专利名称：用于内燃发动机的空燃比控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃发动机的空燃比控制装置和空燃比控制 方法。
背景技术：
有效地净化排气。为了控制空燃比，基于由空气流量计等检测出的进气 量计算待喷射的燃料量。另外，也通过基于设置在排气通道中的空燃比 传感器的输出调整燃料喷射量来反馈控制空燃比。精确地控制:但是，'即使能够获得用于整个内k发动机的期i空燃比 但是当考虑各个气缸时，由于例如进气特性和燃料喷射阀的喷射特性的 不同，气缸之间也会发生空燃比差异。如果气缸之间存在空燃比差异，则即使整个内燃发动机的空燃比为 化学计量空燃比，排气排放劣化。并且，如果气釭之间存在空燃比差异， 则每个气缸中产生的扭矩将会不同，其可能导致扭矩波动。从而，期望 检测并校正气釭之间的任意空燃比差异。用于检测气缸之间空燃比差异的一个可以想到的方法是在每个气 缸中设置检测排气空燃比的空燃比传感器。但是，采用这种方法大大地 增加成本，因为其需要与气缸数量相同的空燃比传感器。日本专利No. 2689368描述了一种装置，其在排气系统的合并部中 设置有单个宽量程空燃比传感器，模拟空燃比传感器检测从每个气缸排 放的排气所用的时间，并且通过观测器估算每个气釭的空燃比。根据上述日本专利No. 2689368所述的估算每个气釭的空燃比的装 置，能够通过单个空燃比传感器估算多个气釭中的每一个的空燃比。但是，当应用该文献中所述的装置时存在各种限制。一个限制是其需要从每个气釭到空燃比传感器的气体传递延迟为 恒定的延迟。因此，每个气缸的排气歧管的长度必需一致。设计一种实际的歧管形状使其满足这种限制非常困难。特别地，使v型发动机中每个气缸的排气歧管的长度一致在结构上来说几乎是不可能的。另 一个限制是来自每个气缸的排气必需在尽可能不与来自其它气 缸的排气混合的状态下经过空燃比传感器。因此，能够安装空燃比传感 器的位置限制在排气系统的合并部(结合部)。第三个限制是空燃比传感器必需对来自每个气釭的、以极短的时间 间隔流动的排气敏感。即，空燃比传感器必需具有极好的(即快的)敏感度。如上所述的各种限制使得在现实中极难改制出如前述文献中所述 估算每个气釭的空燃比的装置。发明内容本发明的目的是提供用于内燃发动机的几乎没有设计限制的空燃 比控制装置和空燃比控制方法，其可以通过简单的结构精确地校正在具 有多个气釭的内燃发动机中的气釭之间的空燃比差异。本发明的第一方面涉及一种内燃发动机的空燃比控制装置。此装置 包括氩传感器、多个燃料喷射部、喷射比改变部以及喷射比校正部。所 述氢传感器设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下 游，并且根据排气中的氢含量产生输出。所述多个燃料喷射部设置在所 述多个气釭的每一个内。当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状 态下运转时，所述喷射比改变部通过控制所述多个燃料喷射部来执行用程，同时保持所述空燃比不变。所述喷射比校正部基于执行所述喷射比 改变过程时所述氢传感器的输出通过控制所述多个燃料喷射部来校正 所述多个气缸间的各气釭的燃料喷射比，使得排气中的氢含量变得低于 执行所述喷射比改变过程之前的排气中的氢含量。根据此结构，能够检测混合排气一一其为来自多个气釭的排气的混合物一一 中的氢含量，并且能够校正每个气缸的燃料喷射比以减少氢含量。内燃发动机的排气的一个特点在于如果气缸间的空燃比差异较小， 则混合排气中的氢含量降低。因此，此结构能够通过校正每个气缸中的 燃料喷射比精确地校正气缸间的空燃比差异以降低混合排气中的氢含 量。而且，才艮据此结构，仅需为多个气釭设置一个氢传感器和一个空燃 比传感器，这有效地减少了费用。另外，不存在对于排气歧管的形状或 氢传感器的灵敏度的设计限制，这使得此结构易于实施。在前述第一方面中，所述喷射比校正部可包括存储部和校正部，所 述存储部将在所述喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储 为各气缸的最优喷射比，所述校正部在所述喷射比改变过程结束后将所 述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比校正至用于各气缸的所述最优喷 射比。根据此结构，将在喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存 储为各气釭的最优喷射比。在喷射比改变过程结束后，可将气釭间每个 气釭中的当前燃料喷射比校正至用于各气釭的最优喷射比。因此，能够 更精确地校正气缸间的空燃比差异。在前述第一方面中，在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部 可以预定方式逐渐改变从所述多个气缸中选择的单个目标气缸的燃料 喷射量，并且以与改变所述目标气缸的燃料喷射量的所述预定方式相反 的方式改变所述目标气釭之外的气缸的燃料喷射量，使得所述多个气缸 的总空燃比保持不变。根据此结构，从多个气釭中选择的单个目标气缸的燃料喷射量逐渐 地改变(即增加或减少)，而其它气缸的燃料喷射量以与改变目标气缸 的燃料喷射量相反的方式改变(即减少或增加)，使得内燃发动机的总 空燃比保持不变。从而，可以为每个气釭找到更精确的最优喷射比。因 此，能够以特别高的精度校正气缸间的空燃比差异。在前述第一方面中，所述喷射比改变部可具有模式存储部，在所述 模式存储部中预先存储有所述多个气缸间的燃料喷射比的多个模式，并 且在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部可从所述多个模式中依 次选择一个模式并将所选择的模式应用于当前燃料喷射比。根据此结构，当执行喷射比改变过程时，依次地从预先存储的多个燃料喷射比模式中选择一个模式，并且将其应用于当前燃料喷射比。因 此，能够迅速找到最优喷射比。在前述第一方面中，所述空燃比控制装置还可包括许可部，其许 可执行所述喷射比改变过程；并且当基于所述氢传感器的输出值的氩含 量同对应于所述多个气缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含 量相比为高时，所述许可部能够许可执行所述喷射比改变过程。根据此结构，仅当由氢传感器检测到的氢含量高于对应于气釭间的 空燃比差异的许可极限的预定容许氩含量时才许可喷射比改变过程。因 此，当起初气釭间不存在空燃比差异时，可避免校正控制，从而防止不 必要地执行校正控制。在前述第一方面中，所述空燃比控制装置还可包括传感器故障判 定部，其在已由所述喷射比校正部执行了喷射比校正之后所述氢传感器 的输出值落在预定正常范围之外时判定所述氢传感器发生故障。才艮据此结构，可以在执行了喷射比校正之后氢传感器的输出值落在 预定正常范围之外时判定氢传感器的输出值存在故障。因此，当氢传感 器发生故障时，该故障能够被iS^检测到并且采^Jt当的措施，例如提 醒驾驶员检查发动机。本发明的第二方面还涉及一种内燃发动机的空燃比控制装置。此装 置包括氢传感器、差异校正部和传感器故障判定部。所述氢传感器设置 在多个气缸的排气通道合并部的下游，并且根据排气中的氳含量产生输 出。所述差异校正部基于来自所述氬传感器的输出执行差异校正控制以 校正所述多个气缸之间的空燃比差异。所述传感器故障判定部在已执行 了所述差异校正控制之后所述氢传感器的输出值落在预定正常范围之 外时判定所述氩传感器发生故障。根据此结构，可通过氬传感器检测混合排气一一其为来自多个气釭 的排气的混合物一一中的氢含量，并且可基于该氢传感器的输出校正气 缸间的空燃比差异。而且，根据此结构，仅需为多个气缸设置单个氢传 感器，这有效地减少了费用。另外，不存在对于排气歧管的形状或氢传 感器的灵敏度的设计限制，这使得此结构易于实施。此夕卜，根据此结构， 当已执行了校正空燃比差异的控制之后氢传感器的输出值不落在预定 正常范围内时，能够判定氲传感器中发生了故障。本发明的第三方面涉及一种内燃发动机的空燃比控制方法。此方法包括如下步骤利用设置在所述内燃发动机的多个气釭的排气通道汇合 部的下游的氩传感器根据排气中的氳含量产生输出；执行喷射比改变过 程，当所述内燃发动M其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷 射比改变过程通过控制设置在所述多个气缸的每个气缸中的多个燃料 喷射部来随时间改变所述多个气釭间的各气釭的燃料喷射比，同时保持 所述空燃比不变；以及基于执行所述喷射比改变过程期间所述氢传感器 的输出，通过控制所述多个燃料喷射部**正所述多个气釭间的各气釭 的燃料喷射比，使得排气中的氩含量变得低于执行所述喷射比改变过程 之前的排气中的氢含量。在前述第三方面中，空燃比控制方法还可包括如下步骤将在所述 喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气釭的最优喷 射比；以及在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气釭间的各气釭的 燃料喷射比校正至用于各气釭的所述最优喷射比。在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤在所 述喷射比改变过程中，以预定方式逐渐改变从所述多个气缸中选择的单 个目标气釭的燃料喷射量，并且以与改变所述目标气釭的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之外的气釭的燃料喷射量， 使得所述多个气缸的总空燃比保持不变。在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤预先 存储所述多个气釭间的燃料喷射比的多个模式；以及在所述喷射比改变 过程中，从所述多个模式中依次选择一个模式并且将所选择的模式应用 到当前燃料喷射比。在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤当基 于所述氢传感器的输出值的氢含量同对应于所述多个气釭间的空燃比 差异的许可极限的预定容许氢含量相比为高时，许可执行所述喷射比改 变过程。在前述第三方面中，所述空燃比控制方法还可包括如下步骤在已 执行了所述喷射比校正之后所述氢传感器的输出值落在预定正常范围 之外时判定所述氬传感器发生故障。本发明的第四方面还涉及一种内燃发动机的空燃比控制方法。此方法包括如下步骤利用i殳置在多个气釭的排气通道汇合部的下游的氲传 感器根据排气中的氢含量产生输出；基于来自所述氬传感器的输出执行 差异校正控制以校正所述多个气釭间的空燃比差异；以及在已执行了所 述差异校正控制之后所述氲传感器的输出值落在预定正常范围之外时 判定所述氢传感器发生故障。
参照附图，根据如下对本发明优选实施方式的描述，本发明的上述 和其它目的、特征和优点将变得明显，图中相同的标记用以表示相同的 元件，并且图中图l是根据本发明第一实施方式的系统的结构的示意图；图2是以框图形式示出的图l所示系统中的内燃发动机的俯视图；图3是示出来自内燃发动机的氢的排放特性的曲线图；图4是示出混合排气中的氢含量和气釭间空燃比差异程度之间的关 系的曲线图；图5是示出根据第一实施方式的喷射比改变过程的方法的示意图；图6是说明本发明第一实施方式中执行的程序的流程图；图7是本发明第一实施方式中执行的子程序的流程图；图8A和8B是根据本发明第二实施方式的喷射比映射的示例图；图9是说明本发明第二实施方式中执行的程序的流程图；图IO是说明本发明第三实施方式中执行的程序的流程图；以及图11是以框图形式示出的V型八釭内燃发动机的俯视图。
具体实施方式
现在将描述本发明的第一实施方式。首先将描述才艮据第一实施方式 的系统的结构。图l是示出根据本发明第一实施方式的系统的结构的视 图。图2是以框图形式示出图l所示系统中的内燃发动机的俯视图。如 图1中所示，此实施方式中的系统包括具有多个气缸的四冲程内燃发动机10。图l示出这些气釭之一的截面图。在下面的描述中，内燃发动机 IO是直列四缸发动机，其具有标为#1、 #2、 #3和￥4的四个气釭。内燃发动机IO的每个气缸都设置有进气口 11和排气口 12。每个气 缸的进气口 11都经由未图示的进气歧管与单个进气通道13连通。而且， 如图2中所示，每个气缸的排气口 12经由排气歧管15与单个排气通道 14连通。空气流量计16设置在进气通道13中。此空气流量计16检测流到 进气通道13中的空气的量，即流到内燃发动机IO中的进气的量。节气 门18设置在空气流量计16的下游。此节气门18是电动控制的节气门， 其基于加速器压下量等由节气门马达20驱动。检测节气门打开量的节 气门位置传感器22设置在节气门18附近。加速器压下量由设置在加速 器膝板附近的加速器位置传感器24检测。用于喷射例如汽油的燃料的燃料喷射阀26设置在每个气釭的进气 口11中。内燃发动机10并不限于如图中所示的进气口喷射发动机。其 也可以是釭内喷射发动机，其中燃料被直接喷射到气釭中。另外，也可 以结合进气口喷射和缸内喷射。此外，进气门28、排气门29以及用于点燃燃烧室内的空气-燃料混 合物的火花塞30 i殳置在每个气缸内。用于检测曲轴36的旋转角的曲轴转角传感器38设置在内燃发动机 10的曲轴36附近。曲轴转角传感器38是曲轴每次旋转预定旋转角时在 高输出和低输出之间切换的传感器。能够根据曲轴传感器38的输出检 测曲轴的旋转位置以;SJC动机转速NE等。净化排气的催化剂42设置在内燃发动机10的排气通道14中。空 燃比传感器44和氬传感器46设置在催化剂的上游。空燃比传感器44 是输出指示经过空燃比传感器44的位置的排气的空燃比的信号的传感 器。氢传感器46是输出指示经过氩传感器46的位置的排气中的氢(H2) 含量的信号的传感器。如图2中所示，空燃比传感器44和氬传感器46设置在排气歧管15 的结合部(合并部)的下游。排气是从每个气釭排放的排气的均匀混合 物，其经过设置有空燃比传感器44和氬传感器46的位置。下文将气体 ——该气体为从每个气釭排放的排气的混合物一一称为"混合排气"。而且，图1中所示的系统包括ECU (电子控制单元)50,上述的各 个传感器和致动器连接至所述电子控制单元。ECU 50能够基于这些传 感器的输出控制内燃发动机的10的运转状态。在此将描述第一实施方式的特征。首先将描述氢气的排放特征。通 常，通过燃料和空气之间的燃M应在内燃发动机的排气中产生氢气。 图3示出来自内燃发动机的氢的排放特征。在图3中，横轴代表为燃烧 所提供的空气-燃料混合物的空燃比，而竖轴代表排气中的氢含量。如 图中所示，排气中的氩含量在化学计量空燃比的稀侧上接近于零，并且 在空燃比相对于化学计量空燃比较浓时i5^增加。接下来将描述根据第一实施方式的总空燃比控制。本实施方式的系 统能够基于由空气流量计16检测到的进气量计算获得理想空燃比所需 的燃料喷射量。另外，能够通过基于由空燃比传感器44检测到的空燃 比调节燃料喷射量来反馈控制空燃比。这种控制使得能够精确地控制整 个内燃发动机10的空燃比(下文简称为"总空燃比")。在控制总空燃 比时，通常将总空燃比控制为化学计量空燃比，从而使催化剂42有效 地净化排气。在下面的描述中，ECU 50控制总空燃比4吏得其等于化学 计量空燃比。接下来将描述气缸之间的空燃比差异。如上所述，在此实施方式中， 能够将总空燃比精确地控制为化学计量空燃比。但是，在具有多个气釭 的内燃发动机10中，进气管的长度和形状通常并非完全相同，因此所 有气釭中的缸内进气量并不完全相同。而且，燃料喷射阀26特征的各 不相同导致了所有气釭的燃料喷射量并不完全相同。因此，即使将总空 燃比控制为化学计量空燃比，气缸间通常仍然存在一些空燃比差异。在 本实施方式中，可基于氢传感器46的输出降低气釭之间的空燃比差异， 如下文所述。图4是示出混合排气中的氢含量和气釭间空燃比差异程度之间的关 系的曲线图。如上所述，在此实施方式中，氲传感器46能够检测混合 排气一一其为来自所有气釭的排气的组合一一中的氢含量。当将总空燃比控制为化学计量空燃比时，如果各气缸间存在空燃比 差异，则一些气缸中的空燃比将为稀(此处这些气釭也可以称为"稀气 缸")，而其它气釭中的空燃比将为浓(此处这些气缸也可以称为"浓气缸")。氩从那些具有浓空燃比的气釭中排放出。因此，在此情况下，因为混合排气含有一定量的氢，所以由氩传感器46检测到的氢含量也一 定程度地增加。气缸间空燃比差异程度越大，则浓气釭变得越浓。因此， 氢的排放量进一步增加，从而增加混合排气中的氢含量。相反，当总空燃比控制为化学计量空燃比并且气釭间不存在空燃比 差异时，即当从所有气缸排放出的排气的空燃比均正确地等于化学计量 空燃比时，几乎没有任何气缸排放氢。因此，在这种情况下，混合排气 中的氢含量应当极低。从上面可以得出如下的关系，如图4中所示气缸间空燃比差异程 度越大，则混合排气中的氢含量增加。使用此关系，可以搜索气釭间空 燃比差异为低的状态。即，在稳定运转期间，在维持总空燃比处于化学 计量空燃比的同时，每个气缸中的燃料喷射量的比率逐渐地改变。此过 程将被称作"喷射比改变过程"。在执行此喷射比改变过程的同时，通 过氢传感器46持续#测氢含量。当检测到最低氢含量时的喷射比被 确定为气缸间空燃比差异最少的喷射比。图5是i兌明本实施方式中喷射比改变过程的方法的图。图5A中的 条形图示出喷射比改变过程之前、期间和之后每个气釭#1至#4中的燃 料喷射量。同时，图5B示出在执行喷射比改变过程期间气釭的空燃比 变化。图5C示出在执行喷射比改变过程期间混合排气中氢含量的改变。在此实施方式的喷射比改变过程中，选择任一的气缸(此选择的气 缸下文中也可称为"目标气釭")，并且然后该气釭的燃料喷射量逐渐增 加或降低。同时，其它气缸的燃料喷射量降低或增加以保持总空燃比不 变。如图5A至5C中所示的示例示出#3气缸为目标气釭的情况。在此， 如图5A中左侧的条形图所示，在喷射比改变过程开始之前，#3气缸的 燃料喷射量增加超过化学计量空燃比的大小，而弁l、 #2、和#4气缸的燃 料喷射量降到比化学计量空燃比低一个相应的量，4吏得低于化学计量空 燃比的#1、 #2和#4气釭的燃料喷射量的降低量之和等于高于化学计量 空燃比的#3气缸的燃料喷射量的增加量。为了简化描述，使得#1、 #2 和#4气釭的燃料喷射量全部相同。在过程开始执行之前，#3气缸的燃 料喷射量比#1、 #2和#4气缸的燃料喷射量大预定的量"D"。在过程开始之前，仅有#3气釭是浓的，如图5B中所示，因此氬从 该#3气釭中排放。因此，混合排气中的氢含量较高，如图5C中所示。从这个状态，#3气釭的燃料喷射量逐渐降低，并且#1、 #2和#4气 缸的燃料喷射量各增加#3气釭燃料喷射量的降低量的三分之一。因此， 总燃料喷射量保持不变，使得总空燃比也保持不变。当每个气釭的燃料喷射量以上述的方式逐渐改变时，#3气缸的空燃 比趋近化学计量空燃比，如图5B中所示。因此，从#3气缸排放的氢的 量降低。另一方面，#1、 #2和#4气釭仍然为稀，并JL^而几乎不排放 氢。因此，随着从#3气釭排放的氢的量降低，混合排气中的氢含量降低。当#3气釭的燃料喷射量与#1、 #2和#4气釭的燃料喷射量变得相等 时，所有气釭都处于化学计量空燃比，如图5A中部的条形图所示。此 时，几乎没有氬从任意气缸中排放出，因此混合排气中的氢含量最低。如果每个气缸的燃料喷射量都改变越过此状态，则#3气釭的燃料喷 射量变得少于化学计量空燃比的大小，而#1、 #2和#4气釭的燃料喷射 量变得大于化学计量空燃比的大小。当这种情况发生时，氢开始从弁1、#2和#4气釭排放出，因此混合排气中的氲^rl:反过来开始增加。一旦#3气缸的燃料喷射量的改变比达到预定值，则上述的喷射比改 变过程结束。当程序结束时，#3气缸的燃料喷射量比#1、 #2和#4气釭 的燃料喷射量少一个等于"D/3"的量，如图5C右侧的条形图所示。如上所述，喷射比改变过程期间当混合排气中的氢含量最小时的喷 射比对应于气釭间的空燃比差异最小处的喷射比。因此，在此实施方式 中，存储当混合排气中的氢含量最小时的每个气缸的燃料喷射量的比 (下文称为"最优喷射比")。在喷射比改变过程结束后，每个气缸的当 前燃料喷射比被校正到所存储的最优喷射比。因此，能够校正气釭间的 空燃比差异。在图5A至5C所示的示例中，在喷射比改变程序开始之前，#1、 #2和#4气釭的燃料喷射量都是相等的。因此，通过仅以#3气缸为目标 气釭来执行喷射比改变过程，气缸间的空燃比差异能够减小到几乎为 零。相反，当喷射比改变过程开始之前每个气釭的燃料喷射量不同时， 通过依次地#^个气釭选为目标气釭来执行喷射比改变过程，气缸间的 空燃比差异能够降低到几乎为零。接下来将描述第一实施方式中的详细程序。图6和7是本实施方式 中由ECU50执行、从而实现前述功能的程序的流程图。当喷射比校正 所需的标记一一其将在下文描述一一打开时，执行图6中所示的程序。根据图6中所示的程序，首先判定内燃发动机10是否稳定J4^转 (步骤IOO)。更具体地，判定发动M度NE、负栽系数(空气量)和 控制目标空燃比中的每一个随时间的改变是否落在基本可看作恒定的 预定范围内。可基于节气门打开量或进气管负压计算负栽系数。在内燃发动机10的过度运转期间，空燃比易于瞬地改变，因此这 并不是执行用于校正气釭间空燃比差异的控制的适当时间。因此，当在 步骤100中判定内燃发动机10不是稳定运转时，不执行校正空燃比差 异的控制，并且所述程序的这个循环直接结束。另一方面，如果在步骤IOO中判定内燃发动机10稳定地操作，则 然后空燃比传感器44检测总空燃比并且氢传感器46检测混合排气中的 氢含量(步骤102 )。接下来，判定在步骤102中检测到的氢含量是否超过用于步骤102 中检测到的总空燃比的容许氢含量(步骤104)。在此，容许氢含量是与 气缸间空燃比差异程度的许可极PM目对应的氢含量值。此容许氢含量根 据总空燃比的值而不同。限定总空燃比值和与该总空燃比值相对应的容 许氢含量之间关系的映射或运算表达式存储在ECU 50中。在获取用于 所检测到的总空燃比的容许氢含量之后，参考该映射或运算表达式在步 骤104中做出上述判定。如果在步骤104中由氢传感器46检测到的氲含量等于或少于容许 氢含量，则能够判定气缸间的空燃比差异程度即使在当前状态下也落在 许可极限内。在这种情况下，不需#行控制来校正空燃比差异，因此 程序的这个循环直接结束。另一方面，如果所检测到的氢含量超过容许 氢含量，则执行控制以校正喷射比(下文也称为"喷射比校正控制") 以校正气缸间的空燃比差异(步骤106)。在步骤106中，执行图7中示出的子程序。首先，选择喷射比改变 过程的目标气釭(步骤110 )。更具体地，例如，如果喷射比改变过程要 以从#1气釭到#4气釭的顺序执行，则首先选##1气釭。然后，在下一 循环的步骤110中，选##2气釭，如此等等。同时，如果在最后循环期间中断校正空燃比差异的控制、并因此没 有完成，则在下一循环中可首先选择控制中断时作为目标气缸的气缸。接下来以在步骤110中选择的气缸作为目标气缸搜索最优喷射比 (步骤112)。在步骤112中，首先执行喷射比改变过程。此喷射比改变 过程是一种与参照图5A至5C描述的类似的过程。即，目标气釭的燃 料喷射量逐渐改变，而其它气釭的燃料喷射量以相反的方式改变，从而 保持总空燃比(即总燃料喷射量)不变。此时，目标气釭的燃料喷射量的改变范围(下文称为"搜索范围") 是以搜索开始之前的燃料喷射量为中心的预定范围(例如在±5%范围 内)。预定范围根据假定的空燃比差异程度预先设定。替代地，可以在 搜索开始之前>^险测到的氩含量估算空燃比差异程度，且目标气釭的燃 料喷射量可在包括该空燃比差异程度的范围内改变。目标气釭的燃料喷射量以上述方式逐渐改变的同时，氢传感器46 持续地检测氢含量并且在步骤112中存储当氢含量最低时的目标气釭喷 射比。接下来，判定在步骤112中存储的喷射比是否与搜索范围的上限或 下限中的任一个相对应(步骤114)。如果该判定是肯定的，则能够判定 氢含量最少的最优喷射比落在搜索范围之外。因此，在这种情况下，搜 索范围偏移，并且重新搜索最优喷射比，就像在步骤112中一样(步骤 116)。例如，如果最后的搜索范围是士5%的范围并且氢含量最小的喷 射比与该搜索范围的上限值(+5%)对应，则在步骤116中新的搜索范 围设为+5%到+15%。相反，如果氢含量最小时的喷射比对应于搜索范 围的下P艮值(-5%),则新的搜索范围设为-5至-15%。当执行步骤116时一一即重复搜索最优喷射比时，重新执行步骤 114。即，在最优喷射比的重新搜索中，判定针对最小氢含量存储的喷 射比是否对应于搜索范围的上限或下限中的任一个。另一方面，如果在步骤U4中判定针对最小氢含量存储的喷射比不 对应于搜索最优喷射比时的搜索范围的上P艮或下限中的任一个，则可以 判定所存储的喷射比是最优喷射比。因此，在这种情况下，用于每个气 缸的当前喷射比校正到最优喷射比(步骤118 )。此步骤实现了最优喷射 比，并且从而降低了气缸间的空燃比差异。接下来，判定在最优喷射比搜索中发现的氢含量最小值是否等于或小于容许氢含量(步骤120 )。此容许氢含量是与上文参照步骤104所描 i^目同的值。如果在步骤120中氢含量最小值超过容许氢含量，则可以判定气缸 间的空燃比差异仍然落在许可极限之外。在这种情况下，则然后判定所 有气釭的最优喷射比搜索和喷射比校正是否已经结束(步骤122 )。如果 仍然有气缸尚未被指定为目标气缸，则再次执行步骤110和其后的步骤。 因此，以剩余气釭之一作为目标气釭执行另一最优喷射比搜索和喷射比 校正。另一方面，如果在步骤120中判定氢含量最小值等于或小于容许氢 含量，则可以判定气釭间的空燃比差异已经被校正到等于或小于许可极 限。在这种情况下，没有必要将其余气釭指定为目标气缸执行最优喷射 比搜索，因此喷射比校正控制的这个循环结束(步骤124)。另外，当在 步骤122中判定所有气釭的最优喷射比搜索和喷射比校正均已结束时， 则不再需要另外的喷射比校正，因此喷射比校正控制的这个循环结束 (步骤124 )。一旦喷射比校正控制结束，则喷射比校正需求标记关闭(步猓126 )。 喷射比校正需求标记在预定的时间后(例如在行驶预定的距离后)通过 另一程序中的步骤重新打开。当喷射比校正需求标记打开时，允许执行 图6中所示的程序。这使得喷射比校正控制适时地而不会不必要地执行。在此实施方式中，执行类似于上述的喷射比校正控制使得气缸间的 空燃比差异能够减小，因此改善了排气排放。特别地，在此实施方式中，在气釭被逐个地指定为目标气缸时搜索 另 一气缸的最优喷射比使得能够精确地校正气釭间的空燃比差异。在上述的第一实施方式中，步骤112中的喷射比改变过程也可以看 作"喷射比改变部"，且步骤112中存储最优喷射比的过程和步骤118 中的过程也可以看作"喷射比校正部"。同时，在上述的第一实施方式中，步骤114中的过程可以看作"喷 射比存储部"，步骤U8中的过程可以看作"校正部"，且步骤104中的 过程可以看作"许可部"。18接下来将参照图8a、 8b和9来描述本发明的第二实施方式。下面 的描述将集中在与上述实施方式之间的不同之处，因jM目同的部分将被 省略或简化。根据本实施方式的系统能够通过执行如图6和9中所示的 程序的ecu 50来实现，这将在后面使用图1和2所示的硬件结构进行 描述。本实施方式与第一实施方式的不同在于执行喷射比改变过程的方 式。在本实施方式中，当搜索最优喷射比时，每个气釭的喷射比根据规 定了多个喷射比模式的喷射比映射改变。图8a和8b各示出喷射比映 射的示例。如图8中所示，在喷射比映射中准备有许多喷射比模式。各喷射比 模式包括四个表示#1至#4气釭的喷射比的系数。当执行喷射比改变过 程时，从喷射比映射中逐个地选择喷射比模式。然后，在所选择的喷射 比模式中规定的系数乘以通过总空燃比控制计算的每个气缸的燃料喷 射量，并且从每个气缸的燃料喷射阀26喷射所获得的燃料喷射量，作 为每个气釭的燃料喷射量。在喷射比模式以这种方式依次切换的同时，氢传感器16检测氢含 量并且执行具有最低氲含量的最优喷射比模式的搜索。最优喷射比模式 是气釭间空燃比差异最小的喷射比模式。因此，可通过使用该最优喷射 比模式来校正气缸间的空燃比差异。喷射比映射中的喷射比模式的四个系数的平均值是1.0。因此，即 使喷射比模式改变，总喷射量也是恒定的，因此总空燃比可保持不变。在第一实施方式中，通过逐个地指定气釭作为目标气缸并且逐渐地 改变其喷射比来进行每个气釭的最优化。相反，在本实施方式中，能够 同时对所有气釭进行最优化。而且，在有p艮数量的喷射比模式中选择最 优模式，因此能够迅U现最优喷射比。从提高空燃比差异校正的精确度和使校正控制更快的角度看，喷射 比映射优选地包括大量根据凭经验获得的空燃比差异的趋势易于发生 的差异模式。例如，就内燃发动机10的进气特征来说，当得知#2和#3气缸的进 气特征易于变得较差时，则#2和#3气缸中的空气量易于降低，所以可 以假设这些气缸易于变浓。在这种情况下，如图8a中所示，优选地，喷射比映射包括大量这样的映射其中#2和#3气釭的喷射系数小于#1 和弁4气缸的喷射系数。在图8A中所示的喷射比映射中，以约1% (即0.01)逐步地改变 的气釭喷射系数来设定每个喷射比模式。但是，该步长并不局限为1%。 例如，当预知除非气釭间的空燃比差异等于或大于2%、否则混合朝一气 中的氢含量基本上不受影响时，喷射比模式的步长可设为2%(即0.02 )。图9是本实施方式中通过ECU 50执行以实现上述功能的程序的流 程图。在此实施方式中，当执行上述图6所示程序的步骤106中的过程 时，执行图9所示的子程序以替代上述图7中所述的子程序。在图9中所示的程序中，首先，存储所使用的喷射比模式的数量、 以及当前时刻一一即执行喷射比校正之前一一由氬传感器46所检测的 氢含量(步骤103)。接下来，当开始喷射比改变过程时，从喷射比映射 中选择首先要选择的喷射比模式(步骤132 )。在此选择的开始模式可以 是当重新执行喷射比校正控制时喷射比映射序列中的第一模式。此外， 当返回到在最后循环期间中断的喷射比校正控制时，可选择当控制中断 时所使用的模式。接下来，然后选择喷射比映射中的喷射比模式以从步骤132中选择 的开始模式开始(步骤134 )。所选择的喷射比模式反映在每个气釭的当 前燃料喷射量中。此外，在步骤134中，在每个气釭的燃料喷射比根据 喷射比映射依次地改变的同时，氢传感器46依次地检测氢含量，并且， 存储氢含量最低时的含量值以及该时的喷射比模式的编号。当喷射比映射中所有模式都已被选择过或当步骤134中的过程已经 由于例如内燃发动机10的运转状态从稳定状态切换到过度状态而中断 时，则然后判定在步骤134中存储的氢含量最小值是否低于存储于步骤 130中的初始氢含量(步骤136)。如果步骤134中的氢含量最小值较小， 则可以判定步骤134中喷射比模式下的空燃比差异小于初始喷射比模式 下的空燃比差异。因此，在这种情况下，在步骤134中存储的喷射比模 式用于计算之后每个气釭的燃料喷射量(步骤138 )。另一方面，如果在步骤136中初始氢含量较低，则可以判定在步骤 130中存储的初始喷射比模式下空燃比差异较小。因此，在这种情况下， 在步骤130中存储的初始喷射比模式用于计算之后每个气釭的燃料喷射量(步骤140 )。在步骤138或步骤140中计算了燃料喷射量之后，喷射比校正控制 的这个循环结束(步骤142 )。即使一开始气釭间存在空燃比差异，此喷 射比校正控制也能够校正该差异。一旦喷射比校正控制结束，喷射比校正需求标记关闭(步骤144)。 如第 一实施方式中 一样，在预定时间之后通过另 一程序中的步骤重新打 开喷射比校正需求标记。在上述第二实施方式中，步骤134中依次地改变喷射比模式的过程 也可以看作"喷射比改变部"，且步骤134中存储当氢含量最低时的喷 射比模式的过程与步骤138中的过程一起可看作"喷射比校正部"。而且，在上述的第二实施方式中，步骤134中的过程也可以看作"喷 射比存储部"，且步骤138中的过程也可以看作"校正部"。另外，ECU 50也可以看作"模式存储部"。接下来将参照图10描述本发明的第三实施方式。下面的描述将集 中在与上述实施方式之间的不同之处，因此将省略或简化相同的部分。在此实施方式中，当氢传感器46的输出值故障时，除第一或第二 实施方式的控制之外，还可执行用于检测该故障的控制。此实施方式可 以通过在第一或第二实施方式的系统中另外执行图10中所示的程序来 实现。氬传感器46置于例如总^1暴露于排气的恶劣环境中，如空燃比传 感器44一样。因此，氢传感器46中存在发生导致异常高或低的输出的 故障的可能。即使确实发生了输出故障，该传感器通常仍然保持对氢含 量敏感。即使氢传感器46中存在输出值故障，但是只要传感器仍然保持对 氢含量敏感，就可以执行控制以根据第一或第二实施方式校正空燃比差 异。这是因为在第一和第二实施方式中，即使没有准确地知道氲含量的 绝对值，也足以搜索氢含量较低的状态。但是，如果在其它控制(例如用于空燃比传感器44的校正控制或 总空燃比控制等)中使用来自氲传感器46的输出、且来自该氢传感器 46的输出值存在故障，则可能导致使用该值的其它控制发生错误。因此，在此实施方式中，使用了如下所述的方法来检测氬传感器46的输出值 中的故障。在气缸间空燃比差异的程度和混合排气中的氢含量之间存在如上 述图4中所示的关系。即，空燃比差异越小则氢含量低，因此当没有空 燃比差异时，氢含量收敛于给定的固定氢含量。另一方面，在根据第一 或第二实施方式执行控制以校正空燃比差异之后，几乎不再存在空燃比 差异。因此，在执行控制以校正空燃比差异后，排气中的氩含量应落入 固定范围内一一当然取决于内燃发动机IO的运转状态。只要氢传感器 46正常运转，则其输出值也应落入固定范围内。因此，在此实施方式中，根据内燃发动机10的运转状态(发动机 速度NE、负载系数以及控制目标空燃比)预先设定氢传感器46输出值 的正常范围。然后，如^执行校正空燃比差异的控制之后氢传感器46 的输出值落到正常范围之外，则判定氢传感器46的输出值存在故障。图IO是在本实施方式中由ECU 50执行以实现上述功能的程序的流程图。根据图10中所示的程序，首先判定内燃发动机io是否稳定ite转(步骤150 )。这种判定可以像步骤100中同样地做出。在内燃发动机 IO的过JL运转期间，排气中的氬含量易于瞬时地改变，因此这不是进行 氩传感器46故障判定的适当的时间。因此，如果在步骤150中判定内 燃发动机IO不是在稳定状态下运转，则程序的这个循环直接结束。另一方面，如果在步骤100中判定内燃发动机10在稳定状态下运 转，则接下来判定是否存在最近执行控制以校正气釭间空燃比差异的历 史(步骤152)。如果没有最近执行该控制的历史，则程序的这个循环直 接结束。如果存在最近执行该控制的历史，则ECU 50然后进行检查以 确定空燃比传感器44没有故障(步骤154)。如果空燃比传感器44中存在故障，则不能精确#测此系统中的 总空燃比，因此难以判定氢传感器46中是否存在故障。因此，如M 步骤154中确定空燃比传感器44中存在故障，则程序的这个循环直接 结束。可通过各种已知方法中的任一种方法来检测空燃比传感器44中是 否存在故障。例如，能够基于输出值是否落在给定范围之外、基于与次 空燃比传感器(02传感器)的比较或基于灵敏度的降低**测。如果在步骤154中确定空燃比传感器44中不存在故障，则接下来 判定氬传感器46的输出值是否落在正常范围内(步骤156 )。更具体地， 获取发动fel^NE、负载因素以及控制目标空燃比以作为内燃发动机 10的当前^Mt状态，并且获得取决于这些操作状态的氢传感器46输出 值的正常范围。然后判定氳传感器46的当前输出值是否落在正常范围 内。如果在步骤156中判定氢传感器46的输出值落在正常范围内，则 判定氩传感器46正常(步骤158)。另一方面，如果氩传感器46的输出 值落在正常范围之外，则判定氩传感器46的输出传感器(即氬传感器 46本身)异常(步骤160 )。如果判定氩传感器46异常，则优选地警告 驾驶员这个事实并且提醒必须检查发动机。在上述第三实施方式中，步骤156中的过程也可以看作"传感器故 障判定部"。图11是以框图形式示出的V型8缸内燃发动机60的俯视图。通过 例如这种内燃发动机60的V型发动机，排气歧管62通常构造成使得来 自每个列的所有气缸的排气通道首先合并、且然后来自两个列的排气通 道在更下游处结合在一起。当将本发明应用于这种V型发动机时，空燃 比传感器44和氬传感器46可在来自所有气釭的排气通道的合并部的下 游作为一组地设置，或者如图11中所示，可为每个列设置一组传感器 ——即一个空燃比传感器44和一个氢传感器46。在这种情况下，可以 对每个列执行如上所述的本发明的控制。虽然已经参照其实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解本发 明并不局限于所述实施方式或构造。相反，本发明意在覆盖各种改型和 等同设置。另外，虽然实施方式的各个元件以示例性的不同组合和构造 示出，但包括更多、更少或者仅单个元件的其它组合和构造也落入本发 明的精神和范围之内。
权利要求
1.一种内燃发动机的空燃比控制装置，包括氢传感器，其设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下游，并且根据排气中的氢含量产生输出；多个燃料喷射部，其设置在所述多个气缸的每一个内；喷射比改变部，当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷射比改变部通过控制所述多个燃料喷射部来执行用于随时间改变所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比的喷射比改变过程，同时保持所述空燃比不变；以及喷射比校正部，其基于执行所述喷射比改变过程期间所述氢传感器的输出通过控制所述多个燃料喷射部来校正所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，使得排气中的氢含量变得低于执行所述喷射比改变过程之前的排气中的氢含量。
2.如权利要求1所述的内燃发动机的空燃比控制装置，其中所述 喷射比校正部包括存储部和校正部，所述存储部将在所述喷射比改变过 程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各气釭的最优喷射比，所述校正 部在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气缸间的各气缸的燃料喷 射比校正至用于各气釭的所述最优喷射比。
3.如权利要求1或2所述的内燃发动机的空燃比控制装置，其中 在所述喷射比改变过程中，所述喷射比改变部以预定方式逐渐改变从所 述多个气釭中选择的单个目标气釭的燃料喷射量，并且以与改变所述目 标气缸的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之 外的气缸的燃料喷射量，使得所述多个气釭的总空燃比保持不变。
4.如权利要求1或2所述的内燃发动机的空燃比控制装置，其中 所述喷射比改变部具有模式存储部，在所^式存储部中预先存储有所 述多个气缸间的燃料喷射比的多个模式，并且在所述喷射比改变过程 中，所述喷射比改变部从所述多个模式中依次选择一个模式并将所选择的模式应用于当前燃料喷射比。
5.如权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机的空燃比控制装 置，进一步包括许可部，其许可执行所述喷射比改变过程，其中当基于所述氬传感器的输出值的氢含量同对应于所述多个气 缸间的空燃比差异的许可极限的预定容许氢含量相比为高时，所述许可 部许可执行所述喷射比改变过程。
6.如权利要求1至5中任一项所述的内燃发动机的空燃比控制装 置，进一步包括传感器故障判定部，在已由所述喷射比校正部执行了所述喷射比校正之后所述氳传感器的输出值落在预定正常范围之外时，所述传感器故 障判定部判定所述氢传感器发生故障。
7. —种内燃发动机的空燃比控制装置，包括氢传感器，其设置在多个气缸的排气通道汇合部的下游，并且M 排气中的氢含量产生输出；差异校正部，其基于来自所述氢传感器的输出执行差异校正控制以 校正所述多个气缸间的空燃比差异；以及传感器故障判定部，在已执行了所述差异校正控制之后所述氢传感 器的输出值落在预定正常范围之外时，所述传感器故障判定部判定所述 氢传感器发生故障。
8. —种内燃发动机的空燃比控制方法，包括利用设置在所述内燃发动机的多个气缸的排气通道汇合部的下游 的氩传感器根据排气中的氬含量产生输出；执行喷射比改变过程，当所述内燃发动机在其总空燃比保持不变的状态下运转时，所述喷射比改变过程通过控制设置在所述多个气釭的每 个气缸中的多个燃料喷射部来随时间改变所述多个气缸间的各气缸的燃料喷射比，同时保持所述空燃比不变；以及基于执行所述喷射比改变过程期间所述氲传感器的输出，通过控制得排气中的氢含量变得低于执行所述喷射比改变过程之前的排气中的 氢含量。
9.如权利要求8所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括:将在所述喷射比改变过程中氢含量最低时的燃料喷射比存储为各 气釭的最优喷射比；以及在所述喷射比改变过程结束后将所述多个气缸间的各气缸的燃料 喷射比校正至用于各气缸的所述最优喷射比。
10.如权利要求8或9所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一 步包括在所述喷射比改变过程中，以预定方式逐渐改变从所述多个气釭中 选捧的单个目标气缸的燃料喷射量，并且以与改变所述目标气釭的燃料喷射量的所述预定方式相反的方式改变所述目标气缸之外的气缸的燃 料喷射量，使得所述多个气釭的总空燃比保持不变。
11. 如权利要求8或9所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一 步包括预先存储所述多个气釭间的燃料喷射比的多个模式；以及在所述喷射比改变过程中，从所述多个模式中依次选择一个模式并 且将所选择的模式应用到当前燃料喷射比。
12. 如权利要求8至11中任一项所述的内燃发动机的空燃比控制方法，进一步包括当基于所述氢传感器的输出值的氢含量同对应于所述多个气缸间 的空燃比差异的许可极限的预定容许氬含量相比为高时，许可执行所述 喷射比改变过程。
13. 如权利要求8至12中任一项所述的内燃发动机的空燃比控制 方法，进一步包括在已执行了所述喷射比校正之后所述氢传感器的输出值落在预定 正常范围之外时判定所述氬传感器发生故障。
14. 一种内燃发动机的空燃比控制方法，包括如下步骤利用设置在多个气缸的排气通道汇合部的下游的氢传感器根据排 气中的氬含量产生输出；基于来自所述氢传感器的输出执行差异校正控制以校正所述多个 气缸间的空燃比差异；以及在已执行了所述差异校正控制之后所述氢传感器的输出值落在预 定正常范围之外时判定所述氩传感器发生故障。
全文摘要
当内燃发动机(10)运转于稳定状态时选择目标气缸(#3)。目标气缸(#3)的燃料喷射量逐渐地增加或降低，并且其它气缸(#1、#2、#4)的燃料喷射量以相反的方式降低或增加相应的量，使得内燃发动机(10)的总空燃比不变。在此期间，检测排气中的氢含量并且存储氢含量最低时的喷射比作为每个气缸的最优喷射比。然后，以每个气缸的最优喷射比将燃料喷射到每个气缸中。
文档编号F02D41/14GK101326356SQ200680046188
公开日2008年12月17日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月8日
发明者铃木裕介 申请人:丰田自动车株式会社