[发明专利]内燃发动机空燃比控制设备和方法

说明书

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(一氧化碳)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，日本专利申请No.11-82114(JP-A-11-82114)和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匀。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”。