内燃机的控制装置、及与窜缸混合气一起回流至进气通道的NO_x的质量流量的计测装置的制作方法

专利名称：内燃机的控制装置、及与窜缸混合气一起回流至进气通道的NO_x的质量流量的计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及窜缸混合气被回流至进气通道的内燃机的控制装置、以及适用于这种控制装置的与窜缸混合气一起回流至进气通道的NOx的质量流量的计测装置。
背景技术：
在内燃机的内部，从汽缸与活塞的间隙会产生向曲轴箱内窜漏的窜缸混合气。在窜缸混合气中以高浓度含有未燃的HC成分，所以不能将窜缸混合气直接排放于大气中。在一般的内燃机中，窜缸混合气被回流至进气通道，通过再次燃烧而被处理。在窜缸混合气中，含有因燃烧而生成的N0X。因此，根据包含于窜缸混合气中的NOx 的浓度，在窜缸混合气回流至进气通道的情况下有可能使内燃机的燃烧恶化。针对这种问题，在日本特开2006-138242号公报中，提出了如下技术利用安装于窜缸混合气回流通道的NOx传感器来计测窜缸混合气的NOx浓度，并在NOx浓度超过允许限度时停止窜缸混合气向进气通道的回流。窜缸混合气具有与油、燃料反应而使内燃机的润滑性下降的特性。该特性的主要原因在于，包含于窜缸混合气中的N0X。NOx与油、燃料起聚合反应而生成油泥。在曲轴箱内生成的油泥使油的润滑特性恶化。另一方面，在窜缸混合气回流至进气通道的情况下，由于 NOx与油、燃料的聚合反应而在进气通道内生成油泥。该油泥变成积垢(cbposit)而堆积于进气通道内，使内燃机的进气效率恶化。油泥的生成量与存在于油、燃料周围的空间的NOx的质量有关。因此，对于准确诊断内燃机的状态并进行适当控制，NOx的质量被称为重要的信息。有关曲轴箱内的NOx的质量，可用曲轴箱内的NOx浓度来表示。这是因为，在曲轴箱内，压力与容积不变，曲轴箱内的全部气体的质量没有变化。另一方面，有关进气通道内的NOx的质量(详细地讲，质量流量)，由于进气通道内压力变化大且全部气体的质量流量变化大，所以不能用NOx浓度来表示。对于进气通道内的油泥的生成状况的诊断，有必要计算与窜缸混合气一起回流至进气通道的NOx的质量流量。然而，目前为止，没有提出有关准确求解进气通道内的NOx的质量流量的方法。如上所述，在日本特开2006-138242号公报中，记载了在窜缸混合气回流通道配置传感器来计测NOx浓度的技术，然而对于NOx的质量流量的计测没有提及。倘若，以该公报记载的技术为前提，求解NOx的质量流量，则作为信息需要全部窜缸混合气的质量流量。这是因为， 全部窜缸混合气的质量流量乘以NOx浓度而得到的值即为NOx的质量流量。但是，窜缸混合气回流通道与进气通道相比极细，所以很难设置空气流量计等质量流量计。此外，在窜缸混合气回流通道安装NOx传感器也存在问题。除可能存在由于NOx传感器的设置而增大的压损阻碍窜缸混合气流通的问题之外，还有可能存在由于水分的影响而使计测本身无法准确地进行的问题。

发明内容
本发明是为解决上述问题而作出的，其目的在于，高精度地求解与窜缸混合气一起回流至进气通道的NOx的质量流量，并基于其结果能准确诊断内燃机的状态。为此，本发明提供如下所述的内燃机的控制装置。本发明的控制装置是窜缸混合气被回流至进气通道的内燃机的控制装置。本控制装置在比窜缸混合气所回流的位置靠向下游的位置计测上述进气通道内的NOx浓度，同时在比上述位置靠向下游的位置计测上述进气通道内的氧浓度。对于NOx浓度的计测，可使用 NOx传感器。使用该NOx传感器还可计测氧浓度。此外，本控制装置计测导入于上述进气通道内的新空气的质量流量。本控制装置通过对以上三种计测值的计算而得到上述进气通道内的NOx的质量流量。首先，本控制装置，根据氧浓度与新空气的质量流量，计算回流至上述进气通道的窜缸混合气的质量流量。接着，根据新空气的质量流量和窜缸混合气的质量流量，计算上述进气通道内的全部气体的质量流量。然后，根据全部气体的质量流量和NOx浓度，计算上述进气通道内的NOx的质量流量。本控制装置基于这样计算出的NOx的质量流量来诊断上述内燃机的状态。作为诊断的方法，可举出将NOx的质量流量与规定的阈值进行比较的方法。例如， 在NOx的质量流量在允许临界即规定值以上的情况下，能够诊断为处于会由于NOx与油、燃料的聚合反应而容易生成油泥的状态。这种情况下，优选为，以减少NOx的产生的方式操作上述内燃机的执行器。这样，能够抑制NOx与油、燃料的聚合反应而生成的油泥作为积垢堆积于进气通道内的情况。本控制装置，能够进行根据新空气的质量流量和目标空燃比计算燃料喷射量，同时根据排气空燃比和目标空燃比的偏差来计算燃料喷射量的修正量的空燃比反馈控制。若进行空燃比反馈控制，则在NOx的质量流量在规定值以下的情况下，通过判定燃料喷射量的减量修正量是否在规定值以上，从而能够诊断上述内燃机的状态。具体来讲，作为上述内燃机的状态能够诊断油的燃料稀释。在油的燃料稀释正进行时，在曲轴箱内从油蒸发的HC的量增大。那么，曲轴箱内的NOx和HC的聚合反应被促进，结果，曲轴箱内的NOx的量变少而回流至进气通道的NOx的质量流量下降。包含于窜缸混合气的HC的量越多，即，在曲轴箱内从油蒸发的HC的量越多，则燃料喷射量的减量修正量变得越大。因此，若NOx的质量流量变少的同时，燃料喷射量的减量修正量也变大，则能判断出在上述内燃机的内部正进行着油的燃料稀释。另一方面，NOx的质量流量变少，但燃料喷射量的减量修正量没有变大，则能判断出有可能存在其他原因例如燃料系统有可能存在某种异常。此外，为了上述目的，本发明还同如下所述的计测装置。本发明的计测装置被使用于窜缸混合气被回流至进气通道的内燃机，用来计测与窜缸混合气一起回流至上述进气通道的NOx的质量流量。本计测装置由两个传感器和处理其信号的信号处理装置构成。其中的一个传感器为安装于比上述进气通道的窜缸混合气所回流的位置靠向下游侧的位置的NOx传感器，另一个传感器为安装于上述进气通道的入口的空气流量计。根据上述NOx传感器的信号，能得到上述进气通道内的NOx浓度和氧浓度。根据上述空气流量计的信号，能得到导入于上述进气通道内的新空气的质量流量。信号处理装置
5利用NOx浓度计测单元将上述NOx传感器的信号转换为NOx浓度，利用氧浓度计测单元将上述NOx传感器的信号转换为氧浓度。此外，信号处理装置利用新空气质量流量计测单元将上述空气流量计的信号转换为新空气的质量流量。信号处理装置通过对以上三种计测值的计算，算出上述进气通道内的NOx的质量流量。首先，在窜缸混合气质量流量计算单元中，根据氧浓度和新空气的质量流量，计算出回流至上述进气通道的窜缸混合气的质量流量。接着，在全部气体质量流量计算单元中，根据新空气的质量流量和窜缸混合气的质量流量，计算出上述进气通道内的全部气体的质量流量。然后，在NOx质量流量计算单元中，根据全部气体的质量流量和NOx浓度计算出上述进气通道内的NOx的质量流量，即，与窜缸混合气一起回流至上述进气通道的NOx的质量流量。


图1为应用了本发明的内燃机的系统图。图2为表示作为本发明的实施方式的控制装置的结构的框图。图3为表示在本发明的实施方式中由控制装置进行的一系列处理的顺序的流程图。标号说明2...发动机；4...汽缸体；6...汽缸盖；8...进气通道；10...排气通道；
14...稳压罐；16...节气门；18...窜缸混合气回流通道；20. . .PCV阀；22...窜缸混合气回流通道；24...点火装置；26...缸内喷射器J8... EGR通道；40...空气流量计； 42. · · NOx传感器；44. · ·空燃比传感器；46. · · O2传感器；100. · · ECU。
具体实施例方式下面，参照图1至图3的各图，对本发明的实施方式进行说明。图1为表示应用了本发明实施方式的控制装置的内燃机的系统机构的图。本实施方式所涉及的内燃机2为具备点火装置M的火花塞点火式的四冲程往复式发动机(以下， 简称为发动机)。此外，本实施方式的发动机2既是利用缸内喷射器沈向缸内直接喷射燃烧的直喷式发动机，又是具备利用废气的能量来压缩新空气的涡轮增压器12的涡轮增压发动机。本实施方式的发动机2具备两个窜缸混合气回流通道18、22。一方的窜缸混合气回流通道18为连接汽缸体4的内部和进气通道8的节气门16的下游侧的气体通道，更为详细地讲，连接汽缸体4的内部和稳压罐14的气体通道，其中，在与稳压罐14的连接部附近设有PCV阀20。另一方的窜缸混合气回流通道22为连接汽缸盖6的内部与进气通道8 的节气门16的上游侧的气体通道，更为详细地讲，连接汽缸盖6的内部和进气通道8的涡轮增压器12的上游侧的气体通道，其中，不设有像PCV阀20这样的单向阀。此外，本实施方式的发动机2具备使废气从排气通道10向进气通道8回流的EGR 通道28。在EGR通道28上设有EGR阀30。EGR通道28与进气通道8的连接位置设在窜缸混合气回流通道18与进气通道8的连接位置的下游侧。本实施方式的发动机2的控制系统具备作为控制装置的ECU100。ECU100为综合控制发动机2的整个系统的控制装置。在ECU100的输出侧，连接有上述的点火装置M、缸内喷射器26、PCV阀20、EGR阀30等执行器，在E⑶100的输入侧，连接有空气流量计40、空燃比传感器44、O2传感器46、NOx传感器42等传感器。空气流量计40设在进气通道的入口。空燃比传感器44和&传感器46均设在排气通道10上，空燃比传感器44配置于上游侧三元催化剂32的更上游侧，O2传感器46配置于上游侧三元催化剂32和下游侧三元催化剂34之间。NOx传感器42的安装位置为本实施方式的一个特征，安装于进气通道8与窜缸混合气回流通道18的连接位置的下游侧，更为准确地讲，安装于进气通道8与EGR通道观的连接位置的下游侧。ECU100接收来自各传感器的信号并按照规定的控制程序操作各执行器。其中，与ECU100连接的执行器、传感器如图中表示的那样其他地方也存在多个，然而在本说明书中省略其说明。作为由E⑶100进行的发动机控制之一，有用于使排气空燃比与目标空燃比一致的空燃比反馈控制。在由ECU100进行的空燃比反馈控制中，首先，根据从空气流量计40的信号计测的新空气的质量流量和作为目标空燃比的理论空燃比计算燃料喷射量的基本量。 然后，根据空燃比传感器44的信号和O2传感器46的信号计测排气空燃比，根据排气空燃比和目标空燃比的偏差计算燃料喷射量的修正量。这样计算出的燃料喷射量的修正量，受回流至进气通道8的窜缸混合气的影响。也就是说，窜缸混合气中含有HC，所以以从缸内喷射器26的燃料喷射量减去所含HC量的方式设定修正量。包含于窜缸混合气中的HC的量越多，燃料喷射量的减量修正量成越大的值。进一步，E⑶100具备计测与窜缸混合气一起回流至进气通道8的NOx的质量流量的功能。图2为E⑶100的关注于这种功能时的框图。E⑶100从NOx传感器42和空气流量计40分别导入信号，并通过处理这些信号来求解NOx的质量流量。在图2中，ECU100是以七个信号处理单元102、104、106、108、110、112、114的组合
体现出来的。这些信号处理单元可分别由专用的硬件构成，还可以共用硬件而由软件虚拟构成。以下，将ECU100的作为计测装置的功能，针对每一个信号处理单元来进行说明。信号处理单元102导入NOx传感器42的信号，并将该信号转换为进气通道8内的 NOx浓度。信号处理单元104同样地导入上述NOx传感器42的信号，并将该信号转换为进气通道8内的氧浓度。根据一般的NOx传感器42，能够同时得到与NOx浓度对应的信号和与氧浓度对应的信号。信号处理单元106导入空气流量计40的信号，并将该信号转换为导入于进气通道8的新空气的质量流量。信号处理单元108根据氧浓度与新空气的质量流量，计算回流至进气通道8的窜缸混合气的质量流量。令进气通道8内的氧浓度为02in、新空气的质量流量为Ga、窜缸混合气的质量流量为( ，则它们的相互关系可按下式(1)表示。然而，式(1)是以通过空燃比反馈控制将空燃比控制为化学计量空燃比作为前提的。在将空燃比控制为化学计量空燃比的状况下，包含于窜缸混合气中的氧气的量无限小而成为0。另一方面，包含于新空气中的氧气的量，可认为总是以20%保持不变。[数1]
权利要求
1.一种内燃机的控制装置，其是窜缸混合气被回流至进气通道的内燃机的控制装置， 其特征在于，该控制装置具备NOx浓度计测机构，其在比窜缸混合气所回流的位置靠向下游的位置计测上述进气通道内的NOx浓度；氧浓度计测机构，其在比窜缸混合气所回流的位置靠向下游的位置计测上述进气通道内的氧浓度；新空气质量流量计测机构，其计测导入至上述进气通道内的新空气的质量流量； 窜缸混合气质量流量计算机构，其根据氧浓度与新空气的质量流量，计算回流至上述进气通道的窜缸混合气的质量流量；全部气体质量流量计算机构，其根据新空气的质量流量与窜缸混合气的质量流量，计算上述进气通道内的全部气体的质量流量；NOx质量流量计算机构，其根据全部气体的质量流量与NOx浓度，计算上述进气通道内的NOx的质量流量；以及诊断机构，其基于NOx的质量流量，诊断上述内燃机的状态。
2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述诊断机构包含NOx减少机构，该NOx减少机构在NOx的质量流量为预定值以上时， 操作上述内燃机的执行器，以减少NOx的产生。
3.如权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其特征在于， 上述控制装置还具备排气空燃比计测机构，其计测废气的空燃比；燃料喷射量计算机构，其根据新空气的质量流量与目标空燃比来计算燃料喷射量；以及修正量计算机构，其根据排气空燃比与目标空燃比的偏差来计算燃料喷射量的修正量，上述诊断机构包含如下机构当NOxW质量流量为预定值以下时，判定燃料喷射量的减量修正量是否在预定值以上，并根据该判定结果来诊断上述内燃机的状态的机构。
4.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，上述NOx浓度计测机构利用与上述氧浓度计测机构共用的一个NOx传感器，计测上述进气通道内的NOx浓度，上述氧浓度计测机构利用上述NOx传感器来计测上述进气通道内的氧浓度。
5.一种计测装置，其被使用于窜缸混合气被回流至进气通道的内燃机，用来计测与窜缸混合气一起回流至上述进气通道的NOx的质量流量，其特征在于，具备NOx传感器，其安装在比上述进气通道的窜缸混合气所回流的位置靠向下游侧的位置； 空气流量计，其安装在上述进气通道的入口 ；以及信号处理装置，其处理上述NOx传感器及空气流量计的各信号， 上述信号处理装置具备NOx浓度计测单元，其将上述NOx传感器的信号转换为NOx浓度； 氧浓度计测单元，其将上述NOx传感器的信号转换为氧浓度； 新空气质量流量计测单元，其将上述空气流量计的信号转换为新空气的质量流量；窜缸混合气质量流量计算单元，其根据氧浓度与新空气的质量流量，计算回流至上述进气通道的窜缸混合气的质量流量；全部气体质量流量计算单元，其根据新空气的质量流量与窜缸混合气的质量流量，计算上述进气通道内的全部气体的质量流量；以及NOx质量流量计算单元，其根据全部气体的质量流量与NOx浓度，计算上述进气通道内的NOx的质量流量。
全文摘要
本发明的内燃机的控制装置，高精度地求解与窜缸混合气一起回流至进气通道的NOX的质量流量，并基于其结果能准确地诊断内燃机的状态。在比窜缸混合气所回流的位置靠向下游的位置计测进气通道内的NOX浓度，同时在比上述位置靠向下游的位置计测进气通道内的氧浓度。此外，计测导入至进气通道内的新空气的质量流量。然后，根据氧浓度与新空气的质量流量计算回流至进气通道的窜缸混合气的质量流量。接着，根据新空气的质量流量和窜缸混合气的质量流量计算进气通道内的全部气体的质量流量。然后，根据全部气体的质量流量与NOX浓度计算上述进气通道内的NOX的质量流量。本控制装置基于这样计算出的NOX的质量流量来诊断内燃机的状态。
文档编号F01M13/00GK102216573SQ201080001592
公开日2011年10月12日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者井上政广 申请人:丰田自动车株式会社