CN101356353B - 根据离子电流判定内燃机的空燃比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种根据离子电流判定内燃机的空燃比的方法，用于检测在内燃机的燃烧室内每次点火时产生的离子电流，包括以下步骤：在产生离子电流的期间测量离子电流大于所设定的判定值的产生期间；计算用于根据多个所测量的产生期间来计算离子电流的产生期间的变动率的除数；通过在使所计算的除数增加的方向上进行加权来计算离子电流的产生期间的变动率；以及在所计算的变动率等于或大于预定值时判定为空燃比过高。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据离子电流判定内燃机的空燃比的方法，该方法利用每次点火时在燃烧室内产生的离子电流来判定安装在车辆等上的内燃机的空燃比。
背景技术
以往，在安装在机动车等车辆上的内燃机、即发动机中，存在发动机在空燃比高的状态(空燃混合气稀薄的状态)下运转、以提高燃料消耗和净化排出气体的倾向。在通过使空燃比稀来运转的发动机中，已知一种利用离子电流来判定燃烧状态以使空燃比尽可能稀的发动机。例如，在专利文献1所记载的结构中，测量点火后在发动机的燃烧室内产生的离子电流大于预定值的期间的离子电流的持续时间，在表示所测量的持续时间的变动的参数超过判定值的情况下，检测对应于产生转矩变动的界限下的空燃比的稀薄界限。
专利文献1：日本专利No.3150429
但是，在近年的研究中已经确认，如上所述表示离子电流的持续时间的变动的参数，例如变动率，与现有已知的在空燃比稀的情况下变动率变高的事实同样，在空燃比低的浓燃烧状态下变高。换言之，离子电流与燃烧状态相对应地产生，在燃烧状态好的情况下，持续时间的变动小，但是，由于燃烧状态与正常情况、即良好情况相比变得不好，因此持续时间的变动变高。
在空燃比浓的情况下，与空燃比稀的情况相反，燃烧中的燃料量过多，从而产生燃烧状态不好的情况。因此，离子电流的持续时间由于过多的燃料而变长，或者相反变得极短。因此，离子电流的持续时间的变动率变高。
如上所述，除了空燃比稀的情况以外，即使在空燃比浓的情况下，离子电流的持续时间的变动率也变高，因此在根据表示变动的参数超过判定值来判定空燃比的结构中，难以仅仅判定空燃比稀的情况。换言之，如果在离子电流的持续时间的变动率稀的情况下和在浓的情况下存在相同值，则难以判定空燃比稀的情况。另一方面，由于与稀空燃比的情况相比，浓空燃比的情况下的离子电流的持续时间的变动率较低，因此通过以不判定如上所述的浓空燃比的情况的方式将判定值设定得高，难以判定在变动率低的情况下的空燃比稀的状态。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述问题。
换言之，根据本发明，提供一种根据离子电流判定内燃机的空燃比的方法，用于检测在内燃机的燃烧室内每次点火时产生的离子电流，包括以下步骤：在产生离子电流的期间测量离子电流大于所设定的判定值的产生期间；计算用于根据多个所测量的产生期间来计算离子电流的产生期间的变动率的除数；通过在使所计算的除数增加的方向上进行加权来计算离子电流的产生期间的变动率；以及在所计算的变动率等于或大于预定值时判定为空燃比过高。
本发明应用了如下倾向：空燃比越高、空燃混合气越稀，产生离子电流的时间越短，以及空燃比越稀其平均值就相应地越小。通过利用根据多个产生期间计算得到的除数来除所测量的产生期间与其平均值之间的偏差，来计算离子电流的产生期间的变动率，并且在该计算的期间执行在除数增加的方向上进行加权的数值处理。
通过如上所述在计算产生期间的变动率时对除数进行数值处理，变动率可以强调产生期间的波动对除数的影响。换言之，通过执行数值处理，利用大于空燃比稀的情况下的除数的浓空燃比的情况下的除数而计算的变动率不强调。因此，大于预定值的变动率可以设定为空燃比过稀的情况下的变动率，并且可以提高判定空燃比稀的精度。
本发明的结构如上所述，能够通过强调产生期间的波动对除数的影响来提高判定空燃比稀的精度。而且，由于能够利用上述判定结果早期地检测出应该增加燃料量的内燃机的运转状态，因此有助于提高内燃机的运转控制性。
附图说明
图1是示出本发明实施方式的发动机的示意性结构的结构说明图。
图2是示出本实施方式的控制过程的流程图。
图3是示出本实施方式的燃烧状态不同的情况下的离子电流波形的曲线图。
图4是示出本实施方式的平均值和变动率相对于空燃比的倾向的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的一个实施方式。
图1中示意性地示出的发动机100是用于机动车的火花点火式四循环四气缸发动机，构成为响应于加速器踏板(未示出)而开关的节流阀2设置在吸气***1中，稳压箱3设置在节流阀2的下游侧。燃料喷射阀5还设置在与稳压箱3连通的一个端部附近，并且该燃料喷射阀5由电子控制设备6控制。吸气阀32和排气阀33设置在形成燃烧室30的气缸盖31中，形成用于产生火花和检测离子电流I的电极的火花塞18安装在气缸盖31上。另外，在排气***20中，用于测量排出气体中的氧浓度的O2传感器21安装在与直到***(未示出)的管路中设置的催化剂设备对应的三元催化剂22的上游位置上。这里，图1示出发动机100的一个气缸结构作为代表。
电子控制设备6主要由微机***构成，该微机***包括中央处理单元7、存储设备8、输入接口9、输出接口11和A/D转换器10。向输入接口9输入：从吸气压力传感器13输出的用于检测稳压箱3内的压力、即吸气管压力的吸气压力信号a；从凸轮位置传感器14输出的用于检测发动机100的转动状态的气缸判定信号G1、曲柄角基准位置信号G2和发动机转速信号b；从车辆速度传感器15输出的用于检测车辆速度的车辆速度信号c；从怠速开关16输出的用于检测节流阀2的打开和关闭状态的IDL信号d；从水温传感器17输出的用于检测发动机100的冷却水温的水温信号e；以及从上述的O2传感器21输出的电流信号h等。另一方面，燃料喷射信号f从输出接口11输出到燃料喷射阀5，点火脉冲g从输出接口11被输出到火花塞18。
用于测量离子电流I的偏置用电源24与火花塞18连接，用于测量离子电流的电路25连接在输入接口9与偏置电源24之间。离子电流检测***40由火花塞18、偏置电源24和离子电流测量电路25构成。偏置电源24构成为在点火脉冲g消失的时间点向火花塞18施加用于测量离子电流的测量电压(偏置电压)。而且，由于测量电压的施加而在燃烧室30的内壁与火花塞18的中央电极之间、以及在火花塞18的电极之间流动的离子电流I由离子电流测量电路25测量。偏置电源24和离子电流测量电路25可以应用本领域已知的各种结构。
在电子控制设备6中，安装有如下程序，该程序主要利用从吸气压力传感器13输出的吸气压力信号a和从凸轮位置传感器14输出的转速信号b，根据对应于发动机100的运转状态决定的各种修正系数来修正基本喷射时间(基本喷射量)，从而决定燃料喷射阀打开时间、即喷射器最终通电时间T，并根据该决定的通电时间来控制燃料喷射阀5，向吸气***1喷射对应于发动机负载的燃料。另外，对电子控制设备6进行编程，以如上所述控制发动机100的燃料喷射，检测每次点火时在燃烧室30内产生的离子电流I，测量所检测的离子电流大于预定值的期间，即离子电流的产生期间，并且根据所测量的离子电流的产生期间的变动率，判定空燃比过高，即稀(过稀)。
在上述结构中，空燃比判定程序按照下述过程执行。图2示出判定空燃比的过程。这里，在该空燃比判定程序中，设定与用于测量所检测的离子电流I的产生期间P的判定值对应的阈值水平SL，并且设定用于从变动率判定空燃比的状态的预定值。在这种情况下，可以通过从特定的一个气缸测量离子电流I的产生期间P，来执行空燃比判定程序，可以针对每个汽缸来执行，也可以将四个汽缸放在一起来执行。
首先，在步骤S1中，测量每次点火时离子电流I的产生期间P。离子电流I的产生期间P根据离子电流I大于阈值水平SL的时间或曲柄角来测量。所测量的离子电流I的产生期间P被临时存储在存储设备8中。所存储的离子电流I的产生期间P存在预定数量(多个)，用于计算其平均值(移动平均)。
通过在点火后向火花塞18施加测量电压而在燃烧室30内产生离子电流I。在正常燃烧状态下，如图3(a)所示，离子电流I在产生后快速流动，在上止点之前减少，然后随着时间经过再次增加，电流值在燃烧压力达到最大的曲柄角附近变成最大，其后逐渐减小，通常在膨胀冲程的结束附近消失。
在表示上述电流波形的电流I中，其产生期间P通过测量离子电流I的电流值或由该电流产生的电压大于阈值水平SL的期间来得到。在该情况下，利用从测量开始到测量结束的实际时间和曲柄角中的任意一个来测量离子电流I的产生期间P。例如从点火到膨胀冲程结束来设定测量离子电流I的产生期间P的测量期间，并且通过在测量期间测量离子电流I大于阈值水平SL的期间来设定离子电流I的产生期间P。这里，较低的阈值水平SL较好，但是，将阈值水平SL设定成大于检测离子电流I的情况下的噪声水平，从而防止离子电流I被错误地检测。
离子电流I利用燃烧状态来示出各种举动。例如，在理论空燃比附近的燃烧的情况下示出上述举动，但是，存在如下倾向：随着空燃比变高、即空燃比变稀，最大电流值变小，并且离子电流I的产生期间P根据燃料量而变短。另外，还存在离子电流I的产生期间P随着空燃比变浓而变长的倾向。而且，如果燃烧状态由于某种原因变得不好，则如图3(b)所示，会出现在离子电流I在测量期间消失和重新产生重复的情况。在这种情况下，产生离子电流I，将离子电流I的电流值超过阈值水平SL的期间(在图3(b)的情况下为P1和P2)相加，并将和设定为离子电流的产生期间P。
接着，在步骤S2中，根据包括此次测量并且被暂时存储在存储设备8中的离子电流I的产生期间P在内的、预定数量的离子电流I的产生期间P的移动平均，来计算平均值。由于离子电流的产生期间P如上所述随着空燃比而改变，因此，平均值相对于空燃比具有如图4所示的关系。该平均值根据离子电流I的产生期间P而波动，没有形成图4中的一点点划线所示的直线，但在图4中没有显示出波动，而是利用一点点划线示出如何相对于空燃比的变化而改变。在步骤S3中，计算此次所测量的离子电流I的产生期间P与通过计算得到的平均值的偏差，并且计算所得到的偏差的平均(以下称为偏差平均)。
在步骤S4中，将在步骤S2中计算的平均值提高到n次方。本实施方式通过将平均值提高到n次方来在使除数增加的方向上进行加权。在这种情况下，在对与在如上所述计算变动率的计算式中的除数对应的平均值进行加权时，在空燃比稀的运转状态下测量的离子电流I的产生期间P的平均值成为等于或大于1的正整数的情况下，如上所述将平均值提高到n次方，但是，如果平均值成为小于1的数值，则通过乘以n来提高平均值而进行加权。
在步骤S5中，根据下述式(1)来计算变动率。
变动率＝偏差平均/(平均值)n (1)
如图4所示，随着空燃比变稀，所计算的变动率变大，并且随着空燃比变浓而相应地变小。在根据式(1)计算变动率时，通过将平均值提高到n次方，例如即使在空燃比浓的情况和空燃比稀的情况之间得到同一偏差平均，除数在空燃比浓的情况下也大于空燃比稀的情况。因此，通过在计算变动率时的数值处理，空燃比浓的情况下的变动率变得更小，并且空燃比稀的情况下的变动率以被强调的状态被示出。
这里，图4中的虚线所示的曲线不是示出根据式(1)的变动率，而是示出在用平均值来除偏差平均的情况下的变动率。在通过用没有进行上述的数值处理的平均值来除偏差平均而得到的变动率中，存在变动率随着空燃比变浓而变大的倾向，并且即使空燃比变稀，变动率也仅达到通过本实施方式的计算而得到、并且低于变动率的值。
在步骤S6中，在步骤S5中得到的变动率等于或大于预定值DL的情况下，判定为空燃比过稀。预定值DL可以根据在实际空燃比过稀的发动机100的运转中通过试验确定的变动率来设定。
利用上述结构，除非在启动发动机100之后产生失火，测量在每个气缸中在每次点火时检测的离子电流I的产生期间P，计算产生期间的平均值、偏差和偏差平均，根据所计算的值并按照式(1)计算变动率，并且根据所计算的变动率来判定空燃比，因此，不管O2传感器21的状态如何，都能够判定空燃比的过稀。换言之，如果启动了发动机100的运转，则即使在冷启动等O2传感器21还未激活的状态下，也可以判定空燃比过稀。因此，在判定空燃比过稀的状态的情况下，可以根据判定结果来控制燃料量使之增加，并且在将空燃比控制得稀的情况下，可以维持适当的运转状态，直到产生转动变动、转矩变动等。
而且，可以通过适当地控制空燃比来减少排出气体中包含的环境污染物的量。因此，与O2传感器21同样，即使在催化剂没有被激活的启动时等的运转状态下，也可以在不减少排出气体的排放的情况下，在空燃比稀的状态下使发动机100运转。
应注意的是，本发明不限于上述实施方式。
在统计学上的变动系数(通过用平均值来除标准偏差而得到的商)的计算中，可以通过在使计算中的除数增加的方向上进行加权来计算离子电流I的产生期间P的变动率。即使在这种情况下，加权可以是将除数提高到n次方或者将除数乘以n。而且，在上述实施方式中，除数采用通过移动平均得到的平均值，但是，可以通过将多个离子电流I的产生期间P相加来得到。
另外，每个部分的具体结构不限于上述实施方式，可以在本发明的范围内进行各种变更。
工业实用性
本发明可以广泛应用于在安装在包括机动车在内的车辆等上的火花点火式内燃机中，在燃烧开始之后利用火花塞产生离子电流的结构。而且，在上述内燃机中，可以判定空燃比过稀。结果，通过早期地检测出应该增加燃料量的内燃机的运转状态，可以将内燃机维持在适当的运转状态。
Claims (1)
1.一种根据离子电流判定内燃机的空燃比的方法，用于检测在内燃机的燃烧室内每次点火时产生的离子电流，包括以下步骤：
在产生离子电流的期间测量离子电流大于所设定的判定值的产生期间；
根据多个所测量的产生期间来计算用于计算离子电流的产生期间的变动率的除数；
通过在使所计算的除数增加的方向上对所计算的除数进行加权，并且利用该加权后的除数来除离子电流的产生期间的标准偏差，或者利用该加权后的除数来除本次测量的产生期间与产生期间的平均值的偏差的平均，来计算离子电流的产生期间的变动率；以及
在所计算的变动率等于或大于预定值时判定为空燃比过高。
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