CN102099557B - 用于涡轮增压内燃发动机的控制单元 - Google Patents

用于涡轮增压内燃发动机的控制单元 Download PDF

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Abstract

一种用于涡轮增压内燃发动机的控制单元，包括：第一排气门(30A)，其打开/关闭与涡轮(24b)相连通的第一排气通道(32)；第二排气门(30B)，其打开/关闭旁通涡轮的第二排气通道(34)；第二排气门的关闭正时被控制成使得在高发动机负荷下第二排气门的打开时段与进气门(11)的打开时段重叠。第二排气门的打开特性和燃料喷射量被控制成使得在高发动机负荷下气缸中填充的气体的空燃比(缸内A/F)接近输出空燃比，并使流入三元催化剂(38)——其布置在接合后排气通道(36)中——的气体的空燃比(总A/F)接近理论空燃比。

Description

用于涡轮增压内燃发动机的控制单元
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮增压内燃发动机的控制单元。 
背景技术
例如，日本专利申请公开No.10-89106(JP-A-10-89106)描述了一种装设有涡轮增压器的内燃发动机(独立排气发动机)。JP-A-10-89106中描述的内燃发动机包括：第一排气门，其打开和关闭与涡轮相连通的第一排气通道；以及第二排气门，其打开和关闭旁通涡轮的第二排气通道。在所描述的内燃发动机中，能够通过打开第一排气门来将排气能量引入涡轮中。另外，能够通过打开第二排气门来旁通涡轮排出排气。因此，能够降低排气造成的泵气损失。 
在设有涡轮增压器的内燃发动机中，如果在进气门的打开时段与排气门的打开时段之间存在气门重叠时段，则在高负荷下，如果加压压力高于背压，则可能导致空气和燃料从进气侧经由燃烧室流到排气侧。JP-A-10-89106没有描述当发生空气和燃料流动时的空燃比控制。 
发明内容
本发明提供了一种用于装设有涡轮增压器的内燃发动机的控制单元，它能够在内燃发动机高负荷情况下同时提高发动机输出和降低排气排放。 
根据本发明第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元，包括：压缩吸入空气的涡轮增压器；与所述涡轮增压器的涡轮相连通的第一排气通道；打开和关闭所述第一排气通道的第一排气门；旁通所述涡轮的第二排气通道；打开和关闭所述第二排气通道的第二排气门；所述第一排气通道和所述第二排气通道相接合之后的接合后排气通道；以及布置在所述接合后排气通道中并净化排气的催化剂。所述用于涡轮增压内燃发动机的控制单元进一步包括：扫气控制执行装置，所述扫气控制执行装置用于：当所述内燃发动机在高负荷下运转时，控制所述第二排气门的打开正时和进气门的打开正时中的至少一个，以确保所述第二排气门的打开时段与所述进气门的打开时段之间的气门重叠时段，以及空燃比控制装置，所述空燃比控制装置用于：当所述内燃发动机在高负荷下运转时，将气缸中填充的气体的空燃比控制成输出空燃比或者接近所述输出空燃比的值，并且进行控制以使流入所述催化剂中的气体的空燃比成为理论空燃比或接近所述理论空燃比的值。 
根据该第一方面，能够通过使气缸中填充的气体的空燃比(以下称之为“缸内A/F”)成为输出空燃比而使发动机输出最大化。另外，能够通过使流入催化剂的气体的空燃比(以下称之为“总A/F”)成为理论空燃比而获得良好的排气排放特性。如上所述，根据第一方面，当要求高发动机输出时，能够在高负荷下同时实现发动机输出改善和排气排放降低。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，空燃比控制装置可包括：第一空燃比传感器，所述第一空燃比传感器设置在所述第一排气通道中以检测所述第一排气通道中的排气的空燃比；第二空燃比传感器，所述第二空燃比传感器设置在位于所述接合后排气通道中的所述催化剂的上游或者下游中的至少一方，以检测所述接合后排气通道中的排气的空燃比；第一空燃比反馈控制执行装置，所述第一空燃比反馈控制执行装置用于基于所述第一空燃传感器的输出进行控制以将所述气缸中填充的气体的空燃比保持为接近所述输出空燃比的值；以及第二空燃比反馈控制执行装置，所述第二空燃比反馈控制执行装置用于基于所述第二空燃传感器的输出进行控制以将流入所述催化剂中的气体的空燃比保持为所述理论空燃比。 
根据该第一方面，在内燃发动机高负荷运转期间，能够可靠地而非偶然地使缸内A/F保持为接近输出空燃比的值，并且能够可靠地而非偶然地使总A/F保持为接近化学计量的值。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，所述第一空燃比反馈控制执行装置和所述第二空燃比反馈控制执行装置可执 行反馈控制以调整燃料喷射量和所述第二排气门的打开特性中的至少一种。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，第一空燃比反馈控制执行装置可执行反馈控制以调整燃料喷射量。另外，第二空燃比反馈控制执行装置可执行反馈控制以调整第二排气门的打开特性。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，可基于第二排气门的气门正时、升程、持续时间中的至少一个改变第二排气门的打开特性。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，空燃比控制装置可包括：空燃比差控制装置，所述空燃比差控制装置用于：当发动机转速等于或高于阈值发动机转速时，控制所述气缸中填充的气体的空燃比与流入所述催化剂中的气体的空燃比中的至少一个，以降低所述气缸中填充的气体的空燃比与流入所述催化剂中的气体的空燃比之间的空燃比差。 
根据该第一方面，即使当在高负荷的情况下执行伴随着扫气控制——其使用从进气侧到排气侧的新鲜空气流——的空燃比控制时，也能够抑制催化剂中过量燃料的燃烧。因此，能够有利地防止催化剂床温超过上限温度阈值。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，空燃比差控制装置可包括排放优先空燃比差控制装置，所述排放优先空燃比差控制装置用于调整所述第二排气门的打开特性和燃料喷射量使得：当所述空燃比差降低时，所述气缸中填充的气体的空燃比接近流入所述催化剂中的气体的空燃比。 
根据该第一方面，当缸内A/F与总A/F之间的空燃比差降低时，能够通过使缸内A/F接近总A/F而降低待从气缸排出的过量燃料。因此，能够抑制催化剂中过量燃料的燃烧。另外，根据该第一方面，无论高负荷下发动机转速提高还是降低，都能够使总A/F恒定地保持为化学计量值。因此，能够防止催化剂床温过度升高同时优先于输出改善而降低排气排放。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，空燃比差控制装置可调整所述第二排气门的打开特性以保持所述气缸中填充的空气量并降低新鲜空气流动量。另外，所述空燃比差控制装置还可与所述新鲜空气流动量的降低成比例地调整所述燃料喷射量。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，空燃比差控制装置可包括输出优先空燃比差控制装置，所述输出优先空燃比差控制装置用于调整所述第二排气门的打开特性使得：当所述空燃比差降低时，流入所述催化剂中的气体的空燃比接近所述气缸中填充的气体的空燃比。 
根据该第一方面，当缸内A/F与总A/F之间的空燃比差降低时，能够通过使总A/F接近缸内A/F而减少流过气缸的过量燃料。如上所述，由于用于在催化剂中与过量燃料发生反应的过量新鲜空气量(氧气量)被降低，所以能够抑制催化剂中的过量燃料的燃烧。另外，根据该第一方面，无论在高负荷下发动机转速提高还是降低，都能够使缸内A/F恒定地保持为输出空燃比。因此，能够防止催化剂床温过度升高同时优先于输出改善而降低排气排放。 
在根据第一方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制单元中，空燃比差控制装置可调整第二排气门的打开特性以降低新鲜空气流动量同时保持气缸中填充的空气量以及燃料喷射量。 
在根据本发明第二方面的用于涡轮增压内燃发动机的控制方法中，所述涡轮增压内燃发动机包括：压缩吸入空气的涡轮增压器；与所述涡轮增压器的涡轮相连通的第一排气通道；打开和关闭所述第一排气通道的第一排气门；旁通所述涡轮的第二排气通道；打开和关闭所述第二排气通道的第二排气门；所述第一排气通道和所述第二排气通道相接合之后的接合后排气通道；以及布置在所述接合后排气通道中并净化排气的催化剂。所述用于涡轮增压内燃发动机的控制方法执行如下操作：当所述内燃发动机在高负荷下运转时，控制所述第二排气门的关闭正时和进气门的打开正时中的至少一个，以确保所述第二排气门的打开时段与所述进气门的打开时段之间的气门重叠时段，以及当所述内燃发动机在高负荷下运转时，进行控制以使气缸中填充的气体的空燃比成为输出空燃比或者接近所述输出空燃比的值，并且使流入所述催化剂中的气体的空燃比成为理论空燃比或接近所述理论空燃比的值。 
附图说明
通过参照附图对示例实施方式的以下描述，本发明的前述和/或其它目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中，相似的附图标记用于表示相似的元件，并且其中： 
图1是示出根据本发明第一实施方式的系统构造的图； 
图2是示出升程曲线以描述本发明第一实施方式中所使用的进气门和排气门的气门正时的图； 
图3A和图3B描述了本发明第一实施方式中的特有空燃比控制； 
图4是本发明第一实施方式中执行的程序的流程图； 
图5是示出在高负荷下催化剂温度与发动机转速NE之间的关系的图； 
图6A至图6C描述了本发明第二实施方式中的特有控制； 
图7是本发明第二实施方式中执行的程序的流程图； 
图8A至图9C描述了本发明第三实施方式中的特有控制；以及 
图9是本发明第三实施方式中执行的程序的流程图。 
具体实施方式
图1是示出根据本发明第一实施方式的系统构造的图。第一实施方式的系统是带有涡轮增压器的独立排气发动机系统。 
图1中所示的系统包括具有多个气缸2的发动机1。每个气缸2中的活塞(未示出)经由曲柄机构连接于共同的曲轴4。曲轴4附近设有检测曲轴4的转动角度(曲柄角CA)的曲柄角传感器5。发动机1还设有检测冷却剂温度Tw的冷却剂温度传感器3。 
发动机1具有用于各个气缸2的喷射器6。喷射器6将高压燃料直接喷射到气缸2中。各个喷射器6连接于共同的输送管7。输送管7经由燃料泵8与燃料箱9相连通。 
另外，发动机1具有用于各个气缸2的进气口10。进气口10设有多个进气门11。进气门11由可变进气门机构13致动(打开和关闭)。这里，可变进气门机构13包括改变进气凸轮轴12相位的常规可变气门正时(VVT)机构。 
每个进气口10连接于共同的稳压罐(进气歧管)16。稳压罐16设有增压压力传感器17。增压压力传感器17测量由下面将描述的压缩机24a压缩的空气(以下称为“压缩空气”)的压力，该压力可称为增压压力，其是一种进气系统中的压力。 
进气通道18连接于稳压罐16。进气通道18中设有节气门20。节气门20是由节气门马达21驱动的电子控制阀。基于由加速器操作量传感器23等检测到的加速器操作量AA而驱动节气门20。在节气门20附近设有检测节气门开度TA的节气门位置传感器22。在节气门20的上游设有冷却压缩空气的中冷器25。 
在中冷器25上游设有涡轮增压器24的压缩机24a。压缩机24a经由联接轴(未示出)联接于涡轮24b。涡轮24b设置在下面将描述的第一排气通道32中。当涡轮24b被排气动压(排气能量)旋转驱动时，压缩机24a被旋转驱动。在压缩机24a的上游设有空气流量计26。空气流量计26检测进气量Ga。 
发动机1设有用于各个气缸2的第一排气门30A(可标为“Ex1”)和第二排气门30B(可标为“Ex2”)。第一排气门30A打开和关闭与涡轮24b相连通的第一排气通道32。流过第一排气通道32的排气的动压力旋转驱动涡轮24b。同时，第二排气门30B打开和关闭旁通涡轮24b的第二排气通道34。 
这些排气门30A和30B由可变排气门机构31打开和关闭。这里，可变排气门机构31是连续地改变各个气缸2的排气门30A和30B的打开特性的机构。更具体地，可变排气门机构31包括常规的VVT机构，其能够改变排气凸轮轴29的相位以调整排气门30A和30B的打开/关闭正时。另外，可变排气门机构31包括能够连续地改变第二排气门30B的升程和持续时间的常规可变升程(和持续时间)机构。 
第一排气通道32中设有第一空燃比传感器37以检测流过第一排气通道32的排气的空燃比。在第一排气通道32和第二排气通道34的接合部35下游的接合后排气通道36中设有净化排气的三元催化剂(S/C)38。另 外，在三元催化剂38下游的接合后排气通道36中设有第二空燃比传感器39以检测该位置处的排气的空燃比。 
根据第一实施方式的系统包括作为控制单元的电子控制单元(ECU)40。ECU40的输入侧连接于冷却剂温度传感器3、曲柄角传感器5、增压压力传感器17、节气门位置传感器22、加速器操作量传感器23、空气流量计26、第一空燃比传感器37、第二空燃比传感器39等。同时，ECU40的输出侧连接于喷射器6、燃料泵8、可变进气门机构13、节气门马达21、可变排气门机构31等。ECU40基于从各传感器接收到的信号根据特定程序致动各个致动器以控制发动机1的运转状态。 
图2是示出升程曲线以描述该实施方式中所采用的进气门正时和排气门正时的图。更具体地，图2中所示的进气门和排气门的气门正时用于将新鲜空气从进气侧经由燃烧室引导到排气侧，并用于扫除气缸中的残存气体(内部EGR气体)。在这种情况下，如图2所示，可变排气门机构31用于使得第二排气门Ex2的关闭正时相比于第一排气门Ex1的关闭正时延迟。因此，确保了第二排气门Ex2的打开时段与进气门In的打开时段彼此重叠的气门重叠时段。 
另外，第二排气门Ex2的打开正时相比于第一排气门Ex1的打开正时延迟，并且第二排气门Ex2的升程被设定成小于第一排气门Ex1的升程。因此，增加了供给到涡轮24b的排气能量的量，从而立即提高了增压压力。 
根据进气门和排气门的上述气门正时，当在高负荷情况下增压压力(稳压罐压力)高于背压时，能够有效地将新鲜空气从进气侧引导到排气侧(第二排气通道34侧)。另外，如图2所示，可变排气门机构31调整第二排气门Ex2的升程。因此，能够调整新鲜空气流动量(扫气量)。此外，附加地或者代替用可变排气门机构31来控制第二排气门Ex2、或者代替对第二排气门Ex2进行控制，可将进气门11的打开正时提前以控制气门重叠时段并从而调整新鲜空气流动量。 
图3A和图3B是描述本发明第一实施方式中的特有空燃比控制的图。更具体地，图3A示出了在高负荷下(特别是在全负荷(WOT)下)新鲜空气的流动率与发动机转速NE之间的关系，而图3B示出了在高负荷下空燃比A/F与发动机转速NE之间的关系。如图3A所示，流动率指的是在一次燃料装载(内燃发动机的一次燃料循环)期间吸入气缸中的新鲜空气总量Atot中的流动的新鲜空气量(Atot-Acyl)所占的比例。Acyl是未流到排气侧而是填充在气缸中的新鲜空气量。 
如上所述，当在涡轮增压内燃发动机中设有气门重叠时段时，当在高负荷情况下增压压力高于背压时，新鲜空气从进气侧经由燃烧室流到排气侧。 
图3A中的虚线波形示出了常规排气系统中的新鲜空气流动率的趋势，该常规排气系统不包括本实施方式的排气系统中的旁通涡轮24b的第二排气通道34。如图3A所示，在常规排气系统中，背压随发动机转速NE提高而提高。因此，流动率降低。 
同时，与常规排气系统类似地，与涡轮24b相连通的第一排气通道32中的背压随发动机转速NE提高而提高。然而，由于旁通涡轮24b的第二排气通道34中的背压不受涡轮24b的排气阻力的影响，所以即使发动机转速NE提高，增压压力也保持高于第二排气通道34中的背压。根据该实施方式中的排气系统，通过第二排气门Ex2的打开特性的上述控制来调整新鲜空气流动量。因此，如图3A中实线所示，能够在中转速至高转速范围内获得期望的流动率。 
因此，通过利用使用新鲜空气流动的扫气控制而在发动机处于高负荷下时如以下所述那样控制气缸中填充的气体的空燃比(以下可将其称为“缸内A/F”)和流到三元催化剂38中的气体的空燃比(以下可将其称为“总A/F”)。根据该实施方式的排气系统，能够在宽的发动机转速范围内执行扫气控制。换言之，如图3B所示，燃料喷射量被设定成使缸内A/F接近输出空燃比(12.5)。另外，通过调整第二排气门Ex2的打开特性来控制流过第二排气门Ex2的新鲜空气量，使得包含流过气缸的新鲜空气的总A/F接近理论空燃比(化学计量值)。 
图4是第一实施方式中由ECU40执行以实现以上功能的程序的流程图。在图4所示的程序中，ECU40首先判断发动机1的负荷是否等于或大于阈值负荷LTH(步骤100)。更具体地，在该步骤中基于进气量Ga、发动机转速NE等进行判断。阈值负荷LTH预先设定成这样的值：采用该值能够判断发动机负荷是否足够高以能够恰当地执行扫气控制。 
然后，如果在步骤100判断出当前发动机负荷等于或高于阈值负荷LTH，或者判断出发动机负荷升高得足够高以能够恰当地执行扫气控制，则执行与扫气控制的执行相伴随的空燃比控制，使得缸内A/F接近输出空燃比并使总A/F接近化学计量值(步骤102)。 
更具体地，在步骤102，以使缸内A/F成为输出空燃比所需的燃料喷 射量F喷射燃料。在这种情况下进行燃料喷射时，在扫气控制时燃料不与新鲜空气一起流动的时刻(即第二排气门Ex2关闭后的时刻)喷射燃料。为了确定这种情况下的燃料喷射量F，ECU40已经存储有限定与发动机1的运转状态(发动机负荷、发动机转速NE等)相关的燃料喷射量F的映射(未示出)。在步骤102，ECU40参考该映射来计算产生上述缸内A/F的恰当的燃料喷射量F。 
另外，在步骤102，通过调整第二排气门Ex2的打开特性来控制流过第二排气门Ex2的新鲜空气量(Atot-Acyl)，使得含有流入第二排气通道34中的新鲜空气的总A/F变成化学计量值。为了确定这种情况下的第二排气门Ex2的打开特性，ECU40参考所存储的限定与发动机1的运转状态相关的第二排气门Ex2的打开特性(打开/关闭正时、升程、以及持续时间)的映射(未示出)。在步骤102，该映射用于计算获得上述新鲜空气流动量(Atot-Acyl)的恰当的第二排气门Ex2的打开特性。 
此外，在步骤102，基于第一空燃比传感器37的输出而修正燃料喷射量F，使缸内A/F保持为接近输出空燃比的值。第一空燃比传感器37检测流过第一排气通道32的排气——新鲜空气不流过该第一排气通道32——的空燃比，即缸内A/F。因此，能够利用第一空燃比传感器37的输出来执行缸内A/F的反馈控制，使缸内A/F保持为接近输出空燃比的值。 
此外，在步骤102，基于第二空燃比传感器39的输出通过调整第二排气门Ex2的打开特性来修正新鲜空气流动量(Atot-Acyl)，使总A/F保持接近化学计量值。第二空燃比传感器39检测流过第一排气通道32——新鲜空气不流过该第一排气通道32——的排气与流过第二排气通道34——新鲜空气流过该第二排气通道34——的排气汇合后的排气的空燃比，即总A/F。因此，可通过利用第二空燃比传感器39的输出来执行总A/F的反馈控制，以将总A/F保持为接近化学计量值的值。 
根据图4所示的上述程序，当发动机处于高负荷下时执行与扫气控制的执行相伴随的空燃比控制，使得缸内A/F接近输出空燃比并使总A/F接近化学计量值。采用这样的空燃比控制，能够通过使缸内A/F成为输出空燃比而使发动机输出最大化。另外，能够通过使流入三元催化剂38中的气体的空燃比(总A/F)成为化学计量值而获得良好的排气排放特性。如上所述，根据该实施方式的系统能够在需要高发动机输出的高负荷情况下同时提高发动机输出和降低排气排放。 
另外，根据上述程序，当执行空燃比控制时执行缸内A/F反馈控制和 总A/F反馈控制。因此，能够可靠地而非偶然地将缸内A/F保持为接近输出空燃比的值，并且能够可靠地而非偶然地将总A/F保持为接近化学计量值的值。 
在第一实施方式中，当发动机负荷高时执行缸内A/F和总A/F的反馈控制。然而，在本发明中可以执行这些反馈控制中的任意一个，或者不执行反馈控制。 
另外，在第一实施方式中，通过调整燃料喷射量来执行缸内A/F的反馈控制，而通过调整第二排气门Ex2的打开特性来执行总A/F的反馈控制。然而，本发明的这些反馈控制的情况并不局限于此。更具体地，例如可通过修正第二排气门Ex2的打开特性并因此通过调整新鲜空气流动量来执行缸内A/F的反馈控制。同时，可通过调整燃料喷射量来执行总A/F的反馈控制。 
在上述第一实施方式中，涡轮增压器24对应于本发明中的“涡轮增压器”，涡轮24b对应于本发明中的“涡轮”，第一排气通道32对应于本发明中的“第一排气通道”，第一排气门30A对应于本发明中的“第一排气门”，第二排气通道34对应于本发明中的“第二排气通道”，第二排气门30B对应于本发明中的“第二排气门”，接合后排气通道36对应于本发明中的“接合后排气通道”，并且三元催化剂38对应于本发明中的“催化剂”。另外，如果步骤100中的判断结果为“是”，则ECU40执行步骤102的处理。因此，实现了本发明中的“扫气控制执行装置”和“空燃比控制装置”。另外，第一空燃比传感器37对应于本发明中的“第一空燃比传感器”，而第二空燃比传感器39对应于本发明中的“第二空燃比传感器”。另外，如果步骤100中的判断结果为“是”，则ECU40执行步骤102的处理。因此，实现了本发明中的“第一空燃比反馈控制执行装置”和“第二空燃比反馈控制执行装置”。 
接下来将参照图5至图7描述本发明的第二实施方式。该实施方式中的系统可以制成具有图1所示的硬件结构、以及执行以下将描述的图7所示程序——而非图4所示程序——的ECU40。 
图5是示出当发动机处于高负荷下时催化剂温度与发动机转速NE之间的关系的图。如图5所示，随着发动机转速NE提高，流过排气系统的高温排气的量增加。另外，排气压力随排气流动量的增加而提高。因此，在高负荷下流入三元催化剂38的排气温度(催化剂入口气体温度)升高。因此，如图5所示，三元催化剂38的床温也随发动机转速NE提高而升高。 
在高负荷和高转速下催化剂温度升高的另一个原因如下。即，如上述第一实施方式那样，如果缸内A/F被控制成比化学计量值浓的输出空燃比，并且如果新鲜空气流动，则在缸内燃烧期间变得过量的燃料以及流过气缸的新鲜空气被供给到三元催化剂38。这里，缸内燃料过量的原因在于空气-燃料混合物以比化学计量值——在该化学计量值下燃料和空气中的氧气完美燃烧——浓的输出空燃比燃烧。 
然后，过量燃料和流过气缸的新鲜空气中的氧气与三元催化剂38发生反应，从而使三元催化剂38的床温升高。因此，如图5所示，在高转速范围内催化剂床温超过上限温度阈值(标准值)。 
图6A至图6C是描述本发明第二实施方式中的特有控制的图。更具体地，图6A示出了当发动机处于高负荷下时新鲜空气流动率与发动机转速NE之间的关系；图6B示出了当发动机处于高负荷下时空燃比A/F与发动机转速NE之间的关系；而图6C示出了当发动机处于高负荷下时催化剂温度与发动机转速NE之间的关系。 
在第二实施方式中，如图6A所示，如果发动机转速NE高于阈值发动机转速NE1，则执行扫气控制，从而能够确保期望的流动率。然后，如图6B所示，如果发动机转速NE高于发动机转速NE1，则执行上述第一实施方式的空燃比控制(使缸内A/F成为输出空燃比并使总A/F成为化学计量值的控制)。 
接下来，在第二实施方式中，如图6B所示，在发动机转速NE高于阈值发动机转速NETH的区域内——该区域涉及催化剂床温过度上升，缸内A/F与总A/F之差被设定为小，以避免当在节气门全开、高速行驶等期间发动机处于高负荷和高转速区域内时催化剂床温过度升高。更具体地，在该实施方式中使缸内A/F靠近总A/F。此外，空燃比差被设定成随发动机转速NE提高而减小。 
在该实施方式中，通过调节新鲜空气流动量(流动率)和燃料喷射量F来调整空燃比差。更具体地，通过在气缸内填充的空气量Acyl保持不变的同时调整第二排气门Ex2的打开特性来降低新鲜空气流动量(Atot-Acyl)。此外，使燃料喷射量F与该流动量(Atot-Acyl)的降低成比例地降低。 
根据上述方法，如图6B所示，由于燃料喷射量F与该流动量(Atot-Acyl)的降低成比例地降低，所以能够将总A/F保持为化学计量值。此外，在气缸内填充的空气量Acyl保持不变的同时降低燃料喷射量F。这样，能够将 缸内A/F修正成稀薄侧(化学计量值侧)空燃比，从而使缸内A/F接近总A/F。因此，能够降低从气缸中排放的过量燃料。 
根据上述控制，如图6C所示，即使当发动机处于高负荷下时执行与扫气控制的执行相伴随的空燃比控制，也能降低在三元催化剂38中燃烧的过量燃料。这样，能够抑制三元催化剂38内过量燃料的燃烧。因此，能够有利地防止催化剂床温升高超过标准值。此外，如图6B所示，根据通过使缸内A/F接近总A/F而减小空燃比差的方法，无论在高负荷下发动机转速NE升高还是降低，总A/F都将恒定地保持为化学计量值。因此，即使当尾气排放优先于改善输出时，也能够防止催化剂床温的过度升高。 
图7是第二实施方式中由ECU40执行以实现以上功能的程序的流程图。应当注意，在图7中，与第一实施方式中的图4中相同的步骤由相同的标号指代，并且省略或简化其描述。 
在图7所示的程序中，当在步骤102执行高负荷空燃比控制(使缸内A/F成为输出空燃比并使总A/F成为化学计量值的控制)之后，判断当前发动机转速NE是否等于或高于阈值发动机转速NETH(步骤200)。阈值发动机转速NETH被预先设定，并用于判断发动机转速NE是否落入因执行与扫气控制相伴随的空燃比控制而涉及到催化剂床温过度上升的转速范围内。 
其结果是，在步骤200，如果判断出当前发动机转速NE等于或高于阈值发动机转速NETH，或者如果判断出发动机转速NE处于涉及到催化剂床温过度升高的转速范围内，则执行使缸内A/F接近总A/F的处理(步骤202和204)，使得缸内A/F与总A/F之差减小。 
在步骤202，通过调整第二排气门Ex2的打开特性(打开/关闭正时、升程、以及持续时间)同时防止气缸内填充的空气量Atot发生变化来降低新鲜空气流动量(Atot-Acyl)。因此，降低了流入三元催化剂38的总空气量Atot。 
接下来，在步骤204，使燃料喷射量F与步骤202中新鲜空气流动量(Atot-Acyl)的降低成比例地降低。 
根据图7中所示的上述程序，如已经参照图6C描述的那样，即使当发动机1处于高负荷下时执行与扫气控制相伴随的空燃比控制，也能够在降低尾气排放优先于改善输出的同时防止催化剂床温的过度升高。 
在上述第二实施方式中，如果步骤200的判断结果为“是”，则ECU40 执行步骤202和204的处理；因此，实现了本发明中的“空燃比差控制装置”。另外，当步骤200的判断结果为“是”时，ECU40执行步骤202和204的处理，因此，实现了本发明的“排放优先空燃比差控制装置”。 
现将参考图8A至图9描述本发明的第三实施方式。该实施方式的系统可制成具有图1所示的硬件结构、以及执行以下将描述的图9所示程序——而非图7所示程序——的ECU40。 
图8A至图8C是描述本发明第三实施方式中的特有控制的图。更具体地，图8A示出了高负荷下新鲜空气流动率与发动机转速NE之间的关系；图8B示出了高负荷下空燃比(A/F)与发动机转速NE之间的关系；而图8C示出了高负荷下催化剂温度与发动机转速NE之间的关系。 
另外，在该实施方式中，如图8A所示，当发动机转速NE超过阈值发动机转速NE1时执行扫气控制以确保期望的流动率。然后，如图8B所示，在发动机转速NE超过发动机转速NE1的区域内，执行上述第一实施方式的空燃比控制(使缸内A/F成为输出空燃比并使总A/F成为化学计量值的控制)。 
接下来，在该实施方式中，如图8B所示，在发动机转速NE高于阈值发动机转速NETH的区域内——该区域涉及到催化剂床温过度上升，缸内A/F与总A/F之差被设定为小，以避免当发动机转速NE落在诸如节气门全开期间和高速行驶期间等高转速区域内时在高负荷情况下催化剂床温过度升高。与第二实施方式中相反，在该实施方式中使总A/F接近缸内A/F。此外，使空燃比差随着发动机转速NE提高而减小。 
此外，在该实施方式中，与以上第二实施方式不同，通过仅调整新鲜空气流动量(流动率)来调整空燃比差。换言之，在调整空燃比差时燃料喷射量F保持不变，并且气缸中填充的空气量Acyl保持不变。另外，通过调整第二排气门Ex2的打开特性来降低新鲜空气流动量(Atot-Acyl)。 
根据这种方法，如图8B所示，在气缸中填充的空气量Acyl和燃料喷射量F保持不变的同时，降低新鲜空气流动量(Atot-Acyl)。这样，能够在缸内A/F保持为输出空燃比的同时将总A/F修正成浓侧空燃比。其结果是，能够使总A/F接近缸内A/F。因此，能够减少流过气缸的过量新鲜空气(Atot-Acyl)。 
根据上述控制，如图8C所示，即使当发动机处于高负荷下时执行与扫气控制相伴随的空燃比控制，也能够减少用于在三元催化剂38中与过量燃料进行反应的过量新鲜空气(氧气量)。因此，能够抑制三元催化剂38中的过量燃料的燃烧。因此，能够防止催化剂床温超过上限温度阈值。另外，如图8B所示，根据通过使总A/F接近缸内A/F而减小空燃比差的方法，无论在高负荷下发动机转速NE升高还是降低，缸内A/F都恒定地保持为输出空燃比。因此，能够在改善输出优先于减少排气排放的同时防止催化剂床温过度升高。 
图9是第三实施方式中由ECU40执行以实现以上功能的程序的流程图。应当注意，在图9中，与第一实施方式中的图7中相同的步骤由相同的标号指代，并且省略或简化其描述。 
在图9所示的程序中，如果在步骤200判断出当前发动机转速NE等于或高于阈值发动机转速NETH，或者如果判断出发动机转速NE处于涉及到催化剂床温过度升高的转速范围内，则执行处理以使总A/F接近缸内A/F(步骤300)，从而减小缸内A/F与总A/F之差。 
在步骤300，通过在气缸中填充的空气量Acyl和燃料喷射量F保持不变时调整第二排气门Ex2的打开特性(打开/关闭正时、升程、和持续时间)来降低新鲜空气流动量(Atot-Acyl)。因此，降低了流到三元催化剂38中的空气总量Atot。 
根据图9中所示的上述程序，如已经参照图8C所描述的那样，即使当发动机1在高负荷区域内运转时执行与扫气控制相伴随的空燃比控制，也能够在改善输出优先于减少排气排放的同时防止高负荷下催化剂床温过度升高。 
在上述第三实施方式中，如果步骤200中的判断结果为“是”，则ECU40执行步骤300的处理；因此，实现了本发明中的“空燃比差控制装置”。另外，如果步骤200中的判断结果为“是”，则ECU40执行步骤300的处理；因此，实现了本发明中的“输出优先空燃比差控制装置”。 
这里，在上述第一至第三实施方式中，检测总A/F的第二空燃比传感器39设置在三元催化剂38的下游。然而，本发明中的第二空燃比传感器的位置并不局限于上述位置，而是可以位于例如接合后排气通道(接合后排气通道36)中的催化剂(三元催化剂38)的上游。另外，第二空燃比传感器可以位于接合后排气通道中的催化剂的上游或者下游。 

Claims (11)

1.一种用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，所述涡轮增压内燃发动机(1)包括：压缩吸入空气的涡轮增压器(24)；与所述涡轮增压器(24)的涡轮(24b)相连通的第一排气通道(32)；打开和关闭所述第一排气通道(32)的第一排气门(30A)；旁通所述涡轮(24b)的第二排气通道(34)；打开和关闭所述第二排气通道(34)的第二排气门(30B)；与所述第一排气通道(32)和所述第二排气通道(34)相接合的接合后排气通道(36)；布置在所述接合后排气通道(36)中并净化排气的催化剂(38)，所述控制单元包括：
扫气控制执行装置，所述扫气控制执行装置用于：当所述内燃发动机(1)在高负荷下运转时，控制所述第二排气门(30B)的关闭正时和进气门(11)的打开正时中的至少一个，以确保所述第二排气门(30B)的打开时段与所述进气门(11)的打开时段之间的气门重叠时段，
其特征在于包括：
空燃比控制装置，所述空燃比控制装置用于：当所述内燃发动机(1)在高负荷下运转时，将气缸中填充的气体的空燃比控制成输出空燃比或者接近所述输出空燃比的值，并且进行控制以使流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比成为理论空燃比或接近所述理论空燃比的值，
其中，所述空燃比控制装置包括：
第一空燃比传感器(37)，所述第一空燃比传感器(37)设置在所述第一排气通道(32)中以检测所述第一排气通道(32)中的排气的空燃比，
第二空燃比传感器(39)，所述第二空燃比传感器(39)设置在位于所述接合后排气通道(36)中的所述催化剂(38)的上游或者下游中的至少一方，以检测所述接合后排气通道(36)中的排气的空燃比，
第一空燃比反馈控制执行装置，所述第一空燃比反馈控制执行装置用于基于所述第一空燃比传感器(37)的输出进行控制以将所述气缸中填充的气体的空燃比保持为接近所述输出空燃比的值，以及
第二空燃比反馈控制执行装置，所述第二空燃比反馈控制执行装置用于基于所述第二空燃比传感器(39)的输出进行控制以将流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比保持为接近所述理论空燃比。
2.如权利要求1所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，所述第一空燃比反馈控制执行装置和所述第二空燃比反馈控制执行装置执行反馈控制以调整燃料喷射量和所述第二排气门(30B)的打开特性中的至少一种。
3.如权利要求1所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，
所述第一空燃比反馈控制执行装置执行反馈控制以调整燃料喷射量，并且
所述第二空燃比反馈控制执行装置执行反馈控制以调整所述第二排气门(30B)的打开特性。
4.如权利要求2所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，基于所述第二排气门(30B)的气门正时、升程、持续时间中的至少一个改变所述第二排气门(30B)的打开特性。
5.如权利要求3所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，基于所述第二排气门(30B)的气门正时、升程、持续时间中的至少一个改变所述第二排气门(30B)的打开特性。
6.如权利要求1至5中任一项所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，所述空燃比控制装置包括空燃比差控制装置，所述空燃比差控制装置用于：当发动机转速等于或高于阈值发动机转速时，控制所述气缸中填充的气体的空燃比与流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比中的至少一个，以降低所述气缸中填充的气体的空燃比与流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比之间的空燃比差。
7.如权利要求6所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，所述空燃比差控制装置包括排放优先空燃比差控制装置，所述排放优先空燃比差控制装置用于调整所述第二排气门(30B)的打开特性和燃料喷射量使得：当所述空燃比差降低时，所述气缸中填充的气体的空燃比接近流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比。
8.如权利要求7所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，所述排放优先空燃比差控制装置调整所述第二排气门(30B)的打开特性以保持所述气缸中填充的空气量并降低新鲜空气流动量，并且所述排放优先空燃比差控制装置还与所述新鲜空气流动量的降低成比例地降低所述燃料喷射量。
9.如权利要求6所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，所述空燃比差控制装置包括输出优先空燃比差控制装置，所述输出优先空燃比差控制装置用于调整所述第二排气门(30B)的打开特性使得：当所述空燃比差降低时，流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比接近所述气缸中填充的气体的空燃比。
10.如权利要求9所述的用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制单元，其中，所述输出优先空燃比差控制装置调整所述第二排气门(30B)的打开特性以降低新鲜空气流动量同时保持所述气缸中填充的空气量以及燃料喷射量。
11.一种用于涡轮增压内燃发动机(1)的控制方法，所述涡轮增压内燃发动机(1)包括：压缩吸入空气的涡轮增压器(24)；与所述涡轮增压器(24)的涡轮(24b)相连通的第一排气通道(32)；打开和关闭所述第一排气通道(32)的第一排气门(30A)；旁通所述涡轮(24b)的第二排气通道(34)；打开和关闭所述第二排气通道(34)的第二排气门(30B)；与所述第一排气通道(32)和所述第二排气通道(34)相接合的接合后排气通道(36)；以及布置在所述接合后排气通道(36)中并净化排气的催化剂(38)，所述控制方法包括：
当所述内燃发动机(1)在高负荷下运转时，控制所述第二排气门(30B)的关闭正时和进气门(11)的打开正时中的至少一个，以确保所述第二排气门(30B)的打开时段与所述进气门(11)的打开时段之间的气门重叠时段，
其特征在于，
当所述内燃发动机(1)在高负荷下运转时，进行控制以使气缸中填充的气体的空燃比成为输出空燃比或者接近所述输出空燃比的值，并且使流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比成为理论空燃比或接近所述理论空燃比的值，
检测所述第一排气通道(32)中的排气的空燃比，
检测所述接合后排气通道(36)中的排气的空燃比，
基于检测到的所述第一排气通道(32)中的排气的空燃比进行控制以将所述气缸中填充的气体的空燃比保持为接近所述输出空燃比的值，以及
基于所述接合后排气通道(36)中的排气的空燃比的检测进行控制以将流入所述催化剂(38)中的气体的空燃比保持为接近所述理论空燃比。
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