本发明涉及一种用于内燃机的控制装置和一种用于内燃机的控制方法。
背景技术
在设置有涡轮增压器的内燃机中，由于涡轮增压器，进气压力可能变得高于排气压力，并且在重叠时段中可能发生空气从进气侧通过气缸的内部吹送到排气侧的所谓的扫气，在该重叠时段中进气门和排气门两者都是打开的(以下称为重叠时段)。例如，存在如下技术：设置检测气缸内的压力的气缸内压力传感器，基于气缸内压力传感器估计进气压力和排气压力，并且预测将在进气压力比排气压力大的情况下发生扫气(例如，参照日本未审专利申请公报no.2012-149552(jp2012-149552a))。
技术实现要素：
然而，在设置气缸内压力传感器时，存在内燃机的制造成本的增大的可能性。因此，希望用与现有技术中的方法不同的方法准确地预测是否将发生扫气。
本发明提供一种用于内燃机的控制装置和一种用于内燃机的控制方法，利用该控制装置和该控制方法，能够以与现有技术中的方法不同的方法准确地预测是否将发生扫气。
本发明的第一方面涉及一种用于内燃机的控制装置。内燃机设置有涡轮增压器。控制装置包括电子控制单元。电子控制单元被构造成：预测在内燃机的气缸的进气门和排气门两者都打开的重叠时段被设定为第一时段的情况中作为被吸入内燃机中的空气量的第一进气量，预测在排气门的气门正时被提前的情形下所述重叠时段被设定为第二时段的情况中作为被吸入内燃机中的空气量的第二进气量，其中第二时段比第一时段短，在第一进气量大于第二进气量的情况中，预测在所述重叠时段中将发生扫气，在所述扫气中，空气从进气门侧通过气缸的内部吹送到排气门侧，并且在第一进气量等于或小于第二进气量的情况中，预测将不会发生所述扫气。
表达“第一进气量大于第二进气量的情况”是指当重叠时段变长时进气量也增加的情况。在此，认为重叠时段中的进气量是作为引入气缸中的空气量的气缸内空气量与作为由于扫气而流动的空气的流量的扫气流量的总和。在此，即使在排气门的气门正时变化而使得重叠时段变化的情况下，也认为气缸内空气量不变。即使当排气门的气门正时改变并且重叠时段延长时，由于气缸内空气量不变，因此进气量的增加对应于扫气流量的增加。因此，在第一进气量大于第二进气量的情况下，能够预测将发生扫气。表达“第一进气量等于或小于第二进气量的情况”是指在重叠时段变得更长时进气量减少的情况，以及空气流在与扫气时的空气流动方向相反的方向上流动，即，在重叠时段期间产生内部排气再循环(egr)的情况。因此，在第一进气量等于或小于第二进气量的情况下，能够预测将不会发生扫气。如上所述，能够用与现有技术中的方法不同的方法准确地预测是否将发生扫气。
在根据本发明的第一方面的控制装置中，内燃机可以进一步设置有可变气门机构，该可变气门机构被构造成根据内燃机的运转状态改变重叠时段，并且电子控制单元可以被构造成：在电子控制单元预测将不会发生扫气的情况中将重叠时段限制为等于或低于上限值的值，并且在电子控制单元预测将发生扫气的情况中去除基于上限值的对于重叠时段的限制。
本发明的第二方面涉及一种用于内燃机的控制方法。该内燃机设置有涡轮增压器。该控制方法包括：使电子控制单元预测在内燃机的气缸的进气门和排气门两者都打开的重叠时段被设定为第一时段的情况中作为被吸入内燃机中的空气量的第一进气量；使电子控制单元预测在排气门的气门正时被提前的情形下重叠时段被设定为第二时段的情况中作为被吸入内燃机中的空气量的第二进气量，其中第二时段比第一时段短；在第一进气量大于第二进气量的情况中，使电子控制单元预测在重叠时段中将发生扫气，在所述扫气中，空气进气门侧通过气缸的内部吹送到排气门侧；并且在第一进气量等于或小于第二进气量的情况中，使电子控制单元预测将不会发生扫气。
在根据本发明的第二方面的控制方法中，内燃机可以进一步设置有可变气门机构，该可变气门机被构造成根据内燃机的运转状态改变重叠时段。所述控制方法可以进一步包括：在电子控制单元预测将不会发生扫气的情况中，使电子控制单元将重叠时段限制为等于或低于上限值的值；并且在电子控制单元预测将发生扫气的情况中，使电子控制单元去除基于上限值的对于重叠时段的限制。
根据本发明的方面，能够提供一种用于内燃机的控制装置以及一种用于内燃机的控制方法，利用该控制装置和该控制方法，能够以与现有技术中的方法不同的方法准确地预测是否将发生扫气。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1是发动机系统的示意构造视图；
图2a是示出与曲柄角对应的进气门和排气门的气门正时的曲线图；
图2b是示出在扫气期间空气流动的方式的说明图；
图2c是示出在内部egr期间排气流动的方式的说明图；
图3是示出在进气压力与进气量之间的关系的曲线图；
图4是示出由ecu执行的扫气预测控制的示例的流程图；并且
图5是示出第一进气量和第二进气量以及扫气发生标志的时序图。
具体实施方式
图1是发动机系统1的示意构造图。发动机系统1包括发动机10的控制装置。作为控制装置，设置了排气可变气门正时(vvt)机构28、电子控制单元(ecu)40等等。发动机10是设置有涡轮增压器23的发动机。涡轮增压器23将在后面描述。发动机10在气缸体中设置有多个气缸11(图1中仅示出一个气缸)。设置在每个气缸11中的活塞12经由连接杆14连接到曲轴13，并且活塞12的往复运动经由连接杆14转换成曲轴13的旋转运动。气缸盖附接到气缸体的上部，并且在气缸盖和活塞12的上端之间形成燃烧室15，在燃烧室15中设置火花塞16。进气管19和排气管20分别连接到为每个燃烧室15设置的进气口17和排气口18。
在进气管19中，空气流量计21、节气门22和涡轮增压器23的压缩机23a在从进气管19中的上游侧以该次序布置时被设置。节气门22被打开的程度通过节气门致动器24改变，使得吸入燃烧室15中的空气量被调节。进气管19在设置在节气门22的在进气流动方向上的下游的进气歧管中分支，并且进气管19经由进气管19分支的部分连接至每个燃烧室15。在进气管19中，设置相对于进气喷射燃料的喷射器25。
排气管20设置有涡轮增压器23的排气涡轮23b，并且由于在每个气缸中的燃烧室15中的燃烧而产生的排气通过排气歧管被引入到涡轮增压器23的排气涡轮23b中。当排气涡轮23b通过引入的排气操作时，进气管19侧上的压缩机23a根据被操作的排气涡轮23b而操作，并且空气在进气管19侧上被压缩。由于空气压缩，进气管19中的压力即进气压力增加，并且由于压力，燃烧室15被足够地填充空气。
排气管20设置有绕过排气涡轮23b的旁通路径33，并且旁通路径33设置有废气门阀34。废气门阀34具有调节涡轮增压器23的增压压力的功能。废气门阀34是例如包括能够打开和关闭的外部致动器的阀机构，诸如电驱动阀、真空泵操作负压调节阀等。涡轮增压器23是涡轮增压器。然而，代替涡轮增压器，可以提供增压器。
发动机10设置有进气门26和排气门27，进气门26和排气门27分别打开和关闭进气口17和排气口18，进气口17和排气口18分别连接到进气管19和排气管20。进气门26和排气门27根据与曲轴13驱动联接的进气侧凸轮轴和排气侧凸轮轴的旋转被操作以打开和关闭。因此，进气门26和排气门27中的每一个被操作以与曲轴13的旋转同步地(即，对应于每个活塞12的往复运动)在预定的正时打开和关闭。发动机10设置有作为可变气门机构的排气vvt机构28，该排气vvt机构28可变地设定排气门27打开或关闭的气门正时。将在后面详细地描述排气vvt机构28。
发动机系统1设置有各种传感器。具体地，各种传感器是曲柄角传感器30，凸轮角度传感器31a，31b，加速器踏板操作量传感器31c，大气压力传感器31d，空气流量计21，节气门开度传感器32等。来自传感器的检测信号被输入到执行发动机10中的各种控制的电子控制单元(ecu)40。
ecu40设置有中央处理单元(cpu)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、存储装置等。ecu40通过执行存储在rom或存储装置中的程序来控制发动机10。ecu40执行将在以后描述的扫气预测控制。扫气预测控制在功能上由cpu、rom和ram实现。在下文中，为了方便起见，由ecu40执行的扫气预测控制的功能将被称为第一预测单元和第二预测单元、扫气预测单元和控制器。稍后将描述细节。
ecu40基于来自各种传感器的检测信号执行预定计算。例如，基于来自曲柄角传感器30的检测信号，计算曲轴13的旋转相位，即曲柄角，并且计算发动机10的旋转速度。基于来自凸轮角度传感器31a、31b的检测信号，计算进气侧凸轮轴和排气侧凸轮轴的旋转相位，即凸轮角度。基于来自加速器踏板操作量传感器31c的检测信号，计算由驾驶员操作的加速器踏板的操作量。基于来自大气压力传感器31d的检测信号，计算安装发动机系统1的车辆周围的大气压力。基于来自空气流量计21的检测信号，计算进气量。基于来自进气压力传感器31e的检测信号，计算作为进气管19中的压力的进气压力。
将描述排气vvt机构28。排气vvt机构28借助于例如液压改变排气侧凸轮轴相对于曲轴13的旋转相位，使得排气门27的气门正时连续地变化。因此，排气门27的相位角度提前或延迟，使得排气门27的气门正时改变。当排气门27的气门正时改变时，进气门26和排气门27两者都打开的重叠时段也改变。
图2a是示出与曲柄角对应的进气门26和排气门27的气门正时的曲线图。在图2a中，竖直轴表示气门升程量，并且水平轴表示曲柄角。如在图2a中所示，当排气门27的气门正时提前时，重叠时段缩短。ecu40根据基于各种传感器计算出的发动机10的运转状态来计算重叠时段的目标值，并且借助于排气vvt机构28控制排气门27的气门正时，使得实际重叠时段成为目标值。
将描述扫气。在设置有涡轮增压器23的发动机10中，在涡轮增压区域中，进气压力变得高于排气压力。在这种情况下，在重叠时段期间，可能发生所谓的扫气，在扫气中空气从进气管19侧通过气缸11的燃烧室15吹送到排气管20。图2b是示出在扫气期间空气流动的方式的说明图。当在扫气期间吹过气缸11的空气量(在下文中，称为扫气量)增加时，流入到排气涡轮23b中的气体的总量增加，并且由于排气涡轮23b的旋转速度的增加而由压缩机23a执行的空气的涡轮增压被加速，使得与现有技术相比，涡轮增压响应性进一步改善。由于引入到气缸11中的新鲜空气量也增加，所以发动机10的输出扭矩被改善。
同时，在自然吸气区域(na区域)中，进气压力变得低于排气压力。在这种情况下，在重叠时段期间，新鲜空气从进气管19被引入到燃烧室15中，但是也发生将排气的一部分从排气管20引入到燃烧室15中的内部egr。图2c是示出在内部egr期间排气流动的方式的说明图。
图3是示出进气压力与进气量之间的关系的曲线图。水平轴表示进气压力[kpa]，并且竖直轴表示进气量[g/s]。图3示出在发动机10的旋转速度恒定的条件下，在由排气vvt机构28将重叠时段设定为第一时段的情况下与进气压力对应的进气量(以下，称为第一进气量)和在重叠时段被设定为第二时段的情况下与进气压力对应的进气量(以下，称为第二进气量)，其中第二时段比第一时段短。第二时段的示例不包括导致重叠时段为零的时段。
如在图3中所示，在进气压力高于大气压力的涡轮增压区域中，第一进气量大于第二进气量。以上描述的原因如下。在发生扫气的涡轮增压区域中，由排气vvt机构28设定的重叠时段越长，从进气管19通过气缸11流向排气管20的空气的流量越大，并且进气量与流量的增加对应地增加。同时，在进气压力低于大气压力的na区域中，第一进气量小于第二进气量。以上描述的原因如下。在进气压力低于排气压力的na区域中，重叠时段越长，由于在扫气时存在在与空气流动方向相反的方向上流动的空气流，所以进气量越小。
如上所述，在涡轮增压区域中，第一进气量大于第二进气量。然而，在na区域中，第一进气量小于第二进气量。在本发明的实施例中，ecu40预测在重叠时段被设定为第一时段的情况下以及在重叠时段被设定为第二时段的情况下的第一进气量和第二进气量，并且基于预测的结果预测是否将会发生扫气。此外，ecu40基于预测的结果来设定重叠时段。
图4是示出由ecu40执行的扫气预测控制的示例的流程图。每当预定的时间段过去时，重复执行扫气预测控制。首先，获取用于预测第一进气量和第二进气量的各种参数值(步骤s1)。具体地，各种参数值是进气压力，发动机10的旋转速度，废气门阀34打开的程度，进气门26和排气门27的气门正时，大气压力和气缸内空气量。如上所述，基于来自进气压力传感器31e、曲柄角传感器30和大气压力传感器31d的检测信号，分别计算进气压力、发动机10的旋转速度和大气压力。基于驱动废气门阀34的致动器的驱动电流值等来计算废气门阀34打开的程度。进气门26的气门正时是预先确定的固定值，因为在本发明的实施例中未设置改变进气门26的气门正时的进气vvt机构。基于来自曲柄角传感器30的检测信号和来自设置在排气vvt机构28中的排气凸轮角度传感器的检测信号来计算排气门27的气门正时。基于进气压力、进气门26和排气门27的气门正时、发动机10的旋转速度及大气压力来计算气缸内空气量。
基于各种参数值，预测重叠时段被设定为第一时段的情况下的第一进气量(步骤s3)。基于各种参数值，预测重叠时段被设定为第二时段的情况下的第二进气量(步骤s5)。步骤s3中的处理是由第一预测单元执行的处理的示例，该第一预测单元预测在重叠时段被设定为第一时段的情况下作为被吸入发动机10中的空气量的第一进气量。步骤s5中的处理是由第二预测单元执行的处理的示例，第二预测单元预测在由于排气门27的气门正时被提前而重叠时段被设定为第二时段的情况下作为吸入发动机10中的空气量的第二进气量，其中第二时段比第一时段短。执行步骤s3和步骤s5中的处理的次序不被限制，并且可以同时执行这些处理。
具体地，ecu40参照预定的映射来预测第一进气量和第二进气量。预先通过实验获取该映射并且将该映射存储在ecu40的存储器中。在映射中规定了与上述进气压力、发动机10的旋转速度、废气门阀34打开的程度、进气门26和排气门27的气门正时、大气压力和气缸内空气量对应的进气量。在各种参数值与进气量之间的关系规定如下。原则上，随着进气压力变高，发动机10的旋转速度变高，废气门阀34打开的程度变小，大气压力变高，并且气缸内空气量变小，因此，进气量变大。这里，由于相对于预先在实验中获取的各种参数值的进气量在如上所述的映射中被规定，因此在实际情况下可能发生的进气脉动和排气脉动的影响也反映在映射中规定的进气量上。因此，能够通过参考该映射准确地预测第一进气量和第二进气量。
判定第一进气量是否大于第二进气量(步骤s7)。在判定的结果是肯定的情况下，ecu40预测将发生扫气(步骤s9a)。在判定的结果是否定的情况下，ecu40预测不会发生扫气(步骤s9b)。由于如上所述能够准确地预测第一进气量和第二进气量，所以能够准确地预测是否将发生扫气。在ecu40预测将发生扫气的情况下，扫气发生标志被设定为“开”，并且在ecu40预测将不会发生扫气的情况下，扫气发生标志被设定为“关”。在步骤s7、s9a和s9b中的处理是由扫气预测单元执行的一系列处理，在第一进气量大于第二进气量的情况下，扫气预测单元预测在重叠时段中将发生扫气，以及在第一进气量等于或小于第二进气量的情况下，扫气预测单元预测在重叠时段内将不会发生扫气。
当ecu40预测将不会发生扫气时，重叠时段被限制为等于或低于预定上限值的值(步骤s11b)。也就是说，即使在根据发动机10的运转状态确定的重叠时段的目标值超过上限值的情况下，实际重叠时段也被限制为等于或低于上限值的值。因此，抑制了由于未发生扫气的na区域中的重叠时段的扩大而引起的内部egr量的增加，并且因此能够抑制由过量的内部egr量引起的失火。上限值被设定为有助于在不发生由过量的内部egr量引起的失火的范围内的燃料效率的改善的值。
当ecu40预测将发生扫气时，去除对于重叠时段的限制(步骤s11a)。因此，重叠时段被控制为使得重叠时段变为与发动机10的运转状态对应的目标值，且因此与重叠时段被限制的情况相比，扫气量增加。因此，涡轮增压响应性改善，并且发动机10的输出转矩也改善。在步骤s11a和s11b中的处理是由控制器执行的一系列处理，在ecu40预测不会发生扫气的情况下，该控制器将重叠时段限制为等于或低于上限值的值，并且在ecu40预测将发生扫气的情况下，该控制器去除基于上限值的对于重叠时段的限制。
图5是示出第一进气量和第二进气量及扫气发生标志的时序图。图5示出了发动机10的运转状态从na区域转变到涡轮增压区域并再次返回到na区域的情况。在图5中，除了第一进气量和第二进气量以及扫气发生标志之外，还示出了加速器踏板操作量、排气压力和进气压力。排气压力是排气涡轮机23b之前的空间内的压力。
当在时刻t1加速器踏板操作量增加时，进气压力逐渐增加，并且排气压力平缓增加。尽管排气压力的增加小于进气压力的增加，但进气压力变得低于排气压力。因此，预测第一进气量等于或小于第二进气量，并且由于估计当前操作区域是na区域，所以重叠时段被限制。当在时刻t2进气压力超过排气压力时，预测第一进气量大于第二进气量并且扫气发生标志从“关”被设定为“开”。因此，对于重叠时段的限制被去除。
当在时刻t3排气压力达到与加速器踏板操作量对应的目标值时，在进气压力高于排气压力的情况下，进气压力和排气压力变得大致恒定。当在时刻t4加速器踏板操作量减小时，进气压力逐渐减小并且排气压力平缓地减小，但是排气压力的减小小于进气压力的减小。当在时刻t5进气压力变为等于或低于排气压力时，第一进气量变为等于或小于第二进气量，扫气发生标志从“开”被设定为“关”，并且重叠时段被限制。
如上所述，因为根据关于是否将发生扫气的预测的结果，重叠时段被限制或者对于重叠时段的限制被去除，所以na区域中的失火被抑制，并且在涡轮增压区域中的涡轮增压响应性被改善。
即使在执行控制以使得实际重叠时段变为零的情况下，也能够预测在执行控制以使得基于预测的第一进气量和第二进气量来设置重叠时段的情况下是否将发生扫气。因此，能够在不取决于实际的重叠时段的情况下预测是否将发生扫气，并且获得预测是否将发生扫气的机会。
还可以设想提供气缸内压力传感器，该气缸内压力传感器检测气缸11内的压力，并且基于气缸内压力传感器的检测值来预测是否将发生扫气。然而，在这种情况下，存在发动机10的制造成本的增加的可能性。在本发明的实施例中，不需要如上所述的气缸内压力传感器，并且因此抑制了发动机10的制造成本的增加。
关于是否将发生扫气的预测，基于在排气门27的气门正时恒定的条件下在进气门26的气门正时变化以使得重叠时段被设定为第一时段的情况下以及在进气门26的气门正时变化以使得重叠时段被设定为第二时段的情况下的预测的进气量，也能够设想预测是否将发生扫气。然而，当进气门26的气门正时改变时，对气缸11填充空气的效率改变并且进气量也由于这种改变而改变。因此，存在不能准确预测是否将发生扫气的可能性。在本发明的实施例中，如上所述，基于在排气门27的气门正时而非进气门26的气门正时改变使得重叠时段被设定为第一时段的情况下以及在排气门27的气门正时而非进气门26的气门正时改变使得重叠时段被设定为第二时段的情况下的预测的第一进气量和第二进气量对是否将发生扫气进行预测。由于即使当排气门27的气门正时改变时，对气缸11填充空气的效率也大致不变，因此能够准确地预测是否将发生扫气。
例如，也能够设想基于各种参数值来估计进气压力和排气压力，并且预测在进气压力比排气压力高的情况下将发生扫气。在这种情况下，认为估计进气压力的方法和估计排气压力的方法彼此不同。因此，存在如下可能性：在被估计的进气压力和实际进气压力之间的误差的形式以及在被估计的排气压力和实际排气压力之间的误差的形式彼此不同。例如，存在如下可能性：被估计的进气压力比实际进气压力低，而被估计的排气压力比实际排气压力高。在这种情况下，即使实际进气压力比实际排气压力高，被估计的进气压力也比被估计的排气压力低，并且存在如下可能性：即使实际上发生了扫气，也预测将不会发生扫气。关于以上描述，在本发明的实施例中，由于将经由相同方法预测的第一进气量和第二进气量相互比较，所以即使在预测的第一进气量和第二进气量中存在误差的情况下，误差的形式在许多情况下也可能彼此相同。例如，预测的第一进气量小于与预测的第一进气量对应的实际进气量的情况可以是预测的第二进气量也小于与预测的第二进气量对应的实际进气量的情况。因此，在误差的形式如上所述的情况下，在预测的第一进气量和第二进气量之间的比较结果不会被很大影响，因此能够准确地预测是否将发生扫气。
以上，已经详细描述了本发明的实施例。然而，本发明不限于如上所述具体实施例，并且在权利要求书中描述的本发明的主旨的范围内能够做出各种修改和改变。
在该实施例中，通过排气vvt机构28改变实际的重叠时段。然而，本发明不限于此。也就是说，实际的重叠时段可以通过改变进气门26的气门正时的进气vvt机构或者通过排气vvt机构和进气vvt机构两者而改变。在任何情况下，在假设排气vvt机构存在的情况下预测第一进气量和第二进气量时，在排气门27的气门正时被改变使得重叠时段被设定为第一时段的情况下以及在排气门27的气门正时被改变使得重叠时段被设定为第二时段的情况下，只要能够预测第一进气量和第二进气量，就能够采用任何构造。
例如，也可以采用以下方法。上述用于预测第一进气量和第二进气量的映射是通过使用其中安装有排气vvt机构的发动机进行实验而创建的。以这种方式创建的映射数据可以存储在ecu的存储器中，该ecu控制除了其中安装有进气vvt机构但在其中未安装排气vvt机构之外与用于创建映射的发动机相同的发动机。以这种方式创建的映射数据可以存储在ecu的存储器中，该ecu控制除了其中安装有进气vvt机构和排气vvt机构两者之外与用于创建映射的发动机相同的发动机。在这种情况下，即使对于仅设置有进气vvt机构的发动机和设置有进气vvt机构和排气vvt机构两者的发动机，也能够准确地预测是否将发生扫气。而且，即使在如上所述的发动机的情况下，在根据关于是否将发生扫气的预测的结果来限制重叠时段或者去除对于重叠时段的限制时，也能够抑制na区域中的失火，并且涡轮增压区域中的涡轮增压响应性被改善。