CN105626281B - 内燃机的控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够在具有进气VVT机构和排气VVT机构且进行外部EGR控制的发动机中高精度地计算出EGR流量的内燃机的控制装置。基本EGR流量计算部(28)基于进气歧管内的压力即进气歧管压力、排气管内的压力即排气管压力、排气管内的温度即排气管温度、EGR阀(17)的开度，计算出基本EGR流量，EGR流量修正部(29)基于进气歧管压力与排气管压力之比即进气歧管压力比、内燃机的转速、排气VVT机构(11)的排气VVT相位角，对基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为EGR流量。

Description

内燃机的控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及在设有可变阀门正时(VVT：Variable Valve Timing)机构的内燃机中计算出排气再循环(EGR：Exhaust Gas Recirculation)的流量的内燃机的控制装置及控制方法。
背景技术
一般而言，为了恰当地控制内燃机(以下也称为“发动机”)，高精度地计算出发动机的气缸所吸入的空气量(以下称之为“气缸吸入空气量”)并进行与气缸吸入空气量相应的燃料控制和点火时期控制十分重要。
这里，作为计算出气缸吸入空气量的方法，一般已知的有使用空气流量传感器(AFS：Air Flow Sensor)进行计算的方法(以下称之为“AFS方式”)、使用进气歧管压力传感器来进行计算的方法(以下称之为“S/D(速度/密度)方式”)。
具体而言，在AFS方式中，利用设置于发动机进气管的节流阀上游侧的AFS来测定通过AFS安装部的空气流量(以下称之为“AFS吸入空气量”)，并考虑节流阀下游侧的响应延迟来计算出气缸吸入空气量。
而在S/D方式下，利用设置在进气管的节流阀下游侧的气室和进气歧管(以下统称为“进气歧管”)中的进气歧管压力传感器来测定进气歧管内的压力(以下称之为“进气歧管压力”)，基于进气歧管压力和发动机转速来计算出气缸吸入空气量。
另外，同时使用AFS和进气歧管压力传感器并根据运转状态来切换AFS方式和S/D方式的技术、在AFS方式下也使用进气歧管压力来提高节流阀下游侧的响应延迟的精度的技术也已被公众所知。
而对于燃料控制，主要通过进行加减速修正或反馈控制，以喷射出相对于气缸吸入空气量达到目标空燃比的燃料量，从而基本上能够得到良好的控制性。
另一方面，对于点火时期控制，不仅需要根据发动机转速和气缸吸入空气量，还需要基于其它因素例如发动机温度、爆震发生状况、燃料性状、EGR量与AFS吸入空气量之比即EGR率等，在发动机输出达到最大时的点火提前角(MBT：Minimum Spark Advance for BestTorque)下进行控制。
另外，在会影响MBT的上述因素中，例如发动机温度可以用发动机冷却水温度传感器来检测，爆震发生状况可以用爆震传感器来检测，燃料性状可以根据爆震发生状况来判断是普通汽油还是高辛烷值汽油。
这里，对于EGR率，已知有对连接排气管和进气管的EGR通路中的EGR量进行控制的外部EGR控制、利用残留在气缸内的废气来控制EGR量的内部EGR量控制，一般情况下也会同时使用外部EGR控制和内部EGR控制。
具体而言，在外部EGR控制中，在EGR通路中设置EGR阀，根据EGR阀的开度来控制EGR量。而在内部EGR控制中，通过设置进气阀和排气阀的阀门开闭正时可变的VVT机构，根据阀门开闭正时来改变进气阀和排气阀同时开放的状态即重叠期间，由此控制因废气残留在气缸内而产生的EGR量。
下文中，简单记为EGR的情况表示的是通过外部EGR控制而导入的EGR，通过外部EGR控制而导入的EGR气体的流量(以下称之为“EGR流量”)Qegr例如可基于压缩性流体力学中通过喷嘴的流量的计算式，根据下式(1)计算得到。
【数学式1】
Qegr＝Segr·αegr·σegr·ρegr (1)
式(1)中，Segr表示EGR阀的有效开口面积，αegr表示EGR气体的音速，σegr表示EGR气体的无量纲流量，ρegr表示EGR气体的密度。EGR阀的有效开口面积Segr作为EGR阀开度的相关值而计算出来。
EGR气体的音速αegr可通过下式(2)计算得到。
【数学式2】
式(2)中，κegr表示EGR气体的比热比(例如1.38)，Regr表示EGR气体的气体常数(例如0.282[kJ/(kg·K)])，Tegr表示EGR气体的温度。EGR气体的温度Tegr也可以使用排气管内的温度Tex(以下称之为“排气管温度Tex”)。
EGR气体的无量纲流量σegr可通过下式(3)计算得到。
【数学式3】
式(3)中，Pb表示进气歧管压力，Pex表示排气管内的压力(以下称之为“排气管压力”)。排气管压力Pex在非增压式发动机的情况下也可以近似为大气压Pa。
当Pb/Pex小于(Pb/Pex)choke时，表示为节流区，此时的EGR气体的无量纲流量σegr与(Pb/Pex)choke时的σegr@choke为同一值。
EGR气体的密度ρegr可通过下式(4)计算得到。
【数学式4】
式(4)中，如上所述，EGR气体的温度Tegr也可以使用排气管温度Tex。
这里，作为使用上述式(1)～(4)来计算EGR流量的方法，提出了例如专利文献1和专利文献2中记载的方法。
具体而言，专利文献1中，基于EGR阀的开度计算出EGR通路的开口面积，用大气压检测值来修正进气管内压力检测值并求出进气管内压力相关值，将与该进气管内压力相关值及发动机转速相对应的EGR流速在规定大气压下的关系加以存储而得到映射，根据该映射，基于进气管内压力相关值和发动机转速的检测值计算出EGR流速，并基于大气压检测值计算出密度修正系数，由此根据EGR通路的开口面积、EGR流速和密度修正系数而计算出EGR流量。此时，上述关系相当于规定大气压下上述式(2)～(4)之积。
另外，专利文献2中，使用上式(1)～(4)计算出暂定EGR气体流量，并求出相当于排气管压力的上游侧气体压力与相当于进气歧管压力的下游侧气体压力的压差越大就越向1增大的修正值，将该修正值与暂定EGR气体流量相乘，从而对暂定EGR气体流量中包含的因相当于EGR通路的排气回流管与EGR气体之间发生的管摩擦而引起的误差进行修正，由此计算出从排气回流管流入进气通路的EGR气体的流量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4019265号公报
专利文献2：日本专利第3861046号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，现有技术中，存在如下问题。
上述式(1)～(4)是在假定为等熵的无粘性的理想气体中成立的数学式，对于氮和氧的混合气体即空气或氮与二氧化碳及水蒸气的混合气体即EGR气体在内燃机内移动这样的程度，可以认为熵的变化和比热的影响并没有那么大。
因此，若使用相当于流量系数与开口面积之积的考虑了粘性影响的有效开口面积来应用上述式(1)～(4)，则可以认为能够没有大误差地计算出EGR流量。
尽管如此，专利文献1中还是记载了针对每一个发动机转速计算出上述式(2)～(4)之积，专利文献2中也记载了使用排气管压力与进气歧管压力的压差越大就越向1增大的修正值来对EGR通路与EGR气体之间发生的管摩擦所引起的误差进行修正。
上述问题是连接发动机的排气管与进气管的EGR通路所特有的问题，可以认为其暗示了只是简单地应用上述式(1)～(4)并不能以足够的精度计算出EGR流量。
因此，本申请的发明人通过在具有进气VVT机构和排气VVT机构且进行外部EGR控制的发动机中应用上述式(1)～(4)来计算EGR流量，确认了EGR流量的计算误差不仅仅受到发动机转速和排气管压力与进气歧管压力的压差的影响，EGR流量的计算误差还会因VVT相位角而扩大。
而且，明确了进气VVT与排气VVT中尤其是排气VVT的相位角会给EGR流量的计算结果带来很大的影响。由此，对于具有进气VVT机构和排气VVT机构且进行外部EGR控制的发动机，存在仅通过上述基于发动机转速和排气管压力与进气歧管压力的压差进行的修正无法高精度地计算出EGR流量的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够在具有进气VVT机构和排气VVT机构且进行外部EGR控制的发动机中高精度地计算出EGR流量的内燃机的控制装置及控制方法。
用于解决技术问题的技术手段
本发明所涉及的内燃机的控制装置具备：设置于内燃机的进气管的节流阀；使内燃机的阀门开闭正时可变的进气VVT机构和排气VVT机构；将内燃机的排气管与位于进气管的节流阀的下游侧的进气歧管连接并将一部分废气导入进气歧管内的EGR通路；设置于EGR通路以控制从EGR通路流入进气歧管内的EGR流量的EGR阀；检测内燃机的运转状态的运转状态检测部；以及计算EGR流量的EGR流量计算部，EGR流量计算部包括：基本EGR流量计算部，该基本EGR流量计算部基于进气歧管内的压力即进气歧管压力、排气管内的压力即排气管压力、排气管内的温度即排气管温度、EGR阀的开度，计算出基本EGR流量；以及EGR流量修正部，该EGR流量修正部基于进气歧管压力与排气管压力之比即进气歧管压力比、内燃机的转速、排气VVT机构的排气VVT相位角，对基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为EGR流量。
本发明所涉及的内燃机的控制方法是在下述内燃机中执行的内燃机的控制方法，该内燃机具备：设置于内燃机的进气管的节流阀；使内燃机的阀门开闭正时可变的进气VVT机构和排气VVT机构；将内燃机的排气管与位于进气管的节流阀的下游侧的进气歧管连接并将一部分废气导入进气歧管内的EGR通路；设置于EGR通路以控制从EGR通路流入进气歧管内的EGR流量的EGR阀；以及检测内燃机的运转状态的运转状态检测部，该内燃机的控制方法包括：基本EGR流量计算步骤，在处理部中，基于进气歧管内的压力即进气歧管压力、排气管内的压力即排气管压力、排气管内的温度即排气管温度、EGR阀的开度，计算出基本EGR流量并存储到存储器中；以及EGR流量修正步骤，在处理部中，从存储器调出基本EGR流量，并基于进气歧管压力与排气管压力之比即进气歧管压力比、内燃机的转速、排气VVT机构的排气VVT相位角，对基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为EGR流量。
发明效果
根据本发明所涉及的内燃机的控制装置及控制方法，基本EGR流量计算部(步骤)基于进气歧管内的压力即进气歧管压力、排气管内的压力即排气管压力、排气管内的温度即排气管温度、EGR阀的开度，计算出基本EGR流量，EGR流量修正部(步骤)基于进气歧管压力与排气管压力之比即进气歧管压力比、内燃机的转速、排气VVT机构的排气VVT相位角，对基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为EGR流量
因此，能够在具有进气VVT机构和排气VVT机构且进行外部EGR控制的发动机中高精度地计算出EGR流量。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置所适用的发动机的结构图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的结构框图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的基本EGR流量计算部的处理的流程图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的进气歧管压力比与EGR气体的无量纲流量的关系的曲线图。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置中进气歧管压力的波动与排气管压力的波动给EGR流量造成的影响的说明图。
图6是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置中进气歧管压力的波动与排气管压力的波动给EGR流量造成的影响的说明图。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置中进气歧管压力的波动与排气管压力的波动给EGR流量造成的影响的说明图。
图8是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的进气歧管压力比与波动修正系数的关系的曲线图。
图9是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的EGR流量修正部的处理的流程图。
具体实施方式
下面，利用附图对本发明所涉及的内燃机的控制装置及控制方法的优选实施方式进行说明，各图中对于相同或相当的部分标注相同的标号来说明。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置所适用的发动机的结构图。图1中，在发动机1的进气管的上游侧设有用于测定AFS吸入空气量的AFS2。
在进气管的AFS2的下游侧设有能够通过电气控制来调节AFS吸入空气量的电子控制节流阀3。电子控制节流阀3中设有测定电子控制节流阀3的节流阀开度的节流阀开度传感器4。
此外，在设置于进气管的电子控制节流阀3的下游侧的气室5中，设有测定包含气室5和进气歧管6(即进气歧管)的空间内的压力(即进气歧管压力)的进气歧管压力传感器7、以及测定进气歧管内的温度(以下称之为“进气歧管温度”)的进气温度传感器8。
另外，虽然严格意义上来讲是不同的温度，但也可以使用测定外部气体的温度传感器、例如内置于AFS2的温度传感器，根据外部气体的温度近似地推算出进气歧管温度，以代替测定进气歧管温度的进气温度传感器8。还可以基于进气歧管压力和后述的发动机转速，通过S/D方式计算出气缸吸入空气量，以代替使用AFS2。
在包含进气歧管6和发动机1的气缸内的进气阀附近，设有喷射燃料的喷射器9。另外，在进气阀和排气阀中分别设有使阀门开闭正时可变的进气VVT机构10和排气VVT机构11。
此外，在发动机1的气缸头设有点火线圈12，用于驱动使气缸内产生火花的火花塞。另外，在气缸下游侧的排气歧管13和排气歧管13下游侧的排气管(以下统称为“排气歧管”)中，设有测定废气的空燃比的O2传感器14、和净化废气中的有毒物质的催化剂15。也可以设置线性A/F传感器来代替O2传感器14。
排气歧管13与气室5通过EGR通路16相互连接。EGR通路16中设有控制EGR流量的EGR阀17。此外，在发动机1的曲柄轴上设置有与曲柄轴一体旋转的曲柄角盘18、以及检测曲柄角盘18的边缘间周期以计算出曲柄角度和发动机转速的曲柄角传感器19。
这里，上述各种传感器和各种致动器分别与电子控制单元(ECU：ElectricControl Unit)20相连接，ECU20基于来自各种传感器的信号，控制各种致动器的动作。用于检测大气压的未图示的大气压传感器内置于ECU20，或者设置于向大气开放的部位。
ECU20以具有执行运算处理的CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、存储程序数据和固定值数据的ROM(Read Only Memory：只读存储器)、以及对所存储的数据进行更新并依次改写的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)的微型计算机作为主体而构成。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的结构框图。图2中，来自AFS2的AFS吸入空气量Qa、来自节流阀开度传感器4的节流阀开度Th、来自进气歧管压力传感器7的进气歧管压力Pb、来自进气温度传感器8的进气歧管温度Tb、来自O2传感器14的空燃比AF、来自曲柄角传感器19的边缘间周期ΔT、以及来自大气压传感器的大气压Pa被输入到ECU20。
除上述各种传感器以外的其它传感器、例如未图示的油门开度传感器、车速传感器、爆震传感器等也分别将油门开度AP、车速、表示爆震发生状况的振动等以测定值的形式输入到ECU20。这里，上述各种传感器及其它传感器构成检测发动机1的运转状态的运转状态检测部。
ECU20具备：目标转矩计算部21、目标气缸吸入空气量计算部22、目标节流阀开度计算部23、目标进气排气VVT相位角计算部24、目标EGR阀门开度计算部25、气缸吸入空气量计算部26、燃料喷射量计算部27、基本EGR流量计算部28、EGR流量修正部29、及点火时期计算部30。将基本EGR流量计算部28和EGR流量修正部29统称为EGR流量计算部。
目标转矩计算部21基于油门开度AP和根据边缘间周期ΔT计算出的发动机转速Ne等，计算出目标转矩Trq。目标气缸吸入空气量计算部22计算出目标气缸吸入空气量Qct，以使达到计算出的目标转矩Trq。目标节流阀开度计算部23计算出目标节流阀开度Tht，以使达到计算出的目标气缸吸入空气量Qct。
此时，在目标节流阀开度计算部23中进行反馈修正控制，以使节流阀开度Th达到目标节流阀开度Tht。同时也可以在目标节流阀开度计算部23中对目标节流阀开度Tht进行反馈修正控制，以使后述的气缸吸入空气量Qc接近目标气缸吸入空气量Qct。
目标进气排气VVT相位角计算部24在达到目标气缸吸入空气量Qct时的运转条件下，计算出使燃料消耗和废气性能良好的目标进气VVT相位角InVVTt和目标排气VVT相位角ExVVTt。目标EGR阀门开度计算部25在达到目标气缸吸入空气量Qct时的运转条件下，计算出使燃料消耗和废气性能良好的目标EGR阀门开度Est。
ECU20对电子控制节流阀3的开度、进气VVT机构10和排气VVT机构11的相位角、以及EGR阀17的开度进行控制，以期达到上述计算出的目标节流阀开度Tht、目标进气VVT相位角InVVTt、目标排气VVT相位角ExVVTt、目标EGR阀门开度Est。
气缸吸入空气量计算部26在AFS方式下，基于AFS吸入空气量Qa和节流阀下游侧的响应延迟，计算出气缸吸入空气量Qc和填充效率Ec，在S/D方式下，基于进气歧管压力Pb和进气歧管温度Tb，计算出气缸吸入空气量Qc和填充效率Ec。这里，气缸吸入空气量计算部26也可以同时使用AFS方式和S/D方式。
这里，AFS吸入空气量Qa和进气歧管压力Pb会受到因进气阀的动作等造成的进气脉动的影响，从而以规定的曲柄角度周期发生变动。因此，通过每隔比上述周期要短的时间例如每隔1ms进行A/D转换，并且每隔规定的曲柄角度周期对所得到的值进行平均化处理，例如在4气缸发动机的情况下每隔180degCA、在3气缸发动机的情况下每隔240degCA进行平均化处理，从而降低进气脉动的影响。
燃料喷射量计算部27基于气缸吸入空气量Qc或填充效率Ec、以及预先任意设定的目标空燃比AFt，计算出燃料喷射量Qf。此时，也可以同时在燃料喷射量计算部27中对燃料喷射量Qf进行反馈修正控制，以使空燃比AF接近目标空燃比AFt。
基本EGR流量计算部28基于目标EGR阀门开度Est和进气歧管压力Pb等，计算出基本EGR流量Qegrb。EGR流量修正部29对基本EGR流量Qegrb进行修正，计算出修正后EGR流量Qegrc。点火时期计算部30基于修正后EGR流量Qegrc、气缸吸入空气量Qc或填充效率Ec、以及其它运转条件，计算出点火时期IG。
ECU20控制喷射器9的喷射量和点火线圈12的通电时序，以期达到上述计算出的燃料喷射量Qf和点火时期IG。ECU20也可以根据需要控制各种致动器以外的其它致动器。
下面，参照图3～图9，对本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的基本EGR流量计算部28和EGR流量修正部29的处理进行详细说明。首先，参照图3的流程图，来说明基本EGR流量计算部28的具体处理。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的基本EGR流量计算部(处理部)的处理的流程图。该处理通过每隔规定曲柄角度周期(例如每隔BTDC75degCA)的中断处理、或者每隔规定时间周期(例如每隔10ms)的主处理的形式来执行。基本EGR流量计算部28通过使用上述式(1)～(4)计算EGR流量的方法，计算出基本EGR流量Qegrb。
图3中，首先，基本EGR流量计算部28获取目标EGR阀门开度Est作为EGR阀门开度(步骤S101)。在用于检测EGR阀门开度的EGR阀门开度传感器是另外设置的情况下，也可以基于EGR阀门开度传感器的输出值来获取EGR阀门开度。
然后，基本EGR流量计算部28基于目标EGR阀门开度Est，计算出EGR阀的有效开口面积Segr(步骤S102)。这里，基本EGR流量计算部28将例如后述的在波动影响较少的运转区域中测定得到的目标EGR阀门开度Est与EGR阀门有效开口面积Segr的关系预先以映射的形式进行存储，由此计算出与目标EGR阀门开度Est相对应的EGR阀门有效开口面积Segr。
接着，基本EGR流量计算部28计算出排气管温度Tex(步骤S103)。这里，例如注意到排气管温度Tex与发动机转速Ne和填充效率Ec之间有着很强的相关性，基本EGR流量计算部28将实测得到的它们的关系通过以发动机转速Ne和填充效率Ec为轴的映射的形式预先加以存储，由此基于运转条件计算出排气管温度Tex。也可以根据需要对排气管温度Tex实施滤波处理。
然后，基本EGR流量计算部28基于排气管温度Tex，计算出EGR气体的音速αegr(步骤S104)。这里，基本EGR流量计算部28可以使用上述式(2)来计算EGR气体的音速αegr。在上述式(2)的运算中，需要进行平方根的运算，因此，基本EGR流量计算部28也可以将排气管温度Tex与EGR气体的音速αegr在计算机上的计算结果以映射的形式预先加以存储，由此计算出与排气管温度Tex相对应的EGR气体的音速αegr。
接着，基本EGR流量计算部28计算出排气管压力Pex(步骤S105)。这里，例如注意到排气管压力Pex、气缸吸入空气量Qc与燃料喷射量Qf之和即排气流量Qex、排气管压力Pex与大气压Pa的压力比即排气管压力比Pex/Pa之间有着很强的相关性，基本EGR流量计算部28将实测得到的它们的关系通过以排气流量Qex为轴的映射的形式预先加以存储，从而基于运转条件和大气压Pa计算出排气管压力Pex。
此时，排气管压力Pex的变动如后文所述那样很大，因此使用每隔规定曲柄角度周期或者每隔规定时间周期进行了平均化处理后的值。也可以根据需要对排气管压力Pex实施滤波处理。
然后，基本EGR流量计算部28基于排气管压力Pex，计算出EGR气体的无量纲流量σegr(步骤S106)。这里，基本EGR流量计算部28可以使用上述式(3)来计算EGR气体的无量纲流量σegr。
上述式(3)的运算十分复杂，可能会导致ECU20的处理量变大。因此，基本EGR流量计算部28也可以将进气歧管压力Pb与排气管压力Pex的压力比即进气歧管压力比Pb/Pex、EGR气体的无量纲流量σegr在计算机上的计算结果以映射的形式预先加以存储，从而计算出与进气歧管压力比Pb/Pex相对应的EGR气体的无量纲流量σegr。此时，进气歧管压力Pb使用上述每隔规定曲柄角度周期进行了平均化处理后的值。
接着，基本EGR流量计算部28计算出EGR气体的密度ρegr(步骤S107)。这里，基本EGR流量计算部28可以使用上述式(4)来计算EGR气体的密度ρegr。
接着，基本EGR流量计算部28计算出基本EGR流量Qegrb(步骤S108)。基本EGR流量计算部28使用上述式(1)来计算基本EGR流量Qegrb，但由于要在后述的EGR流量修正部29中进行修正，因此这里用添加了字母b的基本EGR流量Qegrb来表示。如上所述，由基本EGR流量计算部28基于上述式(1)～(4)计算出基本EGR流量Qegrb。
这里，参照图4～图8，对EGR流量修正部29中进行的修正的方案进行说明。在内燃机的进气管(这里是指从电子控制节流阀3的下游侧到进气阀为止的进气歧管)和排气管(这里是指从排气阀到催化剂15为止的排气歧管)中，与进气阀和排气阀的动作联动地会发生压力变动这一点是已知的。
首先，在进气歧管中，当电子控制节流阀3的节流阀开度固定时，随着一定流量的空气流入进气管内，进气歧管压力Pb开始上升，若在进气过程中打开进气阀而使进气歧管内的空气吸入到气缸内，则进气歧管内的空气会减少被吸入的那一部分，因此进气歧管压力Pb下降。
即，进气歧管压力Pb在某一气缸的进气冲程中进气阀的升程量变大的时刻下降，而在除此以外的时刻上升，这一动作将在内燃机的运转期间内反复进行。因此，进气歧管压力Pb与发动机的旋转同步地每隔规定曲柄角度周期发生变动，例如在4气缸发动机的情况下每隔180degCA、在3气缸发动机的情况下每隔240degCA发生变动。以下，将该现象称为“进气歧管压力波动”。
上述每隔规定曲柄角度周期对进气歧管压力Pb进行平均化处理是为了抑制例如在正常运转时因进气歧管压力波动的影响而导致进气歧管压力Pb在A/D转换的时刻发生变动。
另外，在排气歧管中也一样，当膨胀冲程或排气冲程中打开了排气阀时，气缸内的高温高压的废气将流出到排气歧管，使得排气歧管内的排气管压力Pex上升，但由于之后废气会从排气歧管通过催化剂15或***而流出到大气中，因此排气管压力Pex将下降。
即，排气管压力Pex在排气阀打开的时刻上升，在除此以外的时刻因废气流出到大气中而下降，且这一动作将在内燃机的运转期间内反复进行。因此，排气管压力Pex和进气歧管压力Pb同样地与发动机的旋转同步地每隔规定曲柄角度周期发生变动。以下，将该现象称为“排气管压力波动”。
接下来，对于这样的进气歧管压力Pb和排气管压力Pex分别周期性地发生变动的情况下的实际EGR流量Qegr与由基本EGR流量计算部28计算出的基本EGR流量Qegrb之间的关系进行说明。
这里，实际EGR流量Qegr是用实时测定的进气歧管压力Pb与排气管压力Pex计算出的EGR流量的平均值，但也可以基于根据进气歧管内和排气歧管内的CO2浓度计算出的EGR率和气缸吸入空气量Qc来计算出实测值。另外，基本EGR流量Qegrb是用每隔规定曲柄角度周期进行平均化处理后得到的进气歧管压力Pb和排气管压力Pex计算出的EGR流量。
在非增压式发动机中，进气歧管压力Pb一般低于大气压Pa，排气管压力Pex一般高于大气压Pa，因此可以认为Pb≤Pa≤Pex的关系通常是成立的。这种情况下，EGR气体的无量纲流量σegr可通过上式(3)计算得到。
然而，在进气歧管压力Pb和排气管压力Pex分别周期性地发生变动的情况下，有可能瞬间变为Pex<Pb的关系。这种情况下，使用上式(3)计算出的EGR气体的无量纲流量σegr将变为虚数，从物理现象来解释则是产生了从进气歧管到排气歧管的EGR气体的逆流。因此，Pex<Pb的情况下的EGR气体的无量纲流量σegr可用下式(5)来表示。式(5)中，负意味着逆流。
【数学式5】
式(5)中，当Pb/Pex大于(Pb/Pex)choke时，表示为节流区，此时的EGR气体的无量纲流量σegr与(Pb/Pex)choke时的σegr@choke为同一值。
这里，在图4中示出了用上述式(3)和上述式(5)计算出的进气歧管压力比Pb/Pex与EGR气体的无量纲流量σegr之间的关系。图4是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的进气歧管压力比与EGR气体的无量纲流量的关系的曲线图。通过使用图4所示的EGR气体的无量纲流量σegr，能够计算出瞬间产生逆流的区域中的EGR流量。
另外，在图5～图7中示出了用图4所示的进气歧管压力比Pb/Pex与EGR气体的无量纲流量σegr之间的关系计算出的实际EGR流量Qegr与基本EGR流量Qegrb的关系。图5～图7所示的例子是假定为3气缸发动机且分别用正弦曲线模拟了进气歧管压力波动和排气管压力波动而得到的简易仿真结果。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置中进气歧管压力波动与排气管压力波动给EGR流量造成的影响的说明图。图5中示出了进气歧管压力Pb和排气管压力Pex中相同相位的波动重叠，进气歧管压力比Pb/Pex接近1.0，而进气歧管压力比Pb/Pex的波动较小的情况。
图5中，进气歧管压力Pb和排气管压力Pex均有很大的变动，但由于是同相位，不会产生EGR气体的逆流，从而即使计算出进气歧管压力比Pb/Pex和实际EGR流量Qegr，它们的变动也很小。
即，在图5的情况下，实际EGR流量Qegr与基本EGR流量Qegrb基本一致，表示因进气歧管压力波动和排气管压力波动的影响而造成的实际EGR流量Qegr与基本EGR流量Qegrb的误差的指标即波动修正系数Kripple(＝Qegr/Qegrb)大致为1.0。
图6是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置中进气歧管压力波动与排气管压力波动给EGR流量造成的影响的说明图。图6中示出了进气歧管压力Pb和排气管压力Pex中相反相位的波动重叠，进气歧管压力比Pb/Pex接近1.0，而进气歧管压力比Pb/Pex的波动较大的情况。
图6中，进气歧管压力Pb和排气管压力Pex的振幅与图5的值相同，但相位发生了反转，因此会有暂时的EGR气体的逆流产生。此时计算进气歧管压力比Pb/Pex和实际EGR流量Qegr时，每一个变动量都很大，在实际EGR流量Qegr与基本EGR流量Qegrb之间会产生很大的误差。
波动修正系数Kripple为0.55左右，基本EGR流量计算部28计算出的基本EGR流量Qegrb为接近实际EGR流量Qegr的两倍的值，从而产生了很大的误差。基本EGR流量Qegrb与图5的值相同。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置中进气歧管压力波动与排气管压力波动给EGR流量造成的影响的说明图。图7中示出了进气歧管压力Pb和排气管压力Pex中相反相位的波动重叠，进气歧管压力比Pb/Pex小于1.0，而进气歧管压力比Pb/Pex的波动较大的情况。
图7中，进气歧管压力Pb和排气管压力Pex的振幅及相位与图6的值相同，但由于进气歧管压力Pb较低，因此不会产生EGR气体的逆流。此时计算进气歧管压力比Pb/Pex和实际EGR流量Qegr时，虽然每一个变动量都很大，但实际EGR流量Qegr与基本EGR流量Qegrb之间的误差要小于图6的值，波动修正系数Kripple为0.94左右，与图6的值相比充分地接近1.0。
这样，在图6所示那样产生了逆流的情况下，基本EGR流量计算部28计算出的基本EGR流量Qegrb与实际EGR流量Qegr之间会产生很大的误差。可以认为这是因为图4所示的进气歧管压力比Pb/Pex在1.0附近具有较强的非线性性。即，可以认为这一现象是连接发动机1的进气管和排气管的EGR通路16所特有的问题。
以上，参照图5～图7，说明了进气歧管压力波动和排气管压力波动对实际EGR流量Qegr与基本EGR流量Qegrb之间造成的影响、以及使用波动修正系数Kripple来作为表征该影响程度的指标。这里，作为会对波动的大小(即振幅)产生影响的要素，考虑了发动机转速Ne、进气歧管压力Pb、排气管压力Pex。
另外，作为会对波动的相位产生影响的要素，考虑了进气VVT相位角和排气VVT相位角，但对于进气歧管压力波动的相位来说，相比于进气VVT相位角，进气冲程中的活塞位置更占支配地位，因此，通过实验确认尤其是排气VVT相位角会给波动的相位带来很大的影响。
但是，在进气冲程过半，进气阀仍然关闭等的情况下，认为进气VVT相位角的影响也会变大。另外，进气歧管压力波动和排气管压力波动对于波动修正系数Kripple的影响也会随着进气歧管压力比Pb/Pex发生变化。
因此，为了根据由基本EGR流量计算部28计算出的基本EGR流量Qegrb计算出实际EGR流量Qegr，只要基于会对波动的大小(即振幅)和相位产生影响的要素来计算出恰当的波动修正系数Kripple，并根据下式(6)对基本EGR流量Qegrb进行修正即可。
【数学式6】
Qegr＝Kripple·Qegrb (6)
式(6)中，波动修正系数Kripple基于发动机转速Ne、进气歧管压力比Pb/Pex和排气VVT相位角计算得到。这是因为，本申请的发明人通过对波动修正系数Kripple、发动机转速Ne、进气歧管压力比Pb/Pex和排气VVT相位角ExVVT的关系进行研究，结果发现用下式(7)的关系式进行近似能够通过简单的运算来高精度地计算出波动修正系数Kripple。
【数学式7】
这里，在图8中示出了用上述式(7)计算出的进气歧管压力比Pb/Pex与波动修正系数Kripple之间的关系。图8是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的进气歧管压比与波动修正系数的关系的曲线图。
图8中，对于发动机转速Ne、进气歧管压力比Pb/Pex和排气VVT相位角ExVVT的整个运转区域，将根据进气歧管压力比Pb/Pex的实测值计算出的最小的波动修正系数Kripple作为与进气歧管压力比Pb/Pex相关的第1波动修正系数K1并以映射的形式存储。
另外，若将根据发动机转速Ne和排气VVT相位角ExVVT的实测值计算出的波动修正系数Kripple与第1波动修正系数K1之差作为与发动机转速Ne和排气VVT相位角ExVVT相关的第2波动修正系数K2并以映射的形式存储，则能够通过上式(7)高精度地计算出波动修正系数Kripple。
接下来，参照图9的流程图，来说明EGR流量修正部29的具体处理。图9是表示本发明的实施方式1所涉及的内燃机的控制装置的EGR流量修正部(处理部)的处理的流程图。该处理通过每隔规定曲柄角度周期(例如每隔BTDC75degCA)的中断处理、或者每隔规定时间周期(例如每隔10ms)的主处理的形式来执行。
图9中，首先，EGR流量修正部29计算出进气歧管压力比Pb/Pex(步骤S201)。这里，EGR流量修正部29基于每隔规定曲柄角度周期进行了平均化处理后的进气歧管压力Pb、图3的步骤S105中计算出的排气管压力Pex，计算出进气歧管压力比Pb/Pex。
然后，EGR流量修正部29基于进气歧管压力比Pb/Pex，计算出第1波动修正系数K1(步骤S202)。这里，EGR流量修正部29将进气歧管压力比Pb/Pex与第1波动修正系数K1的关系以映射的形式预先存储，从而计算出与进气歧管压力比Pb/Pex相对应的第1波动修正系数K1。
接着，EGR流量修正部29获取目标排气VVT相位角ExVVTt作为排气VVT相位角ExVVT(步骤S203)。EGR流量修正部29也可以使用安装于未图示的排气凸轮的凸轮角盘与凸轮角传感器，根据与曲柄角的相位差来获取排气VVT相位角ExVVT。
然后，EGR流量修正部29基于发动机转速Ne和目标排气VVT相位角ExVVTt，计算出第2波动修正系数K2(步骤S204)。这里，EGR流量修正部29将发动机转速Ne及目标排气VVT相位角ExVVTt与第2波动修正系数K2的关系以映射的形式预先存储，从而计算出与发动机转速Ne及目标排气VVT相位角ExVVTt相对应的第2波动修正系数K2。
然后，EGR流量修正部29基于第1波动修正系数K1和第2波动修正系数K2，用上式(7)计算出波动修正系数Kripple(步骤S205)。
然后，EGR流量修正部29获取在图3的步骤S108中计算出的基本EGR流量Qegrb(步骤S206)。
接着，EGR流量修正部29基于波动修正系数Kripple和基本EGR流量Qegrb，用上式(6)计算出修正后EGR流量Qegrc。从而，能够高精度地计算出修正后EGR流量Qegrc作为实际EGR流量Qegr。
由此，对于根据理论公式计算出的基本EGR流量Qegrb，通过基于发动机转速Ne、进气歧管压力Pb与排气管压力Pex的压力比即进气歧管压力比Pb/Pex、以及排气VVT相位角ExVVTt，对基本EGR流量Qegrb进行修正，从而能够高精度地计算出EGR流量。
如上所述，根据实施方式1，基本EGR流量计算部基于进气歧管内的压力即进气歧管压力、排气管内的压力即排气管压力、排气管内的温度即排气管温度、EGR阀的开度，计算出基本EGR流量，EGR流量修正部基于进气歧管压力与排气管压力之比即进气歧管压力比、内燃机的转速、排气VVT机构的排气VVT相位角，对基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为EGR流量。
因此，能够在具有进气VVT机构和排气VVT机构且进行外部EGR控制的发动机中高精度地计算出EGR流量。
上述实施方式1中，以非增压式发动机为例进行了说明，但并不限于此，增压式发动机也能够通过同样的方法计算出EGR流量。在上述进气VVT相位角InVVT的影响较大的情况下，通过例如下式(8)所示那样引入与发动机转速Ne和进气VVT相位角InVVT相关的第3波动修正系数K3，能够更高精度地计算出波动修正系数Kripple。
【数学式8】
标号说明
1 发动机；2 AFS；3 电子控制节流阀；4 节流阀开度传感器；5 气室；6 进气歧管；7 进气歧管压力传感器；8 进气温度传感器；9 喷射器；10 进气VVT机构；11 排气VVT机构；12 点火线圈；13 排气歧管；14 O2传感器；15 催化剂；16 EGR通路；17 EGR阀；18 曲柄角盘；19 曲柄角传感器；20 ECU；21 目标转矩计算部；22 目标气缸吸入空气量计算部；23 目标节流阀开度计算部；24 目标进气排气VVT相位角计算部；25 目标EGR阀门开度计算部；26气缸吸入空气量计算部；27燃料喷射量计算部；28 基本EGR流量计算部；29 EGR流量修正部；30 点火时期计算部。

Claims (7)

1.一种内燃机的控制装置，其特征在于，包括：
设置于内燃机的进气管的节流阀；
使所述内燃机的阀门开闭正时可变的进气VVT机构和排气VVT机构；
将所述内燃机的排气管与所述进气管的所述节流阀下游侧的进气歧管相连接以使一部分废气导入所述进气歧管内的EGR通路；
设置于所述EGR通路并控制从所述EGR通路流入所述进气歧管内的EGR流量的EGR阀；
检测所述内燃机的运转状态的运转状态检测部；以及
计算所述EGR流量的EGR流量计算部，
所述EGR流量计算部具备：
基本EGR流量计算部，该基本EGR流量计算部基于所述进气歧管内的压力即进气歧管压力、所述排气管内的压力即排气管压力、所述排气管内的温度即排气管温度、所述EGR阀的开度，计算出基本EGR流量；以及
EGR流量修正部，该EGR流量修正部基于所述进气歧管压力与所述排气管压力之比即进气歧管压力比、所述内燃机的转速、所述排气VVT机构的排气VVT相位角，对所述基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为所述EGR流量。
2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述基本EGR流量计算部将所述内燃机的转速及所述内燃机的填充效率与所述排气管温度的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述内燃机的转速及所述内燃机的填充效率来计算出所述排气管温度，
并将所述内燃机的气缸中吸入的气缸吸入空气量与燃料喷射量之和即排气流量、同所述排气管压力与大气压的压力比即排气管压力比的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述排气流量与所述大气压计算出所述排气管压力。
3.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述基本EGR流量计算部将所述EGR阀的开度与所述EGR阀的有效开口面积的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述EGR阀的开度计算出所述EGR阀的有效开口面积，
并将所述排气管温度与EGR气体的音速的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述排气管温度计算出所述EGR气体的音速，
并将所述进气歧管压力比与所述EGR气体的无量纲流量的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述进气歧管压力比计算出所述EGR气体的无量纲流量，
基于由所述排气管温度和所述排气管压力计算出的排气密度、所述EGR阀的有效开口面积、所述EGR气体的音速、所述EGR气体的无量纲流量，计算出所述基本EGR流量。
4.如权利要求2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述基本EGR流量计算部将所述EGR阀的开度与所述EGR阀的有效开口面积的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述EGR阀的开度计算出所述EGR阀的有效开口面积，
并将所述排气管温度与EGR气体的音速的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述排气管温度计算出所述EGR气体的音速，
并将所述进气歧管压力比与所述EGR气体的无量纲流量的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述进气歧管压力比计算出所述EGR气体的无量纲流量，
基于由所述排气管温度和所述排气管压力计算出的排气密度、所述EGR阀的有效开口面积、所述EGR气体的音速、所述EGR气体的无量纲流量，计算出所述基本EGR流量。
5.如权利要求1至4的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述EGR流量修正部将所述EGR流量与所述基本EGR流量之比即波动修正系数与所述进气歧管压力比的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述进气歧管压力比计算出所述波动修正系数，
基于所述内燃机的转速和所述排气VVT相位角，对所计算出的所述波动修正系数进行修正，计算出修正后波动修正系数，
将所述修正后波动修正系数与所述基本EGR流量相乘，从而计算出所述修正后EGR流量。
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EGR流量修正部将所述内燃机的转速及所述排气VVT相位角、同所述修正后波动修正系数与所述波动修正系数之差的关系以映射的形式预先加以存储，从而基于所述内燃机的转速及所述排气VVT相位角，计算出所述修正后波动修正系数与所述波动修正系数之差，并将所述修正后波动修正系数与所述波动修正系数之差和所述波动修正系数相加，从而计算出所述修正后波动修正系数。
7.一种内燃机的控制方法，在具备如下结构的内燃机中执行，该内燃机包括：
设置于内燃机的进气管的节流阀；
使所述内燃机的阀门开闭正时可变的进气VVT机构和排气VVT机构；
将所述内燃机的排气管与所述进气管的所述节流阀的下游侧的进气歧管相连接以使一部分废气导入所述进气歧管内的EGR通路；
设置于所述EGR通路并控制从所述EGR通路流入所述进气歧管内的EGR流量的EGR阀；以及
检测所述内燃机的运转状态的运转状态检测部，所述内燃机的控制方法的特征在于，包括如下步骤：
在处理部中，基于所述进气歧管内的压力即进气歧管压力、所述排气管内的压力即排气管压力、所述排气管内的温度即排气管温度、所述EGR阀的开度，计算出基本EGR流量并存储到存储器中的基本EGR流量计算步骤；以及
在所述处理部中，从所述存储器调出所述基本EGR流量，基于所述进气歧管压力与所述排气管压力之比即进气歧管压力比、所述内燃机的转速、所述排气VVT机构的排气VVT相位角，对所述基本EGR流量进行修正，从而计算出修正后EGR流量作为所述EGR流量的EGR流量修正步骤。
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