CN100429391C - 发动机处于稀运行时停止计算模式参数用的内燃机空燃比控制器 - Google Patents

Abstract

一种内燃机用的空燃比控制器，包括排气传感器、识别器和控制单元。排气传感器检测废气中的氧浓度；识别器根据排气传感器的输出，计算受到控制的目标模式的模式参数。被控制的目标包含发动机的排气系统。控制单元被构造成利用模式参数控制空燃比，使排气传感器的输出汇集成目标值；并在发动机以贫空燃比运行时以及停止以贫空燃比运行之后的预定的期间，停止识别器计算模式参数。还可以在实行停止把燃料供送给发动机的断油运行时以及在停止断油运行后的预定时间内停止识别器计算模式参数。这种停止模式参数计算，减少在发动机从贫空燃比运行转到理论配比/富空燃比运行时排气中所含有害物质的发散。

Description

发动机处于稀运行时停止计算模式参数用的内燃机空燃比控制器

技术领域

本发明涉及一种根据安置在内燃机排气系统中的排气传感器的输出控制空燃比的控制器。

背景技术

车辆内燃机的排气系统中设有催化剂转换器。在引入发动机中的空气-燃油混合物为贫空燃比(lean)时，催化剂转换器以废气中所含的过量氧气使HC和CO氧化。在富空燃比(rich)时，催化剂转换器以HC和CO还原NOx。当空燃比处于理论配比的空燃比范围内时，HC、CO和NOx同时被有效地净化。

在催化剂转换器的下游侧设置排气传感器。该排气传感器检测被排放到排气系统中的气体所含氧的浓度。根据该排气传感器的输出实行对发动机空燃比的反馈控制。

作为对空燃比反馈控制的一个实例，日本专利申请未审公开2000-234550提出指定灵敏度控制方案，其中定义了一个转换函数。这种控制通过把转换函数的值汇集到0，将所述排气传感器的输出汇集到目标值。计算将排气传感器的输出汇集到目标值所需的空燃比(或操作变量)。根据目标空燃比，控制拟加给发动机的燃料量。

在实行指定灵敏度控制的系统中可以设置系统识别器。所述系统识别器计算与指定灵敏度控制的目标相关联的模式参数。把由系统识别器计算的模式参数用于确定目标空燃比。

最近，已有拓展发动机以贫空燃比运行的工作范围，以提高燃料效率的趋势。当不能采用贫空燃比实现所希望的发动机运行时，将空燃比改变成理论配比的空燃比或富空燃比。当发动机以理论配比的空燃比运行时，实行上述指定灵敏度控制的空燃比控制，以减少排气中所含的有害物质散发。

在发动机起动之后，也能立刻达到发动机以贫空燃比运行。实行这样的贫空燃比运行，用以减少排气中所含的有害物质散发。

按照常规的空燃比控制，只在发动机起动之后立刻投入的贫空燃比运行时，停止由识别器计算模式参数。在为提高燃料的效率所达到的贫空燃比运行中，识别器继续计算模式参数，并停止利用算得的各模式参数计算目标空燃比。

图14表示按照这种常规空燃比控制的参数行为。排气传感器输出Vo2/OUT、模式参数a1和a2、目标空燃比KCMD、实际空燃比KACT，并表示排气中所含有害物质HC和NOx的量。

在发动机以贫空燃比运行期间(t1到t2)和在一旦贫发动机运行之后(t2到t4)，排气传感器输出Vo2/OUT和实际空燃比KACT都表现出贫空燃比。在从t1到t4的时间内，识别器根据所述排气传感器输出Vo2/OUT和实际空燃比KACT，继续计算模式参数a1和a2。由于所述排气传感器输出Vo2/OUT和实际空燃比KACT具有恒定的贫空燃比，所以识别模式参数a1和a2的精度变差。如t2到t4时间内所示，模式参数漂移。

在贫空燃比的发动机运行期间(t1到t2)，目标空燃比KCMD保持在预定的值(比如1)。在贫空燃比的发动机运行结束的时刻t2，开始适宜的空燃比控制，同时，也开始目标空燃比KCMD的计算。

在t2到t3期间，目标空燃比要受到控制，变成富空燃比，以使排气传感器的输出迅速从贫空燃比一边转到目标值Vo2/TARGET。但由于所述模式参数的漂移，目标空燃比KCMD向着贫的一侧变化，有如参考标号201所示那样。于是，使空燃比受到控制，汇集到贫的目标空燃比KCMD，从而增加NOx的放散。

在t3到t4期间，目标空燃比要受到控制，向着贫的一侧变化，以使排气传感器的输出汇集到目标值Vo2/TARGET。然而，由于所述模式参数的漂移，有如参考标号202所示那样，目标空燃比KCMD向着富的一侧变化。于是，使空燃比受到控制，汇集到富的目标空燃比KCMD，从而增加HC的放散。

于是，有如在从t2到t4的周期所示那样，模式参数的漂移可使目标空燃比KCMD的计算不再适宜。这种不适宜的目标空燃比使NOx和HC增多。在断油运行，也就是实行停止对发动机供送燃油的时候，也会发生这种NOx和HC的增多。

因此，就存在对于在这种贫空燃比发动机运行和断油运行期间以及一旦在贫空燃比发动机运行和断油运行之后，能够立即停止识别器计算模式参数的装置和方法需求。

发明内容

按照本发明的一种方案，一种内燃机用的空燃比控制器，包括排气传感器，系统识别器和控制单元。所述排气传感器检测废气中的氧浓度。所述系统识别器根据排气传感器的输出，计算通过空燃比控制而受到控制的目标模式的模式参数。所述受到控制的目标包括发动机的排气系统。所述控制单元利用各模式参数控制空燃比，使排气传感器的输出汇集成目标值。当发动机以贫空燃比运行时，以及在发动机停止以贫空燃比运行之后的一段预定的期间，控制单元停止识别器计算模式参数。

按照本发明，当因为在稀发动机运行期间以及一旦在稀发动机运行之后停止所述模式参数的计算，而使发动机从贫空燃比移到理论配比/富空燃比运行时，就能够确定适宜的目标空燃比。这种适宜的目标空燃比减少了在稀发动机运行停止之后所述各有害物质的散发。

按照本发明的一种实施例，所述控制单元进一步还在实行停止把燃料供送给发动机的断油运行时，以及在停止断油运行之后的一段预定时间内停止识别器计算模式参数。

按照本发明，可在因为一旦在断油运行之后以及断油运行之后的期间内停止模式参数的计算，而使发动机从断油运行移到理论配比/富空燃比运行时，确定适宜的目标空燃比。这样的适宜目标空燃比减少在断油运行停止之后有害物质的散发。

按照本发明的一种实施例，当发动机以贫空燃比运行时和在发动机停止以贫空燃比运行之后的一段预定期间内，所述控制单元继续根据发动机开始以贫空燃比运行之前最后计算的模式参数确定目标空燃比。按照所确定的目标空燃比产生空气-燃油混合气。于是，当发动机从贫空燃比运行移到理论配比/富空燃比运行时，以适宜的目标空燃比实行空燃比控制。

按照本发明的一种实施例，发动机以贫空燃比运行，以提高燃油的效率。发动机还以贫空燃比运行，为的是在发动机一旦起动之后减少排气中所含有害物质的散发。

按照本发明的一种实施例，通过规定灵敏度控制，使空燃比得到控制。所述规定灵敏度控制能够确定受控变量或排气传感器输出的汇集比率。

按照本发明的一种实施例，排气系统从空燃比传感器通过催化剂转换器延伸到排气传感器。空燃比传感器设于催化剂转换器的上游侧。排气传感器通常设于催化剂转换器的下游侧。将排气系统设计成使由空燃比传感器的输出表示所述设计模式的控制输入，而由排气传感器的输出表示所述设计模式的控制输出。

附图说明

图1是本发明一种实施例内燃机及其控制器的示意图；

图2是本发明一种实施例催化剂转换器和排气传感器布置的示意图；

图3表示本发明一种实施例空燃比控制概图；

图4是本发明一种实施例作为被控制目标之排气系统的方框图；

图5是本发明一种实施例的空燃比控制方框图；

图6是本发明一种实施例空燃比控制器的详细功能方框图；

图7以示意的方式表示本发明一种实施例的规定灵敏度控制的变换线；

图8表示本发明一种实施例的规定灵敏度控制的响应特性；

图9是本发明一种实施例的空燃比控制过程流程图；

图10是本发明一种实施例的建立切断燃油标志过程的流程图；

图11是本发明一种实施例确定是否允许由识别器计算的过程流程图；

图12是本发明一种实施例计算模式参数的过程流程图；

图13表示本发明一种实施例在贫空燃比发动机运行期间和之后的一段期间内，排气传感器输出、模式参数、目标空燃比、实际空燃比和排气中所含有害物质量的变化过程；

图14表示按现有技术空燃比控制在贫空燃比发动机运行期间和之后的一段期间内，排气传感器输出、模式参数、目标空燃比、实际空燃比和排气中所含不行为物质量的变化过程。

具体实施方式

内燃机和控制装置的结构

以下将参照附图描述本发明的优选实施例。图1是表示本发明一种实施例的内燃机(下称发动机)控制器的方框图。

电动控制单元(下称ECU)5包括：输入接口5a，用以接收发动机1各部分送来的数据；CPU5b，用以实现控制发动机1各部分的操作；存储单元5c，它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)；以及输出接口5d，用以将控制信号送到发动机1的各个部分。用于控制车辆各部分的各种程序和数据被存储在ROM中。本发明控制空燃比的程序、为所述程序运行所用的数据和表格都被存储在ROM中。所述ROM可以是可重写的ROM，如EEPROM。RAM设有CPU5b操纵的工作区域，其中同时存储有由发动机1各个部分送来的数据，以及要发送给发动机1各部分的控制信号。

发动机1比如是装备以四个缸的发动机。使进气管2与发动机1相连。节流阀3设置在进气管2的上游侧。节流阀开启(θTH)传感器4与节流阀3相连，它输出与节流阀3的开启角度相应的电信号，并将该信号送到ECU5。

进气管2中设置旁路通道21，用以旁路节流阀3。旁路通道21中设置旁路阀门22，用以控制要供给发动机1的空气量。旁路阀门22按照ECU5的控制信号受到驱动。

在发动机1与节流阀3之间进气管2的中间点处对每个气缸设置一个燃油喷射阀门6。燃油喷射阀门6连到燃油泵(未示出)，以接受从燃油槽(未示出)供给的燃料。按照ECU5的控制信号，使燃油喷射阀门6受到驱动。

进气管压力(Pb)传感器8和外部空气温度(Ta)传感器9安装在节流阀3下游侧的进气管2中。把所测得的进气管压力Pb和外部空气温度Ta送给ECU5。

发动机水温(TW)传感器10被装到发动机1气缸体的气缸周壁上，该周壁被充满冷却水。将发动机水温传感器测得的发动机冷却水温度送到ECU5。

转速(NE)检测器13被装在发动机1的凸轮轴外围或者曲轴(未示出)外围，并按预定的曲轴角周期(如30°角周期)输出CRK信号脉冲，这个周期要短于按与活塞的TDC位置相关的曲轴角周期所造成的TDC信号脉冲的周期。由ECU5计数CRK脉冲，以确定发动机1的转速NE。

排气管14与发动机1相连。发动机1通过排气管14排放废气。催化剂转换器15除去流过排气管14的废气中所包含的诸如HC、CO和NOx等有害物质。催化剂转换器15包含两种催化剂，即上游催化剂和下游催化剂。

在催化剂转换器15的上游设有全范围空燃比(LAF)传感器16。所述LAF传感器16在整个宽度的空燃比区域直线地检测废气中所含氧的浓度，从高于理论配比空燃比的富空燃比区域到极贫的区域。把所测得的氧浓度送到ECU5。

在所述上游催化剂与下游催化剂之间设置O₂(氧气)传感器17。所述O₂传感器17是二进制型的废气浓度传感器。当空燃比富于所述理论配比空燃比时，该O₂传感器输出高电平信号，而当空燃比贫于所述理论配比空燃比时，输出低电平信号。所述电信号被送给ECU5。

送给ECU5的信号通过输入接口5a。输入接口5a把模拟信号值转换成数字信号值。CPU5b处理所得的数字信号，按照存储器5c中所存程序进行操作，并得到控制信号。输出接口5d把这些控制信号送给旁路阀门22、燃油喷射阀门6和其它机械组件的致动器。

图2表示催化剂转换器15的结构。被引入排气管14的废气通过上游催化剂25，然后再通过下游催化剂26。公知的是，与以设在下游催化剂之下游侧的O₂传感器的输出为基础的空燃比控制相比，通过设在所述上游催化剂与下游催化剂之间的O₂传感器的输出为基础的空燃比控制，容易使NOx的净化率保持在最佳水平。因此，在下面将要叙述的本发明实施例中，把O₂传感器17设在上游催化剂与下游催化剂之间。该O₂传感器17检测通过上游催化剂25之后的废气中所含氧的浓度。

另外，可将O₂传感器配置于下游催化剂26的下游侧。如果催化剂转换器15由单独一种催化剂组成，则把O₂传感器配置于这种催化剂转换器15的下游侧。

图3表示上游催化剂和下游催化剂的净化过程。窗口27指示空燃比的区域，其中HC、CO和NOx等都被最佳地净化。由于通过在上游催化剂25内的净化，废气中所含的氧已被消耗，所以提供给下游催化剂26的废气表现出空气减少(即富空燃比状态)，如窗口28所示的那样。在这种空气减少的情况下，使NOx进一步受到净化。于是排放的是清洁的废气。

为了很好地保持催化剂转换器15的净化性能，本发明自适应控制空燃比，使O₂传感器17的输出汇集成目标值，使空燃比处于窗口27中。

参考标号29表示可允许的范围，这个范围规定由自适应空燃比控制所控制的变量限制，这将在后面有详细的描述。

图4表示一种排气系统的方框图，该系统从LAF传感器16延伸到O₂传感器17。LAF传感器16检测提供给上游催化剂25的排气的空燃比KACT。所述O₂传感器17输出电压Vo2/OUT，它表示经上游催化剂25净化之后，废气中的氧浓度。排气系统19是按照本发明所要被控制的目标或者所述自适应控制空燃比的设备。

自适应空燃比控制

图5表示本发明一种实施例自适应空燃比控制的方框图。将O₂传感器17的输出Vo2/OUT与目标值Vo2/TARGET比较。控制器31根据比较的结果确定目标空燃比误差“kcmd”。把这个目标空燃比误差kcmd与基准值FLAF/BASE相加，以确定目标空燃比KCMD。把以所述目标空燃比KCMD修正过的燃料喷射量供给发动机。再次检测排气系统的O₂传感器17的输出Vo2/OUT。

于是，控制器31实行反馈控制，以确定目标空燃比KCMD，从而使O₂传感器17的输出Vo2/OUT汇集到目标值Vo2/TARGET。可如公式(1)所示那样设计排气系统19，也就是被控制的目标，其中的Vo2/OUT被定义为控制输出，而LAF传感器的输出KACT被定义为控制输入。排气系统19被设计成离散时间系统。这种设计可使空燃比控制运算简单，并适于计算机处理。“k”是用以表示控制周期的标志符。

Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d1)

其中Vo2(k)＝Vo2/OUT(k)-Vo2/TARGET    (1)

传感器输出误差Vo2表示O₂传感器的输出Vo2/OUT与目标值Vo2/TARGET之间的误差。实际空燃比误差“kact”表示LAF传感器的输出KACT与基准值FLAF/BASE之间的误差。所述基准值FLAF/BASE被设定成是目标空燃比的中心值。例如，把基准值设定成理论配比表示的值(即FLAF/BASE＝1)。基准值FLAF/BASE可以是一个恒定的值，或者可以根据发动机的运行状态确立它。

“d1”表示排气系统19的空载时间。空载时间d1是由LAF传感器16测得的空燃比要反映在O₂传感器17的输出中所需的时间。“a1”、“a2”和“b1”是由系统标志符产生的模式参数。后面将叙述所述系统标志符。

另一方面，可如公式(2)所示那样，设计包含发动机和ECU5的空燃比控制系统。目标空燃比误差“kcmd”代表目标空燃比KCMD与基准值FLAF/BASE之间的误差(kcmd＝KCMD-FLAF/BASE)。“d2”表示空燃比控制系统18的空载时间。空载时间d2是所计算的目标空燃比KCMD要反映在LAF传感器16的输出KACT中所需的时间。

kact(k)＝kcmd(k-d2)    (2)

图6表示图5所示控制器31的更为详细的方框图。控制器31包含系统识别器(identifer)32、计算器(estimator)33、滑动模式控制器34和限幅器35。

识别器32识别公式(1)中的模式参数a1、a2和b1，以消除模式误差。以下将描述识别器32所执行的系统识别。

识别器32使用模式参数

和

这些参数已按以前的控制周期计算过，为的是按照公式(3)确定传感器输出对当前周期的误差

$V\hat{o}2\left(k\right)=\hat{a}1(k-1)\·\mathrm{Vo}2(k-1)+\hat{a}2(k-1)\·\mathrm{Vo}2(k-2)+\hat{b}1(k-1)\·\mathrm{kact}(k-d1-1)---\left(3\right)$

公式(4)表示按照公式(3)计算的传感器输出误差

与在当前控制周期下实际测得的传感器输出误差Vo2(k)之间的误差id/e(k)：

$\mathrm{id}/e\left(k\right)=\mathrm{Vo}2\left(k\right)-V\hat{o}2\left(k\right)---\left(4\right)$

识别器32对当前周期计算

和

以使误差id/e(k)最小化。这里的矢量θ被定义为如公式(5)所示：

${\mathrm{\Θ}}^T\left(1\right)=\left[\begin{array}{ccc}\hat{a}1\left(k\right)& \hat{a}2\left(k\right)& \hat{b}1\left(k\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

识别器32按照公式(6)确定

和

如公式(6)所示，通过对按以前的控制周期计算的

和

改变一个与误差id/e(k)成正比的量，计算对当前控制周期的

和

Θ(k)＝Θ(k-1)+Kθ(k)·id/e(k)    (6)

按照公式(7)确定矢量Kθ。

$\mathrm{K\θ}\left(k\right)=\frac{P(k-1)\mathrm{\ξ}\left(k\right)}{1+{\mathrm{\ξ}}^T\left(k\right)P(k-1)\mathrm{\ξ}\left(k\right)}$

其中ξ^T(k)＝[Vo2(k-1)Vo2(k-2)kact(k-d1-1)]    (7)

按照公式(8)确定矩阵P。矩阵P的初始值P(0)是对角矩阵，其中的每个对角元素为正值。

$P\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{\λ}1\left(k\right)}[I-\frac{\mathrm{\λ}2\left(k\right)P(k-1)\mathrm{\ξ}\left(k\right){\mathrm{\ξ}}^T\left(k\right)}{\mathrm{\λ}1\left(k\right)+\mathrm{\λ}2\left(k\right){\mathrm{\ξ}}^T\left(k\right)P(k-1)\mathrm{\ξ}\left(k\right)}]P(k-1)$

其中0＜λ1≤1 0＜λ2≤2 I：单位矩阵    (8)

以下描述计算器33所执行的估算。为了补偿排气系统19的空载时间“d1”和空燃比控制系统的空载时间“d2”，计算器33估算空载时间d(＝d1+d2)之后的传感器的输出误差Vo2。特别是，把空燃比控制系统的模式公式(2)应用于排气系统的模式公式(1)，得到公式(9)。

Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d1-d2)

＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d)

(9)

模式公式(9)表示的系统包含排气系统19和空燃比控制系统。公式(9)被用于确定在所述空载时间之后传感器输出误差Vo2(k+d)的估算值Vo2(k+d)，有如公式(10)所示。利用识别器32所确定的模式参数，计算系数α1、α2和β。目标空燃比误差的过去时间序列数据kcmd(k-j)(其中j＝1，2，...d)包括在空载时间“d”期间所得的目标空燃比误差。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Vo}2}(k+d)=\mathrm{\α}1\·\mathrm{Vo}2\left(k\right)+\mathrm{\α}2\·\mathrm{Vo}2(k-1)+\underset{j=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\βj}\·\mathrm{kcmd}(k-j)$

其中α1＝A^d的第1行第1列元素；

α2＝A^d的第1行第2列元素；

βj＝A^j-1·B的第1行各元素；

$A=\left[\begin{array}{cc}a1& a2\\ 1& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}b1\\ 0\end{array}\right]$

利用公式(2)，可用实际空燃比误差kact(k)、kact(k-1)、...kact(k-d+d2)代替空载时间d2之前目标空燃比误差的过去值kcmd(k-d2)、kcmd(k-d2-1)、...kcmd(k-d)。于是，得到公式(11)：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Vo}2}(k+d)=\mathrm{\α}1\·\mathrm{Vo}2\left(k\right)+\mathrm{\α}2\·\mathrm{Vo}2(k-1)$

$+\underset{j=1}{\overset{d2-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\βj}\·\mathrm{kcmd}(k-j)+\underset{i=0}{\overset{d-d2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\βi}+d2\·\mathrm{kact}(k-i)---\left(11\right)$

$=\mathrm{\α}1\·\mathrm{Vo}2\left(k\right)+\mathrm{\α}2\·\mathrm{Vo}2(k-1)$

$+\underset{j=1}{\overset{d2-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\βj}\·\mathrm{kcmd}(k-j)+\underset{i=0}{\overset{d1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\βi}+d2\·\mathrm{kact}(k-i)$

滑动模式控制器34建立转换函数σ，如公式(12)所示，以便实行滑动模式控制。

σ(k)＝s·Vo2(k-1)+Vo2(k)    (12)

如上所述，Vo2(K-1)代表前面周期测得的传感器输出误差。Vo2(K)代表当前周期测得的传感器输出误差。“s”是转换函数σ的设定参数，并被建立成满足-1＜s＜1。

在σ(k)＝0情况下的这个公式被称为等效输出系统，它确定传感器输出误差Vo2的聚集特性，或者被称为控制变量。假设σ(k)＝0，则公式(12)转变为公式(13)：

Vo2(K)＝-s·Vo2(K-1)    (13)

以下参照图7和公式(13)描述转换函数σ的特征。在图7中，把公式(13)表示为以Vo2(k-1)为横轴而以Vo2(k)为纵轴的相位平面上的线41。线41被称为转换线。假设由点42表示作为Vo2(k-1)与Vo2(k)组合的状态变量(Vo2(k-1)，Vo2(l))的初始值。滑动模式控制操纵把点42所表示的状态变量置于线41上，然后再将它约束在线41上。按照这种滑动模式控制，由于把状态变量保持在转换线41上，所以可将状态变量高度稳定地聚集在相位平面的原点0，而不会受各种干扰等的影响。换句话说，通过像公式(13)所示的那样，关于这种没有输入的稳定系统限制状态变量(Vo2(k-1)，Vo2(k))，可使传感器输出误差Vo2聚集成0，而坚定地抵抗各种干扰和模拟的误差。

转换函数设定参数“s”是能够被可变地选择的参数。借助这个设定的参数“s”，能够限定传感器输出误差Vo2的减少(聚集)特性。

图8表示滑动模式控制规定灵敏度特性的一个实例。线43表示设定参数的值为“1”的情况。曲线44表示设定参数的值为“0.8”的情况。曲线45表示设定参数的值为“0.5”的情况。有如图中所见者，传感器输出误差Vo2的聚集率随设定参数的值“s”而变化。看到随着“s”的绝对值变得越小，聚集率变得越快。

确定三个控制的输入，使转换函数σ聚集到0。也就是，用以将状态变量限制在转换线上的控制输入Ueq、用以将状态变量置于转换线上的控制输入Urch，以及用以将状态变量置于转换线上同时抑制模式误差和控制的控制输入Uadp。对三个控制输入Ueq、Urch和Uadp求和，以确定所需误差Usl。利用该所需误差Usl计算空燃比误差kcmd。

等效的控制输入Ueq必须满足公式(14)，因为它是将状态变量抑制在转换线上的输入

σ(k+1)＝σ(k)    (14)

有如公式(15)所示者，由公式(9)和(12)确定满足σ(k+1)＝σ(k)的等效控制输入Ueq。

$\mathrm{Ueq}\left(K\right)=-\frac{1}{b1}[((a1-1)+s)\·\mathrm{Vo}2(K+d)+(a2-s)\·\mathrm{Vo}2(K+d-1)]---\left(15\right)$

有效法定输入(reaching law input)Urch的值与转换函数σ的值有关。按照公式(16)确定所述有效法定输入Urch。在本实施例中，有效法定输入Urch的值与转换函数σ的值成正比。Krch代表所述有效法定输入的反馈增益，采样模拟预先确定它，按照所述模拟，譬如考虑得到转换函数的值聚集到0(σ＝0)的稳定性和快速响应。

$\mathrm{Urch}\left(k\right)=-\frac{1}{b1}\·\mathrm{Krch}\·\mathrm{\σ}(k+d)---\left(16\right)$

自适应法定输入(adaptive law input)Uadp的值与转换函数σ的积分值有关。按照公式(17)确定所述自适应法定输入Uadp。在本实施例中，自适应法定输入Uadp与转换函数σ的积分值成正比。Kadp代表所述自适应法定输入的反馈增益，采样模拟预先确定它，按照所述模拟，譬如考虑得到转换函数的值聚集到0(σ＝0)的稳定性和快速响应。ΔT代表控制周期的时间。

$\mathrm{Uadp}\left(k\right)=-\frac{1}{b1}\·\mathrm{Kadp}\·\underset{i=0}{\overset{k+d}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\σ}\left(i\right)\·\mathrm{\ΔT})---\left(17\right)$

由于传感器输出误差Vo2(K+d)和kact(K+d-1)以及转换函数的值σ(K+d)都包含空载时间“d”，所以不能直接得到这些值。因此，利用由计算器33所产生的估算误差Vo2(K+d)和Vo2(K+d-1)确定所述等效控制输入Ueq。

$\mathrm{Ueq}\left(k\right)=-\frac{1}{b1}[((a1-1)+s)\·\stackrel{\‾}{\mathrm{Vo}2}(k+d)+(a2-s)\·\stackrel{\‾}{\mathrm{Vo}2}(k+d-1)]---\left(18\right)$

如公式(19)所示，利用由计算器33所产生的估算误差确定转换函数σ。

σ＝s·Vo2(k-1)+Vo2(k)    (19)

转换函数σ被用于确定有效法定输入Urch和自适应法定输入Uadp。

$\mathrm{Urch}\left(k\right)=-\frac{1}{b1}\·\mathrm{Krch}\·\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}(k+d)---\left(20\right)$

$\mathrm{Uadp}\left(k\right)=-\frac{1}{b1}\·\mathrm{Kadp}\·\underset{i=0}{\overset{k+d}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}\left(i\right)\·\mathrm{\ΔT})---\left(21\right)$

有如公式(22)所示者，使等效控制输入Ueq、有效法定输入Urch和自适应法定输入Uadp彼此相加，以确定所需误差Usl。

Usl(k)＝Ueq(k)+Urch(k)+Uadp(k)    (22)

限幅器35对所需误差Usl实行限幅处理，以确定空燃比误差kcmd。具体地说，如果所需误差Usl在可允许的范围内，则限幅器35将空燃比误差kcmd设定在所需误差Usl的值。如果所需误差Usl偏离可允许的范围，则限幅器35将空燃比误差kcmd设定在可允许范围的上限值或下限值。

如图3中的参考标号29所示，所示限幅器35所用的可允许范围被设定成它的中心几乎就位于窗口27内，而它的宽度比窗口27的宽度宽。实际是按照所需误差Usl、发动机的运行状态等建立所述可允许范围的。即使在催化剂转换器的净化能力偏离窗口27所示的最佳状态，所述可允许范围也有足够的宽度，使催化剂转换器能够快速地返回最佳状态，同时抑制可能是由于空燃比变化所引起的燃烧条件变化。因此，可使催化剂转换器的净化率保持在较高的水平，以减少废气中的有害物质。

具体地说，所述可允许范围根据所确定的所需误差Usl以变化的方式受到修正。例如，根据所述所需误差Usl的逸出量，所述可允许范围被展宽。另一方面，当所述所需误差Usl在所述可允许范围内时，该可允许范围就缩小。于是，设定能与所述所需误差Usl相适应的可允许范围，这设定了为使O₂传感器17的输出转换成目标值所需的空燃比。

此外，将所述可允许范围设定成随着O₂传感器17输出的不稳定程度变得较高而更窄。可以按照包括诸如发动机起始，即怠速状态的发动机运行状态和取消切断燃油来确立可允许的范围。

将所确定的空燃比误差kcmd与基准值FLAF/BASE相加，以确定目标空燃比KCMD。把目标空燃比KCMD给到排气系统19，或者说是被控制的目标，从而使得传感器的输出Vo2/OUT汇集到目标值Vo2/TARGET。

另外，在完成限幅处理之后，可由限幅器35按照滑动模式控制器34所确定的自适应法定输入Uadp设定所述空燃比的基准值FLAF/BASE。具体地说，将基准值FLAF/BASE初始化成理论配比空燃比。如果所述自适应法定输入Uadp超过预先确定的上限值，就使所述基准值FLAF/BASE增加预定的量。如果所述自适应法定输入Uadp低于预先确定的下限值，就使所述基准值FLAF/BASE减少一个预定的量。如果所述自适应法定输入Uadp在所述上限值与下限值之间，则保持所述基准值FLAF/BASE。如此设定的基准值FLAF/BASE被用于下一个控制周期。于是，所述基准值FLAF/BASE被调节成是目标空燃比KCMD的中心值。

通过结合上述限幅处理实行上述基准值FLAF/BASE的设定处理，使所需误差Usl的可允许范围被平衡于正负值之间。最好在确定所述O₂传感器17输出Vo2/OUT基本上汇集到目标值Vo2/TARGET，并且所述滑动模式控制处于稳定状态时，实行对所述基准值FLAF/BASE的设定处理。

空燃比控制流程

图9表示本发明一种实施例控制空燃比过程的流程图。在步骤S101，执行设定断油标志的过程(图10)。在步骤S102，确定是否允许识别器计算模式参数(图11)。

在步骤S103，检查F_IDCAL的值，在允许识别器计算时要将F_IDCAL设定为1。如果F_IDCAL＝1，则过程进到在步骤S104。在步骤S104中，识别器计算模式参数a1、a2和b1(图12)。如果F_IDCAL＝0，则过程跳过步骤S104。

在步骤S105，计算器利用在步骤S104计算的模式参数，按上述公式(11)确定所述估算的误差Vo2。

在步骤S106，按上述公式(18)-(21)确定所述转换函数σ、等效控制输入Ueq、自适应法定输入Uadp和有效法定输入Urch。按公式(22)确定控制输入Usl。

在步骤S107，限幅器对控制输入Usl实行上述限幅过程，以确定目标空燃比误差kcmd。

图10表示图9的步骤S101中所实行的设定断油标志过程的流程图。在步骤S111，确定是否正在进行断油操作。如果正在实行断油操作，则将断油标志F_FC设定为1(S112)。如果并非正在实行断油操作，则将断油标志F_FC设定为0(S113)。

在步骤S114，确定是否在断油操作终止之后已经过去一段预定的时间。如果尚未过去所述的预定时间，则将断油后标志F_AFC设定为1(S115)。如果已经过去所述的预定时间，则将断油后标志F_AFC设定为0(S116)。

图11表示图9的步骤S102中所实行的确定是否允许识别器计算模式参数过程的流程图。在步骤S121，检查断油标志F_FC的值。如果F_FC＝1，则过程进到步骤S124，将允许标志F_IDCAL设定为0，表示不允许识别器计算模式参数。因此，当正在实行断油操作时，停止由识别器计算所述模式参数。

在步骤S122，检查断油后标志F_AFC的值。如果F_AFC＝1，则过程进到步骤S124，将允许标志F_IDCAL设定为0，表示不允许识别器计算模式参数。因此，在断油操作停止后的一段预定的时间内，停止由识别器计算所述模式参数。

在步骤S123，检查标志F_RQIDST的值。所述标志F_RQIDST是当发动机起动之后立刻被投入以贫空燃比运行(下称“稀发动机运行”)时要被设定为1的标志。当使发动机投入运行用以提高燃油效率时，也将标志F_RQIDST设定为1。当正在实行所述稀发动机运行时，以及在稀发动机运行停止后的一段预定时间内，使F_RQIDST的值保持为1。当自所述稀发动机运行终止起已经过去了所述的预定时间时，将F_RQIDST的值重置为0。

如果F_RQIDST＝1，则过程进到步骤S124。将允许标志F_IDCAL设定为0，表示不允许识别器计算模式参数。因此，当发动机正在以贫空燃比运行以及在发动机停止以贫空燃比运行后的一段预定时间内，停止由识别器计算所述模式参数。

如果确定步骤S121至S123各步的答案都“NO”，则将允许标志F_IDCAL设定为1(S125)。

图12表示图9的步骤S104中所实行的计算模式参数过程的流程图。

在步骤S131，检查重设标志f/id/reset的值。所述重设标志f/id/reset是在确定要使识别器被初始化时要被设定为1的标志。例如，当未启动O₂传感器或全范围空燃比传感器(LAF传感器)时，或者当发动机处于它的点火正时被控制成滞后于在发动机起动之后催化剂立刻起作用的运行状态时，把重设标志f/id/reset设定为1。

如果重设标志f/id/reset的值是1，则在步骤S132时使识别器被初始化。特别是将每个模式参数

和

设定为预定的初始值。将如公式(5)至(8)所述的用于计算所述模式参数的矩阵P的每个元素设定为预定的初始值。在步骤S132，把重设标志f/id/reset设定为0。

如果重设标志f/id/reset的值不是1，则过程进到步骤S133，其中按照上述公式(3)计算当前周期的

过程进到步骤S134，其中按照上述公式(7)确定矢量Kθ(k)。在步骤S135，按照上述公式(4)确定识别误差id/e(k)。

排气系统具有低通特性。最好是于考虑排气系统在低频区域的行为的同时识别各模式参数a1、a2和b1。也就是说，最好对由公式(4)所得到的值“Vo2-Vo2”采用低通滤波处理，以确定所述识别误差id/e。另外，也可对传感器输出误差Vo2和传感器输出误差Vo2中的每一个采用低通滤波处理。通过从经低通滤波的Vo2减去低通滤波的Vo2，确定所述识别误差id/e。

在步骤S136，利用步骤S134中所确定的矢量Kθ和步骤S135中所确定的识别误差id/e，按照公式(6)确定矢量θ(k)。从而确定当前周期的模式参数

和

在步骤S137，使在步骤S136确定的各模式参数的值受到限定，以便减小目标空燃比KCMD中的高频变量。在步骤S138，按照上述公式(8)计算下一个控制周期中所用的矩阵P(k)。

图13表示本发明一种实施例在稀发动机运行期间或者稀发动机运行之后一段时间内，来自O₂传感器的输出Vo2/OUT、模式参数a1和a2、目标空燃比KCMD、实际空燃比KACT，以及排气中有害物质HC和NOx含量的变化情况。

在稀发动机运行期间(t1-t2)和在稀发动机运行停止之后的一段预定期间(t2-t4)，停止由识别器计算各模式参数。在从t1到t4期间，模式参数a1、a2和b1中的每一个(b1未示出)都保持在在时间t1之前最后算得的值，在所述时间t1开始稀发动机运行。在从t1到t4期间，利用所保持的模式参数a1、a2和b1连续计算目标空燃比KCMD。

在t1到t2期间，O₂传感器的输出Vo2/OUT和实际空燃比KACT都表现出贫空燃比。由于是贫空燃比，所以目标空燃比KCMD表现出大于1的值。在稀发动机运行期间，不实行上述把空燃比汇集到目标空燃比KCMD的自适应空燃比控制。

在时间t2终止所述稀发动机运行。开始上述自适应空燃比控制。计算目标空燃比KCMD，以使来自O₂传感器的输出Vo2/OUT汇集到目标值Vo2/TARGET。在从t2到t3期间，目标空燃比KCMD表现富空燃比，这引起空燃比从贫空燃比一侧迅速返回。如图14的比较所见者，由于不把目标空燃比KCMD设定为贫空燃比，就能避免所述空燃比被进一步向着贫空燃比操纵，从而减少了NOx的排放量。

在从t3到t4期间，目标空燃比从富变到贫，这使得加浓的空燃比汇集到目标值。有如与图14比较所看到的，由于不使目标空燃比KCMD向着富空燃比侧变化，就能避免富空燃比被进一步操纵向着富的一侧，从而减少HC的排放量。在时间t4，开始由识别器计算模式参数。

于是，由于在时间t1到t4期间停止由识别器计算模式参数，各模式参数中不会发生偏差。从稀发动机运行终止的时间可以计算适宜的目标空燃比KACT。

上述自适应空燃比利用上一周期确定的目标空燃比KCMD、O₂传感器输出Vo2/OUT和实际空燃比KACT，去确定控制输入Usl。由于在t1到t4期间连续计算适宜的目标空燃比KCMD，因此，可以从稀发动机运行终止终止的时间稳定地实行这样的适宜空燃比控制。

上述各实施例中，将滑动模式控制用作自适应空燃比控制。作为选择，也可将其它规定灵敏度控制用作所述自适应空燃比控制。

可将本发明用于要在船用推进机器，如外装马达的发动机，其中沿垂直方向安装曲轴。

Claims (12)

1.一种用于控制内燃机空燃比的控制器，它包括：

排气传感器，用于检测废气中的氧浓度；

识别器，根据排气传感器的输出，计算通过空燃比控制受到控制的目标模式的模式参数，所述被控制的目标包含发动机的排气系统；

控制单元，它被构造成：

利用所述模式参数确定目标空燃比，使排气传感器的输出汇集成目标值；

根据所述目标空燃比控制空燃比；

当发动机以贫空燃比运行时，以及在发动机停止以贫空燃比运行之后的一段预定的期间，控制单元停止识别器计算模式参数；以及

在识别器停止期间，继续用发动机开始以贫空燃比运行之前由识别器最后计算的模式参数确定目标空燃比。

2.如权利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述控制单元还被构造成：在实行停止把燃料供送给发动机的断油运行时，以及在停止断油运行之后的一段预定时间内停止识别器计算模式参数。

3.如权利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述发动机以贫空燃比运行，以提高燃料的效率；或者减少在发动机一旦起动之后排气中所含有害物质的量。

4.如权利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述控制单元还被构造成实行规定灵敏度控制，以控制空燃比。

5.如权利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述排气系统从空燃比传感器通过催化剂转换器延伸到排气传感器；所述空燃比传感器设于催化剂转换器的上游侧；所述排气传感器通常设于催化剂转换器的下游侧。

6.如权利要求5所述的空燃比控制器，其中，将所述排气系统设计成使设计模式的控制输入是空燃比传感器的输出，而设计模式的控制输出是排气传感器的输出。

7.一种控制内燃机空燃比的方法，包括如下步骤：

接收检测废气中氧浓度之排气传感器的输出；

根据排气传感器的输出，计算通过空燃比控制而受到控制的目标模式的模式参数，所述被控制的目标包含发动机的排气系统；

利用所述模式参数确定目标空燃比，使排气传感器的输出汇集成目标值；

根据所述目标空燃比控制空燃比；

当发动机以贫空燃比运行时，以及在发动机停止以贫空燃比运行之后的一段预定的期间，停止计算模式参数；以及

在停止计算模式参数期间，继续用发动机开始以贫空燃比运行之前最后计算的模式参数确定目标空燃比。

8.如权利要求7所述的方法，其中，还包括步骤：

在实行停止把燃油供送给发动机的断油运行时，以及在停止断油运行之后的一段预定时间内停止计算模式参数。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述发动机以贫空燃比运行，以提高燃料的效率；或者减少在发动机一旦起动之后排气中所含有害物质的量。

10.如权利要求7所述的方法，其中，还包括实行规定灵敏度控制，以控制空燃比的步骤。

11.如权利要求7所述的方法，其中，所述排气系统从空燃比传感器通过催化剂转换器延伸到排气传感器；所述空燃比传感器设于催化剂转换器的上游侧；所述排气传感器通常设于催化剂转换器的下游侧。

12.如权利要求11所述的方法，其中，将所述排气系统设计成使设计模式的控制输入是空燃比传感器的输出，而设计模式的控制输出是排气传感器的输出。

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