WO2005008049A1 - 内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法 - Google Patents

内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法 Download PDF

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internal combustion
combustion engine
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air
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PCT/JP2004/010078
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Yoichiro Goya
Hidenori Moriya
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • F02D2200/04Engine intake system parameters
    • F02D2200/0402Engine intake system parameters the parameter being determined by using a model of the engine intake or its components

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a cylinder and a method of calculating an intake air amount.
  • Patent Document 1 discloses a control device for an internal combustion engine that calculates an amount of air drawn into a cylinder based on in-cylinder pressure detected at two points during a compression stroke.
  • the control device for the internal combustion engine calculates the deviation of the in-cylinder pressure detected at two points before the ignition timing during the compression stroke, and obtains the air amount corresponding to the determined deviation from a map (table) prepared in advance. Read out. Then, the control device injects fuel into the cylinder from the injector in an amount corresponding to the air amount obtained as described above.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-135350
  • the present invention provides a practical control device for an internal combustion engine and a method for calculating the intake air amount of the internal combustion engine, which can accurately calculate the amount of air drawn into the cylinder with a low load.
  • a control device for an internal combustion engine according to the present invention is a control device for an internal combustion engine that generates a power by burning a mixture of fuel and air in a cylinder, wherein the cylinder pressure detected by the cylinder pressure detection unit and the cylinder detected by the cylinder pressure detection unit Calculating means for calculating a control parameter based on the internal pressure and the cylinder volume at the time of detecting the cylinder pressure; and calculating the control parameter for at least two points during the suction stroke by the calculating means.
  • Intake air amount calculation means for calculating the amount of air to be drawn into the cylinder based on the intake air amount.
  • the control parameter is preferably a product of the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means and a value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure to a power of a predetermined index.
  • the intake air amount calculating means calculates the amount of air taken into the cylinder based on the difference between the control parameters between the two points.
  • the intake air amount calculating means calculates the amount of air taken into the cylinder based on the difference between the control parameters between the two points and the heat energy transmitted to the cylinder wall.
  • the above two points at which the control parameters are calculated are set according to the opening / closing timing of the intake valve.
  • the method for calculating the amount of intake air for an internal combustion engine is a method for calculating the amount of intake air for an internal combustion engine that generates a power by burning a mixture of fuel and air in a cylinder. Steps to
  • step (b) calculating a control parameter based on the in-cylinder pressure detected in step (a) and the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure;
  • step (c) calculating the amount of air taken into the cylinder based on the control parameters calculated for at least two points during the intake stroke.
  • the control parameter is determined by comparing the in-cylinder pressure detected in step (a) with the in-cylinder pressure. It is preferably a product of the in-cylinder volume at the time of detection and a value raised to the power of a predetermined index.
  • step (c) includes calculating the amount of air drawn into the cylinder based on the difference between the control parameters between the two points.
  • step (c) includes calculating the amount of air to be drawn into the cylinder based on the difference between the control parameters between the two points and the thermal energy transmitted to the cylinder wall.
  • the method for calculating the intake air amount of the internal combustion engine according to the present invention further includes a step of changing the two points at which the control parameter is calculated in accordance with the opening / closing timing of the intake valve.
  • FIG. 1 is a graph showing the correlation between the control parameter PV K used in the present invention and the amount of heat generated in the combustion chamber.
  • Figure 2 is a graph showing the correlation of heat production in the combustion chamber and the control parameter Isseki PV K.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining a procedure for calculating the amount of air taken into each combustion chamber of the internal combustion engine of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the present inventors have intensively studied to reduce the calculation load and accurately obtain the amount of air taken into the cylinder to enable good control of the internal combustion engine. As a result, the present inventors have paid attention to control parameters calculated based on the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means and the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure.
  • the present inventors consider that when the crank angle is 0, When the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detection means is P ( ⁇ ), the in-cylinder volume when the crank angle is 0 is V ( ⁇ ), and the specific heat ratio is ⁇ , the in-cylinder pressure P Control parameter P (0) ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ) obtained as the product of ( ⁇ ) and the value V K ( ⁇ ) of the in-cylinder volume V ( ⁇ ) raised to the power of the specific heat ratio (predetermined index) ⁇ (Hereinafter referred to as “ ⁇ V K ” as appropriate).
  • the inventors have found that the change pattern of the heat generation amount Q in the cylinder of the internal combustion engine with respect to the crank angle and the change pattern of the control parameter PV K with respect to the crank angle are as shown in FIG. Have been found. However, in Figure 1, — 360 °, 0 ° and 360 ° correspond to the top dead center, and 180 ° and 180 ° correspond to the bottom dead center.
  • the solid line represents the in-cylinder pressure detected at a predetermined minute crank angle in a predetermined model cylinder and the value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of detection of the in-cylinder pressure to a power of a predetermined specific heat ratio ⁇ .
  • This plots the control parameter PV K which is the product of.
  • the broken line shows the heat generation Q in the above model cylinder calculated and plotted as QS dQ based on the following equation (1). In each case, 32 was set for simplicity.
  • the change pattern of the heat release amount Q with respect to the crank angle and the change pattern of the control parameter PV K with respect to the crank angle are almost the same (similar). Further, the present inventors have paid attention to the correlation between the heat generation amount Q and the control parameter PV K during the intake stroke, that is, between the time when the intake valve is opened and the time when the intake valve is closed. As shown in FIG. 2, during the period from the opening of the intake valve to the closing of the intake valve (in the example of FIG. 2, the crank angle is in the range from 353 ° to ⁇ 127 °), the control parameter PV K is It increases almost in proportion to the heat release Q.
  • the energy of the air sucked into the cylinder between the time when the intake valve is opened and the time when the intake valve is closed is proportional to the amount of intake air.
  • the energy of the air taken into the cylinder can be obtained from the variation of the heat generation Q between at least two points during the intake stroke such as when the intake valve is opened and when the intake valve is closed. Therefore, if the correlation between the heat generation amount Q in the cylinder and the control parameter PV K found by the present inventors is used, the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means and the in-cylinder pressure The amount of air drawn into the cylinder can be accurately calculated from the control parameter PV K calculated based on the in-cylinder volume at the time of detection of the pressure, without the need for high-load calculation processing. It becomes.
  • the amount of air sucked into the predetermined cylinder based on the difference between the control parameter Isseki PV K between the two points is calculated.
  • the control parameter overnight PV K which the present inventors focused on reflects the heat generation amount Q in the cylinder of the internal combustion engine.
  • the difference in the control parameter PV K between the two points during the intake stroke is the amount of heat generated in the cylinder between the two points, that is, the energy of the air sucked into the cylinder between the two points. It can be calculated with very low load. Therefore, if the difference between the control parameters PV K between the two points during the intake stroke is used, it is possible to accurately calculate the intake air amount while greatly reducing the calculation load.
  • the amount of air taken into the cylinder is calculated based on the difference between the control parameters PV K and the thermal energy transmitted to the cylinder wall between the two points.
  • the intake air amount calculated based on the difference between the control parameter Isseki PV K further improve the calculation accuracy of the inhaled air amount It is possible to do.
  • the two points at which the control parameter PV K is calculated are set according to the opening / closing timing of the intake valve. This allows the so-called variable valve timing Even in an internal combustion engine provided with a mechanism, the amount of air inhaled into the cylinder on the basis of the control parameter Isseki PV K can be calculated accurately.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an internal combustion engine according to the present invention.
  • An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 burns a mixture of fuel and air inside a combustion chamber 3 formed in a cylinder block 2 and reciprocates a piston 4 in the combustion chamber 3 to generate power. What happens.
  • the internal combustion engine 1 is preferably configured as a multi-cylinder engine, and the internal combustion engine 1 of the present embodiment is configured as, for example, a four-cylinder engine.
  • each combustion chamber 3 is connected to an intake pipe (intake manifold) 5, and the exhaust port of each combustion chamber 3 is connected to an exhaust pipe 6 (exhaust manifold).
  • an intake valve Vi and an exhaust valve Ve are provided for each combustion chamber 3.
  • Each intake valve V i opens and closes a corresponding intake port
  • each exhaust valve V e opens and closes a corresponding exhaust port.
  • Each intake valve V i and each exhaust valve V e are operated, for example, by a valve operating mechanism (not shown) having a variable valve timing function.
  • the internal combustion engine 1 has a number of spark plugs 7 corresponding to the number of cylinders, and the spark plugs 7 are arranged on the cylinder head so as to face the corresponding combustion chambers 3.
  • the intake pipe 5 is connected to a surge tank 8 as shown in FIG.
  • An air supply line L 1 is connected to the surge tank 8, and the air supply line L 1 is connected to an air intake (not shown) via an air cleaner 9.
  • a throttle valve (in this embodiment, an electronically controlled throttle valve) 10 is incorporated in the middle of the supply line L1 (between the surge tank 8 and the air cleaner 9).
  • the exhaust pipe 6, as shown in FIG. The catalyst device 11a and the latter-stage catalyst device 11b including the NOx storage reduction catalyst are connected.
  • the internal combustion engine 1 has a plurality of injectors 12, and each injector 12 is arranged on a cylinder head so as to face the corresponding combustion chamber 3, as shown in FIG.
  • each piston 4 of the internal combustion engine 1 is configured as a so-called deep dish top surface type, and has a concave portion 4a on its upper surface.
  • fuel such as gasoline is directly injected from each injector 12 into the recess 4 a of the piston 4 in each combustion chamber 3 in a state where air is sucked into each combustion chamber 3. You.
  • the internal combustion engine 1 As a result, in the internal combustion engine 1, a layer of a mixture of fuel and air is formed near the spark plug 7 in a state separated from the surrounding air layer (stratification), so that an extremely lean mixture is used. And stable stratified combustion can be performed.
  • the internal combustion engine 1 according to the present embodiment is described as a so-called direct injection engine, the invention is not limited to this, and the present invention can be applied to an intake pipe (intake port) injection type internal combustion engine. Needless to say.
  • the above-described ignition plugs 7, the throttle valve 10, the injectors 12, the valve mechanism, and the like are electrically connected to the ECU 20 functioning as a control device of the internal combustion engine 1.
  • the ECU 20 includes a CPU, a ROM, a RAM, input / output ports, and a storage device, all of which are not shown.
  • various sensors including the crank angle sensor 14 of the internal combustion engine 1 are electrically connected to the ECU 20.
  • the ECU 20 uses the ignition plug 7, the throttle valve 10 and the injector 12 so that a desired output can be obtained based on detection values of various sensors and the like using various maps and the like stored in the storage device. Control the valve operating mechanism.
  • the internal combustion engine 1 has a number of in-cylinder pressure sensors (in-cylinder pressure detecting means) 15 including a semiconductor element, a piezoelectric element, or an optical fiber detecting element in accordance with the number of cylinders.
  • the Each in-cylinder pressure sensor 15 is disposed on the cylinder head such that the pressure receiving surface faces the corresponding combustion chamber 3, and is electrically connected to the ECU 20.
  • Each in-cylinder pressure sensor 15 detects the in-cylinder pressure in the corresponding combustion chamber 3 and gives a signal indicating the detected value to the ECU 20.
  • the internal combustion engine 1 has a temperature sensor 16 for detecting an air temperature in the surge tank 8. The temperature sensor 16 is electrically connected to the ECU 20 and supplies the ECU 20 with a signal indicating the detected air temperature in the surge tank 8.
  • the ECU 20 acquires operating conditions of the internal combustion engine 1, such as the engine speed, based on the detected values of various sensors (S10). Further, when the ECU 20 obtains the operating conditions of the internal combustion engine 1, the crank angles 0 i and 0 2 (which define the cylinder pressure detection timing required to calculate the amount of air taken into each combustion chamber 3) However, ⁇ i ⁇ 2 ) is determined (S12). In this embodiment, the crank angle is 0! The first timing to be consistent with the time of opening of the intake valves V i, a second timing when the crank angle becomes e 2 is consistent with the time of closing of the intake valves V i.
  • the opening / closing timing of the intake valve Vi is changed by the valve operating mechanism in accordance with operating conditions such as the engine speed.
  • the ECU 20 determines the advance amount of the intake valve Vi by the valve operating mechanism in accordance with the engine operating conditions, and determines the cylinder angle from the determined advance amount and the basic opening / closing timing of the intake valve Vi. that determine the crank angle 0 and theta 2 defines the detection timing of the internal pressure.
  • the first and second timings at which the in-cylinder pressure is detected that is, the two points at which the control parameter PV K is calculated are set according to the opening / closing timing of the intake valve Vi. Is preferred.
  • the variable valve timing machine In the internal combustion engine 1 having the configuration the amount of air sucked in the respective combustion chamber 3 can be calculated accurately on the basis of the control parameter Isseki PV K.
  • the ECU 20 determines the target torque of the internal combustion engine 1 based on a signal from an accelerator position sensor (not shown) and the like, and also uses a map or the like prepared in advance to adjust the intake air amount (throttle valve 10) according to the target torque. And the fuel injection amount (fuel injection time) from each injector 12 are set. Further, the ECU 20 controls the opening of the throttle valve 10 and injects a predetermined amount of fuel from each injector 12 during, for example, an intake stroke. In addition, the ECU 20 causes the ignition plugs 7 to execute the ignition according to the ignition control base map.
  • the ECU 20 monitors the crank angle of the internal combustion engine 1 based on the signal from the crank angle sensor 14.
  • the crank angle of each combustion chamber 3 reaches the value 0 (first timing) determined in S12
  • the ECU 20 determines the in-cylinder pressure at that time based on a signal from the in-cylinder pressure sensor 15. P ( ⁇ ,) is obtained (S14).
  • the ECU 20 detects the cylinder pressure P ( ⁇ i) and the cylinder pressure P ( ⁇ x ) obtained for each combustion chamber 3, that is, the cylinder contents when the crank angle becomes 0 1
  • the control parameter ⁇ ( ⁇ ,) ⁇ ⁇ ( ⁇ 1 ) which is the product of the product V ( ⁇ 1 ) and the value raised to the power of the specific heat ratio / c (32 in the present embodiment), is calculated, and RA ⁇ is stored in a predetermined storage area (S16).
  • ECU 20 After the processing of S 16, ECU 20, for each combustion chamber 3, at a value crank angle defined by two S 12 0 2 (second timing), based on a signal from the cylinder pressure sensor 15, when the Then, the in-cylinder pressure ⁇ ( ⁇ 2 ) is obtained (S18). Further, CU CU20 is, for each combustion chamber 3, the detected cylinder pressure P (S 2 ) and the cylinder volume when the cylinder pressure P ( ⁇ 2 ) is detected, that is, when the crank angle becomes 0 2.
  • a control parameter which is a product of V ( ⁇ 2 ) and a value raised to the power of the specific heat ratio ⁇ (32 in this embodiment) Evening P (S 2 ) ⁇ V K (0 2 ) is calculated and stored in a predetermined storage area of the RAM (S 20)
  • the ECU 20 sets the first combustion chamber 3 Between the control parameter PV K and the second evening
  • Mc a-APV ⁇ -Q W ).
  • the ECU 20 calculates the first timing obtained in S22.
  • the difference APV K of the control parameter Isseki PV K between the second timing the intake air temperature detected by the temperature sensor 16 (air in the surge tank 8), and the cylinder walls read from a predetermined map
  • the amount of air drawn into each combustion chamber 3 while the intake valve Vi is opened is calculated according to the above equation (2) (S24).
  • the ECU 20 executes, for example, air-fuel ratio control or the like in the internal combustion engine 1 using the intake air amount Mc to each combustion chamber 3 calculated as described above. Therefore, in the internal combustion engine 1 of the present embodiment, high-accuracy engine control is easily executed with a low load.
  • the air amount will be corrected.
  • a map for determining the thermal energy Qw transmitted to the cylinder wall is prepared in advance to define the relationship between the thermal energy Qw, the temperature of the intake air, the temperature of the cylinder wall, and the like. Is the detected value of the temperature sensor 16 and the temperature of the cylinder wall detected by a temperature sensor (not shown). From the map, the thermal energy Qw transmitted to the cylinder wall is read from the map.
  • the present invention is useful for realizing a practical control device for an internal combustion engine and a method for calculating an intake air amount of an internal combustion engine, which can accurately calculate the amount of air drawn into a cylinder with a low load.

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Abstract

 内燃機関(1)は、燃料および空気の混合気を各燃焼室(3)内で燃焼させて動力を発生する。内燃機関(1)は、燃焼室(3)に設けられた筒内圧センサ(15)およびECU(20)を備える。ECU(20)は、筒内圧センサ(15)によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを吸気弁(Vi)の開弁時から閉弁時までの間の所定の2点について算出すると共に、当該2点間における制御パラメータの差分に基づいて各燃焼室(3)に吸入される空気の量を算出する。

Description

明 細 書 内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法 技術分野
本発明は、 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃 機関の制御装置および吸入空気量算出方法に関する。 背景技術
従来から、 特許文献 1は、 圧縮行程中の 2点において検出された筒内圧力に 基づいて、 筒内に吸入された空気の量を算出する内燃機関の制御装置を開示し ている。 この内燃機関の制御装置は、 圧縮行程中の点火時期前の 2点において 検出された筒内圧力の偏差を求め、 予め用意されているマップ (テーブル) か ら、 求めた偏差に対応する空気量を読み出す。 そして、 当該制御装置は、 上述 のようにして求めた空気量に対応した量の燃料をインジェクタから筒内に噴射 させる。
しかしながら、 吸入空気量と、 圧縮行程中の点火時期前の 2点において検出 された筒内圧力の偏差との関係を高精度に規定するマップを作成する容易なこ とではない。 このため、 従来の内燃機関では、 吸入空気量を精度よく求めるこ とが困難となっていた。
【特許文献 1】 特開平 9一 5 3 5 0 3号公報 発明の開示
本発明は、 筒内に吸入された空気の量を低負荷で精度よく算出可能とする実 用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法を提供する。 本発明による内燃機関の制御装置は、 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼 させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、 筒内圧検出手段と、 筒内 圧検出手段によって検出された筒内圧力と、 当該筒内圧力の検出時における筒 内容積とに基づいて制御パラメ一夕を算出する演算手段と、 演算手段により吸 気行程中の少なくとも 2点について算出された制御パラメ一夕に基づいて、 筒 内に吸入される空気の量を算出する吸入空気量算出手段とを備えることを特徴 とする。
制御パラメータは、 筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、 当該筒 内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であると好 ましい。
吸入空気量算出手段は、 上記 2点間における制御パラメータの差分に基づい て筒内に吸入される空気の量を算出すると好ましい。
更に、吸入空気量算出手段は、上記 2点間における制御パラメ一夕の差分と、 シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて筒内に吸入される空気の量を算 出すると好ましい。
また、 制御パラメータが算出される上記 2点は、 吸気弁の開閉タイミングに 応じて設定されると好ましい。
本発明による内燃機関の吸入空気量算出方法は、 燃料および空気の混合気を 筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の吸入空気量算出方法であって、 ( a ) 筒内圧力を検出するステップと、
( b ) ステップ (a ) で検出した筒内圧力と、 当該筒内圧力の検出時における 筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出するステップと、
( c ) 吸気行程中の少なくとも 2点について算出された制御パラメータに基づ いて、 筒内に吸入される空気の量を算出するステップとを含むものである。 制御パラメ一夕は、 ステップ (a ) で検出した筒内圧力と、 当該筒内圧力の 検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であると好ましい。 ステップ (c ) は、 上記 2点間における制御パラメータの差分に基づいて筒 内に吸入される空気の量を算出することを含むと好ましい。
ステップ (c ) は、 上記 2点間における制御パラメ一夕の差分と、 シリンダ 壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて筒内に吸入される空気の量を算出するこ とを含むと好ましい。
本発明による内燃機関の吸入空気量算出方法は、 制御パラメ一夕が算出され る上記 2点を、 吸気弁の開閉タイミングに応じて変化させるステップを更に含 むと好ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明において用いられる制御パラメ一夕 P V K と、 燃焼室内にお ける熱発生量との相関を示すグラフである。
図 2は、 燃焼室内における熱発生量と制御パラメ一夕 P V K との相関を示す グラフである。
図 3は、 本発明による内燃機関の概略構成図である。
図 4は、 図 3の内燃機関の各燃焼室に吸入される空気の量を算出する手順を 説明するためのフローチヤ一トである。 発明を実施するための最良の形態
本発明者らは、 演算負荷の低減化を図りつつ、 筒内に吸入される空気の量を 精度よく求めて内燃機関の良好な制御を可能にするために鋭意研究を重ねた。 その結果、 本発明者らは、 筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、 当 該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータ に着目するに至った。 より詳細には、 本発明者らは、 クランク角が 0である際 に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力を P (Θ) とし、 クランク角が 0である際の筒内容積を V ( Θ) とし、 比熱比を κとした場合に、 筒内圧力 P ( Θ ) と、 筒内容積 V (Θ) を比熱比 (所定の指数) κで累乗した値 VK (Θ ) との積として得られる制御パラメ一夕 P (0) · νκ ( Θ) (以下、 適宜 「Ρ VK」 と記す) に着目した。 そして、 本発明者らは、 クランク角に対する内燃 機関の筒内における熱発生量 Qの変化パターンと、 クランク角に対する制御パ ラメ一夕 PVKの変化パターンとは、 図 1に示されるような相関を有すること を見出した。 ただし、 図 1において、 — 360° , 0° および 360° は、 上 死点に、 一 180° および 180° は、 下死点に対応する。
図 1において、 実線は、 所定のモデル気筒において所定の微小クランク角お きに検出された筒内圧力と、 当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の 比熱比 κで累乗した値との積である制御パラメ一夕 PVK をプロットしたもの である。 また、 図 1において、 破線は、 上記モデル気筒における熱発生量 Qを 次の (1) 式に基づき、 Q S dQとして算出 ·プロットしたものである。 な お、 何れの場合も、 簡単のために、 32とした。
【数 1】 ,
··· { 1
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図 1に示される結果からわかるように、 クランク角に対する熱発生量 Qの変 化パターンと、 クランク角に対する制御パラメータ PVKの変化パターンとは、 概ね一致 (相似) している。 更に、 本発明者らは、 吸気行程中、 すなわち、 吸 気弁開弁時から吸気弁閉弁時までの間における熱発生量 Qと制御パラメ一夕 P VK との相関に注目した。 図 2に示されるように、 吸気弁開弁時から吸気弁閉 弁時までの間 (図 2の例では、 クランク角が一 353° から— 127° の範囲) において、 制御パラメータ PVK は、 熱発生量 Qに概ね比例して増加する。 ここで、 吸気弁開弁時から吸気弁閉弁時までの間に筒内に吸入される空気の エネルギは、 吸入空気量に比例する。 そして、 筒内に吸入される空気のェネル ギは、 吸気弁開弁時および吸気弁閉弁時といった吸気行程中の少なくとも 2点 間における熱発生量 Qの変動分から求めることができる。 従って、 本発明者ら によって見出された筒内における熱発生量 Qと制御パラメ一夕 P V K との相関 を利用すれば、 筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、 当該筒内圧力 の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメ一夕 P V Kから、 高負荷な演算処理を要することなく、 筒内に吸入された空気の量を精度よく算 出することが可能となる。
この場合、 好ましくは、 上記 2点間における制御パラメ一夕 P V Kの差分に 基づいて所定の筒内に吸入された空気の量が算出される。 上述のように、 本発 明者らが着目した制御パラメ一夕 P V Kは、 内燃機関の筒内における熱発生量 Qを反映するものである。 また、 吸気行程中の 2点間における制御パラメ一夕 P V Kの差分は、 当該 2点間における筒内での熱発生量、 すなわち、 上記 2点 間で筒内に吸入された空気のエネルギを示し、 極めて低負荷で算出し得るもの である。 従って、 吸気行程中の 2点間における制御パラメータ P V Kの差分を 利用すれば、 演算負荷を大幅に低減させつつ吸入空気量を精度よく算出するこ とが可能となる。
また、 上記 2点間における制御パラメ一夕 P V K の差分と、 シリンダ壁部に 伝わる熱エネルギとに基づいて筒内に吸入される空気の量が算出されると好ま しい。 このように、 シリンダ壁部に伝わる熱エネルギを考慮して、 制御パラメ 一夕 P V Kの差分に基づいて算出される吸入空気量を補正することにより、 吸 入空気量の算出精度をより一層向上させることが可能となる。
更に、 制御パラメータ P V Kが算出される 2点は、 吸気弁の開閉タイミング に応じて設定されると好ましい。 これにより、 いわゆる可変バルブタイミング 機構を備えた内燃機関においても、 制御パラメ一夕 P V K に基づいて筒内に吸 入される空気の量を精度よく算出することが可能となる。
以下、 図面を参照しながら、 本発明を実施するための最良の形態について具 体的に説明する。
図 3は、 本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 同図に示される内 燃機関 1は、 シリンダブロック 2に形成された燃焼室 3の内部で燃料および空 気の混合気を燃焼させ、 燃焼室 3内でピストン 4を往復移動させることにより 動力を発生するものである。 内燃機関 1は多気筒エンジンとして構成されると 好ましく、 本実施形態の内燃機関 1は、 例えば 4気筒エンジンとして構成され る。
各燃焼室 3の吸気ポートは、 吸気管 (吸気マ二ホールド) 5にそれぞれ接続 され、 各燃焼室 3の排気ポートは、 排気管 6 (排気マ二ホールド) にそれぞれ 接続されている。 また、 内燃機関 1のシリンダヘッドには、 吸気弁 V iおよび 排気弁 V eが燃焼室 3ごとに配設されている。 各吸気弁 V iは、 対応する吸気 ポートを開閉し、 各排気弁 V eは、 対応する排気ポートを開閉する。 各吸気弁 V iおよび各排気弁 V eは、 例えば、 可変バルブタイミング機能を有する動弁 機構 (図示省略) によって動作させられる。 更に、 内燃機関 1は、 気筒数に応 じた数の点火プラグ 7を有し、 点火プラグ 7は、 対応する燃焼室 3内に臨むよ うにシリンダへッドに配設されている。
吸気管 5は、 図 3に示されるように、 サージタンク 8に接続されている。 サ —ジタンク 8には、 給気ライン L 1が接続されており、 給気ライン L 1は、 ェ ァクリーナ 9を介して図示されない空気取入口に接続されている。 そして、 給 気ライン L 1の中途 (サージタンク 8とエアクリーナ 9との間) には、 スロッ トルバルブ (本実施形態では、 電子制御式スロットルバルブ) 1 0が組み込ま れている。 一方、 排気管 6には、 図 3に示されるように、 三元触媒を含む前段 触媒装置 1 1 aおよび N O x吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置 1 1 bが接続さ れている。
更に、 内燃機関 1は、 複数のインジェクタ 1 2を有し、 各インジェク夕 1 2 は、 図 3に示されるように、 対応する燃焼室 3内に臨むようにシリンダヘッド に配置されている。 また、 内燃機関 1の各ピストン 4は、 いわゆる深皿頂面型 に構成されており、 その上面に、 凹部 4 aを有している。 そして、 内燃機関 1 では、 各燃焼室 3内に空気を吸入させた状態で、 各インジェクタ 1 2から各燃 焼室 3内のピストン 4の凹部 4 aに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。 これにより、 内燃機関 1では、 点火プラグ 7の近傍に燃料と空気との混合気の 層が周囲の空気層と分離された状態で形成 (成層化) されるので、 極めて希薄 な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。 なお、 本実 施形態の内燃機関 1は、 いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、 これに限 られるものではなく、 本発明が吸気管 (吸気ポート) 噴射式の内燃機関に適用 され得ることはいうまでもない。
上述の各点火プラグ 7、 スロットルバルブ 1 0、 各インジェク夕 1 2および 動弁機構等は、 内燃機関 1の制御装置として機能する E C U 2 0に電気的に接 続されている。 E C U 2 0は、 何れも図示されない C P U、 R OM, R AM, 入出力ポート、 および、 記憶装置等を含むものである。 E C U 2 0には、 図 3 に示されるように、 内燃機関 1のクランク角センサ 1 4を始めとした各種セン サが電気的に接続されている。 E C U 2 0は、 記憶装置に記憶されている各種 マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、 所望の出力が得ら れるように、 点火プラグ 7、 スロットルバルブ 1 0、 インジェクタ 1 2、 動弁 機構等を制御する。
また、 内燃機関 1は、 半導体素子、 圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等 を含む筒内圧センサ (筒内圧検出手段) 1 5を気筒数に応じた数だけ有してい る。 各筒内圧センサ 1 5は、 対応する燃焼室 3内に受圧面が臨むようにシリン ダヘッドに配設されており、 ECU 20に電気的に接続されている。 各筒内圧 センサ 1 5は、 対応する燃焼室 3における筒内圧力を検出し、 検出値を示す信 号を ECU20に与える。 更に、 内燃機関 1は、 サージタンク 8内の空気温度 を検出する温度センサ 16を有している。 温度センサ 16は、 ECU20に電 気的に接続されており、 検出したサージタンク 8内の空気温度を示す信号を E CU20に与える。
次に、 図 4を参照しながら、 上述の内燃機関 1の各燃焼室 3に吸入される空 気の量の算出手順について説明する。
内燃機関 1が始動されると、 図 4に示されるように、 ECU20は、 各種セ ンサの検出値に基づいて、機関回転数等の内燃機関 1の運転条件を取得する(S 10) 。 更に、 ECU20は、 内燃機関 1の運転条件を取得すると、 各燃焼室 3に吸入される空気の量を算出するために必要な筒内圧の検出タイミングを規 定するクランク角 0 iおよび 02 (ただし、 Θ i <θ 2 )を決定する(S 12)。 本実施形態では、 クランク角が 0! となる第 1のタイミングは、 吸気弁 V iの 開弁時と一致し、 クランク角が e2 となる第 2のタイミングは、 吸気弁 V iの 閉弁時と一致する。
ここで、 本実施形態の内燃機関 1では、 吸気弁 V iの開閉タイミングが動弁 機構によって機関回転数等の運転条件に応じて変化させられる。 このため、 S 12において、 ECU20は、 機関運転条件に応じた動弁機構による吸気弁 V iの進角量を求めると共に、 求めた進角量と吸気弁 V iの基本開閉タイミング とから、筒内圧の検出タイミングを規定するクランク角 0 および θ2 を決定す る。 このように、筒内圧力が検出される第 1および第 2タイミング、すなわち、 制御パラメ一夕 PVKが算出されることになる 2点は、 吸気弁 V iの開閉タイ ミングに応じて設定されると好ましい。 これにより、 可変バルブタイミング機 構を備えた内燃機関 1において、 制御パラメ一夕 PVK に基づいて各燃焼室 3 内に吸入される空気の量を精度よく算出することが可能となる。
その後、 ECU20は、 図示されないアクセル位置センサからの信号等に基 づいて内燃機関 1の目標トルクを定めると共に、 予め用意されているマップ等 を用いて目標トルクに応じた吸入空気量 (スロットルバルブ 10の開度) およ び各インジヱクタ 12からの燃料噴射量 (燃料噴射時間) を設定する。 更に、 ECU20は、 スロットルバルブ 10の開度を制御すると共に、 各インジェク 夕 12から定められた量の燃料を例えば吸気行程中に噴射させる。 また、 EC U20は、 点火制御用ベースマップに従って、 各点火プラグ 7による点火を実 行させる。
これと並行して、 ECU20は、 クランク角センサ 14からの信号に基づい て内燃機関 1のクランク角をモニタしている。 そして、 ECU 20は、 燃焼室 3ごとに、 クランク角が S 12にて定められた値 0ェ (第 1のタイミング) に なると、 筒内圧センサ 15からの信号に基づいて、 その時の筒内圧力 P (Θ , ) を求める (S 14) 。 更に、 ECU 20は、 燃焼室 3ごとに、 求めた筒内圧力 P (Θ i ) と、 筒内圧力 P {Θ x ) の検出時、 すなわち、 クランク角が 01 とな る時の筒内容積 V {θ 1 ) を比熱比/ c (本実施形態では、 32) で累 乗した値との積である制御パラメ一夕 Ρ (θ , ) · νκ1 ) を算出し、 RA Μの所定の記憶領域に記憶させる (S 16) 。
S 16の処理の後、 ECU20は、 燃焼室 3ごとに、 クランク角が S 12に て定められた値 02 (第 2のタイミング) になると、 筒内圧センサ 15からの 信号に基づいて、 その時の筒内圧力 Ρ (θ 2 ) を求める (S 18) 。 更に、 Ε CU20は、燃焼室 3ごとに、求めた筒内圧力 P (S2 ) と、筒内圧力 P (θ2 ) の検出時、 すなわち、 クランク角が 02 となる時の筒内容積 V (θ2 ) を比熱比 κ (本実施形態では、 32) で累乗した値との積である制御パラメ一 夕 P (S2 ) · VK (02 )を算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる (S 20)
上述のようにして、制御パラメ一夕 P (θ λ ) · VK1 )および Ρ (θ2 ) · VK2 ) を求めると、 ECU20は、 燃焼室 3ごとに、 第 1および第 2の夕 イミングの間における制御パラメータ PVK の差分を、
APVK =Ρ (θ 2 ) · νκ2 ) 一 Ρ (θ 1 ) · VKl )
として算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる (S 22) 。
ここで、 制御パラメ一夕 PVKは、 上述のように、 内燃機関 1の各燃焼室 3 内における熱発生量 Qに概ね比例するものであり (図 2参照) 、 吸気行程中の 2点間、 すなわち、 第 1のタイミング(吸気弁開弁時) と第 2のタイミング(吸 気弁閉弁時) との間における制御パラメータ PVKの差分 ΔΡνκ は、 クランク 角 となる第 1のタイミングと、クランク角 =02 となる第 2のタイミング との間における各燃焼室 3での熱発生量、 すなわち、 吸気弁 V iが開弁されて から閉弁されるまでの間に各燃焼室 3に吸入された空気のエネルギに比例する ものである。 そして、 吸気弁 V iが開弁されてから閉弁されるまでの間に各燃 焼室 3内に吸入される空気のエネルギは、 吸入空気量に比例する。
従って、 各燃焼室 3に吸入された空気の量 Mcは、 差分 ΔΡνκの熱発生量 Qに対する比例定数をひとすれば、 次の (2) 式に従って算出することができ る。 .
【数 2】
Mc = a-APV^-QW … )
丄 RTin
κ-1
ただし、 Qw:シリンダ壁部に伝わる熱エネルギ、 κ :比熱比 (本実施形態で は、 例えば κ = 32) 、 R :気体定数、 1 „ :吸入空気の温度である。 図 4に示されるように、 ECU 20は、 S 22にて求めた第 1のタイミング と第 2のタイミングとの間における制御パラメ一夕 PVKの差分 APVK、温度 センサ 16によって検出される吸入空気 (サージタンク 8内の空気) の温度、 および、 所定のマップから読み出したシリンダ壁部に伝わる熱エネルギ Qwを 用いると共に、 上記 (2) 式に従って、 吸気弁 V iが開弁されている間に各燃 焼室 3内に吸入された空気の量を算出する (S 24) 。
このように、 各燃焼室 3における熱発生量 Qと制御パラメ一夕 PVK との相 関を利用すれば、 筒内圧センサ 15によって検出された筒内圧力と、 当該筒内 圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメ一夕 PVK から、 各燃焼室 3に吸入された空気の量を高負荷な演算処理を要することなく 精度よく算出することが可能となる。 そして、 ECU20は、 上述のようにし て算出した各燃焼室 3への吸入空気量 Mcを用いて、 例えば内燃機関 1におけ る空燃比制御等を実行する。 従って、 本実施形態の内燃機関 1では、 高精度な 機関制御が低負荷で簡易に実行されることになる。 特に、 内燃機関 1では、 吸 気行程中の 2点間における制御パラメ一夕 PVKの差分 ΔΡνκ に基づいて吸 入空気量が算出されるので、 圧縮行程中の 2点における筒内圧力に基づいて吸 入空気量を求める場合のように、 燃料の噴射タイミングが遅れてしまって筒内 における燃焼不良を招いてしまうといった不具合が確実に防止される。
また、本実施形態では、 上記(2)式に従って吸入空気量が算出される際に、 シリンダ壁部に伝わる熱エネルギ Qwによって、 制御パラメ一夕 PVKの差分 APVK に基づいて算出される吸入空気量が補正されることになる。 これによ り、 本実施形態では、 吸入空気量 Mcの算出精度をより一層向上させることが 可能となる。 なお、 シリンダ壁部に伝わる熱エネルギ Qwを求めるためのマツ プは、 熱エネルギ Qwと、 吸入空気の温度およびシリンダ壁部の温度等との関 係を規定するものとして予め用意されており、 ECU20は、 温度センサ 16 の検出値や、 図示されない温度センサにより検出されるシリンダ壁部の温度等 に基づいて、 当該マップからシリンダ壁部に伝わる熱エネルギ Qwを読み出す。 産業上の利用可能性
本発明は、 筒内に吸入された空気の量を低負荷で精度よく算出可能とする実 用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の吸入空気量算出方法の実現に有用 である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の 制御装置において、
筒内圧検出手段と、
前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、 当該筒内圧力の検出時 における筒内容積とに基づいて制御パラメータを算出する演算手段と、 前記演算手段により吸気行程中の少なくとも 2点について算出された前記制 御パラメ一夕に基づいて、 前記筒内に吸入される空気の量を算出する吸入空気 量算出手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2 . 前記制御パラメ一夕は、 前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧 力と、 当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との 積であることを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関の制御装置。
3 . 前記吸入空気量算出手段は、 前記 2点間における前記制御パラメータの 差分に基づいて前記筒内に吸入される空気の量を算出することを特徴とする請 求項 2に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記吸入空気量算出手段は、 前記 2点間における前記制御パラメ一夕の 差分と、 シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて前記筒内に吸入される 空気の量を算出することを特徴とする請求項 3に記載の内燃機関の制御装置。
5 . 前記制御パラメ一夕が算出される前記 2点は、 吸気弁の開閉タイミング に応じて設定されることを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関の制御装置。
6 . 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の 吸入空気量算出方法であって、
( a ) 筒内圧力を検出するステップと、
( b ) ステップ (a ) で検出した筒内圧力と、 当該筒内圧力の検出時におけ る筒内容積とに基づいて制御パラメ一夕を算出するステップと、
( c ) 吸気行程中の少なくとも 2点について算出された前記制御パラメータ に基づいて、 前記筒内に吸入される空気の量を算出するステップとを含む内燃 機関の吸入空気量算出方法。
7 . 前記制御パラメ一夕は、 ステップ (a) で検出した筒内圧力と、 当該筒 内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積であること を特徴とする請求項 6に記載の内燃機関の吸入空気量算出方法。
8 . ステップ (c ) は、 前記 2点間における前記制御パラメ一夕の差分に基 づいて前記筒内に吸入される空気の量を算出することを含む請求項 7に記載の 内燃機関の吸入空気量算出方法。
9 . ステップ (C ) は、 前記 2点間における前記制御パラメータの差分と、 シリンダ壁部に伝わる熱エネルギとに基づいて前記筒内に吸入される空気の量 を算出することを含む請求項 8に記載の内燃機関の吸入空気量算出方法。
1 0 . 前記制御パラメータが算出される前記 2点を吸気弁の開閉タイミング に応じて変化させるステップを更に含む請求項 6に記載の内燃機関の吸入空気 量算出方法。
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