CN102575600B - 内燃机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的内燃机的控制装置是通过使空燃比积极地变化来提高排气性能，同时能够提高请求转矩的实现精度的控制装置。本控制装置通过缓和针对内燃机的请求空燃比的变化速度来生成目标空燃比。不过，在请求空燃比随着从燃料切断复原而浓化的状况下，停止缓和请求空燃比的变化速度，直接输出请求空燃比作为目标空燃比。控制装置根据目标空燃比计算出用于实现请求转矩的目标空气量。目标空气量的计算可以使用将内燃机产生的转矩和进入到缸内的空气量的关系与空燃比建立关联而确定的数据。本控制装置根据目标空气量来操作空气量控制用的致动器，并且根据目标空燃比来操作燃料喷射量控制用的致动器。

Description

内燃机的控制装置

技术领域

本发明涉及内燃机的控制装置，尤其涉及将转矩和空燃比作为控制量的内燃机的控制装置。

背景技术

作为内燃机的控制方法之一，公知有一种将转矩作为控制量来决定各致动器的操作量的转矩要求控制。在日本特开2009-299667号公报中，记载有进行转矩要求控制的控制装置的一个例子。该公报所记载的控制装置(下面称为“现有控制装置”)是通过由节流阀实现的空气量的控制、由点火装置实现的点火正时的控制、以及由燃料供给装置实现的燃料喷射量的控制，来进行转矩控制的控制装置。

然而，内燃机所产生的转矩除了与进入缸内的空气量紧密关联之外，还与空燃比密切相关。因此，现有控制装置在将请求转矩变换成空气量的目标值的过程中，会参照根据当前的运转状态信息而得到的空燃比。该情况下的空燃比不是由空燃比传感器计测到的废气空燃比，而是指缸内混合气体的空燃比、即请求空燃比。

请求空燃比不一定恒定，从排气性能的观点出发，有时也使其积极地变化。在这样的情况下，根据现有控制装置，目标空气量也对应于请求空燃比的变化而变化，与之对应地控制节流阀开度。此时的节流阀的动作成为通过空气量的增减来消除与空燃比的变化相伴的转矩的变动的动作。即，在空燃比变成浓侧时，使节流阀向关闭侧移动，以便通过空气量的减少来抵消由此引起的转矩的增大。相反，在空燃比变为稀侧时，使节流阀向开启侧移动，以便通过空气量的增大来抵消由此引起的转矩的减少。

但是，空气量的响应相对于节流阀的动作存在延迟，实际的空气量相对于目标空气量的变化延迟变化。目标空气量的变化速度越大，该延迟越显著。因此，在现有控制装置中，当请求空燃比存在急剧变化时，空气量的变化有可能追不上空燃比的急剧变化。该情况下，内燃机产生的转矩与请求转矩之间产生偏差，不仅无法实现精度良好的转矩控制，而且还会因为结果意料之外的空燃比的变动招致排气性能的恶化。

综上可知，可以说现有控制装置在请求空燃比可变化的状况下的请求转矩的实现精度这一方面还有进一步改善的余地。

专利文献1：日本特开2009-299667号公报

专利文献2：日本特开2009-47102号公报

专利文献3：日本特开2005-140011号公报

作为上述问题的解决策略，可以考虑在目标空气量的计算中使用使请求空燃比的变化速度缓和的方法。作为使请求空燃比的变化速度缓和的方法，例如可举出一次延迟滤波等低通滤波、加权平均等慢化处理(moderating process)、或者针对变化率的保护处理(guard process)。通过缓和请求空燃比的变化速度，能够消除空气量的变化相对于空燃比的变化的延迟。或者，即使不能完全消除空气量的变化相对于空燃比的变化的延迟，也能够充分减轻到不发生转矩变动的程度。

不过，将请求空燃比的变化速度毫无例外地一律缓和的做法从排气性能的观点出发未必优选。具体而言，在请求空燃比伴随着从燃料切断复原而浓化的状况下，基于以下的理由，不应该缓和请求空燃比的变化速度。

在内燃机的排气通路中设置有用于净化废气的催化剂装置。该催化剂装置内担载有铂、钯、铑等贵金属作为催化剂。其中的铑具有将NOx还原成氮气而无害化的功能。在实施了燃料切断的情况下，催化剂装置内暴露于稀的气体中，铑成为氧化状态，铑所具有的对NOx进行还原的功能大幅降低。因此，在从燃料切断复原时，为了使处于氧化状态的铑尽快还原而恢复其功能，希望使请求空燃比浓化。不过，如果在这样的状况下缓和请求空燃比的变化速度，则会延迟铑的功能的恢复，结果大量的NOx未被净化便直接从催化剂装置释放出。即，导致排气性能的降低。

发明内容

本发明的课题在于，通过积极地使空燃比变化来提高排气性能，同时使请求转矩的实现精度提高。而且，为了实现这样的课题，本发明提供如下所述的内燃机的控制装置。

本发明提供的控制装置取得针对内燃机的请求转矩以及请求空燃比，通过缓和所取得的请求空燃比的变化速度来生成目标空燃比。不过，在请求空燃比随着从燃料切断复原而浓化的状况下，停止缓和请求空燃比的变化速度，直接输出请求空燃比作为目标空燃比。本控制装置根据目标空燃比来计算出用于实现请求转矩的目标空气量。在目标空气量的计算中，可以使用将内燃机产生的转矩和进入到缸内的空气量的关系与空燃比建立关联而确定的数据。本控制装置根据目标空气量来操作空气量控制用的致动器，并且根据目标空燃比来操作燃料喷射量控制用的致动器。

根据如上所述那样构成的控制装置，由于使请求空燃比的变化速度缓和的方法被用于目标空气量的计算，所以能够消除或充分减轻实际的空气量相对于目标空气量的响应延迟。结果，根据本控制装置，能够消除或充分减轻空气量的变化相对于空燃比的变化的延迟，能够维持高的转矩的实现精度。

另一方面，由于在请求空燃比随着从燃料切断复原而浓化的状况下，请求空燃比被直接用于目标空气量的计算，所以能够向排气净化装置供给浓化的废气，使铑的功能尽早恢复。由此，可防止NOx未被净化而直接释放到大气中，排气性能被维持为高的状态。此外，通过停止对请求空燃比的变化速度进行缓和，会使得内燃机产生的转矩暂时比请求转矩高。但是，由于在从燃料切断复原时原本会产生某种程度的转矩变动，所以即使复原时的转矩暂时比请求转矩高，其对驾驶性能造成的影响也是轻微的。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的控制装置的构成的框图。

图2是表示由本发明的实施方式的控制装置进行的处理的流程图。

图3是用于对本发明的实施方式所涉及的发动机控制的内容和其控制结果进行说明的图。

图4是用于对作为比较例的发动机控制的内容与其控制结果进行说明的图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行说明。

在本发明的实施方式中，成为控制对象的内燃机(以下称为“发动机”)是火花点火式的4冲程往复式发动机。在发动机的排气通路中，设置有将铂、钯、铑等贵金属作为催化剂的催化剂装置。控制装置通过操作发动机所具备的致动器，来控制发动机的运转。控制装置能够操作的致动器包括：点火装置、节流阀、燃料喷射装置，可变阀定时机构、EGR装置等。不过，在本实施方式中控制装置操作的装置是节流阀、点火装置以及燃料喷射装置，控制装置操作这3个致动器来控制发动机的运转。

本实施方式的控制装置使用转矩、空燃比以及效率来作为发动机的控制量。更严格而言，这里所说的转矩是指图示的转矩，空燃比是指供燃烧用的混合气体的空燃比。本说明书中的效率是指实际输出的转矩相对于发动机能够输出的潜在转矩的比例。效率的最大值为1，此时发动机能够输出的潜在转矩被直接实际输出。在效率小于1的情况下，实际输出的转矩比发动机能够输出的潜在转矩小，其富裕部分主要变成热从发动机输出。

图1的框图所示的控制装置2表示了本实施方式的控制装置的构成。控制装置2按照其所具有的功能，可以划分成燃烧保障保护部10、空气量控制用转矩计算部12、目标空气量计算部14、节流阀开度计算部16、推定空气量计算部18、推定转矩计算部20、点火正时控制用效率计算部22、燃烧保障保护部24、点火正时计算部26、目标空燃比生成部28以及燃烧保障保护部30。其中，这些要素10-30是仅将控制装置2所具有的各种功能性要素中的、与3个致动器即节流阀4、点火装置6以及燃料喷射装置(INJ)8的操作的转矩控制和空燃比控制相关的要素特别通过图加以表现的要素。因此，图1并不意味着控制装置2仅由这些要素构成。其中，各要素可以分别由专用的硬件构成，也可以共享硬件而由软件虚拟构成。下面，以各要素10-30的功能为中心，对控制装置2的构成进行说明。

首先，本控制装置被输入请求转矩、请求效率以及请求空燃比(请求A/F)，作为针对发动机的控制量的请求。这些请求由位于本控制装置上位的传动系管理器(power train manager)供给。请求转矩根据发动机的运转条件、运转状态，具体而言，基于驾驶员对加速器踏板的操作量或VSC、TRC等来自车辆控制系统的信号来设定。请求效率在想要提高废气的温度的情况、想要形成储备转矩(reserve torque)的情况下，被设定为小于1的值。但在本实施方式中，请求效率被设为最大值1。请求空燃比通常被设定为化学计量空燃比，但在从排气性能的观点出发某些必要的情况下可使其发生变化。具体而言，为了提高催化剂的净化性能可以使请求空燃比以化学计量空燃比为中心周期性地变化；或通过空燃比反馈控制来使请求空燃比变化。另外，在燃料切断复原时，为了使催化剂中含有的铑尽快还原而恢复其功能，可以在规定的期间使请求空燃比大于化学计量空燃比而浓化。

控制装置2接收到的请求转矩和请求效率被输入到空气量控制用转矩计算部12。空气量控制用转矩计算部12通过将请求转矩除以请求效率来计算出空气量控制用转矩。在请求效率小于1的情况下，空气量控制用转矩远高于请求转矩。这意味着节流阀被要求能够潜在输出大于请求转矩的转矩。其中，关于请求效率，通过了燃烧保障保护部10的效率被输入到空气量控制用转矩计算部12。燃烧保障保护部10利用用于保障适当的燃烧的保护值来限制空气量控制用转矩的计算所使用的请求效率的最小值。在本实施方式中，由于请求效率为1，所以请求转矩被直接作为空气量控制用转矩计算出。

空气量控制用转矩被输入到目标空气量计算部14。目标空气量计算部14利用空气量映射将空气量控制用转矩(TRQ)转换成目标空气量(KL)。这里所说的空气量是指进入到缸内的空气量(也可以取而代之使用将变成无量纲的量后的填充效率或者负荷率)。空气量映射是以点火正时为最佳点火正时(MBT与轻度爆震点火正时中偏向延迟角侧的点火正时)作为前提，以包含发动机转速以及空燃比的各种发动机状态量为关键字与转矩与空气量建立关联的映射。在空气量映射的检索中，可使用发动机状态量的实际值、目标值。对于空燃比，后述的目标空燃比可用于映射检索。因此，在目标空气量计算部14中，根据后述的目标空燃比计算出实现空气量控制用转矩所需要的空气量来作为发动机的目标空气量。

目标空气量被输入给节流阀开度计算部16。节流阀开度计算部16利用空气模型的逆模型，将目标空气量(KL)变换成节流阀开度(TA)。由于空气模型是将空气量相对于节流阀4的动作的响应特性模型化的物理模型，所以通过利用其逆模型，可以反向算出实现目标空气量所需要的节流阀开度。

控制装置2按照由节流阀开度计算部16计算出的节流阀开度来进行节流阀4的操作。此外，在被实施了延迟控制的情况下，在由节流阀开度计算部16计算出的节流阀开度(目标节流阀开度)、与通过节流阀4的动作而实现的实际节流阀开度之间产生延迟时间量的偏差。

控制装置2与上述的处理并行地利用推定空气量计算部18来实施基于实际的节流阀开度的推定空气量的计算。推定空气量计算部18利用前述的空气模型的正模型将节流阀开度(TA)变换成空气量(KL)。推定空气量是推定控制装置2对节流阀4进行操作而实现的空气量所得到的空气量。

推定空气量被用于由推定转矩计算部20进行的推定转矩的计算。本说明书中的推定转矩是根据当前的节流阀开度将点火正时设为最佳点火正时时能够输出的转矩、即发动机能够潜在输出的转矩的推断值。推定转矩计算部20利用转矩映射将推定空气量变化成推定转矩。转矩映射为前述的空气量映射的逆映射，是以点火正时为最佳点火正时作为前提，以空气量、转矩和各种发动机状态量为关键字而建立关联的映射。在该转矩映射的检索中，后述的目标空燃比被用于映射的检索。因此，在推定转矩计算部20中，根据后述的目标空燃比计算出推定由推定空气量实现的转矩所得到的转矩。

推定转矩与复制的目标转矩一同被输入给点火正时控制用效率计算部22。点火正时控制用效率计算部22计算出目标转矩相对推定转矩的比率来作为点火正时控制用效率。计算出的点火正时控制用效率通过燃烧保障保护部24后被输入给点火正时计算部26。燃烧保障保护部24通过保障燃烧的保护值来限制点火正时控制用效率的最小值。

点火正时计算部26根据被输入的点火正时控制用效率(η_TRQ)计算出点火正时(SA)。详细而言，基于发动机转速、请求转矩、目标空燃比等发动机状态量计算出最佳点火正时，并且，根据被输入的点火正时控制用效率计算出相对于最佳点火正时的延迟角量。然后，计算出对最佳点火正时加上延迟角量的值来作为最终的点火正时。最佳点火正时的计算例如可以使用将最佳点火正时与各种发动机状态量建立关联的映射。延迟角量的计算例如可以使用将延迟角量与点火正时控制用效率以及各种发动机状态量建立关联的映射。如果点火正时控制用效率为1，则延迟角量被设为零，点火正时控制用效率越比1小，延迟角量越大。

控制装置2根据由点火正时计算部26计算出的点火正时来进行点火装置6的操作。

另外，控制装置2与上述的处理并行地利用目标空燃比生成部28实施用于根据请求空燃比生成发动机的目标空燃比的处理。目标空燃比生成部28中具备低通滤波器(例如一次延迟滤波器)。目标空燃比生成部28使被输入给控制装置2的请求空燃比的信号通过低通滤波器，输出通过低通滤波器后的信号作为目标空燃比。即，目标空燃比生成部28通过利用低通滤波器对请求空燃比的变化速度进行缓和，来生成目标空燃比。不过，在请求空燃比伴随着从燃料切断(F/C)复原而浓化的状况下，不进行将请求空燃比的变化速度缓和的处理。该情况下，目标空燃比生成部28直接输出不通过低通滤波器的请求空燃比来作为目标空燃比。

图2是利用流程图表示了由目标空燃比生成部28进行的处理的图。根据该流程图，在最初的步骤S1中判定是否是从燃料切断复原后。这里所说的“从燃料切断复原后”是指燃料喷射再次开始，请求空燃比的浓化持续的期间。如果步骤S1的判定结果为“否定”，则将变化速度被低通滤波器缓和后的请求空燃比输出作为目标空燃比(步骤S2)。如果步骤S1的判定结果为“肯定”，则停止对请求空燃比的变化速度进行缓和，请求空燃比被直接作为目标空燃比输出(步骤S3)。

由目标空燃比生成部28生成的目标空燃比在通过燃烧保障保护部30之后，被供给目标空气量计算部14、推定转矩计算部20、点火正时计算部26、以及燃料喷射装置8。燃烧保障保护部30利用用于保障适当的燃烧的保护值来限制目标空燃比的最大值以及最小值。

控制装置2按照目标空燃比来进行燃料喷射装置8的操作。更详细而言，根据目标空燃比与推定空气量计算出燃料喷射量，然后操作燃料喷射装置8以便实现该燃料喷射量。

图3是表示在本实施方式中由控制装置2实现的发动机控制的结果的图。另一方面，图4是表示实施了作为比较例的发动机控制的结果的图。在比较例中，总是实施利用低通滤波器对请求空燃比的变化速度进行缓和的处理。下面，一边与比较例对比，一边对在本实施方式中获得的发动机控制上的效果进行说明。

在图3以及图4的各段图中，表示了从燃料切断复原前后的控制量、状态量的时间变化。在最上段的图中，用虚线表示了请求转矩的时间变化，用实线表示了发动机实际产生的转矩的时间变化。在第2段的图中，用虚线表示了发动机的目标转速的时间变化，用实线表示了发动机的实际转速的时间变化。在第3段的图中，用虚线表示了请求空燃比的时间变化，用点划线表示了目标空燃比的时间变化，用实线表示了实际的空燃比的时间变化。在第4段的图中，用虚线表示了根据目标空燃比计算出的目标燃料喷射量的时间变化，用实线表示了实际的燃料喷射量的时间变化。在第5段的图中，用虚线表示了目标空气量的时间变化，用实线表示了实际的缸内进入空气量的时间变化。在第6段的图中，用虚线表示了目标节流阀开度的时间变化，用实线表示了实际的节流阀开度的时间变化。而且，在最下段的图中，用实线表示了从催化剂装置排出的废气中的NOx浓度的时间变化。

如各图的第3段的图所示，在从燃料切断复原时，请求空燃比表现出阶梯信号的面貌，被变更为浓侧。在图4所示的比较例中，该阶梯信号被低通滤波器处理，由此生成向浓侧缓慢变化的目标空燃比的信号。通过在目标空气量的计算中使用该缓慢变化的目标空燃比，如图4的第5段的图所示那样，目标空气量的变化也变得缓慢，实际的空气量相对目标空气量的响应延迟被充分减轻。结果，空气量的变化相对空燃比的变化的延迟也充分减轻，转矩、转速都能如目标那样控制。但另一方面，如图4的最下段的图所示，从催化剂装置排出的废气中的NOx浓度暂时增大。导致无法在从燃料切断复原时向催化剂装置供给被充分浓化的气体，铑的功能恢复延迟。

与此相对，在图3所示的本实施方式中，请求空燃比的阶梯信号直接作为目标空燃比输出。由此，根据目标空燃比计算出的目标空气量也表现出阶梯信号的面貌而减少，实际的空气量相对目标空气量的响应延迟变得显著。结果，相对于空燃比的变化，空气量的变化发生延迟，发动机产生的转矩在从燃料切断复原后暂时超过请求转矩。而且，发动机转速也暂时超过目标转速。但是，从燃料切断复原基于驾驶员自身的加速器操作，驾驶员不会对通过该加速器操作使得转矩阶梯上升产生不适。因此，即使复原时的转矩暂时比请求转矩高，其对驾驶性能造成的影响也很轻微。另一方面，目前对于各种发动机性能中最优先的排气性能而言，如图3的最下段的图所示，可防止从燃料切断复原后的NOx浓度增大。根据本实施方式，可以在从燃料切断复原时向催化剂装置供给充分浓化的气体，使处于氧化状态的铑尽快还原而恢复其功能。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明主旨的范围能够进行各种变形来加以实施。例如，在上述的实施方式中，使用节流阀作为空气量控制用的致动器，但也可以使用提升(lift)量或者作用角可变的进气阀。

另外，在上述的实施方式中，利用低通滤波器使请求转矩的变化速度缓和，但也可以利用所谓的慢化处理。作为慢化处理的一个例子，可举出加权平均。或者，通过对请求转矩的变化率实施保护处理，也能够缓和其变化速度。

另外，在上述实施方式中，使用转矩，空燃比以及效率作为发动机的控制量，但也可以仅将转矩和空燃比作为发动机的控制量。即，也可以将效率总是固定为1。该情况下，计算出目标转矩直接作为空气量控制用转矩。

附图标记说明：2-控制装置；4-节流阀；6-点火装置；8-燃料喷射装置；10-燃烧保障保护部；12-空气量控制用转矩计算部；14-目标空气量计算部；16-节流阀开度计算部；18-推定空气量计算部；20-推定转矩计算部；22-点火正时控制用效率计算部；24-燃烧保障保护部；26-点火正时计算部；28-目标空燃比生成部；30-燃烧保障保护部。

Claims (1)

1.一种内燃机的控制装置，其特征在于，具备：

请求取得单元，其取得针对内燃机的请求转矩以及请求空燃比；

目标空燃比生成单元，其通过缓和上述请求空燃比的变化速度来生成目标空燃比；

目标空气量计算单元，其基于将上述内燃机产生的转矩和进入到缸内的空气量的关系与空燃比建立关联而确定的数据，根据上述目标空燃比来计算出用于实现上述请求转矩的目标空气量；

空气量控制单元，其按照上述目标空气量来操作空气量控制用的致动器；和

燃料喷射量控制单元，其按照上述目标空燃比来操作燃料喷射量控制用的致动器，

在上述请求空燃比随着从燃料切断复原而与化学计量空燃比相比变浓的状况下，上述目标空燃比生成单元停止缓和上述请求空燃比的变化速度，直接输出上述请求空燃比作为上述目标空燃比。

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