CN101326356B - 用于内燃发动机的空燃比控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

当内燃发动机(10)运转于稳定状态时选择目标气缸(#3)。目标气缸(#3)的燃料喷射量逐渐地增加或降低，并且其它气缸(#1、#2、#4)的燃料喷射量以相反的方式降低或增加相应的量，使得内燃发动机(10)的总空燃比不变。在此期间，检测排气中的氢含量并且存储氢含量最低时的喷射比作为每个气缸的最优喷射比。然后，以每个气缸的最优喷射比将燃料喷射到每个气缸中。

Description

用于内燃发动机的空燃比控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于内燃发动机的空燃比控制装置和空燃比控制方法。

背景技术

必需精确地控制内燃发动机中的空燃比以使排气控制催化剂能够有效地净化排气。为了控制空燃比，基于由空气流量计等检测出的进气量计算待喷射的燃料量。另外，也通过基于设置在排气通道中的空燃比传感器的输出调整燃料喷射量来反馈控制空燃比。

如上所述的空燃比控制的确使得整个内燃发动机的空燃比能够被精确地控制。但是，即使能够获得用于整个内燃发动机的期望空燃比，但是当考虑各个气缸时，由于例如进气特性和燃料喷射阀的喷射特性的不同，气缸之间也会发生空燃比差异。

如果气缸之间存在空燃比差异，则即使整个内燃发动机的空燃比为化学计量空燃比，排气排放劣化。并且，如果气缸之间存在空燃比差异，则每个气缸中产生的扭矩将会不同，其可能导致扭矩波动。从而，期望检测并校正气缸之间的任意空燃比差异。

用于检测气缸之间空燃比差异的一个可以想到的方法是在每个气缸中设置检测排气空燃比的空燃比传感器。但是，采用这种方法大大地增加成本，因为其需要与气缸数量相同的空燃比传感器。

日本专利No.2689368描述了一种装置，其在排气系统的合并部中设置有单个宽量程空燃比传感器，模拟空燃比传感器检测从每个气缸排放的排气所用的时间，并且通过观测器估算每个气缸的空燃比。

根据上述日本专利No.2689368所述的估算每个气缸的空燃比的装置，能够通过单个空燃比传感器估算多个气缸中的每一个的空燃比。但是，当应用该文献中所述的装置时存在各种限制。

一个限制是其需要从每个气缸到空燃比传感器的气体传递延迟为恒定的延迟。因此，每个气缸的排气歧管的长度必需一致。设计一种实际的歧管形状使其满足这种限制非常困难。特别地，使V型发动机中每个气缸的排气歧管的长度一致在结构上来说几乎是不可能的。

另一个限制是来自每个气缸的排气必需在尽可能不与来自其它气缸的排气混合的状态下经过空燃比传感器。因此，能够安装空燃比传感器的位置限制在排气系统的合并部(结合部)。

第三个限制是空燃比传感器必需对来自每个气缸的、以极短的时间间隔流动的排气敏感。即，空燃比传感器必需具有极好的(即快的)敏感度。

如上所述的各种限制使得在现实中极难改制出如前述文献中所述估算每个气缸的空燃比的装置。

发明内容

本发明的目的是提供用于内燃发动机的几乎没有设计限制的空燃比控制装置和空燃比控制方法，其可以通过简单的结构精确地校正在具有多个气缸的内燃发动机中的气缸之间的空燃比差异。

本发明的第一方面涉及一种内燃发动机的空燃比控制装置。此装置包括氢传感器、多个燃料喷射部、喷射比改变部以及喷射比校正部。所述氢传感器设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下游，并且根据排气中的氢含量产生输出。所述多个燃料喷射部设置在所述多个气缸的每一个内。当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷射比改变部通过控制所述多个燃料喷射部来执行用于随时间改变所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比的喷射比改变过程，同时保持所述空燃比不变。所述喷射比校正部基于执行所述喷射比改变过程时所述氢传感器的输出通过控制所述多个燃料喷射部来校正所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，使得排气中的氢含量变得低于执行所述喷射比改变过程之前的排气中的氢含量。

根据此结构，能够检测混合排气——其为来自多个气缸的排气的混合物——中的氢含量，并且能够校正每个气缸的燃料喷射比以减少氢含量。内燃发动机的排气的一个特点在于：如果气缸间的空燃比差异较小，则混合排气中的氢含量降低。因此，此结构能够通过校正每个气缸中的燃料喷射比精确地校正气缸间的空燃比差异以降低混合排气中的氢含量。而且，根据此结构，仅需为多个气缸设置一个氢传感器和一个空燃比传感器，这有效地减少了费用。另外，不存在对于排气歧管的形状或氢传感器的灵敏度的设计限制，这使得此结构易于实施。

在前述第一方面中，所述喷射比校正部可包括存储部和校正部，所述存储部将在所述喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气缸的最优喷射比，所述校正部在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比校正至用于各气缸的所述最优喷射比。

根据此结构，将在喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气缸的最优喷射比。在喷射比改变过程结束后，可将气缸间每个气缸中的当前燃料喷射比校正至用于各气缸的最优喷射比。因此，能够更精确地校正气缸间的空燃比差异。

在前述第一方面中，在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部可以预定方式逐渐改变从所述多个气缸中选择的单个目标气缸的燃料喷射量，并且以与改变所述目标气缸的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之外的气缸的燃料喷射量，使得所述多个气缸的总空燃比保持不变。

根据此结构，从多个气缸中选择的单个目标气缸的燃料喷射量逐渐地改变(即增加或减少)，而其它气缸的燃料喷射量以与改变目标气缸的燃料喷射量相反的方式改变(即减少或增加)，使得内燃发动机的总空燃比保持不变。从而，可以为每个气缸找到更精确的最优喷射比。因此，能够以特别高的精度校正气缸间的空燃比差异。

在前述第一方面中，所述喷射比改变部可具有模式存储部，在所述模式存储部中预先存储有所述多个气缸间的燃料喷射比的多个模式，并且在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部可从所述多个模式中依次选择一个模式并将所选择的模式应用于当前燃料喷射比。

根据此结构，当执行喷射比改变过程时，依次地从预先存储的多个燃料喷射比模式中选择一个模式，并且将其应用于当前燃料喷射比。因此，能够迅速找到最优喷射比。

在前述第一方面中，所述空燃比控制装置还可包括：许可部，其许可执行所述喷射比改变过程；并且当基于所述氢传感器的输出值的氢含量同对应于所述多个气缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含量相比为高时，所述许可部能够许可执行所述喷射比改变过程。

根据此结构，仅当由氢传感器检测到的氢含量高于对应于气缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含量时才许可喷射比改变过程。因此，当起初气缸间不存在空燃比差异时，可避免校正控制，从而防止不必要地执行校正控制。

在前述第一方面中，所述空燃比控制装置还可包括：传感器故障判定部，其在已由所述喷射比校正部执行了喷射比校正之后所述氢传感器的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器发生故障。

根据此结构，可以在执行了喷射比校正之后氢传感器的输出值落在预定正常范围之外时判定氢传感器的输出值存在故障。因此，当氢传感器发生故障时，该故障能够被迅速检测到并且采取适当的措施，例如提醒驾驶员检查发动机。

本发明的第二方面还涉及一种内燃发动机的空燃比控制装置。此装置包括氢传感器、差异校正部和传感器故障判定部。所述氢传感器设置在多个气缸的排气通道合并部的下游，并且根据排气中的氢含量产生输出。所述差异校正部基于来自所述氢传感器的输出执行差异校正控制以校正所述多个气缸之间的空燃比差异。所述传感器故障判定部在已执行了所述差异校正控制之后所述氢传感器的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器发生故障。

根据此结构，可通过氢传感器检测混合排气——其为来自多个气缸的排气的混合物——中的氢含量，并且可基于该氢传感器的输出校正气缸间的空燃比差异。而且，根据此结构，仅需为多个气缸设置单个氢传感器，这有效地减少了费用。另外，不存在对于排气歧管的形状或氢传感器的灵敏度的设计限制，这使得此结构易于实施。此外，根据此结构，当已执行了校正空燃比差异的控制之后氢传感器的输出值不落在预定正常范围内时，能够判定氢传感器中发生了故障。

本发明的第三方面涉及一种内燃发动机的空燃比控制方法。此方法包括如下步骤：利用设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下游的氢传感器根据排气中的氢含量产生输出；执行喷射比改变过程，当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷射比改变过程通过控制设置在所述多个气缸的每个气缸中的多个燃料喷射部来随时间改变所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，同时保持所述空燃比不变；以及基于执行所述喷射比改变过程期间所述氢传感器的输出，通过控制所述多个燃料喷射部来校正所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，使得排气中的氢含量变得低于执行所述喷射比改变过程之前的排气中的氢含量。

在前述第三方面中，空燃比控制方法还可包括如下步骤：将在所述喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气缸的最优喷射比；以及在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比校正至用于各气缸的所述最优喷射比。

在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤：在所述喷射比改变过程中，以预定方式逐渐改变从所述多个气缸中选择的单个目标气缸的燃料喷射量，并且以与改变所述目标气缸的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之外的气缸的燃料喷射量，使得所述多个气缸的总空燃比保持不变。

在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤：预先存储所述多个气缸间的燃料喷射比的多个模式；以及在所述喷射比改变过程中，从所述多个模式中依次选择一个模式并且将所选择的模式应用到当前燃料喷射比。

在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤：当基于所述氢传感器的输出值的氢含量同对应于所述多个气缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含量相比为高时，许可执行所述喷射比改变过程。

在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤：在已执行了所述喷射比校正之后所述氢传感器的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器发生故障。

本发明的第四方面还涉及一种内燃发动机的空燃比控制方法。此方法包括如下步骤：利用设置在多个气缸的排气通道汇合部的下游的氢传感器根据排气中的氢含量产生输出；基于来自所述氢传感器的输出执行差异校正控制以校正所述多个气缸间的空燃比差异；以及在已执行了所述差异校正控制之后所述氢传感器的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器发生故障。

附图说明

参照附图，根据如下对本发明优选实施方式的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得明显，图中相同的标记用以表示相同的元件，并且图中：

图1是根据本发明第一实施方式的系统的结构的示意图；

图2是以框图形式示出的图1所示系统中的内燃发动机的俯视图；

图3是示出来自内燃发动机的氢的排放特性的曲线图；

图4是示出混合排气中的氢含量和气缸间空燃比差异程度之间的关系的曲线图；

图5是示出根据第一实施方式的喷射比改变过程的方法的示意图；

图6是说明本发明第一实施方式中执行的程序的流程图；

图7是本发明第一实施方式中执行的子程序的流程图；

图8A和8B是根据本发明第二实施方式的喷射比映射的示例图；

图9是说明本发明第二实施方式中执行的程序的流程图；

图10是说明本发明第三实施方式中执行的程序的流程图；以及

图11是以框图形式示出的V型八缸内燃发动机的俯视图。

具体实施方式

现在将描述本发明的第一实施方式。首先将描述根据第一实施方式的系统的结构。图1是示出根据本发明第一实施方式的系统的结构的视图。图2是以框图形式示出图1所示系统中的内燃发动机的俯视图。如图1中所示，此实施方式中的系统包括具有多个气缸的四冲程内燃发动机10。图1示出这些气缸之一的截面图。在下面的描述中，内燃发动机10是直列四缸发动机，其具有标为#1、#2、#3和￥4的四个气缸。

内燃发动机10的每个气缸都设置有进气口11和排气口12。每个气缸的进气口11都经由未图示的进气歧管与单个进气通道13连通。而且，如图2中所示，每个气缸的排气口12经由排气歧管15与单个排气通道14连通。

空气流量计16设置在进气通道13中。此空气流量计16检测流到进气通道13中的空气的量，即流到内燃发动机10中的进气的量。节气门18设置在空气流量计16的下游。此节气门18是电动控制的节气门，其基于加速器压下量等由节气门马达20驱动。检测节气门打开量的节气门位置传感器22设置在节气门18附近。加速器压下量由设置在加速器踏板附近的加速器位置传感器24检测。

用于喷射例如汽油的燃料的燃料喷射阀26设置在每个气缸的进气口11中。内燃发动机10并不限于如图中所示的进气口喷射发动机。其也可以是缸内喷射发动机，其中燃料被直接喷射到气缸中。另外，也可以结合进气口喷射和缸内喷射。

此外，进气门28、排气门29以及用于点燃燃烧室内的空气-燃料混合物的火花塞30设置在每个气缸内。

用于检测曲轴36的旋转角的曲轴转角传感器38设置在内燃发动机10的曲轴36附近。曲轴转角传感器38是曲轴每次旋转预定旋转角时在高输出和低输出之间切换的传感器。能够根据曲轴传感器38的输出检测曲轴的旋转位置以及发动机转速NE等。

净化排气的催化剂42设置在内燃发动机10的排气通道14中。空燃比传感器44和氢传感器46设置在催化剂的上游。空燃比传感器44是输出指示经过空燃比传感器44的位置的排气的空燃比的信号的传感器。氢传感器46是输出指示经过氢传感器46的位置的排气中的氢(H₂)含量的信号的传感器。

如图2中所示，空燃比传感器44和氢传感器46设置在排气歧管15的结合部(合并部)的下游。排气是从每个气缸排放的排气的均匀混合物，其经过设置有空燃比传感器44和氢传感器46的位置。下文将气体——该气体为从每个气缸排放的排气的混合物——称为“混合排气”。

而且，图1中所示的系统包括ECU(电子控制单元)50，上述的各个传感器和致动器连接至所述电子控制单元。ECU 50能够基于这些传感器的输出控制内燃发动机的10的运转状态。

在此将描述第一实施方式的特征。首先将描述氢气的排放特征。通常，通过燃料和空气之间的燃烧反应在内燃发动机的排气中产生氢气。图3示出来自内燃发动机的氢的排放特征。在图3中，横轴代表为燃烧所提供的空气-燃料混合物的空燃比，而竖轴代表排气中的氢含量。如图中所示，排气中的氢含量在化学计量空燃比的稀侧上接近于零，并且在空燃比相对于化学计量空燃比较浓时迅速增加。

接下来将描述根据第一实施方式的总空燃比控制。本实施方式的系统能够基于由空气流量计16检测到的进气量计算获得理想空燃比所需的燃料喷射量。另外，能够通过基于由空燃比传感器44检测到的空燃比调节燃料喷射量来反馈控制空燃比。这种控制使得能够精确地控制整个内燃发动机10的空燃比(下文简称为“总空燃比”)。在控制总空燃比时，通常将总空燃比控制为化学计量空燃比，从而使催化剂42有效地净化排气。在下面的描述中，ECU 50控制总空燃比使得其等于化学计量空燃比。

接下来将描述气缸之间的空燃比差异。如上所述，在此实施方式中，能够将总空燃比精确地控制为化学计量空燃比。但是，在具有多个气缸的内燃发动机10中，进气管的长度和形状通常并非完全相同，因此所有气缸中的缸内进气量并不完全相同。而且，燃料喷射阀26特征的各不相同导致了所有气缸的燃料喷射量并不完全相同。因此，即使将总空燃比控制为化学计量空燃比，气缸间通常仍然存在一些空燃比差异。在本实施方式中，可基于氢传感器46的输出降低气缸之间的空燃比差异，如下文所述。

图4是示出混合排气中的氢含量和气缸间空燃比差异程度之间的关系的曲线图。如上所述，在此实施方式中，氢传感器46能够检测混合排气——其为来自所有气缸的排气的组合——中的氢含量。

当将总空燃比控制为化学计量空燃比时，如果各气缸间存在空燃比差异，则一些气缸中的空燃比将为稀(此处这些气缸也可以称为“稀气缸”)，而其它气缸中的空燃比将为浓(此处这些气缸也可以称为“浓气缸”)。氢从那些具有浓空燃比的气缸中排放出。因此，在此情况下，因为混合排气含有一定量的氢，所以由氢传感器46检测到的氢含量也一定程度地增加。气缸间空燃比差异程度越大，则浓气缸变得越浓。因此，氢的排放量进一步增加，从而增加混合排气中的氢含量。

相反，当总空燃比控制为化学计量空燃比并且气缸间不存在空燃比差异时，即当从所有气缸排放出的排气的空燃比均正确地等于化学计量空燃比时，几乎没有任何气缸排放氢。因此，在这种情况下，混合排气中的氢含量应当极低。

从上面可以得出如下的关系，如图4中所示：气缸间空燃比差异程度越大，则混合排气中的氢含量增加。使用此关系，可以搜索气缸间空燃比差异为低的状态。即，在稳定运转期间，在维持总空燃比处于化学计量空燃比的同时，每个气缸中的燃料喷射量的比率逐渐地改变。此过程将被称作“喷射比改变过程”。在执行此喷射比改变过程的同时，通过氢传感器46持续地检测氢含量。当检测到最低氢含量时的喷射比被确定为气缸间空燃比差异最少的喷射比。

图5是说明本实施方式中喷射比改变过程的方法的图。图5A中的条形图示出喷射比改变过程之前、期间和之后每个气缸#1至#4中的燃料喷射量。同时，图5B示出在执行喷射比改变过程期间气缸的空燃比变化。图5C示出在执行喷射比改变过程期间混合排气中氢含量的改变。

在此实施方式的喷射比改变过程中，选择任一的气缸(此选择的气缸下文中也可称为“目标气缸”)，并且然后该气缸的燃料喷射量逐渐增加或降低。同时，其它气缸的燃料喷射量降低或增加以保持总空燃比不变。

如图5A至5C中所示的示例示出#3气缸为目标气缸的情况。在此，如图5A中左侧的条形图所示，在喷射比改变过程开始之前，#3气缸的燃料喷射量增加超过化学计量空燃比的大小，而#1、#2、和#4气缸的燃料喷射量降到比化学计量空燃比低一个相应的量，使得低于化学计量空燃比的#1、#2和#4气缸的燃料喷射量的降低量之和等于高于化学计量空燃比的#3气缸的燃料喷射量的增加量。为了简化描述，使得#1、#2和#4气缸的燃料喷射量全部相同。在过程开始执行之前，#3气缸的燃料喷射量比#1、#2和#4气缸的燃料喷射量大预定的量“D”。

在过程开始之前，仅有#3气缸是浓的，如图5B中所示，因此氢从该#3气缸中排放。因此，混合排气中的氢含量较高，如图5C中所示。

从这个状态，#3气缸的燃料喷射量逐渐降低，并且#1、#2和#4气缸的燃料喷射量各增加#3气缸燃料喷射量的降低量的三分之一。因此，总燃料喷射量保持不变，使得总空燃比也保持不变。

当每个气缸的燃料喷射量以上述的方式逐渐改变时，#3气缸的空燃比趋近化学计量空燃比，如图5B中所示。因此，从#3气缸排放的氢的量降低。另一方面，#1、#2和#4气缸仍然为稀，并且从而几乎不排放氢。因此，随着从#3气缸排放的氢的量降低，混合排气中的氢含量降低。

当#3气缸的燃料喷射量与#1、#2和#4气缸的燃料喷射量变得相等时，所有气缸都处于化学计量空燃比，如图5A中部的条形图所示。此时，几乎没有氢从任意气缸中排放出，因此混合排气中的氢含量最低。

如果每个气缸的燃料喷射量都改变越过此状态，则#3气缸的燃料喷射量变得少于化学计量空燃比的大小，而#1、#2和#4气缸的燃料喷射量变得大于化学计量空燃比的大小。当这种情况发生时，氢开始从#1、#2和#4气缸排放出，因此混合排气中的氢含量反过来开始增加。

一旦#3气缸的燃料喷射量的改变比达到预定值，则上述的喷射比改变过程结束。当程序结束时，#3气缸的燃料喷射量比#1、#2和#4气缸的燃料喷射量少一个等于“D/3”的量，如图5C右侧的条形图所示。

如上所述，喷射比改变过程期间当混合排气中的氢含量最小时的喷射比对应于气缸间的空燃比差异最小处的喷射比。因此，在此实施方式中，存储当混合排气中的氢含量最小时的每个气缸的燃料喷射量的比(下文称为“最优喷射比”)。在喷射比改变过程结束后，每个气缸的当前燃料喷射比被校正到所存储的最优喷射比。因此，能够校正气缸间的空燃比差异。

在图5A至5C所示的示例中，在喷射比改变程序开始之前，#1、#2和#4气缸的燃料喷射量都是相等的。因此，通过仅以#3气缸为目标气缸来执行喷射比改变过程，气缸间的空燃比差异能够减小到几乎为零。相反，当喷射比改变过程开始之前每个气缸的燃料喷射量不同时，通过依次地将每个气缸选为目标气缸来执行喷射比改变过程，气缸间的空燃比差异能够降低到几乎为零。

接下来将描述第一实施方式中的详细程序。图6和7是本实施方式中由ECU 50执行、从而实现前述功能的程序的流程图。当喷射比校正所需的标记——其将在下文描述——打开时，执行图6中所示的程序。

根据图6中所示的程序，首先判定内燃发动机10是否稳定地运转(步骤100)。更具体地，判定发动机速度NE、负载系数(空气量)和控制目标空燃比中的每一个随时间的改变是否落在基本可看作恒定的预定范围内。可基于节气门打开量或进气管负压计算负载系数。

在内燃发动机10的过度运转期间，空燃比易于瞬地改变，因此这并不是执行用于校正气缸间空燃比差异的控制的适当时间。因此，当在步骤100中判定内燃发动机10不是稳定运转时，不执行校正空燃比差异的控制，并且所述程序的这个循环直接结束。

另一方面，如果在步骤100中判定内燃发动机10稳定地操作，则然后空燃比传感器44检测总空燃比并且氢传感器46检测混合排气中的氢含量(步骤102)。

接下来，判定在步骤102中检测到的氢含量是否超过用于步骤102中检测到的总空燃比的容许氢含量(步骤104)。在此，容许氢含量是与气缸间空燃比差异程度的许可极限相对应的氢含量值。此容许氢含量根据总空燃比的值而不同。限定总空燃比值和与该总空燃比值相对应的容许氢含量之间关系的映射或运算表达式存储在ECU 50中。在获取用于所检测到的总空燃比的容许氢含量之后，参考该映射或运算表达式在步骤104中做出上述判定。

如果在步骤104中由氢传感器46检测到的氢含量等于或少于容许氢含量，则能够判定气缸间的空燃比差异程度即使在当前状态下也落在许可极限内。在这种情况下，不需要执行控制来校正空燃比差异，因此程序的这个循环直接结束。另一方面，如果所检测到的氢含量超过容许氢含量，则执行控制以校正喷射比(下文也称为“喷射比校正控制”)以校正气缸间的空燃比差异(步骤106)。

在步骤106中，执行图7中示出的子程序。首先，选择喷射比改变过程的目标气缸(步骤110)。更具体地，例如，如果喷射比改变过程要以从#1气缸到#4气缸的顺序执行，则首先选择#1气缸。然后，在下一循环的步骤110中，选择#2气缸，如此等等。

同时，如果在最后循环期间中断校正空燃比差异的控制、并因此没有完成，则在下一循环中可首先选择控制中断时作为目标气缸的气缸。

接下来以在步骤110中选择的气缸作为目标气缸搜索最优喷射比(步骤112)。在步骤112中，首先执行喷射比改变过程。此喷射比改变过程是一种与参照图5A至5C描述的类似的过程。即，目标气缸的燃料喷射量逐渐改变，而其它气缸的燃料喷射量以相反的方式改变，从而保持总空燃比(即总燃料喷射量)不变。

此时，目标气缸的燃料喷射量的改变范围(下文称为“搜索范围”)是以搜索开始之前的燃料喷射量为中心的预定范围(例如在±5％范围内)。预定范围根据假定的空燃比差异程度预先设定。替代地，可以在搜索开始之前从检测到的氢含量估算空燃比差异程度，且目标气缸的燃料喷射量可在包括该空燃比差异程度的范围内改变。

目标气缸的燃料喷射量以上述方式逐渐改变的同时，氢传感器46持续地检测氢含量并且在步骤112中存储当氢含量最低时的目标气缸喷射比。

接下来，判定在步骤112中存储的喷射比是否与搜索范围的上限或下限中的任一个相对应(步骤114)。如果该判定是肯定的，则能够判定氢含量最少的最优喷射比落在搜索范围之外。因此，在这种情况下，搜索范围偏移，并且重新搜索最优喷射比，就像在步骤112中一样(步骤116)。例如，如果最后的搜索范围是±5％的范围并且氢含量最小的喷射比与该搜索范围的上限值(+5％)对应，则在步骤116中新的搜索范围设为+5％到+15％。相反，如果氢含量最小时的喷射比对应于搜索范围的下限值(-5％)，则新的搜索范围设为-5至-15％。

当执行步骤116时——即重复搜索最优喷射比时，重新执行步骤114。即，在最优喷射比的重新搜索中，判定针对最小氢含量存储的喷射比是否对应于搜索范围的上限或下限中的任一个。

另一方面，如果在步骤114中判定针对最小氢含量存储的喷射比不对应于搜索最优喷射比时的搜索范围的上限或下限中的任一个，则可以判定所存储的喷射比是最优喷射比。因此，在这种情况下，用于每个气缸的当前喷射比校正到最优喷射比(步骤118)。此步骤实现了最优喷射比，并且从而降低了气缸间的空燃比差异。

接下来，判定在最优喷射比搜索中发现的氢含量最小值是否等于或小于容许氢含量(步骤120)。此容许氢含量是与上文参照步骤104所描述相同的值。

如果在步骤120中氢含量最小值超过容许氢含量，则可以判定气缸间的空燃比差异仍然落在许可极限之外。在这种情况下，则然后判定所有气缸的最优喷射比搜索和喷射比校正是否已经结束(步骤122)。如果仍然有气缸尚未被指定为目标气缸，则再次执行步骤110和其后的步骤。因此，以剩余气缸之一作为目标气缸执行另一最优喷射比搜索和喷射比校正。

另一方面，如果在步骤120中判定氢含量最小值等于或小于容许氢含量，则可以判定气缸间的空燃比差异已经被校正到等于或小于许可极限。在这种情况下，没有必要将其余气缸指定为目标气缸执行最优喷射比搜索，因此喷射比校正控制的这个循环结束(步骤124)。另外，当在步骤122中判定所有气缸的最优喷射比搜索和喷射比校正均已结束时，则不再需要另外的喷射比校正，因此喷射比校正控制的这个循环结束(步骤124)。

一旦喷射比校正控制结束，则喷射比校正需求标记关闭(步骤126)。喷射比校正需求标记在预定的时间后(例如在行驶预定的距离后)通过另一程序中的步骤重新打开。当喷射比校正需求标记打开时，允许执行图6中所示的程序。这使得喷射比校正控制适时地而不会不必要地执行。

在此实施方式中，执行类似于上述的喷射比校正控制使得气缸间的空燃比差异能够减小，因此改善了排气排放。

特别地，在此实施方式中，在气缸被逐个地指定为目标气缸时搜索另一气缸的最优喷射比使得能够精确地校正气缸间的空燃比差异。

在上述的第一实施方式中，步骤112中的喷射比改变过程也可以看作“喷射比改变部”，且步骤112中存储最优喷射比的过程和步骤118中的过程也可以看作“喷射比校正部”。

同时，在上述的第一实施方式中，步骤114中的过程可以看作“喷射比存储部”，步骤118中的过程可以看作“校正部”，且步骤104中的过程可以看作“许可部”。

接下来将参照图8A、8B和9来描述本发明的第二实施方式。下面的描述将集中在与上述实施方式之间的不同之处，因此相同的部分将被省略或简化。根据本实施方式的系统能够通过执行如图6和9中所示的程序的ECU 50来实现，这将在后面使用图1和2所示的硬件结构进行描述。

本实施方式与第一实施方式的不同在于执行喷射比改变过程的方式。在本实施方式中，当搜索最优喷射比时，每个气缸的喷射比根据规定了多个喷射比模式的喷射比映射改变。图8A和8B各示出喷射比映射的示例。

如图8中所示，在喷射比映射中准备有许多喷射比模式。各喷射比模式包括四个表示#1至#4气缸的喷射比的系数。当执行喷射比改变过程时，从喷射比映射中逐个地选择喷射比模式。然后，在所选择的喷射比模式中规定的系数乘以通过总空燃比控制计算的每个气缸的燃料喷射量，并且从每个气缸的燃料喷射阀26喷射所获得的燃料喷射量，作为每个气缸的燃料喷射量。

在喷射比模式以这种方式依次切换的同时，氢传感器16检测氢含量并且执行具有最低氢含量的最优喷射比模式的搜索。最优喷射比模式是气缸间空燃比差异最小的喷射比模式。因此，可通过使用该最优喷射比模式来校正气缸间的空燃比差异。

喷射比映射中的喷射比模式的四个系数的平均值是1.0。因此，即使喷射比模式改变，总喷射量也是恒定的，因此总空燃比可保持不变。

在第一实施方式中，通过逐个地指定气缸作为目标气缸并且逐渐地改变其喷射比来进行每个气缸的最优化。相反，在本实施方式中，能够同时对所有气缸进行最优化。而且，在有限数量的喷射比模式中选择最优模式，因此能够迅速发现最优喷射比。

从提高空燃比差异校正的精确度和使校正控制更快的角度看，喷射比映射优选地包括大量根据凭经验获得的空燃比差异的趋势易于发生的差异模式。

例如，就内燃发动机10的进气特征来说，当得知#2和#3气缸的进气特征易于变得较差时，则#2和#3气缸中的空气量易于降低，所以可以假设这些气缸易于变浓。在这种情况下，如图8A中所示，优选地，喷射比映射包括大量这样的映射：其中#2和#3气缸的喷射系数小于#1和#4气缸的喷射系数。

在图8A中所示的喷射比映射中，以约1％(即0.01)逐步地改变的气缸喷射系数来设定每个喷射比模式。但是，该步长并不局限为1％。例如，当预知除非气缸间的空燃比差异等于或大于2％、否则混合排气中的氢含量基本上不受影响时，喷射比模式的步长可设为2％(即0.02)。

图9是本实施方式中通过ECU 50执行以实现上述功能的程序的流程图。在此实施方式中，当执行上述图6所示程序的步骤106中的过程时，执行图9所示的子程序以替代上述图7中所述的子程序。

在图9中所示的程序中，首先，存储所使用的喷射比模式的数量、以及当前时刻——即执行喷射比校正之前——由氢传感器46所检测的氢含量(步骤103)。接下来，当开始喷射比改变过程时，从喷射比映射中选择首先要选择的喷射比模式(步骤132)。在此选择的开始模式可以是当重新执行喷射比校正控制时喷射比映射序列中的第一模式。此外，当返回到在最后循环期间中断的喷射比校正控制时，可选择当控制中断时所使用的模式。

接下来，然后选择喷射比映射中的喷射比模式以从步骤132中选择的开始模式开始(步骤134)。所选择的喷射比模式反映在每个气缸的当前燃料喷射量中。此外，在步骤134中，在每个气缸的燃料喷射比根据喷射比映射依次地改变的同时，氢传感器46依次地检测氢含量，并且，存储氢含量最低时的含量值以及该时的喷射比模式的编号。

当喷射比映射中所有模式都已被选择过或当步骤134中的过程已经由于例如内燃发动机10的运转状态从稳定状态切换到过度状态而中断时，则然后判定在步骤134中存储的氢含量最小值是否低于存储于步骤130中的初始氢含量(步骤136)。如果步骤134中的氢含量最小值较小，则可以判定步骤134中喷射比模式下的空燃比差异小于初始喷射比模式下的空燃比差异。因此，在这种情况下，在步骤134中存储的喷射比模式用于计算之后每个气缸的燃料喷射量(步骤138)。

另一方面，如果在步骤136中初始氢含量较低，则可以判定在步骤130中存储的初始喷射比模式下空燃比差异较小。因此，在这种情况下，在步骤130中存储的初始喷射比模式用于计算之后每个气缸的燃料喷射量(步骤140)。

在步骤138或步骤140中计算了燃料喷射量之后，喷射比校正控制的这个循环结束(步骤142)。即使一开始气缸间存在空燃比差异，此喷射比校正控制也能够校正该差异。

一旦喷射比校正控制结束，喷射比校正需求标记关闭(步骤144)。如第一实施方式中一样，在预定时间之后通过另一程序中的步骤重新打开喷射比校正需求标记。

在上述第二实施方式中，步骤134中依次地改变喷射比模式的过程也可以看作“喷射比改变部”，且步骤134中存储当氢含量最低时的喷射比模式的过程与步骤138中的过程一起可看作“喷射比校正部”。

而且，在上述的第二实施方式中，步骤134中的过程也可以看作“喷射比存储部”，且步骤138中的过程也可以看作“校正部”。另外，ECU50也可以看作“模式存储部”。

接下来将参照图10描述本发明的第三实施方式。下面的描述将集中在与上述实施方式之间的不同之处，因此将省略或简化相同的部分。

在此实施方式中，当氢传感器46的输出值故障时，除第一或第二实施方式的控制之外，还可执行用于检测该故障的控制。此实施方式可以通过在第一或第二实施方式的系统中另外执行图10中所示的程序来实现。

氢传感器46置于例如总是暴露于排气的恶劣环境中，如空燃比传感器44一样。因此，氢传感器46中存在发生导致异常高或低的输出的故障的可能。即使确实发生了输出故障，该传感器通常仍然保持对氢含量敏感。

即使氢传感器46中存在输出值故障，但是只要传感器仍然保持对氢含量敏感，就可以执行控制以根据第一或第二实施方式校正空燃比差异。这是因为在第一和第二实施方式中，即使没有准确地知道氢含量的绝对值，也足以搜索氢含量较低的状态。

但是，如果在其它控制(例如用于空燃比传感器44的校正控制或总空燃比控制等)中使用来自氢传感器46的输出、且来自该氢传感器46的输出值存在故障，则可能导致使用该值的其它控制发生错误。因此，在此实施方式中，使用了如下所述的方法来检测氢传感器46的输出值中的故障。

在气缸间空燃比差异的程度和混合排气中的氢含量之间存在如上述图4中所示的关系。即，空燃比差异越小则氢含量低，因此当没有空燃比差异时，氢含量收敛于给定的固定氢含量。另一方面，在根据第一或第二实施方式执行控制以校正空燃比差异之后，几乎不再存在空燃比差异。因此，在执行控制以校正空燃比差异后，排气中的氢含量应落入固定范围内——当然取决于内燃发动机10的运转状态。只要氢传感器46正常运转，则其输出值也应落入固定范围内。

因此，在此实施方式中，根据内燃发动机10的运转状态(发动机速度NE、负载系数以及控制目标空燃比)预先设定氢传感器46输出值的正常范围。然后，如果在执行校正空燃比差异的控制之后氢传感器46的输出值落到正常范围之外，则判定氢传感器46的输出值存在故障。

图10是在本实施方式中由ECU 50执行以实现上述功能的程序的流程图。根据图10中所示的程序，首先判定内燃发动机10是否稳定地运转(步骤150)。这种判定可以像步骤100中同样地做出。在内燃发动机10的过度运转期间，排气中的氢含量易于瞬时地改变，因此这不是进行氢传感器46故障判定的适当的时间。因此，如果在步骤150中判定内燃发动机10不是在稳定状态下运转，则程序的这个循环直接结束。

另一方面，如果在步骤100中判定内燃发动机10在稳定状态下运转，则接下来判定是否存在最近执行控制以校正气缸间空燃比差异的历史(步骤152)。如果没有最近执行该控制的历史，则程序的这个循环直接结束。如果存在最近执行该控制的历史，则ECU 50然后进行检查以确定空燃比传感器44没有故障(步骤154)。

如果空燃比传感器44中存在故障，则不能精确地检测此系统中的总空燃比，因此难以判定氢传感器46中是否存在故障。因此，如果在步骤154中确定空燃比传感器44中存在故障，则程序的这个循环直接结束。

可通过各种已知方法中的任一种方法来检测空燃比传感器44中是否存在故障。例如，能够基于输出值是否落在给定范围之外、基于与次空燃比传感器(O₂传感器)的比较或基于灵敏度的降低来检测。

如果在步骤154中确定空燃比传感器44中不存在故障，则接下来判定氢传感器46的输出值是否落在正常范围内(步骤156)。更具体地，获取发动机速度NE、负载因素以及控制目标空燃比以作为内燃发动机10的当前操作状态，并且获得取决于这些操作状态的氢传感器46输出值的正常范围。然后判定氢传感器46的当前输出值是否落在正常范围内。

如果在步骤156中判定氢传感器46的输出值落在正常范围内，则判定氢传感器46正常(步骤158)。另一方面，如果氢传感器46的输出值落在正常范围之外，则判定氢传感器46的输出传感器(即氢传感器46本身)异常(步骤160)。如果判定氢传感器46异常，则优选地警告驾驶员这个事实并且提醒必须检查发动机。

在上述第三实施方式中，步骤156中的过程也可以看作“传感器故障判定部”。

图11是以框图形式示出的V型8缸内燃发动机60的俯视图。通过例如这种内燃发动机60的V型发动机，排气歧管62通常构造成使得来自每个列的所有气缸的排气通道首先合并、且然后来自两个列的排气通道在更下游处结合在一起。当将本发明应用于这种V型发动机时，空燃比传感器44和氢传感器46可在来自所有气缸的排气通道的合并部的下游作为一组地设置，或者如图11中所示，可为每个列设置一组传感器——即一个空燃比传感器44和一个氢传感器46。在这种情况下，可以对每个列执行如上所述的本发明的控制。

虽然已经参照其实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解本发明并不局限于所述实施方式或构造。相反，本发明意在覆盖各种改型和等同设置。另外，虽然实施方式的各个元件以示例性的不同组合和构造示出，但包括更多、更少或者仅单个元件的其它组合和构造也落入本发明的精神和范围之内。

Claims (14)

1.一种内燃发动机的空燃比控制装置，包括：

氢传感器(46)，其设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下游和用于净化排气的催化器的上游，并且根据排气中的氢含量产生输出；

多个燃料喷射部(26)，其中，对于所述多个气缸的每一个设置一个或两个燃料喷射部(26)；

喷射比改变部，当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷射比改变部通过控制所述多个燃料喷射部(26)来执行用于随时间改变所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比的喷射比改变过程，同时保持所述空燃比不变；以及

喷射比校正部，其基于执行所述喷射比改变过程期间所述氢传感器(46)的输出通过控制所述多个燃料喷射部(26)来校正所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，使得排气中的氢含量变得低于执行所述喷射比改变过程之前的排气中的氢含量。

2.如权利要求1所述的内燃发动机的空燃比控制装置，其中所述喷射比校正部包括存储部和校正部，所述存储部将在所述喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气缸的最优喷射比，所述校正部在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比校正至用于各气缸的所述最优喷射比。

3.如权利要求1或2所述的内燃发动机的空燃比控制装置，其中在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部以预定方式逐渐改变从所述多个气缸中选择的单个目标气缸的燃料喷射量，并且以与改变所述目标气缸的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之外的气缸的燃料喷射量，使得所述多个气缸的总空燃比保持不变。

4.如权利要求1或2所述的内燃发动机的空燃比控制装置，其中所述喷射比改变部具有模式存储部，在所述模式存储部中预先存储有所述多个气缸间的燃料喷射比的多个模式，并且在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部从所述多个模式中依次选择一个模式并将所选择的模式应用于当前燃料喷射比。

5.如权利要求1或2所述的内燃发动机的空燃比控制装置，进一步包括：

许可部，其许可执行所述喷射比改变过程，

其中当基于所述氢传感器(46)的输出值的氢含量同对应于所述多个气缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含量相比为高时，所述许可部许可执行所述喷射比改变过程。

6.如权利要求1或2所述的内燃发动机的空燃比控制装置，进一步包括：

传感器故障判定部，在已由所述喷射比校正部执行了所述喷射比校正之后所述氢传感器(46)的输出值落在预定正常范围之外时，所述传感器故障判定部判定所述氢传感器(46)发生故障。

7.如权利要求1所述内燃发动机的空燃比控制装置，进一步包括：

差异校正部，其基于来自所述氢传感器(46)的输出执行差异校正控制以校正所述多个气缸间的空燃比差异；以及

传感器故障判定部，在已执行了所述差异校正控制之后所述氢传感器(46)的输出值落在预定正常范围之外时，所述传感器故障判定部判定所述氢传感器(46)发生故障。

8.一种内燃发动机的空燃比控制方法，包括：

利用设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下游和用于净化排气的催化器的上游的氢传感器(46)根据排气中的氢含量产生输出(S102)；

执行喷射比改变过程，当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷射比改变过程通过控制多个燃料喷射部(26)来随时间改变所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，同时保持所述空燃比不变(S112；S134)，其中对于所述多个气缸的每个气缸设置一个或两个燃料喷射部(26)；以及

基于执行所述喷射比改变过程期间所述氢传感器(46)的输出，通过控制所述多个燃料喷射部(26)来校正所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，使得排气中的氢含量变得低于执行所述喷射比改变过程之前的排气中的氢含量(S118；S138)。

9.如权利要求8所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括：

将在所述喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气缸的最优喷射比(S112；S134)；以及

在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比校正至用于各气缸的所述最优喷射比(S118；S138)。

10.如权利要求8或9所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括：

在所述喷射比改变过程中，以预定方式逐渐改变从所述多个气缸中选择的单个目标气缸的燃料喷射量，并且以与改变所述目标气缸的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之外的气缸的燃料喷射量，使得所述多个气缸的总空燃比保持不变(S112)。

11.如权利要求8或9所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括：

预先存储所述多个气缸间的燃料喷射比的多个模式；以及

在所述喷射比改变过程中，从所述多个模式中依次选择一个模式并且将所选择的模式应用到当前燃料喷射比(S134)。

12.如权利要求8或9所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括：

当基于所述氢传感器(46)的输出值的氢含量同对应于所述多个气缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含量相比为高时，许可执行所述喷射比改变过程(S104)。

13.如权利要求8或9所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括：

在已执行了所述喷射比校正之后所述氢传感器(46)的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器(46)发生故障(S160)。

14.如权利要求8所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括如下步骤：

基于来自所述氢传感器(46)的输出执行差异校正控制以校正所述多个气缸间的空燃比差异；以及

在已执行了所述差异校正控制之后所述氢传感器(46)的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器(46)发生故障(S160)。

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