一种通过在气缸内燃烧燃料和空气的混合物来产生动力的内燃机的进气量计算方法，包括下述步骤：

(a)检测气缸内压力；

(b)基于在步骤(a)中检测到的气缸内压力，以及检测该气缸内压力时的气缸内容积来计算控制参数；以及

(c)基于在进气行程期间的至少两个点处计算出的控制参数来计算吸入到气缸内的空气量。

优选控制参数包括在步骤(a)中检测到的气缸内压力与检测该气缸内压力时的气缸内容积的规定指数幂值的乘积。

优选步骤(c)基于上述两点之间的控制参数的差分来计算吸入到气缸内的空气量。

优选步骤(c)基于上述两点之间的控制参数的差分和传递到缸壁上的热能来计算吸入到气缸内的空气量。

优选根据本发明的内燃机的计算进气量的方法进一步包括根据进气阀的开/闭时间改变计算控制参数的两点的步骤。

附图说明

图1为表示本发明中采用的控制参数PV^k与燃烧室内的放热量之间的关系的曲线图；

图2为表示燃烧室内的放热量与控制参数PV^k之间的关系的曲线图；

图3为根据本发明的内燃机的结构简图；

图4为用于说明计算吸入到图3中的内燃机的每个燃烧室的空气量的过程的流程图。

具体实施方式

本发明人致力于研究通过在运算负荷减少的情况下精确求出吸入到气缸内的空气量，来实现最佳的内燃机控制。结果，本发明人重点集中在基于通过气缸内检测装置检测到的气缸内压力和检测气缸内压力时的气缸内容积而计算出的控制参数上。更具体的说，当将气缸内压力检测装置所检测出的气缸内压力在曲柄转角θ处设定为P(θ)，将在曲柄转角θ时的气缸内容积设定为V(θ)，将比热容比设定为k时，发明人重点集中在控制参数P(θ)·V^k(θ)(后面适当地称为PV^k)，该控制参数是由气缸内压力P(θ)与气缸内容积V(θ)以比热容比k(规定的指数)进行乘方的幂值V^k(θ)相乘而得到的。此外，本发明人发现，内燃机气缸内产生的热量Q相对于曲柄转角的改变模式和控制参数PV^k相对于曲柄转角的改变模式之间存在图1所示的关系。需要指出的是，在图1中，-360°，0°和360°分别对应于上止点，-180°和180°分别对应于下止点。

在图1中，通过标绘控制参数PV^k生成实线，每个PV^k值都是每隔规定的微小曲柄转角检测到的规定的模型气缸内的气缸内压力与检测出该气缸内压力时的气缸内容积V(θ)以规定的比热容比k进行乘方的幂值的乘积。此外，在图1中，虚线是基于以下表达式(1)如Q＝∫dQ，通过计算和标绘模型气缸内产生的热量Q而得到的。需要指出的是，为了简化在任何情况下都设定成k＝1.32。

表达式1

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{d\θ}}=\{\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{d\θ}}V+k\·p\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\θ}}\}\·\frac{1}{k-1}---\left(1\right)$

从图1所示的结果可知，放热量Q相对于曲柄转角的改变模式与控制参数PV^k相对于曲柄转角的改变模式基本相同(相似)。而且，本发明人重点集中在进气行程期间、也就是在进气阀打开时至进气阀关闭时的期间放热量Q与控制参数PV^k之间的关系。如图2所示，在进气阀打开时至进气阀关闭时的期间(在图2中的例子中曲柄转角的范围为从-353°至-127°)，控制参数PV^k相对于放热量Q大致成比例地增加。

在此，在进气阀打开时至进气阀关闭时的期间吸入到气缸内的空气的能量与进气量成比例。并且可以根据在进气行程期间的至少两点之间的放热量Q的改变量求出吸入到气缸内的空气的能量，例如在进气阀打开时和进气阀关闭时。因此，通过采用本发明人发现的气缸内的放热量Q与控制参数PV^k之间的关系，可以根据控制参数PV^k精确计算出吸入到气缸内的空气量，而不需要高负荷的计算过程，其中所述控制参数PV^k是基于气缸内压力检测装置检测出的气缸内压力和检测气缸内压力时的气缸内容积计算出的。

在这种情况下，优选基于上述两点之间的控制参数PV^k的差分计算吸入到规定气缸内的空气量。如上所述，本发明人重点注意的控制参数PV^k反映出内燃机的气缸内的放热量Q。同时，进气行程期间的两个规定点之间的控制参数PV^k的差分表示出该两点之间的气缸内的放热量，也就是说，在上述两点之间吸入到气缸内的空气的能量，并且能够用极小的计算负荷进行计算。因此，利用进气行程期间的两点之间的控制参数PV^k的差分，可以精确地计算出进气量并大大降低计算负荷。

优选基于上述两点之间的控制参数PV^k的差分和传递到缸壁上的热能计算出吸入到气缸内的空气量。这样，考虑到传递到缸壁上的热能来修正基于控制参数PV^k的差分计算出的进气量，因此，可以进一步提高进气量的计算精度。

进一步，优选计算出控制参数PV^k的两点是根据进气阀的开/闭时间而设定的。由此，在具有所谓可变气门正时机构的内燃机中，也可以根据控制参数精确地计算出吸入到气缸内的空气量。

下面，参照附图具体说明用于实施本发明的最佳方式。

图3是表示根据本发明的内燃机的结构简图。图3中的内燃机1在形成于气缸体2中的燃烧室3的内部燃烧燃料和空气的混合物，并且使活塞4在燃烧室3内往复移动以产生动力。内燃机1优选构成多缸发动机，例如，本实施例中的内燃机1构成四缸发动机。

每个燃烧室3中的进气口分别连接到进气管(进气岐管)5上，并且每个燃烧室3的排气口分别连接到排气管(排气岐管)6上。此外，每个燃烧室3的进气阀Vi和排气阀Ve设置在内燃机1的气缸盖上，每个进气阀Vi开/闭对应的进气口，并且每个排气阀Ve开/闭对应的排气口。例如，每个进气阀Vi和每个排气阀Ve可通过具有可变气门正时功能的阀动机构(未示出)进行操作。而且，内燃机1具有火花塞7，火花塞的数量与气缸的数量一致，火花塞7设置在气缸盖上，以朝向对应的燃烧室3。

如图3所示，进气管5连接到稳压罐8上。供气管道L1连接到稳压罐8上并且通过空气滤清器9连接到空气入口(未示出)上。节气门10(在本实施例中的电控节气门)结合在空气供给管道L1的中途(在稳压罐8和空气滤清器9之间)。另一方面，如图3所示，含有三效催化剂的前段催化剂装置11a和含有NO_x吸留还原催化剂的后催化剂装置11b连接到排气管6上。

进一步，内燃机1具有多个喷射器12，如图3所示，每个喷射器12设置在气缸盖上，以朝向对应的燃烧室3。并且，内燃机1的每个活塞4构成深盘顶面形(deep-dish top)，并且其上表面具有凹部4a。此外，在内燃机中，在将空气吸入各燃烧室3内的状态下，燃料例如汽油从每个喷射器12中直接向活塞4的凹部4a喷射。因此，在内燃机1中，由于在火花塞7的附近，在与周围空气层分离的状态下形成燃料和空气的混合气的层(分层)，因此可以利用极为稀薄的混合形成稳定的分层燃烧。另外，需要指出的是，虽然本实施例的内燃机1被解释为所谓直喷式发动机，但是不限于此，当然也可以应用到进气歧管(进气口)喷射式的内燃机中。

上述各个火花塞7、节气门、各个喷射器12以及阀动机构等，都电连接到ECU20上，该ECU20作为内燃机1的控制装置而发挥作用。该ECU20包括CPU、ROM、RAM、输入输出口以及存储装置等(均未示出)。如图3所示，包括内燃机1的曲柄转角传感器14的各种传感器电连接到ECU20上。ECU20利用存储在存储装置中的各种图并且基于各种传感器的检测值等控制火花塞7、节气门10、喷射器12、阀动机构等，以实现所需的输出。

此外，内燃机1具有与气缸数量一致的气缸内压力传感器15(气缸内压力检测装置)，该气缸内压力传感器15具有半导体元件、压电元件或光纤检测元件等。每个气缸内压力传感器15以受压面朝向对应的燃烧室3内的方式设置在气缸盖上，并且电连接到ECU20上。每个气缸内压力传感器15检测对应的燃烧室3的气缸内压力，并将表示检测值的信号提供给ECU20。进一步，内燃机1具有检测稳压罐8内的气体温度的温度传感器16。温度传感器16电连接到ECU20上，并且将表示检测到的稳压罐8内的气体温度的信号提供给ECU20。

接着，参照图4说明吸入到内燃机1的每个燃烧室3的空气量的计算过程。

当内燃机1起动时，如图4所示，ECU20基于各种传感器的检测值，获得内燃机1的运行条件例如发动机转速(步骤10)。进一步，当ECU20获得内燃机1的发动机转速等运行条件时，ECU20确定曲柄转角θ1和曲柄转角θ2(注意θ1＜θ2)，上述曲柄转角决定了为计算吸入到每个燃烧室3中的空气量所需的气缸内压力的检测时间(步骤12)。在本实施例中，曲柄转角成为θ1的第一时间，与进气阀Vi打开的时间相一致，并且曲柄转角成为θ2的第二时间与进气阀Vi关闭的时间相一致。

在此，在本实施例的内燃机1中，例如对应发动机转速等运行条件，由阀动机构改变进气阀Vi的开/闭时间。因此，在步骤12中，ECU20获得与发动机运行条件对应的由阀动机构产生的进气阀Vi的提前量，并且基于所获得的提前量和进气阀的基本开/闭时间来确定规定气缸内压力的检测时间的曲柄转角θ1和θ2。因此，优选检测出气缸内压力的第一时间和第二时间、即计算出控制参数PV^k的两点，是根据进气阀Vi的开/闭时间而设定的。因而，可以基于具有可变气门正时机构的内燃机1的控制参数PV^k来精确计算出吸入到各个燃烧室3内的空气量。

此后，ECU20基于加速踏板位置传感器(未示出)等输出的信号确定内燃机1的目标扭矩，并且利用预先准备的图等设定与目标扭矩对应的进气量(节气门10的开度)和从各个喷射器12喷出的燃料喷射量(燃料喷射时间)。进一步，ECU20控制节气门10的开度，并且，例如在进气行程期间，从各个喷射器12中喷出的确定量的燃料。此外，ECU根据点火控制用的底图，由各个火花塞7实施点火。

而且，ECU20基于曲柄转角传感器14输出的信号监控内燃机1的曲柄转角。并且，当曲柄转角变为步骤S12中所设定的θ1(第一时间)时，ECU20基于气缸内压力传感器15所输出的信号，获得每个燃烧室3的气缸内压力P(θ1)(步骤S14)。进一步，ECU20计算出各个燃烧室3的控制参数P(θ1)·V^k(θ1)，该控制参数是所求出的气缸内压力P(θ1)和检测出气缸内压力P(θ1)时、即曲柄转角成为(θ1)时气缸内容积V(θ1)以比热容比k(在本实施例中k＝1.32)进行乘方的值的乘积，并且将所计算出的控制参数P(θ1)·V^k(θ1)存储在RAM的规定存储区域(步骤S16)。

在步骤S16的处理之后，当曲柄转角变为步骤S12中设定的值θ2(第二时间)时，ECU20基于气缸内压力传感器15的信号，获得在各个燃烧室3的气缸内压力P(θ2)(步骤S 18)。进一步，ECU20计算出各个燃烧室3的控制参数P(θ2)·V^k(θ2)，该控制参数是所获得的气缸内压力P(θ2)和检测出气缸内压力P(θ2)时、即曲柄转角变成(θ2)时气缸内容积V(θ2)以比热容比k(在本实施例中k＝1.32)进行乘方的值的乘积，并且将所计算出的控制参数P(θ2)·V^k(θ2)存储在RAM的规定存储区域(步骤S20)。

如上所述，当求出控制参数P(θ1)·V^k(θ1)和P(θ2)·V^k(θ2)时，ECU20如下计算出在各个燃烧室3的第一时间和第二时间之间的控制参数PV^k的差分，

ΔPV^k＝P(θ2)·V^k(θ2)-P(θ1)·V^k(θ1)

并且将所计算出的差分存储在RAM的规定存储区域(步骤S22)。

在此，如上所述，控制参数PV^k大致与内燃机1中的各个燃烧室3内的放热量Q成比例(参见图2)，并且在进气行程期间的两点之间、也就是在第一时间(进气阀的打开时间)和第二时间(进气阀的关闭时间)之间的控制参数PV^k的差分ΔPV^k，与曲柄转角为θ1的第一时间和曲柄转角为θ2的第二时间之间各个燃烧室3中的放热量、也就是在从进气阀Vi打开到进气阀Vi关闭的期间，吸入到各个燃烧室3的空气的能量成比例。并且，从进气阀Vi打开到进气阀Vi关闭的期间吸入到各个燃烧室3内的空气的能量与进气量成比例。

因此，吸入到各个燃烧室3的空气的量Mc，可以根据下面的公式2进行计算，此时，设差分ΔPV^k相对于放热量Q的比例常数为α。

公式2

$\mathrm{Mc}=\frac{\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{PV}}^k-Q_w}{\frac{k}{k-1}{\mathrm{RT}}_{\mathrm{in}}}---\left(2\right)$

其中，Qw为传递到缸壁上的热能，k为比热容比(例如在本实施例中k＝1.32)，R为气体常数，T_in为进气的温度。

如图4所示，ECU20按照上述公式(2)，计算出进气阀打开时吸入到每个燃烧室3内的空气量，利用在步骤S22中求出的第一和第二时间之间的控制参数PV^k的差分ΔPV^k、通过温度传感器16检测出的进气(稳压罐8内的空气)的温度以及从规定图中读出的传递到缸壁上的热能Qw(步骤S24)。

因此，通过利用每个燃烧室3中的放热量Q与控制参数PV^k之间的相互关系，不需要高负荷的计算处理即可根据控制参数PV^k精确地计算出吸入到气缸内的空气量，其中，所述控制参数PV^k是基于气缸内压力传感器15检测出的气缸内压力和检测气缸内压力时的气缸内容积而计算出的。

并且，ECU20通过采用上述计算出的进入各个燃烧室3中的进气量Mc，可以实施内燃机1的空燃比控制等。因此，在本实施例的内燃机1中，可以在较低的计算负荷下简单实施高精度的发动机控制。具体而言，由于进气量是基于内燃机1的进气行程期间的两点之间的控制参数PV^k的差分ΔPV^k而计算出的，所以在基于压缩行程期间的两点处的气缸内压力来获得进气量的情况下，可以可靠防止燃料喷射时间的延迟导致不良燃烧的缺点。

进一步，根据本实施例，在根据上述表达式(2)计算出进气量的情况下，可以根据传递到缸壁上的热能Qw修正基于控制参数PV^k中的差分ΔPV^k而计算出的进气量。由此，在本实施例中，可以进一步提高进气量Mc的计算精度。另外，用于求出传递到缸壁上的热能Qw的图是预先准备的，用以规定热能Qw、进气温度以及缸壁温度等之间的关系。ECU20基于温度传感器16的检测值或温度传感器(未示出)检测到的缸壁温度等，从该图中读出传递到缸壁上的热能Qw。

本发明可以有效实现一种内燃机的控制装置和进气量的计算方法，其能够在较低计算负荷下有效地精确计算出吸入到气缸内的空气量。

Claims (10)

1.一种使燃料以及空气的混合气在气缸内燃烧而产生动力的内燃机的控制装置，其特征在于，包括：

气缸内压力检测装置；

运算装置，其根据由所述气缸内压力检测装置所检测出的气缸内压力与检测出该气缸内压力时的气缸内容积计算出控制参数；和

吸入空气量运算装置，其根据由所述运算装置针对吸气行程中的至少2点而计算出的所述控制参数，计算出吸入到所述气缸内的空气量。

2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述控制参数是所述气缸内压力检测装置所检测出的气缸内压力与检测出该气缸内压力时的气缸内容积的规定指数幂值之积。

3.如权利要求2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述吸入空气量运算装置，根据所述2点间的所述控制参数的差分计算出吸入到所述气缸内的空气量。

4.如权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述吸入空气量运算装置，根据所述2点间的所述控制参数的差分和传递到气缸壁部的热能计算出吸入到所述气缸内的空气量。

5.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，计算出所述控制参数的所述2点是根据吸气阀的开闭时间而设定的。

6.一种使燃料以及空气的混合气在气缸内燃烧而产生动力的内燃机的吸入空气量计算方法，其包括下述步骤：

(a)检测气缸内压力的步骤；

(b)根据在步骤(a)中检测出的气缸内压力和检测出该气缸内压力时的气缸内容积计算出控制参数的步骤；以及

(c)根据针对吸气行程中的至少2点而计算出的所述控制参数，计算出吸入到所述气缸内的空气量的步骤。

7.如权利要求6所述的内燃机的吸入空气量计算方法，其特征在于，所述控制参数是在步骤(a)中检测出的气缸内压力与检测出该气缸内压力时的气缸内容积的规定指数幂值之积。

8.如权利要求7所述的内燃机的吸入空气量计算方法，其特征在于，步骤(c)包括根据所述2点间的所述控制参数的差分计算出吸入到所述气缸内的空气量。

9.如权利要求8所述的内燃机的吸入空气量计算方法，其特征在于，步骤(c)包括根据所述2点间的所述控制参数的差分和传递到气缸壁部的热能计算出吸入到所述气缸内的空气量。

10.如权利要求6所述的内燃机的吸入空气量计算方法，其特征在于，还包括根据吸气阀的开闭时间改变计算出所述控制参数的所述2点的步骤。

Images