CN100339576C - 柴油发动机的过量空气系数控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种装有一个NOx催化剂(28A)和一个柴油颗粒过滤器(28B)的柴油发动机器(1)，在正常运行期间进行贫燃烧操作；在NOx催化剂(28A)的再生期间进行富燃烧操作；在NOx催化剂(28A)的脱硫期间进行在理论空燃比下的操作；及在NOx催化剂(28A)的脱硫之后进行在稍贫空气燃料比率下的操作以再生过滤器。当应用贫燃烧操作时，一个控制器(31)首先控制燃料喷射量，并且根据燃料喷射量控制空气供给量。当应用富燃烧操作时，控制器(31)首先控制空气供给量，并且根据空气供给量控制燃料喷射量。由于这种控制，在防止伴随目标过量空气系数变化的转矩波动的同时，提高过量空气系数控制的响应。

Description

柴油发动机的过量空气系数控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柴油发动机的过量空气系数的控制装置及方法。

背景技术

在用于车辆的柴油发动机中的废气净化技术大致分为两类，一类用来改进空气燃料混合物的燃烧以便减少有毒物质的产生，而另一类用来净化包含在废气中的有毒物质。

关于前一种技术，由日本专利局在1994年出版的Tokkai Hei6-346763公开了进行废气再循环(EGR)和使点火滞后，即在燃料喷射开始与燃烧开始之间的滞后，显著变长。

EGR导致燃料燃烧温度的下降，并且作为结果减少氧化氮(NOx)的产生。

如果使点火滞后相当长，则发动机热量产生特性曲线成为单级的，并且增强空气和燃料的混合，从而燃烧类型是预混合燃烧。预混合燃烧具有抑制颗粒物质(PM)的产生的效果。

对于后一种技术，由日本专利局在1994年出版的Tokkai Hei6-272541和Tokkai Hei 6-159037公开了一种NOx捕获催化剂和一种柴油颗粒过滤器(DPF)。

当柴油发动机以贫空气燃料比率进行燃烧时，NOx捕获催化剂捕获在废气中的NOx，并且当发动机以理论空燃比或富空气燃料比率进行燃烧时，通过减少在废气中诸如碳氮化合物(HC)或一氧化碳(CO)之类的介质减少捕获的NOx。

因此，通过周期性地以化学计量或富空气燃料比率进行燃烧，净化NOx，并且再生催化剂的NOx捕获功能。

柴油颗粒过滤器捕获包含在柴油发动机的废气中的PM，并且当捕获的PM达到一个固定量时，发动机以化学计量或稍贫的空气燃料比率点燃捕获的PM，以净化和再生过滤器。

装有这样一种废气净化装置的柴油发动机通常在贫空气燃料比率下操作，在该贫空气燃料比率下过量空气系数是1.4或更大。

当需要再生NOx捕获催化剂或柴油颗粒过滤器时，发动机在其中过量空气系数小于一的富空气燃料比率下或在过量空气系数等于一的理论空燃比下操作。

作为一种用来实现目标过量空气系数的控制，美国专利6,247,311公开了一种过量空气系数控制系统，其中首先根据车辆油门踏板的压下量、和发动机转动速度确定一个目标燃料喷射量。

然后由目标燃料喷射量和目标过量空气系数，计算目标吸气量。系统控制吸气喷嘴的打开、涡轮增压器的涡轮增压压力、及废气再循环阀的开口，从而实现目标吸气量。

当燃料是不可压缩的流体，并且把燃料喷射器安装在柴油发动机中的发动机燃烧室或其附近时，燃料喷射量的控制没有时间延迟伴随。

另一方面，调节吸气量的涡轮增压器和吸入喷嘴安装在远离发动机的燃料室的位置处时，并且当空气是可压缩流体时，吸气量的控制伴随有较大时间延迟。

因此，当为了NOx捕获催化剂或柴油颗粒过滤器的再生把目标过量空气系数从1.4或更大移动到1.0或更低时，达到新目标过量空气系数的最有效途径是增大燃料喷射量。

然而，如果当目标过量空气系数大于一，即在贫空气燃料比率下时，增大燃料喷射量，则发动机输出转矩将增大。

不希望的是，每当再生NOx捕获催化剂或柴油颗粒物质过滤器时发动机输出转矩增大。

还有一种在短时间内实现新目标过量空气系数而不增大发动机输出转矩的不同方法。这是吸入空气量的延迟补偿控制。在这种控制中，吸入空气量控制的延迟预先存取，并且根据存取的延迟由一个延迟补偿过程补偿。

然而，吸入空气量的延迟根据发动机运行条件变化较大，并且在各种发动机操作条件下难以以足够的精度补偿延迟。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，在防止发动机输出转矩变化的同时提高过量空气系数控制的精度和响应。

为了实现以上目的，本发明提供一种用于燃烧由一个空气供给机构供给的空气和由一个燃料供给机构供给的燃料的混合物的这样一种柴油发动机的过量空气系数控制装置。

该装置包括一个检测柴油发动机的运行状态的传感器；和一个可编程控制器。可编程控制器编程成根据运行状态设定混合物的一个目标过量空气系数、当目标过量空气系数大于一个等效于理论空燃比的值时把空气供给机构的一个空气供给量控制到由一个预定燃料供给量和目标过量空气系数计算的一个目标空气供给量、及当目标过量空气系数小于等效于理论空燃比的值时把燃料供给机构的一个燃料供给量控制到由一个预定空气供给量和目标过量空气系数计算的一个目标燃料供给量。

本发明也提供一种用于柴油发动机的过量空气系数控制方法，该方法包括：检测柴油发动机的运行状态；根据运行状态设定一个目标过量空气系数；当目标过量空气系数大于一个等效于理论空燃比的值时，把空气供给机构的一个空气供给量控制到由一个预定燃料供给量和目标过量空气系数计算的一个目标空气供给量；及当目标过量空气系数小于等效于理论空燃比的值时，把燃料供给机构的一个燃料供给量控制到由一个预定空气供给量和目标过量空气系数计算的一个目标燃料供给量。

本发明的细节以及其它特征和优点在说明书的剩余部分中叙述，并且表示在附图中。

附图说明

图1是根据本发明的柴油发动机的一种过量空气系数控制装置的示意图。

图2描述柴油发动机的操作范围。

图3描述在发动机操作条件、燃料类型、及空气燃料比率之间的关系。

图4是方块图，描述根据本发明的一种可编程控制器的功能。

图5是方块图，描述一种用来计算一个目标新鲜空气量、一个目标燃料喷射量及由控制器执行的一个目标燃料喷射定时的过程。

图6A-6G是时序图，描述过量空气系数的基于燃料控制。

图7A-7G是时序图，描述过量空气系数的基于空气控制。

图8A-8E是时序图，描述发动机输出转矩的基于燃料控制。

图9A-9E是时序图，描述发动机输出转矩的基于空气控制。

图10A-10E是时序图，描述根据本发明在过量空气系数控制下当从贫燃料操作切换到富燃料操作时发动机输出转矩的变化。

图11表示由控制器存储的一个目标新鲜空气基本值量tQacb的映像图的特性。

图12表示由控制器存储的一个过量空气系数转换系数kQaclm的映像图的特性。

图13表示由控制器存储的一个目标发动机输出转矩Ttrq的映像图的特性。

图14表示由控制器存储的一个目标过量空气系数基本值Tlamb0的映像图的特性。

图15表示由控制器存储的一个目标EGR速率Megr的映像图的特性。

图16表示由控制器存储的在基于燃料的控制中一个目标燃料喷射量TQfF的映像图的特性。

图17表示由控制器存储的一个目标燃料喷射定时基本值MIT的映像图的特性。

具体实施方式

参照附图的图1，一个多缸柴油发动机1装有一个排气通道2和一个吸气通道3。

吸气通道3经从一个收集器3A分支的吸气歧管3B连接到为每个汽缸提供的一个吸入口3C上。

排气通道2经一个排出歧管2B连接到为每个汽缸提供的一个排出口2C上。

来自一个变容量涡轮增压器21的压缩机23的空气供给到吸气通道3。

变容量涡轮增压器21通过安装在排气通道2中的一个废气涡轮机22的转动驱动压缩机23。

废气涡轮机22装有一个由在蜗壳进口处的致动器25驱动的可变喷嘴24。

在柴油发动机1的低转速区域中，可变喷嘴24通过变窄开口增大流入废气涡轮机22中的废气的流动速度，而在高转速区域中，完全打开以减小废气到废气涡轮机22的流入阻力。

致动器25包括：一个隔板致动器26，根据供给压力驱动可变喷嘴24；和一个压力控制阀27，把压力供给到隔板致动器26。

压力控制阀27根据一个可编程控制器31输出到隔板致动器26的一个压力信号供给压力。

一个调节柴油发动机1的进气量的吸气风门18安装在吸气通道3的收集器3A的上游。

通过一个响应来自控制器31的驱动信号的致动器19操作吸气风门18。

由一个致动器38操作的一个涡流控制阀8安装在吸气口3C中。当柴油发动机1的吸气量较小时，通过关闭涡流控制阀8增大吸入空气的速度。一个涡流形成在每个缸内，并由此增强空气和燃料的混合。

致动器38包括：一个隔板致动器36，根据一个供给压力驱动涡流控制阀8；和一个压力控制阀37，响应从控制器31供给的压力信号把压力供给到隔板致动器36。

提供在每个缸中的一个燃料喷射器17把燃料喷入由每个缸从吸气通道3吸入的空气中，并且在每个缸中产生空气和燃料的混合物。

柴油发动机1通过压缩点火燃烧这种空气燃料混合物，以产生驱动力。

来自一个燃料供给装置10的燃料供给到燃料喷射器17。燃料供给装置10装有一个供给泵14和一根公共给油管16。

供给泵14加压在未表示的燃料箱中的燃料，并且把它供给到公共给油管16。

公共给油管16装有一个加压腔室，并且在一个固定燃料压力下把燃料供给到每个燃料喷射器17。燃料喷射器17根据来自控制器31的一个燃料喷射信号打开，并且把燃料喷射到每个缸中。

一个燃料喷射信号包括脉冲信号，并且脉冲宽度与燃料喷射量相对应。脉冲信号的出现的定时与燃料喷射定时相对应。

燃料喷射器17因此构成柴油发动机1的一个燃料供给机构。

空气燃料混合物的燃烧气体经排气通道2从排气口2C和排气歧管2B排放到大气中。

在排气通道2中的废气的一部分经一个废气再循环(EGR)通道4再循环到收集器3A中。一个用来调节EGR通道4的废气流量的废气再循环(EGR)阀6提供在EGR通道4中。EGR阀6是一个响应来自控制器31的驱动信号的隔板型阀。

一个废气净化装置28安装在排气通道2的废气涡轮机22的上游。废气净化装置28包括装在单个壳体中的一种NOx捕获催化剂28A和一个柴油颗粒物质过滤器(DPF)28B。

NOx捕获催化剂28A捕获在贫空气燃料比率下包含在废气中的NOx，并且由在富空气燃料比率或理论空燃比下产生的废气中的HC和CO把NOx还原成无害氮气和无害氧气。由于捕获的NOx的还原，再生NOx捕获催化剂28A的NOx捕获功能。

DPF28B捕获在废气中的颗粒物质(PM)。通过相对于理论空燃比的稍贫空气燃料比率下柴油发动机1的操作燃烧捕获的PM。通过燃烧捕获的PM再生DPF28B的PM捕获功能。

柴油发动机1通过进行EGR降低吸入空气的氧气浓度，并且通过减小空气燃料混合物的燃烧温度减小NOx产生量。

而且，通过显著加长点火滞后和借助于单级热量产生特性曲线实现预混合燃烧，减小PM产生量。

为了实现预混合燃烧，必须把燃烧温度和点火滞后保持在预定范围内。

在柴油发动机1具有高EGR气体温度的高负载区域、或在具有短燃烧周期的高转速区域中，预混合燃烧是不可能的。

因此，在预混合燃烧是不可能的区域中，进行所谓的扩散燃烧，其中在混合燃料和空气的同时进行燃烧。

参照图2，在由发动机转速Ne和发动机输出转矩规定的预混合燃烧区域A中进行预混合燃烧，并且在其它区域B和C中进行扩散燃烧。

而且，在区域A和区域B中，应用贫空气燃料比率，而在区域C中应用富空气燃料比率。

在贫空气燃料比率下的操作中，NOx由NOx捕获催化剂28A捕获。如果这个捕获量达到一个固定量，则在富空气燃料比率下进行柴油发动机1的操作，以便还原捕获的NOx并且再生NOx捕获催化剂28A的捕获能力。

NOx捕获催化剂28A由包含在废气中非常少量的SOx抑制。因此，当NOx捕获催化剂28A的SOx沉积量达到一个容许极限时，靠近理论空燃比进行柴油发动机1的操作，以便升高废气温度使沉积的SOx从NOx捕获催化剂28A释放。这种过程称作脱硫。

当由柴油颗粒过滤器28B捕获的PM达到最大允许量时，把废气温度升高到约300℃，燃烧PM，及再生柴油颗粒过滤器28B。在这种操作中应用相对于理论空燃比稍贫的空气燃料比率。

这些空气燃料比率的控制由控制器31通过操作燃料喷射器17、可变喷嘴24和EGR阀6进行。

如果涡轮增压器21仅在靠近空转的低负载区域中操作，则不容易实现以希望富空气燃料比率或理论空燃比燃烧。所以，在靠近空转的低负载区域中，通过节流吸气风门18以抑制吸入空气量实现富空气燃料比率或理论空燃比。代替吸气风门18，可以提供一个排气风门。

EGR阀6改变废气再循环量，并且改变在其总吸入气体量中由柴油发动机1吸入的新鲜空气量的比例。

以上可变喷嘴24、吸气风门18、和EGR阀6构成在这种柴油发动机1中的空气供给机构。

现在参照图3，仅当满足各种条件时，才进行用于NOx还原、脱硫和燃烧PM的柴油发动机1的操作。在如下描述中，一般把用于这些特定目的的发动机操作命名为特定操作。

另一方面，在柴油发动机1执行在贫空气燃料比率下的预混合燃烧或扩散燃烧的条件称作正常操作。在柴油发动机1中通过贫空气燃料比率的空气燃料混合物的燃烧的操作称作贫燃烧操作，而富空气燃料比率的空气燃料混合物的燃烧称作富燃烧操作。

如果在正常操作期间需要NOx的还原，则进行通过富燃烧操作的NOx还原作为一种特定操作，并且在操作完成之后通过贫燃烧操作发动机返回正常操作。如果在正常操作期间需要脱硫，则进行通过借助于化学空气燃料比率的发动机操作的脱硫作为一种特定操作，然后进行通过借助于稍贫空气燃料比率的发动机操作的PM燃烧作为一种特定操作，及在操作完成之后发动机返回正常操作。

在贫燃烧操作期间的过量空气系数的控制中，应用基于空气的控制，而在富燃烧操作和在理论空燃比下的发动机操作期间，应用基于燃料的控制。

而且，也控制燃料喷射定时以适于燃烧类型。

以上过量空气系数和由控制器31进行的燃料喷射控制概括在表1中。

当有从贫燃烧操作到富燃烧操作或理论空燃比操作的转换或相反的转换时，控制器31进行对一个目标燃料喷射定时基本值和一个目标过量空气系数基本值的延迟原理。

现在，描述在基于空气的控制与基于燃料的控制之间的差别。

目标过量空气系数和目标EGR速率由如下公式(1)和(2)给出：

$\mathrm{Tlamb}=\frac{\mathrm{Gac}}{\mathrm{Gfc}\·\mathrm{BLAMB}\#}---\left(1\right)$

$\mathrm{EGRr}=\frac{\mathrm{Gegr}}{\mathrm{Gac}}\·100---\left(2\right)$

其中，Tlamb＝目标过量空气系数，

Gac＝目标缸吸气量，

Gfc＝目标燃料喷射量，

EGRr＝目标EGR速率，

Gegr＝目标EGR量，及

BLAMB#＝化学空气燃料比率＝14.7。

而且在基于空气的控制和基于燃料的控制中，分别应用目标过量空气系数Tlamb和目标EGR速率EGRr作为控制目标值。

在基于燃料的控制中，根据代表发动机负载的油门踏板压下量APS、和发动机转动速度Ne计算目标燃料喷射量Gfc。

由目标燃料喷射量Gfc和目标过量空气系数Tlamb通过公式(1)计算目标缸吸气量Gac。

然后把目标EGR速率EGRr和目标缸吸气量Gac代入公式(2)计算目标废气再循环量Gegr。这种控制过程基本上与由上述美国专利6,247,311公开的控制方法相同。

另一方面，在基于空气的控制中，把测量的吸入新鲜空气量当作目标缸吸气量Gac，并且由目标缸吸气量Gac和目标过量空气系数计算目标燃料喷射量Gfc。

把目标缸吸气量Gac和目标EGR速率EGRr代入公式(2)，以计算目标EGR量Gegr。

为了进行以上控制，把检测数据从检测车辆装有的油门踏板的压下量APS的一个油门踏板压下传感器32、检测柴油发动机1的转动速度Ne和曲轴角度的一个曲轴角度传感器33、及检测从压缩机23供给到吸入通道3的新鲜空气的流量的空气流量计35输入到控制器31。控制器31包括一个微型计算机，它装有一个中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及I/O接口(I/O接口)。也有可能由多个微型计算机构造控制器31。

其次，参照图4，描述用来进行上述控制的控制器31的功能。

控制器31装有一个特定操作请求确定单元41、一个目标转矩设置单元42、一个目标过量空气系数基本值设置单元43、一个目标EGR速率设置单元44、一个吸入新鲜空气量计算单元45、一个目标值设置单元46、一个燃料喷射控制单元47、一个EGR阀控制单元48、一个涡轮增压器控制单元49和一个吸气风门控制单元50。

这些单元是用来描述控制器31的功能的虚拟单元，并且物理上不存在。

特定操作请求确定单元41根据柴油发动机1的操作时间确定废气处理器28的NOx催化剂28A的NOx捕获量、和硫抑制量。

就是说，当在进行NOx还原之后柴油发动机1的累积操作时间达到一个预定时间时，确定饱和NOx捕获量。

类似地，当在进行脱硫之后柴油发动机1的累积操作时间达到一个预定时间时，确定硫抑制量已经达到极限。

特定操作请求确定单元41根据这些确定结果，从DPF 28B的正常操作、NOx还原、脱硫及再生中选择柴油发动机1的操作类型。

这里，DPF 28B的再生总是在脱硫之后进行。

目标发动机转矩设置单元42通过根据油门踏板压下量APS和发动机转动速度Ne查阅具有表示在图13中的特性的映像图，计算柴油发动机1的一个目标输出转矩Ttrq。

目标过量空气系数基本值设置单元43通过如下过程设定一个目标过量空气系数基本值。

(1)在正常操作期间，通过由目标发动机输出转矩Ttrq和发动机转动速度Ne查阅具有表示在图14中的特性的映像图，计算目标过量空气系数基本值Tlamb0。这里计算的Tlamb0是一个比1.4大的值。

(2)在特定操作期间，把目标过量空气系数基本值Tlamb0设定为根据操作类型预先规定的值。

特别是在NOx还原中，把Tlamb0设定为比1.0小的值。

在脱硫处理中，把Tlamb0设定为1.0。

在DPF 28B的再生中，把Tlamb0设定为一个比1.0稍大的值。

目标EGR速率设置单元44通过由目标发动机输出转矩Ttrq和发动机转动速度Ne查阅具有表示在图15中的特性的映像图，计算目标EGR速率Megr。

即使当柴油发动机1的操作从正常操作转换到特定操作时，只要目标发动机输出转矩Ttrq和发动机转动速度Ne保持不变，目标EGR速率Megr也保持在相同值下。

吸入新鲜空气量计算单元45通过对由空气流量计35检测出的空气流量进行关于滞后时间(dead time)和一阶延迟的处理，以计算汽缸每个行程的吸入新鲜空气量Qac。

由空气流量计35的检测流量计算新鲜空气吸入量Qac的方法从美国专利5,964,820已知。

目标值设置单元46设定目标新鲜空气量TQa、目标燃料喷射量TQf和目标燃料喷射定时MITF，从而可以实现由目标过量空气系数基本值设置单元43设定的目标过量空气系数基本值Tlamb0。

参照图5，现在将详细描述目标值设置单元46的这种功能。

图5表示目标值设置单元46的内部构造。

表示在图中的单元62-74也是用来描述目标值设置单元46的功能的虚拟单元。

延迟处理单元73加权平均目标过量空气系数基本值Tlamb0。

当以后将描述一个控制标志是零时，开关74把目标过量空气系数Tlamb设定成等于目标过量空气系数基本值Tlamb0。

当控制标志是一时，把由延迟处理单元73计算的加权平均值设定为目标过量空气系数Tlamb。

转换单元62和目标燃料喷射量计算单元63计算在基于空气的过量空气系数控制中目标新鲜空气量TQaA和目标燃料喷射量TQfA。

转换单元62考虑到废气再循环量把目标过量空气系数Tlamb转换成目标新鲜空气量TQaA。为此目的，转换单元62首先通过由目标发动机转矩设置单元42设定的目标发动机转矩Ttrq、和发动机转动速度Ne查阅具有表示在图11中的特性的映像图，计算目标新鲜空气量基本值tQacb。

也通过查阅具有表示在图12中的特性的映像图，由目标过量空气系数Tlamb和发动机转动速度Ne计算一个用来把过量空气系数转换成吸入新鲜空气量的转换系数kQaclm。

在基于空气控制中的目标新鲜气量TQaA使用这些值由下个公式(3)计算。

$\mathrm{TQaA}=\frac{\mathrm{tQacb}}{1+\mathrm{Megr}}\·\mathrm{kQaclm}---\left(3\right)$

其中， $\frac{1}{1+\mathrm{Megr}}=\mathrm{EGR}$ 量的校正系数。

目标燃料喷射量计算单元63由目标过量空气系数Tlamb和吸入新鲜空气量Qac由下个公式(4)计算在基于空气控制中的目标燃料喷射量TQfA。

$\mathrm{TQfA}=\frac{\mathrm{Qac}}{\mathrm{Tlamb}\·\mathrm{BLAMB}\#}---\left(4\right)$

另一方面，目标燃料喷射量计算单元64和目标吸入新鲜空气量计算单元65计算在基于燃料控制中的目标燃料喷射量TQfF和目标新鲜空气量TQaF。

目标燃料喷射量计算单元64通过由目标发动机转矩Ttrq和发动机转动速度Ne查阅具有表示在图16中的特性的映像图，计算基于燃料控制的目标燃料喷射量TQfF。

目标吸入新鲜空气量计算单元65由目标燃料喷射量TQfF和目标过量空气系数Tlamb通过下个公式(5)，计算在基于燃料控制中的目标新鲜空气量TQaF。

TQaF＝Tlamb·TQfF·BLAmB#    (5)

燃烧确定单元66和开关67、68根据关于施加贫燃烧操作、富燃烧操作、或理论空燃比操作中的哪一个的确定结果，选择性地施加基于空气的控制或基于燃料的控制。

燃烧确定单元“由目标过量空气系数Tlamb和特定操作请求确定单元41的确定结果，确定应该施加贫燃烧操作、富燃烧操作、或理论空燃比操作中的哪一个。

当应该施加贫燃烧操作时，把控制标志设定到一。

当应该施加富燃烧操作或理论空燃比操作时，把控制标志设定到零。

这里再参照表1，在DPF 28B的再生期间和在正常操作期间控制标志是一。

在NOx还原和脱硫期间把控制标志设定到零。

开关67、68响应控制标志。当控制标志是一时，开关67输出在基于空气的控制中的目标燃料喷射量TQaA作为目标新鲜空气量TQa，而当控制标志是零时，输出在基于燃料的控制中的目标新鲜空气量TQaF作为目标新鲜空气量TQa。

当控制标志是一时，开关68输出在基于空气的控制中的目标燃料喷射量TQfA作为目标燃料喷射量TQf，而当控制标志是零时，输出在基于燃料的控制中的目标燃料喷射量TQfF作为目标燃料喷射量TQf。

目标燃料喷射定时基本值设置单元69根据目标过量空气系数基本值Tlamb0和特定操作请求确定单元41的确定结果，按如下设定目标燃料喷射定时基本值MIT。

(1)当特定操作请求确定单元41的确定结果是正常操作时，通过由目标发动机转矩Ttrq和发动机转动速度Ne查阅具有表示在图17中的特性的映像图，计算目标燃料喷射定时基本值MIT。

(2)当特定操作请求确定单元41的确定结果是DPF 28B的再生时，根据表示在图2中的操作范围A或B，选择性地设定目标燃料喷射定时基本值MIT。

(3)当特定操作请求确定单元41的确定结果是NOx还原或脱硫时，把通过从正常操作前进10至15度得到的一个值设定为目标燃料喷射定时基本值MIT。

在其中空气燃料比率变化的如下情形下，过渡状态确定单元70设定一个用来对目标燃料喷射定时基本值MIT和目标过量空气系数基本值Tlamb0进行延迟处理的过渡状态标志，即：

(1)从正常操作到NOx还原操作的转换，

(2)从NOx还原操作到正常操作的转换，

(3)从正常操作到脱硫操作的转换，及

(4)从DPF 28B的再生到正常操作的转换，

过渡状态确定单元70根据由燃烧确定单元66输出的控制标志确定当前操作状态是否与上述情形(1)-(4)的过渡状态相对应。

当状态与过渡状态之一相对应时，在一个固定时段上它把过渡状态标志设定到一。

当状态不与过渡状态之一相对应时，它把过渡状态标志设定到零。

延迟处理单元71加权平均目标燃料喷射定时基本值MIT。

当过渡状态标志是零时，开关72把目标燃料喷射定时MITF设定成等于由目标燃料喷射定时基本值设置单元69计算的目标燃料喷射定时基本值MIT。

当过渡状态标志是一时，开关72把目标燃料喷射定时MITF设定成等于由延迟处理单元71计算的值。

以这种方式，目标值计算单元46计算目标燃料喷射量TQf和目标燃料喷射定时MITF。

再参照图4，燃料喷射控制单元47根据在与目标燃料喷射定时MITF一致的定时下到燃料喷射器17的目标燃料喷射量TQf，输出一个具有一个脉冲宽度的燃料喷射信号。

EGR阀控制单元48根据目标新鲜空气量TQa和由目标EGR速率设置单元44设定的目标EGR速率Megr计算一个目标阀开口，把目标阀开口转换成工作信号，及把它输出到EGR阀6。

涡轮增压器控制单元49根据目标新鲜空气量TQa和目标EGR速率Megr计算可变喷嘴24的目标开口，并且把一个对应信号输出到压力控制阀27。

吸气风门控制单元50根据目标新鲜空气量TQa和目标EGR速率Megr计算吸气风门8的目标开口，并且把一个对应信号输出到压力控制阀37。

其次，参照图6A-6G、7A-7G、8A-8E、9A-9E、及10A-10E，将描述由控制器31对过量空气系数和发动机输出转矩进行的以上控制的效果。

图6A-6G表示在基于燃料的控制下过量空气系数的变化，而图7A-7G表示在基于空气的控制下过量空气系数的变化。

这里为了简化解释，把目标EGR速率Megr设定为恒定的，并且假定省略延迟处理。

如果特定操作请求确定单元41在柴油发动机1的正常操作中确定在图6A的时刻t1的NOx还原，则要求的过量空气系数从贫变富。因而，目标过量空气系数基本值设置单元43立即把目标过量空气系数基本值Tlamb0从贫变富。结果，目标过量空气系数Tlamb从贫变富，如图6B中所示。

另一方面，在目标值计算单元46中，把由目标燃料喷射量计算单元64计算的基于燃料的控制的目标燃料喷射量TQfF设定为目标燃料喷射量TQf。而且，在基于燃料的控制中由目标吸入新鲜空气量计算单元65根据TQfF计算的目标新鲜空气量TQaF被设定为目标新鲜空气量TQa。

当在燃料喷射量控制中没有响应延迟时，燃料喷射量立即增大，但由于吸入新鲜空气量的控制伴随有时间延迟，所以实际吸入新鲜空气相对于目标新鲜空气量TQa表现出一阶延迟，如由图6D的虚线所示。

因此，真实过量空气系数也表现出带有一阶延迟的变化，如由图6G的虚线所示，并且直到实现目标过量空气系数需要相当的时间。

通过把一个延迟补偿添加到由图6E的虚线表示的目标燃料喷射量TQ上，过量空气系数可以以高响应变化，如图6G的直线表示的那样。然而，当吸入空气量的延迟特性随操作状态大大地变化时，难以在各种操作条件下以足够精度补偿延迟。

另一方面，如果在图7A中所示的基于空气的控制中要求过量空气系数也从贫到富变化，则目标过量空气系数Tlamb从贫到富立即变化，如图7B中所示。

在目标值计算单元46中，转换单元62计算目标新鲜空气量基本值tQacb。

目标燃料喷射量计算单元63计算在基于燃料的控制中相对于目标新鲜空气量基本值tQacb、目标过量空气系数Tlamb、及新鲜空气吸入量Qac的变化的目标燃料喷射量TQfA，并且把目标燃料喷射量TQfA设定为目标燃料喷射量TQf。

在这种情况下，当根据新鲜空气吸入量Qac确定目标燃料喷射量TQf时，不必考虑吸入新鲜空气量变化的时间延迟，并且过量空气系数没有延迟地跟随目标过量空气系数。

其次，图8A-8E表示在基于燃料的过量空气系数控制下柴油发动机1的输出转矩的变化，而图9A-9E表示在基于空气的过量空气系数控制下柴油发动机1的输出转矩的变化。

将考虑其中目标过量空气系数以固定间隔周期波动的情形，如图8A和9A中所示。

在基于燃料的过量空气系数控制中，随目标过量空气系数的变化，目标新鲜空气量TQa如图8B中所示变化，而目标燃料喷射量TQf如图8C中所示不变化。目标新鲜空气量TQa的变化引起吸气风门18的目标开口的变化，如图8D中所示。

在贫燃烧操作中，柴油发动机1的输出转矩依据燃料量而变化。

在富燃烧操作中，柴油发动机1的输出转矩依据吸入新鲜空气量而变化。

因此，如图8B中所示，当目标新鲜空气量TQa变化时，在贫燃烧操作中，输出转矩如由图8E的虚线表示得那样不会变化太多，但在富燃烧操作中，输出转矩如由图的实线表示得那样显著变化。

在基于空气的过量空气系数控制中，目标新鲜空气量TQa不随目标过量空气系数的变化而变化，如图9B中所示，因此吸气风门18的目标开口也不会变化。

另一方面，目标燃料喷射量TQf的确变化，如图9C中所示。

在贫燃烧操作中，目标燃料喷射量TQf的变化对发动机输出转矩有较大影响，如由图9E的虚线表示的那样，并且在富环境中，它如由图的实线表示的那样不会变化太大。

现在，在根据本发明的过量空气系数控制装置中，在图5中表示的燃烧确定单元66和开关67、68在贫燃烧操作期间施加基于燃料的过量空气系数控制，并且在富燃烧操作期间施加基于空气的过量空气系数控制。

因此，在富燃烧操作期间或在贫燃烧操作期间能以足够的响应控制过量空气系数，而不引起发动机输出转矩的变化。

参照图10A-10E，如果特定操作请求确定单元41确定从正常操作到NOx还原的转换，并且目标过量空气系数Tlamb在时刻t1从贫到富变化，则在根据本发明的过量空气系数控制装置中，在富燃料操作中由基于空气的控制而控制过量空气系数。

在这时，如果目标过量空气系数Tlamb如由图10C的实线所示以类似于目标过量空气系数基本值Tlamb0的步进方式变化，则柴油发动机1的输出转矩将如图10E中所示突然变化。

然而，在根据本发明的过量空气系数控制装置中，图5中表示的过渡状态确定单元70把过渡状态标志设定到一。因而，开关74把目标过量空气系数Tlamb设定成等于由延迟处理单元73处理的值，直到从时刻t1已经过去一个固定时间。

因此，目标过量空气系数基本值Tlamb0以步进方式变化，但目标过量空气系数Tlamb以平缓的斜率变化，如由图10C的虚线所示。

因此，显著抑制在时刻t1柴油发动机1的输出转矩的变化，如由图10E的虚线所示。

况且，就目标燃料喷射定时MITF而论，开关72响应过渡状态标志，把目标燃料喷射定时MITF设定成等于由延迟处理单元71处理的值，直到从时刻t1已经过去固定时间。

因此，进一步抑制在时刻t1柴油发动机1的输出转矩的变化，如由图10E的虚线所示。

尽管图10A-10E是其中目标过量空气系数Tlamb从贫变富的情形，但如果当目标过量空气系数Tlamb从富变贫时过量空气系数Tlamb突然变化，则柴油发动机1的输出转矩也突然变化。

而且在这种情况下，由于响应一的过渡状态标志，对目标过量空气系数基本值Tlamb0进行延迟处理以得到目标过量空气系数Tlamb，以及对目标燃料喷射定时基本值MIT进行处理以得到目标燃料喷射定时MITF，所以把柴油发动机1的输出转矩的变化抑制到较小。

通过适当设定由延迟处理单元71和73应用的时间常数，有可能把过量空气系数控制的响应和发动机输出转矩控制的响应分别保持在希望水平下。

因此，根据这种过量空气系数控制装置，能防止在贫燃烧操作、富燃烧操作或理论空燃比操作之间切换时转矩冲击的产生。

在日本具有2001年9月18日的申请日的Tokugan 2001-282638的内容通过参考包括在这里。

尽管通过参考本发明的一些实施例以上已经描述了本发明，但本发明不限于上述实施例。按照以上讲授对于熟悉本专业的技术人员能想到上述实施例的修改和变更。

例如，在上述实施例中，柴油发动机1装有一个可变容量涡轮增压器21，后者装有一个可变喷嘴24。

然而，也有可能使用装有改变涡管或扩散器的孔径的机构，来代替可变喷嘴24。

装有这样一种调节机构的涡轮增压器一般称作可变几何形状涡轮增压器。本发明适用于装有所有类型的可变几何形状涡轮增压器的柴油发动机。

另外，它也适用于提供有固定容量涡轮增压器和腰部闸阀的组合的柴油发动机。

当使用可变几何形状涡轮增压器时，涡轮增压器控制单元49把涡轮增压器的孔径面积控制到与目标新鲜空气量TQa相对应的面积。

当使用装有腰部闸阀的固定容量涡轮增压器时，涡轮增压器控制单元49把腰部闸阀的阀开口控制到与目标新鲜空气量TQa相对应的开口。

工业应用领域

如上所述，在柴油发动机的贫燃烧操作期间，本发明应用基于燃料的过量空气系数控制，而在富燃烧操作期间，它应用基于空气的过量空气系数控制。

因此，在对于NOx还原催化剂的再生进行富燃烧操作的同时通常进行贫燃烧操作的、用于车辆的柴油发动机中，在防止发动机输出转矩变化的同时，提高过量空气系数控制的精度和响应。

其中要求排他权或特许权的本发明的实施例按如下定义：

                          表1

Claims (16)

1.一种用于燃烧由一个空气供给机构供给的空气和由一个燃料供给机构供给的燃料的混合物的柴油发动机的过量空气系数控制装置，包括：

用来检测柴油发动机的运行状态的装置；

用来根据运行状态设定混合物的一个目标过量空气系数的装置；

第一装置，当目标过量空气系数大于一个等效于理论空燃比的值时，用来把空气供给机构的一个空气供给量控制到由一个预定燃料供给量和目标过量空气系数计算的一个目标空气供给量；及

第二装置，当目标过量空气系数小于等效于理论空燃比的值时，用来把燃料供给机构的一个燃料供给量控制到由一个预定空气供给量和目标过量空气系数计算的一个目标燃料供给量。

2.根据权利要求1所述的过量空气系数控制装置，其中设置装置、第一装置和第二装置以一个可编程控制器的形式提供，可编程控制器编程为：

根据运行状态设定混合物的一个目标过量空气系数；

当目标过量空气系数大于一个等效于理论空燃比的值时，把空气供给机构的一个空气供给量控制到由一个预定燃料供给量和目标过量空气系数计算的一个目标空气供给量；及

当目标过量空气系数小于等效于理论空燃比的值时，用来把燃料供给机构的一个燃料供给量控制到由一个预定空气供给量和目标过量空气系数计算的一个目标燃料供给量。

3.根据权利要求2所述的过量空气系数控制装置，其中运行状态检测装置包括：一个传感器，检测柴油发动机的负载；和一个传感器，检测柴油发动机的转动速度，并且把控制器进一步编程为：当目标过量空气系数小于等效于理论空燃比等效值的值时，根据柴油发动机的负载和柴油发动机的转动速度计算一个目标发动机转矩，根据目标发动机转矩和柴油发动机的转动速度计算一个目标空气量基本值，根据目标过量空气系数和柴油发动机的转动速度计算一个转换系数，把预定空气供给量设定成等于通过把目标空气量基本值乘以转换系数得到的一个值，及把空气供给机构的空气供给量控制到预定空气供给量。

4.根据权利要求2所述的过量空气系数控制装置，其中运行状态检测装置包括：一个传感器，检测柴油发动机的负载；和一个传感器，检测柴油发动机的转动速度，并且把控制器进一步编程为：当目标过量空气系数大于等效于理论空燃比的值时，根据柴油发动机的负载和柴油发动机的转动速度计算一个目标发动机转矩，把一个预定燃料供给量设定成等于根据目标发动机转矩和柴油发动机的转动速度计算的值，及把燃料供给机构的燃料供给量控制到预定燃料供给量。

5.根据权利要求2所述的过量空气系数控制装置，其中运行状态检测装置进一步包括一个进一步编程为计数柴油发动机的运行时间的控制器。

6.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中柴油发动机包括：一种氧化氮捕获催化剂，当混合物的过量空气系数大于等效于理论空燃比的值时捕获在柴油发动机的废气中的氧化氮，而当混合物的过量空气系数小于等效于理论空燃比的值时通过还原捕获的氧化氮，再生氧化氮捕获催化剂的氧化氮捕获功能，并且把控制器进一步编程为：由运行状态确定是否需要氧化氮捕获功能的再生；当不需要再生时把目标过量空气系数设定到一个比等效于理论空燃比的值大的值；而当需要再生时把目标过量空气系数设定到一个比等效于理论空燃比的值小的值。

7.根据权利要求6所述的过量空气系数控制装置，其中当过量空气系数大于等效于理论空燃比的值时，氧化氮捕获催化剂累积在废气中的硫，而当过量空气系数与等效于理论空燃比的值相等时，进行脱硫以释放累积的硫，并且把控制器进一步编程为：由运行状态确定是否需要脱硫；当不需要脱硫时把目标过量空气系数设定成一个比等效于理论空燃比的值大的值；而当需要脱硫时把目标过量空气系数设定成与等效于理论空燃比的值相等的值。

8.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中柴油发动机包括：一个颗粒过滤器，捕获在废气中的颗粒物质并且在预定贫空气燃料比率下燃烧捕获的颗粒物质，并且把控制器进一步编程为：确定是否需要燃烧捕获的颗粒物质；当不需要燃烧捕获的颗粒物质时，把目标过量空气系数设定到一个比等效于理论空燃比的值大的第一值；而当需要燃烧捕获的颗粒物质时，把目标过量空气系数设定到一个比等效于理论空燃比的值大但比第一值小的第二值。

9.根据权利要求8所述的过量空气系数控制装置，其中把控制器进一步编程为：当需要脱硫时确定需要燃烧捕获的颗粒物质，并且在以与等效于理论空燃比的值相等的目标过量空气系数操作柴油发动机之后，把目标过量空气系数设定到第二值。

10.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中把控制器进一步编程为：当目标过量空气系数在一个比等效于理论空燃比的值大的值与一个不大于等效于理论空燃比的值的值之间变化时，对于目标过量空气系数应用延迟处理。

11.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中燃料供给机构包括一个把燃料喷射到柴油发动机中的燃料喷射器，并且把控制器进一步编程为：把燃料喷射器的燃料喷射定时控制到一个目标喷射定时，并且依据目标过量空气系数是否大于等效于理论空燃比的值，改变目标喷射定时。

12.根据权利要求11所述的过量空气系数控制装置，其中把控制器进一步编程为：当目标过量空气系数在一个比等效于理论空燃比的值大的值与一个不大于等效于理论空燃比的值的值之间变化时，对于目标喷射定时应用延迟处理。

13.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中空气供给机构包括一个可变几何形状涡轮增压器，并且把控制器进一步编程为：通过改变可变几何形状涡轮增压器的涡轮增压压力，控制空气供给量。

14.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中空气供给机构包括一个把柴油发动机的废气的一部分再循环到由空气供给机构供给的空气中的废气再循环阀，并且把控制器进一步编程为：通过改变废气再循环阀的废气再循环量，控制空气供给量。

15.根据权利要求2至权利要求5任一项所述的过量空气系数控制装置，其中柴油发动机包括一个吸气通道，空气供给机构包括一个提供在吸气通道中的吸气风门，并且把控制器进一步编程为：通过改变吸气风门的风门开口，控制空气供给量。

16.一种用于燃烧由一个空气供给机构供给的空气和由一个燃料供给机构供给的燃料的混合物的柴油发动机的过量空气系数控制方法，包括：

检测柴油发动机的运行状态；

根据运行状态设定混合物的一个目标过量空气系数；

当目标过量空气系数大于一个等效于理论空燃比的值时，把空气供给机构的一个空气供给量控制到由一个预定燃料供给量和目标过量空气系数计算的一个目标空气供给量；及

当目标过量空气系数小于等效于理论空燃比的值时，把燃料供给机构的一个燃料供给量控制到由一个预定空气供给量和目标过量空气系数计算的一个目标燃料供给量。

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