专利名称：控制发动机的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制能够切换燃烧模式的发动机的控制设备和控制方法。
日本专利公布号Hei 10-103135中公开的一种电子调节阀控制设备执行与发动机力矩的自动调节相关联的(各种类型)的电子控制，例如牵引控制以便防止车轮打滑及自动巡驶控制以便保持车辆速度恒定。当完成这些控制时，根据加速操纵量以外的用于表示车辆行驶状态的不同参数来校正由加速操纵量决定的调节阀角度。其结果是，调节吸入空气数量以便将发动机力矩调节至所需值。
近年以来，已经提出了使用能够根据发动机的行驶状态来切换燃烧模式的发动机类型，并且已经交付实际使用以便既满足燃油效率上的改进又同时能够获得足够发动机功率。这一类型的发动机公开于例如日本专利公布号Hei 8-189405中。
该公布材料中公开的发动机在需要高功率的高发动机速度模式或高负载模式中运行于均匀加油燃烧模式。当运行于均匀加油燃烧模式中时，在发动机的进气冲程内将油注入燃烧室。注入的燃油与空气均匀地混合以及由火花塞将空气和燃油的均匀混合物点燃。
在不需要很高功率的低发动机速度模式或低负载模式中，发动机运行于分层加油燃烧模式。当运行于分层加油燃烧模式时，在发动机的压缩冲程内将油注入燃烧室。注入的燃油射向位于活塞顶部的凹坑，集聚在火花塞周围，从而在火花塞周围形成一个高燃油密度的气油混合物，因此，能够有利地由火花塞点火。此外，由于燃烧室内的平均气油比被设置为高于化学计量学气油比，使燃油效率得以改进。此外，由于调节阀比在均匀加油燃烧模式下开得更大从而将气油混合物中的平均气油比设置为大于化学计量学气油比，可以减少抽吸损失。
在以上所述的燃烧模式切换类型的发动机中，执行与发动机力矩的自动调节相关联的不同类型的电子控制，例如牵引控制和自动巡驶控制。如上所述，当发动机运行于均匀加油燃烧模式中时，根据加速操纵量以外的用于表示车辆行驶状态的不同参数来校正调节阀角度。其结果是，将吸入空气数量调节以便提供所需发动机力矩。燃油注入量决定于作为例如调节阀角度的调节结果而获得的吸入空气量，而不决定于对发动机力矩所需值的直接考虑。
另一方面，当发动机运行于分层加油燃烧模式中时，即使通过改变调节阀角度来调节吸入空气量，也不容易改变发动机力矩。因此，需要根据燃油注入量来调节发动机力矩。具体地说，在分层加油燃烧模式中基本上根据加速操纵量来获得燃油注入量。根据加速操纵量以外的用于表示车辆行驶状态的不同参数来校正所获得的燃油注入量。其结果是能够获得所需发动机力矩。根据燃油注入量而不根据对发动机力矩所需值的直接考虑来确定调节阀角度以使它成为一个适合于分层加油燃烧的值。
如上所述，调节阀角度在均匀加油燃烧模式中被用作调节发动机力矩的控制值，而燃油注入量则在分层加油燃烧模式中被用作调节发动机力矩的控制值，如果使用取决于发动机燃烧模式的不同控制值来调节发动机力矩，则难于在均匀加油燃烧模式与分层加油燃烧模式之间将发动机力矩特性进行匹配。
为有利地执行均匀加油燃烧模式，应该精确地在调节阀角度上反映出所需发动机力矩值。为有利地实行分层加油燃烧模式，应该精确地在燃油注入量上反映出所需发动机力矩值。这要求预先进行试验，将均匀加油燃烧模式中的调节阀角度与所需发动机力矩值进行匹配，以及预先进行试验，将分层加油燃烧模式中的燃油注入量与所需发动机力矩值进行匹配。即，必须为调节阀角度和燃油注入量这两个不同的控制值中的每一个进行试验，以致这些试验变得烦琐。
为到达以上目的，本发明提供一种控制设备，用于控制一种通过在燃烧室内燃烧空气和燃油的混合物而产生力矩的发动机。该发动机运行于自第一燃烧模式和第二燃烧模式中选择的一种燃烧模式。当该发动机运行于第一燃烧模式中时，通过第一调节装置来调节发动机力矩。当该发动机运行于第二燃烧模式时，通过不同于第一调节装置的第二调节装置来调节发动机力矩。该控制设备包括计算装置，用于当发动机运行于第一燃烧模式中时根据发动机的运行状态来计算反映所需发动机力矩的反映力矩值；第一控制装置，用于当发动机运行于第一燃烧模式中时根据反映力矩值来控制第一调节装置；以及第二控制装置，用于当发动机运行于第二燃烧模式中时根据反映力矩值来控制第二调节装置。
根据本发明，无论发动机运行于第一燃烧模式中或第二燃烧模式中，所需发动机力矩都反映在一个反映力矩值上。当执行第一燃烧模式时，根据反映力矩值控制第一调节装置以便调节发动机力矩。当执行第二燃烧模式时，根据反映力矩值控制第二调节装置以便调节发动机力矩。换言之，无论执行两个燃烧模式中的那一个燃烧模式，都根据作为公共目标控制值的反映力矩值来调节发动机力矩。因此有可能容易地将这些不同燃烧模式之间的发动机力矩特性进行匹配。
本发明提供一种控制方法，用于控制一种通过在燃烧室内燃烧空气和燃油的气油混合物而产生力矩的发动机。该发动机运行于自第一燃烧模式和第二燃烧模式中选择的一种燃烧模式。当该发动机运行于第一燃烧模式中时，根据第一控制值来调节发动机力矩。当该发动机运行于第二燃烧模式中时，根据不同于第一控制值的第二控制值来调节发动机力矩。该控制方法包括一个当发动机运行于第一燃烧模式中时根据发动机运行状态来计算反映所需发动机力矩的反映力矩值的步骤；一个当发动机运行于第一燃烧模式中时根据反映力矩值来控制第一控制值的步骤；以及当发动机运行于第二燃烧模式中时根据反映力矩值来控制第二控制值的步骤。
以下将参照
图1至12描述适用于一种四缸直列式直接注入类型车用汽油发动机的本发明的一个实施例。
如图1中所示，发动机11具有四个在汽缸体11a中往复移动的活塞12(只显示一个)。在每个活塞顶部形成一个凹坑12a。每个活塞12通过一个连杆13连接至一个作为输出轴的曲轴14。活塞的往复运动由连杆13转换为曲轴14的旋转运动。
一个信号转子14a连接至曲轴14。在信号转子14a的外表面上配置多个突起14b，它们位于围绕曲轴14相隔相同角度的位置处。一个曲柄位置传感器14c也配置为面对信号转子14a的外表面。当曲轴14旋转时，信号转子14a上的各个突起14b逐个地经过面向曲柄位置传感器14c的位置。该曲柄位置传感器14c根据突起的经过情况输出一个类似脉冲的检测信号。
汽缸体11a配备有一个冷却液温度传感器11b，用于检测作为发动机11温度的冷却液温度THW。汽缸头15附加于汽缸体11a顶部。燃烧室16形成于汽缸头15与每个活塞12之间。配备于汽缸顶部15的进气口17和排气口18连接至每个燃烧室16。进气阀19配备于进气口17内。排气阀20配备于排气口18内。
一个用于驱动进气阀19的进气凸轮轴21和一个用于驱动排气阀20的排气凸轮轴22旋转地支撑于汽缸头15上。这些凸轮轴21和22通过一个计时皮带和齿轮(一个都没有示出)连接至曲轴14。当进气凸轮轴21旋转时，进气阀19选择性地将进气口17连接至燃烧室16或使它与燃烧室16脱开。当排气凸轮轴22旋转时，排气阀20选择性地将排气口18连接至燃烧室16或使它与燃烧室16脱开。
在进气凸轮轴21的一端的外表面上配备至少一个突起21a。在汽缸头15上配备一个用于检测突起21a的凸轮位置传感器21b。当进气凸轮轴21旋转时，突起21a经过面向凸轮位置传感器21b的位置。凸轮位置传感器21b根据突起的经过情况产生一个检测信号。
一个进气导管30连接至进气口17。一个排气导管31连接至排气口18。进气导管30和进气口17组成一个进气通道32，及排气导管31和排气口18组成一个排气通道33。一个调节阀23位于进气通道32的上游部分。调节阀23被一个由DC电机组成的调节阀电机24驱动，从而调节进气通道的开度。调节阀23的开度(调节阀角度)由一个调节阀位置传感器44检测。
调节阀电机24基本上根据驾驶室内提供的油门25下踏量(加速下踏量ACCP)进行控制。当汽车司机踩在油门25上时，由一个加速位置传感器26检测加速下踏量ACCP。根据加速位置传感器26的检测信号对调节阀电机24进行控制以便调节调节阀23的开度。其结果是，改变进气通道32的空气流通面积从而调节自进气通道32进入燃烧室16的空气量。
一个真空传感器36配备于进气通道32中调节阀23的下游部分，用于检测进气通道32的内部气压。一个空气温度传感器37配备于进气通道32中调节阀23的上游部分。该空气温度传感器37用于检测通过进气通道32的空气温度(进气温度THA)。
在汽缸头15内配备有用于直接将燃油注入燃烧室16内的燃油注入阀40以及用于点燃充满于燃烧室16内的燃油和空气的混合物的点火塞41。点火塞41将气油混合物点燃的时刻由一个配备于点火塞41之上的点火器41a进行调节。
自燃油注入阀40注入至燃烧室16内的燃油与自进气通道32进入燃烧室16的空气混合，从而在燃烧室16内形成空气与燃油的混合物。燃烧室16内的气油混合物由点火塞41点燃而燃烧，而燃烧气体则作为废气排至排气通道33。
现在参照图2描述图1中所示发动机11的控制设备的电气结构。该控制设备具有一个电子控制单元(此后称为“ECU”)92，它完成对发动机11运行状态的控制，例如燃油注入量控制、燃油注入定时控制、点燃定时控制和调节阀角度控制。ECU 92构作为一个算术逻辑电路，它包括一个ROM 93、CPU 94、RAM 95和后备RAM 96。
ROM 93存储不同控制程序和映射表，它们在运行不同控制程序时被调用。CPU 94根据存于ROM 93内的控制程序和映射表而完成算术运算。RAM 95临时存储CPU 94中运算的结果及来自单个传感器输入的数据或类似量。后备RAM 96是一个非易失性存储器，用于在发动机11停车时存储RAM 95中所存储的数据。ROM 93、CPU 94、RAM 95和后备RAM 96彼此相连，并且通过总线97连至一个输入接口电路98和一个输出接口电路99。
连至输入接口电路98的是冷却液温度传感器11b、曲柄位置传感器14c、凸轮位置传感器21b、加速位置传感器26、真空传感器36、空气温度传感器37和调节阀位置传感器44。连至输出接口电路99的是调节阀电机24、燃油注入阀40和点火器41a。
ECU 92根据发动机的运行状态在分层加油燃烧模式与均匀加油燃烧模式之间切换发动机11的燃烧模式。具体地说，ECU 92根据来自曲柄位置传感器14c的检测信号获得一个发动机速度NE。ECU 92还根据以后将要讨论的集约目标调节阀角度TAt和发动机速度NE获得一个表示发动机负载的基本燃油注入量Qbse。然后ECU 92根据基本燃油注入量Qbse和发动机速度NE来选择准备执行的发动机11的燃烧模式。例如，ECU 92在发动机11的高速度或高负载状态下选择均匀加油燃烧模式，而在发动机11的低速或低负载状态下选择分层加油燃烧模式。
在选择均匀加油燃烧模式的情况下，ECU 92驱动燃油注入阀40注入的燃油量对应于根据发动机11进气冲程期间的基本燃油注入量Qbse所获得的最后燃油注入量Qfin。其结果是，在燃烧室16内形成一个其气油比等于或大于化学计量学气油比的均匀气油混合物。ECU 92还控制调节阀电机24和点火器41a以使调节阀角度和点火时刻适合于均匀加油燃烧。
在选择分层加油燃烧模式的情况下，ECU 92驱动燃油注入阀40注入燃烧室16的燃油量对应于根据发动机11压缩冲程期间的基本燃油注入量Qbse所获得的最后燃油注入量Qfin。其结果是，在燃烧室16内形成一个非均质的气油混合物。燃烧室16内全部气油混合物的平均气油比被设置为大于均匀加油燃烧模式中气油混合物的气油比。ECU 92控制调节阀电机24和点火器41a以使调节阀角度和点火时刻适合于分层加油燃烧。
在执行分层加油燃烧模式时，在发动机11的压缩冲程期间注入的燃油进入活塞12的凹坑12a(见图1)并且聚集于点火塞41周围。因此，在点火塞41周围形成一个具有高燃油浓度的气油混合物，因而由点火塞41有利地实现点火。不止于此，因为燃烧室16内整个气油混合物的平均气油比大于均匀加油燃烧模式的气油比，所以改进了燃油效率。此外，由于调节阀角度大于均匀加油燃烧模式的调节阀角度以便增加气油混合物的平均气油比，因而减少了抽吸损失。
图4是用于阐述计算集约目标调节阀角度TAt的过程的流程图。无论执行均匀加油燃烧模式或分层加油燃烧模式，集约目标调节阀角度TAt都用作用于控制发动机11的输出力矩的一个值。图4中的计算子程序通过ECU 92在每个预定时间出现的中断运行。
步骤S101中，无论当前燃烧模式如何，ECU 92都首先根据加速下踏量ACCP计算一个适合于均匀加油燃烧模式的基本调节阀角度TAbse。加速下踏量ACCP愈大，则基本调节阀角度TAbse愈大。其次，步骤S102中，ECU 92根据加速下踏量ACCP计算一个非线性校正系数H。步骤S103中，ECU 92通过将基本调节阀角度TAbse乘以非线性校正系数H而计算得到一个非线性目标调节阀角度TA1。例如在图3中显示相对于加速下踏量ACCP的变化而言的非线性目标调节阀角度TA1，以便相对于加速下踏量ACCP的变化而获得最佳发动机功率力矩特性。
其次，步骤S104中，ECU 92选择ISC校正量、自动巡驶校正量、空调器负载校正量和转向助力装置负载校正量中最大的一个量，用作加数值A。这些校正量用于校正非线性目标调节阀角度TA1，以及所选校正量作为加数值A加至非线性目标调节阀角度TA1。
不但根据加速下踏量ACCP而且根据其他用于表示车辆行驶状态的不同参数来调节发动机11的输出力矩。将ISC校正量、自动巡驶校正量、空调器负载校正量和转向助力装置负载校正量加至非线性目标调节阀角度TA1以便调节发动机11的输出力矩。换言之，这些校正量是用于反映发动机11的所需力矩值的各值，它们根据表示车辆行驶状态的不同参数来确定。
当执行空转速度控制(ISC)时获得ISC校正量。当发动机11处于空转状态中时执行ISC。在执行ISC时，使用ISC校正量调节发动机11的输出力矩以便将发动机速度NE调节至预定值。
当执行自动巡驶控制时获得自动巡驶校正量。在执行自动巡驶控制时，使用自动巡驶校正量调节发动机11的输出力矩以便将车辆速度保持恒定。
获得空调器负载校正量以便补偿为驱动安装于车辆上的空调器所需发动机力矩。在驱动空调器时，发动机11的输出力矩增加空调器负载校正量。
获得转向助力装置负载校正量以便补偿为驱动车辆的转向助力装置所需发动机力矩。在驱动转向助力装置时，发动机11的输出力矩增加转向助力装置负载校正量。
步骤S105中，ECU 92将加数值A加至非线性目标调节阀角度TA1，并且选择所得值和换档目标角度TA2和牵引目标角度TA3中的最大值作为最大目标角度Omax。当执行换档模式力矩控制时获得换档目标角度TA2。当执行牵引控制时获得牵引目标角度TA3。获得换档目标角度TA2和牵引目标角度TA3用作用于标示调节阀角度以便调节发动机11的输出力矩的值。换言之，这些目标角度TA2和TA3是反映发动机11所需力矩值的各值，以及根据用于表示车辆行驶状态的不同参数而确定的。
换档模式力矩控制是用于抑制在车辆自动换档时产生的震动的控制。在自动换档时，使用换档目标角度TA2来调节发动机11的输出力矩，从而抑制换档震动。牵引控制是意在防止车轮打滑的控制。例如在车轮加速时，使用牵引目标角度TA3来调节发动机11的输出力矩，从而防止车轮打滑。
步骤S105中使用的换档目标角度TA2是在换档模式力矩控制中增加调节阀角度时的所需值。步骤S105中使用的牵引目标角度TA3是在牵引控制中增加调节阀角度时的所需值。因此，当在实行这些控制中需要减少调节阀角度时，步骤S105中不使用换档目标角度TA2和牵引目标角度TA3来确定最大目标角度Omax。
步骤S106中，ECU 92选择以下换档目标角度TA2和以下牵引目标角度TA3中的最小值作为最小目标角度Cmin，上述换档目标角度TA2是当换档模式力矩控制中需要减少调节阀角度时的换档目标角度，而上述牵引目标角度TA3是当牵引控制中需要减少调节阀角度时的牵引目标角度。
下一个步骤S107中，ECU 92将最小目标角度Cmin设置为集约目标调节阀角度TAt，然后暂时地结束此子程序。在最小目标角度Cmin大于预定上限值的情况下，将该上限值设置为集约目标调节阀角度TAt。在最小目标角度Cmin小于预定下限值的情况下，将该下限值设置为集约目标调节阀角度TAt。
由于执行图4中的子程序，就获得反映包括所加值A、换档目标角度TA2和牵引目标角度TA3在内的不同控制值的集约目标调节阀角度TAt，它们表示发动机11的所需力矩值。为在集约目标调节阀角度TAt上正确地反映发动机11的所需力矩值，事先进行实验以便将个别的控制值与所需发动机力矩值进行匹配。
现在描述根据集约目标调节阀角度TAt执行的发动机力矩控制。
当在均匀加油燃烧模式中行驶时，ECU 92控制调节阀电机24以便根据集约目标调节阀角度TAt和由调节阀位置传感器44所检测的实际调节阀角度TAr来调节调节阀开度23。
在控制调节阀电机24时，ECU 92计算一个补偿值TAh，用于根据下列等式(1)补偿调节阀电机24的运动。
TAh＝TAr+Kdx(dTAr/dt) (1)在等式(1)中，dTAr/dt是通过将实际调节阀角度TAr相对于时间t求微分而获得的值。Kd是一个预定系数。当集约目标调节阀角度TAt在变化时，根据等式(1)计算所得补偿值TAh比实际调节阀角度TAr更接近集约目标调节阀角度TAt。
ECU 92根据以下等式(2)计算集约目标调节阀角度TAt与补偿值TAh之间的差值e2。ECU 92控制调节阀电机24的转动以使该差值e2接近于零，即要求补偿值TAh接近于集约目标调节阀角度TAt。
TAt-TAh＝e2(2)图5显示当集约目标调节阀角度TAt随着时间的推移而变化时，补偿值TAh和实际调节阀角度TAr是如何变化的。
当集约目标调节阀角度TAt按照图5中双点点划线所示变化时，补偿值TAh相应地在集约目标调节阀角度TAt附近按照细实线所示变化。通过如此控制调节阀电机24以使补偿值TAh与集约目标调节阀角度TAt之间的差值e2接近于零，如粗实线所示，相对于集约目标调节阀角度TAt的变化，实际调节阀角度TAr带有预定响应延迟地变化。对实际调节阀角度提供这一响应延迟的目的是防止实际调节阀角度TAr的过调节。
ECU 92还根据实际调节阀角度TAr和由真空传感器36或类似装置检测的实际进气气压PMr计算一个预测进气气压PMFWD。预测进气气压PMFWD是在关闭进气阀19时进气气压的预测值，并且可从以下将要讨论的图10(a)和图10(b)中的进气气压计算子程序中看出计算过程。
ECU 92还根据预测进气气压PMFWD和发动机速度NE计算基本燃油注入量Qbse。预测进气气压PMFWD和发动机速度NE愈大，则基本燃油注入量Qbse愈大。ECU 92驱动燃油注入阀40以便将燃油注入至燃烧室16内，注入的燃油量对应于根据在发动机11的进气冲程期间的基本燃油注入量Qbse所获得的最后燃油注入量Qfin。其结果是，执行均匀加油燃烧并且将发动机力矩调节至所需值。
当发动机11运行于均匀加油燃烧模式中时，如上所述，根据用于反映发动机11所需力矩值的集约目标调节阀角度TAt来调节调节阀角度，从而确定空气进气量和进气气压。其结果是将发动机11的输出力矩调至所需值。根据实际调节阀角度TAr和反映实际进气气压PMr的预测进气气压PMFWD来如此确定燃油注入量，以使气油混合物的气油比成为适合于均匀加油燃烧的值。
另一方面，当发动机11运行于分层加油燃烧模式中时，假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧，则ECU 92根据集约目标调节阀角度TAt计算实际调节阀角度TAr，作为的虚拟调节阀角度TAv。具体地说，因为集约目标调节阀角度TAt的变化差不多等同于如图5中所示的补偿值TAh的变化，首先假设TAh＝TAt。在此假设下，ECU 92根据集约目标调节阀角度TAt计算实际调节阀角度TAr，其计算过程与根据等式(1)或类似内容计算补偿值TAh的过程相反，并且将实际调节阀角度TAr设置为虚拟调节阀角度TAv。
其次，假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧，则ECU 92根据虚拟调节阀角度TAv计算进气气压，用作虚拟进气气压PMv。可从以下将要讨论的图10(a)和图10(b)中的进气气压计算子程序中看出计算虚拟进气气压PMv的过程。然后ECU 92根据虚拟进气气压PMv和发动机速度NE计算基本燃油注入量Qbse。虚拟进气气压PMv和发动机速度NE愈大，则基本燃油注入量Qbse愈大。ECU 92驱动燃油注入阀40注入燃烧室16的燃油量对应于根据发动机11压缩冲程期间的基本燃油注入量Qbse所获得的最后燃油注入量Qfin。其结果是，执行分层加油燃烧，并且将发动机力矩调节至所需值。
当发动机11运行于分层加油燃烧模式中时，如上所述，根据用于反映发动机11所需力矩值的集约目标调节阀角度TAt来调节燃油注入量，从而将发动机11的输出力矩调至所需值。
ECU 92根据基本燃油注入量Qbse计算一个“分层加油燃烧模式下”目标调节阀角度TAts，它是一个适合于分层加油燃烧的目标调节阀角度。该“分层加油燃烧模式下”目标调节阀角度TAts如此确定以使吸入空气量或气油混合物的气油比成为适合于分层加油燃烧的值。使用与均匀加油燃烧模式中各过程相同的各过程，ECU 92还根据“分层加油燃烧模式下”目标调节阀角度TAts来计算补偿值TAh并且根据补偿值TAh和实际调节阀角度TAr控制调节阀电机24。其结果是，随着“分层加油燃烧模式下”目标调节阀角度TAts的变化，实际调节阀角度TAr带有预定响应延迟地变化，因而防止实际调节阀角度TAr的过调节，如同均匀加油燃烧模式中一样。
现在参照图6中的流程图描述计算最后燃油注入量Qfin的过程。图6中阐述的燃油注入量计算子程序通过ECU 92在每个预定时间出现的中断运行。
步骤S201中，ECU 92首先计算虚拟进气气压PMv和预测进气气压PMFWD。可从以下将要讨论的图10(a)和图10(b)中的进气气压计算子程序中看出计算虚拟进气气压PMv和预测进气气压PMFWD的过程。
在均匀加油燃烧模式中ECU 92根据发动机负载根据预测进气气压PMFWD和发动机速度NE计算控制所需的不同控制值例如燃油注入控制和点火时序控制。ECU 92按照这些控制值根据发动机负载来控制发动机11。在分层加油燃烧模式中ECU 92根据虚拟进气气压PMv和发动机速度NE、按照发动机负载来计算控制所需的不同控制值，并且ECU 92根据这些控制值按照发动机负载来控制发动机11。
接着，步骤S202中，ECU 92将虚拟进气气压PMv或预测进气气压PMFWD用作进气气压PM并且使用以下等式(3)计算基本燃油注入量Qbse。通过将进气气压PM乘以进气温度校正系数Ktha和一个预定常数K而计算基本燃油注入量。
Qbse＝PM×Ktha×K (3)注意到在计算虚拟进气气压PMv和预测进气气压PMFWD中使用一个体积效率ηv，它将在以后参照图10(a)和图10(b)讨论。等式(3)中的进气温度校正系数Ktha用于补偿由进气温度THA的变化所引起的体积效率ηv的变化。ECU 92根据来自气温传感器37的检测信号获得进气温度THA并且参照图7中的映射表根据进气温度THA计算进气温度校正系数Ktha。进气温度THA愈高，则进气温度校正系数Ktha愈小。因此，进气温度THA愈低，则基本燃油注入量Qbse愈大。
步骤S203中，ECU 92计算一个模式校正系数Kmode。模式校正系数Kmode是一个用于补偿由均匀加油燃烧与分层加油燃烧之间的燃烧效率差别所引起的所需燃油注入量的差别的校正系数。ECU 92根据当前燃烧模式计算模式校正系数Kmode。在均匀加油燃烧模式中将模式校正系数Kmode设置为1.0，其燃烧效率低于分层加油燃烧。均匀加油燃烧模式中的燃烧效率低于分层加油燃烧模式，因为在均匀加油燃烧模式中抽吸损失或冷却损失大于分层加油燃烧模式。
在燃烧效率较高的分层加油燃烧模式中，ECU 92通过例如将0.8的基本模式校正系数Kmode乘以大气气压校正系数Kpa2而计算最后模式校正系数Kmode。发动机11的抽吸损失随着大气气压PA的变化而变化，并且当大气气压PA下降时，均匀加油燃烧与分层加油燃烧之间的抽吸损失差别变小。所以，ECU92通过参照图8中的映射表、根据大气气压Pa来计算大气气压校正系数Kpa2。当启动发动机11时，根据来自真空传感器36的检测信号获得大气气压PA。大气气压PA愈低，则大气气压校正系数Kpa2愈大，而大气气压PA愈高，则大气气压校正系数Kpa2愈小。由于0.8的基本模式校正系数Kmode乘以大气气压校正系数Kpa2，当大气气压PA低时，将最后模式校正系数Kmode设置至高值例如0.85。
在随后的步骤S204中，ECU 92通过将基本燃油注入量Qnse乘以冷却液温度校正系数Kthw和模式校正系数Kmode而计算一个最后燃油注入量Qfin，然后暂时地结束此子程序。冷却液温度校正系数Kthw是一个用于补偿燃烧效率变化例如由冷却液温度变化所引起的磨擦损失的校正系数。ECU 92根据来自冷却液温度传感器11b的检测信号获得冷却液温度THW，并且通过参照图9中的映射表根据冷却液温度THW计算冷却液温度校正系数。冷却液温度THW愈高，则冷却液温度校正系数Kthw愈小。因此，当冷却液温度THW变低时，最后燃油注入量Qfin增加。
由于如上所述地使用模式校正系数Kmode校正基本燃油注入量，能够根据各燃烧模式之间的燃烧效率差别来调节最后燃油注入量Qfin。在燃烧效率高的分层加油燃烧模式中，最后燃油注入量Qfin比均匀加油燃烧模式减少。由于根据考虑到各燃烧模式之间的燃烧效率差别而计算的最后燃油注入量Qfin而执行燃油注入控制，所以无论执行那一种燃烧模式，都能够改进根据燃油注入量执行的发动机功率力矩控制的精确度。
此外，在分层加油燃烧模式和均匀加油燃烧模式之间的发动机11的抽吸损失不同，而这些燃烧模式之间的抽吸损失差别随着大气气压PA的变化而不同。因为使用大气气压校正系数Kpa2来校正在计算最后燃油注入量Qfin中使用的模式校正系数Kmode，能够防止由于大气气压PA引起的抽吸损失的差别的变化所造成的发动机功率力矩控制的精确度下降。
现在参照图10(a)和图10(b)中的流程图详述图6中的步骤S201的过程或者用于计算预测进气气压PMFWD和虚拟进气气压PMv的各过程。
如图10(a)中所示，步骤S301中，ECU 92首先根据当前实际调节阀角度TAr或虚拟调节阀角度TAv和发动机速度NE计算一个基本进气气压PMbse。在均匀加油燃烧模式中根据实际调节阀角度TAr和发动机速度NE计算基本进气气压PMbse，而在分层加油燃烧模式中则根据虚拟调节阀角度TAv和发动机速度NE计算基本进气气压PMbse。
步骤S302中，ECU 92通过将基本进气气压PMbse乘以大气气压校正系数Kps1而计算一个后校正进气气压PMh。参照图11中的映射表根据大气气压PA计算大气气压校正系数Kps1。大气气压PA愈高，则大气气压校正系数Kps1愈大。因此，大气气压PA愈高，则后校正进气气压PMh愈大。
下一个步骤S303的过程与随后步骤S304和S305的过程相关联。也即，在步骤S304中，通过使后校正进气气压PMh经过一个渐变过程而计算一个渐变值PMSM，而在步骤S305中，该渐变值PMSM作为第一存储值PMSM1被存储。被步骤S303中，ECU 92将存于步骤S305的先前过程中的第一存储值PMSM1设置为先前渐变值PMSMi-1。
将步骤S304的渐变过程中计算的渐变值PMSM作为步骤S305中第一存储值PMSM1存储的理由在于，在以后讨论的步骤S308的另一个执行的过程中将使用该渐变值PMSM，而该过程将改变渐变值PMSM。即使在此情况下，也能将第一存储值PMSM1设置为步骤S303中的先前渐变值PMSMi-1而充分地完成步骤S304中的渐变过程。
在执行步骤S303的过程之后，ECU 92在步骤S304中根据以下等式(4)计算一个当前渐变值PMSMi。也即，在正常模式中，将先前渐变值PMSMi-1自后校正进气气压PMh中减去，然后除以预定值n并且将除法结果加至先前渐变值PMSMi-1中而计算当前渐变值PMSMi。
PMSMi＝PMSMi-1+(PMh-PMSMi-1)/n(4)图12显示相对于后校正进气气压PMh的变化而言，渐变值PMSM的变化趋势。在该图中，后校正进气气压PMh的变动由虚线表示及渐变值PMSM的变动由粗实线表示。两点点划线显示当通过映射表计算或类似计算所得后校正进气气压PMh如虚线所示变化时，实际进气气压PMr是如何变化的。
从图12可以明显看出，当由虚线表示的后校正进气气压PMh随着例如加速下踏量ACCP的变化而变化时，渐变值PMSM相对于后校正进气气压PMh的变化而如粗实线所示地缓慢地变化。随着后校正进气气压PMh的变化而变化的渐变值PMSM的缓慢程度决定于等式(4)中的预定值n。参照没有示出的通过实验或类似操作预先设置的映射表、根据后校正进气气压PMh来计算预定值n。
当在步骤S304中计算的渐变值PMSM在步骤S305中作为第一存储值PMSM1存储时，流程进至步骤S306。步骤S306至S308的各过程用于预测和计算在现在关闭进气阀19时的渐变值PMSM。
步骤S306中，ECU 92计算自现在起直至关闭进气阀19时止所完成的步骤S304中过程的次数T/Δt(渐变过程的次数)。也即，渐变过程的次数T/Δt是通过获得自现在起至关闭进气阀19时止的时间T，并且将该时间T除以此子程序的运行时间间隔Δt而计算得到的。
接下来，在步骤S307中，ECU92将当前存储的第一存储值PMSM1或者最近的渐变值PMSM设置为先前渐变值PMSMi-1。此外，在步骤S308中，ECU 92使用渐变过程次数T/Δt根据等式(4)完成渐变过程以便计算在执行过T/Δt次渐变过程之后的渐变值PMSMi或者等效地计算在关闭进气阀19时的渐变值PMSMi。此后，ECU 92将当前渐变值PMSMi存储作为第二存储值PMSM2。
假设步骤S304的过程已经在由图12中的单点点划线L1所标示的时刻执行，在该过程中计算的当前渐变值PMSMi被存储为第一存储值PMSM1。当步骤S308的过程在上述过程之后执行时，计算由双点点划线L2所标示的关闭进气阀19时的渐变值PMSMi，并且将该渐变值PMSMi存储作为在由单点点划线L1所标示时刻附近的第二存储值PMSM2。
在以此方式存储第一和第二存储值PMSM1和PMSM2的过程之后，能够使用存储值PMSM1和PMSM2之间的差值ΔP1(PMSM2-PMSM1)预测关闭进气阀19时的进气气压。也即，可以通过将存储值PMSM1和PMSM2之间的差值ΔP1加至由真空传感器36在当前时刻(单点点划线L1)检测到的实际进气气压PMr而获得关闭进气阀19时的进气气压。
由于真空传感器36的输出量受到进气通道32中流动空气的波动的影响，正常情况下由CR滤波器或类似装置将真空传感器的输出量进行滤波以便去除这些影响。因此，在滤波过程中CR滤波器的时间常数或类似参数使实际进气气压PMr在实际上偏离恰当值，因而在关闭进气阀19时的预测进气气压就不准确。
图10(b)中步骤S311至步骤S313的各过程是考虑到实际进气气压PMr的偏离而将第一存储值PMSM1滤波并且使用滤波器输出量PMSM1Si正确地预测关闭进气阀19时的进气气压。
如图10(b)中所示，ECU 92在步骤S310中判断当前燃烧模式是否为均匀加油燃烧模式，并且如果是均匀加油燃烧模式则进至步骤S311。在步骤S311中，ECU 92根据以下等式(5)对第一存储值PMSM1完成滤波过程。在等式(5)中，PMSM1Si是第一存储值PMSM1的滤波器输出量及如此设置预定值m以使滤波过程的时间常数等于由CR滤波器执行的滤波过程的时间常数。
PMSM1Si＝PMSM1Si-1+(PMSM1-PMSM1Si-1)/m (5)当渐变值PMSM(第一存储值PMSM1)如图12中粗实线所标示地变化时，根据等式(5)获得的滤波器输出量PMSM1Si如图12中细实线所标示地变化。
随后，在步骤S312中，ECU 92自第二存储值PMSM2中减去滤波器输出量PMSM1Si以便计算它们之间的差值ΔP2。此外，在步骤S313中，ECU 92将差值ΔP2加至实际进气气压PMr上及将所加值再乘以体积效率ηv而计算所得的值，用作预测进气气压PMFWD，它是关闭进气阀19时的进气气压。
通过参照没有阐述的映射表来根据先前预测进气气压PMFWD和发动机速度NE而计算体积效率ηv。在计算预测进气气压PMFWD之后，ECU 92暂时地结束此子程序并且回至图6中的子程序。
当在如图12中单点点划线L1所标示的时刻执行第一和第二存储值PMSM1和PMSM2的存储过程的情况下，例如该时刻的第一存储值PMSM1的滤波器输出量PMSM1Si用于计算预测进气气压PMFWD。也即，在如单点点划线L1所标示的时刻，通过将第二存储值PMSM2和滤波器输出量PMSM1Si之间的差值ΔP2加至实际进气气压PMr而计算预测进气气压PMFWD。其结果是，即使在进气气压PMr中出现由于CR滤波器的时间常数而引起的偏离时，也能够计算预测进气气压PMFWD，用作关闭进气阀19时的正确进气气压。
另一方面，当在步骤S310中判断当前燃烧模式不是均匀加油燃烧模式而是分层加油燃烧模式时，流程进至步骤S314。步骤S314中，ECU 92将第二存储值PMSM2乘以体积效率ηv而得到一个值，作为虚拟进气气压PMv。参照没有阐述的映射表根据先前虚拟进气气压PMv和发动机速度NE来计算体积效率ηv。在计算虚拟进气气压PMv之后，ECU 92暂时地结束此子程序并且回至图6中的子程序。
假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧，虚拟进气气压PMv相当于关闭进气阀19时的进气气压，即对应于预测进气气压PMFWD的虚拟值。在均匀加油燃烧模式中，大致精确地根据实际进气气压PMr计算预测进气气压PMFWD。在分层加油燃烧模式中，通过对比，根据第二存储值PMSM2计算虚拟进气气压PMv而不考虑实际进气气压PMr，但通过步骤S304和S314的过程被大致精确地计算。
也即，在步骤S304中，将根据后校正进气气压PMh和发动机速度NE而获得的预定n用于渐变过程中。通过实验或类似方法将用于计算预定n的映射表如此预先设置以使虚拟进气气压PMv精确地成为一个对应于预测进气气压PMFWD的值。步骤S314中，使用根据先前虚拟进气气压PMv和发动机速度NE所获得的体积效率ηv。通过实验或类似方法将用于计算体积效率ηv的映射表如此预先设置以使虚拟进气气压PMv成为一个正确值。
该实施例具有以下优点。
无论执行均匀加油燃烧模式或分层加油燃烧模式，集约目标调节阀角度TAt都用作一个用于控制发动机11输出力矩的公共值。集约目标调节阀角度TAt是假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧的情况下反映所需发动机力矩的一个值。换言之，集约目标调节阀角度TAt是一个适合于均匀加油燃烧模式的调节阀角度的目标值。
在均匀加油燃烧模式中，如此驱动调节阀电机24以使实际调节阀角度TAr接近集约目标调节阀角度TAt，从而调节调节阀23的开度。其结果是，将进气量改变以便调节发动机力矩至所需值。在分层加油燃烧模式中，假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧的情况下根据集约目标调节阀角度TAt计算进气气压，作为虚拟进气气压PMv。根据虚拟进气气压PMv计算基本燃油注入量Qbse。驱动燃油注入阀40注入燃烧室16内的燃油量对应于根据基本燃油注入量Qbse所获得的最后燃油注入量Qfin以便将发动机力矩调节至所需值。
如上所述，无论在均匀加油燃烧模式或分层加油燃烧模式中，发动机11的所需力矩都反映在集约目标调节阀角度TAt上。在均匀加油燃烧模式中，根据集约目标调节阀角度TAt控制调节阀角度以便调节发动机力矩。在分层加油燃烧模式中，根据集约目标调节阀角度TAt控制燃油注入量以便调节发动机力矩。换言之，无论执行两种燃烧模式中的那一个，都根据作为公共目标控制值的集约目标调节阀角度TAt来调节发动机力矩。因此，能够容易地在均匀加油燃烧模式和分层加油燃烧模式之间将发动机力矩特性实现匹配。
为了使发动机11提供所需力矩值，所需发动机力矩值应该正确地反映在集约目标调节阀角度TAt上。为此目的，事先进行将发动机力矩值与集约目标调节阀角度TAt进行匹配的实验。根据该实施例，无论在均匀加油燃烧模式或分层加油燃烧模式中，都是根据集约目标调节阀角度TAt来控制发动机力矩，因此只需对集约目标调节阀角度TAt进行匹配实验即可。这简化了与控制发动机力矩的控制值相关的实验。
根据用于表示发动机负载的基本燃油注入量Qbse来确定燃烧模式。在执行两种燃烧模式中的任何一种时根据集约目标调节阀角度TAt来计算基本燃油注入量Qbse。由于集约目标调节阀角度TAt随着发动机11所需值的变化而变化，基本燃油注入量Qbse也随着变化。换言之，在执行两种燃烧模式中的任何一种时，发动机11的所需力矩值反映在基本燃油注入量Qbse上。因此，始终能够根据基本燃油注入量Qbse恰当地选择适合于发动机11所需力矩值的燃烧模式。换言之，能够根据反映所需力矩值的集约目标调节阀角度TAt来恰当地确定准备执行的燃烧模式。
根据有关技术，例如，在分层加油燃烧模式中根据加速下踏量和发动机速度计算基本燃油注入量。当执行与发动机力矩的自动调节相关联的控制时，根据发动机的所需力矩值校正基本燃油注入量，从而提供最终的燃油注入量。随着其数量与最终燃油注入量相对应的燃油被注入，发动机提供所需力矩。然而，即使根据所需力矩值的校正所得最终燃油注入量太大而不适合于分层加油燃烧，已经根据基本燃油注入量所确定的分层加油燃烧模式仍然继续。这意味着并未恰当地选择适合于所需力矩值的燃烧模式。
根据该实施例，通过对比，如果根据分层加油燃烧模式中发动机11的所需力矩值而确定的基本燃油注入量Qbse太大而不适合于分层加油燃烧，则将燃烧模式切换至均匀加油燃烧。因此，能够恰当地选择适合于所需力矩值的燃烧模式。
例如，能够如下地修改实施例。
虽然实施例中使用基本燃油注入量Qbse作为表示发动机负载的值来确定燃烧模式，但本发明并不限于此类型。例如，使用加速下踏量ACCP作为表示发动机负载的值而确定燃烧模式。
虽然在实施例中使用调节阀角度控制和燃油注入量控制来调节发动机力矩，但可以使用其他控制来调节发动机力矩，例如点火时序控制。
权利要求
1.一种用于控制通过在燃烧室内燃烧空气和燃油的气油混合物而产生力矩的发动机的控制设备，其中该发动机运行于选自第一燃烧模式和第二燃烧模式中的一个燃烧模式，其中当该发动机运行于第一燃烧模式时，通过第一调节装置来调节发动机力矩，以及当该发动机运行于第二燃烧模式时，通过不同于第一调节装置的第二调节装置来调节发动机力矩，该控制设备的特征在于计算装置，用于当发动机运行于第一燃烧模式时根据发动机运行状态来计算反映所需发动机力矩的反映力矩值；第一控制装置，用于当发动机运行于第一燃烧模式时根据反映力矩值来控制第一调节装置；及第二控制装置，用于当发动机运行于第二燃烧模式时根据反映力矩值来控制第二调节装置。
2.根据权利要求1的控制设备，其特征在于第一燃烧模式是一个其中气油混合物均匀地存在于燃烧室内的均匀加油燃烧模式及第二燃烧模式是一个其中气油混合物不是均匀地分布于燃烧室内的分层加油燃烧模式，第一调节装置包括一个用于调节进入燃烧室的进气量的调节阀，第二调节装置包括一个用于将燃油注入燃烧室内的燃油注入阀，第一控制装置根据反映力矩值调节调节阀开度以及第二控制装置根据反映力矩值调节自燃油注入阀注入的燃油量。
3.根据权利要求2的控制设备，其特征在于反映力矩值是一个调节阀开度的目标值。
4.根据权利要求2或3的控制设备，其特征在于当发动机运行于分层加油燃烧模式时，假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧模式，则第二控制装置根据反映力矩值计算准备送入燃烧室的空气的气压，用作虚拟进气气压，以及第二控制装置根据虚拟进气气压进一步调节燃油注入量。
5.根据权利要求4的控制设备，其特征在于当发动机运行于分层加油燃烧模式中时，假设已经在发动机的当前运行状态中执行均匀加油燃烧模式，则第二控制装置根据反映力矩值计算调节阀开度，用作虚拟调节阀角度，以及第二控制装置根据虚拟调节阀角度进一步计算虚拟进气气压。
6.根据权利要求1至5中任何一项的控制设备，其特征在于还包括用于根据反映力矩值确定一种准备执行的燃烧模式的决定装置。
7.一种用于控制通过在燃烧室内燃烧空气和燃油的气油混合物而产生力矩的发动机的控制设备，其中该发动机具有一个用于调节进入燃烧室的进气量的调节阀及一个用于将燃油注入燃烧室内的燃油注入阀，以及其中该发动机运行于选自均匀加油燃烧模式和分层加油燃烧模式中的一个燃烧模式，该控制设备的特征在于计算装置，用于当发动机运行于均匀加油燃烧模式时，根据发动机运行状态计算反映所需发动机力矩的反映力矩值，而与当前燃烧模式无关；第一控制装置，用于当发动机运行于均匀加油燃烧模式时根据反映力矩值来控制调节阀开度以便调节发动机力矩；及第二控制装置，用于当发动机运行于分层加油燃烧模式时根据反映力矩值来控制自燃油注入阀注入的燃油量。
8.根据权利要求7的控制设备，其特征在于计算装置计算一个适合于均匀加油燃烧模式的目标调节阀开度，用作反映力矩值。
9.一种用于控制通过在燃烧室内燃烧空气和燃油的气油混合物而产生力矩的发动机的控制方法，其中该发动机运行于选自第一燃烧模式和第二燃烧模式中的一个燃烧模式，其中当该发动机运行于第一燃烧模式中时，根据第一控制值调节发动机力矩，以及当该发动机运行于第二燃烧模式中时，根据不同于第一控制值的第二控制值调节发动机力矩，该控制方法的特征在于当发动机运行于第一燃烧模式时根据发动机运行状态来计算反映所需发动机力矩的反映力矩值的步骤；当发动机运行于第一燃烧模式时根据反映力矩值来控制第一控制值的步骤；及当发动机运行于第二燃烧模式中时根据反映力矩值来控制第二控制值的步骤。
10.根据权利要求9的控制方法，其特征在于第一燃烧模式是一个其中气油混合物均匀地存在于燃烧室内的均匀加油燃烧模式及第二燃烧模式是一个其中气油混合物不是均匀地分布于燃烧室内的分层加油燃烧模式，根据反映力矩值来控制第一控制值的步骤包括根据反映力矩值来调节调节阀开度以便调节进入燃烧室的进气量的步骤，及根据反映力矩值来控制第二控制值的步骤包括根据反映力矩值来调节注入燃烧室内的燃油量的步骤。
全文摘要
发动机运行于均匀加油燃烧模式或分层加油燃烧模式下。无论处于那一种燃烧模式,都根据发动机的运行状态计算集约目标调节阀角度,集约目标调节阀角度反映执行均匀加油燃烧模式时所需发动机力矩。在执行均匀加油燃烧模式时,根据集约目标调节阀角度调节调节阀开度以便调节发动机力矩。在执行分层加油燃烧模式时,根据集约目标调节阀角度调节燃油注入量以便调节发动机力矩。换言之,无论执行两种燃烧模式中的任何一种,都根据集约目标调节阀角度调节发动机力矩。因此可以容易地实现这些不同燃烧模式之间的发动机力矩特性匹配。
文档编号F02D41/30GK1357081SQ00809297
公开日2002年7月3日 申请日期2000年6月15日 优先权日1999年6月22日
发明者高木登, 水野宏幸, 不破直秀 申请人:丰田自动车株式会社