用于内燃机的空燃比控制系统及控制方法

专利名称：用于内燃机的空燃比控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的空燃比控制系统及控制方法。
背景技术：
内燃机排放的废气含有如碳氢化合物(HC)、 一氧化碳 (CO),以及氮氧化物(NOx)的成分。三元催化剂用于净化这些成分。 当废气的空燃比(以下简称为"排气空燃比")大约维持在理论空燃比 时，这种三元催化剂的净化性能较高，因此，为了使用三元催化剂来 净化废气，需要控制供给到燃烧室的燃料的量和其他参数，以便使排 气空燃比约为理论空燃比。为此，大多数内燃机设置有位于发动机排气通道中并在三元 催化剂的上游以检测排气空燃比的空燃比传感器。控制供给到燃烧室 的燃料的量，以便通过反馈(F/B)控制(以下简称为"主F/B控制") 使由空燃比传感器检测到的排气空燃比约为理论空燃比。但是，空燃比传感器位于三元催化剂的上游，由于非均匀的 排气空燃比传感器可能会产生不稳定的输出，或可能被废气的热损坏。 因此，空燃比传感器可能无法精确地检测实际空燃比。在这种情况下， 通过上述主F/B控制的空燃比的控制精度就降低了 。考虑到这一点，实际应用中已出现了所谓的"双传感器系 统"。双传感器系统设置有同样位于发动机排气通道中但在三元催化剂 下游的另外的空燃比传感器以检测排气空燃比。双传感器系统通过执 行次F/B控制能够提高空燃比传感器的控制精度，所述次F/B控制基 于下游空燃比传感器的输出来校正上游空燃比传感器的输出值(因此
7校正了燃料供给量)，从而上游空燃比传感器的输出值与实际空燃比一 致。例如，在内燃机的冷起动时，执行起动燃并牛量增加控制，在 起动燃料量增加控制中，为了稳定燃烧室中混合气的燃烧，与内燃机 处于正常操作时的燃料供给量相比，燃料供给量被增加。在起动燃料 量增加控制期间，调节燃料供给量，且空燃比经历开启控制(open control )。在起动燃料量增加控制结束后，执行F/B控制。但是，在这种情况下，直到起动燃料量增加控制结束，F/B 控制才开始，而从内燃机的起动到开始F/B控制需要较长的时间。在 开始F/B控制前，排气空燃比通常没有达到目标空燃比，这会不利地 影响废气排放。因此，需要在内燃机的冷起动后立即开始F/B控制。公开号为JP-A-2003-3891的日本专利申it公开了 一种空燃 比控制系统，该系统开始F/B控制以便使实际排气空燃比为目标空燃 比，并减少当发动机操作条件满足预定条件时，燃料供给量的增加由 于起动燃料量增加控制而被减少的比例，直至起动燃料量增加控制结 束前。该系统允许F/B控制的立即开始，以及从开启控制平稳切换至 至F/B控制。在上述双传感器系统中，主F/B控制和次F/B控制都采用 PID控制或PI控制。在PID控制和PI控制中，基于空燃比传感器的输 出值与目标空燃比之间的偏差，计算比例值和积分值(以及在PID控 制情况下的微分值)，将获得的比例值和积分值相加来计算校正量，并 基于获得的校正量来校正燃料供给量和上游空燃比传感器的输出值。从开始F/B控制起，积分值是同空燃比传感器的输出值与目 标空燃比之间的偏差的积分成比例的。此处，由于在起动燃料量增加 控制期间燃料量的增加，空燃比传感器的输出值与目标空燃比之间的 偏差较大。因此，如果F/B控制是在起动燃料量增加控制结束前开始的，则基于所述大偏差来计算积分值，这会导致该积分值在起动燃料 量增加控制结束后极大地偏离适当值。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于内燃机的空燃比控制系统，该 控制系统在仍执行燃料量增加控制的同时执行F/B控制，并能防止用 于PI控制或其他控制的积分值在所述量增加控制结束后极大地偏离适 当值。本发明的第 一 方案是针对一种用于内燃机的空燃比控制系 统。所述用于内燃机的空燃比控制系统包括位于设置在发动机排气通 道中的排气净化催化剂的上游或下游以检测废气的空燃比的空燃比传 感器，并且所述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所 述空燃比传感器的输出值被控制到目标空燃比。所述反馈控制是通过 计算校正量并基于获得的所述校正量校正所述燃料供给量来执行的， 所述校正量是通过将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与所述 目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加获得的。另外，在所述内 燃机冷起动时，从所述内燃机起动到经过预定期间，所述反馈控制将 基于所述偏差计算出的所述积分项的值设定为比在正常操作期间基于 相同偏差计算出的所述积分项的值小的值。所述预定期间长于从所述 内燃^/L的所述冷起动到激活所述空燃比传感器的期间。在所述内燃机冷起动时可执行起动燃料量增加控制，在所 述起动燃料量增加控制中，所述燃料供给量与在正常操作期间的燃料 供给量相比被增加。所述预定期间可以长于从所述冷起动到所述起动 燃料量增加控制结束的期间。本发明的第二方案也是针对一种用于内燃机的空燃比控制 系统。所述用于内燃机的空燃比控制系统包括位于设置在发动机排气 通道中的排气净化催化剂的上游或下游以检测废气的空燃比的空燃比传感器，并且所述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得 所述空燃比传感器的输出值被控制到目标空燃比，以及执行燃料量增 加控制，在所述燃料量增加控制中，与当所述内燃机处于正常操作时 的燃料量相比，供给到所述内燃机的燃料量根据发动才几操作条件而增 加。所述反馈控制是通过计算校正量并基于获得的所述校正量校正所 述燃料供给量来执行的，所述校正量是将比例值和基于所述空燃比传 感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算的积分值相加而获得 的。从所述燃料量增加控制开始到经过预定期间，将基于所述偏差计 算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基于相同偏差计算出的所 述积分值小的值。在本发明的第二方案中，所述预定期间可长于从所述燃料量
增加控制开始到结束的期间。在本发明的每个方案中，比在正常操作期间计算的所述积分 值小的所述值可以为0。所述预定期间可根据综合进气量而变化。当将基于所述偏差计算出的所述积分值设定为比在正常操 作期间基于相同偏差计算出的所述积分值小的值时，基于所述偏差计 算出的所述比例值可以与在正常操作期间基于相同偏差计算的所述比 例值相同。本发明的第三方案是针对一种用于内燃机的空燃比控制系 统的控制方法。所述控制方法是针对一种用于内燃机的空燃比控制系 统，所述空燃比控制系统包括位于设置在发动机排气通道中的排气净 化催化剂的上游或下游以检测废气的空燃比的空燃比传感器，并且所 述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传感 器的输出值被控制到目标空燃比。所述反馈控制包括以下步骤通过 将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加来计算校正量，并基于获得的所述校正量校
正所述燃料供给量；以及在所述内燃机冷起动时，从所述内燃才几起动
到经过预定期间，将基于所述偏差计算出的所述积分值设定为比在正 常操作期间基于相同偏差计算出的所述积分值小的值，所述预定期间 长于从所述内燃机的起动到激活所述空燃比传感器的期间。本发明的第四方案是针对一种用于内燃机的空燃比控制系 统的控制方法。所述控制方法是针对一种用于内燃机的空燃比控制系 统，所述空燃比控制系统包括位于设置在发动机排气通道中的排气净 化催化剂的上游或下游以检测废气的空燃比的空燃比传感器，并且所 述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传感 器的输出值被控制到目标空燃比，以及执行燃料量增加控制，在所述 燃料量增加控制中，与当所述内燃机处于正常操作时的燃料量相比， 供给到所述内燃机的燃料量根据发动机操作条件而增加。所述反馈控 制包括以下步骤通过将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与 所述目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加来计算校正量，并基 于获得的所述校正量校正所述燃料供给量；以及从所述量增加控制开 始到经过预定期间，将基于所述偏差计算出的所述积分值设定为比在 正常操作期间基于相同偏差计算出的所述积分值小的值。本发明的每个方案能够提供一种用于内燃机的空燃比控制 系统，该控制系统在仍执行燃料量增加控制的同时执行F/B控制，并 能防止用于PI控制等的积分项的值在所述量增加控制结束后极大地偏 离适当值。


结合附图通过下述优选实施例的描述，本发明的上述以及进 一步的目的、特征和优点将变得明显，在附图中使用相同的标记来代 表相同的元件，其中图1示出了应用了本发明的用于内燃机的空燃比控制系统的整个 内燃机。
图2示出了排气空燃比与空燃比传感器的输出电压之间的关系。
图3示出了排气空燃比与氧传感器的输出电压之间的关系。
图4是示出用于计算目标燃料供给量的控制程序的流程图。
图5是示出在起动燃料量增加控制中的燃料供给量的增加量和在 PID控制中的积分校正值的时间图。
图6是类似于图5的时间图，其示出了在起动燃料量增加控制中 燃料供给量的增加量和在PID控制中的积分校正值。
图7是示出了内燃机冷起动时的发动机冷却液温度与参考值a之 间的关系的图。
图8是示出了在主F/B控制中用于计算燃料校正量的控制程序的 流程图的第一部分。
图9是示出了在主F/B控制中用于计算燃料校正量的控制程序的 流程图的第二部分。
图IO是示出了实际排气空燃比、氧传感器的输出值和用于空燃比 传感器的输出校正值的时间图。
图11是示出了在第一实施例的次F/B控制中用于计算空燃比传感 器的输出校正值的控制程序的流程图的第一部分。
图12是示出了在第一实施例的次F/B控制中用于计算空燃比传感 器的输出校正值的控制程序的流程图的第二部分。
图13是示出了在第二实施例的次F/B控制中用于计算空燃比传感 器的输出校正值的控制程序的流程图的第 一部分。图14是示出了在第二实施例的次F/B控制中用于计算空燃比传感 器的输出校正值的控制程序的流程图的第二部分。
具体实施例方式以下将结合附图描述本发明的第 一实施例的用于内燃机的 空燃比控制系统。图1示出了具有本发明的空燃比控制系统的整个内 燃机。在图1所述的实施例中，本发明的空燃比控制系统是用于缸内 直喷火花点火内燃机。不过，该系统也可用于其他类型的火花点火内 燃机。参照图1,附图标记分别为发动机主机体1、气缸体2、在 气缸体2内做往复运动的活塞3、固定在气缸体2的顶部的气缸盖4、 在活塞3与气缸盖4之间限定的燃烧室5、进气阀6、进气口 7、排气 阀8和排气口 9。如图1所示，火花塞IO设置在气缸盖4的内壁面的 中心处，燃料喷射阀11设置在气缸盖4的内壁面的外围。在活塞3的 顶面上，从燃料喷射阀11下方的位置到火花塞10下方的位置形成有 空腔12。各气缸的进气口 7经由对应的进气支管13连结到浪涌调整 槽(surge tank) 14，浪涌调整槽14经由进气管15连结到空气滤清器 (未示出)。空气流量计16和由步进电动机17驱动的节流阀18设置 在进气管15中。同时，各气缸的排气口 9连结到排气歧管19，排气歧 管19连结到带有内置三元催化剂(排气净化催化剂)20的催化转换器 21。催化转换器21的出口连结到排气管22。空燃比传感器23设置在 排气歧管19中，也即在三元催化剂20上游的排气通道中。氧传感器 24设置在排气管22中，也即在三元催化剂20下游的排气通道中。电子控制单元31由数字计算机构成，该数字计算机包括经 由双向总线32互连的RAM (随机存取存储器)33、 ROM (只读存储 器)34、 CPU (中央处理器)35、输入端口 36和输出端口 37。空气流量计16产生与进气流量成比例的输出电压。该输出电压经由对应的
AD转换器38输入到输入端口 36。如图2所示，基于废气中所含的氧 的浓度，空燃比传感器23产生与流经排气歧管19的废气的空燃比大 约成比例的输出电压。同时，如图3所示，基于废气中所含的氧的浓 度，根据流经排气管22的废气也即流经三元催化剂20后的废气的空 燃比是浓于还是稀于理论空燃比(约14.7)，氧传感器24产生极为不 同的输出电压。这些输出电压经由对应的AD转换器38输入到输入端 口 36。负载传感器41连接到加速踏板40。负载传感器41产生与 加速踏板40的偏移量成比例的输出电压。该输出电压经由对应的AD 转换器38输入到输入端口 36。每当曲轴转动例如30度时，曲轴转角 传感器42产生输出脉冲。该输出脉冲输入到输入端口 36。 CPU35基 于曲轴转角传感器42的输出脉冲来计算发动机转速。输出端口 37经 由对应的驱动电路39连接到火花塞10、燃料喷射阀11和步进电动机 17。上述的三元催化剂20具有储氧能力。通过这种能力，当废 气的空燃比稀时，三元催化剂20能够储存流入其中的废气中所含的氧。 同样，当废气的空燃比浓时，三元催化剂20通过释放已储存的氧来氧 化和净化流入其中的废气所含的HC和CO。为了有效利用三元催化剂20的储氧能力，需要将储存在三 元催化剂20中的氧的量维持在预定量(例如，最大氧储存量的一半)， 以使不论之后的废气的空燃比是浓还是稀都能够净化废气。如果储存 在三元催化剂20中的氧的量维持在预定量，则三元催化剂20始终能 够储存和释放定量的氧。结果，三元催化剂20始终能够氧化和减少废 气中所含的成分。因此，在本实施例中，为了维持三元催化剂20的排
14气净化性能，执行空燃比控制以便将储存在三元催化剂20中的氧的量 维持在恒定水平。为此，在本实施例中，设置在三元催化剂20的上游的空燃 比传感器23 (上游空燃比传感器)检测排气空燃比(供给到三元催化 剂20的上游的排气通道、燃烧室5和进气通道中的空气和燃料的比 值)，对从燃料喷射阀11供给的燃料的量执行F/B控制以使空燃比传 感器23的输出值对应于理论空燃比(该F/B控制以下将称为"主F/B 控制，，)。以这种方式，可以将排气空燃比大约维持为理论空燃比，并 使储存在三元催化剂中的氧的量维持在恒定水平，从而改善废气排放。以下将具体描述主F/B控制。在本实施例中，用以下方程式 (1 )来计算从燃料喷射阀11供给到各气缸的所需燃料量(以下称为"目 标燃料供给量")Qft(n)。
Qft(n) = Mc(n)/AFT + DQf(n)... (1)在方程式(1 )中,"n，，表示由ECU 31执行的计算次数。例如， Qft(n)表示在第n次计算(即，在次数"n")中计算的目标燃料供给量。 Mc(n)表示截至进气阀6关闭时预计已进入各气缸的空气的量(以下称 为"气缸内进气量，，)。气缸内进气量Mc(n)是基于预先实验性确定或计 算出的设定表或计算公式获得的，例如，该设定表或计算公式具有发 动机转速"Ne"及流经进气管15的空气的量(以下称为"进气管空气流 量")"mt"作为自变量(argument )。该设定表或计算公式储存在ECU 31 的ROM 34中。气缸内进气量Mc(n)是使用基于在发动机运行期间检测 到的发动机转速Ne和进气管空气流量"mt"的设定表或计算公式计算 的。AFT表示排气空燃比的目标值，其在本实施例中为理论空燃比 (14.7 )。 DQf表示关于稍后描述的主F/B控制而计算的燃料校正量。 燃料喷射阀11喷射的燃料量对应于用此方式计算出的目标燃料供给 量。
上述描述中，气缸内进气量Mc(n)是基于具有发动机转速 Ne和进气管空气流量"mt，，作为自变量的设定表等来计算的，与上述描 述不同，可以通过其他方式来计算气缸内进气量Mc(n)，例如通过基于 节流阀18的开度、大气压力等的计算公式来计算。图4是示出了用于计算来自燃料喷射阀11的目标燃料供给 量Qft(n)的控制程序的流程图。通过以预定时间间隔的中断来执行图中 所示的控制程序。在步骤101中，用曲轴转角传感器42和空气流量计16来分 别检测发动机转速Ne和进气管空气流量"mt"。然后，在步骤102中， 基于在步骤IOI中检测到的发动机转速Ne和进气管空气流量"mt"，使 用设定表或计算公式来计算在第n次计算中的气缸内进气量Mc(n)。然 后，在步骤103中，基于在步骤102中计算出的气缸内进气量Mc(n) 和在以下描述的主F/B控制中计算出的在第n次计算中的燃料校正量 DQf(n)，用上述方程式(1)来计算目标燃料供给量Qft(n)。然后，结 束控制程序。燃料喷射阀11喷射的燃料量等于用这种方式计算出的目 标燃料供给量Qft(n)。现在，将描述主F/B控制。在本实施例的主F/B的控制中， 在每次计算中计算在基于空燃比传感器23的输出值计算出的实际排气 空燃比AFR与目标空燃比AFT之间的空燃比偏差量AAF，以计算使 空燃比偏差量AAF为0的这种燃料校正量DQf。具体来说，用以下方 程式(2)来计算燃料校正量DQf。也即，由PID控制来执行本实施例 中的F/B控制，该F/B控制基于空燃比偏差量AAF来校正燃料供给量。
<formula>formula see original document page 16</formula>
…(2)
在上述方程式(2)中，DQf(n-l)表示在第(n-l)次也即前 一次计算中的燃料校正量。同样，在方程式(2)中，Kmp.AAF(n)、 Kmi.SAAF和Kmd,(AAF(n)-AAF(n-l))分别表示比例、积分和微分。在 下面的描述中，比例值、积分值和微分值分别称为"比例校正值"、"积 分校正值"和"微分校正值"。Kmp、 Kmi和Kmd分别表示比例增益、积 分增益和微分增益。这些比例增益Kmp、积分增益Kmi和微分增益 Kmd可以是预定的固定值，或者可以是根据发动机操作条件而变化的 值。通常，在内燃机冷起动时，执行起动燃料量增加控制，在起 动燃料量增加控制中，增加供给到燃烧室5的燃料量。执行该起动燃 料量增加控制，以便通过增加供给到燃烧室5的燃料量来抑制由于燃 烧室5的壁的低温等导致的在冷起动时燃烧室5中的燃烧条件的恶化。图5是示出了在起动燃料量增加控制中的燃料供给量的增 加量和在PID控制中的积分校正值的时间图。从图中可以看出，在起 动燃料量增加控制期间，增加燃料供给量，且增加量随着时间的推移 而逐渐减少。也即，因为燃烧室5的壁的温度等随着时间的推移逐渐 增加，相应地燃料供给量逐渐减少。然后，在时间t2即起动燃料量增 加控制结束时，燃料供给量的增加量为O。同时，在内燃机的冷起动时，空燃比传感器23未被激活， 从而无法检测排气空燃比。由此，如图5所示，在现有技术中，在空 燃比传感器23被激活(图5中的时间t。的同时开始主F/B控制。在 激活空燃比传感器23的同时开始PID控制的情况下，在通过起动燃料 量增加控制来增加燃料供给量的同时，开始PID控制中积分校正值的 积分。在起动燃料量增加控制期间，因为燃料供给量增加因而实际空 燃比远离理论空燃比，所以如图5所示，积分校正值的绝对值突然增 加。当燃料量增加控制结束时，积分校正值的绝对值相当大，因此显著地偏离在没有执行所述量增加控制的正常操作期间期望通过积分校 正值而获得的值。在这种情况下，在起动燃料量增加控制结束后，积分校正值 没有立即达到适当值，这需要些时间。在积分校正值没有达到适当值 的期间内，在主F/B控制中也很难将实际空燃比控制到理论空燃比。 这使得这段期间的废气排放恶化。在本实施例中，在内燃机的冷起动时，在起动燃料量增加控 制期间，在激活空燃比传感器23后，不是立即执行PID控制而是立即 执行PD控制，在内燃机冷起动后当经过预定期间时执行PID控制。 也即，在内燃机冷起动后到经过预定期间，即使当激活空燃比传感器 23时，积分校正值不被积分而是维持为0，当已经过预定期间时，开 始该积分一交正值的积分。图6是类似于图5的时间图，示出了在起动燃料量增加控制 中燃料供给量的增加量和在PID控制中的积分校正值。从图中可以看 出，在时间t3到时间ts期间执行PD控制，其中在时间t3激活空燃比传 感器23，在时间t5后执行PID控制。因此，如图6所示，直到时间ts 积分校正值维持为0，以后对该积分校正值积分。在本实施例中，所述预定期间长于从内燃机的冷起动到激活 空燃比传感器23的期间。这将确保在主F/B控制开始后没有立即开始 积分校正值的积分。结果，积分校正值的积分的开始相对于主F/B控 制的开始而延迟。因此，延迟积分校正值的积分的开始防止了积分校 正值的绝对值在实际空燃比明显地偏离理论空燃比的同时变大。这防 止了当起动燃料量增加控制结束时积分校正值的绝对值很大，从而抑 制了废气排放的恶化。在本实施例中，所述预定期间是从内燃机的冷起动时起到进 气量的积分2Ga变为参考值a或更大时的期间。参考值a根据在内燃机冷起动时的发动机冷却液温度而变化。如图7所示，当起动冷却液
温度较低时，参考值a较大；当起动冷却液温度较高时，参考值a较 小。因此，在内燃机冷起动时发动机冷却液温度较低的情况下，也即 在较长期间内执行起动燃料量增加控制的情况下，较大的参考值a导 致较长的预定期间。相反，在内燃机冷起动时发动机冷却液温度较高 的情况下，也即在较短期间内执行起动燃料量增加控制的情况下，较 'J、的参考值a导致较短的预定期间。在图6所示的实例中，在起动燃料量增加控制结束(在时间 tj后，开始积分校正值的积分(在时间t5)。然而，可以在起动燃料 量增加控制结束之前开始积分校正值的积分。同样在这种情况下，积 分校正值的积分的开始相对于传感器的激活而延迟，从而抑制了废气 排放的恶化。图8和图9是示出了在本实施例的主F/B控制中用于计算燃 料校正量DQf的控制程序的流程图。图中所示的控制程序是通过以恒 时间间隔的中断来执行的。如图8和图9所示，在步骤131中，判断内燃机是否起动。 例如，当点火开关打开时判定为内燃才几起动了。如果在步骤131判定 为内燃机起动了，则处理进行至步骤132。在步骤132中，基于在内燃 机起动时的发动机冷却液温度，使用图7所示的设定表来计算参考值 a。然后，在步骤133中，将积分标记Xint设定为0。当4丸行积分校正 值的积分时将积分标记Xint设定为"l",当不执行积分校正值的积分时 将积分标记Xint设定为"O"。另一方面，如果在步骤131判定为内燃机 未起动时，则跳过步骤132和步骤133。然后，在步骤134中，判断空燃比传感器23是否已被激活。 如果判定为空燃比传感器23尚未激活，则处理进行至步骤135、步骤 136和步骤137，在步骤135、步骤136和步骤137中将比例校正值
19Mmp、孩i分4交正^直Mmd和积分4交正值Mmi分别设定为0。因而，主 F/B控制尚未开始，并结束控制程序。另一方面，如果在步骤134中判定为空燃比传感器23已被 激活，则处理进行至步骤138。在步骤138中，检测在第n次计算中的 空燃比传感器23的输出值VAF(n)。然后，在步骤139中，将用于空燃 比传感器23的输出校正值efsfb(n)与在步骤138中检测出的输出值 VAF(n)相加，以通过校正空燃比传感器23的输出值(VAF(n) = VAF(n) 十efsfb(n))来计算校正后的输出值VAF(n)。通过稍后描述的次F/B控 制的控制程序来计算输出校正值efsfb(n)。然后，在步骤140中，基于在步骤139中计算出的校正后的 输出值VAF，(n)，使用图2所示的设定表来计算在第n次计算中的实际 空燃比AFR(n)。因此，在第n次计算时，计算出的实际空燃比AFR(n) 与流入三元催化剂20内的废气的实际空燃比大致相同。然后，在步骤141中，从在步骤140中计算出的实际空燃比 AFR(n)减去目标空燃比AFT (在本实施例中为理论空燃比)，以便获得 在第n次计算中的空燃比偏差量AAF(n) ( AAF(n) = AFR(n)-AFT(n))。然后，在步骤142中，用于主F/B控制的比例增益Kmp乘 以在步骤141中计算出的空燃比偏差量AAF(n)，以获得比例校正值 Mmp ( Mmp = Kmp.AAF(n))。在步骤143中，用从本次计算中的空燃 比偏差量AAF(n)减去前一次计算中的空燃比偏差量AAF(n-l)后获得的 值乘以用于主F/B控制的微分增益Kmd，以获得微分校正值Mmd (Mmd= Kmd'(AAF(n)-AAF(n-l)))。然后，在步骤144中，判断积分标记Xint是否为"l",也即 积分4t正值Mmi的积分是否已经开始。如果积分一交正值Mmi的积分 尚未开始，在这种情况下，积分标记Xint已设定为"O"，则判定出积分 标记Xint不为'T，，然后处理进行至步骤145。在步骤145中，判断进气量的积分值SGa是否小于在步骤132中计算出的参考值(x。如果在 步骤145中判定为进气量的积分SGa小于参考值a，也即在内燃机起 动后尚未经过预定期间，则处理进行至步骤137,在步骤137中将积分 校正值Mmi设定为0，并结束控制程序。另一方面，如果在步骤145中判定为进气量的积分SGa不 小于参考值a，也即在内燃机起动后已经过预定期间，则处理进行至步 骤146。在步骤146中，将当前的计算次数"n"设定作为在开始积分校 正值Mmi的积分时的计算次数nQ。然后，在步骤147中将积分标记 Xint设定为"l",且处理进行至步骤148。在步骤148中，用以下方程式(3 )来计算积分校正值Mmi。 然后，在步骤149中，如以下方程式(4)所示，用在步骤142或步骤 135中计算出的比例校正值Mmp、在步骤143或步骤136中计算出的 微分校正值Mmd及在步骤148或步骤137中计算出的积分校正值Mmi 与前一次计算中的燃料校正量DQf(n-l)相加，以获得本次计算中的燃 料校正量DQf(n)。在随后的控制程序中，在步骤144中判定为积分标 记已设定为'T，，然后处理从步骤144进行至步骤148。
Mmi = Kmi. ^AAF(k) …(3)
DQf(n) = DQf(n-1) + Mmp + Mmi + Mmd …(4)例如因为空燃比传感器23由于废气的热而损坏，使得空燃 比传感器23的输出可能偏离。在这种情况下，例如，通常产生图2的 实线所示的输出值的空燃比传感器23会产生图2的虚线所示的输出 值。在如上述空燃比传感器23的输出值偏离的情况下，当排气空燃比 稀于理论空燃比时，空燃比传感器23产生通常当排气空燃比为理论空 燃比时所产生的输出电压。在本实施例中，空燃比传感器23的输出值 的这种偏差是通过次F/B控制使用氧传感器(下游空燃比传感器)24 来补偿的，以使空燃比传感器23的输出值对应实际排气空燃比。
如图3所示，氧传感器24能够检测排气空燃比是浓于还是 稀于理论空燃比，在确定是浓还是稀时基本没有偏差。当实际排气空 燃比稀时，氧传感器24的输出电压低；当实际排气空燃比浓时，氧传 感器24的输出电压高。因此，当实际排气空燃比大约为理论空燃比时， 也即反复地超过和低于理论空燃比时，氧传感器24的输出电压在高值 和低值之间反复地变换。从这个角度来看，在本实施例中，校正空燃 比传感器23的输出值以使氧传感器24的输出电压在高值和低值之间 反复地变换。图IO是示出了实际排气空燃比、氧传感器的输出值和用于 空燃比传感器23的输出校正值efsfb的时间图。图IO的时间图示出了 即使执行控制以使实际排气空燃比为理论空燃比，但是空燃比传感器 23仍产生偏差且实际排气空燃比不为理论空燃比的状态，以及逐渐补 偿这种偏差的状态。在图IO所示的实例中，在时间t6时实际排气空燃比稀于理 论空燃比。这是因为空燃比传感器23的偏差，该偏差导致当实际排气 空燃比稀于理论空燃比时空燃比传感器23输出对应于理论空燃比的 值。此时，氧传感器24输出低值。如上所述，在图8的步骤139中，用于空燃比传感器23的 输出校正值efsfb与输出值VAF(n)相加，以计算校正的输出值VAF，(n)。 因此，当输出校正值efs化为正时，空燃比传感器23的输出值被校正 到稀侧，当输出校正值efsfb为负时，空燃比传感器23的输出值被校 正到浓侧。因为输出校正值efsfb的绝对值较大，所以空燃比传感器23 的输出值被校正到更大的程度。即使空燃比传感器23的输出值大约为理论空燃比，当氧传 感器24输出低值时，这表明空燃比传感器23的输出值已经偏离到浓 侧。因此，在本实施例中，当氧传感器24输出低值时，增加输出校正值efsfb以将空燃比传感器23的输出值校正到稀侧。另一方面，即使 空燃比传感器23的输出值大约为理论空燃比，当氧传感器24输出高 值时，减小输出校正值efsfb以将空燃比传感器23的输出值校正到浓 侧。具体来说，用以下方程式(5)来计算输出校正值efsfb。在 以下方程式(5)中，esfsb(n-l)表示在第(n-l)次计算中也即在前一 次计算中的输出校正值。同样在方程式(5)中，Ksp.AVO(n)、 Ksi'2AV0 和Ksd'(AVO(n)-AVO(n-l))分别表示比例、积分和微分。Ksp、 Ksi和 Ksd分别表示比例增益、积分增益和微分增益。这些比例增益Ksp、积 分增益Ksi和微分增益Ksd可以是预定的固定值，或者可以是根据发 动机操作条件而变化的值。AVO(n)表示在第n次计算中的氧传感器24 的输出值与目标输出值(在本实施例中，为对应理论空燃比的值)之 间的输出偏差量。
efsfb(n) = efsfb(n -1) + Ksp. AVO(n) + Ksi. J AVO(k) + Ksd' (AVO(n) - AVO(n -1))
…(5)如同在上述主F/B控制中，如果在氧传感器24被激活的同 时开始次F/B控制，则积分校正值的绝对值变大，因而导致废气排放 的暂时恶化。在本实施例中，同样在次F/B控制中，在内燃冲几冷起动时， 在起动燃料量增加控制期间，在氧传感器24被激活后不是立即执行 PID控制而是立即执行PD控制，且在内燃机冷起动后当已经过预定期 间后执行PID控制。也即，即使当氧传感器24被激活时，积分校正值 不被积分而是维持为0直到内燃机冷起动后经过预定期间，当已经过 预定期间时，开始该积分校正值的积分。
在本实施例中，同样在次F/B控制中，所述预定期间是从内 燃机的冷起动时起到进气量的积分SGa变为参考值a，或更大时的期 间。参考值a，根据在内燃机冷起动时的发动机冷却液温度而变化。如 图7所示的参考值a，当起动冷却液温度较低时，参考值a，较大，当 起动冷却液温度较高时，参考值a，较小。在本实施例中，次F/B控制 中的参考值a，等于主F/B控制中的参考值a。但是，这些参考值可以 不必彼此相等，也可以彼此不同。图11和图12是示出了在本实施例的次F/B控制中用于计 算空燃比传感器23的输出校正值efsfb的控制程序的流程图。图中所 示的控制程序是通过以恒定时间间隔的中断来执行的。因为图11和图12中所示的次/F/B控制的控制程序类似于 图8和9中所示的主/F/B控制的控制程序，所以以下描述中将不再描 述与后者中的步骤相类似的前者中的步骤。如图11和图12所示，如果在步骤164中判定为氧传感器 24已被激活，则处理进行至步骤168。在步骤168中，检测在第n次 计算中的氧传感器24的输出值VO(n)。然后，在步骤169中，从在步 骤168中计算出的输出值VO(n)减去氧传感器24的目标输出值VOT (在本实施例中，为对应于理论空燃比的值)，以获得在第n次计算中 的输出偏差量AVO(n) ( AVO(n) = VO(n)-VOT )。然后，在步骤170中，用于次F/B控制的比例增益Ksp乘以 在步骤169中计算出的输出偏差量AVO(n)，以获得比例校正值Msp (Msp = Ksp.AVO(n))。然后，在步骤171中，用从本次计算中的输出 偏差量AVO(n)减去在前一次计算中的输出偏差量AVO(n-l)后获得的 值乘以用于次F/B控制的微分增益Ksd，以获得微分校正值Msd ( Msd =Ksd.(AVO(n)-AVO(n-l)))。
在步骤176中，用以下方程式(6 )来计算积分校正值Msi。 然后，在步骤177中，如以下方程式(7)所示，将在步骤170或步骤 165中计算出的比例校正值Msp、在步骤171或步骤166中计算出的微 分校正值Msd及在步骤176或步骤167中计算出的积分校正值Msi与 在前一次计算中的输出校正值efsfb(n-l)相加，以获得本次计算中的输 出才交正l直efsfb(n)。
<formula>formula see original document page 25</formula>在上述实施例中,在内燃机冷起动后直到经过预定期间，积 分校正值不是被积分而是维持为0。但是，积分校正值可以被积分，只 要积分后的积分校正值被修改为小于正常操作期间的积分后的积分校 正值。在这种情况下，例如，在内燃机冷起动后直到经过预定期间，
用以下方程式(8 )来计算主F/B控制中的积分校正值Mmi。在方程式 (8)中，"k"是从O到1的系数(0<k< 1)。为了在内燃机冷起动后 已经过预定期间后计算积分校正值Mmi，将冷起动后经过预定期间前 计算出的空燃比偏差量AAF乘以系数"k，，后进行积分，而在已经过预定 期间后计算出的空燃比偏差量AAF不乘以系数"k，，就进行积分。<formula>formula see original document page 25</formula>也即，即使实际排气空燃比与目标空燃比之间的空燃比偏差 量AAF大，通过将空燃比偏差量AAF乘以系数"k"也能够将积分校正 值Mmi修改为相对较小的值。这防止了燃料量增加控制结束时积分校 正值的绝对值的变大，从而抑制了废气排放的恶化。
在上述实施例中，执行用于主F/B控制和次F/B控制的PID 控制。然而，只要包括积分控制，还可以执行PI控制或其他控制替代 PID控制。在上述实施例中，所述排气净化催化剂是三元催化剂。然而， 排气净化催化剂并不局限于此，其可以是具有储氧能力的任何催化剂， 例如具有NOx储存能力的NOx吸附还原催化剂(storage reduction catalyst )。在上述实施例中，当在内燃机冷起动时执行燃料量增加控制 时，延迟积分校正值的积分的开始。与内燃机正常操作期间的燃料量 增加控制相比，增加燃料供给量的燃料量增加控制除了在冷起动时的 燃料量增加控制以外，还包括在排气净化催化剂的温度很高时被执行 以冷却排气净化催化剂的高温量增加控制，当发动才几负载高时被执行 以增加发动机输出的动力量增加控制。因而，上述实施例不仅可以应 用于在冷起动时的燃料量增加控制，而且可以应用于所述其他类型的 量增加控制。在后一种情况下，在所述量增加控制开始的同时停止积 分校正值的积分，并在例如在所述量增加控制开始后经过预定期间后， 重新开始积分校正值的积分。现在，将描述本发明的第二实施例的空燃比控制系统。第二 实施例的空燃比控制系统的结构与第一实施例的空燃比控制系统的结 构基本类似，因此将不再描述。在上述第一实施例的空燃比控制系统中，在内燃机冷起动后 直到进气量的积分2Ga成为参考值a或更大时，才对积分校正值积分。 在第二实施例的空燃比控制系统中，在所述量增加控制结束后直到进 气量的积分SGa成为参考值p或更大时，才对积分4交正值积分。此处，将讨论当执行起动燃料量增加控制时在三元催化剂 20中的废气中的空气。在起动燃料量增加控制期间，流入三元催化剂 20的废气的空燃比基本上较浓，因而在整个三元催化剂20中的废气中的空气较浓。但是，在这之后，例如，即使当起动燃料量增加控制结
束及流入三元催化剂20的废气的空燃比已变稀时，在三元催化剂20 中的废气中的空气不会马上变稀，而是从三元催化剂20的上游侧逐渐 变稀。因此，即使在起动燃料量增加控制结束后，仍需要一些时间使 整个三元催化剂20中的空气变得与流入三元催化剂20的废气中的空 气一致。当整个三元催化剂20中的空气与流入三元催化剂20的废气 中的空气不一致时，设置在三元催化剂20的下游的氧传感器24无法 适当地;险测排气空燃比。因此，直到整个三元催化剂20中的空气变得 与流入三元催化剂20的废气中的空气一致，氧传感器24才l命出适当 值。如果在没有达到这种完全一致前就对积分校正值积分，则需要一 些时间使积分校正值达到适当值，因而会恶化废气排放。在本实施例中，在内燃机冷起动时，在起动燃料量增加控制 期间，在氧传感器24被激活后不是立即执行PID控制而是立即执行 PD控制，在起动燃料量增加控制结束后已经过预定期间后执行PID控 制。也即，即使当氧传感器24被激活时，积分校正值不被积分而是维 持为0直到起动燃料量增加控制结束后经过预定期间，当已经过预定 期间时开始该积分^&正值的积分。在本实施例中，所述预定期间是从起动燃料量增加控制结 束后直到进气量的积分SGa成为参考值(3或更大的期间。参考值卩是 预定的固定值，例如，是对应于使整个三元催化剂20中的空气变得与 流入三元催化剂20中的废气一致而通常所需的空气量的值。图13和图14是示出了在第二实施例的次F/B控制中用于计 算空燃比传感器23的输出校正值efsfb的控制程序的流程图。图中所 示的控制程序是通过以恒定时间间隔的中断来执行的。步骤191至步骤201与图11和图12所示的步骤161至步骤 171类似，将不再描述。
在步骤202中，判断积分标记Xint是否为"l"，也即积分校 正值Msi的积分是否已经开始。如果积分4交正值Msi的积分尚未开始， 在这种情况下，积分标记Xint已设定为"O"，则判定出积分标记Xint 不为"1"，然后处理进行至步骤203。在步4f 203中，判断通过起动燃 料量增加控制的增加量是否为o，也即起动燃料量增加控制是否已经结 束。如果在步骤203中判定出起动燃料量增加控制尚未结束，则处理 进行至步骤196。在步骤196中，将进气量的积分SGa重置为0。然后， 在步骤197中，将积分校正值Msi设定为0。另一方面，如果在步骤203中判定出起动燃料量增加控制已 经结束，则处理进行至步骤204。在步骤204中，在起动燃料量增加控 制结束后的进气量的积分SGa被更新。然后，在步骤205中判断在步 骤204中计算出的进气量的积分SGa是否小于参考值P，也即在起动 燃料量增加控制结束后是否经过了预定期间。如果判定出积分SGa小 于参考值p，则处理进行至步骤197,在步骤197中将积分校正值Msi 设定为0。另一方面，如果在步骤205中判定出积分2Ga不小于参考 值卩，则处理进行至步骤206。在步骤206中，将当前的计算次数"n" 设定作为开始积分校正值Msi的积分时的计算次数no。然后，在步骤 207将积分标记Xint设定为"l"，且处理进4亍至步骤208。在步骤208中，用上述方程式(6 )来计算积分校正值Msi。 然后，在步骤209中，用上述方程式(7 )来计算输出校正值efs化(n)。 然后，结束控制程序。在随后的控制程序中，在步骤202中判定出积 分标记已设定为"l"，然后处理从步骤202进行至步-骤208。尽管已经结合优选实施例描述了本发明，但应该理解的是， 本发明不局限于已公开的实施例或结构。相反，本发明旨在覆盖各种 改进和等同的布局。另外，虽然公开的发明中的各种元件以各种示例 性的组合和构造出现，但是包括更多、更少或仅一个元件的其他组合 和构造也在附随的权利要求的范围内。
权利要求
1、一种用于内燃机的空燃比控制系统，其包括位于设置在发动机排气通道中的排气净化催化剂的上游或者下游以检测废气的空燃比的空燃比传感器，并且所述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传感器的输出值被控制到目标空燃比，所述用于内燃机的空燃比控制系统的特征在于，所述反馈控制是通过计算校正量并基于获得的所述校正量校正所述燃料供给量来执行的，所述校正量是将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加获得的，以及，在所述内燃机冷起动时，从所述内燃机起动到经过预定期间，将基于所述偏差计算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基于相同偏差计算出的所述积分值小的值，所述预定期间长于从所述内燃机的所述起动到激活所述空燃比传感器的期间。
2、 根据权利要求1所述的用于内燃机的空燃比控制系统，其中在所述内燃机冷起动时执行起动燃料量增加控制，在所述起动燃 料量增加控制中，所述燃料供给量与在正常操作期间的燃料供给量相 比被增加，所述预定期间长于从所述冷起动到所述起动燃料量增加控 制结束的期间。
3、 一种用于内燃机的空燃比控制系统，其包括位于设置在发动机空燃比传感器，并且所述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制 以使得所述空燃比传感器的输出值被控制到目标空燃比，以及执行燃 料量增加控制，在所述燃料量增加控制中，与当所述内燃机处于正常 2操作时的燃料量相比，供给到所述内燃机的燃料量根据发动机操作条 件而增加，所述用于内燃机的空燃比控制系统的特征在于，所述反馈控制是通过计算校正量并基于获得的所述校正量校正所 述燃料供给量来执行的，所述校正量是将比例值和基于所述空燃比传 感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算的积分值相加获得 的，并且，从所述燃料量增加控制开始到经过预定期间，将基于所述 偏差计算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基于相同偏差计算 出的所述积分值小的值。
4、 根据权利要求3所述的用于内燃机的空燃比控制系统，其中 所述预定期间长于从所述燃料量增加控制开始到结束的期间。
5、 根据权利要求1至4中任一项所述的用于内燃机的空燃比控制 系统，其中比在正常操作期间计算的所述积分项的值小的所述值为0。
6、 根据权利要求1至5中任一项所述的用于内燃机的空燃比控制 系统，其中所述预定期间根据综合进气量而变化。
7、 根据权利要求1至6中任一项所述的用于内燃机的空燃比控制 系统，其中当将基于所述偏离计算出的所述积分项的值设定为比在正常操作 期间基于相同偏差计算出的所述积分值小的值时，基于所述偏差计算出的所述比例值与在正常操作期间基于相同偏差计算的所述比例值相 同。
8、 一种用于内燃机的空燃比控制系统，包括空燃比传感器，其位于设置在发动机排气通道中的排气净化催化 剂的上游或者下游以检测废气的空燃比，所述系统构造为执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传 感器的输出值^皮控制到目标空燃比，其中所述反馈控制是通过计算校正量并基于获得的所述校正量校正所 述燃料供给量来执行的，所述校正量是将比例值和基于所述空燃比传 感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加获得 的，以及，在所述内燃机冷起动时，从所述内燃才几起动到经过预定期 间，将基于所述偏差计算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基 于相同偏差计算出的所述积分值小的值，所述预定期间长于从所述内 燃机的所述起动到激活所述空燃比传感器的期间。
9、 一种用于内燃机的空燃比控制系统，包括空燃比传感器，其位于设置在发动机排气通道中的排气净化催化 剂的上游或者下游以检测废气的空燃比，所述系统构造为执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传 感器的输出值被控制到目标空燃比，以及执行燃料量增加控制，在所述 燃料量增加控制中，与当所述内燃机处于正常操作时的燃料量相比， 供给到所述内燃机的燃料量根据发动机操作条件而增加，其中所述反馈控制是通过计算校正量并基于获得的所述校正量校正所 述燃料供给量来执行的，所述校正量是将比例值和基于所述空燃比传 感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加获得 的，以及，从所述燃料量增加控制开始到经过预定期间，将基于所述 偏差计算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基于相同偏差计算 出的所述积分值小的值。
10、 一种用于内燃机的空燃比控制系统的控制方法，所述用于内 燃机的空燃比控制系统包括位于设置在发动机排气通道中的排气净化 催化剂的上游或者下游以检测废气的空燃比的空燃比传感器，并且所 述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传感器的输出值被控制到目标空燃比，所述反馈控制包括通过将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与所述目标空燃 比之间的偏差计算出的积分值相加来计算校正量，并基于获得的所述 校正量校正所述燃料供给量；以及在所述内燃机冷起动时，从所述内燃机起动到经过预定期间，将 基于所述偏差计算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基于相同 偏差计算出的所述积分值小的值，所述预定期间长于从所述内燃机的 起动到激活所述空燃比传感器的期间。
11、 一种用于内燃机的空燃比控制系统的控制方法，所述用于内 燃机的空燃比控制系统包括位于设置在发动机排气通道中的排气净化 催化剂的上游或者下游以检测废气的空燃比的空燃比传感器，并且所 述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传感 器的输出值被控制到目标空燃比，以及执行燃料量增加控制，在所述燃料量增加控制中，与当所述内燃机处于正常操作时的燃料量相比， 供给到所述内燃机的燃料量根据发动机操作条件而增加，所述反馈控制包括通过将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与所述目标空燃 比之间的偏差计算出的积分值相加来计算校正量，并基于获得的所述 校正量校正所述燃料供给量；以及从所述燃料量增加控制开始到经过预定期间，将基于所述偏差计 算出的所述积分值设定为比在正常操作期间基于相同偏差计算出的所 述积分值小的值。
全文摘要
一种空燃比控制系统，其包括位于排气净化催化剂的上游或者下游的空燃比传感器(23、24)，并且所述空燃比控制系统执行燃料供给量的反馈控制以使得所述空燃比传感器的输出值被控制到目标空燃比。所述反馈控制是通过计算校正量并基于获得的所述校正量校正所述燃料供给量来执行的，所述校正量是将比例值和基于所述空燃比传感器的输出值与所述目标空燃比之间的偏差计算出的积分值相加获得的。在所述内燃机冷起动时，从所述内燃机起动到经过预定期间，将所述积分值设定为较小的值。
文档编号F02D41/14GK101432517SQ200780014967
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年4月24日
发明者中川德久, 石井良 申请人:丰田自动车株式会社