CN1704576A - 内燃机的空燃比控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种通过提高下游侧空燃比的反馈性能，可最大限度地发挥催化剂性能的内燃机的空燃比控制装置，其包括：设置在三元催化剂(8)上游侧的通道内、检测内燃机空燃比的上游侧空燃比传感器(10)；设置在三元催化剂下游侧的通道内、检测三元催化剂后的空燃比的下游侧空燃比传感器(11)；具有ECU(21)、ECU(21)中对下游侧空燃比传感器输出进行相位超前运算的下游空燃比传感器输出相位超前运算装置；为使下游空燃比传感器输出相位超前运算装置的输出与目标下游空燃比一致，而运算目标上游空燃比的目标上游空燃比运算装置；为使上游空燃比与目标上游空燃比一致，而运算空燃比修正量的空燃比修正量运算装置；根据所述空燃比修正量调节燃料喷射量的燃料喷射量调节装置。

Description

内燃机的空燃比控制装置
技术领域
本发明涉及在三元催化剂的上游和下游设置空燃比传感器、将上游的空燃比反馈与下游空燃比反馈结合来调节燃料喷射量的内燃机空燃比控制装置。
背景技术
目前的汽油汽车中作为排气净化系统安装有三元催化剂。三元催化剂由贵金属即Pt(白金)、Pd(钯)、  Rh(铑)构成，具有通过催化作用将汽车的有害气体成分(HC、NOx、CO)转换为无害的气体的作用。为了发挥催化作用，将排气保持在理论空燃比是行重要的，助催化剂即氟化铈(セリァ)根据周围环境而吸收、放出氧气，将氧气浓度保持恒定(将其称为氧气吸存能力)，故起到吸收空燃比的变动、将催化剂内保持为理论空燃比(日文：ストイキ)的作用。
众所周知，上游空燃比与催化剂净化率之间存在图9所示的关系，为了将上游空燃比始终保持在理论空燃比附近，进行空燃比反馈。在一般的空燃比反馈系统中，尽可能在靠近燃烧室的排气系统的部位、即三元催化剂的上游侧安装空燃比传感器(氧气浓度传感器)，对发动机的燃料喷射量进行反馈控制，以使燃烧气体成为理论空燃比。而且，例如在日本专利特开昭58-48756号公报(以下称为专利文献1)中已经揭示了在三元催化剂的下游侧也安装空燃比传感器，对上游侧的空燃比传感器的偏差和时效劣变变化进行补偿的双空燃比传感器系统。
另外，在燃料切断中，与通常的空燃比反馈时不同，含有氧气的排气大量向催化剂流入，因而三元催化剂所具有的氧气吸存能力产生饱和，NOx净化率大大降低。为此，燃料切断复位时，将下游侧空燃比传感器的信号切换至浓检测状态为止的期间的λ反馈控制的控制参数设定为向浓侧偏移，以使氧气吸存量适当，这方面例如在日本专利特开平5-26076号公报(以下称为专利文献2)中已有揭示。
但是，在专利文献1那样的方法中，下游空燃比传感器是为了修正上游空燃比传感器的劣变而使用的，下游空燃比传感器的反馈较慢。因此，如图12所示，即使后λ传感器输出反转至稀侧，因为喷射量修正慢，故催化剂上游侧A/F的变化也慢，其结果，相对于NOx的净化率变差。因此，难以始终最大限度地确保催化剂的净化率。
专利文献2中，如图13所示，若后λ传感器反转至浓输出后再解除燃料增量修正的话，在排气系统及催化剂存在较大的相位延迟，故催化剂内的空燃比就浓，存在CO净化率下降之虞。
发明内容
本发明是为了解决上述传统装置的问题而提出的，其目的在于提供一种通过提高下游侧空燃比的反馈性能，而可最大限度地发挥催化剂性能的内燃机的空燃比控制装置。
(1)本发明的内燃机的空燃比控制装置包括：设置在内燃机排气通道内的三元催化剂；设置在所述三元催化剂上游侧通道内、且检测所述内燃机空燃比的上游侧空燃比传感器；设置在所述三元催化剂下游侧通道内、且检测所述三元催化剂后的空燃比的下游侧空燃比传感器；对下游侧空燃比传感器输出进行相位超前运算的下游空燃比传感器输出相位超前运算装置；为了使下游空燃比传感器输出相位超前运算装置的输出与目标下游空燃比一致而运算目标上游空燃比的目标上游空燃比运算装置；为了使上游空燃比与目标上游空燃比一致而运算空燃比修正量的空燃比修正量运算装置；以及根据所述空燃比修正量而调节燃料喷射量的燃料喷射量调节装置。
(2)另外，在所述(1)的空燃比控制装置中，所述下游空燃比传感器输出相位超前运算装置，是用来设置在相位超前运算中接受所述下游侧空燃比传感器的最大值·最小值。
(3)在所述(1)的空燃比控制装置中，所述目标上游空燃比运算装置，当下游空燃比传感器输出相位超前运算装置的输出与目标下游空燃比相比为规定值以上浓时，将目标上游空燃比修正量设定为比通常浓得多。
(4)在所述(1)的空燃比控制装置中，设有：减速时停止燃料喷射量的燃料喷射量停止装置；刚解除燃料喷射量停止后、增加燃料喷射量的燃料喷射复位后增量装置；当所述下游空燃比相位超前输出为目标下游空燃比的规定偏差以内时、停止燃料喷射增量的装置。
采用本发明，通过将下游空燃比传感器输出进行相位超前处理，可得到能改善后λ反馈系统中的相位延迟、动态也能始终将催化剂净化率保持成最大的内燃机的空燃比控制装置。
另外，通过在相位超前处理中设置最小值/最大值限制，即使在对下游空燃比传感器使用λ传感器进行相位超前处理的情况下，也不会出现修正过大而使控制性变差的情况。
另外，当下游空燃比传感器输出与目标下游空燃比输出相比较大地偏向稀时，通过为了将目标A/F急剧变浓而设定后λ反馈的P项增益，即使催化剂内的氧气吸存量为饱和时也可使氧气吸存量迅速趋于适当，可防止NOx变得严重。
另外，即使燃料切断时催化剂内的氧气吸存量为饱和时，燃料切断复位时燃料量增加而使上游空燃比变浓，从而消耗吸存在催化剂内的氧气。而且，根据相位超前处理后的下游空燃比传感器输出解除燃料切断复位增量，故能迅速地使氧气吸存量恢复至适当值。因此，燃料切断复位后的加速中也不会排出NOx。
附图的简单说明
图1是表示本发明的实施形态1的内燃机的空燃比控制装置的概要构成图。
图2是表示λ传感器及催化剂后气体浓度与下游空燃比的关系的图。
图3是用于说明本发明的实施形态1的内燃机空燃比控制装置的控制系统的控制方框图。
图4是表示本发明的实施形态1的后λ反馈运算程序的流程图。
图5是表示本发明的实施形态1的前A/F反馈运算程序的流程图。
图6是表示本发明的实施形态1的燃料切断复位增量运算程序的流程图。
图7是表示本发明的实施形态1的一例P项修正量表。
图8是表示本发明的实施形态1的一例1项修正量表。
图9是表示公知的上游空燃比与催化剂净化率的关系的图。
图10是表示本发明的实施形态1的内燃机的空燃比控制装置的动作说明图。
图11是表示本发明的实施形态1的燃料切断复位增加修正时的动作说明图。
图12是表示传统装置的动作说明图。
图13是表示传统装置的动作说明图。
具体实施方式
图1将本发明的实施形态1的空燃比控制装置应用于汽车用内燃机的情况的整体概要图。
图1中，1是空气滤清器，具有除去吸入吸气通道的空气中含有的尘埃的过滤器。2例如是热线式空气流量传感器等空气流量传感器，产生与吸入空气流量相对应的电压信号。3是节流阀，与未图示的加速踏板联动，用于调节吸入空气量。4是稳压箱，5是与发动机本体6的吸气接口连接的吸气管，通过稳压箱4与吸气通道连接。9是与发动机本体6的排气接口连接的排气管。而且，在节流阀3附近设有例如内置有电位差计以对节流阀开度进行检测的节流阀开度传感器13。14是怠速开关，检测节流阀3处于全关的状态。
吸气管5的各气缸设置燃料喷射阀7，根据ECU(发动机控制单元)21的信号开阀，将加压燃料向各气缸的吸气接口喷射。对燃料喷射阀7的喷射量控制在后面进行说明。
在排气管9上设有前催化剂转换器8，在其下游安装有后催化剂转换器12，在各个催化剂转换器中内置有三元催化剂，可同时净化排气中的HC、NOx、CO这3种成分。另外，在前催化剂转换器8的上游设有上游侧空燃比传感器(以下也称为线性A/F传感器)10，可从排气种含有的氧气浓度线性地检测出上游空燃比。在前催化剂转换器8的下游设有下游侧空燃比传感器(以下也称为后λ传感器)11，根据氧气浓度产生浓/稀电压。
曲柄角传感器22，每当发动机6的曲柄轴进行一定旋转后就输出脉冲信号。凸轮角传感器23，每当发动机6的凸轮轴进行一定旋转后就输出脉冲信号。例如，曲柄角传感器22在每曲柄旋转角10°就输出旋转角检测用的脉冲。
凸轮角传感器23针对各气缸输出不同的信号，故与曲柄角传感器22的信号组合就可判定气缸。另外，发动机6的气缸体的水套上设有输出接受发动机冷却水温的电压信号的水温传感器15。
而在车室内设有ECU21，ECU21由中央运算处理装置16、ROM17、RAM18、输入输出接口19、驱动电路20构成。ECU21的输入侧还连接有上述以外的各种传感器和开关类。各种传感器输出通过接口进行A/D转换，然后读入ECU。另外，ECU21的输出侧除了喷射阀7以外，还连接有未图示的点火线圈和ISC阀等各种作动器，可输出根据各种传感器和开关类的检测信号运算得到的结果，以对作动器进行控制。
接着，利用图3对本实施形态1的燃料喷射控制进行说明。
ECU21是在将空气流量传感器2的输出经由A/D转换后读入，对曲柄角传感器22信号区间的吸气量进行累积，算出一个吸气行程的吸入空气量A/N0。为了模拟稳压箱4内的响应延迟，对吸入空气量A/N0施加1次过滤器，对进入气缸的吸入空气量A/N进行运算。对于由此得到的A/N，算出成为理论空燃比的基本燃料喷射时间TB。另外，运算基于水位传感器15的取暖机修正量cw、基于节流阀开度传感器13的加减速修正量cad和其他各种燃料修正量cetc。
接着对空燃比反馈部分进行说明。
ECU21是在各规定周期(例如5ms)将线性A/F传感器10和后λ传感器11的信号经由A/D转换后读入。线性A/F传感器输出vlaf通过事先存放在ROM17内的线性A/F传感器输出变换图而变换为实际空燃比laf。然后算出与后叙的目标A/F即Aftg的偏差，进行PI运算，算出修正量cfb2。
后λ传感器输出vrox进行相位超前运算，相位超前处理后得到后λ传感器输出rox0后，运算与目标后λ电压ROXTGT的偏差roxerr。根据偏差roxerr进行PI运算，修正预先设定的基本目标A/F即AFBSE，运算目标A/F即Aftgt。从目标A/F即Aftgt算出燃料修正量cfb1。A/F在没有外部干扰的情况下，通过cfb1，实际A/F与目标A/F一致，但存在外部干扰时，可通过cfb2将实际A/F修正为目标A/F。
因为燃料切断中不进行燃烧，含有大量氧气的空气流入催化剂，催化剂具有的氧气吸存能力，使燃料切断复位后暂时催化剂内的空燃比处于稀的状态。该状态难以仅用空燃比反馈进行修正。为此，相位超前处理后直到后λ传感器输出向浓侧反转为止，在燃料切断后进行燃料增量修正cfc。
利用由此得到的修正量对基本燃料喷射时间TB进行修正。而且，加上对燃料喷射阀7的开阀延迟时间进行修正的无效喷射时间TD，算出实际燃料喷射脉冲时间TI后，再借助驱动电路20驱动燃料喷射阀7。
采用以上结构，由于将后λ传感器输出进行相位超前处理，因而可补偿排气系统及催化剂的响应延迟，也可恰当地进行燃料切断后的燃料增量修正，始终将催化剂净化率保持在最大。
以下，利用流程图对空燃比反馈修正进行详细说明。图4表示后λ反馈运算程序。
首先，在步骤S101中，如空燃比反馈执行标志已被设定(xfb＝1)，则进行后λ反馈运算，如没有设定(xfb≠1)，则不进行运算，返回主程序。空燃比反馈执行标志根据发动机水温和转速·负载条件进行判断设定。当然，燃料切断时不对空燃比反馈执行标志设定。
接着，在步骤S102读入后λ传感器输出，在步骤S103执行低通滤波器运算。KL是低通滤波器增益，为0≤KL≤1。(i-1)表示上次的值。在步骤S104进行相位超前运算。KP是相位超前增益，为0≤KP≤1。KL和KP一边除去后λ传感器输出的噪音成分，一边将信号的相位设定为尽可能超前的增益。在步骤S105中，对在步骤S104得到的结果设定最小值KROXOMN和最大值KROXOMX，以使相位超前运算值不超过实际的后λ输出所能取得的值。例如，从表示催化剂后气体与后λ传感器的关系的图2可见，后λ反馈起作用时催化剂后气体浓度降低，故实际的后λ传感器输出只能取0.1～0.9V的值。因此，将最小值KROXOMN和最大值KROXOMX设定为例如KROXOMN＝0.1，KROXOMX＝0.9。
在步骤S106中，对目标后λ电压ROXTGT与相位超前处理后的后λ输出rox0之间的偏差roxerr进行运算，在步骤S107中进行PI运算。
在此，P项运算中，如图7所示的P项修正量表TROXP那样，被设定成：当偏差roxerr大于规定值，则加大修正。
因此，如图10所示，当后λ传感器输出rox开始下降，则相位超前处理后的后λ输出rox0比实值早开始下降。从相位超前处理后的后λ输出rox0和目标后λ电压ROXTGT中算出偏差roxerr，因而可比实际后λ传感器输出rox早修正。而且，偏差小时与PI运算一起修正量小，但当偏差超过规定值后，P项运算修正量增大，故如图10所示，当相位超前处理后的后λ输出rox0与目标后λ电压ROXTGT相比而从规定值偏向稀侧时，则目标A/F即Afgt朝浓得到大的修正。
I项运算中，如图8所示的I项修正量表TROXI那样，偏差roxeer与修正量的关系设定为线性较小的增益。这是因为，催化剂氧气吸存能力起到积分器那样的作用，当加大设定至I项修正量，相反会成为引起波动的原因的缘故。
若进行以上这样设定，可使催化剂内饱和的氧气吸存量适宜，将催化剂净化率维持在最大。
在步骤S108中，通过由后λ反馈的PI运算得到的目标A/F修正量roxpi，修正基本目标A/F：AFBSE，得到目标A/F：Aftgt。最后在步骤S109中，运算相对于基本燃料喷射时间TB的燃料修正量，返回主程序。在此，理论空燃比AF0例如设定为AF0＝14.7。
接着，前A/F反馈运算程序中，如图5所示，首先在步骤S201中，看是否执行空燃比反馈。
若执行空燃比反馈，则进入步骤S202，读入线性A/F传感器输出vlaf，在步骤S203中映象(日文：マップ)变换为实际A/F：laf。接着，在步骤S204中，对目标A/F：Aftgt与实际A/F：laf之间的偏差laferr进行运算，在步骤S205中进行PI运算。在步骤S205中根据偏差laferr，由未图示的表变换为燃料修正量，分别运算P项·I项。
在步骤S206中，将得到的PI运算结果lafpi存放在cfb2内，返回主程序。
利用图10说明实施了图4、图5的流程图的结果。以往的控制中，即使后λ输出rox开始变为稀，前A/F的修正也来不及，NOx净化率急剧减小，进入催化剂的NOx几乎直接向催化剂后排出。但是，当利用进行了相位超前处理的后λ输出rox0进行反馈，则在较早的阶段使前A/F：laf开始变浓，进而P项修正急剧增加，因而能在NOx净化率下降之前返回目标后λ电压ROXTGT。
接着对从燃料切断复位时的空燃比控制进行说明。众所周知，燃料切断在减速中实施，是燃料喷射停止的控制。因为可切断无助于输出的、无用的燃料，故可在不损害驾驶性能的情况下节约燃料费。但是，从催化剂来看，可以说是流入含有大量氧气的气体的非常特殊的条件。当实施燃料切断，催化剂内的氧气吸存量饱和后，成为NOx净化率急剧减小的状态。为此，燃料切断复位时需要进行对应于这种情况的特殊的控制。
用图6、图11对燃料切断复位增量运算程序进行说明。
首先，在步骤S301中检测分离切断复位的时刻、即燃料切断标志从执行(xfc＝1)切换至不执行(xfc＝0)的时刻。若检测到燃料切断复位后，进入步骤S302，将燃料切断复位增量标志进行设定(xfcinc＝1)。在步骤S303、S304中，在xfcinc＝1的期间，将燃料切断复位增量修正cfc持续设定为事先决定的KFCINC。
在步骤S305、S306中，roxerr的绝对值为规定值KFCERR以下时，将燃料切断复位增量标志复位(xfcinc＝0)。
在步骤S307、S308中，若燃料切断复位增量标志被复位，则将燃料切断复位增量修正cfc以规定值KFCTG逐渐减小。
这样，由于可利用相位超前处理后的后λ传感器输出rox0来判断修正执行期间，故可补偿排气系统及催化剂的响应延迟，如图11所示，到催化剂内的空燃比被适当化的期间，可使喷射量增加规定量。
如以上详细说明的那样，本发明的实施形态1的内燃机的空燃比控制装置，通过对下游空燃比传感器输出进行相位超前处理，可改善后λ反馈系统中的相位延迟，动态上也能始终保持最大的催化剂净化率。
另外，通过在相位超前处理中设置最小值/最大值限制，即使对下游空燃比传感器使用λ传感器进行相位超前处理，也不会出现修正过大而使控制性变差的情况。
另外，当下游空燃比传感器输出与目标下游空燃比输出相比，大大偏向稀时，通过为了将目标A/F急剧变浓而设定后λ反馈的P项增益，那么即使催化剂内的氧气吸存量为饱和时，也可使氧气吸存量迅速趋于适当，可防止Nox恶化。
另外，即使燃料切断时催化剂内的氧气吸存量为饱和时，也在燃料切断复位时增加燃料量，使上游空燃比变浓，从而消耗吸存在催化剂内的氧气。而且，根据相位超前处理后的下游空燃比传感器输出而解除燃料切断复位增量，故能迅速地使氧气吸存量恢复至适当值。因此，燃料切断复位后的加速中也不会排出NOx。

Claims (4)

1.一种内燃机的空燃比控制装置，包括：设置在内燃机排气通道内的三元催化剂；设置在所述三元催化剂上游侧的通道内、检测所述内燃机空燃比的上游侧空燃比传感器；设置在所述三元催化剂下游侧的通道内、检测所述三元催化剂后的空燃比的下游侧空燃比传感器；对下游侧空燃比传感器输出进行相位超前运算的下游空燃比传感器输出相位超前运算装置；为使下游空燃比传感器输出相位超前运算装置的输出与目标下游空燃比一致，而运算目标上游空燃比的目标上游空燃比运算装置；为使上游空燃比与目标上游空燃比一致，而运算空燃比修正量的空燃比修正量运算装置；以及根据所述空燃比修正量，调节燃料喷射量的燃料喷射量调节装置。
2.如权利要求1所述的内燃机的空燃比控制装置，其特征在于，所述下游空燃比传感器输出相位超前运算装置，设有在相位超前运算中基于所述下游侧空燃比传感器的最大值·最小值。
3.如权利要求1所述的内燃机的空燃比控制装置，其特征在于，所述目标上游空燃比运算装置，当下游空燃比传感器输出相位超前运算装置的输出与目标下游空燃比相比是规定值以上的浓时，将目标上游空燃比修正量设定为比通常的浓得多。
4.如权利要求1所述的内燃机的空燃比控制装置，其特征在于，设有：减速时停止燃料喷射量的燃料喷射量停止装置；对燃料喷射量停止刚解除后、增加燃料喷射量的燃料喷射复位后增量装置；当所述下游空燃比相位超前输出成为目标下游空燃比的规定偏差以内时、停止燃料喷射增量的装置。
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