专利名称：内燃发动机空燃比控制设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于具有布置在排气通道中的排气净化催化剂单元的内燃发动机的 一种空燃比控制设备和一种空燃比控制方法。具体而言，本发明涉及这样一种空燃比控制 设备和一种空燃比控制方法其基于空燃比传感器的输出值控制燃料供给量使得流入排气 净化催化剂单元的排气的空燃比等于目标空燃比。
背景技术：
三元催化剂单元通常用于车辆的内燃发动机中。三元催化剂单元通过有利于为未 燃成分的HC(羟)和CO(—氧化碳)的氧化反应并通过有利于通过空气中的氮与排气中未 燃烧的氧之间的反应产生的NOx的还原反应来净化排气。为了有效地利用三元催化剂单元 的此类氧化和还原性能，内燃发动机的空燃比——其代表内燃发动机的燃烧状态——需保 持在化学计量空燃比附近。因而，为了在内燃发动机中进行燃料喷射控制，通常设置氧传感 器(氧浓度传感器)，其基于排气中留下的氧的浓度检测排气的空燃比是浓还是稀，即是低 于还是高于化学计量空燃比，并且执行基于氧传感器的输出校正燃料供给量的空燃比反馈 控制。例如，曰本专禾0申请 No. 11-82114 (JP-A-1 1-82114)禾口 No. 2007-107512 (JP-A-2007-107512)描述了用于空燃比反馈控制的双氧传感器系统。根据 这些系统，用于检测排气中氧浓度的氧传感器布置在三元催化剂单元上游以便尽可能靠近 内燃发动机的燃烧室，而另一个氧传感器布置在三元催化剂单元下游。下游氧传感器用来 补偿上游氧传感器的输出特性的变化。亦即，当从内燃发动机排出的排气流到三元催化剂 单元的下游侧时，排气被搅动且整个排气中的氧浓度由于三元催化剂单元的催化作用而变 成基本均勻。因此，下游氧传感器的输出比上游氧传感器的输出改变得更缓和，并且因而下 游氧传感器可更可靠地检测整个空燃混合物的空燃比是浓还是稀。在此类双氧传感器系统 中，使用下游氧传感器来执行副空燃比反馈控制，而使用上游氧传感器来执行主空燃比反 馈控制。例如，基于下游氧传感器的输出校正与主空燃比反馈控制相关的常量以便补偿上 游氧传感器的输出特性的变化并因而提高空燃比控制的精度。此外，近年来，已开发这样一种内燃发动机，其结合了具有储氧能力的三元催化剂 单元并控制流入三元催化剂单元中的空燃比，从而可以以稳定的方式利用三元催化剂单元 的净化性能。在具有储氧能力的情况下，三元催化剂单元当排气的空燃比稀(高于化学计 量空燃比)时储存过剩的氧而当排气的空燃比浓(低于化学计量空燃比)时释放储存在三 元催化剂单元中的氧，并且三元催化剂单元的此类储氧能力有限。由此，为了有效地利用三 元催化剂单元的储氧能力，重要的是将储存在三元催化剂单元中的氧的量保持在预定量， 例如为三元催化剂单元的最大储氧能力的一半。在此情形中，三元催化剂单元总是提供恒 定的氧储存和释放效果而不论排气的空燃比是浓还是稀，从而能够连续使用三元催化剂单 元的恒定氧化和还原效应。例如，已知一种结合在内燃发动机中的空燃比控制设备，其中将储存在三元催化剂单元中的氧的量控制为希望的水平以保持三元催化剂单元的净化性能的希望水平。该空 燃比控制设备结合了分别设置在三元催化剂单元的上游和下游的两个空燃比传感器。更具 体而言，设置在三元催化剂单元上游的空燃比传感器为线性检测排气的空燃比的线性空燃 比传感器，而设置在三元催化剂单元下游的空燃比传感器为输出根据排气的空燃比是浓还 是稀——即是否低于或高于化学计量空燃比——变化的电压的氧传感器。根据该空燃比控 制设备，使用设置在三元催化剂单元上游的线性空燃比传感器检测流入三元催化剂单元中 的排气的空燃比，而通过设置在三元催化剂单元下游的氧传感器检测三元催化剂单元中的 气氛的空燃比状态，并且基于氧传感器的输出控制流入三元催化剂单元中的排气的目标空 燃比，而基于线性空燃比传感器的输出执行流入三元催化剂单元中的排气的空燃比的反馈 控制使得所述空燃比等于目标空燃比。在通过基于氧传感器的输出执行流入三元催化剂单元中的排气的目标空燃比反 馈控制来将三元催化剂中的氧的量保持在恒定水平并通过基于线性空燃比传感器的输出 执行燃料喷射量的反馈控制来将流入三元催化剂单元中的排气的空燃比控制为目标空燃 比的情形中，在其中进气量大的状态下，例如当执行加速操作时，(下文将在需要的情况 下称为“大进气量状态”)，趋于以大的量来校正储存在三元催化剂单元中的氧的量，并且 这可致使三元催化剂中的气氛的空燃比大幅偏离其中排气中的三种成分——即HC、CO和 NOx——都可在80%或以上的去除率去除的接近化学计量空燃比的目标空燃比范围。下文 将在需要的情况下将目标空燃比范围称为“净化窗口”。在通过基于氧传感器的输出执行例如三元催化剂单元中的排气的目标空燃比的 反馈控制来将三元催化剂中的氧的量保持在恒定水平并且通过基于线性空燃比传感器的 输出执行燃料喷射量的反馈控制来将流入三元催化剂单元中的排气的空燃比控制为目标 空燃比的空燃比控制设备的情形中，即使流入三元催化剂中的排气的目标空燃比保持不 变，氧被吸收到三元催化剂的程度和氧从三元催化剂释放的程度也根据进气量改变。例如， 在流入三元催化剂单元中的排气的目标空燃比被控制为稀值——即高于化学计量空燃比 的值——的情形中，进气量越大，每单位时间储存到三元催化剂单元的氧的量就越大，并且 因此其达到三元催化剂单元的最大储氧能力就越快。由此，即使在其中流入三元催化剂单 元中的排气的目标空燃比保持在恒定值的情形中，进气量越大，每单位时间储存到三元催 化剂单元的氧的量就越大，并且因而用于三元催化剂单元中的氧的量的校正量就越大，增 加了三元催化剂单元中的气氛的空燃比大幅偏离净化窗口的可能性。然而，可防止此类具有储氧能力的排气净化催化剂单元(例如，三元催化剂)中的 气氛的空燃比偏离其净化窗口，并且因而例如可通过将排气净化催化剂单元中的氧的量的 每单位时间校正量保持在恒定水平——即通过将每单位时间储存到排气净化催化剂或从 其释放的氧的量保持在恒定水平——来防止内燃发动机的排放因此增加。为了实现以上控制，例如，在其中基于设置在排气净化催化剂单元下游的氧传感 器的输出和进气量执行流入排气净化催化剂单元中的排气的目标空燃比的反馈控制的情 形中，执行PI控制(比例-积分控制)作为所述反馈控制。在该PI控制中，为了将排气净 化催化剂单元中的氧的量的每单位时间校正量保持在恒定水平，将用于PI控制的比例校 正项乘以进气量越大就使其越小的第一校正系数，并且将用于PI控制的积分校正项乘以 进气量越大就使其越大的第二校正系数。
然而，如果在其中进气量极小的状态下一比如在内燃发动机的空转期间——执 行此类控制，并且设置在排气净化催化剂单元下游的氧传感器检测到的空燃比浓，则不可 能通过在排气净化催化剂单元的还原反应来充分去除NOx。在上述控制期间，如果进气量极 小且氧传感器检测到的空燃比浓，则使被乘以用于PI控制的比例校正项的第一校正系数 大于当进气量大时的第一校正系数，藉此将流入排气净化催化剂单元中的排气的目标空燃 比增加到稀值。然而，此时，如果执行致使进气量急剧增加的操作，例如快速加速操作，则排 气净化催化剂单元中的气氛的空燃比急剧增加，并且这可导致排气净化催化剂单元未能通 过还原反应充分去除排气中的NOx。
发明内容
本发明提供用于内燃发动机的一种空燃比控制设备和一种空燃比控制方法，其中 基于设置在排气净化催化剂单元下游的氧传感器的输出和进气量执行排气的目标空燃比 的反馈控制，该反馈控制至少结合了 PI (比例-积分)控制，其中将比例校正项乘以进气 量越大就使其越小的第一校正系数，并且将积分校正项乘以进气量越大就使其越大的第二 校正系数，藉此将每单位时间以其校正排气净化催化剂单元中的氧的量的量保持在恒定水 平。根据本发明的空燃比控制设备和方法，即使在其中进气量极小的状态下一比如在内 燃发动机的空转期间一执行致使进气量急剧增加的操作，例如快速加速操作，并且氧传 感器检测到的空燃比浓，也可通过在排气净化催化剂单元的还原反应来充分去除排气中的 NOx。本发明的第一方面涉及一种内燃发动机空燃比控制设备，包括排气净化催化剂 单元，其设置在内燃发动机的排气通道中，并且具有当流入排气净化催化剂单元中的排气 中的氧浓度过高时储存排气中的氧并且当排气中的氧浓度过低时释放储存在排气净化催 化剂单元中的氧的储氧能力；进气量检测器，其检测吸入内燃发动机中的进气量；线性空 燃比传感器，其设置在排气净化催化剂单元上游并且具有与排气的空燃比基本成比例的输 出特性；氧传感器，其设置在排气净化催化剂单元下游并检测排气的空燃比是浓还是稀； 目标空燃比控制器，其基于进气量检测器的输出和氧传感器的输出来执行流入排气净化催 化剂单元中的排气的目标空燃比的反馈控制；以及燃料喷射量控制器，其基于线性空燃比 传感器的输出执行燃料喷射量的反馈控制，使得流入排气净化催化剂单元中的排气的空燃 比等于目标空燃比。目标空燃比控制器实施第一目标空燃比反馈控制模式，使得即使进气 量改变，每单位时间对排气净化催化剂单元中的氧的量的校正量也维持在恒定水平，在第 一目标空燃比反馈控制模式中，至少通过比例-积分控制来控制目标空燃比。将用于第一 目标空燃比反馈控制模式的比例-积分控制的比例校正项乘以第一校正系数，进气量越大 则使第一校正系数越小；将用于第一目标空燃比反馈控制模式的比例-积分控制的积分校 正项乘以第二校正系数，进气量越大则使第二校正系数越大。然后，当进气量小于预定量并 且由氧传感器检测到的空燃比为浓时，目标空燃比控制器控制目标空燃比以便抑制排气净 化催化剂单元中的气氛的空燃比增加到稀侧。本发明的第二方面涉及一种用于具有排气净化催化剂单元的内燃发动机的空燃 比控制方法，排气净化催化剂单元具有当流入排气净化催化剂单元中的排气中的氧浓度过 高时储存排气中的氧并且当排气中的氧浓度过低时释放储存在排气净化催化剂单元中的氧的储氧能力。该空燃比控制方法包括检测吸入内燃发动机中的进气量；获得线性空燃 比传感器的输出，线性空燃比传感器设置在排气净化催化剂单元上游并且具有与排气的空 燃比基本成比例的输出特性；获得氧传感器的输出，氧传感器设置在排气净化催化剂单元 下游并检测排气的空燃比是浓还是稀；基于检测到的进气量和氧传感器的输出来执行流入 排气净化催化剂单元中的排气的目标空燃比的反馈控制；以及基于线性空燃比传感器的输 出执行燃料喷射量的反馈控制，使得流入排气净化催化剂单元中的排气的空燃比等于目标 空燃比。此外，在该空燃比控制方法中，实施第一目标空燃比反馈控制模式，使得即使进气 量改变，每单位时间对排气净化催化剂单元中的氧的量的校正量也维持在恒定水平，在第 一目标空燃比反馈控制模式中，至少通过比例_积分控制来控制目标空燃比。将用于第一 目标空燃比反馈控制模式的比例-积分控制的比例校正项乘以第一校正系数，进气量越大 则使第一校正系数越小；将用于第一目标空燃比反馈控制模式的比例_积分控制的积分校 正项乘以第二校正系数，进气量越大则使第二校正系数越大。然后，当进气量小于预定量并 且由氧传感器检测到的空燃比为浓时，控制目标空燃比以便抑制排气净化催化剂单元中的 气氛的空燃比增加到稀侧。根据本发明的第一方面的空燃比控制设备和本发明的第二方面的空燃比控制方 法，如果进气量小于预定量并且氧传感器检测到的空燃比浓，则控制流入排气净化催化剂 单元中的排气的目标空燃比以便抑制排气净化催化剂单元中的气氛的空燃比增加到稀侧。 亦即，例如，在其中进气量小于将设为例如极小量——例如在内燃发动机空转期间所获得 的量——的预定量并且氧传感器检测到的空燃比浓的内燃发动机运转状态，中止在内燃发 动机正常运转状态下实施的第一目标空燃比反馈控制模式，并且然后控制流入排气净化催 化剂单元中的排气的目标空燃比以便抑制排气净化催化剂单元中的气氛的空燃比增加到 稀侧。这样，即使执行致使进气量急剧增加的操作，例如快速加速操作，排气净化催化剂单 元中的气氛的空燃比也不会急剧增加到稀侧，并且因此可通过在排气净化催化剂单元的还 原反应充分去除排气中的NOx。上述空燃比控制设备和方法可为如果进气量小于预定量并且由氧传感器检测 到的空燃比为浓，则中止第一目标空燃比反馈控制模式并实施第二目标空燃比反馈控制模 式，在第二目标空燃比反馈控制模式中，至少通过比例_积分控制来控制目标空燃比；将用 于第二目标空燃比反馈控制模式的比例-积分控制的比例校正项乘以第一校正系数并乘 以按照进气量设定的第三校正系数以便减少储存在排气净化催化剂单元中的氧的量的每 单位时间校正量；以及将用于第二目标空燃比反馈控制的比例-积分控制的积分校正项乘 以第二校正系数。此外，上述空燃比控制设备和方法可为检测排气净化催化剂单元的最大储氧能 力；以及检测储存在排气净化催化剂单元中的氧的量，其中在判定进气量小于预定量并且 由氧传感器检测到的空燃比为浓之后判定中止第一目标空燃比反馈控制模式并开始第二 目标空燃比反馈控制模式的时间时，参考储存在排气净化催化剂单元中的氧的量与排气净 化催化剂单元的最大储氧能力的比率。此外，上述空燃比控制设备和方法可为学习通过对氧传感器的输出值与目标值 的偏差进行积分而计算出的积分值；其中如果进气量小于预定量、由氧传感器检测到的空 燃比为浓并且已完成积分值的学习，则中止第一目标空燃比反馈控制模式并实施化学计量空燃比控制模式，在化学计量空燃比控制模式中，将目标空燃比控制为化学计量空燃比。此外，上述空燃比控制设备和方法可为检测排气净化催化剂单元的最大储氧能 力；以及检测储存在排气净化催化剂单元中的氧的量，其中在判定进气量小于预定量、由氧 传感器检测到的空燃比为浓并且已完成积分值的学习之后判定中止第一目标空燃比反馈 控制模式并实施化学计量空燃比控制模式的时间时，参考储存在排气净化催化剂单元中的 氧的量与排气净化催化剂单元的最大储氧能力的比率。此外，上述空燃比控制设备和方法可为在第一目标空燃比反馈控制模式中执行 通过比例_积分_微分控制来控制目标空燃比的目标空燃比反馈控制；将用于比例_积 分-微分控制的比例校正项和微分校正项分别乘以第一校正系数；以及将用于比例-积 分_微分控制的积分校正项乘以第二校正系数。此外，上述空燃比控制设备和方法可为在第二目标空燃比反馈控制模式中执行 通过比例_积分_微分控制来控制目标空燃比的目标空燃比反馈控制；将用于第二目标空 燃比反馈控制模式的比例-积分-微分控制的比例校正项乘以第一校正系数并乘以第三校 正系数；将用于第二目标空燃比反馈控制模式的比例_积分_微分控制的微分校正项乘以 第一校正系数；以及将用于第二目标空燃比反馈控制模式的比例-积分-微分控制的积分 校正项乘以第二校正系数。此外，上述空燃比控制设备和方法可为检测代表已新吸入内燃发动机的气缸中 的空气的量的负荷率，其中将用于第一目标空燃比反馈控制模式的积分校正项和用于第二 目标空燃比反馈控制模式的积分校正项分别乘以第四校正系数，负荷率越高则使第四校正 系数越大。负荷率(KL)代表新吸入内燃发动机的气缸中的空气的量。亦即，负荷率为代表 反映内燃发动机的速度的内燃发动机负荷的参数，且其例如通过下示方程表达KL(% ) = Mcair/((DSP/NCYL) X P astd) X 100其中“Mcair”代表当进气门打开并且随后关闭时吸入内燃发动机的气缸中的空气 的量(新吸入空气量(g))，“DSP”代表内燃发动机的排量(升)，以及“NCYL”代表内燃发动 机1的气缸数量，并且“P astd”代表标准状态(1013hPa，25°C )下的空气密度(约1. 2g/升)。由此，本发明的空燃比控制设备和空燃比控制方法在其中基于设置在排气净化催 化剂单元下游的氧传感器的输出和进气量对排气的目标空燃比执行反馈控制的内燃发动 机中结合和实现，该反馈控制至少结合了 PI控制，其中将比例校正项乘以进气量越大就使 其越小的第一校正系数，并且将积分校正项乘以进气量越大就使其越大的第二校正系数， 藉此将每单位时间以其校正排气净化催化剂单元中的氧的量的量保持在恒定水平。根据本 发明的空燃比控制设备和方法，即使在其中进气量极小的状态下一比如在内燃发动机的 空转期间一执行致使进气量急剧增加的操作，例如快速加速操作，并且氧传感器检测到 的空燃比浓，排气净化催化剂中的气氛的空燃比也不会急剧增加到稀侧，并因此可通过在 排气净化催化剂单元的还原反应来充分去除排气中的N0X。
将在以下参照附图对本发明的示例实施方式的详细描述中说明本发明的特征、优 点以及技术和工业意义，附图中相同标号表示相同元件，其中
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图1是示意性地显示了本发明的第一示例实施方式的内燃发动机空燃比控制设 备的构造的图；图2A和2B是流程图，示出在结合了第一示例实施方式的空燃比控制设备的内燃 发动机中执行以计算用于流入三元催化剂单元中的排气的目标空燃比的反馈控制的校正 量的PID控制的示例程序；图3是用来按照进气量计算被乘以目标空燃比控制设备的空燃比控制器的PID控 制中的比例校正项和微分校正项的第一校正系数(Ksfbl)的第一映射图的一个示例；图4是用来按照内燃发动机的负荷率计算被乘以目标空燃比控制器的PID控制中 的积分项的第二校正系数(Ksfb2)的第二映射图的一个示例；图5是用来按照进气量计算第三校正系数(Ksfb3)的第三映射图的一个示例，将 该第三校正系数乘以比例校正项以在目标空燃比控制器的PID控制中减少三元催化剂单 元3中的氧的量的每单位时间校正量；图6是流程图，示出了基于三元催化剂单元中的氧的量与三元催化剂单元的最大 储氧能力的比率控制将流入三元催化剂单元中的排气的目标空燃比切换为浓或稀的时间 的控制程序的一个示例；图7是示意性地显示了根据本发明的第二示例实施方式的空燃比控制设备的构 造的图；以及图8是流程图，示出了流入三元催化剂单元中的排气的目标空燃比的反馈控制的 程序，该程序在结合了本发明的第二示例实施方式的空燃比控制设备的内燃发动机中执 行。
具体实施例方式下文将参照
根据本发明的第一示例实施方式的内燃发动机空燃比控制 设备，图1示意性地显示了结合了本发明的第一示例实施方式的内燃发动机空燃比控制设 备的系统的构造。图1所示的系统包括内燃发动机1、排气管2、三元催化剂单元3、线性空 燃比传感器4、氧传感器5、进气管6、节气门7、空气流量计8、目标空燃比控制器9、进气量 检测器10、负荷率检测器11、储氧能力检测器12、氧量检测器13和燃料喷射量控制器14。三元催化剂单元3布置在内燃发动机1的排气管2中。此外，在排气管2中，线性 空燃比传感器4设置在三元催化剂单元3上游，并且氧传感器5设置在三元催化剂单元3 下游。因而，线性空燃比传感器4用作上游空燃比传感器，并且氧传感器5用作下游空燃比 传感器。当三元催化剂单元3中的气氛的空燃比等于化学计量空燃比时，三元催化剂单元 3以最大去除率去除NOx、HC和CO。三元催化剂单元3根据流入三元催化剂单元3中的排 气的空燃比储存和释放氧。用于提高三元催化剂单元3的储氧能力的催化促进剂例如二氧 化铈也被支承在三元催化剂单元3的催化剂载体上。虽然在本发明的第一示例实施方式中 将三元催化剂单元用作内燃发动机1的排气通道中的排气净化催化剂单元，但是可使用能 够储存和释放氧的其它排气催化剂单元代替三元催化剂单元。同时，设置在三元催化剂单元3上游的线性空燃比传感器4具有与排气的空燃比 基本成比例的输出特性。另一方面，设置在三元催化剂单元3下游的氧传感器5具有指示排气的空燃比是浓还是稀——即是低于还是高于化学计量空燃比——的输出特性。节气门7和空气流量计8布置在内燃发动机1的进气管6中。空气流量计8测量 通过节气门7调节的进气量。空气流量计9直接测量进气量。例如，空气流量计8结合了 电位计并输出与进气量成比例的模拟电压信号。设置了进气量检测器10以检测供给到内燃发动机1的进气的量。设置了负荷率 检测器11以检测内燃发动机1上的负荷率。例如，可设置空气流量计8作为进气量检测器 10的构件和负荷率检测器11的构件，并且进气量检测器10和负荷率检测器11可基于空气 流量计8的输出分别计算内燃发动机1的进气量和负荷率。负荷率(KL)代表新吸入内燃发动机1的气缸中的空气的量。亦即，负荷率为代表 反映内燃发动机1的速度的内燃发动机1的负荷的参数，且其例如通过下示方程1表达
(方程 1)KL(% ) = Mcair/((DSP/NCYL) X P astd) X 100其中“Mcair”代表当进气门打开并且随后关闭时吸入内燃发动机1的气缸中的空 气的量(下文将称为“新吸入空气量(g)”)，“DSP”代表内燃发动机1的排量(升)，以及 “NCYL”代表内燃发动机1的气缸数量，而“ P astd”代表标准状态(1013hPa，25°C )下的空 气密度(约1.2g/升)。在其中如上述计算内燃发动机1的负荷率的情形中，负荷率检测器 11结合了用于检测内燃发动机1的速度的发动机速度检测器。设置储氧能力检测器12以检测三元催化剂单元3可储存的最大氧的量(下文将 称为“最大储氧能力”)。例如，可设置线性空燃比传感器4、氧传感器5和空气流量计8作 为储氧能力检测器12的构件。在此情形中，可基于线性空燃比传感器4、氧传感器5和空气 流量计8的输出计算三元催化剂单元3的最大储氧能力。例如，从在三元催化剂单元3的 上游侧的空燃比计算过量或不足的氧的比率(下文将称为“过量氧比率”)，并且然后从计 算出的过量氧比率和当前进气量获得储存到三元催化剂单元3或从其释放的氧的量，并通 过累加因而获得的氧吸收和释放量来计算三元催化剂单元3的最大储氧能力。此外，设置 了氧量检测器13以基于进气量、排气的空燃比等检测当前储存在三元催化剂单元3中的氧 的量。设置了目标空燃比控制器9以执行流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃 比——即适合将储存在三元催化剂单元3中的氧的量(下文将在有必要的情况下称为“三 元催化剂单元3中的氧的量”)保持在希望的恒定水平的所述排气的空燃比的值——的反 馈控制。目标空燃比控制器9结合了计算PID(比例-积分-微分)控制，该PID控制段计 算将应用于PID控制的比例校正量、积分校正量和微分校正量的反馈校正量。目标空燃比 控制器9还结合了目标空燃比计算部。目标空燃比计算部获得氧传感器5、进气量检测器 10、负荷率检测器11、储氧能力检测器12和氧量检测器13的输出。目标空燃比控制器9的目标空燃比计算部具有第一映射图和第二映射图。第一映 射图用来在PID控制期间计算被乘以比例校正项和微分校正项的第一校正系数。根据第一 映射图，按照进气量计算第一校正系数。第二映射图用来在PID控制期间计算被乘以积分 校正项的第二校正系数。根据第一映射图，基于内燃发动机1的负荷率计算第二校正系数。 更具体而言，用公式表示第一映射图使得进气量越大，就使第一校正系数变得越小，并且用 公式表示第二映射图使得与内燃发动机1的负荷率成比例地计算出第二校正系数。此外， 目标空燃比计算部具有用来计算第三校正系数的第三映射图，该第三校正系数用来减少每单位时间以其校正三元催化剂单元中的氧的量的量(下文将称为“三元催化剂单元3中的 氧的量的每单位时间校正量”)。根据第三映射图，按照进气量计算第三校正系数。第三校 正系数用于其中进气量极小——例如当内燃发动机1空转时——而氧传感器5检测到的空 燃比浓的状态下。第一至第三映射图储存在存储器等中。设置了燃料喷射量控制器14以基于线性空燃比传感器4的输出执行燃料喷射量 的反馈控制使得流入三元催化剂单元3中排气的空燃比等于由目标空燃比控制器9控制的 目标空燃比。因而，燃料喷射量控制器14获得线性空燃比传感器4的输出以及由目标空燃 比控制器9控制的目标空燃比方面的信息。接下来，将说明结合了前述构件的第一示例实施方式的空燃比控制设备的效果。 图2A和2B示出了在结合了第一示例实施方式的空燃比控制设备的内燃发动机1中执行以 计算用于流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比的反馈控制的校正量的PID控制的 示例程序。在该程序中，首先，目标空燃比计算部计算氧传感器5的输出值的偏离、通过求所 述偏离的积分获得的氧传感器5的输出值的偏离的积分值、以及基于氧传感器5的输出的 氧传感器5的输出值的变化。接下来，利用储存在目标空燃比计算部中的第一和第二映射 图，按照内燃发动机1的进气量和负荷率，计算将被乘以用于PID控制的比例校正项、微分 校正项和积分校正项的第一和第二校正系数。通过这些计算步骤，将第一和第二校正系数 设为三元催化剂单元3中的氧的量的每单位时间校正量保持在希望的恒定水平的这种值， 即每单位时间储存到三元催化剂单元3或从其释放的氧的量保持在希望的恒定水平的这 种值。然后，判定进气量是否小于被设为极小量——例如在内燃发动机1空转期间获得 量——的预定量，以及氧传感器5检测到的空燃比是否浓。此时，如果判定进气量不小于该 预定量和/或氧传感器5检测到的空燃比不浓，则实现第一目标空燃比反馈控制模式。在第 一目标空燃比反馈控制模式中，从如上所述计算出的校正系数以及已使用PID控制中的相 应映射图预先设定的比例增益(下文将称为“P增益”)、积分增益(下文将称为“I增益”) 和微分增益(下文将称为“D增益”)分别计算比例校正量(P)、积分校正量(I)和微分校正 量(D)。然后，在第一目标空燃比反馈控制模式中，基于如上所述计算出的比例校正量(P)、 积分校正量(I)和微分校正量(D)执行流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比的反 馈控制。另一方面，如果判定进气量小于被设为极小量——例如在内燃发动机1空转期间 获得量——的预定量的进气量，并且氧传感器5检测到的空燃比浓，则实现第二目标空燃比 反馈控制模式。在第二目标空燃比反馈控制模式中，使用储存在目标空燃比计算部中的第 三映射图计算被另外乘以用于PID控制的比例校正项的第三校正系数，并通过被乘以计算 出的第三校正系数来调节用于PID控制的比例校正项，藉此三元催化剂单元3中的氧的量 的每单位时间校正量减少，因而抑制了三元催化剂单元3中的气氛的空燃比增加到稀侧。 下面将详细说明该控制的各步骤。参照图2A和2B，首先，在步骤101中计算氧传感器5的输出值的偏离。然后，在 步骤102中计算所述偏离的积分值。然后，在步骤103中计算氧传感器5的输出值的偏离。 更具体而言，在步骤101中，目标空燃比控制器9的目标空燃比计算部计算氧传感器5的输出值的偏离。亦即，通过将例如对应于化学计量空燃比的氧传感器5的目标输出电压减去 氧传感器5的输出值来计算氧传感器5的输出值的偏离。在步骤102，目标空燃比控制器9 的目标空燃比计算部计算在步骤101计算出的氧传感器的输出值的偏离的累加值，即所述 偏离的积分值。更具体而言，通过求出在步骤101中计算出的氧传感器5的输出值的偏离 的积分来计算所述积分值。在步骤103中，目标空燃比控制器9的目标空燃比计算部计算 氧传感器5的输出值的变化。更具体而言，通过将氧传感器5的当前输出值(i)减去最后 一个输出值(i_l)来计算所述变化。然后，在步骤104和步骤105中，使用储存在目标空燃比计算部中的相应映射图计 算被乘以PID控制中的比例校正项、微分校正项和积分校正项的校正系数。图3显示了用 来按照进气量计算被乘以目标空燃比控制器9的PID控制中的比例校正项和微分校正项的 第一校正系数(Ksfbl)的第一映射图的一个示例。图4显示了用来按照内燃发动机1的负 荷率计算被乘以目标空燃比控制器9的PID控制中的积分项的第二校正系数(Ksfb2)的第 二映射图的一个示例。在步骤104中，基于进气量检测器10的输出并使用储存在目标空燃比控制部中的 第三映射图(图3)计算被乘以目标空燃比控制器9的PID控制中的比例校正项和微分校 正项的第一校正系数(Ksfbl)。如图3所示，用公式表示第一映射图使得进气量(Ga)越大， 就使第一校正系数(Ksfbl)越小。如上所述，根据第一示例实施方式的空燃比控制设备，基于氧传感器5的输出执 行流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比的反馈控制，并且基于线性空燃比传感器 4的输出执行燃料喷射量的反馈控制。然而，氧被吸收到三元催化剂单元3的程度和氧从三 元催化剂单元3释放的程度即使流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比保持在恒定 水平也根据进气量变化。例如，在其中流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比被设 为稀值——即高于化学计量空燃比的值——的情形中，进气量越大，每单位时间储存到三 元催化剂单元3的氧的量就越大，并且因此其达到三元催化剂单元3的最大储氧能力(即 三元催化剂单元3可储存的氧的最大量)就越快。由此，即使流入三元催化剂单元3中的 排气的目标空燃比保持在恒定值，每单位时间储存到三元催化剂单元3的氧的量也随着进 气量增加而增加，并且这可致使三元催化剂单元3中的氧的量被以大的量校正，增加了三 元催化剂单元3中的气氛与净化窗口偏离的可能性。因此，根据第一示例实施方式的空燃比控制设备，在目标空燃比控制器9的PID控 制期间，将进气量越大就使其越小的第一校正系数乘以用于PID控制的比例校正项和微分 校正项。结果，即使进气量改变，每单位时间储存到三元催化剂单元3或从其释放的氧的量 也保持在恒定水平。亦即，三元催化剂单元3中的氧的量的每单位时间校正量可保持在恒 定水平，并且因此可防止三元催化剂单元3中的气氛与目标净化窗口偏离，减少了内燃发 动机1的排放。在步骤105，使用储存在目标空燃比计算部中的第二映射图(图4)计算被乘以目 标空燃比控制器9的PID控制中的积分校正项的第二校正系数(Ksfb2)。如图4所示，与内 燃发动机1的负荷率成比例地设定第二校正系数使得内燃发动机1的负荷率越高，就使第 二校正系数越大。由于用于PID控制的积分校正项用来校正流入三元催化剂单元3中的排 气的实际空燃比与通过目标空燃比控制器9计算出的目标空燃比的偏离，所以如果与内燃发动机1的负荷率成比例地设定被乘以用于校正的积分校正系数的第二校正系数，则流入 三元催化剂单元3中的排气的实际空燃比可精确地保持在目标空燃比。在步骤106，基于在步骤101和步骤104计算出的值以及用于PID控制的P增益计 算比例校正量(P)。更具体而言，通过将在步骤101计算出的氧传感器5的输出值的偏离、 在步骤104计算出的第一校正系数(Ksfbl)和P增益相乘来计算比例校正量(P)。然后，在步骤107中，判定进气量是否小于被设为极小量——例如在内燃发动机1 空转期间获得量——的预定量的进气量，以及氧传感器5检测到的空燃比是否浓。此时，如 果判定进气量小于该预定量但氧传感器5检测到的空燃比不浓，则控制进行到步骤100，开 始第一目标空燃比反馈控制模式。在步骤110和步骤111中，从在步骤102至步骤105中计算出的值以及用于PID控 制的I增益和D增益计算积分校正量(I)和微分校正量(D)。更具体而言，在步骤110中， 通过将在步骤102中计算出的氧传感器5的输出值的偏离的积分值、在步骤105中计算出 的第二校正系数(Ksfb2)和I增益相乘来计算用于目标空燃比控制器9的PID控制的积分 校正量(I)。在步骤111中，通过将在步骤103中计算出的氧传感器5的输出值的变化、在 步骤104中计算出的第一校正系数(Ksfbl)和D增益相乘来计算用于目标空燃比控制器9 的PID控制的微分校正量(D)。然后，在步骤112，通过将分别在步骤106、步骤110和步骤111中计算出的用于目 标空燃比控制器9的PID控制的比例校正量(P)、积分校正量⑴和微分校正量(D)相加来 计算反馈校正量。在该反馈校正量的计算后，控制程序完成。另一方面，如果在步骤107判定进气量小于预定量但氧传感器5检测到的空燃比 浓，则控制进行到步骤100，开始第二目标空燃比反馈控制模式。在步骤108，使用储存在目标空燃比计算部中的第三映射图(图5)按照进气量计 算被乘以用于PID控制的比例校正项的第三校正系数(Ksfb3)。然后，在步骤109，通过乘 以第三校正系数(Ksbf3)来调节在步骤106计算出的比例校正量(P)。然后，在步骤110计 算积分校正量(I)，并且然后在步骤111中计算微分校正量(D)。然后，在步骤112，通过将 在步骤106中计算并然后在步骤109中调节的比例校正量(P)、在步骤110中计算出的积 分校正量(I)和在步骤111中计算出的微分校正量(D)相加来计算反馈校正量。在该反馈 校正量的计算后，控制程序完成。图5示出第三映射图的一个示例，该第三映射图用来按照 进气量计算被乘以比例校正项的第三校正系数(Ksfb3)以在目标空燃比控制器9的PID控 制中减少三元催化剂单元3中的氧的量的每单位时间校正量。参照图5，进气量越小，就通 常使被乘以用于PID控制的比例校正项的第三校正系数越小。使用这样设定的第三校正系 数，即使当在其中进气量极小(例如，当内燃发动机1空转时)并且氧传感器5检测到的空 燃比浓的状态下执行致使进气量急剧增加的操作(例如，快速加速操作)时，第二目标空燃 比反馈控制模式也适当地抑制三元催化剂单元3中的气氛的空燃比增加到稀侧，确保了三 元催化剂单元3充分去除排气中所含的NOx。在图2A和2B的控制程序结束后，燃料喷射量控制器14基于通过线性空燃比传感 器4检测到的流入三元催化剂单元3中的排气的空燃比方面的信息执行燃料喷射量的反馈 控制使得所述排气的空燃比等于已通过基于在步骤112中计算出的反馈控制校正量的反 馈控制来控制的目标空燃比。
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虽然在图1所示的内燃发动机1中通过上述通过第一示例实施方式的空燃比控制 设备执行的控制程序中的PID控制来计算例如三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比的 反馈校正量，但是即使执行不包括D (微分)控制的PI (比例-积分)控制代替PID控制， 具有储氧能力的排气净化催化剂——例如三元催化剂单元3——中的氧的量的校正量也可 保持在恒定水平而不论进气量的变化。亦即，如果适当，可通过代替PID控制的PI控制来 计算流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比的反馈校正量。在此情形中，从图2A和 2B所示的控制程序移去与微分校正项相关的步骤。如上所述，在进气门打开并随后关闭时新吸入气缸中的空气的量根据发动机速 度、气缸数量等以及进气量变化。鉴于此，如上所述，在图2A和2B所示结合了用于计算流 入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比的反馈校正量的PID控制的控制程序中，为了 提高所述目标空燃比的反馈控制的精度，使用内燃发动机1的负荷率越高就使其越大的校 正系数，该负荷率代表在进气门打开并随后关闭时新吸至气缸的空气的量，并且将所述校 正系数乘以积分校正项。然而，可通过乘以进气量越大就使其越大的校正系数而不是如上 所述根据内燃发动机1的负荷率设定的校正系数来校正积分校正项。同样，在此情形中，具 有储氧能力的排气净化催化剂——例如三元催化剂单元3——中的氧的量的校正量保持恒 定水平而不论进气量如何。因此，可按照进气量设定用于校正积分校正项的校正系数。在 此情形中，在图2A和2B所示的控制程序中，将积分校正项乘以进气量越大就使其越大的校 正系数而不是前述内燃发动机1的负荷率越高就使其越大的校正系数，并且因此无需提供 负荷率检测器11。如上所述，根据图2A和2B所示的控制程序，调节比例校正量(P)并且在在步骤 107中判定进气量小于被设为极小量——例如在内燃发动机1的空转期间获 得的量——的 预定量并且氧传感器5检测到的空燃比浓后立即开始用于抑制三元催化剂单元3中的气氛 的空燃比增加到稀侧的第二目标空燃比控制模式。然而，可基于三元催化剂单元3中的氧 的量与三元催化剂单元3的最大储氧能力的比率判定开始第二目标空燃比控制模式的时 间。例如，在内燃发动机1的运转期间，如果在其中流入三元催化剂单元3中的排气的目标 空燃比已连续变稀而进气量小于被设为极小量一一例如在内燃发动机1的空转期间获得的 量——的预定量并且氧传感器5检测到的空燃比浓的状态下，三元催化剂单元3中的氧的 量变成约为三元催化剂单元3的最大储氧能力的50%，则可判定当执行快速操作并且排气 中的NOx的量从而增加时，三元催化剂单元3的剩余储氧能力不够大以通过还原反应来充 分去除排气中的NOx。因此，在此情形中，当作出关于三元催化剂单元3的剩余储氧能力的 判定时可开始第二目标空燃比反馈控制模式。此外，可基于三元催化剂单元3中的氧的量与三元催化剂单元3的最大储氧能力 的比率判定完成第二目标空燃比控制模式的时间。例如，当三元催化剂单元3中的氧的量 变成约为三元催化剂单元3的最大储氧能力的80%时完成第二目标空燃比反馈控制模式， 并且然后执行用于使流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比变浓的控制。排气净化催化剂单元的最大储氧能力根据所述单元的劣化状态改变。因而，排气 净化催化剂单元的劣化程度越大，其最大储氧能力就越小。因此，考虑根据三元催化剂单元 3的劣化程度改变的三元催化剂单元3的最大储氧能力设定在判定完成第二目标空燃比反 馈控制模式的时间的过程中参考的三元催化剂单元3中的氧的量与最大储氧能力的比率。
图6显示了基于三元催化剂单元3中的氧的量与三元催化剂单元3的最大储氧能 力的比率控制将流入三元催化剂单元中的排气的目标空燃比切换为浓或稀的时间的控制 程序的一个示例。根据图6所示的示例性控制程序，在其中流入三元催化剂单元3中的排气的目标 空燃比被控制为稀的稀校正模式的执行期间首先执行步骤201。在步骤201，计算三元催化 剂单元的氧的量(OSA)。然后，在步骤202，判定进气量(Ga)是否小于被设为极小量的预定 量，例如在内燃发动机1的空转期间获得的量。如果在此步骤中判定进气量(Ga)小于预定 量，则随后执行步骤203至步骤205。在步骤203，使用例如预定的映射图计算用于氧的量 (OSA)与三元催化剂单元3的最大储氧能力(OSC)的比率的阈值(ROSC)。当判定是否将校 正模式从稀校正侧切换到其中将例如三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比控制为浓 的浓校正模式时参考阈值(ROSC)。然后，在步骤204中，判定氧的量(OSA)与三元催化剂单 元3的最大储氧能力(OSC)的比率是否高于阈值(ROSC)。如果在该步骤中判定所述比率高 于阈值(ROSC)，则将校正模式从稀校正模式切换到浓校正模式。然后，在步骤206，判定进气量是否小于被设为极小量的预定量，例如在内燃发动 机1的空转期间获得的量。如果在步骤206中判定进气量小于预定量，则随后执行步骤207 至步骤209。在步骤207，使用例如预定的映射图来计算用于氧的量(OSA)与三元催化剂单 元3的最大储氧能力(OSC)的比率的阈值(LOSC)。当判定是否将校正模式从浓校正模式切 换到稀校正模式时参考阈值(LOSC)。然后，在步骤208中，判定三元催化剂单元3的氧的量 (OSA)与三元催化剂单元3的最大储氧能力(OSC)的比率是否低于阈值(LOSC)。如果在该 步骤中判定所述比率低于阈值(LOSC)，则将校正模式从浓校正模式切换到稀校正模式。重 复前述步骤201至步骤209的处理直到进气量超过预定量为止。因而，当进气量超过预定 量时完成控制程序。在本发明的该示例实施方式中，将用来判定是否将校正模式从稀校正模式切换到 浓校正模式的阈值(ROSC)设为三元催化剂单元3的最大储氧能力(OSC)的约80%，并且将 用来判定是否将校正模式从浓校正模式切换到浓校正模式的阈值(LOSC)设为三元催化剂 单元3的最大储氧能力(OSC)的约20%。根据图6所示的控制，即使在其中进气量极小的 状态下，例如当内燃发动机1空转时，也可通过还原反应来充分去除排气中的NOx，并且可 通过氧化反应充分去除排气中的HC和CO。下文将说明本发明的第二示例实施方式。图7示意性地显示了根据本发明的第二 示例实施方式的空燃比控制设备的构造。图8的流程图示出了流入三元催化剂单元3中的 排气的目标空燃比的反馈控制的程序。该程序在结合了本发明的第二示例实施方式的空燃 比控制设备的内燃发动机中执行。参照图7，目标空燃比控制器50的目标空燃比计算部由不包括任何用于微分控制 的子段的PI控制段构成，与图1所示的空燃比控制设备不一样。目标空燃比控制器50的 目标空燃比计算部还具有执行对氧传感器5的输出值的偏离的积分值的学习的积分值学 习部。亦即，积分值学习部执行对用于目标空燃比控制器50的PI控制的积分校正项的学 习控制，并且这减少了反馈控制的计算负荷并从而提高了反馈控制的精度。第二示例实施 方式的空燃比控制设备的其它构件和元件与第一示例实施方式的空燃比控制设备的那些 相同并因此用相同的参考标号来表示它们。此外，虽然图7所示的目标空燃比控制器50的目标空燃比控制部由不包括任何用于微分控制的子段的PI控制段构成，但是它可替代地 由与图2A和2B所示的第一示例实施方式中一样的PID控制段构成。同时，在其中进气量小于被设为极小量——例如在内燃发动机1的空转期间获得 量——的预定量并且氧传感器5检测到的空燃比浓的状态下，为了抑制三元催化剂单元3 中的气氛的空燃比增加到稀侧，目标空燃比控制器50可中止目标空燃比反馈控制并且然 后将流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比设为化学计量空燃比。根据该控制，即 使氧传感器检测到的空燃比浓，流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比也连续被控 制为化学计量空燃比，而不是增加(朝着稀侧改变)。该控制抑制三元催化剂单元3中的气 氛的空燃比增加到稀侧，确保了通过还原反应来充分去除排气中的Nox。然而，在前述的学习控制在目标空燃比反馈控制中执行的情况下，如果通过目标 空燃比控制器50的目标空燃比控制在学习完成前中止，则可导致学习不适当的值。此类不 适当学习可导致三元催化剂单元3的化学计量点的偏离，并且当所述控制稍后继续时这不 利地影响计算负荷和目标空燃比反馈控制的精度。鉴于上述，在图8的控制程序中，如果在其中进气量小于预定值(极小量，例如在 内燃发动机1的空转期间获得的量)并且氧传感器5检测到的空燃比浓的状态下积分值学 习部已完成学习，则目标空燃比控制器50停止第一目标空燃比控制模式(即，其中三元催 化剂单元3中的氧的量的每单位时间校正量保持在恒定水平的目标空燃比控制模式，例如 在图2A和2B所示的控制程序中通过第一示例实施方式的目标空燃比控制设备执行的目标 空燃比控制模式)然后，目标空燃比控制器50实现其中流入三元催化剂单元3中的排气的 目标空燃比被控制为化学计量空燃比的化学计量空燃比控制模式。然后，燃料喷射量控制 器14基于线性空燃比传感器4的输出执行对燃料喷射量的反馈控制使得流入三元催化剂 单元3中的排气的空燃比等于化学计量空燃比。注意，除非在其中进气量小于预定值(极 小量，例如在内燃发动机1的空转期间获得的量)并且氧传感器5检测到的空燃比浓的状 态下积分值学习部已完成学习，否则目标空燃比控制器50继续第一目标空燃比反馈控制 模式(即，其中三元催化剂单元3中的氧的量的每单位时间校正量保持在恒定水平的目标 空燃比控制模式，例如在图2A和2B所示的控制程序中通过第一示例实施方式的目标空燃 比控制设备执行的目标空燃比控制模式)。在图8所示的程序中，首先在步骤301中判定积分值学习部是否已完成学习，并且 然后在步骤302中判定进气量是否小于被设为极小量——例如在内燃发动机1空转期间获 得的量——的预定量，并且然后在步骤303中判定氧传感器5检测到的空燃比是否浓。如 果通过这些步骤判定积分值学习部已完成学习，进气量小于预定量，并且氧传感器5检测 到的空燃比浓，则目标空燃比控制器50停止第一空燃比反馈控制模式并且然后实现其中 将流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比控制为化学计量空燃比的化学计量空燃 比控制模式。然后，燃料喷射量控制器14基于线性空燃比传感器4的输出执行对燃料喷射 量的反馈控制使得流入三元催化剂单元3中的排气的空燃比等于化学计量空燃比。同时， 除非通过步骤301至303判定积分值学习部已完成学习、进气量小于预定量、并且氧传感器 5检测到的空燃比浓，否则控制进行到步骤305。在步骤305，目标空燃比控制器50实现其 中三元催化剂单元3中的氧的量的每单位时间校正量保持在恒定水平的第一目标空燃比 反馈控制模式，例如在图2A和2B中由第一示例实施方式的目标空燃比控制设备执行的控制模式。在图8所示的控制程序中，如果通过步骤301至步骤303判定积分值学习部已完 成学习，进气量小于预定量(即，极小量，例如在内燃发动机1空转期间获得的量)，并且氧 传感器5检测到的空燃比浓，则立即停止第一目标空燃比反馈控制模式，并且然后开始化 学计量空燃比控制模式。然而，可基于三元催化剂单元3中的氧的量与其最大储氧能力的 比率判定开始化学计量空燃比控制模式的时间。例如，在内燃发动机1的运转期间，如果在 其中流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比已连续变稀而积分值学习部已完成学 习、进气量小于预定量(极小量，例如在内燃发动机1的空转期间获得的量)、并且氧传感 器5检测到的空燃比浓的状态下，三元催化剂单元3中的氧的量变成约为三元催化剂单元 3的最大储氧能力的50%，则可判定当执行快速操作并且排气中的NOx的量从而增加时，三 元催化剂单元3的剩余储氧能力不够大以通过还原反应来充分去除排气中的NOx。因此，在 此情形中，可中止第一目标空燃比反馈控制模式并且在作出上述关于三元催化剂单元3的 剩余储氧能力的判定后立即开始化学计量空燃比控制模式(其中将流入三元催化剂单元3 中的排气的目标空燃比控制为化学计量空燃比的控制模式)。此外，可基于三元催化剂单元3中的氧的量与三元催化剂单元3的最大储氧能力 的比率判定完成化学计量空燃比控制模式的时间。例如，当三元催化剂单元3中的氧的量 变成约为三元催化剂单元3的最大储氧能力的80%时，完成化学计量空燃比控制模式，并 且然后执行用于使流入三元催化剂单元3中的排气的目标空燃比变浓的控制。排气净化催化剂单元的最大储氧能力根据所述催化剂的劣化状态改变。因而，排 气净化催化剂的劣化程度越大，其最大储氧能力就越小。因此，考虑根据三元催化剂单元3 的劣化程度改变的三元催化剂单元3的最大储氧能力设定在判定开始或完成化学计量空 燃比控制模式的时间的过程中参考的三元催化剂单元3中的氧的量与最大储氧能力的比 率。
权利要求
一种内燃发动机空燃比控制设备，包括排气净化催化剂单元，其设置在内燃发动机的排气通道中，并且具有当流入所述排气净化催化剂单元中的排气中的氧浓度过高时储存排气中的氧并且当排气中的氧浓度过低时释放储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的储氧能力；进气量检测器，其检测吸入所述内燃发动机中的进气量；线性空燃比传感器，其设置在所述排气净化催化剂单元上游并且具有与排气的空燃比基本成比例的输出特性；氧传感器，其设置在所述排气净化催化剂单元下游并检测排气的空燃比是浓还是稀；目标空燃比控制器，其基于所述进气量检测器的输出和所述氧传感器的输出来执行流入所述排气净化催化剂单元中的排气的目标空燃比的反馈控制；以及燃料喷射量控制器，其基于所述线性空燃比传感器的输出执行燃料喷射量的反馈控制，使得流入所述排气净化催化剂单元中的排气的空燃比等于所述目标空燃比，其中所述目标空燃比控制器实施第一目标空燃比反馈控制模式，使得即使所述进气量改变，每单位时间对所述排气净化催化剂单元中的氧的量的校正量也维持在恒定水平，在所述第一目标空燃比反馈控制模式中，至少通过比例 积分控制来控制所述目标空燃比，将用于所述第一目标空燃比反馈控制模式的所述比例 积分控制的比例校正项乘以第一校正系数，所述进气量越大则使所述第一校正系数越小；将用于所述第一目标空燃比反馈控制模式的所述比例 积分控制的积分校正项乘以第二校正系数，所述进气量越大则使所述第二校正系数越大；并且当所述进气量小于预定量并且由所述氧传感器检测到的空燃比为浓时，所述目标空燃比控制器控制所述目标空燃比以便抑制所述排气净化催化剂单元中的气氛的空燃比的增加。
2.如权利要求1所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于如果所述进气量小于所述预定量并且由所述氧传感器检测到的空燃比为浓，则所述目 标空燃比控制器中止所述第一目标空燃比反馈控制模式并实施第二目标空燃比反馈控制 模式，在所述第二目标空燃比反馈控制模式中，至少通过比例-积分控制来控制所述目标 空燃比；将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分控制的比例校正项乘以 所述第一校正系数并乘以按照所述进气量设定的第三校正系数以便减少储存在所述排气 净化催化剂单元中的氧的量的每单位时间校正量；以及将用于所述第二目标空燃比反馈控制的所述比例-积分控制的所述积分校正项乘以 所述第二校正系数。
3.如权利要求2所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于进一步包括 储氧能力检测器，其检测所述排气净化催化剂单元的最大储氧能力；以及氧量检测器，其检测储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量，其中 在判定所述进气量小于所述预定量并且由所述氧传感器检测到的空燃比为浓之后判 定中止所述第一目标空燃比反馈控制模式并开始所述第二目标空燃比反馈控制模式的时 间时，所述目标空燃比控制器参考储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量与所述排气 净化催化剂单元的最大储氧能力的比率。
4.如权利要求2或3所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于在所述第一目标空燃比反馈控制模式中执行通过比例-积分-微分控制来控制所述目 标空燃比的目标空燃比反馈控制；将用于所述比例-积分-微分控制的比例校正项和微分校正项分别乘以所述第一校正 系数；以及将用于所述比例_积分_微分控制的积分校正项乘以所述第二校正系数。
5.如权利要求4所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于在所述第二目标空燃比反馈控制模式中执行通过比例-积分-微分控制来控制所述目 标空燃比的目标空燃比反馈控制；将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分-微分控制的比例校正项 乘以所述第一校正系数并乘以所述第三校正系数；将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分-微分控制的微分校正项 乘以所述第一校正系数；以及将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分-微分控制的积分校正项 乘以所述第二校正系数。
6.如权利要求2、3、5中任一项所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于进一步 包括负荷率检测器，其检测代表已新吸入所述内燃发动机的气缸中的空气的量的负荷率，其中将用于所述第一目标空燃比反馈控制模式的所述积分校正项和用于所述第二目标空 燃比反馈控制模式的所述积分校正项分别乘以第四校正系数，所述负荷率越高则使所述第 四校正系数越大。
7.如权利要求1所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于进一步包括积分值学习部，其学习通过对所述氧传感器的输出值与目标值的偏差进行积分而计算 出的积分值；其中如果所述进气量小于所述预定量、由所述氧传感器检测到的空燃比为浓并且已经完成 所述积分值学习部所进行的学习，则所述目标空燃比控制器中止所述第一目标空燃比反馈 控制模式并实施化学计量空燃比控制模式，在所述化学计量空燃比控制模式中，将所述目 标空燃比控制为化学计量空燃比。
8.如权利要求7所述的内燃发动机空燃比控制设备，其特征在于进一步包括储氧能力检测器，其检测所述排气净化催化剂单元的最大储氧能力；以及氧量检测器，其检测储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量，其中在判定所述进气量小于所述预定量、由所述氧传感器检测到的空燃比为浓并且已经完 成所述积分值学习部所进行的学习之后判定中止所述第一目标空燃比反馈控制模式并实 施所述化学计量空燃比控制模式的时间时，所述目标空燃比控制器参考储存在所述排气净 化催化剂单元中的氧的量与所述排气净化催化剂单元的最大储氧能力的比率。
9.一种用于具有排气净化催化剂单元的内燃发动机的空燃比控制方法，所述排气净化 催化剂单元具有当流入所述排气净化催化剂单元中的排气中的氧浓度过高时储存排气中 的氧并且当排气中的氧浓度过低时释放储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的储氧能力，所述空燃比控制方法包括检测吸入所述内燃发动机中的进气量；获得线性空燃比传感器的输出，所述线性空燃比传感器设置在所述排气净化催化剂单 元上游并且具有与排气的空燃比基本成比例的输出特性；获得氧传感器的输出，所述氧传感器设置在所述排气净化催化剂单元下游并检测排气 的空燃比是浓还是稀；基于检测到的进气量和所述氧传感器的输出来执行流入所述排气净化催化剂单元中 的排气的目标空燃比的反馈控制；以及基于所述线性空燃比传感器的输出执行燃料喷射量的反馈控制，使得流入所述排气净 化催化剂单元中的排气的空燃比等于所述目标空燃比，其中实施第一目标空燃比反馈控制模式，使得即使所述进气量改变，每单位时间对所述排 气净化催化剂单元中的氧的量的校正量也维持在恒定水平，在所述第一目标空燃比反馈控 制模式中，至少通过比例_积分控制来控制所述目标空燃比，将用于所述第一目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分控制的比例校正项乘以 第一校正系数，所述进气量越大则使所述第一校正系数越小；将用于所述第一目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分控制的积分校正项乘以 第二校正系数，所述进气量越大则使所述第二校正系数越大；并且当所述进气量小于预定量并且由所述氧传感器检测到的空燃比为浓时，控制所述目标 空燃比以便抑制所述排气净化催化剂单元中的气氛的空燃比的增加。
10.如权利要求9所述的空燃比控制方法，其特征在于如果所述进气量小于所述预定量并且由所述氧传感器检测到的空燃比为浓，则中止所 述第一目标空燃比反馈控制模式并实施第二目标空燃比反馈控制模式，在所述第二目标空 燃比反馈控制模式中，至少通过比例_积分控制来控制所述目标空燃比；将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分控制的比例校正项乘以 所述第一校正系数并乘以按照所述进气量设定的第三校正系数以便减少储存在所述排气 净化催化剂单元中的氧的量的每单位时间校正量；以及将用于所述第二目标空燃比反馈控制的所述比例-积分控制的所述积分校正项乘以 所述第二校正系数。
11.如权利要求10所述的空燃比控制方法，其特征在于进一步包括 检测所述排气净化催化剂单元的最大储氧能力；以及检测储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量，其中在判定所述进气量小于所述预定量并且由所述氧传感器检测到的空燃比为浓之后判 定中止所述第一目标空燃比反馈控制模式并开始所述第二目标空燃比反馈控制模式的时 间时，参考储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量与所述排气净化催化剂单元的最大 储氧能力的比率。
12.如权利要求10或11所述的空燃比控制方法，其特征在于在所述第一目标空燃比反馈控制模式中执行通过比例_积分_微分控制来控制所述目 标空燃比的目标空燃比反馈控制；将用于所述比例-积分-微分控制的比例校正项和微分校正项分别乘以所述第一校正系数；以及将用于所述比例_积分_微分控制的积分校正项乘以所述第二校正系数。
13.如权利要求12所述的空燃比控制方法，其特征在于在所述第二目标空燃比反馈控制模式中执行通过比例-积分-微分控制来控制所述目 标空燃比的目标空燃比反馈控制；将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分-微分控制的比例校正项 乘以所述第一校正系数并乘以所述第三校正系数；将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分-微分控制的微分校正项 乘以所述第一校正系数；以及将用于所述第二目标空燃比反馈控制模式的所述比例-积分-微分控制的积分校正项 乘以所述第二校正系数。
14.如权利要求10、11、13中任一项所述的空燃比控制方法，其特征在于进一步包括检测代表已新吸入所述内燃发动机的气缸中的空气的量的负荷率，其中将用于所述第一目标空燃比反馈控制模式的所述积分校正项和用于所述第二目标空 燃比反馈控制模式的所述积分校正项分别乘以第四校正系数，所述负荷率越高则使所述第 四校正系数越大。
15.如权利要求9所述的空燃比控制方法，其特征在于进一步包括学习通过对所述氧传感器的输出值与目标值的偏差进行积分而计算出的积分值；其中如果所述进气量小于所述预定量、由所述氧传感器检测到的空燃比为浓并且已完成所 述积分值的学习，则中止所述第一目标空燃比反馈控制模式并实施化学计量空燃比控制模 式，在所述化学计量空燃比控制模式中，将所述目标空燃比控制为化学计量空燃比。
16.如权利要求15所述的空燃比控制方法，其特征在于进一步包括检测所述排气净化催化剂单元的最大储氧能力；以及检测储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量，其中在判定所述进气量小于所述预定量、由所述氧传感器检测到的空燃比为浓并且已完成 所述积分值的学习之后判定中止所述第一目标空燃比反馈控制模式并实施所述化学计量 空燃比控制模式的时间时，参考储存在所述排气净化催化剂单元中的氧的量与所述排气净 化催化剂单元的最大储氧能力的比率。
全文摘要
提供一种内燃发动机空燃比控制设备和方法，其中至少通过比例-积分控制来控制流入排气净化催化剂单元(3)中的排气的目标空燃比使得所述催化剂单元(3)中的氧的量的每单位时间校正量保持恒定。当进气量小于预定量并且设置在催化剂单元(3)下游的氧传感器(5)检测到的空燃比浓时，控制所述目标空燃比以抑制排气净化催化剂单元(3)中的空燃比增加。因此，即使在其中进气量极小并且氧传感器(5)检测到的空燃比浓的状态下执行快速加速操作，也可通过在排气净化催化剂单元(3)的还原反应来充分去除排气中的NOx。
文档编号F02D41/10GK101939520SQ200980104675
公开日2011年1月5日 申请日期2009年1月27日 优先权日2008年2月28日
发明者中川德久, 沟口纮晶 申请人:丰田自动车株式会社