CN101142395B - 用于内燃机的控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种空燃比反馈***被构造成计算目标空燃比和空燃比检测值之间的偏差，将计算偏差乘以比例增益以获得反馈修正值，并将计算的反馈增益增加到通过将缸内喷射器的燃料喷射比乘以基本燃料喷射量获得的缸内喷射器的缸内喷射量。计算的反馈修正值不加到进气歧管喷射器的端口喷射量。

Description

用于内燃机的控制设备
技术领域
本发明一般地涉及用于内燃机的控制设备，该内燃机包括将燃料喷射到气缸的第一燃料喷射机构(缸内喷射器)和将燃料喷射到进气歧管或进气端口的第二燃料喷射机构(进气歧管喷射器)，更具体地涉及用于在催化剂到达化学计量空燃比之前的排气***的空燃比的反馈控制。
背景技术
公知内燃机包括用于将燃料喷射到进气歧管的进气歧管喷射器和用于将燃料喷射到发动机燃烧室的缸内喷射器，其中，当发动机负载低于预设负载时，停止进气歧管喷射器的燃料喷射，当发动机负载高于预设负载时，进行从进气歧管的燃料喷射。
一般而言，在内燃机的排气***中提供用于净化排气中的有害成分的催化转化器。三元催化转化器通常用作这样的催化转化器。三元催化转化器对一氧化碳(CO)和未燃烧的碳化氢(HC)进行氧化，并减少氮氧化物(NOX)，已将它们转化为无毒的二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)和氮气(N2)，其中一氧化碳、碳化氢和氮氧化物是排气中的三种有毒成分。
三元催化转化器的净化功能取决于燃烧室中产生的空气燃料混合气体的空燃比。当空燃比在化学计量空燃比附近时，三元催化转换器工作最有效。这是因为，由于当空燃比较稀时，氧化反应活跃，而还原反应不活跃，所有上述的这三种有毒成分不能顺利地被净化，而当空燃比较浓并且排气中的氧气量较低时，还原反应活跃，而氧化反应不活跃。因此，包括三元催化转化器的内燃机具有设置在排气歧管处的输出线性型氧气传感器。基于氧气传感器测量的氧气浓度，执行空燃比反馈控制，使得内燃机中的空气燃料混合气体的空燃比对应于化学计量空燃比(理想空气燃料混合气体比；下文亦称为化学计量比)。
日本专利公开No.11-351011公开一种用于内燃机的燃料喷射控制设备，该内燃机包括辅助燃料喷射阀，除了直接将燃料喷射到燃烧室中的主燃料喷射阀之外，辅助燃料喷射阀将燃料喷射到进气歧管。在预定工作条件下使辅助燃料喷射阀工作。在主燃料喷射阀和辅助燃料喷射阀分担将燃料喷射到内燃机的情况下，实现控制，以防止在辅助燃料喷射阀的工作和非工作之间切换时由空燃比中暂时误差引起的错误获取。该控制设备对应于直接喷射火花塞型的内燃机的燃料喷射控制设备，该直接喷射火花塞型的内燃机包括直接将燃料喷射到燃烧室的主燃料喷射阀。该控制设备包括：基本燃料喷射量计算装置，基于发动机的工作条件计算基本燃料喷射量；空燃比反馈修正系数设置装置，根据预定空燃比反馈控制条件下的空燃比传感器检测的空燃比是低还是高，设定增大/减小空燃比反馈修正系数；重写获取修正系数存储装置，存储获取修正系数；燃料喷射量计算装置，基于基本燃料喷射量、空燃比反馈修正系数和获取修正系数计算燃料喷射量；以及获取装置，基于在预定获取条件下获取的空燃比反馈修正系数沿接近基准值的方向更新获取修正系数。该控制设备还包括切换控制设备，该切换控制设备在预定工作条件下使辅助燃料喷射阀工作，使得主燃料喷射阀和辅助燃料喷射阀分担将燃料喷射到内燃机。设置获取禁止装置，以在辅助燃料喷射阀的工作和非工作状态之间切换的时间将获取装置的获取禁止预定时间长度。
上述内燃机的燃料喷射控制设备的优点在于，获取精度提高了，因为消除了在辅助燃料喷射阀的工作和非工作状态之间切换时空燃比中暂时误差的错误获取。
虽然随着反馈控制增益的变高加速了朝向目标值的收敛，但是当增益很高时存在振动的可能性。该增益取决于控制***响应中的无效时间和/延迟。随着响应中的无效时间和/延迟变小，该增益可以设置成更大，以增大对目标值的响应。
在上述日本专利公开No.11-351011中公开的装置中，基于基本燃料喷射量和反馈控制的修正，计算需要的喷射量。需要的燃料喷射量乘以燃料喷射阀(缸内喷射器)和辅助燃料喷射阀(进气歧管喷射阀)的燃料喷射比，以计算缸内喷射器的燃料喷射量和进气歧管喷射器的燃料喷射量。从进气歧管喷射器喷射的燃料将粘附到进气歧管的内壁，这引起响应延迟。因为不能设定高增益，所以在通过反馈控制计算修正值中使用的增益不得不设定为较低水平。因此，难以增大对目标值的响应。
由于进气歧管喷射器喷射的燃料的壁粘附效应引起响应延迟的趋势在进气歧管处于冷态时变得更为突出。因此，必须根据温度修改增益。这意味着，即使增大进气歧管喷射的燃料量，以从稀态获得浓态，也不能设置较高的增益，因为当温度较低时在壁上的粘附效应引起的延迟是严重的。因此，不能够实现有利的响应。
发明内容
本发明的目的在于提供用于内燃机的控制设备，内燃机包括将燃料喷射到气缸的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管的第二燃料喷射机构，该控制设备允许有利响应的空燃比反馈控制。
根据本发明的一个方面，一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管的第二燃料喷射机构，所述控制设备包括：喷射控制单元，其基于所述内燃机所要求的条件控制所述第一燃料喷射机构和所述第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射；检测单元，设置在所述内燃机的排气***处，用于检测排气的空燃比；以及控制单元，基于检测的所述空燃比执行反馈控制，使得所述空燃比达到目标空燃比；其中所述控制单元仅对所述第一燃料喷射机构的燃料喷射量执行反馈控制。
在执行包括对应于将目标空燃比和检测的空燃比之间的差值乘以比例增益的比例运算的反馈控制中，仅将燃料喷射到气缸的第一燃料喷射机构(例如，缸内喷射器)喷射的燃料量被当作反馈***在比例运算中的控制输入。虽然，由于喷射的燃料粘附到进气歧管的壁上并且增大到燃烧室的距离，将燃料喷射到进气歧管的第二燃料喷射机构(例如，进气歧管喷射器)引起延迟时间，缸内喷射器没有这样的延迟时间，允许在反馈控制的比例运算中设定高增益。因此，可以提高反馈控制的响应。因此，可以提供允许有利响应的空燃比反馈控制的用于内燃机的控制设备，该内燃机包括向气缸喷射燃料的第一燃料喷射机构以及向进气歧管或进气端口喷射燃料的第二燃料喷射机构。
根据本发明的另一方面，一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管的第二燃料喷射机构，所述控制设备包括：喷射控制单元，其基于所述内燃机所要求的条件控制所述第一燃料喷射机构和所述第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射；检测单元，设置在所述内燃机的排气***处，用于检测排气的空燃比；以及控制单元，基于检测的所述空燃比执行比例积分微分反馈控制，使得所述空燃比达到目标空燃比；其中所述控制单元执行反馈控制，使得比例运算和微分运算反映在所述第一燃料喷射机构的燃料喷射量中，并且积分运算反映在所述第二燃料喷射机构的燃料喷射量中。
除了本发明的反馈控制***中的比例运算，可以增加消除稳态偏差的积分运算或补偿积分运算以提高控制稳定性的微分运算。除了这样的空燃比反馈控制之外，因为基于内燃机的工作状态设定缸内喷射器和进气歧管喷射器之间的燃料喷射比，如果仅将进气歧管喷射器喷射的燃料量用作空燃比反馈控制的控制输入，则燃料喷射比将偏离从内燃机的工作状态计算的喷射比。针对这个问题，积分运算中反馈***的控制输入反映在进气歧管喷射器的燃料喷射量中，而比例运算和微分运算的反馈***的控制输入仅反映在缸内喷射器的燃料喷射***中。因为由于进气歧管喷射器喷射的燃料粘附到壁上引起的延迟时间不影响积分运算，所以可以实现有利响应和无稳态偏差的反馈控制***，同时避免和基于内燃机的工作状态计算的缸内喷射器和进气歧管喷射器之间的燃料喷射比的较大偏差。因此，可以提供许有利响应的空燃比反馈控制的用于内燃机的控制设备，该内燃机包括向气缸喷射燃料的第一燃料喷射机构以及向进气歧管或进气端口喷射燃料的第二燃料喷射机构。
根据本发明的又一方面，一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管的第二燃料喷射机构，所述控制设备包括：喷射控制单元，其基于所述内燃机所要求的条件控制所述第一燃料喷射机构和所述第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射；检测单元，设置在所述内燃机的排气***处，用于检测排气的空燃比；以及控制单元，基于检测的所述空燃比执行比例积分反馈控制，使得所述空燃比达到目标空燃比；其中所述控制单元执行反馈控制，使得比例运算反映在所述第一燃料喷射机构的燃料喷射量中，并且积分运算反映在所述第二燃料喷射机构的燃料喷射量中。
除了本发明的反馈控制***中的比例运算，可以增加消除稳态偏差的积分运算。除了这样的空燃比反馈控制之外，因为基于内燃机的工作状态设定缸内喷射器和进气歧管喷射器之间的燃料喷射比，如果仅将进气歧管喷射器喷射的燃料量用作空燃比反馈控制的控制输入，则燃料喷射比将偏离从内燃机的工作状态计算的喷射比。针对上述问题，积分运算中反馈***的控制输入反映在进气歧管喷射器的燃料喷射量中，而比例运算中反馈***的控制输入仅反映在缸内喷射器的燃料喷射***中。因为由于进气歧管喷射器喷射的燃料粘附到壁上引起的延迟时间不影响积分运算，所以可以实现有利响应的反馈控制***，同时避免和基于内燃机的工作状态计算的缸内喷射器和进气歧管喷射器之间的燃料喷射比的较大偏差。因此，可以提供许有利响应和无稳态偏差的空燃比反馈控制的用于内燃机的控制设备，该内燃机包括向气缸喷射燃料的第一燃料喷射机构以及向进气歧管或进气端口喷射燃料的第二燃料喷射机构。
优选地，基于燃料喷射比，所述控制单元执行反馈控制，使得在所述第一燃料喷射机构的所述燃料喷射量和所述第二燃料喷射机构的所述燃料喷射量之间分配对应于所述积分运算的修正值。
根据本发明，在稳态下，比例运算(P参数)和微分运算(D参数)变为零。因此，基于燃料喷射比，通过分配对应于积分运算(I参数)可以实现目标的基本燃料喷射比。
更优选地，第一燃料喷射机构是缸内喷射器，第二燃料喷射机构是进气歧管喷射器。
根据本发明，可以提供许有利响应的空燃比反馈控制的用于内燃机的控制设备，该内燃机包括作为第一燃料喷射机构的缸内喷射器以及作为第二燃料喷射机构的缸内喷射器。
参考附图，从本发明下面详细的说明书，本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点可以更加清楚。
附图说明
图1是示出在根据本发明实施例的控制设备控制下的发动机***结构的示意图。
图2是空燃比反馈控制的控制框图(第一控制框图)。
图3是表示当进气量以步进方式变动时每个状态中变化的时间图表。
图4是空燃比反馈控制的控制框图(第二控制框图)。
图5是空燃比反馈控制的控制框图(第三控制框图)。
图6表示对应于发动机暖态的DI比映射图(第一DI映射比图)，本发明内燃机的控制设备适用该DI比映射图。
图7表示对应于发动机冷态的DI比映射图(第一DI映射比图)，本发明内燃机的控制设备适用该DI比映射图。
图8表示对应于发动机暖态的DI比映射图(第二DI比映射图)，本发明内燃机的控制设备适用该DI比映射图。
图9表示对应于发动机冷态的DI比映射图(第二DI比映射图)，本发明内燃机的控制设备适用该DI比映射图。
具体实施方式
参考附图，描述本发明的实施例。相同的部件采用相同的参考标号，并且它们的名称和功能亦相同。因此，将不重复其详细描述。
图1是在根据本发明实施例的发动机ECU(电子控制单元，作为内燃机的控制设备)的控制下的发动机***结构的示意图。虽然将单列4缸汽油发动机用作发动机，但本发明并不局限于这样的发动机。
如图1中所示，发动机10包括气缸112，每个气缸112经由对应的进气歧管20连接到共用稳压罐30。稳压罐30经由进气管连接空气滤清器50。进气管40中布置有空气流量表42，进气管40中亦布置有由电机60驱动的节流阀70。独立于加速器踏板100，节流阀70根据发动机ECU300的输出信号来控制其开度。每个气缸112均连接至共用排气歧管80，排气歧管80连接至三元催化转化器90。
每个气缸112均设置有用于将燃料喷射到气缸的缸内喷射器110以及用于将燃料喷射到进气端口及/或进气歧管的进气歧管喷射器120。基于来自发动机ECU 300的输出信号来控制这些喷射器110、120。此外，每个气缸的缸内喷射器110均连接至共用燃料输送管130。燃料输送管130经由允许朝向燃料输送管130流动的单向阀140连接至发动机驱动型高压燃料泵150。在本实施例中，将对具有两个独立设置的喷射器的内燃机进行描述，尽管本发明并不限于这种内燃机。例如，内燃机可具有能够进行缸内喷射及进气歧管喷射两者的单一喷射器。
如图1所示，高压燃料泵150的排放侧经由电磁溢流阀152连接至高压燃料泵150的进气侧。随着电磁溢流阀152的打开程度变小，从高压燃料泵150供应到燃料输送管130的燃料量将增大。当电磁溢流阀152完全打开时，从高压燃料泵150至燃料输送管130的燃料供应将停止。基于发动机ECU 300的输出信号来控制电磁溢流阀152。
每个进气歧管喷射器120均连接至低压侧的共用燃料输送管160。燃料输送管160及高压燃料泵150经由共用燃料压力调节器170连接至电机驱动型低压燃料泵180。低压燃料泵180经由燃料过滤器190连接至燃料箱200。在从低压燃料泵180喷射的燃料压力变得高于预设燃料压力时，燃料压力调节器170将从低压燃料泵180输出的一部分燃料返回至燃料箱200。防止供应至进气歧管喷射器120的燃料压力以及供应至高压燃料泵150的燃料压力两者变得高于设定燃料压力。
基于数字计算机来实现发动机ECU 300，发动机ECU 300包括经由双向总线310彼此连接的ROM(只读存储器)320、RAM(随即访问存储器)330、CPU(中央处理单元)340、输入端口350、以及输出端口360。
空气流量表42产生和进气量成比例的输出电压。空气流量表42的输出电压经由A/D转换器370被施加至输入端口350。将冷却剂温度传感器380安装至发动机10，该传感器产生和发动机冷却剂温度成比例的输出电压。冷却剂温度传感器380的输出电压经由A/D转换器390被施加至输入端口350。
将燃料压力传感器400安装至高压燃料输送管130，燃料压力传感器400产生和高压燃料输送管130内燃料压力成比例的输出电压。燃料压力传感器400的输出电压经由A/D转换器410被施加至输入端口350。将空燃比传感器420安装至位于三元催化转化器90的上游的排气歧管80，空燃比传感器420产生和排气中氧气浓度成比例的输出电压。空燃比传感器420的输出电压经由A/D转换器430被输入至输入端口350。
本实施例的发动机***中的空燃比传感器420为产生和发动机10中燃烧的空气燃料混合气体的空燃比成比例的输出电压的全范围空燃比传感器(线性空燃比传感器)。空燃比传感器420可以是O2传感器，该传感器以接通/切断的方式检测在发动机10中燃烧的空气燃料混合气体的空燃比相对于化学计量比是浓还是稀。
加速器踏板100连接至产生和加速器踏板100的踏板位置成比例的输出电压的加速踏板位置传感器440。加速踏板位置传感器440的输出电压经由A/D转换器450被施加至输入端口350。此外，产生表示发动机速度的输出脉冲的转速传感器460连接至输入端口350。发动机ECU 300的ROM 320基于由上述加速踏板位置传感器440及转速传感器460获得的发动机负载因子及发动机速度，以映射图的形式预先存储对应于工作状态而设定的燃料喷射量的值以及基于发动机冷却剂温度设定的其修正值。发动机ECU300计算从空燃比传感器420施加的排气的空燃比(下文亦称为A/F)和目标空燃比(在14.5附近，用作化学计量比)之间的偏差，并空燃反馈控制，由此消除偏差。
图2是结合在发动机ECU300的空燃比反馈控制***的控制框图。由这样框图表示的反馈控制***由CPU340空燃的程序来实现。
参考图2，反馈控制***基于将空燃比传感器420输出的A/F减去目标空燃比获得的A/F偏差计算反馈修正值。具体而言，计算反馈修正值AQ＝Kc×|AF(TAG)-AF|，其中AF(TAG)是目标空燃比，AF是A/F传感器输出的空燃比，而Kc是比例增益。当排气分别对应于稀态侧和浓态侧，将ΔQ的符号设为+和-。将此反馈修正值ΔQ加到缸内喷射器110喷射的燃料量(缸内喷射量Qd)。
由发动机ECU300根据基于发动机10的发动机速度、负载因子等的预定映射图计算基本喷射量Qall和喷射比(在这里，该喷射比表示为“DI比r”，作为从缸内喷射器110喷射量和喷射燃料总量(即，缸内喷射器110喷射的燃料量加上进气歧管120喷射的燃料量)的比值)。
从基本喷射量Qall和燃料喷射比(DI比r)，计算缸内喷射量Qd和燃料喷射量Qp，其中缸内喷射量Qd为缸内喷射器110喷射的燃料量，而端口喷射量Qp为进气歧管喷射器120喷射的燃料量。具体而言，计算缸内喷射量Qd＝Qall×r和端口喷射量Qp＝Qall×(1-r)。在计算中，假设不考虑修正燃料量、内部EGR(排气再流通)修正以及PCV修正，修正燃料量诸如粘附到进气歧管喷射器120的壁上的量的修正、进行清洗的校正等。
因为反馈修正值ΔQ仅反映(被加到)缸内喷射量Qd，所以最终的燃料喷射量为：
缸内燃料喷射量Qd＝Qall×r+ΔQ＝Qall×r+Kc×|AF(TAG)-AF|；以及
端口喷射量Qp＝Qall×(1-r)。
基于比例运算的反馈修正量在端口喷射量Qp中没有反映，端口喷射量Qp为进气歧管喷射器120喷射的燃料量。
反馈修正量ΔQ在端口喷射量Qp中没有反映，因为由于进气歧管喷射器120喷射的燃料的下列现象：
1)粘附到进气歧管的壁；
2)在进气冲程期间喷射，进气冲程之后紧随着压缩冲程、燃料和膨胀冲程以及排气冲程，被作为排气输出；和
3)在输出排气之后延迟到达空燃比传感器420；
引起迟延时间，并且在反馈***的比例运算中不允许设定高比例增益Kc。
不需要考虑响应延迟因子，诸如上述和缸内喷射器110喷射的燃料相关的粘附到壁上。因此，因为反馈修正值Δq在进气歧管喷射器120的燃料喷射量中没有反映，并且反馈修正值ΔQ反映在缸内喷射器110的燃料喷射中，所以可以设置高比例增益Kc。因此，可以产生有利的响应。
图3对应于当进气量以步进方式增大以产生稀态排气时缸内量Qd、端口喷射量Qp、端口湿度以及空燃比的变化。这里，假设发动机的工作状态没有改变，除了以步进方式改变进气量之外，并且DI比r和基本喷射量Qall没有改变。假设DI比r为0.5。
在图3的(B)-(E)中，实线对应于基于比例运算的反馈修正值ΔQ只在缸内喷射量Qd和设置较高比率增益Kc的情况，其中缸内喷射量Qd为缸内喷射其110喷射的燃料量，而虚线对应于基于比例运算的反馈修正值ΔQ在缸内喷射量Qd和端口喷射量Qp反映以及设置较大比率增益Kc的情况，其中缸内喷射量Qd和端口喷射量Qp分别对应于缸内喷射器110和进气歧管喷射器120喷射的燃料量。
<实线表示的仅在缸内喷射量Qd的反馈修正>
如图3中的(A)所示，通过以步进方式增大进气量，空燃比传感器420检测的空燃比AF变大(产生稀态)，并且将ΔQ计算成为Kc(1)×|AF(TAG)-AF|。因为假设基本喷射量Qall和DI比r没有改变，缸内喷射量Qd通过反馈控制仅增大ΔQ，如图3中(B)的实线表示。
缸内喷射量Qd中的增大ΔQ不引起端口湿度的增大(进气歧管喷射器120喷射的端口喷射量Qp没有改变，如图3中(C)的实线表示，使得不改变端口湿度，如图3中(D)的实线表示)通过这样增大缸内喷射量Qd而产生浓态的排气事件表现出没有延迟时间，并且设置高比例增益Kc(1)。因此，空燃比迅速恢复到化学计量空燃比，如图3中(E)所示。
<虚线表示的缸内喷射量Qd和端口喷射量Qp的反馈修正>
如图3中的(A)所示，通过以步进方式增大进气量，空燃比传感器420检测的空燃比AF变大(产生稀态)，并且将ΔQ计算成为Kc(2)×|AF(TAG)-AF|。这里，成立Kc(1)＞Kc(2)。因为假设基本喷射量Qall和DI比r(＝0.5)没有改变，缸内喷射量Qd通过反馈控制仅增大ΔQ/2，如图3中(B)的虚线表示，端口喷射量Qp通过反馈控制仅增大ΔQ/2，如图3中(C)的虚线表示。
即使进气歧管喷射器120的端口喷射量Qp增大ΔQ/2，如图3中(C)的虚线所示，增大的燃料将粘附到进气歧管的壁上，直到端口湿度达到饱和，使得在饱和后仅ΔQ/2被引入到燃烧室中，如图3中(D)的虚线所示。因此，排气的浓态响应于端口喷射量Qp的增大而推迟，并且设置低比例增益Kc(2)。因此，空燃比不迅速回到化学计量比，如图3中(E)所示。换而言之，响应不是有利的。
由根据本发明实施例的发动机ECU所实现的控制设备将比例运算计算的反馈修正值仅反映在缸内喷射器的燃料喷射量中，而不反映在包括将比例增益乘以目标空燃比和检测的空燃比之间差值的比例运算的反馈控制***中的进气歧管喷射器中。因此，
可以避免防止在反馈控制中设置比例运算的高增益事件，其由将燃料喷射到进气歧管的进气歧管喷射器中的延迟时间引起的。因此，可以提高反馈控制中的响应。
此外，图4中所示的反馈控制***优点在于，消除稳态偏差和确保稳定控制。
图4中的反馈控制***称为PID控制。计算反馈修正值的调节单元的工作不仅包括比例(P)运算(P参数)，而且包括对应于消除稳态偏差运算的积分(I)运算(I参数)，还包括微分(D)运算(D参数)，用于避免由于引入积分运算的不稳定控制。
如图4中所示，上述运算中经积分运算(I参数)反映在基本喷射量Qall中。因为对应于进气歧管喷射器120的燃料喷射量的端口喷射量Qp从基本喷射量Qall计算，所以仅积分运算将反映在进气歧管喷射器120的燃料喷射量中。如图4中所示，比例运算(P参数)和微分运算(D参数)仅反映在缸内喷射量Qd中，缸内喷射量Qd为从缸内喷射器110喷射的燃料量。
因此，稳态偏差可以由积分运算消除，而不稳定控制可以通过加入积分运算而消除。因此，可以实现有利的响应和有利的稳定并且没有稳态偏差的反馈控制***。
在目标空燃比(AF(TAG))高于空燃比传感器420检测的空燃比AF的情况下，因为积分运算反映在基本喷射量Qall中，虽然燃料喷射量将增大，但是不仅缸内喷射量Qd而且端口喷射量Qp亦增大，因为积分运算反映在基本喷射量Qall中。在此阶段，如果积分运算不反映在基本喷射量Qall中，仅缸内喷射量Qd增大，而端口喷射量Qp不增大，使得喷射比会偏离基于发动机10的工作状态(发动机速度、低因子)计算的DI比r。但是，因为通过将积分运算反映在基本喷射量Qall中而增大端口喷射量Qp，所以可以减小DI比r中的偏差。
注意，比例运算(P参数)和微分运算(D参数)在稳态变为0。因此，优选地根据燃料喷射比分配积分运算(I参数)，以实现目标基本DI比r。
在根据本发明实施例的发动机ECU执行的控制设备中，根据对目标空燃比和检测的空燃比之间的差值空燃进行比例运算、积分运算和倒数运算的反馈控制***，比例运算和微分运算计算的反馈修正值仅反映在缸内喷射器的燃料喷射量中，并且积分运算计算的反馈修正值反映在进气歧管喷射器的燃料喷射量中。因此，除了避免在反馈控制中不能够为比例运算设置高增益的事件之外，可以通过积分运算消除稳态偏差，并且可以由微分运算确保控制***中的稳定性。还具有避免DI比r中较大偏差的优点。因此，可以提高反馈控制中的响应，同时避免DI比r中较大的偏差，消除稳态偏差并提高稳定性。
根据控制***的特性，可以基于从图3的框图中去掉微分(D)运算(D参数)的结构来构造涉及比例(P)运算(P参数)和积分(I)运算(I参数)的PI控制***。
<适于应用本控制设备的发动机(1)>
下面描述本控制设备可以适当应用到的发动机(1)。
参考图6和图7，将描述表示缸内喷射器110和进气歧管喷射器120之间的燃料喷射比率(下文，亦称为DI比率(r))，其是和发动机10工作状态相关的信息。映射图存储在发动机ECU300的ROM30中。图6是发动机10的暖态的映射图，而图7是发动机10的冷态的映射图。
在图6和图7的映射图中，为由发动机10的发动机速度和负载因子确定的每个工作区域设置DI比率r。“DI比率r＝100％”表示仅使用缸内喷射器110空燃燃料喷射的区域，而“DI比率r＝0％”表示仅使用进气歧管喷射器120空燃燃料喷射的区域。“DI比率r≠0％”、“DI比率r≠100％”以及“0％＜DI比率r＜100％”每个都表示使用缸内喷射器110及进气歧管喷射器120两者空燃燃料喷射的区域。总体而言，缸内喷射器110有助于提高动力性能，而进气歧管喷射器120有助于空气燃料混合气体的均匀化。根据发动机10的发动机速度及负载因子来适当地选择具有不同特性的这两种喷射器，由此在发动机10的正常工作状态(例如，怠速期间的催化剂预热状态为异常工作状态的一个示例)仅进行均匀燃烧。
此外，如图6及图7所示，分别定义发动机暖态及冷态的映射图中将缸内喷射器110与进气歧管喷射器120的DI比率r。设置上述映射图，以表明随着发动机10的温度改变缸内喷射器110与进气歧管喷射器120的不同的控制区域。当检测到的发动机10的温度等于或高于预定温度阈值时，就选择图6所示的暖态的映射图，否则就选择图7所示的冷态的映射图。根据发动机10的发动机速度及负载因子并基于所选择的映射图来控制缸内喷射器110和/或进气歧管喷射器120。
现将描述在图6及图7中设定的发动机10的发动机速度及负载因子。在图6中，设定NE(1)为2500rpm至2700rpm，设定KL(1)为30％至50％，并设定KL(2)为60％至90％。在图7中，设定NE(3)为2900rpm至3100rpm。即，NE(1)＜NE(3)。还适当地设定图6中的NE(2)及图7中的KL(3)及KL(4)。
当对比图6及图7时，图7所示的冷态的映射图的NE(3)高于图6所示的暖态的映射图的NE(1)。这表明，随着发动机10的温度的降低，进气歧管喷射器120的控制区域扩展以包含较高发动机速度的区域。即，在发动机10较冷的情况下，堆积物不太可能聚集在缸内喷射器110的喷射孔中(即使未从缸内喷射器110喷射燃料)。因此，可以扩展使用进气歧管喷射器120进行燃料喷射的区域以由此改进均匀性。
当对比图6及图7时，“DI比率r＝100％”位于暖态的映射图中发动机10的发动机速度为NE(1)或更高的区域中、以及位于冷态的映射图中发动机速度为NE(3)或更高的区域中。至于负载因子，“DI比率r＝100％”位于暖态的映射图中负载因子为KL(2)或更大的区域中、以及位于冷态的映射图中负载因子为KL(4)或更大的区域中。这意味着仅在预定高发动机速度的区域和预定高发动机负载的区域中使用缸内喷射器110。即，在高速度或高负载区域中，即使仅通过缸内喷射器110空燃燃料喷射，发动机10的发动机速度和负载很高并且进气量很充足，使得其易于在单独使用缸内喷射器110喷射燃料的情况下获得均匀的空气燃料混合气体。以此方式，在燃烧室内对从缸内喷射器110喷射的燃料利用汽化潜热(或通过从燃烧室吸收热量)进行雾化。因此，在压缩端空气燃料混合气体的温度会降低，由此改进防爆震性能。此外，因为燃烧室内的温度降低，故改进了进气效率，由此产生较高的动力。
在图6的暖态的映射图中，当负载因子为KL(1)或更小时，也仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射。这表明当发动机10的温度较高时在预定低负载区域中仅使用缸内喷射器110。当发动机10处于暖态时，堆积物容易在缸内喷射器110的喷射孔中积累。但是，当使用缸内喷射器110进行燃料喷射时，可以降低喷射孔的温度，由此防止堆积物的积累。此外，在确定其最小燃料喷射量的同时可防止阻塞缸内喷射器110。因此，在相关区域中仅使用缸内喷射器110。
当对比图6及图7时，仅在图7中冷态的映射图中存在“DI比率r＝0％”的区域。这表明当发动机10的温度较低时在预定低负载区域(KL(3)或更小)中仅使用进气歧管喷射器120进行燃料喷射。当发动机10较冷、负载较低、且进气量较小时，不太容易产生对燃料的雾化。在这样的区域中，难以通过缸内喷射器110的燃料喷射来确保合适的燃烧。此外，特别是在低负载低速区域中，不需要使用缸内喷射器110的高输出。因此，在相关区域中，仅使用进气歧管喷射器120而非缸内喷射器110来进行燃料喷射。
此外，在正常工作的其他工作中，或者在发动机10怠速期间的催化剂预热状态(异常工作状态)，控制缸内喷射器110以进行层状燃烧。通过仅在催化剂预热工作期间进行层状燃烧，可以促进对催化剂的预热，以改进排气排放。
<适于应用本控制设备的发动机(2)>
以下将描述在本实施例中适于应用控制设备的发动机(2)。在以下对发动机(2)的描述中，将不再重复与发动机(1)相同的结构。
参考图8及图9，将描述表明缸内喷射器110与进气歧管喷射120之间的燃料喷射比的映射图，其是与发动机10的工作状态关联的信息。映射图存储在发动机ECU 300的ROM 320中。图8示出了发动机10的暖态的映射图，而图9示出了发动机10的冷态的映射图。
图8及图10在以下数方面不同于图6及图7：在暖态的映射图中，在发动机10的发动机速度等于或高于NE(1)的区域中保持“DI比率r＝100％”，并且在冷态的映射图中，在发动机10的发动机速度等于或高于NE(3)的区域中保持“DI比率r＝100％”。此外，在暖态的映射图中，除了低速区域，在负载因子为KL(2)或更大的区域中保持“DI比率r＝100％”，并且在冷态的映射图中，除了低速区域，在负载因子为KL(4)或更大的区域中保持“DI比率r＝100％”。这意味着，在发动机速度处于预定较高水平的区域中仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射，而在发动机负载处于预定较高水平的区域中仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射。但是，在低速高负载区域中，对由缸内喷射器110喷射的燃料产生的空气燃料混合气体的混合较差，在燃烧室内这种不均匀的空气燃料混合气体会导致不稳定燃烧。因此，随着发动机速度升高(不太可能发生上述问题)，缸内喷射器110的燃料喷射比增大，而随着发动机负载降低(容易发生上述问题)，缸内喷射器110的燃料喷射比降低。通过图8及图9中的十字箭头来示出的DI比r的变化。以此方式，可以抑制因不稳定燃烧所导致的发动机输出转矩的改变。注意，这些方法基本等同于当发动机的状态朝向预定低速区域移动时降低缸内喷射器110的燃料喷射比的方法，或等同于当发动机10的状态朝向预定低负载区域移动时增大缸内喷射器110的燃料喷射比的方法。此外，除了上述区域(由图8及图9中的十字箭头表示)和仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射的区域中(于高速侧及低负载侧)之外，即使在仅使用缸内喷射器110进行燃料喷射时，也可以容易地获得均匀空气燃料混合气体。在此情况下，在燃烧室内利用汽化潜热(或，从燃烧室吸收热量)对从缸内喷射器110喷射的燃料进行雾化。因此，在压缩端空气燃料混合气体的温度会降低，由此改进防爆震性能。此外，因为燃烧室内的温度降低，故改进了进气效率，由此产生较高的动力输出。
在参考图6-图9描述的发动机10中，通过在进气行程设定缸内喷射器110的燃料喷射正时来实现均匀燃烧，同时通过在压缩行程对其进行设定来实现层状燃烧。即，当将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩行程中，可以将浓空气燃料混合气体围绕火花塞局部地布置，使得燃烧室内的稀的空气燃料混合气体总体被点燃以实现层状燃烧。即使将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在进气行程中，如果能够局部地围绕火花塞提供浓的空气燃料混合气体，还是可以实现层状燃烧。
如这里所使用的，层状燃烧包括层状燃烧及下述的半层状燃烧两者。在半层状燃烧中，进气歧管喷射器120在进气行程喷射燃料，以在燃烧室内部产生整体稀的均匀的空气燃料混合气体，缸内喷射器110然后在压缩行程喷射燃料，以围绕火花塞产生浓的空气燃料混合气体，由此改进燃烧状态。因为以下原因，这种半层状燃烧在催化剂预热工作中是优选的。在催化剂预热工作中，需要相当长时间地延迟点火正时并维持有利的燃烧状态(怠速状态)，由此使得高温燃烧气体到达催化剂。此外，必须供应特定量的燃料。如果采用层状燃烧以满足上述要求，燃料的量将不充足。如果采用均匀燃烧，为了维持有利的燃烧，延迟量相较于层状燃烧的情况较短。为此，尽管可采用层状燃烧和半层状燃烧中任一个，但优选地在催化剂预热工作中采用上述半层状燃烧。
此外，在结合图6-图9描述的发动机中，由于下述原因，优选地将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩行程中。注意，对于几乎整个基本区域中，将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在进气行程中(在这里，基本区域指除了使用在进气行程从进气歧管喷射器120的燃料喷射以及在压缩行程中从缸内喷射器110的燃料喷射进行半层状燃烧(仅在催化剂预热工作中进行)的区域之外的其他区域)。但是，因为以下原因，为了稳定燃烧，可临时地将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩行程中。
当在压缩行程中设定缸内喷射器110的燃料喷射正时时，在气缸的温度相对较高的同时，空气燃料混合气体被喷射燃料冷却。这改进了冷却效果，并由此改进了抗爆震性能。此外，当将缸内喷射器110的燃料喷射正时设定在压缩行程中时，从燃料喷射至点燃的时间较短，使得通过雾化提高了气流，导致燃烧率的提高。对抗爆震性能的改进以及对燃烧率的提高可避免燃烧变化，由此改进燃烧稳定性。
在非怠速模式中(当怠速开关切断，或当下压加速器踏板时)，可以使用图6或图8所示的暖态映射图，无论发动机的温度如何(独立于冷态或暖态)。换而言之，无论是否处于冷态还是暖态，可以在低负载区域使用缸内喷射器110。
虽然已经详细描述并解释本发明，但是应当清楚地理解该描述和解释仅为解释性和示例性，而非限制性，本发明的精神和范围仅由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸内的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管内的第二燃料喷射机构，所述控制设备包括：
喷射控制单元，其基于所述内燃机的需求状态来控制所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射；
检测单元，设置在所述内燃机的排气***处，用于检测排气的空燃比；以及
控制单元，用于基于检测的所述空燃比执行反馈控制，使得所述空燃比达到目标空燃比；
其中，当所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射时，所述控制单元仅对所述第一燃料喷射机构的燃料喷射量通过比例运算来执行反馈控制。
2.一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸内的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管内的第二燃料喷射机构，所述控制设备包括：
喷射控制单元，其基于所述内燃机的需求状态来控制所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射；
检测单元，设置在所述内燃机的排气***处，用于检测排气的空燃比；以及
控制单元，用于基于检测的所述空燃比执行比例积分微分反馈控制，使得所述空燃比达到目标空燃比；
其中所述控制单元执行反馈控制，使得比例运算和微分运算反映在所述第一燃料喷射机构的燃料喷射量中，并且积分运算反映在所述第二燃料喷射机构的燃料喷射量中。
3.根据权利要求2所述的用于内燃机的控制设备，其中，基于对应于所述第一燃料喷射机构与所述第二燃料喷射机构之间分担的燃料喷射比率，所述控制单元通过在所述第一燃料喷射机构的所述燃料喷射量与所述第二燃料喷射机构的所述燃料喷射量之间分配对应于所述积分运算的修正值来执行反馈控制。
4.一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括将燃料喷射到气缸内的第一燃料喷射机构以及将燃料喷射到进气歧管内的第二燃料喷射机构，所述控制设备包括：
喷射控制单元，其基于所述内燃机的需求状态来控制所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构，使得所述第一燃料喷射机构及所述第二燃料喷射机构分担燃料喷射；
检测单元，设置在所述内燃机的排气***处，用于检测排气的空燃比；以及
控制单元，用于基于检测的所述空燃比执行比例积分反馈控制，使得所述空燃比达到目标空燃比；
其中所述控制单元执行反馈控制，使得比例运算反映在所述第一燃料喷射机构的燃料喷射量中，并且积分运算反映在所述第二燃料喷射机构的燃料喷射量中。
5.根据权利要求4所述的用于内燃机的控制设备，其中，基于对应于所述第一燃料喷射机构与所述第二燃料喷射机构之间分担的燃料喷射比率，所述控制单元通过在所述第一燃料喷射机构的所述燃料喷射量和所述第二燃料喷射机构的所述燃料喷射量之间分配对应于所述积分运算的修正值来执行反馈控制。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于内燃机的控制设备，其中
所述第一燃料喷射机构是缸内喷射器；并且
所述第二燃料喷射机构是进气歧管喷射器。
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