CN107532533B - 空燃比控制装置以及空燃比控制方法 - Google Patents

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Abstract

空燃比控制装置具备：空燃比传感器，其输出电流值根据氧浓度而线性地变化；空燃比反馈控制单元，其能够基于空燃比传感器的检测值，来执行对燃料喷射量进行反馈控制以使内燃机的排气气体成为规定空燃比的空燃比反馈控制。还具备禁止单元，在空燃比为规定的浓厚空燃比以上的情况下，该禁止单元禁止进行所述反馈控制。而且，空燃比控制装置在从空燃比变为规定的浓厚空燃比以上起的规定时间内允许进行反馈控制。

Description

空燃比控制装置以及空燃比控制方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机的空燃比控制。
背景技术
作为内燃机的空燃比控制，已知一种使用了施加了规定电压的情况下的输出电流值相对于排气气体的空燃比线性地变化的、所谓的空燃比传感器的空燃比反馈控制。在空燃比传感器内，在排气气体的空燃比相比于理论空燃比浓厚的情况下，大气管路内的氧在大气侧电极处离子化，由于该氧离子经由固体电解质层向排气侧电极移动，因此电流在空燃比传感器中流动。因而，当排气气体的空燃比相比于理论空燃比浓厚的状态持续而大气管路内的氧变得不足时，空燃比传感器的检测值相比于实际的空燃比而向稀薄侧偏移。为了防止这种偏移，在JP2008-14178A中记载了以下内容：在如上述那样变为空燃比传感器的检测精度下降的状况的情况下，暂时性地停止空燃比反馈控制而切换为开环控制。
发明内容
然而，当如上述文献那样使空燃比反馈控制停止时，无法吸收由燃料喷射阀等部件的个体差异引起的燃料喷射量的偏差。因此，在开环控制时，控制的精度与空燃比反馈控制相比下降，因此导致发动机输出、燃料消耗、排气排放各性能下降。
因此，在本发明中，目的在于提供一种能够在更广范围内执行空燃比反馈控制的空燃比控制装置和空燃比控制方法。
根据本发明的某个方式，空燃比控制装置具备：空燃比传感器，其输出电流值根据氧浓度而线性地变化；空燃比反馈控制单元，其能够基于空燃比传感器的检测值，来执行对燃料喷射量进行反馈控制以使内燃机的排气气体成为规定空燃比的空燃比反馈控制。空燃比控制装置还具备禁止单元，其在空燃比为规定的浓厚空燃比以上的情况下禁止进行反馈控制。其中，空燃比控制装置在从空燃比变为所述规定的浓厚空燃比以上起的规定期间内允许进行所述反馈控制。
附图说明
图1是应用本发明的实施方式的内燃机系统的结构图。
图2是空燃比传感器的截面图。
图3是空燃比传感器的电压-电流特性图。
图4是由于氧供给量不足而检测精度下降了的情况下的空燃比传感器的电压-电流特性图。
图5是示出空燃比控制的控制例程的流程图。
图6是排气气体的空燃比与空燃比传感器的能够测量时间之间的关系图。
图7是执行了图5的控制例程的情况下的时序图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是应用本发明的实施方式的内燃机系统的结构图。
在内燃机1的进气通路2上从进气流动的上游侧起依次配置有空气滤清器4、空气流量计5、涡轮增压机的压缩机10A、节流室6、收集罐7、燃料喷射阀8。此外，本实施方式的内燃机1是所谓的端口喷射式，但是也可以是所谓的缸内直接喷射式。
在内燃机1的排气通路上从排气流动的上游侧起依次配置有空燃比传感器9、涡轮增压机的涡轮10B、歧管催化剂11、O2传感器12。
此外，压缩机10A和涡轮10B实际上经由轴相连结而一体地旋转。另外，虽然图1中省略，但是也可以是，在压缩机10A的下游侧配置用于对被压缩机10A加压而温度上升了的空气进行冷却的中冷器。
空燃比传感器9是施加了电压的情况下的输出电流根据排气气体的氧浓度而线性地变化的传感器。关于空燃比传感器9的构造和特性，后面记述。
歧管催化剂11是三元催化剂。O2传感器12产生与排气气体的氧浓度相应的电动势。构成为，O2传感器12的电动势在排气气体比理论空燃比稀薄的情况(以下也简称为“稀薄的情况”)下约为0V，在比理论空燃比浓厚的情况(以下也简称为“浓厚的情况”)下约为1V，在理论空燃比附近时其输出电压大幅地变化。也就是说，O2传感器12能够判断排气气体是稀薄还是浓厚。
空气流量计5、空燃比传感器9、O2传感器12各自的检测信号被发动机控制器(以下称为ECU)13读取。ECU 13基于这些检测信号、未图示的加速踏板开度传感器、曲柄角度传感器等的检测信号，来执行对燃料喷射量和点火时期的控制、目标空燃比的设定、用于使空燃比与目标空燃比一致的空燃比反馈控制等。
此外，O2传感器12在空燃比传感器9正常地发挥功能的状态下不使用于内燃机1的控制。但是，在空燃比传感器9存在异常的情况下，基于O2传感器12的检测信号来进行空燃比反馈控制。
另外，ECU 13对内燃机1的每个气缸进行空燃比反馈控制。因此，为了准确地进行气缸判别，空燃比传感器9设置于比涡轮10B靠上游侧、更具体地说比涡轮10B靠上游侧的接近从各气缸起的排气流路的合流部的部位。原因在于，如果将空燃比传感器9设置于比涡轮10B靠下游侧，则空燃比传感器9检测在合流之后通过涡轮10B之前进行了混合的排气气体的空燃比，难以进行气缸判别。
接着，对空燃比传感器9进行说明。
图2是空燃比传感器9的传感器元件20的截面图。此外，在图2中，省略了覆盖传感器元件20的盖、用于对传感器元件20进行加热的加热器。
传感器元件20构成为包括固体电解质层21、设置于固体电解质层21的排气侧的排气侧电极22、设置于固体电解质层21的大气侧的大气侧电极23以及扩散电阻层24。
固体电解质层21由氧离子能够移动的物质、例如氧化锆等形成。
排气侧电极22配置在排气气体管路27内。排气通路3中流动的排气气体的一部分以由于扩散电阻层24而发生了扩散的状态流入排气气体管路27，从而与排气侧电极22接触。此外，扩散电阻层24例如由多孔质的陶瓷等形成。
大气侧电极23配置在与大气连通的大气管路25内。流入了大气管路25的大气与大气侧电极23接触。
此外，排气侧电极22和大气侧电极23是铂电极。
当利用电池(电压施加单元)28对如上述那样的结构的空燃比传感器9的排气侧电极22与大气侧电极23之间施加检测用电压V时，在空燃比传感器9中流动与排气气体的氧浓度相应的电流。
例如，在排气气体的空燃比浓厚的情况下，大气管路25内的氧由于大气侧电极23处的电极反应而成为氧离子，该氧离子如图2中用箭头所示的那样在固体电解质层21内从大气侧电极23向排气侧电极22移动。在排气侧电极22侧，由于移动过来的氧离子与排气气体管路27内的HC、CO、H2之间的反应，而生成二氧化碳、水。
另一方面，在排气气体的空燃比稀薄的情况下，排气气体中的剩余氧由于排气侧电极22处的电极反应而成为氧离子，该氧离子在固体电解质层21内从排气侧电极22向大气侧电极23移动。到达了大气侧电极23的氧离子由于电子脱离而恢复为氧并向大气管路25释放。
如上所述，由于氧离子的移动而在排气侧电极22与大气侧电极23之间流动电流，此时流动的电流值与排气气体的空燃比相应地发生变化。
图3是示出上述的空燃比传感器9的电压-电流特性的图。横轴是施加电压，纵轴是输出电流。
如图3所示，无论空燃比是稀薄和浓厚中的哪一情况下，都存在即使改变施加电压而输出电流的值也不变化的区域。将这样输出电流值不变化的施加电压的区域称为“极限电流区域”，将极限电流区域中的输出电流值称为“极限电流值”。
该极限电流值与排气气体的空燃比成比例，因此能够基于极限电流值的大小来检测空燃比。
ECU 13基于这样检测出的空燃比来对燃料喷射量进行反馈控制，以使排气气体的空燃比成为目标空燃比(例如，理论空燃比)。
另外，能够如上述那样利用空燃比传感器9对排气气体的空燃比进行检测的原因在于，氧离子在固体电解质层21中移动。因而，在排气气体的空燃比浓厚的情况下，当向大气侧电极23供给的氧供给量不足时，氧离子的移动量比与空燃比相应的移动量少，导致空燃比传感器9的检测值变为比实际的空燃比稀薄的值。而且，对于空燃比传感器9而言，存在大气管路25的容量、用于导入大气的路径等、构造上的制约，由此大气流入大气管路25的速度受到限制。因此，排气气体的空燃比越浓厚，越容易发生向大气侧电极23供给的氧供给量不足的状况。
图4是示出向大气侧电极23供给的氧供给量不足的情况下的电压-电流特性的图。如图示那样，在浓厚侧，输出电流值与施加电压成比例地增大。这样由于极限电流值变得不水平而导致空燃比检测精度下降。
因此，ECU 13执行以下说明的控制例程，以抑制伴随空燃比传感器9的检测精度的下降而产生的空燃比控制的精度下降。
图5是ECU 13所执行的空燃比控制的控制例程。
在步骤S10中，ECU 13判定是否处于整个区域空燃比控制中，在未处于整个区域空燃比控制中的情况下，状态保持不变，结束本次的例程，在处于整个区域空燃比控制中的情况下，执行步骤S20的处理。“整个区域空燃比控制”是指基于空燃比传感器9的检测值的空燃比反馈控制，是对燃料喷射量进行控制以实现与运转条件相应地设定的目标空燃比。此外，此处的目标空燃比不限于理论空燃比。例如，在加速时，也有时设定浓厚的目标空燃比以产生更高的转矩。
为了执行整个区域空燃比控制，需要空燃比传感器9处于活动状态。因此，在本步骤中，在如冷机启动后的暖机运转中那样空燃比传感器9未处于活动状态的情况下，判定为不是整个区域空燃比控制。
在步骤S20中，ECU 13判定排气气体的空燃比(A/F)是否小于阈值A/F1，在为阈值A/F1以上的情况下执行步骤S30的处理，在小于阈值A/F1的情况下执行步骤S40的处理。本步骤中所使用的阈值A/F1是即使以该空燃比持续运转、所述空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量也不会不足的空燃比，也就是说，是即使以该空燃比持续运转、空燃比传感器9的检测精度也不下降的空燃比。与大气管路25的容量、大气导入路径等之类的空燃比传感器9的构造相应地设定该阈值A/F1。在本实施方式中，将后述的能够检测的A/F设为阈值A/F1。
在空燃比为阈值A/F1以上的情况下所执行的步骤S30中，ECU 13仍然继续进行整个区域空燃比控制。
在空燃比小于阈值A/F1的情况下，ECU 13在步骤S40中使计时器进行工作，在步骤S50中判定是否经过了预先设定的规定时间。
在此，对规定时间进行说明。
图6是示出由本发明的发明者发现的排气气体的空燃比与空燃比传感器9能够对该空燃比进行测量的能够测量时间之间的关系的图。能够测量时间是空燃比传感器9能够准确地检测空燃比的时间。
在排气气体的空燃比浓厚的情况下，如果空燃比传感器9如上述那样由于大气管路25的容量等的制约而导致向大气侧电极23供给的氧供给量不足，则不能准确地检测空燃比。
当将在空燃比的检测中向大气侧电极23供给的氧供给量不会不足的浓厚侧的极限的空燃比设为检测极限A/F时，如果是与检测极限A/F相比靠稀薄侧的空燃比，则空燃比传感器9的能够测量时间在理论上变为无限大。
另一方面，即使在空燃比与检测极限A/F相比靠浓厚侧的情况下，空燃比传感器9的检测精度也并非立即下降。例如，在空燃比从与检测极限A/F相比稀薄侧向与检测极限A/F相比浓厚侧变化的情况下，刚刚变化后的大气管路25内充满着大气，因此向大气侧电极23供给的氧不会立即不足。也就是说，在用大气管路25内的空气来向大气侧电极23进行氧供给的期间，空燃比传感器9能够高精度地检测空燃比。换句话说，在排气气体的空燃比相比于检测极限A/F浓厚的情况下，越浓厚则空燃比传感器9的能够测量时间越短。
发明者发现了上述的特性，即发现了以下的特性：即使在空燃比相比于检测极限A/F靠浓厚侧的情况下，空燃比传感器9的检测精度也并非立即下降，至下降为止的时间(能够测量时间)是与空燃比相应地决定的。
而且，基于上述特性，在本实施方式中设为与空燃比相应地设定规定时间，将空燃比A/F2时的能够测量时间ST1设定为规定时间。当这样设定规定时间ST1时，在规定时间ST1期间内，能够高精度地检测相比于空燃比A/F2靠稀薄侧的空燃比。具体来说，规定时间ST1是与空燃比传感器9的构造、应用本实施方式的车种相应地设定的，但是大概为几十秒至几分钟左右。
返回到流程图的说明。
ECU 13在步骤S50中判定为没有经过规定时间ST1的情况下执行步骤S60的处理，在判定为已经过规定时间ST1的情况下执行步骤S70的处理。
在步骤S60中，ECU 13继续进行整个区域空燃比控制。原因在于，如果是经过规定时间ST1之前，则在空燃比传感器的能够测量时间内。
在另一方面的步骤S70中，ECU 13禁止进行整个区域空燃比控制，执行基于目标空燃比的开环控制。原因在于，如果以空燃比传感器9的检测精度下降的状态执行整个区域空燃比控制，则空燃比的控制精度会下降。
在步骤S80中，ECU 13判定空燃比A/F是否已恢复到阈值A/F1以上，在已恢复到阈值A/F1以上的情况下执行步骤S90的处理，在没有恢复到阈值A/F1以上的情况下执行步骤S50的处理。
在步骤S90中，ECU 13决定再次开始整个区域空燃比控制，执行步骤S30的处理。此外，在从步骤S60经由步骤S80而到达了步骤S90的情况下，决定仍然执行整个区域空燃比控制。
如上所述，在由于空燃比传感器9的构造上的制约而变为排气气体的空燃比的检测精度可能下降的状况的情况下，在空燃比传感器9能够高精度地检测空燃比的规定时间内继续进行整个区域空燃比控制。而且，在经过了规定时间之后，禁止进行整个区域空燃比控制并切换为开环控制。另外，在切换为开环控制之后，如果空燃比变为阈值A/F1以上则再次开始整个区域空燃比控制。
图7是执行了图5的控制例程的情况下的时序图的一例。在空燃比反馈控制的图中，虚线表示根据本实施方式执行了控制的情况，实线表示根据上述的现有技术执行了控制的情况。
在定时T1之前，空燃比传感器9没有处于活动状态，因此没有进行整个区域空燃比控制(空燃比反馈控制)。
当在定时T1空燃比传感器9变为活动状态时，开始进行整个区域空燃比控制。另外，从定时T1起车辆开始加速，因此发动机负荷增大，空燃比变为浓厚。空燃比变为浓厚的原因在于，目标空燃比切换为所谓的输出空燃比或接近输出空燃比的值以产生更高的转矩。
当在定时T2目标空燃比相比于阈值A/F1浓厚时，以使计时器工作的状态继续进行整个区域空燃比控制。
当为从使计时器工作起经过了规定时间ST1的定时T3时，从整个区域空燃比控制切换为开环控制。在切换时，空燃比阶梯式地发生变化，原因在于，由于切换为开环控制，因此无法吸收由燃料喷射阀等部件的个体差异引起的燃料喷射量的偏差。因而，根据上述的偏差的大小，不会发生定时T3时的阶梯式的变化。
在切换为开环控制之后，当在定时T4排气气体的空燃比超过A/F1时，从开环控制切换为整个区域空燃比控制。
如上所述，在本实施方式中，即使在向大气侧电极23供给的氧供给量不足而空燃比传感器9的检测精度可能下降的空燃比、例如输出空燃比或者接近该输出空燃比的空燃比下，在规定时间内也能够对空燃比进行反馈控制。其结果，与进入该区域之后立即切换为开环控制的情况相比，在输出、燃料消耗以及排气排放所有方面均得到改善效果。
接着，对基于本实施方式的作用效果进行总结。
本实施方式的空燃比控制装置具备：空燃比传感器9，其输出电流值根据氧浓度而线性地变化；以及ECU 13(空燃比反馈单元、禁止单元)，其基于空燃比传感器9的检测值来对空燃比进行反馈控制，在空燃比小于规定的浓厚空燃比的情况下禁止进行反馈控制。而且，空燃比控制装置在从空燃比变得小于规定的浓厚空燃比起的规定时间内允许进行反馈控制。在此，规定的浓厚空燃比是当以该空燃比持续运转时空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量不足的空燃比。
由此，例如，如要求像输出空燃比那样浓厚的目标空燃比的情况那样，即使在由于空燃比传感器9的构造上的制约而向大气侧电极23供给的氧供给量不足从而空燃比的检测精度可能下降的状况下，也能够执行空燃比反馈控制。其结果，相比于在同一状况下进行开环控制的情况，能够在输出、燃料消耗以及排气排放的方面实现改善。
在本实施方式中，如果禁止了进行空燃比反馈控制，则执行将规定空燃比设为目标值的开环控制。由此，即使在空燃比传感器9的检测精度已下降的状态下，也能够抑制实际的空燃比与目标空燃比之间的背离。
本实施方式中的规定时间被设定为短于到空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量不足而空燃比的检测精度下降为止的时间。由此，能够防止基于在检测精度低的状态下检测出的空燃比来执行空燃比反馈控制。
在本实施方式中，内燃机1具备涡轮式增压机10，空燃比传感器9设置于比涡轮10B靠上游侧的排气通路3。由此，空燃比传感器9对进行混合之前的排气气体的空燃比进行检测，易于进行气缸判别。其结果，能够进行应对气缸间的燃料喷射量等的偏差的空燃比控制。
在本实施方式中，空燃比传感器9构成为包括：固体电解质层21，其能够使氧离子进行移动；排气侧电极22，其设置于固体电解质层21的排气侧，暴露于内燃机1的排气通路3内；大气侧电极23，其设置于固体电解质层21的大气侧，暴露于大气；以及电压施加单元28，其对排气侧电极22与大气侧电极23之间施加电压。由此，空燃比传感器9的输出电流值根据排气气体的氧浓度而线性地变化，因此空燃比传感器9能够在宽广的范围内对空燃比进行检测。
本实施方式中的规定时间的长度是与空燃比相应地设定的。由此，能够与按每个空燃比而不同的能够测量时间对应地设定适当的规定时间，因此能够更长时间地持续进行空燃比反馈控制。
此外，在上述说明中，使用了所谓的大气导入型的空燃比传感器9，但是在使用在设置于元件20内的氧泵层生成氧的类型的情况下，也能够应用本实施方式。原因在于，即使是具有氧泵层的类型的空燃比传感器9，也可能发生在空燃比变为浓厚的情况下赶不上氧的生成而向大气侧电极23供给的氧供给量不足的状况。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，主旨并非将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体的结构。

Claims (6)

1.一种空燃比控制装置，具备：
空燃比传感器，其输出电流值根据氧浓度而线性地变化；
空燃比反馈控制单元，其基于所述空燃比传感器的检测值来对空燃比进行反馈控制；以及
禁止单元，其在空燃比小于规定的浓厚空燃比的情况下禁止进行所述反馈控制，所述规定的浓厚空燃比是当以该空燃比持续运转时所述空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量不足的空燃比，
其中，所述空燃比控制装置在从空燃比变得小于所述规定的浓厚空燃比起的规定时间内允许进行所述反馈控制，所述规定时间被设定为短于到由于所述空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量不足而空燃比的检测精度下降为止的时间。
2.根据权利要求1所述的空燃比控制装置，其特征在于，
如果禁止了进行所述反馈控制，则执行将规定空燃比设为目标值的开环控制，其中，在所述反馈控制中，使内燃机的排气气体的空燃比成为所述规定空燃比。
3.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于，
所述空燃比控制装置是用于内燃机的空燃比控制装置，所述内燃机具备涡轮式增压机，
所述空燃比传感器设置于比所述涡轮式增压机的涡轮靠上游侧的排气通路。
4.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于，
所述空燃比传感器构成为包括：
固体电解质层，其能够使氧离子进行移动；
排气侧电极，其设置于所述固体电解质层的排气侧，暴露于内燃机的排气通路内；
大气侧电极，其设置于所述固体电解质层的大气侧，暴露于大气；以及
电压施加单元，其对所述排气侧电极与所述大气侧电极之间施加电压。
5.根据权利要求1或2所述的空燃比控制装置，其特征在于，
与空燃比相应地设定所述规定时间的长度。
6.一种空燃比控制方法，其中，
基于输出电流值根据氧浓度而线性地变化的空燃比传感器的检测值，来执行对燃料喷射量进行反馈控制以使内燃机的排气气体的空燃比成为规定空燃比的空燃比反馈控制，
在空燃比小于规定的浓厚空燃比的情况下，在从空燃比变得小于所述规定的浓厚空燃比起的规定时间内允许进行所述反馈控制，如果经过了所述规定时间则禁止进行所述反馈控制，
其中，所述规定的浓厚空燃比是当以该空燃比持续运转时所述空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量不足的空燃比，所述规定时间被设定为短于到由于所述空燃比传感器向大气侧电极供给的氧供给量不足而空燃比的检测精度下降为止的时间。
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