专利名称：内燃机的控制装置和控制方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的控制装置和方法，该内燃机通过在气缸内燃烧燃料和空气的混合气来产生动力。
背景技术：
通常说来，如果气缸内混合气的燃烧开始时间(火花塞点火时间或压燃时间)延迟，则内燃机不会产生扭矩，相反，如果点火或着火时间过度提前，则会导致爆震。因此，最好对应发动机转速和节气门开度等条件，将内燃机的气缸内燃烧开始时间设定为合适的时间(MBT(Minimum advance for Best Torque)产生最大扭力的最小提前)，以便在不会发生爆震的范围内获得大的扭矩。作为用于产生这样的MBT的内燃机控制装置，专利文献1公开了一种基于气缸内的燃烧率使燃烧开始时间提前或延迟的控制装置。在这种控制装置中，燃烧率是基于包括待求出燃烧率的规定曲柄转角时间的三点或三点以上的热释放率或气缸内压力而确定的。
此外，由于上述MBT位于可能发生爆震的火花塞点火或压燃时间的附近，因此，为防止发生爆震而尽可能提前燃烧开始时间，这样会使得燃烧开始时间接近MBT并且使内燃机产生大扭矩。作为实施这种MBT控制的内燃机的控制装置，专利文献2公开了一种控制装置，该控制装置利用了通过发生爆震使气缸内热释放率暂时且急剧地上升的现象。这种控制装置由气缸内检测装置根据取样得出的气缸内压力求出热释放率，在从求出的热释放率达到最大的时刻到燃烧完成时的区域内，基于热释放率的变化比例，来判断发动机是否处于几乎接近爆震的状态。
在上述现有的内燃机控制装置中，基本上是通过以每个微小的单位曲柄转角对气缸内压力检测装置所检测出的气缸内压力进行处理而求出热释放率的。因此，现有的控制装置中的计算负荷显著加大，因此，实际上难以将现有的控制装置应用到内燃机上，例如车辆用内燃机等。此外，即使通过现有的方法，基于大约三点左右的气缸内压力求出燃烧率，实际上也不能有效实现精确的MBT控制。
专利文献1日本专利申请公开No.9(1997)-189281专利文献2日本专利申请公开No.9(1990)-204662发明内容本发明的目的在于提供一种内燃机的控制装置和控制方法，其能够以较低负荷，有效且简单地实行燃烧开始时间的高精度控制。
本发明的内燃机的控制装置是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规定时间的燃烧率；和修正装置，其修正气缸内的燃烧开始时间，以使运算装置所算出的燃烧率与目标值一致。
优选运算装置为，根据控制参数计算出规定时间的燃烧率，其中所述控制参数是由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。
优选规定时间设定在第1时间与第2时间之间，其中第1时间设定在进气门开启后且燃烧开始前，第2时间设定在燃烧开始后且排气门开启前；运算装置，根据第1时间与第2时间之间的控制参数的差分和第1时间与规定时间之间的控制参数的差分，计算出燃烧率。
本发明的另一内燃机的控制装置是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规定时间的热释放率；以及修正装置，其根据运算装置所算出的热释放率修正气缸内的燃烧开始时间。
优选运算装置为，根据控制参数计算出规定时间的热释放率，其中所述控制参数是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。
优选运算装置为，根据规定的两点间的控制参数的差分计算出热释放率。
本发明的内燃机的控制方法，是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而计算出规定时间的燃烧率的步骤；以及(c)修正气缸内的燃烧开始时间，以使在步骤(b)中算出的燃烧率与目标值一致的步骤。
优选步骤(b)包括根据控制参数计算出规定时间的燃烧率，其中该控制参数是在步骤(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。
优选所述规定时间设定在第1时间与第2时间之间，其中第1时间设定在进气门开启后且燃烧开始前，第2时间设定在所述燃烧开始后且排气门开启前；在步骤(b)中，根据第1时间与第2时间之间的控制参数的差分和第1时间与规定时间之间的控制参数的差分，计算出燃烧率。
本发明的另一种内燃机的控制方法是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而计算出规定时间的热释放率的步骤；以及(c)根据在步骤(b)中算出的热释放率修正气缸内的燃烧开始时间的步骤。
优选步骤(b)包括根据控制参数计算出规定时间的热释放率，其中控制参数是在步骤(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。
此外，优选步骤(b)包括根据规定的两点间的控制参数的差分计算出热释放率。
图1为表示在本发明中采用的控制参数PVk和燃烧室内的放热量之间的关系的曲线图；图2为表示基于控制参数PVk求出的燃烧率和基于热释放率求出的燃烧率之间的关系的曲线图；图3为表示基于控制参数PVk求出的热释放率和根据理论公式求出的热释放率之间的关系的曲线图；图4为表示本发明的内燃机的结构示意图；图5为用于说明图4中的内燃机的点火时间的控制顺序的一个示例的流程图；图6为用于说明图4中的内燃机的点火时间的控制顺序的另一个示例的流程图。
具体实施例方式
本发明人们致力于研究可以对内燃机的气缸内燃烧开始时间(汽油机中的点火时间和柴油机中的点燃时间)进行高精度控制，并减少计算负荷。其结果是，本发明人们最终发现了控制参数，该控制参数是基于气缸内检测装置所检测出的气缸内压力和在检测气缸内压力时的气缸内容积计算出的。更具体地说，设曲柄转角为θ时由气缸内压力检测装置所检测出的气缸内压力为P(θ)，曲柄转角为θ时的气缸内容积为V(θ)，比热容比为k，则发明者重点集中在控制参数P(θ)·Vk(θ)(后文适当称作PVk)，该控制参数是气缸内压力P(θ)与气缸内容积V(θ)以比热容比k(规定的指数)进行乘方的值Vk(θ)的相乘得到的。此外，如图1所示，本发明人们发现，内燃机的气缸内的放热量Q相对于曲柄转角的改变模式和控制参数PVk相对于曲柄转角的改变模式之间存在关系。需要指出的是，在图1中，-360°，0°和360°分别对应于上止点，并且-180°和180°分别对应于下止点。
在图1中，通过标绘控制参数PVk形成实线，各个PVk值是在每隔规定的微小曲柄转角而检测出的规定模型气缸内的气缸内压力与检测该气缸内压力时的气缸内容积V(θ)以规定的比热容比k进行乘方而得到的值的乘积。此外，在图1中，虚线是基于下面的表达式(1)，以Q＝∫dQ计算并标绘上述模型气缸内的放热量Q而得到的。需要指出的是，为了简化，在任何情况下都使k＝1.32。
表达式1dQdθ={dpdθV+k·p·dVdθ}·1k-1---(1)]]>从图1所示的结果可以看出，放热量Q相对于曲柄转角的改变模式与控制参数PVk相对于曲柄转角的改变模式大致相同(相似)，特别是，发现在气缸内混合气的燃烧开始(在汽油机中为火花塞点火时间，在柴油机中为压燃时间)前后，(例如从图1中的大约-180°到大约-135°之间的范围)，放热量Q的改变模式与控制参数PVk的改变模式极为一致。
在本发明的一个方案中，利用上述新发现的气缸内的放热量Q与控制参数PVk的相互关系，基于控制参数PVk求出到某两点之间的规定时间为止的放热量相对于该两点之间的总放热量之比、即燃烧率(MFB)，其中该控制参数PVk是基于气缸内压力检测装置检测到的气缸内压力与检测气缸内压力时的气缸内容积计算出的。在此，当基于控制参数PVk计算气缸内燃烧率时，不需要高负荷的计算处理即可精确地计算出气缸内的燃烧率。也就是说，如图2所示，基于控制参数PVk所求出的燃烧率(参照同图中的实线)与基于热释放率所求出的燃烧率(参照同图中的虚线)大致一致。
在图2中，按照下述的表达式(2)，基于所检测出的气缸内压力P(θ)计算出曲柄转角为θ时模型气缸内的燃烧率，并进行标绘而形成实线。另外，为了简化，设定k＝1.32。
表达式2 此外，在图2中，按照上述表达式(1)和下述表达式(3)，基于所检测出的气缸内压力P(θ)计算出曲柄转角为θ时模型气缸内的燃烧率，并进行标绘而形成虚线。在这种情况下，为了简化，也使k＝1.32。
表达式3
在本发明的一个方案中，可以修正气缸内的燃烧开始时间(火花塞点火时间或压燃时间)，以使基于控制参数PVk求出的燃烧率与目标值一致，其中该控制参数是根据气缸内压力检测装置所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。也就是说，由于可以通过实验和经验来确定最佳燃烧开始时间(MBT)的燃烧率，所以可以修正气缸内的燃烧开始时间，以使基于控制参数PVk求出的燃烧率与目标值一致，由此可以在较小的负荷下简单地使气缸内燃烧开始时间最佳化，从而可以在不发生爆震的情况下在内燃机中产生较大扭矩。
在对燃烧开始时间进行控制的情况下，优选可以计算出第一时间和第二时间之间的规定时间的燃烧率，其中第一时间为进气阀打开之后和燃烧开始之前曲柄转角为θ1时，第二时间为燃烧开始之后和排气阀打开之前曲柄转角为θ2时。在这种情况下，当设规定时间的曲柄转角为θ0时，规定时间的燃烧率MFB可以用第一时间和第二时间之间的控制参数PVk的差分{P(θ2)·Vk(θ2)-P(θ1)·Vk(θ1)}除以第一时间和规定时间之间的控制参数PVk的差分{P(θ0)·Vk(θ0)-P(θ1)·Vk(θ1)}并乘以100而得到。由此，可以基于在三点处检测出的气缸内压力精确求出燃烧率，从而可以大幅降低计算负荷，并使气缸内的燃烧开始时间最佳化。
在本发明的另一方案中，利用上述气缸内的放热量Q与控制参数PVk之间的关系，基于控制参数PVk求出热释放率d(PVk)，其中该控制参数是根据气缸内压力检测装置检测出的气缸内压力和检测该气缸内压力时的气缸内容积计算出的。也就是说，通过采用控制参数PVk，可以将任意时间(当曲柄转角为θ时)的热释放率表示成规定的两点之间(在微小曲柄转角δ之间)的控制参数PVk的差分，即表达式4d(PVk)=1δ{P(θ+δ)·Vk(θ+δ)-P(θ)·Vk(θ)}---(4)]]>在此，在图3中，实线是通过基于气缸内压力P(θ)计算并标绘曲柄转角为θ时上述模型气缸内的d(PVk)而得到的。另外，为了简化，使k＝1.32，并使δ＝1°(1CA)。此外，在图3中，虚线是通过计算并标绘曲柄转角为θ时上述模型气缸的热释放率而得到的，其中热释放率是将气缸内压力P(θ)代入到上述表达式(1)中而确定的。在这种情况下，为了简化，使k＝1.32。如图3所示，d(PVk)相对于曲柄转角的改变模式(参照图3中的实线)与基于表示式(1)确定的热释放率相对于曲柄转角的改变模式(参照同图中的虚线)大致一致(相似)。因此，如果利用控制参数PVk，则可以精确地把握气缸内的热释放率，而不需要高负荷的计算处理。
在该方案中，可以根据基于控制参数PVk求出的热释放率d(PVk)修正气缸内的燃烧开始时间(火花塞点火时间或压燃时间)，其中该控制参数PVk是基于气缸内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。也就是说，虽然用于产生较大扭矩的最佳燃烧开始时间是在可能发生爆震的点火或着火时间的附近，但是如果发生爆震，则气缸内的热释放率暂时且急剧地上升，之后急剧降低(燃烧较早结束)。因此，可以基于控制参数PVk求出作为热释放率的d(PVk)，并且可以对应从d(PVk)得出的爆震的发生状态修正气缸内的燃烧开始时间，因此，可以在较小的负荷下简单地使气缸内燃烧开始时间最佳化，从而可以在不发生爆震的情况下在内燃机中产生较大扭矩。
下面，参照附图具体说明用于实施本发明的最佳方式。
图4是表示本发明的内燃机的结构示意图。图4所示的内燃机1，使燃料和空气的混合气在形成于气缸体2中的燃烧室3的内部燃烧，并且使活塞4在燃烧室3内往复移动，以产生动力。优选内燃机1构成多缸发动机，本实施例中的内燃机1例如构成四缸发动机。
各个燃烧室3的进气口分别连接到进气管(进气岐管)5上，并且各个燃烧室3的排气口分别连接到排气管(排气岐管)6上。此外，各个燃烧室3的进气阀Vi和排气阀Ve设置在内燃机1的气缸盖上。各个进气阀Vi开/闭对应的进气口，并且各个排气阀Ve开/闭对应的排气口。例如，各个进气阀Vi和各个排气阀Ve可通过具有可变气门正时功能的阀动机构(未示出)进行动作。而且，内燃机1具有数量与气缸数一致的火花塞7，火花塞7设置在气缸盖上，以朝向对应的燃烧室3。
如图4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(在本实施例中为电控式节气门)组装在供气管道L1的中途(在稳压罐8和空气滤清器9之间)。另一方面，如图4所示，排气管6上连接有含有三效催化剂的前段催化剂装置11a和含有NOx吸留还原催化剂的后段催化剂装置11b。
进一步，内燃机1具有多个喷射器12，如图4所示，对各个喷射器12进行设置，以使其朝向所对应的进气岐管5的内部。各个喷射器12将汽油等燃料喷射到各个进气岐管5的内部。
需要指出的是，虽然本实施例的内燃机1被解释为所谓进气口喷射式汽油机，但是不限于此，当然也可以应用到所谓直喷类型的内燃机。此外，本发明不仅仅可以应用到汽油机，还可以应用到柴油机。
上述各个火花塞7、节气门10、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4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，并基于各种传感器等的检测值控制火花塞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具有气缸内压力传感器15(气缸内压力检测装置)，其数量与气缸数一致，该气缸内压力传感器15具有半导体元件、压电元件、光纤检测元件等。各个气缸内压力传感器15以受压面朝向在对应的燃烧室3的方式设置在气缸盖上，并电连接到ECU20上。各个气缸内压力传感器15检测对应的燃烧室3中的气缸内压力，以将表示检测值的信号提供给ECU20。
接着，参照图5说明上述内燃机1的燃烧开始时间即点火时间的控制顺序。
当内燃机1起动后，从怠速状态转换到非怠速状态时，如图5所示，ECU20基于曲柄转角传感器14的信号获得发动机转速，并基于进气量获得内燃机1的负载(步骤S10)。当获得内燃机1的发动机转速和发动机负载时，ECU20确定各个燃烧室3中的燃烧开始时间、即规定各个火花塞7控制点火时间所需的气缸内压力检测时间的曲柄转角θ1和θ2。在本实施例中，预先准备有对应发动机转速和发动机负载来规定气缸内压力检测时间(曲柄转角θ1和θ2)的图(三维图)。ECU20根据在步骤S10中获得的内燃机1的发动机转速和发动机负载从该图中读出曲柄转角θ1和θ2(步骤12)。
在该图中，用于规定气缸内压力检测时间的曲柄转角θ1被设定成进气阀打开之后和燃烧开始之前(点火前)的值(例如，-60°)。优选将曲柄转角θ1设定成比各个燃烧室3内燃烧开始的时刻(点火时)充分提前的时间。在该图中，用于规定气缸内压力检测时间的另一曲柄转角θ2被设定成燃烧开始(点火)之后和排气阀打开之前的值(例如90°)。优选将曲柄转角θ2设定成燃烧室3中的混合气基本燃烧结束的时间。
在步骤S12的处理之后，ECU20根据点火控制用的底图，通过火花塞7实施点火(S14)。此外，ECU20基于曲柄转角传感器14的信号监控内燃机1的曲柄转角。并且在步骤S14中，在通过各个火花塞7实施混合气点火前后，在曲柄转角为θ1的第一时间、曲柄转角为θ2的第二时间以及设定在第一时间与第二时间之间的曲柄转角为θ0的规定时间(注意到θ1＜θ0＜θ2)时，ECU20基于气缸内压力传感器15的信号求出各个燃烧室3中的曲柄转角变为θ1、θ0或θ2时的气缸内压力P(θ1)、P(θ0)、P(θ2)。在本实施例中，第一时间与第二时间之间的规定时间被设定成曲柄转角(θ0)为8°(上止点后8°)的时间，其中根据实验和经验可知燃烧率约为50％。另外，注意到燃烧率变为约50％的曲柄转角随着内燃机的冷却损失发生变化，并且依据内燃机的类型变为上止点后8°的略微前后。此外，在实施分层燃烧运行的情况下或者在柴油机中，当根据各种情况确定最佳燃烧开始时间(MBT)时，可容易地计算出该MBT时的燃烧率。
当步骤S14中的点火时间控制和第二时间的气缸内压力检测结束时，ECU20计算各个燃烧室3中的控制参数P(θ1)·Vk(θ1)，该控制参数为气缸内压力P(θ1)和检测气缸内压力P(θ1)时的气缸内容积V(θ1)即曲柄转角变为θ1时的气缸内容积V(θ1)以比热容比k(在本实施例中k＝1.32)进行乘方的幂值之积。在该时刻，ECU计算出各个燃烧室3中的控制参数P(θ0)·Vk(θ0)和控制参数P(θ2)·Vk(θ2)，其中该控制参数P(θ0)·Vk(θ0)为气缸内压力P(θ0)和曲柄转角变为θ0时气缸内容积V(θ0)以比热容比k进行乘方得到的幂值的乘积，该控制参数P(θ2)·Vk(θ2)为气缸内压力P(θ2)和曲柄转角变为θ2时气缸内容积V(θ2)以比热容比k进行乘方得到的幂值的乘积。另外，注意到Vk(θ1)、Vk(θ0)和Vk(θ2)的值被提前计算，并存储到存储装置中。
此外，ECU20利用曲柄转角变为θ1、θ0和θ2时的控制参数P(θ1)·Vk(θ1)、P(θ0)·Vk(θ0)和P(θ2)·Vk(θ2)，通过表达式(5)计算出曲柄转角变为θ0时的燃烧率MBT(步骤S16)。
表达式5MFB=P(θ0)·Vk(θ0)-P(θ1)·Vk(θ1)P(θ2)·Vk(θ2)-P(θ1)·Vk(θ1)×100(%)---(5)]]>因此，可以根据曲柄转角变为θ1、θ0和θ2时的三点处检测到的气缸内压力精确地确定各个燃烧室3内的燃烧率MFB。在本实施例中，在确定各个燃烧室3中的燃烧率MBF后，可以计算出所有燃烧室3的燃烧率MBF的平均值。
在步骤16中计算出燃烧率MBF的平均值之后，ECU20判断绝对值|MFB-50|是否低于规定的阈值ε(正的规定值)(步骤S18)，该绝对值是由求出的燃烧率MFB的平均值减去50得到的。也就是说，在步骤18中，可以求出在步骤S 16中计算出的曲柄转角(θ0)为8°时的燃烧率MBF的平均值与曲柄转角(θ0)为8°时的燃烧率的理论值(目标值)的50％之间的偏差。进一步，在步骤S18中，对偏差是否低于阈值ε和高于阈值-ε进行判断。
在本实施例的内燃机1中，比较粗略地准备适当的点火控制底图。因此，在内燃机1的工作时间较短的情况下，在S18的判断处理中大多判断为绝对值|MFB-50|超过规定阈值ε。当在步骤18中判断为绝对值|MFB-50|超出了规定阈值ε时，ECU20对应在步骤S16中计算出的燃烧率MFB的平均值与目标值(50％)之间的偏差(MFB-50)，计算出各个火花塞7的点火时间的修正值(提前量或延迟量)，也就是使偏差(MFB-50)为零(步骤S20)。
在步骤20中，当步骤S16中计算出的燃烧率MFB的平均值与目标值之间的偏差(MFB-50)为负值时，设定与该偏差(MFB-50)对应的点火时间的提前量。在步骤20中，当步骤S16中计算出的燃烧率MFB的平均值与目标值之间的偏差(MFB-50)为正值时，设定与该偏差(MFB-50)对应的点火时间的延迟量。由此，修正各个火花塞7的点火时间(燃烧开始时间)，以使基于控制参数PVk求出的燃烧率MFB(平均值)与目标值一致。因此，能够在较小的负荷下简单地使火花塞7的点火时间最佳化。其结果是，可以在不发生爆震的情况下在内燃机1中产生较大扭矩。
在步骤20的处理之后，ECU20返回步骤10，在实施步骤10和步骤12的处理之后，根据点火控制底图并考虑到在步骤20中设定的点火时间的修正量(增加和减小修正量)，通过各个火花塞7对混合气实施点火(步骤S14)。在步骤S14中通过各个火花塞7对混合气实施点火前后，曲柄转角变为θ1、θ0或θ2时，ECU20基于气缸内压力传感器15的信号确定各个燃烧室3内的气缸内压力P(θ1)、P(θ0)、P(θ2)，并进一步计算出当曲柄转角变为θ0时的燃烧率MFB(平均值)(步骤S16)。
进一步，ECU20再次在步骤S18中判断绝对值|MFB-50|是否低于规定阈值ε(规定正值)，该绝对值是由求出的燃烧率MFB的平均值减去50得到的值。当在该步骤中判断为绝对值|MFB-50|超出了规定的阈值ε时，ECU20在S20中设定各个火花塞7的点火时间的修正值，并且重复步骤S10以后的处理。
另一方面，当在步骤S18中判断为绝对值|MFB-50|低于规定的阈值ε时，ECU20判断是否满足更新点火控制底图的规定条件(步骤S22)。在步骤S22中的判断为“是”的情况下，ECU基于在步骤S20中设定的修正值，在各个火花塞7的本次点火之前，对点火控制用的底图进行更新(步骤S24)。因此，即使在初始阶段，点火控制用的底图是相对粗略地适合，当内燃机1的工作时间变得较长时，点火控制用的底图也可以进一步根据内燃机1的运行状态或环境进行更新。因此，可以降低修改内燃机1中的点火控制底图所需的成本，并可以通过采用点火控制用的底图提高点火时间控制本身的精度。
图6是用于说明可以在上述内燃机1中实行的另一个点火时间控制顺序(燃烧开始时间控制顺序)的流程图。
在根据图6控制各个火花塞7的点火时间的情况下，当内燃机1起动后，从怠速状态转换到非怠速状态时，ECU20基于曲柄转角传感器的信号获得发动机转速，并基于进气量获得内燃机1的负载(步骤S30)。当获得内燃机1的发动机转速和发动机负载时，ECU20确定各个燃烧室3的燃烧开始时间，也就是，用于规定控制各个火花塞7的点火时间所需的规定气缸内压力检测时间的曲柄转角θ1、θ2和阈值γ。
在本实施例中，预先准备有对应发动机转速和发动机负载而规定气缸内压力的检测时间(曲柄转角θ1、θ2)以及阈值的图。ECU根据在步骤30中获得的内燃机1的发动机转速和发动机负载，从该图中读出曲柄转角θ1、θ2和的阈值γ(步骤32)。
在该图中，通过试验和经验，将规定气缸内压力检测时间的一个曲柄转角θ1设定成易于发生爆震的区域之前的值(例如15°)。并且在该图中，通过实验和经验将用于规定气缸内压力检测时间的另一曲柄转角θ2设定成易于发生爆震的上述区域之后的值(例如20°)。
在步骤S32的处理之后，ECU20根据点火控制用的底图通过各个火花塞7实施点火(步骤S34)。此外，ECU20基于曲柄转角传感器14的信号监控内燃机1的曲柄转角。当曲柄转角被检测为第一时间θ1时，ECU20求出此时的气缸内压力P(θ1)，并且当曲柄转角从第一时间稍微提前微小的曲柄转角δ(例如δ＝1°[1CA])时，ECU20求出此时的气缸内压力P(θ1+δ)。随后，当曲柄转角被检测为第二时间θ2时，ECU20求出此时的气缸内压力P(θ2)，并且当曲柄转角从第二时间稍微提前微小的曲柄转角δ(例如δ＝1°[1CA])时，ECU20求出此时的气缸内压力P(θ2+δ)。
ECU20，根据这样检测出的四点的气缸内压力P(θ1)、P(θ1+δ)、P(θ2)以及P(θ2+δ)，对于各个燃烧室3，求出曲柄转角为θ1时的第一时间的热释放率的d(PVk)1以及曲柄转角为θ2时的第二时间的热释放率d(PVk)2。
如上所述，采用控制参数PVk，作为规定的两点(微小的曲柄转角δ之间)的控制参数PVk的差分，可以精确地求出曲柄转角变为θ1、θ2时的热释放率，而不需要较高负荷的计算过程，即表达式6d(PVk)1=1δ{P(θ1+δ)·Vk(θ1+δ)-P(θ1)·Vk(θ1)}---(6)]]>表达式7d(PVk)2=1δ{P(θ2+δ)·Vk(θ2+δ)-P(θ2)·Vk(θ2)}---(7)]]>(其中，在该实施例中k＝1.32)。另外，注意到提前计算出值Vk(θ1)、Vk(θ1+δ)、Vk(θ2)、Vk(θ2+δ)，并存储在存储装置中。
进一步，在各个燃烧室3中，ECU20计算出曲柄转角变为θ2时的第二时间处的热释放率d(PVk)2和曲柄转角变为θ1时的第一时间处的热释放率d(PVk)1的偏差ΔdQ，并且计算出所有燃烧室3的偏差ΔdQ的平均值ΔdQav。此外，ECU20对在步骤S36中确定的偏差ΔdQ的平均值ΔdQav与在步骤S32中读出的阈值γ进行比较(S38)。在此，已知在燃烧室3中发生爆震时，在燃烧室3中的热释放率暂时且急剧地增加，并且随后迅速降低(燃烧较早结束)。考虑到这种现象，当在步骤32中设定的第一时间(曲柄转角为θ1)和第二时间(曲柄转角为θ2)之间的热释放率的变化量即偏差ΔdQ的平均值ΔdQav超过了规定阈值γ时，内燃机1的ECU20判断为在燃烧室3中已发生爆震，并且当偏差ΔdQ的平均值ΔdQav低于规定阈值γ时，ECU20判断为在燃烧室3中没有发生爆震。
当ECU20在步骤38中判断为偏差ΔdQ的平均值ΔdQav低于规定阈值γ，在燃烧室3中未发生爆震时，ECU20在步骤40中设定预定的点火时间提前量或者与在步骤38中计算出的平均值ΔdQav对应的各个火花塞7的点火时间提前量。由此，可以将各个燃烧室3中的燃烧开始时间即各个火花塞7的点火时间设定在尽可能接近易于发生爆震的区域附近的点上。
这样，可基于控制参数PVk求出表示热释放率的d(PVk)，并可以根据爆震发生状态修正各个火花塞7的点火时间(燃烧开始时间)，该爆震发生状态是根据表示热释放率d(PVk)的变化量(偏差ΔdQ或平均值ΔdQav)得出的，从而可以在较小的负荷下简单地使各个火花塞7的点火时间最佳化，这样可以在不发生爆震的情况下在内燃机中产生较大扭矩。在步骤S40的处理之后，ECU20返回到S30，然后实施步骤S30和步骤S32的处理。之后，根据点火控制底图并考虑到在步骤40中设定的点火时间的修正量(增加和减小修正量)，可通过各个火花塞7对混合气实施点火(步骤S34)。
另一方面，当在步骤S38中判断为偏差ΔdQ的平均值ΔdQav超过了规定阈值γ，在燃烧室3中发生爆震时，ECU20使计数器加1(步骤S42)。随后，ECU20判断计数器的计数值是否超出了规定阈值(步骤S44)。当ECU20在步骤44中判断为计数器的计数值超出了规定的阈值的时，也就是发生爆震的次数超出阈值时，ECU20设定预定的点火时间延迟量，并使计数器复位(步骤S46)。由此可以防止各个火花塞7的点火时间的过度提前，从而抑制爆震的发生。在步骤S46的处理之后，ECU20返回到步骤S30，反复实行步骤S30之后的一系列处理。另一方面，当ECU20在步骤S44中判断为计数器的计数值没有超出规定阈值时，也就是发生爆震的次数并未超出阈值时，ECU20在步骤S40中设定点火时间的提前量。由此，在发生爆震的允许范围内，各个火花塞7的点火时间进一步提前，这样可以从内燃机1获得较大扭矩。
另外，虽然在图6的例子中，是通过在步骤S36中求出第一时间(曲柄转角为θ1)和第二时间(曲柄转角为θ2)之间的表示热产生率d(PVk)的偏差dQ，并将偏差ΔdQ的平均值ΔdQav与规定值γ进行比较来判断是否发生爆震，但是不限于此。即，也可以通过比较表示在规定时间(某一点)的热释放率的d(PVk)与规定阈值来判断是否发生爆震，当某一点的热释放率的d(PVk)超过规定阈值时，则判断为发生了爆震。此外，在步骤46中，也可以不设定点火时间的延迟量，而将点火时间保持在例如上次时间或者上上次时间的值。
工业实用性本发明可有效地实现一种内燃机的控制装置和控制方法，其可在较低负荷下简单地实施高精度的发动机控制。
权利要求
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规定时间的燃烧比例；和修正装置，其修正气缸内的燃烧开始时间，以使所述运算装置所算出的燃烧比例与目标值一致。
2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述运算装置根据控制参数计算出所述规定时间的燃烧比例，其中所述控制参数是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，所述规定时间设定在第1时间与第2时间之间，其中所述第1时间设定在进气门开启后且燃烧开始前，所述第2时间设定在所述燃烧开始后且排气门开启前；所述运算装置，根据所述第1时间与所述第2时间之间的所述控制参数的差分和所述第1时间与所述规定时间之间的所述控制参数的差分，计算出所述燃烧比例。
4.一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规定时间的热释放率；以及修正装置，其根据所述运算装置所算出的热释放率修正气缸内的燃烧开始时间。
5.如权利要求4所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述运算装置根据控制参数计算出所述规定时间的热释放率，其中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。
6.如权利要求5所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述运算装置，根据规定的两点间的所述控制参数的差分计算出所述热释放率。
7.一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而计算出规定时间的燃烧比例的步骤；以及(c)修正气缸内的燃烧开始时间，以使在步骤(b)中算出的燃烧比例与目标值一致的步骤。
8.如权利要求7所述的内燃机的控制方法，其特征在于，步骤(b)包括根据控制参数计算出所述规定时间的燃烧比例，其中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。
9.如权利要求8所述的内燃机的控制方法，其特征在于，所述规定时间设定在第1时间与第2时间之间，其中所述第1时间设定在进气门开启后且燃烧开始前，所述第2时间设定在所述燃烧开始后且排气门开启前；在步骤(b)中，根据所述第1时间与所述第2时间之间的所述控制参数的差分和所述第1时间与所述规定时间之间的所述控制参数的差分，计算出所述燃烧比例。
10.一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而计算出规定时间的热释放率的步骤；以及(c)根据在步骤(b)中算出的热释放率修正气缸内的燃烧开始时间的步骤。
11.如权利要求10所述的内燃机的控制方法，其特征在于，步骤(b)包括根据控制参数计算出所述规定时间的热释放率，其中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。
12.如权利要求11所述的内燃机的控制方法，其特征在于，步骤(b)包括根据规定的两点间的所述控制参数的差分计算出所述热释放率。
全文摘要
内燃机(1)通过在燃烧室(3)内燃烧燃料和空气的混合气来产生动力。该内燃机(1)具有曲柄转角传感器(14)、在曲柄转角传感器(14)所检测出的曲柄转角达到规定角度时检测气缸内压力的气缸内压力传感器(15)以及ECU(20)。该ECU(20)基于控制参数计算出规定时间的燃烧比例，其中所述控制参数是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的规定指数幂值之积，并修正各个火花塞(7)的点火时间，以使计算出的燃烧比例与目标值一致。
文档编号F02D35/02GK1823220SQ20048002060
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月17日
发明者守谷荣记, 三轮耕平 申请人:丰田自动车株式会社