内燃机的控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对向内燃机被给的燃料（混合气体）的燃烧状态进行控制的控制 装置。
【背景技术】
[0002] -般情况下，在柴油内燃机等内燃机（以下，也仅称为"内燃机"）运行时，虽然通 过混合气体的燃烧而产生的能量的一部分被转换为用于使曲轴旋转的功，但剩余部分会成 为损失。在该损失中包括冷却损失、排气损失、随着进气和排气而产生的栗气损失以及机械 阻力损失等。其中，冷却损失以及排气损失相对于整体损失占有较大的比例。因此，为了改 善内燃机的耗油率，减少冷却损失以及排气损失是较为有效的。
[0003] 但是，一般情况下，冷却损失与排气损失为此消彼长的关系。即，如果使冷却损失 降低则排气损失将增加，如果使排气损失降低则冷却损失将增加。因此，如果能够实现冷却 损失与排气损失之和成为最小的燃烧状态，则内燃机的耗油率会被大幅改善。
[0004] 然而，燃烧状态根据燃料喷射正时以及增压等"对燃烧状态产生影响的多个参数" 而变化。以下，对燃烧状态产生影响的参数也仅被称为"燃烧参数"。然而，难以以使多个燃 烧参数相对于各运行状态成为适当的值（组合）的方式，而通过实验以及模拟等预先求取 各燃烧参数，并且需要大量的适应时间。因此，提出一种系统化地确定燃烧参数的方法。
[0005] 例如，现有的控制装置之一（以下，也称为"现有装置"）对"产生了在一次燃烧行 程中产生的总热量中的一半热量的时间点的曲轴转角角度（以下，称为"燃烧重心角度"） 进行计算。而且，现有装置在其燃烧重心角度与预定的基准值产生了背离的情况下，通过对 燃料喷射正时进行补正或者通过对EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环）率进行 调节而对燃烧室（气缸）内的氧浓度进行调节，从而使燃烧重心角度与基准值一致（例如， 参照专利文献1)。
[0006] 在先技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :日本特开2011-202629号公报
【发明内容】
[0009] 例如，在柴油内燃机中，存在有对于一个循环的燃烧实施多次喷射燃料的多级喷 射的情况。更具体而言，在柴油内燃机中，存在有先于主喷射（main injection)而实施引 燃喷射，然后实施主喷射的情况。而且，存在有在主喷射之后实施后喷射的情况。
[0010] 实施引燃喷射和主喷射的情况下的曲轴转角角度与热释放率之间的关系例如通 过由图8的（A)的曲线C1所示的波形而被表示。热释放率指的是，针对每单位曲轴转角角 度（曲轴的旋转位置的单位变化量），通过混合气体的燃烧而产生的热量，即每单位曲轴转 角角度的热释放量。以下，该波形也被称为"燃烧波形"。在图8的（A)所示的波形中，通过 在曲轴转角角度Θ1处开始的引燃喷射而取得极大值Lp，通过在曲轴转角角度Θ 2处开始 的主喷射而取得极大值Lm。
[0011] 而且，图8的（B)表示曲轴转角角度与"通过由曲线Cl所示的燃烧而产生的热量 的累计值相对于总产生热量的比率（发热量比率）"的关系。在图8的⑶所示的示例中， 前述的燃烧重心角度（发热量比率成为50%的曲轴转角角度）为曲轴转角角度Θ 3。
[0012] 相对于此，如在图9的（A)中用实线C2所示的那样，在仅在引燃喷射的开始正时 从曲轴转角角度Θ 1向提前角侧移动了 △ Θ而移动到曲轴转角角度Θ〇的情况下，通过 引燃喷射的燃料的燃烧而开始发热的曲轴转角角度（发热开始角度、燃烧开始曲轴转角角 度）向提前角侧移动Α Θ。但是，在图8的㈧以及图9的㈧所示的燃烧中，燃烧重心角 度处于主喷射的燃料的燃烧开始之后（曲轴转角角度Θ 2之后）。因此，根据表示关于由 曲线C2所示的燃烧的发热量比率的图9的（B)可理解，燃烧重心角度保持在曲轴转角角度 Θ 3而未发生变化。即，存在即使因引燃喷射正时向提前角侧移动而使燃烧波形发生变化， 燃烧重心角度也不变化的情况。换言之，燃烧重心角度并不一定为准确地反映各循环的燃 烧状态的指标值。
[0013] 实际上，发明人针对各种"内燃机的负载以及内燃机转速"而对"燃烧重心角度与 耗油率恶化率之间的关系"进行了测量。该测量结果如图10所示。图10的曲线Hbl至曲线 Hb3分别为，低转速且低负载、中转速且中负载以及高转速且高负载的情况下的测量结果。 根据图10可理解，发明人明确了如下内容，即，当内燃机的负载和/或内燃机转速不同时， 耗油率恶化率成为最小的燃烧重心角度（耗油率成为最优的燃烧重心角度）也不同。换言 之，发明人明确了如下内容，即，即使以使燃烧重心角度与固定的基准值一致的方式而对燃 烧状态进行控制，如果内燃机的负载和/或内燃机转速不同，则耗油率恶化率也不会成为 最小。
[0014] 因此，发明者着眼于"热释放率重心位置"以作为表示燃烧状态的指标值，而取代 现有的燃烧重心角度。该热释放率重心位置如下文所述那样通过各种方法而被定义。热释 放率重心位置通过曲轴旋转位置（即，曲轴转角角度）来表示。
[0015] (定义1)如图1⑷所示，热释放率重心位置Gc为与如下的区域的几何学的重心 G相对应的曲轴转角角度，所述区域为，由在"将曲轴转角角度设定为横轴并且将热释放率 (每单位曲轴转角角度的热的产生量）设定为纵轴的坐标系（曲线图）"中所描绘的热释放 率的波形、和所述横轴包围的区域。
[0016] (定义2)热释放率重心位置Gc为满足下述的数学式（1)的曲轴转角角度Gc。在 该数学式（1)中，CAs为燃料的燃烧开始的曲轴转角角度（燃烧开始曲轴转角角度），CAe为 所述燃烧结束的曲轴转角角度（燃烧结束曲轴转角角度）。而且，Θ为任意的曲轴转角角 度，dQ(0)为曲轴转角角度Θ处的热释放率。即，热释放率重心位置Gc为在如下的两个值 相等时的特定曲轴转角角度，所述两个值为，将与特定曲轴转角角度（Gc)相比靠提前角侧 的任意的曲轴转角角度（Θ)与该特定曲轴转角角度（Gc)之间的曲轴转角角度差（Gc-Θ) 和该任意的曲轴转角角度处的热释放率（dQ(0))的乘积关于曲轴转角角度进行积分而得 到的值（下述（1)中的左边的值），以及将与所述特定曲轴转角角度（Gc)相比靠滞后角侧 的任意的曲轴转角角度（Θ)与该特定曲轴转角角度（Gc)之间的曲轴转角角度差（Θ-Gc) 和该任意的曲轴转角角度处的热释放率（dQ(0))的乘积关于曲轴转角角度进行积分而得 到的值（下述（1)中的右边的值）。
[0017] 数学式1
[0019] (定义2'）当对上述数学式（1)进行变形时，将得到下述的数学式（2)。因此，若 对定义2换一种说法则为，热释放率重心位置Gc为如下的特定曲轴转角角度，即，关于一 个燃烧行程的从燃烧开始曲轴转角角度至燃烧结束曲轴转角角度的特定曲轴转角角度，且 为将与从任意的曲轴转角角度中减去特定曲轴转角角度而得到的值（Θ-Gc)和所述任意 的曲轴转角角度（Θ )处的热释放率（dQ( Θ ))的乘积（Θ -Gc)dQ( Θ )相对应的值，从燃烧 开始曲轴转角角度CAs起至燃烧结束曲轴转角角度CAe为止，关于曲轴转角角度进行积分 (累计）而得到的值成为零的特定曲轴转角角度。
[0020] 数学式2
[0022] (定义3)根据定义2以及定义2'，热释放率重心位置Gc被定义为，通过依据下述 式（3)的运算而被求出的曲轴转角角度。
[0023] 数学式3
[0025] (定义 3，）
[0026] 根据定义3,热释放率重心位置Gc被定义为如下的曲轴转角角度，即，在将任意的 曲轴转角角度与燃烧开始曲轴转角角度之差（Α= Θ-CAs)和该任意的曲轴转角角度处的 热释放率（B = dQ( Θ ))的乘积（A · B)的关于曲轴转角角度的积分值（上述式（3)的右 边第一项的分子），除以通过热释放率相对于曲轴转角角度的波形而被划定的区域的面积 (上述（3)式的右边第一项的分母）而得到的值上，加上所述燃烧开始曲轴转角角度（CAs) 而得到的曲轴转角角度。
[0027] 例如在图1的（A)所示的示例中，该热释放率重心位置Gc为曲轴转角角度Θ 3。并 且，如图1(B)所示，当引燃喷射的开始正时从曲轴转角角度θ 1向提前角侧移动△ ΘΡ而 被设定为曲轴转角角度Θ0时，热释放率重心位置Gc向提前角侧移动曲轴转角角度Δ 0g 而成为曲轴转角角度Θ 3'。由此可理解，热释放率重心位置可以说是与现有的作为燃烧状 态的指标值的燃烧重心角度相比，更加准确地反映燃烧状态的指标值。
[0028] 而且，发明人针对各种内燃机转速和内燃机的负载（要求转矩）的组合而对热释 放率重心位置与耗油率恶化率的关系进行了测量。其结果如图2所示。图2的曲线Gel至 曲线Gc3分别为低转速且低负载、中转速且中负载以及高转速且高负载的情况下的测量结 果。从图2可以理解，即使在内燃机转速以及内燃机的负载不同的情况下，耗油率恶化率成 为最小的热释放率重心位置也为特定的曲轴转角角度（在图2的示例中为压缩上止点后 7° )。而且，可以理解，只要热释放率重心位置处于该特定的曲轴转角角度（例如，压缩上 止点后7° )的附近的值（参照图2的箭头Ar的范围），则不论内燃机转速以及内燃机的 负载如何，耗油率恶化率均成为最小值附近的大致固定值。
[0029] 由此，发明人得出了如下的见解，即，热释放率重心位置为良好地表示燃烧状态的 指标值，因此，通过使热释放率重心位置不依存于负载和/或内燃机转速而维持为固定，从 而能够将内燃机的燃烧状态维持在特定的状态。而且，发明人还得出如下的见解，即，只要 将热释放率重心位置维持在"耗油率恶化率成为最小的（即，冷却损失与排气损失之和成 为最小，耗油率成为最优的）固定的目标曲轴转角角度"，便能够不依存于内燃机的运行状 态（负载和/或内燃机转速）而容易地改善内燃机的耗油率。
[0030] 但是，也明确了如下的情况，g卩，在将热释放率重心位置维持在固定的曲轴转角角 度的状态下，内燃机的负载达到接近于满载的区域时（即，使燃料喷射量非常大时），存在 燃烧中的气缸压力的最大值超过容许压力的情况。
[0031] 因此，本发明的目的在于，提供一种能够在将热释放率重心位置控制为适当的曲 轴转角角度的同时，在高负载运行状态下使气缸压力的最大值不超过容许压力的控制装 置。
[0032] 用于实现该目的的本发明的内燃机的控制装置（以下，也称为"本发明装置"）在 所述内燃机的负载处于至少"第一阈值与大于该第一阈值的第二阈值之间的范围（特定范 围）"内的情况下，以使热释放率重心位置不依存于内燃机的负载而与固定曲轴转角角度相 等的方式而使燃烧状态变化。另外，第一阈值既可以为内燃机所能够获得的负载中的最小 值，也可以为大于该最小值的值。而且，对燃烧状态进行控制与对燃烧参数进行设定（即， 通过对燃烧参数进行前馈控制和/或反馈控制，从而设定或者变更为对应于内燃机的运行 状态的适合值）实质上意义相同。
[0033] 根据本发明装置，在内燃机的负载处于至少所述特定范围内的情况下，能够使燃 烧状态不依存于内燃机的负载而维持在稳定的状态。而且，在该情况下，由于只需以使热释 放率重心位置成为所述固定曲轴转角角度的方式而使燃烧参数相适应即可，因此也能够大 幅减少适应工时。并且，只需将所述固定曲轴转角角度设定为所述内燃机的冷却损失与所 述内燃机的排气损失之和成为最小的曲轴转角角度（以下，也称为"耗油率最优曲轴转角 角度"）或距耗油率最优曲轴转角角度在预定范围（微