CN102678364B - 空燃比推断检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空燃比推断检测装置，该空燃比推断检测装置使用与理论空燃比相对应地使输出以阶梯状变化的λ传感器来推断检测理论空燃比之外的区域中的空燃比。发动机转速计算部计算发动机的平均转速。曲柄角速度计算部根据压缩上止点附近的曲柄脉冲的间隔来计算曲柄角速度，填充效率计算部根据平均转速与曲柄角速度之差来计算填充效率。燃料喷射量计算部根据燃料喷射阀的驱动时间来推断每个循环的燃料喷射量。在传感器的输出值处于跃迁区域时，比例常数计算部使用推断出的填充效率和燃料喷射量来决定比例常数。在传感器输出值处于跃迁区域之外时，利用决定的比例常数、填充效率和燃料喷射量来推断空燃比。

Description

空燃比推断检测装置
技术领域
本发明涉及一种空燃比推断检测装置，特别是涉及一种不使用所谓的宽范围空燃比传感器就能够通过推断来检测宽范围的空燃比的空燃比推断检测装置。
背景技术
周知有这样的技术，即，通过检测发动机的废气中的氧浓度来间接地检测空燃比(以下也称作“A/F”)，根据其检测结果来进行包含点火控制、燃料喷射控制在内的发动机燃烧控制。而且，作为检测废气中的氧浓度的检测元件的氧浓度传感器，从简便性的方面考虑，广泛使用以与理论空燃比相对应的氧浓度(过量空气系数λ＝1)为分界，电动势、即检测输出急剧(阶梯状(step))变化的、所谓的λ传感器。采用该λ传感器，能够容易地判断空燃比是大于理论空燃比还是小于理论空燃比。
但是，仅利用空燃比相对于理论空燃比的大小来检测氧浓度的λ传感器，无法在理论空燃比之外的区域准确地检测空燃比。因而，λ传感器无法应用于将空燃比设定为包含理论空燃比之外的浓侧和稀侧的区域的任意值的控制。另一方面，能够在宽范围检测空燃比的宽范围空燃比传感器构造复杂，因此存在价格昂贵这样的问题。
因此，如专利文献1所示，本申请人提出了不使用氧浓度传感器而根据曲柄角速度来推断空燃比的空燃比推断检测装置。
专利文献1：日本特开2011-27061号公报
采用专利文献1所述的空燃比推断检测装置，不使用氧浓度传感器地推断空燃比，能够根据其推断值适当地进行点火控制、燃料喷射控制。但是，在仅根据曲柄角速度推断空燃比时，存在不充分的情况，要求精度更高的空燃比推断部件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不使用所谓的宽范围空燃比传感器就能够推断宽范围的空燃比的空燃比推断检测装置。
为了达到上述目的，本发明的第1特征在于，该空燃比推断检测装置包括：吸入空气量推断部件，其用于推断导入到发动机的气缸中的吸入空气量；燃料喷射量推断部件，其用于根据燃料喷射阀的驱动时间推断每个循环的燃料喷射量；氧浓度检测元件，其产生与燃烧气体的残余氧浓度相应的检测输出，具有与对应于理论空燃比的残余氧浓度相对应地使检测输出以阶梯状变化的输出跃迁区域；比例常数决定部件，在上述氧浓度检测元件的输出值处于上述输出跃迁区域时，该比例常数决定部件使用由上述吸入空气量推断部件推断出的吸入空气量和由上述燃料喷射量推断部件推断出的燃料喷射量，来决定空燃比与理论空燃比的比例常数；在上述氧浓度检测元件的输出值处于输出跃迁区域之外时，根据由上述比例常数决定部件决定的比例常数、上述吸入空气量和上述燃料喷射量来推断空燃比。
另外，本发明的第2特征在于，该空燃比推断检测装置包括：脉冲发生部件，其用于针对发动机的曲轴的每规定旋转角度发生曲柄脉冲；曲柄角速度计算部件，其用于基于上述发动机的压缩上止点或者跨过该压缩上止点的两个连续的曲柄脉冲的间隔来计算第1曲柄角速度，并且，基于压缩行程中的任意连续的两个曲柄脉冲的间隔来计算第2曲柄角速度；吸入空气量推断部件，其用于根据由上述曲柄角速度计算部件计算出的第2曲柄角速度和第1曲柄角速度之差，来计算作为吸入空气量的函数的填充效率；燃料喷射量推断部件，其用于基于燃料喷射阀的驱动时间推断每个循环的燃料喷射量；氧浓度检测元件，其产生与燃烧气体的残余氧浓度相应的检测输出，具有与对应于理论空燃比的残余氧浓度相对应地使检测输出以阶梯状变化的输出跃迁区域；比例常数决定部件，在上述氧浓度检测元件的输出值处于上述输出跃迁区域时，该比例常数决定部件使用由上述吸入空气量推断部件推断出的吸入空气量和由上述燃料喷射量推断部件推断出的燃料喷射量，来决定空燃比与理论空燃比的比例常数；在上述氧浓度检测元件的输出值处于输出跃迁区域之外时，根据由上述比例常数决定部件决定的比例常数、上述填充效率和上述燃料喷射量来推断空燃比。
另外，本发明的第3特征在于，该空燃比推断检测装置包括用于检测发动机的吸入空气量的空气流量传感器，替代由上述吸入空气量推断部件推断出的吸入空气量，而将由上述空气流量传感器检测到的吸入空气量用于上述比例常数决定部件的运算。
采用具有第1～第3特征的本发明，能够在对氧浓度检测元件的输出进行反馈而进行理论空燃比控制(理想配比控制(stoichiometriccontrol))时，推断吸入空气量和燃料喷射量，根据该吸入空气量、燃料喷射量和理论空燃比，使用空燃比计算式逆运算比例常数。由此，不使用能够在宽范围检测空燃比的昂贵的氧浓度检测元件，即使在脱离理想空燃比的较宽的区域，也能够高精度地推断检测空燃比。
特别是，采用具有第2特征的本发明，由于使用作为吸入空气量的函数的填充效率来推断吸入空气量，因此，能够起到能够省略空气流量传感器这样的效果。
附图说明
图1是表示包括本发明的一实施方式的空燃比推断检测装置的发动机控制装置的系统结构的框图。
图2是曲柄脉冲发生器转子的主视图。
图3是表示氧浓度传感器的输出特性的图。
图4是表示ECU的主要部分功能的框图。
图5是表示用于求出填充效率CE的映射(map)的图。
图6是表示计算减速量Δω1的ECU的功能的框图。
图7是表示1个循环中的曲柄脉冲与曲柄角速度ω的关系的时间图。
图8是图7的局部放大图。
图9是空燃比推断运算的主流程图。
图10是计算填充效率CE的流程图。
图11是计算燃料喷射量Gf的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的优选实施方式。图1是表示包括本发明的一实施方式的空燃比推断检测装置的发动机控制装置的系统结构的框图。在图1中，发动机控制装置1包括曲柄脉冲发生器2、氧浓度传感器3、负压传感器4、以及用于输入曲柄脉冲发生器2、氧浓度传感器3和负压传感器4的检测信号并输出驱动点火装置6和燃料喷射阀7的指令的ECU8。ECU8包含执行图4等中后述的功能的微处理器。氧浓度传感器3是产生与燃烧气体的残余氧浓度相应的检测输出，具有在与理论空燃比相对应的残余氧浓度下使检测输出像图3中后述的那样地以阶梯状变化的输出跃迁区域R的传感器，使其元件部面向未图示的发动机的排气管内地安装于该排气管内。负压传感器4安装在发动机的进气管中，用于检测进气管内的负压。曲柄脉冲发生器2是电磁拾波器(magnetic pick-up)式的脉冲发生器，其与以下说明的曲柄脉冲发生器转子的外周相对地安装。
图2是曲柄脉冲发生器转子的主视图。在图2中，在4循环单气缸发动机的曲轴9上安装有曲柄脉冲发生器转子5。曲柄脉冲发生器转子5由圆板状的转子主体51和突出地形成在转子主体51的外周的磁阻分配头(reluctor)52构成。除了1处缺齿部(没有磁阻分配头的部分)H之外，以恒定角度间隔设有多个磁阻分配头52。在本实施方式中，以30度的角度间隔配置有11个磁阻分配头52，但只要以恒定角度间隔配置，且具有1处缺齿部H，磁阻分配头52的个数、配置角度间隔就能够任意地设定。与曲柄脉冲发生器转子5的外周相对地配置有曲柄脉冲发生器2。曲柄脉冲发生器2检测磁阻分配头52而输出曲柄脉冲。
图3是表示氧浓度传感器3的输出特性的图。在图3中，横轴表示过量空气系数，纵轴表示氧浓度传感器3的输出。过量空气系数为“1.0”时是理论空燃比，过量空气系数大于该理论空燃比的区域是混合气较稀薄的稀侧，过量空气系数小于理论空燃比的区域是混合气较浓的浓侧。在混合气从浓侧向稀侧跃迁时，传感器输出急剧下降，在混合气从稀侧向浓侧跃迁时，传感器输出急剧上升。在该传感器输出的跃迁区域R中，空燃比大致是理论空燃比，是净化率良好的废气状态。
图4是表示ECU8的主要部分功能的框图。在ECU8中，空燃比计算部11使用发动机每1个循环的燃料喷射量(重量)Gf、作为吸入空气量的函数的填充效率CE、比例常数K，利用式1计算空燃比A/F。空燃比A/F＝K×(CE/Gf)...(式1)。
燃料喷射量计算部12自燃料喷射控制部13抽取出在每1个循环中向上述燃料喷射阀7供给的喷射阀开口时间Tout，据此计算燃料喷射量Gf，将其输入到空燃比计算部11。通过使用压力调整阀使燃料供给配管系统的压力恒定，在每1个循环中将燃料喷射阀7开口恒定时间来向进气管喷射燃料。该喷射阀开口时间Tout是燃料喷射控制部13的燃料喷射控制运算的控制参数。燃料喷射量Gf在恒定供给压力下与喷射阀开口时间Tout成比例，利用式2来计算。燃料喷射量Gf＝a0+b0×Tout...(式2)。截矩a0和比例常数b0是用于将喷射阀开口时间校正为燃料重量的数值。
作为吸入空气量推断部件的填充效率计算部14，根据压缩行程中的曲柄角速度的减速量Δω1和自发动机转速检测部15输入的发动机的平均转速NeA，检索预先设定的映射来计算作为吸入空气量的函数的填充效率CE，将其输入到空燃比计算部11。根据自曲柄脉冲发生器2得到的曲柄脉冲信号，利用减速量计算部16计算减速量Δω1。平均转速NeA和减速量Δω1的计算方法在之后更详细地说明。
填充效率CE是表示吸入空气量与排气量的重量比例的值，在恒定的发动机转速下，减速量Δω1与填充效率CE成比例。在恒定的发动机转速下，填充效率CE存在式3的关系。填充效率CE＝a1+b1×Δω1...(式3)。具有发动机转速越大，比例常数b1越变大的规则的关系。因而，填充效率CE能够作为减速量Δω1和发动机转速的函数求得。
图5是用于求出填充效率CE的映射。在图5中，横轴是减速量Δω1，纵轴是填充效率CE。该映射将发动机转速NeA作为参数设有多个。图5表示高转速、中转速及低转速的映射，表示发动机转速NeA的倾向。
另外，并不限定于使用上述那样的映射，也可以使每个发动机转速Ne都具有计算减速量Δω1的式3，通过计算来计算填充效率CE。此时，在检测出的发动机转速NeA位于计算式的发动机转速Nex和Ney之间的情况下，通过直线插补计算求出填充效率CE。
返回到图4，比例常数计算部17根据燃料喷射量Gf、填充效率CE和理想配比检测信号ST，利用上述式1计算比例常数K。在利用理想配比检测部18检测到了燃料喷射控制部13的理想配比控制过程中时，输出理想配比检测信号ST。
在基于氧浓度传感器3的输出利用O2反馈进行理论空燃比控制(理想配比控制)的燃料喷射控制部13中，在理想配比控制中由控制上的管理运算得到表示理论空燃比控制状态的指令(控制特征)。因而，检测到了该控制特征时的空燃比是理论空燃比。但是，在起动时、加速时等高负荷运转中靠近浓侧进行控制的情况下，空燃比为比“14.7”小的“14.5”等。因此，在输入了理想配比检测信号ST时，与运转状态相应地指定为例如空燃比“14.5”，将该空燃比“14.5”、填充效率CE和燃料喷射量Gf代入到式1中，求出比例常数K。
接着，说明曲柄角速度的减速量Δω1的计算方法。图6是表示计算减速量Δω1的ECU8的功能的框图。在利用曲柄脉冲检测部21检测到了曲柄脉冲发生器2的缺齿部H时，阶段(stage)设定部20检测曲柄脉冲发生器转子5的基准位置，首先，基于磁阻分配头52的配置由#0～#10合计11个阶段将曲轴9的1个循环分割。
之后，基于由负压传感器4检测的进气管负压PB的变动等辨别、确定行程，进而进行判定曲轴9是在1个循环中的第1旋转或者第2旋转中的哪一个的阶段的表里(difference)判定，1个循环(曲柄旋转角720度)被分割成#0～#21合计22个阶段。基于进气管负压PB的变动的辨别行程，例如能够通过将检测到的负压的变动图形(pattern)和与阶段相关地利用实验等求得的变动图形核对来进行。能够采用周知的行程辨别方法来辨别行程。
曲柄角速度计算部23在由阶段设定部20设定的阶段中，基于在即将到达压缩上止点之前或者跨过压缩上止点的位置产生的连续的两个曲柄脉冲的间隔τ1(参照图8见后述)，计算曲柄角速度ω1。同样，曲柄角速度计算部23基于与压缩行程的任意阶段相当的两个曲柄脉冲的间隔τ2(参照图8见后述)，计算曲柄角速度ω2。减速量计算部16计算压缩行程中的曲柄角速度ω2与在和发动机的上止点位置重叠的规定区间检测的曲柄角速度ω1之差(ω2-ω1)、即压缩行程中的减速量Δω1。
图7是表示1个循环中的曲柄脉冲与曲柄角速度ω的关系的时间图，图8是图7的局部放大图。由图7、图8可理解，曲柄角速度ω根据与发动机的1个循环、即压缩、燃烧、膨胀、排气、进气这4个行程相应的气缸内压而周期性地变动。具体地讲，在压缩行程的后半区间中，由气缸内压的上升所引起的压缩阻力导致曲柄角速度ω减小。另外，在燃烧、膨胀行程中，利用由燃烧引起的气缸内压的上升产生曲柄旋转能量，曲柄角速度ω增加。于是，在燃烧、膨胀行程结束时，曲柄角速度ω迎来峰值的角速度ω2，之后由于发动机内的机械摩擦阻力、排气行程和燃烧完毕气体的排出阻力、吸入行程中的吸入阻力等泵做功所引起的气缸内压的变动而降低。根据该曲柄角速度ω的变动，曲柄角速度ω1小于平均转速NeA。
另外，发动机的产生扭矩越大，曲柄角速度ω的变动峰值就越大；吸入空气量越大，之后的降低量就越大。因而，越是产生扭矩越大且吸入空气量越多的发动机，曲柄角速度ω的变动就越大。并且，越是曲轴的惯性力小的低转速区域，该变动就越大，而且，即使是像单气缸发动机那样曲轴的惯性矩比较小的发动机，该变动也倾向于变大。
参照图8，测量从位于即将到达压缩上止点之前的曲柄脉冲P1的下降点C1到位于紧接压缩上止点之后的曲柄脉冲P2的下降点C2为止的30度区间的通过时间τ1，使用该通过产生间隔τ1和磁阻分配头52的配置角度间隔来计算曲柄角速度ω1。另外，测量从压缩行程过程中的任意阶段的两个曲柄脉冲P3的下降点C3到曲柄脉冲P4的下降点C4为止的30度区间的产生间隔τ2，使用该通过时间τ2和磁阻分配头52的配置角度间隔来计算曲柄角速度ω2。
另外，曲柄脉冲P1和P2并不限定于跨过压缩上止点的两个曲柄脉冲，例如也可以是即将到达压缩上止点之前的连续的两个曲柄脉冲。总而言之，只要基于压缩上止点附近或者跨过压缩上止点的连续的两个曲柄脉冲的产生间隔τ1计算曲柄角速度ω1即可。
接着，参照流程图说明空燃比计算动作。图9是空燃比推断运算的主流程图。在步骤S1中，检索表示是理想配比控制过程中的控制特征。在步骤S2中，判断是否检测到了表示是理想配比控制过程中的控制特征，只要该判断是肯定的，就进入到步骤S3，计算填充效率CE。在步骤S4中，计算燃料喷射量Gf。在步骤S5中，计算用填充效率CE除以燃料喷射量Gf而得到的值CE/Gf的移动平均值。在步骤S6中，计算式1中的比例常数K。即，将在步骤S5中计算出的值CE/Gf和理想配比控制过程中的空燃比“14.5”代入到式1中，计算比例常数K。
这样计算出的比例常数K为了在除氧浓度传感器3的输出跃迁区域R之外推断空燃比，能够与式1一同使用。
图10是计算填充效率CE的流程图。在图10中，在步骤S31中取得减速量Δω1。利用上述减速量计算部16来计算减速量Δω1。在步骤S32中取得平均发动机转速NeA。利用上述发动机转速计算部15来计算发动机转速NeA。在步骤S33中，例如使用图5的映射，计算作为减速量Δω1与平均发动机转速NeA的函数的填充效率CE。
图11是计算燃料喷射量Gf的流程图。在图11中，在步骤S41中取得燃料喷射阀时间Tout。在步骤S42中，利用式2计算燃料喷射量Gf。
这样，在本实施方式中，在使用填充效率CE、燃料喷射量Gf和比例常数K求出空燃比时，使用利用O2反馈进行的理想配比控制过程中的空燃比(理论空燃比)决定比例常数K，在氧浓度传感器3的输出跃迁区域R之外的区域，能够使用该比例常数K推断空燃比。
另外，在本实施方式中，着眼于吸入空气量和填充效率CE处于比例关系地计算填充效率CE，使用其计算结果求得式1的比例常数K，但并不限定于此，也可以利用空气流量传感器检测吸入空气量，应用于式1来求出比例常数K。
总而言之，使用具有以阶梯状变化的输出特性的氧浓度传感器3的输出处于跃迁区域R时的空燃比、即理论空燃比、及与吸入空气量相关的参数和燃料喷射量，求出与理论空燃比成比例的比例常数K，使用该比例常数K，即使在跃迁区域R之外的区域，也能推断空燃比即可。
附图标记说明
1、发动机控制装置；2、曲柄脉冲发生器；3、氧浓度传感器；5、曲柄脉冲发生器转子；6、点火装置；8、ECU；9、曲轴；11、空燃比计算部；12、燃料喷射量计算部；13、燃料喷射控制部；14、填充效率计算部；16、减速量计算部；17、比例常数计算部；18、理想配比检测部。

Claims (2)

1.一种空燃比推断检测装置，其特征在于，该空燃比推断检测装置包括：
吸入空气量推断部件(14)，其使用检测发动机的吸入空气量的空气流量传感器；
燃料喷射量推断部件(12)，其用于根据燃料喷射阀(7)的驱动时间(Tout)推断每个循环的燃料喷射量(Gf)；
氧浓度检测元件(3)，其产生与燃烧气体的残余氧浓度相应的检测输出，具有与对应于理论空燃比的残余氧浓度相对应地使检测输出以阶梯状变化的输出跃迁区域(R)；
比例常数决定部件(17)，在所述的氧浓度检测元件(3)的输出值处于上述输出跃迁区域(R)时，该比例常数决定部件(17)使用由所述吸入空气量推断部件(14)推断出的吸入空气量和由所述燃料喷射量推断部件(12)推断出的燃料喷射量(Gf)，来决定空燃比与理论空燃比的比例常数(K)；
在所述氧浓度检测元件(3)的输出值处于输出跃迁区域(R)之外时，根据由所述比例常数决定部件(17)决定的比例常数(K)、所述吸入空气量和所述燃料喷射量(Gf)，来推断空燃比(A/F)。
2.一种空燃比推断检测装置，其特征在于，该空燃比推断检测装置包括：
脉冲发生部件(2)，其用于针对发动机的曲轴(9)的每规定旋转角度发生曲柄脉冲；
曲柄角速度计算部件(23)，其用于基于所述发动机的压缩上止点或者跨过该压缩上止点的两个连续的曲柄脉冲的间隔(τ1)来计算第1曲柄角速度(ω1)，并且，根据压缩行程中的任意的连续的两个曲柄脉冲的间隔(τ2)来计算第2曲柄角速度(ω2)；
吸入空气量推断部件(14)，其用于根据由所述曲柄角速度计算部件(23)计算出的第2曲柄角速度(ω2)和第1曲柄角速度(ω1)之差(Δω1)来计算作为吸入空气量的函数的填充效率(CE)；
燃料喷射量推断部件(12)，其用于基于燃料喷射阀(7)的驱动时间(Tout)推断每个循环的燃料喷射量(Gf)；
氧浓度检测元件(3)，其产生与燃烧气体的残余氧浓度相应的检测输出，具有与对应于理论空燃比的残余氧浓度相对应地使检测输出以阶梯状变化的输出跃迁区域(R)；
比例常数决定部件(17)，在所述氧浓度检测元件(3)的输出值处于所述输出跃迁区域(R)时，该比例常数决定部件(17)使用由所述吸入空气量推断部件(14)推断出的吸入空气量和由所述燃料喷射量推断部件(12)推断出的燃料喷射量(Gf)，来决定空燃比与理论空燃比的比例常数(K)；
在所述氧浓度检测元件(3)的输出值处于输出跃迁区域(R)之外时，根据由所述比例常数决定部件(17)决定的比例常数(K)、所述填充效率(CE)和所述燃料喷射量(Gf)，来推断空燃比(A/F)。
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