发动机的控制设备的制作方法

本发明涉及一种发动机的控制设备，并且特别地，涉及一种防止进气窜气的控制设备以在高海拔低压环境下提供足够量的空气。

背景技术：

在高海拔低压环境下，减少的空气密度导致进入汽缸的空气大量减少，致使发动机输出减少。这不利地阻止了车辆响应于加速器的按压而适当地加速，从而降低了驾驶性能。此外，在这种情况下，当驾驶员超过必要地按压加速器时，由于注入过量燃料而产生的烟灰不利地沉积在进气端口等处。

为了抑制这种降低的发动机输出和在高海拔处的烟灰沉积，例如，已经提出了日本专利公开no.2017-25770中的技术。当发动机处于高海拔低压环境下的高负载和低转速区域时，该技术可控地改变并增加进气和排气重叠量。这允许实现适当的发动机输出并且防止烟灰沉积。

然而，如日本专利公开no.2017-25770中的技术那样，通过进气和排气重叠量的简单增加不能可靠地提供适当的发动机输出。此外，发动机输出不足不可避免地促使驾驶员超过必要地按压加速器。这不利地排除了防止由于注入过量燃料而导致的烟灰沉积。

技术实现要素：

鉴于这些问题，本发明的目的是提供一种发动机的控制设备，该控制设备能够在高海拔的低压环境下抑制进气窜气并提供足够量的空气以抑制发动机输出降低。

为了实现该目的，本发明的一个方面提供了一种用于发动机的控制设备，该发动机包括可变气门正时机构，该可变气门正时机构能够改变进气阀和排气阀中的至少一个的开启和关闭正时以调节进气和排气重叠量，控制设备包括：检测装置，其用于检测大气压；第一计算装置，其用于计算发动机的目标转矩；增加装置，其基于由第一计算装置计算出的目标转矩计算进气和排气重叠量，并且其基于由检测装置检测到的大气压，与常压环境下的重叠量相比在低压环境下增加重叠量；第二计算装置，其用于基于由检测装置检测到的大气压计算用于限制低压环境下的重叠量增加的增加限制量；限制装置，其用于基于由第二计算装置计算出的增加限制量限制由增加装置计算出的重叠量的增加；和驱动控制装置，其用于可控制地驱动可变气门正时机构以实现由限制装置的限制导致的重叠量。

如上所述构造的发动机的控制设备基于目标转矩计算进气和排气重叠量，并且基于大气压，与常压环境下的重叠量相比，增加低压环境下的重叠量，从而提供足够量的空气进入汽缸。然后，根据基于大气压计算出的增加限制量来限制在低压环境下的重叠量的增加。这减少了重叠量以抑制进气窜气并且能够提供足够量的空气进入汽缸。

在另一方面，优选地，可变气门正时机构能够改变进气阀的开启正时，第二计算装置计算进气阀的开启正时的提前角限制量作为增加限制量，从而当检测装置检测到的大气压降低时开启正时被延迟，并且限制装置基于由第二计算装置计算出的提前角限制量限制进气阀的开启正时的提前。

如上所述构造的发动机的控制设备计算用于进气阀的开启正时的提前角限制量作为增加限制量，使得当大气压减小时开启正时被延迟，并且基于提前角限制量限制进气阀的开启正时的提前。这限制了进气和排气重叠量的增加。

在又一方面，优选地，可变气门正时机构能够改变排气阀的关闭正时，第二计算装置计算排气阀的关闭正时的延迟角限制量作为增加限制量，从而在检测装置检测到的大气压降低时关闭正时被提前，并且限制装置根据由第二计算装置计算出的延迟角限制量限制排气阀的关闭正时的延迟。

如上所述构造的发动机的控制设备计算排气阀的关闭正时的延迟角限制量作为增加限制量，从而在大气压降低时关闭正时被提前，并且基于延迟角限制量限制排气阀的关闭正时的延迟。这限制了进气和排气重叠量的增加。

在又一方面，优选地，增加装置包括第一计算单元，其根据由第一计算装置计算出的目标转矩计算充气效率；第二计算单元，其根据充气效率和通过检测装置检测到的大气压计算容积效率；和第一设定单元，其将基于由第一计算单元计算出的充气效率的进气阀的开启正时和基于由第二计算单元计算出的容积效率的进气阀的开启正时中的一个设定为进气阀的开启正时，其中基于提前角限制量限制提前角。

如上所述构造的发动机的控制设备将基于充气效率的进气阀的开启正时和基于容积效率的进气阀的开启正时中的一个设定为进气阀的开启正时。

在另一方面，优选地，增加装置包括第一计算单元，其根据由第一计算装置计算出的目标转矩计算充气效率；第二计算单元，其根据充气效率和通过检测装置检测到的大气压计算容积效率；和第二设定单元，其将基于由第一计算单元计算出的充气效率的排气阀的关闭正时和基于由第二计算单元计算出的容积效率的排气阀的关闭正时中的一个设定为排气阀的关闭正时，其中基于延迟角限制量限制延迟角。

如上所述构造的发动机的控制设备将基于充气效率的排气阀的关闭正时和基于容积效率的排气阀的关闭正时中的一个设定为排气阀的关闭正时。

在另一方面，优选地，发动机包括增压装置。

在如上所述构造的发动机的控制设备中，增压装置的增压增加了进气歧管压力，并且因此可能引起进气窜气，但即使在这种情况下，也可以产生预期的有利效果。

如上所述，根据本发明的方面的发动机控制设备能够在高海拔的低压环境下抑制进气窜气并且提供足够量的空气以抑制发动机输出的减少。

附图说明

图1是图示应用了本发明的控制设备的发动机的整体构造的示图；

图2是被构造成计算进气开启正时的ecu的控制方框图；

图3是被构造成计算排气关闭正时的ecu的控制方框图；

图4是图示用于基于大气压计算进气阀的提前角限制量的控制图的示图；

图5是图示用于基于大气压计算排气阀的延迟角限制量的控制图的示图；

图6是图示通过ecu执行的进气开启正时控制程序的流程图；

图7是图示通过ecu执行的排气关闭正时控制程序的流程图；

图8是图示进气开启正时被限制的特性图；和

图9是图示排气关闭正时被限制的特性图。

具体实施方式

将描述一个实施例，其中本发明体现在用于增压汽油发动机(以下称为发动机)的控制设备中。

图1是表示应用了本发明的控制设备的发动机的整体构造的图。发动机安装在未示出的车辆中作为行驶动力源。活塞4分别设置在形成于发动机1的汽缸体2中的相应的一个汽缸3中。每个活塞4随着曲轴5的旋转而滑过汽缸3。

曲轴5的旋转传递到设置在汽缸盖6上的进气凸轮轴7和排气凸轮轴8。凸轮轴7和8与曲轴5同步地被旋转地驱动。进气阀9随着进气凸轮轴7旋转而被驱动以在预定的时刻打开或关闭进气口11。排气阀10随着排气凸轮轴8的旋转而被驱动以在预定的时刻打开或关闭排气口12。可变气门正时机构(vvt机构)13、14分别连接到进气凸轮轴7和排气凸轮轴8。vvt机构13、14因此可选地改变进气凸轮轴7和排气凸轮轴8相对于曲轴5的相位，从而改变进气阀9和排气阀10的开启和关闭正时。这使得能够调节进气和排气重叠量。

普通的缓冲罐17通过进气歧管16连接到汽缸的进气口11。进气通道18的下端连接到缓冲罐17。进气通道18设置有从上游侧依次布置的空气净化器19、涡轮增压器20的压缩机(增压装置)、中间冷却器21和节气门22。此外，排气通道24的上端经由排气歧管23连接到汽缸的排气口12。排气通道24设置有涡轮增压器20的涡轮和未示出的催化装置和消声器。

进气歧管16设置有对应于各个汽缸的喷射器25。通过未示出的燃料泵向每个喷射器25供应燃料(汽油)。火花塞27各自设置在发动机1的相应汽缸中以面向汽缸内部。每个火花塞27通过点火器28的驱动而点火。

在发动机1运行期间，从空气净化器19引入进气通道18的进气通过涡轮增压器20的压缩机加压。加压空气通过中间冷却器21冷却。然后通过节气门22调节冷却空气的流速。进气进一步穿过缓冲罐17并通过进气歧管16分配到汽缸。进气在随着进气阀9的开启而被引入发动机1的汽缸中的同时，与从喷射器25喷射的燃料混合。在汽缸中，混合空气被火花塞27点燃并燃烧。生成的燃烧压力通过活塞4使得曲轴5被旋转地驱动。

由于每个汽缸中的燃烧所产生的排气随着排气阀10的打开被排放到排气口12。来自每个汽缸的排气被排气歧管23收集。收集的空气被引导到排气通道24以驱动涡轮增压器20的涡轮。然后通过催化装置和消声器将空气排出到外部。

车辆内部配备有：发动机控制单元(ecu)31，其包括未示出的输入/输出装置；存储装置(rom、ram、buram等)，其具有大量控制程序，包括存储有下述控制程序的非易失性存储装置；中央处理单元(cpu)；计时器等。这些部件整体地控制发动机1。

ecu31的输入侧连接到各种传感器，例如：节气门位置传感器32，其检测节气门22的开度θth；气流传感器33，其检测发动机1的进气量v；曲柄角度传感器34，其输出与发动机1的旋转同步的曲柄角度信号；水温传感器35，其检测发动机1的冷却水温度tw；加速器传感器36，其检测加速器开度θacc；和大气压传感器37(检测装置)，其检测大气压pa。来自传感器的检测信息被输入到ecu31。

ecu31的输出侧连接到各种装置，例如进气和排气vvt机构13、14、喷射器25、点火器28以及驱动开启和关闭节气门22的节气门致动器38。

ecu31基于来自各种传感器的检测信息、预设控制图等来计算喷射燃料量、燃料喷射时刻、节气门开度、进气和排气的开启正时和关闭正时等的目标值。基于目标值，ecu31可控地驱动各种装置。

如在相关技术的描述中所描述的，通过日本专利公开no.2017-25770中的技术不能可靠地提供适当的发动机输出，其增加了在高海拔的低压环境下的进气和排气重叠量。

鉴于这样的问题，发明人已经发现，在高海拔处造成阻止适当的发动机输出的原因是发动机1的排气压力降低。也就是说，与平原上的低压力环境相比，高海拔处的低压环境涉及发动机1的降低的排气压力。因此，即使高海拔处的进气歧管压力条件与平原上的进气歧管压力条件相同，压力差(进气歧管压力--排气压力)也会增加，使得可能发生进气窜气。发明人已得出结论，由日本专利公开no.2017-25770中的技术引起的重叠量的增加相反地是鼓励进气窜气的因子，其导致进入汽缸的空气量减少，从而减少发动机输出。

基于上述知识，本实施例采取了措施，用于防止在高海拔低压环境下的进气窜气。

ecu31包括用于计算发动机1的目标转矩ttgt的目标转矩计算单元41(第一计算装置)。例如，目标转矩计算单元41基于从来自曲柄角度传感器34的曲柄角度信号计算出的发动机转速ne、由气流传感器33检测到的进气量v、由加速器传感器36检测到的加速器开度θacc等计算发动机1的目标转矩ttgt。

图2是被构造为计算进气开启正时的ecu31的控制框图。图3是被构造为计算排气关闭正时的ecu31的控制框图。

ecu31包括低压环境兼容的重叠量计算单元42(增加装置)，用于计算进气和排气重叠量。低压环境兼容的重叠量计算单元42包括充气效率计算单元42a(第一计算单元)、容积效率计算单元42b(第二计算单元)、进气开启正时设定单元42c(第一设定单元)和排气关闭正时设定单元42d(第二设定单元)。

充气效率计算单元42a基于由目标转矩计算单元41计算出的目标转矩ttgt计算目标充气效率ec。容积效率计算单元42b基于由目标转矩计算单元41计算出的目标转矩ttgt和由大气压传感器37检测到的大气压pa计算目标容积效率ev。

进气开启正时设定单元42c基于图2所示的目标io(进气开启正时)图，由充气效率计算单元42a计算出的目标充气效率ec和发动机转速ne计算进气阀9的目标开启正时(以下称为ec目标开启相位角)。进气开启正时设定单元42c还基于延迟角限制图，由容积效率计算单元42b计算出的目标容积效率ev和发动机转速ne计算进气阀9的目标开启正时(以下称为ev目标开启相位角)。然后，进气开启正时设定单元42c选择ec目标开启相位角和ev目标开启相位角的提前角侧(较小)的值，以将所选择的值设定为进气阀9的目标开启正时。

排气关闭正时设定单元42d基于图3所示的目标ec(排气关闭正时)图，由充气效率计算单元42a计算出的目标充气效率ec和发动机转速ne计算排气阀10的目标关闭正时(以下称为ec目标关闭相位角)。排气关闭正时设定单元42d还基于提前角限制图，由容积效率计算单元42b计算出的目标容积效率ev和发动机转速ne计算排气阀10的目标关闭正时(下文中称为ev目标关闭相位角)。然后，排气关闭正时设定单元42d选择ec目标关闭相位角和ev目标关闭相位角的延迟角侧(较大)的值，以将所选择的值设定为排气阀10的目标关闭正时。

因此，进气和排气重叠量对应于由进气打开正时设定单元42c设定的进气阀9的目标打开正时与由排气关闭正时设定单元42d设定的排气阀10的目标关闭正时之间的相位角。依据大气压pa等，容积效率ev被设定为标准化为标准状态的充气效率ec的因子。基于延迟角限制图，因为低压环境具有较低的大气压pa，因此ev目标开启相位角被计算为在提前角侧的较小值。基于提前角限制图，因为低压环境具有较低的大气压pa，ev目标关闭相位角被计算为在延迟角侧的较大值。结果，随着低压环境的大气压降低，进气和排气重叠量可控地增加。

低压环境下重叠量的增加是导致进气窜气的原因。因此，为了防止这种情况，ecu31包括增加限制量计算单元43(第二计算装置)和重叠量增加限制单元44(限制装置)。

增加限制量计算单元43基于大气压pa计算用于限制重叠量的增加的增加限制量。具体地，增加限制量计算单元43基于图4所示的提前角限制量计算图，从通过大气压传感器37检测到的大气压pa计算出进气阀9的开启正时的提前角限制量作为增加限制量。增加限制量计算单元43还基于图5所示的延迟角限制量计算图，从大气压pa计算出排气阀10的关闭正时的延迟角限制量作为增加限制量。

如图2所示，重叠量增加限制单元44基于图4中的映射图和由进气开启正时设定单元42c设定的进气阀9的目标开启正时，选择提前角限制量的延迟角侧(较大)的值，以将所选择的值设定为进气阀9的最终目标开启正时。此外，如图3所示，重叠量增加限制单元44基于图5中的映射图和由排气关闭正时设定单元42d设定的排气阀10的目标关闭正时，选择延迟角限制量的提前角侧(较小)的值，以将所选择的值设定为排气阀10的最终目标关闭正时。

如图4和5所示，因为低压环境具有较低的大气压pa，针对提前角控制量计算延迟角侧的较大值，并且针对延迟角控制量计算提前角侧的较小值。因此，对于较低压的环境，基于提前角控制量限制进气阀9的目标开启正时的提前，并且基于延迟角控制量限制排气阀10的目标关闭正时的延迟。

ecu31包括气门正时驱动控制单元45(驱动控制装置)，其根据由基于提前角控制量的限制导致的进气阀9的目标打开正时和由基于延迟角控制量的限制导致的排气阀10的目标关闭正时可控制地驱动vvt机构13、14。因此，在低压环境下，限制进气开启正时的提前和排气关闭正时的延迟，以限制进气和排气重叠量的增加。

现在将描述由ecu31执行的对vvt机构13、14的控制。

图6是示出由ecu31执行的进气开启正时控制程序的流程图。ecu31在发动机1运转时以预定的控制间隔执行程序。

首先，在步骤s1中，基于诸如加速器开度θacc的传感器信息计算发动机1的目标转矩ttgt(第一计算装置)。在步骤s2中，基于传感器信息计算实现目标转矩ttgt所需的空气量q。在随后的步骤s3中，计算实现所需空气量q所需的目标充气效率ec(第一计算单元)。在步骤s4中，基于所需的空气量q和大气压pa计算目标容积效率ev(第二计算单元)。

在步骤s5中，根据目标充气效率ec和发动机转速ne计算ec目标开启相位角。在步骤s6中，根据目标容积效率ev和发动机转速ne计算ev目标开启相位角。在步骤s7中，将ec目标开启相位角和ev目标开启相位角的提前角侧的较小值设定为进气阀9的目标开启正时(第一设定单元)。

在随后的步骤s8中，基于图4中的映射图从大气压pa计算出提前角控制量(第二计算装置)。在步骤s9中，将提前角限制量和进气阀9的目标开启正时的延迟角侧的较大值设定为进气阀9的目标开启正时(限制装置)。在步骤s10中，可控地驱动进气侧vvt机构13以实现目标开启正时(驱动控制装置)。随后该程序结束。

上面已经描述了进气开启正时控制程序的处理内容。与此并行地，ecu31执行图7所示的排气开启正时控制程序。然而，除了进气侧被排气侧替换之外，该程序与进气开启正时控制程序相同。因此，仅描述不同之处。

在步骤s11至s14中，执行与步骤s1至s4中相同的处理。随后，在步骤s15中，计算ec目标关闭相位角。在步骤s16中，计算ev目标关闭相位角。在步骤s17中，将延迟角侧的较大值设定为排气阀10的目标关闭正时(第二设定单元)。在步骤s18中，基于图5中的映射图计算延迟角限制量(第二计算装置)。在步骤s19中，将提前角侧的较小值设定为排气阀10的目标关闭正时(限制装置)。随后在步骤s20中，可控制地驱动排气侧vtt机构14以实现目标关闭正时(驱动控制装置)。

如上所述，ecu31的上述处理控制进气开启正时和排气关闭正时。

图8是示出进气开启正时被限制的特性图。图9是示出排气关闭正时被限制的特性图。这些附图示出了在低压环境(大气压pa＝63.2kpa)和低转速区域(ne＝1500rpm)中的特性。

每个图的纵坐标轴表示曲柄角度。排气上止点(＝0)被定义为基准，提前角侧被表示为-，延迟角侧被表示为+。每幅图的横坐标轴表示与发动机输出和负载相关的充气效率ec。

在图8中，细实线表示ec目标开启相位角，包括作为因子的目标充气效率ec。交替的长短划线表示ev目标开启相位角，包括作为因子的目标容积效率ev。交替的长和两短划线表示提前角限制量，包括作为因子的大气压pa。粗线表示进气阀9的最终目标开启正时。类似地，在图9中，细实线表示ec目标关闭相位角，包括作为因子的目标充气效率ec。交替的长短划线表示ev目标关闭相位角，包括作为因子的目标容积效率ev。交替的长和两短划线表示延迟角限制量，包括作为因子的大气压pa。粗线表示排气阀10的最终目标关闭正时。

总体趋势是进气开启正时和排气关闭正时可控制地在相反方向上移动以增加或减少重叠量。例如，在要增加重叠的情况下，进气开启正时可控制地向提前角侧移动，而排气关闭正时可控制地向延迟角侧移动。此外，针对进气和排气，提前角限制和延迟角限制在相反方向上进行。例如，在进气开启正时受制于提前角限制的情况下，排气关闭正时受制于延迟角限制。

首先，将描述ec目标开启相位角和ec目标关闭相位角的特性。尽管缺少定义，但是发动机1的负载区域可以根据充气效率ec大致分为三个范围。根据每个负载区域的目的设置每个相位角的特性。在具有低充气效率ec的低负载区域中，ec目标开启相位角可控制地向提前角侧移动，并且ec目标关闭相位角可控制地向延迟角侧移动，以减小泵气损失。这扩大了进气和排气重叠。

在涡轮增压器20开始涡轮增压的中负载区域中，ec目标开启相位角可控制地向延迟角侧移动，并且ec目标关闭相位角可控制地向提前角侧移动，以防止发动机爆震。与低负载区域中的重叠相比，这减少了中负载区域中的重叠。在高负载区域中，需要高发动机输出。然而，由于低压环境，空气密度低，并且在低转速区域中不能获得足够的涡轮增压压力。这导致进入汽缸的大量空气减少。因此，为了提供足够量的进气，ec目标开启相位角可控制地向提前角侧移动，并且ec目标关闭相位角可控制地向延迟角侧移动，以便增大进气和排气重叠。

在平原上的常压环境中，基于上述ec目标开启相位角和ec目标关闭相位角的特性，控制进气关闭正时和排气关闭正时，不受提前角限制或延迟角限制。

另一方面，在高海拔的低压环境下，基于图2中的延迟角限制图，用这样的方式计算ev目标开启相位角，以便主要在中负载区域中限制ec目标开启相位角的延迟。基于图3中的提前角限制图，用这样的方式计算ev目标关闭相位角，以便主要在中负载区域中限制ec目标关闭相位角的提前。结果，防止了中负载区域中的重叠减小，因此与平原上的常压环境中的重叠量相比，在高海拔的低压环境中增加了重叠量。这使得足够量的空气能够进入汽缸，从而提供足够的发动机输出。

此外，在高海拔的低压环境中，基于图4中的提前角限制图，以这样的方式计算提前角限制量，以便主要在高负载区域中限制ec目标开启相位角的提前。基于图5中的延迟角限制图，还以这样的方式计算延迟角限制量，以主要在高负载区域中限制ec目标关闭相位角的延迟。这防止了高负载区域中的重叠的增大，因此与平原上的常压环境中的重叠量相比减少了重叠量。

与平原上的低压环境相比，高海拔处的低压环境涉及发动机1的排气压力降低，并且可能由于增加的压差(进气歧管压力-排气压力)而经历进气窜气。然而，减少的重叠量抑制了进气窜气。这也提供了足够量的空气进入汽缸，使得防止可能发生在高海拔的低压环境中的发动机输出的降低。

更具体地，图8中的ec目标开启相位角受到延迟角限制和提前角限制的负载区域与图9中的ec目标关闭相位角受到提前角限制和延迟角限制的负载区域不完全匹配。此外，在中负载区域和高负再区域之间存在包括提前角限制和延迟角限制的负载区域(在图9中由e表示)。因此，例如，在负载区域e中，原始ec目标关闭相位角不包含显着的进气窜气，但是为了足够量的进气的提前角限制增加了进气和排气重叠量，促进了进气窜气。即使在负载区域e中，本实施例也将延迟角限制应用于ec目标关闭相位角，以限制重叠量的增加。这允许抑制进气窜气，以提供进入汽缸的足够量的空气。

特别地，本实施例的发动机1包含涡轮增压器20的增压，其增加进气歧管压力而增加进气窜气的可能性。然而，即使这样的发动机规格也允许产生预期的有利效果。

已经描述了该实施例。然而，本发明的各方面不限于该实施例。例如，在上述实施例中，本发明体现在包括涡轮增压器20的发动机1中。然而，本发明不限于此，而是可以应用于例如不包括增压装置的自然吸气发动机。

此外，在上述实施例中，针对进气和排气分别设置vvt机构13、14以调节进气和排气重叠量。然而，本发明不限于此。例如，可以为进气和排气中的一种设置vvt机构。

此外，在上述实施例中，使用ev目标开启相位角对ec目标开启相位角施加延迟角限制，以使用对应于大气压pa的提前角限制量来实现提前角限制，而使用ev目标关闭相位角对ec目标关闭相位角施加提前角度限制，以使用对应于大气压pa的延迟角限制量来实现延迟角限制。然而，本发明不限于此。

例如，本发明的各方面可以包括仅执行ec目标开启相位角的延迟角限制和ec目标关闭相位角的提前角限制中的一个。在仅执行一个限制的情况下，可以根据大气压pa来限制被限制侧。即使在执行两个限制的情况下，也可以根据大气压pa限制仅仅一侧。

参考标记列表

1发动机

9进气阀

10排气阀

13、14vvt机构

20涡轮增压器

37大气压传感器

41目标转矩计算单元

42低压环境兼容的重叠量计算单元

42a充气效率计算单元

42b容积效率计算单元

42c进气开启正时设定单元

42d排气关闭正时设定单元

43增加限制量计算单元

44重叠量增加限制单元

45气门正时驱动控制单元