CN113728160A - 发动机系统的控制方法以及发动机系统 - Google Patents

Abstract

一种发动机系统的控制方法，发动机系统具有：发动机，其具有燃烧室；燃料喷射阀，其将燃料供给至发动机；以及空燃比传感器，其设置于来自发动机的排气的流路。控制方法对燃料喷射阀进行控制，由此利用由空燃比传感器获取的空燃比测定值，以使得燃烧室内的空燃比达到目标值的方式进行反馈控制。在反馈控制中，利用通过对将燃烧室内的空燃比设为输入、将由空燃比传感器获取的空燃比测定值设为输出的被控对象进行系统同定而获得的传递函数。针对反馈控制中使用的空燃比测定值，进行将与传递函数所示的滞后相比而响应速度快的分量截止的滤波处理。

Description

发动机系统的控制方法以及发动机系统

技术领域

本发明涉及发动机系统的控制方法以及发动机系统。

背景技术

在内燃发动机中，利用在与燃烧室连通的排气流路设置的空燃比传感器对排气中的空燃比(空气和燃料的质量比)进行测定，根据空燃比测定值使向燃烧室的燃料供给量变化，由此对燃烧室内的空燃比进行反馈控制。通过这样对空燃比进行反馈控制而能够在燃烧室中以任意的空燃比使燃料燃烧。

同时，由空燃比传感器测定的空燃比测定值用于诊断在燃烧室内燃料是否正常燃烧。近年来对环境问题的意识提高而对燃烧状态的诊断要求较高的即时性，并使用响应性较高的空燃比传感器。然而，如果空燃比传感器的响应性升高，则噪声混入空燃比测定值的可能性升高。而且，如果利用混入有噪声的空燃比测定值进行空燃比的反馈控制，则噪声会放大，燃烧室内的空燃比的反馈控制有可能变得不稳定。

因此，将空燃比传感器的空燃比测定值以保持原样的值用于燃烧状态的诊断，并且通过进行滤波处理而去除噪声，将去除噪声后的空燃比测定值用于燃烧室内的空燃比的控制。此外，通过滤波处理抑制空燃比测定值中包含的噪声(JPH6-50204A)。

发明内容

有时根据多个参数并通过加权平均而构成用于针对空燃比测定值的滤波处理的滤波器。这种滤波器通过使衰减率等滤波器内的多个参数变化、且针对每个参数对来自滤波器的输出结果进行对比而实现最优化。因此，存在如下问题，即，需要对与参数相应的多个滤波器进行评价，关联工时增大。

本发明的目的在于提供通过关联工时较少的方法而实现用于针对空燃比测定值的滤波处理的滤波器的发动机系统的控制方法以及发动机系统。

根据本发明的某个方式，一种发动机系统的控制方法，发动机系统具有：发动机，其具有燃烧室；燃料喷射阀，其将燃料供给至发动机；以及空燃比传感器，其设置于来自发动机的排气的流路。控制方法对燃料喷射阀进行控制，由此利用由空燃比传感器获取的空燃比测定值，以使得燃烧室内的空燃比达到目标值的方式进行反馈控制。在反馈控制中，利用通过对将燃烧室内的空燃比设为输入、将由空燃比传感器获取的空燃比测定值设为输出的被控对象进行系统同定而获得的传递函数。针对反馈控制中使用的空燃比测定值，进行将与传递函数所示的滞后相比而响应速度快的分量截止的滤波处理。

附图说明

图1是本实施方式的发动机系统的概略结构图。

图2是与空燃比传感器的检测值的处理相关的框图。

图3是表示滤波器的传递特性的图。

图4是表示传递函数的系统结构图。

图5A是表示空燃比的时间变化的曲线图。

图5B是表示空燃比的时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本实施方式所涉及的发动机系统100的概略结构图。该发动机系统100搭载于车辆，在发动机系统100设置有作为内燃机的发动机1、向发动机1输送进气的进气通路10、以及供来自发动机1的排气通过的排气通路20，并且利用控制器30对整个发动机系统100进行控制。

进气通路10构成为将从外部取入的进气供给至发动机1。在进气通路10中，从进气流的上游侧按顺序起配置有空气流量计11、压力传感器12以及节流喷射阀13。

空气流量计11及压力传感器12分别对进气通路10的进气的流量及压力进行测定，将测定的结果向控制器30输出。

节流喷射阀13由控制器30进行驱动控制，对进气通路10内的开度进行调整，由此调整向发动机1供给的进气流量。由节流喷射阀13调整进气流量后的进气被导入至发动机1的燃烧室2。

在发动机1设置有燃料喷射阀14，在规定的定时(timing)对燃料喷射阀14进行控制，由此向发动机1的燃烧室2内喷射燃料并在燃烧室2形成燃料和空气的混合气体。在发动机1的气缸盖设置有火花塞15，利用该火花塞15使燃烧室2内的混合气体燃烧。此外，在本实施方式中，燃料喷射阀14构成为向燃烧室2喷射燃料，但并不局限于此。可以以如下方式构成，即，燃料喷射阀14设置于进气通路10，在进气通路10内构成燃料和空气的混合气体，将混合气体供给至燃烧室2。

在发动机1的燃烧室2通过燃烧而生成的燃烧气体经由排气通路20向外部排出。在排气通路20从排气流的上游侧起按顺序配置有空燃比传感器21、对排气进行净化的催化器22、以及减弱因排气而产生的声音的消音器23。催化器22为三元催化器、氧化催化器等。

空燃比传感器21对排气中的氧气浓度进行测定，将测定结果向控制器30输出。控制器30基于由空燃比传感器21测定的氧气浓度而求出表示测定出的排气中的空燃比的空燃比测定值。如后所述，获取的空燃比测定值用于控制器30的燃烧状态的诊断、以及发动机1的燃烧室2内的空燃比的控制。

在由空气流量计11测定的进气流量、由空燃比传感器21获取的排气中的空燃比测定值等的基础上，曲轴转角传感器(未图示)、加速器开度传感器(未图示)等的检测值也被输入至控制器30。控制器30基于上述检测值而执行节流喷射阀13的开度控制、利用燃料喷射阀14的燃料喷射控制、以及利用火花塞15的点火时机控制等。

控制器30构成为能够利用具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微机执行规定的程序。控制器30也可以由多台微机构成。

另外，在发动机1中，优选使得燃料和氧气完全燃烧，因此控制器30利用由空燃比传感器21获取的空燃比测定值，以使得发动机1的燃烧室2内的空燃比与目标值一致的方式对从燃料喷射阀14供给的燃料量进行控制。此外，发动机1中的大气相对于燃料的重量比也表示为空气过剩率λ，空燃比控制有时也称为λ控制。

图2是与由空燃比传感器21获取的空燃比测定值的处理相关的框图。

空燃比传感器21由氧化锆等电压根据氧气浓度而变化的金属构成。首先，表示由空燃比传感器21测定的电压的模拟信号被向控制器30的A/D输入部31输入。

A/D输入部31由ASIC(面向特定用途集成电路：Application Specif icIntegrated Circuit)构成，对所输入的电压信号进行数字变换，将数字变换后的电压值输出。从A/D输入部31输出的电压值经由对控制器30的与硬件处理相关的输入输出进行控制的BIOS(Basic Input Output System)32而向变换部33输出。

变换部33利用预先存储的使得空燃比传感器21的检测电压和氧气浓度建立关联的表，求出与由空燃比传感器21获取的电压相应的氧气浓度，基于该氧气浓度而计算出空燃比。而且，变换部33将计算出的空燃比向校正部34输出。

校正部34利用预先存储的表对由变换部33求出的空燃比进行与排气状态相应的规定的校正，求出空燃比测定值。将求出的空燃比测定值向诊断部35以及滤波器36输出。

在诊断部35中判断空燃比测定值是否处于正常的范围。在空燃比测定值未处于正常的范围的情况下，诊断部35判断为发动机1未正常执行动作且有可能失火等。控制器30可以根据诊断部35的诊断结果而向驾驶者显示警告等。

另一方面，在滤波器36进行空燃比测定值中产生的噪声的去除，将滤波处理后的空燃比测定值向空燃比控制部37输出。

此外，可以在滤波器36的前后进行趋势处理。在趋势处理中，在滤波器36的前半段预先减去规定的趋势值(平均值)，在滤波器36的后半段加上趋势值。通过进行这种趋势处理，在不存在启动初期的初始值的情况下，能够抑制滤波处理后的值的变动。

空燃比控制部37利用由滤波器36去除噪声后的空燃比测定值求出发动机1的燃烧室2内的空燃比的目标值，将目标值向下位的控制器(未图示)输出。而且，下位的控制器以达到由空燃比控制部37计算出的目标值的方式对燃料喷射阀14进行控制，由此控制燃烧室2内的空燃比。

此外，在空燃比控制部37进行反馈控制。通常，在反馈控制中，对成为控制对象的被控对象(plant)进行系统同定而求出将被控对象进行模型化的传递函数，利用该传递函数进行反馈控制。传递函数表示输出相对于输入的滞后，因此能够利用传递函数而根据被控对象的输出对被控对象当前的状态进行推定。而且，能够基于推定出的状态而对被控对象进行控制。

另外，在空燃比控制部37的反馈控制中，进行滑动模式控制。在滑动模式控制中，以如下方式进行控制，即，通过状态空间表现而表示控制对象，在该状态空间中将控制对象的状态变量约束至规定的超平面上，在超平面上使系统的状态朝向原点滑动。这种滑动模式控制的稳健性较高。另外，近年来，利用计算机能够使得状态空间的计算实现高速化，能够比较容易地进行被控对象的系统同定。

这样，在空燃比控制部37的反馈控制中，利用通过对将发动机1的燃烧室2内的空燃比设为输入、且将由空燃比传感器21获取的空燃比测定值设为输出的被控对象进行系统同定而求出的传递函数。例如，在空燃比控制部37利用由下式表示的二阶传递函数。

[数学式1]

通过被控对象的系统同定而规定式(1)中的a₀、a₁、b₀以及b₁的参数。具体而言，进行滑动模式控制的情况下的系统同定利用多个被控对象的输入输出的观测值，通过利用计算机的行列计算而进行，其结果，能够获得式(1)中的参数。

在被控对象中，直至由空燃比传感器21获取到空燃比测定值为止，发动机1的燃烧室2内的空燃比存在滞后，可以由传递函数表示该滞后。即，空燃比控制部37利用传递函数而能够根据空燃比测定值对燃烧室2内的空燃比进行推定，并基于该推定出的空燃比而对燃烧室2内的空燃比进行控制。

在本实施方式中，滤波器36沿用式(1)所示的、用于空燃比控制部37的反馈控制的传递函数。这是因为，传递函数表现出被控对象的空燃比的检测的滞后，因此将传递函数用作滤波器而能够使得与传递函数所示的滞后相比响应速度更快的分量、即空燃比传感器21中无法获取的高频分量截止。

此外，滤波器36的采样周期可以比变换部33及校正部34的采样周期更长。这是因为，利用来自滤波器36的输出的空燃比控制部37与诊断部35相比而对即时性的要求较低，因此可以延长采样周期，另外，通过延长采样周期而能够将更多的噪声去除。

图3是表示式(1)的传递函数的滤波特性的图。在该图中，x轴表示频率，y轴表示输出强度。

在空燃比控制部37中，根据向发动机1供给的进气流量而切换使用图示的3种传递函数。上述3种传递函数是使得较低频率的信号通过的低通滤波器，进气流量越多，截止频率f_cut越高。这是因为，进气流量越多，从发动机1的燃烧室2内的空燃比的输入至利用空燃比传感器21获取的空燃比测定值的输出为止的滞后越小。

在该图中，在由实线、点划线以及双点划线所示的特性中，由实线表示进气流量最大，由双点划线表示进气流量最小。进气流量最大的情况下的截止频率f_{cut_a}最大，进气流量越小，越按照截止频率f_{cut_b}、截止频率f_{cut_c}的顺序减小。

另外，在被控对象中，比无法由传递函数表现的截止频率高的频率的信号无法进行模型化，因此可以视为噪声。如上所述，利用进气流量最大的情况下的传递函数、且是截止频率f_{cut_a}最大的传递函数作为滤波器36，由此能够高效地抑制被控对象中有可能产生的噪声。

图4是滤波器36的系统结构图。在该图中，示出针对式(1)的传递函数进行了离散化的系统。

在该图的系统中，输入至模块401的值经由滤波器36的内部处理而最终从模块416输出。在前半部分的模块401～406中进行传递函数的分母部分的处理(1/(1+a₁z^-1+a₀z^-2))，在后半部分的模块411～416中进行传递函数的分子部分的处理(b₁z^-1+b₀z^-2)。而且，在滤波器36中，两者串联连接，如果在模块401中接收到输入，则最终从模块416将滤波处理后的值输出。

在前半部分，来自模块402的输出经由滞后模块403而获得一阶滞后分量，利用模块404对该一阶滞后分量乘以a₁而求出一阶滞后反馈分量。而且，针对来自模块402的输出使其经由滞后模块403、405而获得二阶滞后分量，利用模块406对该二阶滞后分量乘以a₀而求出二阶滞后反馈分量。而且，在模块402中，从来自空燃比传感器21的输入值减去利用模块404获得的一阶滞后反馈分量、以及利用模块405获得的二阶滞后反馈分量而求出传递函数的分母部分。

在后半部分，来自模块402的输出经由滞后模块411而获得一阶滞后分量，利用模块412对该一阶滞后分量乘以b₁而求出一阶滞后反馈分量。而且，来自模块402的输出经由滞后模块411、413而获得二阶滞后分量，利用模块414对该二阶滞后分量乘以b₀而求出二阶滞后反馈分量。而且，在模块415中，对由模块412获得的一阶滞后反馈分量和由模块414获得的二阶滞后反馈分量进行合计计算而求出传递函数的分子部分。

这样，该图所示的系统的前半部分的模块401～406的式(1)的分母部分、和后半部分的模块411～416的式(1)的分子部分串联连接。该系统将式(1)的传递函数离散化，与式(1)的传递函数等效。

图5A、5B是表示本实施方式和对比例的时序图的图。

图5A是喷射燃料而空燃比阶梯式地变化的情况下的空燃比的时序图。图5B是进行与图5A相同的控制的情况下的向目标值收敛后的空燃比的时序图。在上述图中，由空燃比传感器21获得的空燃比测定值由实线表示，目标值由虚线表示。并且，本实施方式的来自式(1)的滤波器36的输出值由点划线表示，作为对比例而使用加权平均滤波器作为滤波器36的情况下的输出值由双点划线表示。

如图5A所示，本实施方式的式(1)的滤波器36与对比例的使用加权平均滤波器的情况相比，针对来自空燃比传感器21的输出值的追随性为相同程度。另外，如图5B所示，关于本实施方式的利用由式(1)构成的滤波器36获得的值，来自空燃比传感器21的输出中包含的高频的噪声受到抑制。并且，与对比例相比，利用本实施方式的滤波器36获得的值与全部都来自空燃比传感器21的输出值之差更小。

这样，本实施方式的式(1)的滤波器36的性能达到与对比例的加权平均滤波器同等程度。并且，滤波器36沿用空燃比控制部37中使用的传递函数，因此能够抑制开发工时。

此外，在本实施方式中，在空燃比控制部37的反馈控制中，使用将被控对象进行了模型化的式(1)所示的传递函数，在滤波器36中沿用式(1)所示的传递函数，但并不局限于此。也可以在滤波器36中使用式(1)所示的传递函数，在空燃比控制部37的反馈控制中使用除了式(1)以外的传递函数。

根据本实施方式，能够获得下面的效果。

根据本实施方式的发动机系统100，在控制器30的空燃比控制部37中，利用通过对将燃烧室2内的空燃比设为输入、将由空燃比传感器21获取的空燃比测定值设为输出的被控对象进行系统同定而获得的传递函数进行反馈控制。而且，滤波器36采用与该传递函数等效的低通滤波器。

该传递函数表现被控对象的空燃比的检测的滞后，因此经由传递函数的输出仅包含空燃比传感器21中能够获取的频率。因此，在滤波器36中利用该传递函数作为低通滤波器，由此能够消除在被控对象中无法响应的高频的噪声。

并且，在空燃比控制部37中进行反馈控制，在该反馈控制中利用通过对被控对象进行系统同定而获得的传递函数。因此，对于滤波器36可以沿用空燃比控制部37的反馈控制中使用的传递函数。其结果，无需用于设计滤波器36的追加工时，能够削减整体的开发工时。

根据本实施方式的发动机系统100，如图3所示，进气流量越大，作为低通滤波器的传递函数的截止频率越大。因此，在进气流量最大的情况下的被控对象中利用通过系统同定而获得的滤波器36，由此使得更高频率的信号通过滤波器36。

设计使得噪声与从被控对象输出的信号分离的滤波器，因此作为需要被控对象中能够响应的最大频率的信号而使其通过。因此，针对滤波器36使用进气流量最大的情况下的传递函数，由此使得更高频率的信号从滤波器36通过，因此能够高效地抑制噪声。

根据本实施方式的发动机系统100，对于空燃比控制部37的反馈控制而采用滑动模式控制。滑动模式控制的稳健性较高，另外，能够利用计算机比较容易地进行系统同定。因此，能够利用计算机进行实施滑动模式控制的情况下的被控对象的系统同定，因此开发工时的削减效果增大。

根据本实施方式的发动机系统100，滤波器36将用于空燃比控制部37的反馈控制的传递函数进行了离散化。对于滤波器36利用进行了离散化的传递函数，由此能够使得向空燃比控制部37的输入的采样周期变化。因此，通过使采样周期变化而能够实现具有反馈控制的稳定性及即时性这两者的发动机系统100。

以上对本发明的实施方式进行了说明，上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其主旨并非将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。

Claims (5)

1.一种发动机系统的控制方法，该发动机系统具有：

发动机，其具有燃烧室；

燃料喷射阀，其将燃料供给至所述发动机；以及

空燃比传感器，其设置于来自所述发动机的排气的流路，

该控制方法对所述燃料喷射阀进行控制，由此利用由所述空燃比传感器获取的空燃比测定值，以使得所述燃烧室内的空燃比达到目标值的方式进行反馈控制，其中，

在所述反馈控制中，利用通过对将所述燃烧室内的所述空燃比设为输入、将由所述空燃比传感器获取的所述空燃比测定值设为输出的被控对象进行系统同定从而获得的传递函数，

针对所述反馈控制中使用的空燃比测定值，进行将与所述传递函数所示的滞后相比而响应速度更快的分量截止的滤波处理。

2.根据权利要求1所述的发动机系统的控制方法，其中，

所述滤波处理将与向所述燃烧室的进气流量最大的情况下的所述传递函数所示的滞后相比而响应速度更快的分量截止。

3.根据权利要求1或2所述的发动机系统的控制方法，其中，

所述反馈控制基于滑动模式控制而进行。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的发动机系统的控制方法，其中，

利用通过对所述传递函数进行离散化而求出的低通滤波器，进行滤波处理。

5.一种发动机系统，其具有：

发动机，其具有燃烧室；

燃料喷射阀，其将燃料供给至所述发动机；

空燃比传感器，其设置于来自所述发动机的排气的流路；以及

控制器，其对所述燃料喷射阀进行控制，由此利用由所述空燃比传感器获取的空燃比测定值，以使得所述燃烧室内的空燃比达到目标值的方式进行反馈控制，其中，

在所述控制器中，在所述反馈控制中，利用通过对将所述燃烧室内的所述空燃比设为输入、将由所述空燃比传感器获取的所述空燃比测定值设为输出的被控对象进行系统同定从而获得的传递函数，

针对所述反馈控制中使用的空燃比测定值，进行将与所述传递函数所示的滞后相比而响应速度更快的分量截止的滤波处理。

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