专利名称：内燃机的控制装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及在燃烧室的内部，使燃料和空气的混合气体燃烧而产生动力的内燃机的控制装置及控制方法。
背景技术：
一直以来，作为内燃机的燃料喷射方法，熟知的方法是先预测需向燃烧室供给的燃料量，并向燃烧室供给预测量的燃料之后，在进气门关闭前，再次预测需向燃烧室供给的燃料量后，求出燃料的缺少量，并再次向燃烧室供给缺少量的燃料(例如，参照日本特开平1-285640号公报)。在该方法中，需向燃烧室供给的燃料量是利用基于各种参数计算出的进气管压力和内燃机转速来预测的。
但是，如上述现有示例所示，即使利用基于各种参数计算出的进气管压力和内燃机转速，也很难精确地预测出需向燃烧室供给的燃料量。因此，即使采用现有的方法，也会出现燃烧室中的混合气体的空燃比偏离目标值的现象。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种精确地求出所需燃料量，能够使燃烧室中的空燃比很好地接近目标值的内燃机的控制装置及控制方法。
本发明的内燃机的控制装置，是具有向燃烧室供给燃料的喷油器，在所述燃烧室的内部通过燃料和空气的混合气体燃烧而产生动力的内燃机的控制装置，其特征在于，包括缸内压力检测单元，用于检测所述燃烧室中的缸内压力；预计空气量推测单元，用于推测符合对所述内燃机要求的预计空气量；进气量计算单元，在压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时、基于由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力，计算吸入到所述燃烧室的空气量；燃料喷射控制单元，根据由所述预计空气量推测单元推测出的所述预计空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比小于等于目标值而确定的初始喷射量的燃料，并且，基于所述初始喷射量和利用所述进气量计算单元计算出的空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比与目标值一致而确定的补充喷射量的燃料。
本发明的内燃机的控制方法，是具有向燃烧室供给燃料的喷油器，在所述燃烧室的内部通过燃料和空气的混合气体燃烧而产生动力的内燃机的控制方法，其特征在于，包括(a)推测符合对所述内燃机要求的预计空气量的步骤；(b)根据所述预计空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比小于等于目标值而确定的初始喷射量的燃料的步骤；(c)基于压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时的所述燃烧室内的缸内压力，计算吸入到所述燃烧室的空气量的步骤；(d)基于所述初始喷射量和在步骤(c)中计算出的空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比与目标值一致而确定的补充喷射量的燃料的步骤。
图1为采用本发明的控制装置的内燃机简略构成图。
图2为用于说明图1的内燃机燃料喷射量设定程序的流程图。
图3为表示气门重叠时的预定正时的进气压力与气门重叠前或开始时的预定正时的缸内压力的比，和气门重叠时的预定正时的进气压力与排气压力的比之间关系的曲线图。
图4为表示气门重叠时的预定正时的进气压力与气门重叠前或开始时的预定正时的缸内压力之比，和气门重叠时的预定正时的进气压力与排气压力的比之间关系的曲线图。
图5为用于说明基于缸内压力对气门重叠时的预定正时的进气压力进行推测的程序流程图。
具体实施例方式
采用本发明的控制装置的内燃机中，例如，当到达进气门开启前的预定正时时，则利用预计空气量推测单元推测符合对内燃机要求的预计空气量。当推测出预计空气量后，燃料喷射控制单元控制喷油器根据预计空气量喷出使燃烧室中的混合气体的空燃比小于等于目标值的初始喷射量的燃料。然后，利用进气量计算单元，基于在压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时的燃烧室内的缸内压力，计算吸入到燃烧室的空气量。并且，当计算出进气量后，燃料喷射控制单元基于该进气量和所述初始喷射量，从喷油器喷出使燃烧室中混合气体的空燃比与目标值一致的补充喷射量的燃料。
这样，在该控制装置中，基于压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时的燃烧室内的缸内压力，计算出吸入到燃烧室的空气量。此时，压缩行程中的缸内压力表现出相对较高的值，不受缸内压力检测单元(缸内压力传感器)的检测精度以及缸内压力数据的分解度等的影响，就能够精确地检测出来。因此，若利用压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时的燃烧室内的缸内压力，就可以精确地求出吸入到燃烧室的空气量。由此，若利用由预计空气量确定的初始喷射量和计算出的进气量，确定了补充喷射量、即相对于原本所需的燃料喷射量的燃料缺少量，就可以使初始喷射量与补充喷射量之和很好地接近于、根据内燃机所需和目标空燃比而理论上确定的燃料喷射量。
另外，由于所述初始喷射量是以使燃烧室中的混合气体的空燃比小于等于目标值的方式而确定的，因此在初始喷射量的燃料供给到燃烧室时，不会在燃烧室内存在过剩的燃料，而是在补充喷射量的燃料供给到燃烧室时，才向燃烧室内导入对应于目标空燃比的量的燃料。其结果是，根据本发明的内燃机的控制装置，可以精确地求出所需的燃料量，使燃烧室中的空燃比很好地接近于目标值。
此时，优选为，喷油器是向所述燃烧室内部直接喷射燃料的缸内喷射用喷油器，初始喷射量比补充喷射量大，初始喷射量的燃料由喷油器在进气行程中喷射到燃烧室内，补充喷射量的燃料由喷油器在压缩行程中喷射到燃烧室内。
这样，通过减少压缩行程中需向燃烧室内喷射的燃料量，可以抑制所谓的伴随着实行高压喷射而产生的成本上升。
另外，优选使内燃机具有可改变进气门及排气门中的至少任意一个的开启特性的气门机构，本发明的控制装置还具有计算由进气门和排气门的气门重叠引起的缸内压力变化量的缸内压力变化量计算单元，进气量计算单元基于压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时、由缸内压力检测单元检测出的缸内压力，以及由缸内压力变化量计算单元计算出的缸内压力的变化量，来计算吸入到燃烧室内的空气量。
当设定了进气门和排气门的气门重叠时，由该气门重叠引起的残留在燃烧室中的残留废气的量Me通过下述公式(1)表示，其中，气门重叠的预定正时(曲轴转角为θ1时的时刻)的进气压力为Pm(θ1)、该预定正时的排气压力为Pe(θ1)、此时的排气温度为Te、气体常数为R(J/(kg·K))。
Me=S·φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))·Pe(θ1)/R·Te···(1)]]>在上述公式(1)中，S表示废气通过有效面积，即，在气门重叠时的允许废气通过的有效面积。该废气通过有效面积S通过下述公式(2)表示。其中，在公式(2)中，Ne(θ1)是曲轴转角为θ1时的内燃机转速。另外，Ri是进气门Vi的阀体直径，Re是排气门Ve的阀体直径，Li(θ)是进气门Vi的升程量，Le(θ)是排气门Ve的升程量，IVO是进气门Vi开启时的曲轴转角，EVC是排气门Ve关闭时的曲轴转角。再有，在公式(2)中，将(Li(θ)·Le(θ))从IVO到EVC进行积分而得到的值(∫(Li(θ)·Le(θ))dθ)是利用可变气门正时机构、对应提前角量(VVT提前角量)而确定的值。
另外，在上述公式(1)中，φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))是与进气压力和排气压力之比有关的参数项，一般由下述公式(3)表示，当Pm(θ1)/Pe(θ1)的值较小时，则由下述公式(4)表示。其中，在公式(3)以及公式(4)中，k为比热容比。
当Pm(θ1)Pe(θ1)≥(2k+1)kk-1]]>时，φ(Pm(θ1)Pe(θ1))=2kk-1·{(Pm(θ1)Pe(θ1))2k-(Pm(θ1)Pe(θ1))k+1k}···(3)]]>当Pm(θ1)Pe(θ1)<(2k+1)kk-1]]>时，φ(Pm(θ1)Pe(θ1))=k·(2k+1)k+1k-1···(4)]]>另一方面，通过实验确认到由气门重叠引起的残留在燃烧室内的残留废气量Me，与由于气门重叠引起的缸内压力的变化量ΔPc之间成立有下述公式(5)所示的关系。由此，根据上述公式(1)及公式(5)，缸内压力的变化量ΔPc基于由气门重叠引起的残留在燃烧室内的残留废气量Me，如下述公式(6)所示。其中，在公式(6)中，α是通过实验确定的常数。并且，利用该缸内压力的变化量ΔPc，和在压缩行程中(进气门关闭后)且在燃烧开始前(火花点火前或压缩着火前)的预定正时(曲轴转角为θ2时的时间)、利用缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ2)，可以将吸入到燃烧室内的空气量Mair通过下述公式(7)表示。其中，在公式(7)中，β是通过实验确定的常数。
ΔPc∝Me·Te···(5)]]>ΔPc＝α·S·φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))·Pe(θ1)···(6)Mair＝β·(Pc(θ2)-ΔPc) ··(7)因此，如根据本发明的内燃机所执行的，只要获得气门重叠的预定正时的进气压力Pm(θ1)、排气压力Pe(θ1)、以及内燃机转速Ne(θ1)、和在压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时检测出的缸内压力Pc(θ2)，则不需使用大量的传感器，就可以低成本且精确地计算出吸入到燃烧室内的空气量。
另外，如上所述，在基于气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)计算由气门重叠引起的缸内压力的变化量ΔPc时，优选根据在气门重叠前或开始时(在曲轴转角为θ0时的时刻)、缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ0)，来推测排气压力Pe(θ1)。
即，为了气门重叠而开启进气门之前以及进气门开启时的排气压力基本与缸内压力一致，只要内燃机的负荷不是很大，为了气门重叠而开启进气门前后的排气压力变化很小。因此，可以基于气门重叠前或者开始时、缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ0)来推测气门重叠时的排气压力Pe(θ1)，只要是内燃机处于低负荷，例如可以认为Pe(θ1)＝Pc(θ0)。由此，因为不需要检测排气压力的传感器，从而可以降低计算吸入到燃烧室内的空气量所需的成本。
另一方面，当内燃机的负荷增大到一定程度时，由于排气脉动等影响，使得在气门重叠时排气压力变化加大，则难以用在气门重叠前或者开始时、通过缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ0)来代替气门重叠时的排气压力Pe(θ1)。
即，在内燃机的负荷升到一定程度之前，代入到上述公式(3)中的函数φ的气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)的比，基本与气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和在气门重叠前或者开始时检测出的缸内压力Pc(θ0)的比一致，二者的值随着负荷的增大而一起增加。与此相对，当进气压力Pm(θ1)和缸内压力Pc(θ0)的比高于通过实验以及经验确定的预定值ε时，Pm(θ1)/Pe(θ1)＝Pm(θ1)/Pc(θ0)的关系将不再成立。
因此，优选为，当进气压力Pm(θ1)和缸内压力Pc(θ0)的比值高于预定值ε时，假设使气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)的比值固定为所述预定值ε，并且基于气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和所述预定值ε、将气门重叠时的排气压力Pe(θ1)确定为Pe(θ1)＝Pm(θ1)/ε。由此，在没有实测气门重叠时的排气压力的情况下，即使内燃机的负荷增大，也不会受到气门重叠的排气压力变化的影响，能够精确地计算出吸入到燃烧室内的空气量。
并且，对于具有多个燃烧室的内燃机，可以对每个燃烧室都设置缸内压力检测单元，此时，优选分别计算出每个燃烧室的缸内压力的变化量ΔPc，基于各燃烧室的缸内压力的变化量ΔPc，和利用各缸内压力检测单元、在压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时检测出的各燃烧室中的缸内压力Pc(θ2)，来计算吸入到各燃烧室的空气量。由此，因为可以精确地掌握燃烧室间的进气量的偏差，所以能够提高对于各燃烧室的空燃比控制等的精度。
另外，任何一个燃烧室的气门重叠时的进气压力，都可以根据先于该燃烧室执行进气行程的燃烧室的进气下止点的缸内压力来进行推测。
通常，进气压力和缸内压力在进气下止点时基本相等。并且，在某一个燃烧室中执行气门重叠的时间基本与比该燃烧室仅提前1/N循环(其中，进气、压缩、膨胀、排气的4个行程为1个循环，N表示气缸数)执行进气行程的燃烧室中的进气下止点到来的时间一致。因此，基于上述内容，通过缸内压力来推测进气压力，从而不需要检测进气压力用的传感器，因而能够进一步降低计算吸入到各燃烧室的空气量所需的成本。
下面，参照附图对本发明的具体实施方式
进行详细的说明。
图1为采用本发明的控制装置的内燃机的简略构成图。该图所示的内燃机1，在形成于气缸体2内的燃烧室3的内部，使燃料以及空气的混合气体燃烧，通过使活塞4在燃烧室3内往复运动从而产生动力。内燃机1优选构成为多气缸发动机，本实施方式的内燃机1例如构成为4气缸发动机。
各燃烧室3的进气口分别与进气管5(进气歧管)连接，各燃烧室3的排气口分别与排气管6(排气歧管)连接。并且，在内燃机1的气缸盖上，对每个燃烧室3配置有进气门Vi以及排气门Ve。各进气门Vi开闭对应的进气口，各排气门开闭对应的排气口。通过包括可变气门正时机构的气门机构VM，实现各进气门Vi以及各排气门Ve的开闭。进一步，内燃机1具有对应气缸数量的火花塞7，且火花塞7朝向各自的燃烧室3内部、配置在气缸盖上。
如图1所示，进气管5与稳压箱8连接。在稳压箱8上连接有进气路L1，进气路L1通过空气滤清器9与未图示的进气口连接。并且，在进气路L1的中间(稳压箱8和空气滤清器9之间)安装有节气门10(在本实施方式中为电控式节气门)。另一方面，如图1所示，在排气管6上连接有，例如含有三效催化剂的前置催化剂装置11a以及例如含有NOx吸收还原催化剂的后置催化剂装置11b。
进一步，内燃机1具有多个喷油器12，如图1所示，各喷油器12朝向对应的燃烧室3内部、配置在气缸盖上。并且，内燃机1的各活塞4构成为所谓的盆状顶面型，在其上面具有凹部4a。而且，内燃机1中，在各燃烧室3内吸入了空气的状态下，汽油等燃料从各喷油器12直接喷向各燃烧室3内的活塞4的凹部4a。由此，在内燃机1中，由于火花塞7附近的燃料和空气的混合气体的层以与周围的空气层分离的状态形成(成层化)，因此能够实现使用极其稀薄的混合气体进行稳定的成层燃烧。
上述各火花塞7、节气门10、各喷油器12以及气门机构VM等，与作为内燃机1的控制装置使用的ECU20电连接。ECU20包括未图示的CPU、ROM、RAM、输入输出口、以及存储装置等。如图1所示，在ECU20上电连接有以曲轴转角传感器14为代表的各种传感器。ECU20利用存储在存储装置中的各种模型等，并且基于各种传感器的检测值等，对火花塞7、节气门10、喷油器12、以及气门机构VM进行控制，以获得所需的输出功率。
另外，内燃机1具有对应气缸数的包含半导体元件、压电元件、磁致伸缩元件或光纤检测元件等的缸内压力传感器15(缸内压力检测单元)。各缸内压力传感器15，其受压面朝向各自的燃烧室3内部、配置在气缸盖上，经由未图示的A/D转换器等与ECU20电连接。各缸内压力传感器15将施加在燃烧室3内其受压面的压力(缸内压力)，以相对于大气压的相对值输出，将与施加在其受压面的压力(缸内压力)对应的电压信号(表示检测值的信号)传给ECU20。
进一步，内燃机1具有对稳压箱8内的进气压力(进气压)作为绝对压力进行检测的进气压传感器16。进气压传感器16也是经由未图示的A/D转换器等与ECU20形成电连接，将表示检测出的稳压箱8内的进气的绝对压力的信号传给ECU20。其中，曲轴转角传感器14、进气压传感器16的检测值，每隔微小时间就依次传给ECU20，按照预定的量分别存储在ECU20的预定存储区(缓冲存储区)中。另外，各缸内压力传感器15的检测值(缸内压力)，在根据进气压传感器16的检测值，进行绝对压力修正之后，按照预定的量分别存储在ECU20的预定存储区(缓冲存储区)中。
接着，参照图2对上述内燃机1的燃料喷射量的设定顺序进行说明。当内燃机1被启动时，每个燃烧室3通过ECU20反复执行图2所示的燃料喷射量设定程序。当到达某一燃烧室(作为对象的燃烧室)3的进气门Vi开启前的预定正时时，ECU20首先基于来自未图示的用于检测油门踏板踏入量(操作量)的油门位置传感器的信号，确定对应于油门踏板踏入量的目标扭矩，并且根据预先确定的模型等，获取(推测)对应于目标扭矩的、燃烧室3的进气量的预测值即预计空气量(S10)。
进一步，ECU20通过S12获取根据运行条件而确定的目标空燃比，并且根据S10中获取的预计空气量，求出从各喷油器12喷射出的、使燃烧室3中的混合气体的空燃比小于等于目标空燃比的燃料量(初始喷射量)fi。在本实施方式中，初始喷射量fi设定为由预计空气量和目标空燃比确定的量的例如80％。然后，在进气门Vi开启之后，当到达进气行程中的预定正时时，ECU20控制喷油器12开启，使设置在对象燃烧室3上的喷油器12喷射出初始喷射量fi的燃料(S12)。其中，在本实施方式中，通过ECU20，各燃烧室3中的混合气体的空燃比基本保持在理论空燃比附近，目标空燃比定为约14.7。当S12的处理结束后，ECU20对进气门Vi的开启时间是否设有提前角进行判断(S14)。
当ECU20通过S14判断出进气门Vi的开启时间设有提前角时，则ECU20针对作为对象的燃烧室3，从预定的存储区中读取在进气门Vi和排气门Ve的气门重叠前或开始时的预定正时(曲轴转角为θ0时的时刻)、利用缸内压力传感器15检测出的缸内压力Pc(θ0)，并且，读取在进气门Vi和排气门Ve的气门重叠时的预定正时(曲轴转角为θ1时的时刻)、利用进气压传感器16检测出的进气压力Pm(θ1)(S16)。另外，通过S16，ECU20基于在气门重叠时的预定正时(曲轴转角为θ1时的时刻)的曲轴转角传感器14的检测值，求出在曲轴转角为θ1时的内燃机转速Ne(θ1)，并且通过气门机构VM获取在曲轴转角为θ1时的VVT提前角量。
在本实施方式中，进气门Vi和排气门Ve的气门重叠前或开始时的预定正时是指，气门重叠的开始时即进气门Vi开启时、曲轴转角例如θ0＝上止点前20°时的正时。另外，进气门Vi和排气门Ve的气门重叠时的预定正时是指，曲轴转角例如θ1＝上止点前10°(排气上止点前10°)时的正时。当通过S20获取了曲轴转角为θ0时的缸内压力Pc(θ0)、和曲轴转角为θ1时的进气压力Pm(θ1)时，ECU20针对对象燃烧室3，求出进气压力Pm(θ1)和缸内压力Pc(θ0)之比Pm(θ1)/Pc(θ0)的值，并且对Pm(θ1)/Pc(θ0)的值是否小于等于预定的阈值ε(在本实施方式中，ε＝0.95)进行判断(S18)。
此时，在进气压力Pm(θ1)与缸内压力Pc(θ0)之比Pm(θ1)/Pc(θ0)，和作为上述公式(3)中使用的参数、即进气压力Pm(θ1)与排气压力Pe(θ1)之比Pm(θ1)/Pe(θ1)之间，成立如图3所示的关系。即，在内燃机1的负荷不是很大的范围内，Pm(θ1)/Pe(θ0)的值和Pm(θ1)/Pc(θ0)的值，随着负荷的增大而分别增加，从而形成Pm(θ1)/Pe(θ0)＝Pm(θ1)/Pc(θ0)的关系。
即，在为了气门重叠而开启进气门Vi前以及开启时，排气压力基本与缸内压力一致，只要内燃机1的负荷不是很大，为了气门重叠而开启进气门Vi前后的排气压力变化较小。因此，在内燃机1的负荷不是很大的范围内，可以基于在气门重叠前或开始时，即通过在曲轴转角为θ0时的由缸内压力传感器15检测出的缸内压力Pc(θ0)，推测气门重叠时、即曲轴转角为θ1时的排气压力Pe(θ1)，可以认为Pe(θ1)＝Pc(θ0)、Pm(θ1)/Pe(θ0)＝Pm(θ1)/Pc(θ0)。
与此相对，当内燃机1的负荷增大到一定程度时，由于排气脉动等的影响，使得用于气门重叠的开启进气门Vi前后的排气压力变化加大。即，当内燃机1的负荷增大至一定程度、进气压力Pm(θ1)和缸内压力Pc(θ0)的比Pm(θ1)/Pc(θ0)大于等于预定值ε时，Pm(θ1)/Pe(θ1)＝Pm(θ1)/Pc(θ0)的关系将不再成立，难以用在气门重叠前或者开始时、利用缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ0)来代替气门重叠时的排气压力Pe(θ1)。
鉴于这些问题，在内燃机1内，当通过S18判断出各燃烧室3中Pm(θ1)/Pc(θ0)的值小于等于上述阈值ε时，则气门重叠时的排气压力Pe(θ1)，由在气门重叠前或者开始时的缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ0)来代替，通过ECU20设定为Pe(θ1)＝Pc(θ0)(S20)。另外，当通过S18判断出各燃烧室3中Pm(θ1)/Pc(θ0)的值大于上述阈值ε时，则通过ECU20，利用上述阈值ε将气门重叠时的排气压力Pe(θ1)设定为Pe(θ1)＝Pm(θ1)/ε(S22)。即，在S22的处理中，将气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)的比，假设成固定于作为安全值的阈值ε(在本实施方式中为0.95)，气门重叠时的排气压力Pe(θ1)，则基于气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和阈值ε确定。
当执行S20或者S22的处理后，ECU20利用预先确定的函数公式或者模型，来确定对应于S16中获得的VVT提前角的∫(Li(θ)·Le(θ))dθ的值，再利用该值和通过S16获得的内燃机转速Ne(θ1)，从上述公式(2)计算出废气通过有效面积S(S24)。当求出废气通过有效面积S后，ECU20对通过S16获得的进气压力Pm(θ1)除以S20或S22中设定的气门重叠时的排气压力Pe(θ1)之后的值，是否大于等于阈值(2/(k+1))k/(k-1)进行判断(S26)。在本实施方式中，作为阈值(2/(k+1))k/(k-1)，使用例如k＝1.32而获得的常数。
如上所述，表示计算由气门重叠引起的缸内压力变化量ΔPc时所需的、φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))的公式，对应Pm(θ1)/Pe(θ1)的值而变化。因此，当ECU20通过S26判断出Pm(θ1)/Pe(θ1)的值大于等于所述阈值时，利用上述公式(3)计算φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))的值(S28)。另外，当ECU20通过S26判断出Pm(θ1)/Pe(θ1)的值小于所述阈值时，则利用上述公式(4)计算φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))的值(S30)。
当通过S24求出废气通过有效面积S，并且通过S28或S30求出φ(Pm(θ1)/Pe(θ1))的值后，ECU20利用上述公式(6)，计算对象燃烧室3中由气门重叠引起的缸内压力的变化量ΔPc(S32)。在S32的处理之后，对于作为对象的燃烧室3，ECU20从预定的存储区中读取在压缩行程中且在点火前正时的曲轴转角为θ2时、利用缸内压力传感器15检测出的缸内压力Pc(θ2)(S34)。其中，在本实施方式中，压缩行程中且点火前的预定正时是指，曲轴转角为例如θ2＝上止点前50°(压缩上止点前50°)的正时。
然后，ECU20利用上述公式(7)，根据通过S32求出的缸内压力的变化量ΔPc和通过S34获得的缸内压力Pc(θ2)，计算对象燃烧室3的进气量Mair(S36)。这样，在内燃机1中，通过获得气门重叠时的预定正时的进气压力Pm(θ1)、排气压力Pe(θ1)、以及内燃机转速Ne(θ1)、和在压缩行程中且在点火前的预定正时检测出的缸内压力Pc(θ2)，即使在设定了气门重叠的情况中，也无需使用大量的传感器，可以低成本且精确地计算出吸入到各燃烧室3内部的空气量。
另外，在内燃机1中，当负荷比较低，且通过S18判断出Pm(θ1)/Pc(θ0)的值小于等于阈值ε时，气门重叠时的排气压力Pe(θ1)则由在气门重叠前或者开始时、利用缸内压力检测单元检测出的缸内压力Pc(θ0)来代替。由此，因为不需要用于实际测量排气压力的传感器，从而可以降低计算吸入到各燃烧室3的空气量所需的成本。
并且，在省略了用于实测排气压力的传感器的内燃机1中，当负荷增大，且通过S18判断出Pm(θ1)/Pc(θ0)的值大于阈值ε时，在将气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)的比，假设固定为用作所谓安全值的阈值ε(在本实施方式中为0.95)的基础上，基于阈值ε确定(S22)气门重叠时的排气压力Pe(θ1)。这样，在内燃机1的负荷增大以后，进气压力和排气压力的差较小，并且，由于残留废气本身也变少了，因此即使执行如S22的处理，也不会受到由排气压力变化造成的影响，能够精确地计算出吸入到各燃烧室3内的空气量，在实用性上可以获得良好的结果。
再有，在具有多个燃烧室3、和在每个燃烧室3上设置缸内压力传感器15的内燃机1中，对每个燃烧室3计算出缸内压力的变化量ΔPc，并基于各燃烧室3的缸内压力变化量ΔPc、和利用各缸内压力传感器15检测出的各燃烧室3的缸内压力Pc(θ2)，来计算出吸入到各燃烧室3的空气量。由此，可以精确地掌握燃烧室3之间的进气量的偏差，能够提高对于各燃烧室3的空燃比控制等的精度。
当通过S36计算出吸入到对象燃烧室3中的空气量Mair后，ECU20基于该进气量Mair和通过S12确定的初始喷射量fi确定补充喷射量fc，以使燃烧室3的混合气体的空燃比与目标空燃比(理论空燃比)一致(S38)。即，在S38中，ECU20通过从进气量Mair和目标空燃比确定的原本所需燃料量中减去上述初始喷射量fi，来求出补充喷射量fc。然后，ECU20在进气门Vi关闭后，当到达压缩行程中的预定正时时，将该喷油器12开启，而从设置在对象燃烧室3上的喷油器12喷射出补充喷射量fc的燃料(S38)。
这样，只要利用根据预计空气量确定的初始喷射量fi、和进气的算出量Mair，确定出补充喷射量即相对于原本所需的燃料喷射量的燃料不足量，就可以使初始喷射量fi与补充喷射量fc之和很好地接近于、根据内燃机1的所需和目标空燃比而理论上确定的燃料喷射量。并且，如上所述，由于初始喷射量fi是使燃烧室3中的混合气体的空燃比小于等于目标值而确定的，因此不会出现在初始喷射量fi的燃料供给到燃烧室3时，燃烧室3内存在过剩的燃料的问题，在补充喷射量fc的燃料供给到燃烧室3时，才向燃烧室3内导入了对应目标空燃比的量的燃料。其结果是，通过执行图2所示的程序，可以精确地求出所需的燃料量，并且使燃烧室3中的空燃比很好地接近于目标空燃比。
并且，由于在进气行程中喷射到燃烧室内的燃料量即初始喷射量fi，设为由预计空气量和目标空燃比确定的量的80％，从而比在压缩行程中喷射到燃烧室内的燃料量即补充喷射量多。因此，在内燃机1中，减少了在压缩行程中需向燃烧室3内喷射的燃料量，可以抑制伴随实行所谓的高压喷射的成本上升。
另一方面，当通过S18判断出进气门Vi的开启时间没有设置提前角、没有设置进气门Vi和排气门Ve的气门重叠时，则ECU20将预备在S36中使用的缸内压力的变化量ΔPc设定为零(S40)。由此，当没设置气门重叠时，在S36中仅基于通过S34获得的缸内压力Pc(θ2)，来计算出吸入到各燃烧室3内的空气量Mair。此时，压缩行程中的缸内压力表现出相对较高的值，不受缸内压力传感器15的检测精度以及缸内压力数据的分解度等影响，就能够精确地检测出来。因此，只需利用压缩行程中且在点火前的预定正时的燃烧室3内的缸内压力，就可以精确地求出吸入到燃烧室3的空气量。
在没有设置气门重叠的情况中，也是在S36的处理之后，ECU20通过S38，基于进气量Mair和S12中确定的所述初始喷射量fi来确定使燃烧室3中的混合气体的空燃比与目标空燃比(理论空燃比)一致的补充喷射量fc。然后，ECU20在进气门Vi关闭后，当到达压缩行程中的预定正时时，将该喷油器12开启，以从设置在作为对象的燃烧室3上的喷油器12喷射出补充喷射量fc的燃料(S38)。
其中，本实施方式的内燃机1以所谓的直喷发动机进行了说明，但并不局限于此，本发明当然适用于进气管(进气口)喷射式内燃机，或者每个燃烧室具有进气口喷射用喷油器和缸内喷射用喷油器的内燃机。
另外，在上述内燃机1中，当在S18中进行了否定判断时，将气门重叠时的进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)的比，假设为固定在作为安全值的阈值ε，但是并不局限于此。即，如图4所示，进气压力Pm(θ1)和缸内压力Pc(θ0)的比Pm(θ1)/Pc(θ0)，与进气压力Pm(θ1)和排气压力Pe(θ1)的比Pm(θ1)/Pe(θ1)的关系，也可以使用多个函数来进行近似。
在图4的示例中，Pm(θ1)/Pc(θ0)和Pm(θ1)/Pe(θ1)的关系是利用两条直线进行近似的，在0≤Pm(θ1)/Pc(θ1)≤ε1(其中，ε1是通过实验和经验确定的常数)的范围内，则Pm(θ1)/Pe(θ1)＝Pm(θ1)/Pc(θ0)，而在ε1≤Pm(θ1)/Pc(θ1)≤1.0的范围内，Pm(θ1)/Pe(θ1)则由下述公式(8)表示(其中，公式(8)中的ε2是通过实验和经验确定的常数，且ε2＞ε1)。
在这种采用近似法时，当在图2的S18中作出了否定判断时，则通过S22按照下述公式(9)来设定Pe(θ1)的值。
Pm(θ1)/Pe(θ1)=ϵ2-ϵ11-ϵ1·(Pm(θ1)/Pc(θ0)-ϵ1)+ϵ1···(8)]]>Pe(θ1)=Pm(θ1){ϵ1+ϵ2-ϵ11-ϵ1·(Pm(θ1)Pc(θ0)-ϵ1)}···(9)]]>另外，本实施方式中，在稳压箱8上设置了用于检测进气压力的进气压传感器16，但也可以省略进气压传感器16，可以基于缸内压力来推测气门重叠时的预定正时(曲轴转角为θ1时的时间)的进气压力Pm(θ1)。
即，进气压力和缸内压力在进气下止点处基本相等。并且，在4气缸发动机的情况下，对于某一个燃烧室3执行气门重叠的时间，基本与比该燃烧室3仅提前1/4循环(180°)执行进气行程的燃烧室3中的进气下止点到来的时间一致。因此，基于上述内容，某一个燃烧室3的气门重叠时的进气压力可以基于比该燃烧室3仅提前1/4循环(180)执行进气行程的燃烧室3的进气下止点的缸内压力来推测。由此，不需要用于检测进气压力的进气压传感器16，可以进一步降低计算吸入到各燃烧室3的空气量所需的成本。
图5为根据缸内压力对气门重叠时预定正时的进气压力进行推测的程序流程图。图5的程序是通过ECU20在例如图2的S14前的预定正时执行的。此时，ECU20从预定的存储区读取比对象燃烧室3仅提前1/4循环执行进气行程的燃烧室(先行燃烧室)3的、最近的进气下止点的缸内压力传感器15的检测值Pc(θBDC)(S100)。接着，ECU20从预定的存储区读取比对象燃烧室3仅提前1/4循环执行进气行程的燃烧室(先行燃烧室)3的、上述进气下止点后的压缩行程中预定两点的缸内压力传感器15的检测值Pc(θa)、Pc(θb)(S102)。其中，曲轴转角θa以及θb，只要选择包含在压缩行程中的，则各自的值可以是任意取得。
这里，当省略了进气压传感器时，由于缸内压力传感器15的输出(相对压力)无法基于进气压传感器16的检测值来进行绝对压力修正，因此缸内压力传感器15的检测值Pc(θa)、Pc(θb)不经绝对压力修正而直接(以表示相对压力的形式)存储到上述存储区中。这里，若将曲轴转角为θa时的绝对压力修正后的缸内压力(实际值)作为Pa、曲轴转角为θb时的经过绝对压力修正后的缸内压力(实际值)作为Pb、缸内压力传感器15的绝对压力修正值作为Pr，则Pa＝Pc(θa)+Pr、Pb＝Pc(θb)+Pr。另外，若将内燃机的压缩行程看成是隔热过程，比热容比为k的情况，则成立有Pa·Vk(θa)＝Pb·Vk(θa)的关系式，该关系可以用下述公式(10)表示。并且，用公式(10)对绝对压力修正值Pr进行求解时，则绝对压力修正值Pr如下述公式(11)所示。
(Pc(θa)+Pr)·Vk(θa)＝(Pc(θb)+Pr)·Vk(θb)···(10)Pr=Pc(θb)·Vk(θb)-Pc(θa)·Vk(θa)Vk(θa)-Vk(θb)···(11)]]>因此，ECU20在S102的处理之后，通过上述公式(11)，使用先行燃烧室3的压缩行程中预定两点的缸内压力传感器15的检测值Pc(θa)、Pc(θb)，和该预定两点的缸内容积V(θa)、V(θb)，计算出设置在先行燃烧室3中的缸内压力传感器15的绝对压力修正值Pr(S104)。其中，在S104中使用的缸内容积V(θa)、V(θb)的值是预先计算出来并且存储在存储装置中的，ECU20从存储装置中读取上述缸内容积V(θa)、V(θb)的值，以用于S20的处理。
当通过S104求出绝对压力修正值Pr后，ECU20使用S100中获得的进气下止点的缸内压力传感器15的检测值Pc(θBDC)、和S104中求出的绝对压力修正值Pr，来计算出对象燃烧室3的气门重叠时的进气压力Pm(θ1)(S106)。即，某一燃烧室3的气门重叠时的进气压力Pm(θ1)，在当比该燃烧室3仅提前1/4循环(N气缸发动机时，为1/N循环)执行进气行程的燃烧室3的进气下止点的缸内压力为Pc-180(θBDC)时，则可以通过Pm(θ1)＝Pr+Pc-180(θBDC)计算出来。这样，通过执行图5的程序，不需使用用于检测进气压力的进气压传感器，基于缸内压力P(θ)和缸内容积V(θ)、(基于缸内压力P(θ)，与将缸内容积V(θ)用比热容比(预定的指数)k次方后的值Vk(θ)的乘积P(θ)·Vk(θ))，就可精确地计算出吸入到各燃烧室3的空气量。
工业上的可利用性利用本发明可精确地求出所需的燃料量，使燃烧室中的空燃比更好地接近于目标值。
权利要求
1.一种内燃机的控制装置，是具有向燃烧室供给燃料的喷油器，在所述燃烧室的内部使燃料和空气的混合气体燃烧而产生动力的内燃机的控制装置，其特征在于，包括缸内压力检测单元，用于检测所述燃烧室的缸内压力；预计空气量推测单元，推测符合对所述内燃机要求的预计空气量；进气量计算单元，其基于在压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力，计算吸入到所述燃烧室的空气量；燃料喷射控制单元，根据由所述预计空气量推测单元推测出的所述预计空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比小于等于目标值而确定的初始喷射量的燃料，并且，基于所述初始喷射量和由所述进气量计算单元计算出的空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比与目标值一致而确定的补充喷射量的燃料。
2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述喷油器是向所述燃烧室内部直接喷射燃料的缸内喷射用喷油器，所述初始喷射量比所述补充喷射量大，所述初始喷射量的燃料由所述喷油器在进气行程中喷射到所述燃烧室内，所述补充喷射量的燃料由所述喷油器在压缩行程中喷射到所述燃烧室内。
3.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述内燃机具有可改变进气门及排气门中的至少一个的开启特性的气门机构，还具有计算由所述进气门和所述排气门的气门重叠引起的缸内压力变化量的缸内压力变化量计算单元，所述进气量计算单元基于在压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时通过所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力，以及利用所述缸内压力变化量计算单元计算出的所述缸内压力变化量，计算吸入到所述燃烧室内的空气量。
4.如权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述缸内压力变化量计算单元基于因所述进气门和所述排气门的气门重叠而引起的残留在所述燃烧室内的残留废气量，计算吸入到所述燃烧室内的空气量。
5.如权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述缸内压力变化量计算单元基于所述气门重叠时的进气压力和排气压力，计算由所述气门重叠引起的缸内压力变化量，而所述气门重叠时的排气压力根据所述气门重叠前或者开始时由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力，进行推测。
6.如权利要求5所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述气门重叠时的进气压力与在所述气门重叠前或者开始时检测出的缸内压力的比值大于预定值之前，将该缸内压力当作所述气门重叠时的排气压力，而另一面，当所述气门重叠时的进气压力与在所述气门重叠前或者开始时检测出的缸内压力的比值大于预定值时，则基于所述气门重叠时的进气压力和所述预定值，来确定所述气门重叠时的排气压力。
7.如权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述内燃机具有多个所述燃烧室，并且每个所述燃烧室都具有所述缸内压力检测单元，所述缸内压力变化量计算单元对每个所述燃烧室的所述缸内压力变化量分别进行计算，所述进气量计算单元基于所述各缸内压力检测单元检测出的所述各燃烧室的缸内压力、和所述缸内压力变化量计算单元计算出的所述各燃烧室的所述缸内压力变化量，来计算吸入到所述各燃烧室内的空气量。
8.如权利要求3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，所述内燃机具有多个所述燃烧室，并且每个所述燃烧室都具有所述缸内压力检测单元，任何一个燃烧室的所述气门重叠时的进气压力，根据先于该燃烧室执行进气行程的燃烧室的进气下止点的缸内压力来进行推测。
9.一种内燃机的控制方法，是对具有向燃烧室供给燃料的喷油器，在所述燃烧室的内部使燃料和空气的混合气体燃烧而产生动力的内燃机的控制方法，其特征在于，包括(a)推测符合对所述内燃机要求的预计空气量的步骤；(b)根据所述预计空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比小于等于目标值而确定的初始喷射量的燃料的步骤；(c)基于压缩行程中且在燃烧开始前的预定正时的所述燃烧室内的缸内压力，计算吸入到所述燃烧室的空气量的步骤；(d)基于所述初始喷射量，和步骤(c)中计算出的空气量，从所述喷油器喷出使所述燃烧室中的混合气体的空燃比与目标值一致而确定的补充喷射量的燃料的步骤。
全文摘要
内燃机(1)的ECU(20)推测符合对内燃机(1)要求的预计空气量，并根据预计空气量，使喷油器(12)喷出使燃烧室(3)中的混合气体的空燃比小于等于目标值而确定的初始喷射量的燃料，然后，基于压缩行程中且在点火前的预定正时的燃烧室(3)内的缸内压力计算吸入到燃烧室(3)的空气量，再基于计算出的进气量和初始喷射量，使喷油器(12)喷出使燃烧室(3)中的混合气体的空燃比与目标值一致而确定的补充喷射量的燃料。
文档编号F02D43/00GK101061298SQ20058003962
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月18日 优先权日2004年11月18日
发明者守谷荣记 申请人:丰田自动车株式会社