發動機處於稀運行時停止計算模式參數用的內燃機空燃比控制器的製作方法
2023-05-07 04:56:36 3
專利名稱：發動機處於稀運行時停止計算模式參數用的內燃機空燃比控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據安置在內燃機排氣系統中的排氣傳感器的輸出控制空燃比的控制器。
背景技術：
車輛內燃機的排氣系統中設有催化劑轉換器。在引入發動機中的空氣-燃油混合物為貧空燃比(lean)時，催化劑轉換器以廢氣中所含的過量氧氣使HC和CO氧化。在富空燃比(rich)時，催化劑轉換器以HC和CO還原NOx。當空燃比處於理論配比的空燃比範圍內時，HC、CO和NOx同時被有效地淨化。
在催化劑轉換器的下遊側設置排氣傳感器。該排氣傳感器檢測被排放到排氣系統中的氣體所含氧的濃度。根據該排氣傳感器的輸出實行對發動機空燃比的反饋控制。
作為對空燃比反饋控制的一個實例，日本專利申請未審公開2000-234550提出指定靈敏度控制方案，其中定義了一個轉換函數。這種控制通過通過把轉換函數的值匯集到0，將所述排氣傳感器的輸出匯集到目標值。計算將排氣傳感器的輸出匯集到目標值所需的空燃比(或操作變量)。根據目標空燃比，控制擬加給發動機的燃料量。
在實行指定靈敏度控制的系統中可以設置系統識別器。所述系統識別器計算與指定靈敏度控制的目標相關聯的模式參數。把由系統識別器計算的模式參數用於確定目標空燃比。
最近，已有拓展發動機以貧空燃比運行的工作範圍，以提高燃料效率的趨勢。當不能採用貧空燃比實現所希望的發動機運行時，將空燃比改變成理論配比的空燃比或富空燃比。當發動機以理論配比的空燃比運行時，實行上述指定靈敏度控制的空燃比控制，以減少排氣中所含的有害物質散發。
在發動機起動之後，也能立刻達到發動機以貧空燃比運行。實行這樣的貧空燃比運行，用以減少排氣中所含的有害物質散發。
按照常規的空燃比控制，只在發動機起動之後立刻投入的貧空燃比運行時，停止由識別器計算模式參數。在為提高燃料的效率所達到的貧空燃比運行中，識別器繼續計算模式參數，並停止利用算得的各模式參數計算目標空燃比。
圖14表示按照這種常規空燃比控制的參數行為。排氣傳感器輸出Vo2/OUT、模式參數a1和a2、目標空燃比KCMD、實際空燃比KACT，並表示排氣中所含有害物質HC和NOx的量。
在發動機以貧空燃比運行期間(t1到t2)和在一旦貧發動機運行之後(t2到t4)，排氣傳感器輸出Vo2/OUT和實際空燃比KACT都表現出貧空燃比。在從t1到t4的時間內，識別器根據所述排氣傳感器輸出Vo2/OUT和實際空燃比KACT，繼續計算模式參數a1和a2。由於所述排氣傳感器輸出Vo2/OUT和實際空燃比KACT具有恆定的貧空燃比，所以識別模式參數a1和a2的精度變差。如t2到t4時間內所示，模式參數漂移。
在貧空燃比的發動機運行期間(t1到t2)，目標空燃比KCMD保持在預定的值(比如1)。在貧空燃比的發動機運行結束的時刻t2，開始適宜的空燃比控制，同時，也開始目標空燃比KCMD的計算。
在t2到t3期間，目標空燃比要受到控制，變成富空燃比，以使排氣傳感器的輸出迅速從貧空燃比一邊轉到目標值Vo2/TARGET。但由於所述模式參數的漂移，目標空燃比KCMD向著貧的一側變化，有如參考標號201所示那樣。於是，使空燃比受到控制，匯集到貧的目標空燃比KCMD，從而增加NOx的放散。
在t3到t4期間，目標空燃比要受到控制，向著貧的一側變化，以使排氣傳感器的輸出匯集到目標值Vo2/TARGET。然而，由於所述模式參數的漂移，有如參考標號202所示那樣，目標空燃比KCMD向著富的一側變化。於是，使空燃比受到控制，匯集到富的目標空燃比KCMD，從而增加HC的放散。
於是，有如在從t2到t4的周期所示那樣，模式參數的漂移可使目標空燃比KCMD的計算不再適宜。這種不適宜的目標空燃比使NOx和HC增多。在斷油運行，也就是實行停止對發動機供送燃油的時候，也會發生這種NOx和HC的增多。
因此，就存在對於在這種貧空燃比發動機運行和斷油運行期間以及一旦在貧空燃比發動機運行和斷油運行之後，能夠立即停止識別器計算模式參數的裝置和方法需求。
發明內容
按照本發明的一種方案，一種內燃機用的空燃比控制器，包括排氣傳感器，系統識別器和控制單元。所述排氣傳感器檢測廢氣中的氧濃度。所述系統識別器根據排氣傳感器的輸出，計算通過空燃比控制而受到控制的目標模式的模式參數。所述受到控制的目標包括發動機的排氣系統。所述控制單元利用各模式參數控制空燃比，使排氣傳感器的輸出匯集成目標值。當發動機以貧空燃比運行時，以及在發動機停止以貧空燃比運行之後的一段預定的期間，控制單元停止識別器計算模式參數。
按照本發明，當因為在稀發動機運行期間以及一旦在稀發動機運行之後停止所述模式參數的計算，而使發動機從貧空燃比移到理論配比/富空燃比運行時，就能夠確定適宜的目標空燃比。這種適宜的目標空燃比減少了在稀發動機運行停止之後所述各有害物質的散發。
按照本發明的一種實施例，所述控制單元進一步還在實行停止把燃料供送給發動機的斷油運行時，以及在停止斷油運行之後的一段預定時間內停止識別器計算模式參數。
按照本發明，可在因為一旦在斷油運行之後以及斷油運行之後的期間內停止模式參數的計算，而使發動機從斷油運行移到理論配比/富空燃比運行時，確定適宜的目標空燃比。這樣的適宜目標空燃比減少在斷油運行停止之後有害物質的散發。
按照本發明的一種實施例，當發動機以貧空燃比運行時和在發動機停止以貧空燃比運行之後的一段預定期間內，所述控制單元繼續根據發動機開始以貧空燃比運行之前最後計算的模式參數確定目標空燃比。按照所確定的目標空燃比產生空氣-燃油混合氣。於是，當發動機從貧空燃比運行移到理論配比/富空燃比運行時，以適宜的目標空燃比實行空燃比控制。
按照本發明的一種實施例，發動機以貧空燃比運行，以提高燃油的效率。發動機還以貧空燃比運行，為的是在發動機一旦起動之後減少排氣中所含有害物質的散發。
按照本發明的一種實施例，通過規定靈敏度控制，使空燃比得到控制。所述規定靈敏度控制能夠確定受控變量或排氣傳感器輸出的匯集比率。
按照本發明的一種實施例，排氣系統從空燃比傳感器通過催化劑轉換器延伸到排氣傳感器。空燃比傳感器設於催化劑轉換器的上遊側。排氣傳感器通常設於催化劑轉換器的下遊側。將排氣系統設計成使由空燃比傳感器的輸出表示所述設計模式的控制輸入，而由排氣傳感器的輸出表示所述設計模式的控制輸出。
圖1是本發明一種實施例內燃機及其控制器的示意圖；圖2是本發明一種實施例催化劑轉換器和排氣傳感器布置的示意圖；圖3表示本發明一種實施例空燃比控制概圖；圖4是本發明一種實施例作為被控制目標之排氣系統的方框圖；圖5是本發明一種實施例的空燃比控制方框圖；圖6是本發明一種實施例空燃比控制器的詳細功能方框圖；圖7以示意的方式表示本發明一種實施例的規定靈敏度控制的變換線；圖8表示本發明一種實施例的規定靈敏度控制的響應特性；圖9是本發明一種實施例的空燃比控制過程流程圖；圖10是本發明一種實施例的建立切斷燃油標誌過程的流程圖；圖11是本發明一種實施例確定是否允許由識別器計算的過程流程圖；圖12是本發明一種實施例計算模式參數的過程流程圖；圖13表示本發明一種實施例在貧空燃比發動機運行期間和之後的一段期間內，排氣傳感器輸出、模式參數、目標空燃比、實際空燃比和排氣中所含有害物質量的變化過程；圖14表示按現有技術空燃比控制在貧空燃比發動機運行期間和之後的一段期間內，排氣傳感器輸出、模式參數、目標空燃比、實際空燃比和排氣中所含不行為物質量的變化過程。
具體實施例方式
內燃機和控制裝置的結構以下將參照附圖描述本發明的優選實施例。圖1是表示本發明一種實施例的內燃機(下稱發動機)控制器的方框圖。
電動控制單元(下稱ECU)5包括輸入接口5a，用以接收發動機1各部分送來的數據；CPU5b，用以實現控制發動機1各部分的操作；存儲單元5c，它包括只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM)；以及輸出接口5d，用以將控制信號送到發動機1的各個部分。用於控制車輛各部分的各種程序和數據被存儲在ROM中。本發明控制空燃比的程序、為所述程序運行所用的數據和表格都被存儲在ROM中。所述ROM可以是可重寫的ROM，如EEPROM。RAM設有CPU5b操縱的工作區域，其中同時存儲有由發動機1各個部分送來的數據，以及要發送給發動機1各部分的控制信號。
發動機1比如是裝備以四個缸的發動機。使進氣管2與發動機1相連。節流閥3設置在進氣管2的上遊側。節流閥開啟(θTH)傳感器4與節流閥3相連，它輸出與節流閥3的開啟角度相應的電信號，並將該信號送到ECU5。
進氣管2中設置旁路通道21，用以旁路節流閥3。旁路通道21中設置旁路閥門22，用以控制要供給發動機1的空氣量。旁路閥門22按照ECU5的控制信號受到驅動。
在發動機1與節流閥3之間進氣管2的中間點處對每個氣缸設置一個燃油噴射閥門6。燃油噴射閥門6連到燃油泵(未示出)，以接受所燃油槽(未示出)供給的燃料。按照ECU5的控制信號，使燃油噴射閥門6受到驅動。
進氣管壓力(Pb)傳感器8和外部空氣溫度(Ta)傳感器9安裝在節流閥3下遊側的進氣管2中。把所測得的進氣管壓力Pb和外部空氣溫度Ta送給ECU5。
發動機水溫(TW)傳感器10被裝到發動機1氣缸體的氣缸周壁上，該周壁被充滿冷卻水。將發電機水溫傳感器測得的發電機冷卻水溫度送到ECU5。
轉速(Ne)檢測器13被裝在發動機1的凸輪軸外圍或者曲軸(未示出)外圍，並按預定的曲軸角周期(如30°角周期)輸出CRK信號脈衝，這個周期要短於按與活塞的TDC位置相關的曲軸角周期所造成的TDC信號脈衝的周期。由ECU5計數CRK脈衝，以確定發動機1的轉速Ne。
排氣管14與發動機1相連。發動機1通過排氣管14排放廢氣。催化劑轉換器15除去流過排氣管14的廢氣中所包含的諸如HC、CO和NOx等有害物質。催化劑轉換器15包含兩種催化劑，即上遊催化劑和下遊催化劑。
在催化劑轉換器15的上遊設有全範圍空燃比(LAF)傳感器16。所述LAF傳感器16在整個寬度的空燃比區域直線地檢測廢氣中所含氧的濃度，從高於理論配比空燃比的富空燃比區域到極貧的區域。把所測得的氧濃度送到ECU5。
在所述上遊催化劑與下遊催化劑之間設置O2(氧氣)傳感器17。所述O2傳感器17是二進位型的廢氣濃度傳感器。當空燃比富於所述理論配比空燃比時，該O2傳感器輸出高電平信號，而當空燃比貧於所述理論配比空燃比時，輸出低電平信號。所述電信號被送給ECU5。
送給ECU5的信號通過輸入電路5a。輸入接口5a把模擬信號值轉換成數位訊號值。CPU5b處理所得的數位訊號，按照存儲器5c中所存程序進行操作，並得到控制信號。輸出接口5d把這些控制信號送給旁路閥門22、燃油噴射閥門6和其它機械組件的致動器。
圖2表示催化劑轉換器15的結構。被引入排氣管14的廢氣通過上遊催化劑25，然後再通過下遊催化劑26。公知的是，與以設在下遊催化劑之下遊側的O2傳感器的輸出為基礎的空燃比控制相比，通過設在所述上遊催化劑與下遊催化劑之間的O2傳感器的輸出為基礎的空燃比控制，容易使NOx的淨化率保持在最佳水平。因此，在下面將要敘述的本發明實施例中，把O2傳感器17設在上遊催化劑與下遊催化劑之間。該O2傳感器17檢測通過上遊催化劑25之後的廢氣中所含氧的濃度。
另外，可將O2傳感器配置於下遊催化劑26的下遊側。如果催化劑轉換器15由單獨一種催化劑組成，則把O2傳感器配置於這種催化劑轉換器15的下遊側。
圖3表示上遊催化劑和下遊催化劑的淨化過程。窗口27指示空燃比的區域，其中HC、CO和NOx等都被最佳地淨化。由於通過在上遊催化劑25內的淨化，廢氣中所含的氧已被消耗，所以提供給下遊催化劑26的廢氣表現出空氣減少(即富空燃比狀態)，如窗口28所示的那樣。在這種空氣減少的情況下，使NOx進一步受到淨化。於是排放的是清潔的廢氣。
為了很好地保持催化劑轉換器15的淨化性能，本發明自適應控制空燃比，使O2傳感器17的輸出匯集成目標值，使空燃比處於窗口27中。
參考標號29表示可允許的範圍，這個範圍規定由自適應空燃比控制所控制的變量限制，這將在後面有詳細的描述。
圖4表示一種排氣系統的方框圖，該系統從LAF傳感器16延伸到O2傳感器17。LAF傳感器16檢測提供給上遊催化劑25的排氣的空燃比Kact。所述O2傳感器17輸出電壓Vo2/OUT，它表示經上遊催化劑25淨化之後，廢氣中的氧濃度。排氣系統19是按照本發明所要被控制的目標或者所述自適應控制空燃比的設備。
自適應空燃比控制圖5表示本發明一種實施例自適應空燃比控制的方框圖。將O2傳感器17的輸出Vo2/OUT與目標值Vo2/TARGET比較。控制器31根據比較的結果確定目標空燃比誤差「kcmd」。把這個目標空燃比誤差kcmd與基準值FLAF/BASE相加，以確定目標空燃比KCMD。把以所述目標空燃比KCMD修正過的燃料噴射量供給發動機。再次檢測排氣系統的O2傳感器17的輸出Vo2/OUT。
於是，控制器31實行反饋控制，以確定目標空燃比KCMD，從而使O2傳感器17的輸出Vo2/OUT匯集到目標值Vo2/TARGET。可如公式(1)所示那樣設計排氣系統19，也就是被控制的目標，其中的Vo2/OUT被定義為控制輸出，而LAF傳感器的輸出KACT被定義為控制輸入。排氣系統19被設計成離散時間系統。這種設計可使空燃比控制運算簡單，並適於計算機處理。「k」是用以表示控制周期的標誌符。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d1)其中Vo2(k)＝Vo2/OUT(k)-Vo2/TARGET(1)傳感器輸出誤差Vo2表示O2傳感器的輸出Vo2/OUT與目標值Vo2/TARGET之間的誤差。實際空燃比誤差「kact」表示LAF傳感器的輸出KACT與基準值FLAF/BASE之間的誤差。所述基準值FLAF/BASE被設定成是目標空燃比的中心值。例如，把基準值設定成理論配比表示的值(即FLAF/BASE＝1)。基準值FLAF/BASE可以是一個恆定的值，或者可以根據發動機的運行狀態確立它。
「d1」表示排氣系統19的空載時間。空載時間d1是由LAF傳感器16測得的空燃比要反映在O2傳感器17的輸出中所需的時間。「a1」、「a2」和「b1」是由系統標誌符產生的模式參數。後面將敘述所述系統標誌符。
另一方面，可如公式(2)所示那樣，設計包含發動機和ECU5的空燃比控制系統。目標空燃比誤差「kcmd」代表目標空燃比KCMD與基準值FLAF/BASE之間的誤差(kcmd＝KCMD-FLAF/BASE)。「d2」表示空燃比控制系統18的空載時間。空載時間d2是所計算的目標空燃比KCMD要反映在LAF傳感器16的輸出KACT中所需的時間。
kact(k)＝kamd(k-d2) (2)
圖6表示圖5所示控制器31的更為詳細的方框圖。控制器31包含系統識別器(identifer)32、計算器(estimator)33、滑動模式控制器34和限幅器35。
識別器32識別公式(1)中的模式參數a1、a2和b1，以消除模式誤差。以下將描述識別器32所執行的系統識別。
識別器32使用模式參數1(k-1)、2(k-1)和1(k-1)，這些參數已按以前的控制周期計算過，為的是按照公式(3)確定傳感器輸出對當前周期的誤差V2(k)。
V2(k)＝1(k-1)·Vo2(k-1)+2(k-1)·Vo2(k-2)+1(k-1)·kact(k-d1-1)(3)公式(4)表示按照公式(3)計算的傳感器輸出誤差V2(k)與在當前控制周期下實際測得的傳感器輸出誤差Vo2(k)之間的誤差id/e(k)id/e(k)＝Vo2(k)-V2(k) (4)識別器32對當前周期計算1(k)、2(k)和1(k)以使誤差id/e(k)最小化。這裡的矢量θ被定義為如公式(5)所示ΘT(1)＝[1(k)2(k)1(k)] (5)識別器32按照公式(6)確定1(k)、2(k)和b1(k)。如公式(6)所示，通過對按以前的控制周期計算的1(k)、2(k)和1(k)(k)改變一個與誤差id/e(k)成正比的量，計算對當前控制周期的1(k)、2(k)和1(k)。
Θ(k)＝Θ(k-1)+Kθ(k)·id/e(k)(6)按照公式(7)確定矢量Kθ。
K(k)=P(k-1)(k)1+T(k)P(k-1)(k)]]>
其中ξT(k)＝[Vo2(k-1)Vo2(k-2)kact(k-d1-1)] (7)按照公式(8)確定矩陣P。矩陣P的初始值P(0)是對角矩陣，其中的每個對角元素為正值。
P(k)=11(k)[I-2(k)P(k-1)(k)T(k)1(k)+2(k)T(k)P(k-1)(k)]P(k-1)]]>其中0＜λ1≤1 0＜λ2≤2 I單位矩陣 (8)以下描述計算器33所執行的估算。為了補償排氣系統19的空載時間「d1」和空燃比控制系統的空載時間「d2」，計算器33估算空載時間d(＝d1+d2)之後的傳感器的輸出誤差Vo2。特別是，把空燃比控制系統的模式公式(2)應用於排氣系統的模式公式(1)，得到公式(9)。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d1-d2)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d)(9)模式公式(9)表示的系統包含排氣系統19和空燃比控制系統。公式(9)被用於確定在所述空載時間之後傳感器輸出誤差Vo2(k+d)的估算值Vo2(k+d)，有如公式(10)所示。利用識別器32所確定的模式參數，計算係數α1、α2和β。目標空燃比誤差的過去時間序列數據kcmd(k-j)(其中j＝1，2，...d)包括在空載時間「d」期間所得的目標空燃比誤差。
Vo2(k+d)=1Vo2(k)+2Vo2(k-1)+j=1djkcmd(k-j)]]>其中 α1＝Ad的第1行第1列元素；α2＝Ad的第1行第2列元素；βj＝Aj-1·B的第1行各元素；A=a1a210]]>B=b10---(10)]]>
利用公式(2)，可用實際空燃比誤差kact(k)、kact(k-1)、...kact(k-d+d2)代替空載時間d2之前目標空燃比誤差的過去值kcmd(k-d2)、kcmd(k-d2-1)、...kcmd(k-d)。於是，得到公式(11)Vo2(k+d)＝α1·Vo2(k)+α2·Vo2(k-1)+j=1d2-1jkcmd(k-j)+i=0d-d2i+d2kact(k-i)---(11)]]>＝α1·Vo2(k)+α2·Vo2(k-1)+j=1d2-1jkcmd(k-j)+i=0d1i+d2kact(k-i)]]>滑動模式控制器34建立轉換函數σ，如公式(12)所示，以便實行滑動模式控制。
σ(k)＝s·Vo2(k-1)+Vo2(k) (12)如上所述，Vo2(K-1)代表前面周期測得的傳感器輸出誤差。Vo2(K)代表當前周期測得的傳感器輸出誤差。「s」是轉換函數σ的設定參數，並被建立成滿足-1＜s＜1。
在σ(k)＝0情況下的這個公式被稱為等效輸出系統，它確定傳感器輸出誤差Vo2的聚集特性，或者被稱為控制變量。假設σ(k)＝0，則公式(12)轉變為公式(13)Vo2(K)＝-s·Vo2(K-1) (13)以下參照圖7和公式(13)描述轉換函數σ的特徵。在圖7中，把公式(13)表示為以Vo2(k-1)為橫軸而以Vo2(k)為縱軸的相位平面上的線41。線41被稱為轉換線。假設由點42表示作為Vo2(k-1)與Vo2(k)組合的狀態變量(Vo2(k-1)，Vo2(1))的初始值。滑動模式控制操縱把點42所表示的狀態變量置於線41上，然後再將它約束在線41上。按照這種滑動模式控制，由於把狀態變量保持在轉換線41上，所以可將狀態變量高度穩定地聚集在相位平面的原點0，而不會受各種幹擾等的影響。換句話說，通過像公式(13)所示的那樣，關於這種沒有輸入的穩定系統限制狀態變量(Vo2(k-1)，Vo2(k))，可使傳感器輸出誤差Vo2聚集成0，而堅定地抵抗各種幹擾和模擬的誤差。
轉換函數設定參數「s」是能夠被可變地選擇的參數。藉助這個設定的參數「s」，能夠限定傳感器輸出誤差Vo2的減少(聚集)特性。
圖8表示滑動模式控制規定靈敏度特性的一個實例。線43表示設定參數的值為「1」的情況。曲線44表示設定參數的值為「0.8」的情況。曲線45表示設定參數的值為「0.5」的情況。有如圖中所見者，傳感器輸出誤差Vo2的聚集率隨設定參數的值「s」而變化。看到隨著「s」的絕對值變得越小，聚集率變得越快。
確定三個控制的輸入，使轉換函數σ聚集到0。也就是，用以將狀態變量限制在轉換線上的控制輸入Ueq、用以將狀態變量置於轉換線上的控制輸入Urch，以及用以將狀態變量置於轉換線上同時抑制模式誤差和控制的控制輸入Uadp。對三個控制輸入Ueq、Urch和Uadp求和，以確定所需誤差Us1。利用該所需誤差Us1計算空燃比誤差kcmd。
等效的控制輸入Ueq必須滿足公式(14)，因為它是將狀態變量抑制在轉換線上的輸入σ(k+1)＝σ(k) (14)有如公式(15)所示者，由公式(9)和(12)確定滿足σ(k+1)＝σ(k)的等效控制輸入Ueq。
Ueq(K)=-1b1[((a1-1)+s)Vo2(K+d)+(a2-s)Vo2(K+d-1)]---(15)]]>有效法定輸入(reaching law input)Urch的值與轉換函數σ的值有關。按照公式(16)確定所述有效法定輸入Urch。在本實施例中，有效法定輸入Urch的值與轉換函數σ的值成正比。Krch代表所述有效法定輸入的反饋增益，採樣模擬預先確定它，按照所述模擬，譬如考慮得到轉換函數的值聚集到0(σ＝0)的穩定性和快速響應。
Urch(k)=-1b1Krch(k+d)---(16)]]>
自適應法定輸入(adaptive law input)Uadp的值與轉換函數σ的積分值有關。按照公式(17)確定所述自適應法定輸入Uadp。在本實施例中，適自應法定輸入Uadp與轉換函數σ的積分值成正比。Kadp代表所述自適應法定輸入的反饋增益，採樣模擬預先確定它，按照所述模擬，譬如考慮得到轉換函數的值聚集到0(σ＝0)的穩定性和快速響應。ΔT代表控制周期的時間。
Uadp(k)=-1b1Kadpi=0k+d((i)T)---(17)]]>由於傳感器輸出誤差Vo2(K+d)和kact(K+d-1)以及轉換函數的值σ(K+d)都包含空載時間「d」，所以不能直接得到這些值。因此，利用由計算器33所產生的估算誤差Vo2(K+d)和Vo2(K+d-1)確定所述等效控制輸出Ucq。
Ueq(k)=-1b1[((a1-1)+s)Vo2(k+d)+(a2-s)Vo2(k+d-1)]---(18)]]>如公式(19)所示，利用由計算器33所產生的估算誤差確定轉換函數σ。
σ＝s·Vo2(k-1)+Vo2(k)(19)轉換函數σ被用於確定有效法定輸入Urch和自適應法定輸入Uadp。
Urch(k)=-1b1Krch(k+d)---(20)]]>Uadp(k)=-1b1Kadpi=0k+d((i)T)---(21)]]>有如公式(22)所示者，使等效控制輸入Ucq、有效法定輸入Urch和自適應法定輸入Uadp彼此相加，以確定所需誤差Usl。
Usl(k)＝Ucq(k)+Urch(k)+Uadp(k)(22)限幅器35對所需誤差Usl實行限幅處理，以確定空燃比誤差kcmd。具體地說，如果所需誤差Usl在可允許的範圍內，則限幅器35將空燃比誤差kcmd設定在所需誤差Usl的值。如果所需誤差Usl偏離可允許的範圍，則限幅器35將空燃比誤差kcmd設定在可允許範圍的上限值或下限值。
如圖3中的參考標號29所示，所示限幅器35所用的可允許範圍被設定成它的中心幾乎就位於窗口27內，而它的寬度比窗口27的寬度寬。實際是按照所需誤差Usl、發動機的運行狀態等建立所述可允許範圍的。即使在催化劑轉換器的淨化能力偏離窗口27所示的最佳狀態，所述可允許範圍也有足夠的寬度，使催化劑轉換器能夠快速地返回最佳狀態，同時抑制可能是由於空燃比變化所引起的燃燒條件變化。因此，可使催化劑轉換器的淨化率保持在較高的水平，以減少廢氣中的有害物質。
具體地說，所述可允許範圍根據所確定的所需誤差Usl以變化的方式受到修正。例如，根據所述所需誤差Usl的逸出量，所述可允許範圍被展寬。另一方面，當所述所需誤差Usl在所述可允許範圍內時，該可允許範圍就縮小。於是，設定能與所述所需誤差Usl相適應的可允許範圍，這設定了為使O2傳感器17的輸出轉換成目標值所需的空燃比。
此外，將所述可允許範圍設定成隨著O2傳感器17輸出的不穩定程度變得較高而更窄。可以按照包括諸如發動機起始，即怠速狀態的發動機運行狀態和取消切斷燃油來確立可允許的範圍。
將所確定的空燃比誤差kcmd與基準值FLAF/BASE相加，以確定目標空燃比KCMD。把目標空燃比KCMD給到排氣系統19，或者說是被控制的目標，從而使得傳感器的輸出Vo2/OUT匯集到目標值Vo2/TARGET。
另外，在完成限幅處理之後，可由限幅器35按照滑動模式控制器34所確定的自適應法定輸入Uadp設定所述空燃比的基準值FLAF/BASE。具體地說，將基準值FLAF/BASE初始化成理論配比空燃比。如果所述自適應法定輸入Uadp超過預先確定的上限值，就使所述基準值FLAF/BASE增加預定的量。如果所述自適應法定輸入Uadp低於預先確定的下限值，就使所述基準值FLAF/BASE減少一個預定的量。如果所述自適應法定輸入Uadp在所述上限值與下限值之間，則保持所述基準值FLAF/BASE。如此設定的基準值FLAF/BASE被用於下一個控制周期。於是，所述基準值FLAF/BASE被調節成是目標空燃比KCMD的中心值。
通過結合上述限幅處理實行上述基準值FLAF/BASE的設定處理，使所需誤差Usl的可允許範圍被平衡於正負值之間。最好在確定所述O2傳感器17輸出Vo2/OUT基本上匯集到目標值Vo2/TRAGET，並且所述滑動模式控制處於穩定狀態時，實行對所述基準值FLAF/BASE的設定處理。
空燃比控制流程圖9表示本發明一種實施例控制空燃比過程的流程圖。在步驟S101，執行設定斷油標誌的過程(圖10)。在步驟S 102，確定是否允許識別器計算模式參數(圖11)。
在步驟103，檢查F_IDCAL的值，在允許識別器計算時要將F_IDCAL設定為1。如果F_IDCAL＝1，則過程進到在步驟104。在步驟104中，識別器計算模式參數a1、a2和b1(圖12)。如果F_IDCAL＝0，則過程跳過步驟104。
在步驟105，計算器利用在步驟104計算的模式參數，按上述公式(11)確定所述估算的誤差Vo2。
在步驟106，按上述公式(18)-(21)確定所述轉換函數σ、等效控制輸入Ueq、自適應法定輸入Uadp和有效法定輸入Urch。按公式(22)確定控制輸入Usl。
在步驟107，限幅器對控制輸入Usl實行上述限幅過程，以確定目標空燃比誤差kcmd。
圖10表示圖9的步驟101中所實行的設定斷油標誌過程的流程圖。在步驟111，確定是否正在進行斷油操作。如果正在實行斷油操作，則將斷油標誌F_FC設定為1(S112)。如果並非正在實行斷油操作，則將斷油標誌F_FC設定為0(S113)。
在步驟114，確定是否在斷油操作終止之後已經過去一段預定的時間。如果尚未過去所述的預定時間，則將斷油後標誌F_AFC設定為1(S115)。如果已經過去所述的預定時間，則將斷油後標誌F_AFC設定為0(S116)。
圖11表示圖9的步驟102中所實行的確定是否允許識別器計算模式參數過程的流程圖。在步驟121，檢查斷油標誌F_FC的值。如果F_FC＝1，則過程進到步驟124，將允許標誌F_IDCAL設定為0，表示不允許識別器計算模式參數。因此，當正在實行斷油操作時，停止由識別器計算所述模式參數。
在步驟122，檢查斷油後標誌F_AFC的值。如果F_AFC＝1，則過程進到步驟124，將允許標誌F_IDCAL設定為0，表示不允許識別器計算模式參數。因此，在斷油操作停止後的一段預定的時間內，停止由識別器計算所述模式參數。
在步驟123，檢查標誌F_RQIDST的值。所述標誌F_RQIDST是當發動機起動之後立刻被投入以貧空燃比運行(下稱「稀發動機運行」)時要被設定為1的標誌。當使發動機投入運行用以提高燃油效率時，也將標誌F_RQIDST設定為1。當正在實行所述稀發動機運行時，以及在稀發動機運行停止後的一段預定時間內，使F_RQIDST的值保持為1。當自所述稀發動機運行終止起已經過去了所述的預定時間時，將F_RQIDST的值重置為0。
如果F_RQIDST＝1，則過程進到步驟124。將允許標誌F_IDCAL設定為0，表示不允許識別器計算模式參數。因此，當發動機正在以貧空燃比運行以及在發動機停止以貧空燃比運行後的一段預定時間內，停止由識別器計算所述模式參數。
如果確定步驟S121至S123各步的答案都「NO」，則將允許標誌F_IDCAL設定為1(S125)。
圖12表示圖9的步驟S104中所實行的計算模式參數過程的流程圖。
在步驟S131，檢查重設標誌f/id/reset的值。所述重設標誌f/id/reset是在確定要使識別器被初始化時要被設定為1的標誌。例如，當未啟動O2傳感器或全範圍空燃比傳感器(LAF傳感器)時，或者當發動機處於它的點火正時被控制成滯後於在發動機起動之後催化劑立刻起作用的運行狀態時，把重設標誌f/id/reset設定為1。
如果重設標誌f/id/reset的值是1，則在步驟S132時使識別器被初始化。特別是將每個模式參數1、2和1設定為預定的初始值。將如公式(5)至(8)所述的用於計算所述模式參數的矩陣P的每個元素設定為預定的初始值。在步驟S132，把重設標誌f/id/reset設定為0。如果重設標誌f/id/reset的值不是1，則過程進到步驟S133，其中按照上述公式(3)計算當前周期的V2(k)。過程進到步驟S134，其中按照上述公式(7)確定矢量Kθ(k)。在步驟S135，按照上述公式(4)確定識別誤差id/e(k)。
排氣系統具有低通特性。最好是於考慮排氣系統在低頻區域的行為的同時識別各模式參數a1、a2和b1。也就是說，最好對由公式(4)所得到的值「Vo2-Vo2」採用低通濾波處理，以確定所述識別誤差id/e。另外，也可對傳感器輸出誤差Vo2和傳感器輸出誤差Vo2中的每一個採用低通濾波處理。通過從經低通濾波的Vo2減去低通濾波的Vo2，確定所述識別誤差id/e。
在步驟S136，利用步驟S134中所確定的矢量Kθ和步驟S135中所確定的識別誤差id/e，按照公式(6)確定矢量θ(k)。從而確定當前周期的模式參數1(k)、2(k)和1(k)。
在步驟S137，使在步驟S136確定的各模式參數的值受到限定，以便減小目標空燃比KCMD中的高頻變量。在步驟S138，按照上述公式(8)計算下一個控制周期中所用的矩陣P(k)。
圖13表示本發明一種實施例在稀發動機運行期間或者稀發動機運行之後一段時間內，來自O2傳感器的輸出Vo2/OUT、模式參數a1和a2、目標空燃比KCMD、實際空燃比KACT，以及排氣中有害物質HC和NOx含量的變化情況。
在稀發動機運行期間(t1-t2)和在稀發動機運行停止之後的一段預定期間(t2-t4)，停止由識別器計算各模式參數。在從t1到t4期間，模式參數a1、a2和b1中的每一個(b1未示出)都保持在在時間t1之前最後算得的值，在所述時間t1開始稀發動機運行。在從t1到t4期間，利用所保持的模式參數a1、a2和b1連續計算目標空燃比KCMD。
在t1到t2期間，O2傳感器的輸出Vo2/OUT和實際空燃比KACT都表現出貧空燃比。由於是貧空燃比，所以目標空燃比KCMD表現出大於1的值。在稀發動機運行期間，不實行上述把空燃比匯集到目標空燃比KCMD的自適應空燃比控制。
在時間t2終止所述稀發動機運行。開始上述自適應空燃比控制。計算目標空燃比KCMD，以使來自O2傳感器的輸出Vo2/OUT匯集到目標值Vo2/TARGET。在從t2到t3期間，目標空燃比KCMD表現富空燃比，這引起空燃比從貧空燃比一側迅速返回。如圖14的比較所見者，由於不把目標空燃比KCMD設定為貧空燃比，就能避免所述空燃比被進一步向著貧空燃比操縱，從而減少了NOx的排放量。
在從t3到t4期間，目標空燃比從富變到貧，這使得加濃的空燃比匯集到目標值。有如與圖14比較所看到的，由於不使目標空燃比KCMD向著富空燃比側變化，就能避免富空燃比被進一步操縱向著富的一側，從而減少HC的排放量。在時間t4，開始由識別器計算模式參數。
於是，由於在時間t1到t4期間停止由識別器計算模式參數，各模式參數中不會發生偏差。從稀發動機運行終止的時間可以計算適宜的目標空燃比KACT。
上述自適應空燃比利用上一周期確定的目標空燃比KCMD、O2傳感器輸出Vo2/OUT和實際空燃比KACT，去確定控制輸入Usl。由於在t1到t4期間連續計算適宜的目標空燃比KCMD，因此，可以從稀發動機運行終止終止的時間穩定地實行這樣的適宜空燃比控制。
上述各實施例中，將滑動模式控制用作自適應空燃比控制。作為選擇，也可將其它規定靈敏度控制用作所述自適應空燃比控制。
可將本發明用於要在船用推進機器，如外裝馬達的發動機，其中沿垂直方向安裝曲軸。
權利要求
1.一種用於控制內燃機空燃比的控制器，它包括排氣傳感器，用於檢測廢氣中的氧濃度；識別器，根據排氣傳感器的輸出，計算通過空燃比控制受到控制的目標模式的模式參數，所述被控制的目標包含發動機的排氣系統；控制單元，它被構造成利用模式參數控制空燃比，使排氣傳感器的輸出匯集成目標值；當發動機以貧空燃比運行時，以及在發動機停止以貧空燃比運行之後的一段預定的期間，控制單元停止識別器計算模式參數。
2.如權利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述控制單元還被構造成在實行停止把燃料供送給發動機的斷油運行時，以及在停止斷油運行之後的一段預定時間內停止識別器計算模式參數。
3.如權利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述控制單元還被構造成在發動機以貧空燃比運行時，以及發動機停止以貧空燃比運行之後的一段預定時間內，根據發動機開始以貧空燃比運行之前最後計算的模式參數確定目標空燃比；並且按照所確定的目標空燃比產生空氣-燃油混合氣。
4.如權利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述發動機以貧空燃比運行，以提高燃料的效率；或者減少在發動機一旦起動之後排氣中所含有害物質的量。
5.如權利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述控制單元還被構造成實行規定靈敏度控制，以控制空燃比。
6.如權利要求1所述的空燃比控制器，其中，所述排氣系統從空燃比傳感器通過催化劑轉換器延伸到排氣傳感器；所述空燃比傳感器設於催化劑轉換器的上遊側；所述排氣傳感器通常設於催化劑轉換器的下遊側。
7.如權利要求6所述的空燃比控制器，其中，將所述排氣系統設計成使設計模式的控制輸入是空燃比傳感器的輸出，而設計模式的控制輸出是排氣傳感器的輸出。
8.一種控制內燃機空燃比的方法，包括如下步驟接收檢測廢氣中氧濃度之排氣傳感器的輸出；根據排氣傳感器的輸出，計算通過空燃比控制而受到控制的目標模式的模式參數，所述被控制的目標包含發動機的排氣系統；利用所述模式參數控制空燃比，使排氣傳感器的輸出匯集成目標值；並且當發動機以貧空燃比運行時，以及在發動機停止以貧空燃比運行之後的一段預定的期間，停止計算模式參數。
9.如權利要求8所述的方法，其中，還包括步驟在實行停止把燃油供送給發動機的斷油運行時，以及在停止斷油運行之後的一段預定時間內停止計算模式參數。
10.如權利要求8所述的方法，其中，還包括步驟在發動機以貧空燃比運行時，以及發動機停止以貧空燃比運行之後的一段預定時間內，根據發動機開始以貧空燃比運行之前最後計算的模式參數確定目標空燃比；並且按照所確定的目標空燃比產生空氣-燃油混合氣。
11.如權利要求8所述的方法，其中，所述發動機以貧空燃比運行，以提高燃料的效率；或者減少在發動機一旦起動之後排氣中所含有害物質的量。
12.如權利要求8所述的方法，其中，還包括實行規定靈敏度控制，以控制空燃比的步驟。
13.如權利要求8所述的方法，其中，所述排氣系統從空燃比傳感器通過催化劑轉換器延伸到排氣傳感器；所述空燃比傳感器設於催化劑轉換器的上遊側；所述排氣傳感器通常設於催化劑轉換器的下遊側。
14.如權利要求13所述的方法，其中，將所述排氣系統設計成使設計模式的控制輸入是空燃比傳感器的輸出，而設計模式的控制輸出是排氣傳感器的輸出。
全文摘要
一種內燃機用的空燃比控制器，包括排氣傳感器、識別器和控制單元。排氣傳感器檢測廢氣中的氧濃度；識別器根據排氣傳感器的輸出，計算受到控制的目標模式的模式參數。被控制的目標包含發動機的排氣系統。控制單元被構造成利用模式參數控制空燃比，使排氣傳感器的輸出匯集成目標值；並在發動機以貧空燃比運行時以及停止以貧空燃比運行之後的預定的期間，停止識別器計算模式參數。還可以在實行停止把燃料供送給發動機的斷油運行時以及在停止斷油運行後的預定時間內停止識別器計算模式參數。這種停止模式參數計算，減少在發動機從貧空燃比運行轉到理論配比/富空燃比運行時排氣中所含有害物質的發散。
文檔編號F01N13/02GK1493778SQ03154318
公開日2004年5月5日 申請日期2003年8月15日 優先權日2002年9月4日
發明者安井裕司, 宏, 新莊章宏, 人, 江崎達人, 藤村直人 申請人:本田技研工業株式會社