CN107448307A - 用于内燃机的废气控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于内燃机的废气控制装置及其控制方法。其中，用于内燃机的废气控制装置包括：估计单元，其被配置成在催化剂再生控制的执行期间，基于所获取的内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的稀空燃比与浓空燃比之间的差来估计催化剂的温度；确定单元，其被配置成在催化剂再生控制的执行期间，确定所估计的催化剂的温度是否高于阈值；以及禁止单元，其被配置成在催化剂再生控制的执行期间，当确定所估计的催化剂的温度高于阈值时禁止催化剂再生控制。

Description

用于内燃机的废气控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及用于内燃机的废气控制装置及其控制方法。

背景技术

已知通过将内燃机的多个汽缸中的一个汽缸的目标空燃比设置成浓空燃比并且将其他汽缸的目标空燃比设置成稀空燃比的所谓抖动控制来提高催化剂的温度的技术(例如，参见日本专利申请公开号No.9-088663(JP 9-088663 A))。

发明内容

可以考虑通过将催化剂的温度提高至高于通过上述技术来激活催化剂的温度范围的温度范围，使催化剂再生。

在此，将上述技术中被设置为目标空燃比的浓空燃比和稀空燃比设置成取决于内燃机的工作状态而变化以减小对驾驶性能的影响。于是，在执行使催化剂再生的控制时，存在以下可能：催化剂的温度将根据内燃机的工作状态或设置的浓空燃比和稀空燃比而过度增加，超过对于使催化剂再生所必需的温度范围。

因此，本发明提供了一种用于内燃机的废气控制装置及其控制方法，其中，废气控制装置抑制在将一个汽缸的目标空燃比设置成浓空燃比并且将其他汽缸的目标空燃比设置成稀空燃比的催化剂再生控制的执行期间的催化剂温度的过度增加。

上述问题可以由用于内燃机的废气控制装置解决，该废气控制装置包括：催化剂，其被配置成净化从内燃机的多个汽缸排放的废气；获取单元，其被配置成获取内燃机的工作状态；控制单元，其被配置成执行催化剂再生控制，催化剂再生控制包括以下控制：通过将多个汽缸中的至少一个汽缸的目标空燃比设置成低于化学计量空燃比的浓空燃比并且将多个汽缸中的其他汽缸的目标空燃比设置成高于化学计量空燃比的稀空燃比，提高催化剂的温度以使催化剂再生；估计单元，其被配置成在催化剂再生控制的执行期间，基于所获取的内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的稀空燃比与浓空燃比之间的差来估计催化剂的温度；确定单元，其被配置成在催化剂再生控制的执行期间，确定所估计的催化剂的温度是否高于阈值；以及禁止单元，其被配置成在催化剂再生控制的执行期间，当确定所估计的催化剂的温度高于阈值时，禁止催化剂再生控制。本发明的方面可以如下进行限定。一种用于内燃机的废气控制装置，该废气控制装置包括：催化剂，其被配置成净化从内燃机的多个汽缸排放的废气；以及电子控制单元，其被配置成，i)获取内燃机的工作状态，ii)执行催化剂再生控制，催化剂再生控制包括以下控制：通过将多个汽缸中的至少一个汽缸的目标空燃比设置成低于化学计量空燃比的浓空燃比并且将多个汽缸中的其他汽缸的目标空燃比设置成高于化学计量空燃比的稀空燃比，提高催化剂的温度以使催化剂再生；iii)在催化剂再生控制的执行期间，基于所获取的内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的稀空燃比与浓空燃比之间的差来估计催化剂的温度；iv)在催化剂再生控制的执行期间，确定估计的催化剂的温度是否高于阈值；以及v)在催化剂再生控制的执行期间，当电子控制单元确定估计的催化剂的温度高于阈值时，禁止催化剂再生控制。一种针对用于内燃机的废气控制装置的控制方法，该废气控制装置包括被配置成净化从内燃机的多个汽缸排放的废气的催化剂，控制方法包括：i)获取内燃机的工作状态；ii)执行催化剂再生控制，催化剂再生控制包括以下控制：通过将多个汽缸中的至少一个汽缸的目标空燃比设置成低于化学计量空燃比的浓空燃比并且将多个汽缸中的其他汽缸的目标空燃比设置成高于化学计量空燃比的稀空燃比，提高催化剂的温度以使催化剂再生；iii)在催化剂再生控制的执行期间，基于所获取的内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的稀空燃比与浓空燃比之间的差来估计催化剂的温度；iv)在催化剂再生控制的执行期间，确定所估计的催化剂的温度是否高于阈值；以及v)在催化剂再生控制的执行期间，当电子控制单元确定所估计的催化剂的温度高于阈值时，禁止催化剂再生控制。

在催化剂再生控制的执行期间，基于内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的稀空燃比与浓空燃比之间的差的大小来准确估计催化剂的温度。当估计的催化剂的温度高于阈值时，禁止催化剂再生控制并且从而抑制催化剂的温度的过度增加。

在催化剂再生控制的执行期间，禁止单元可以被配置成当确定所估计的催化剂的温度高于阈值时在预定时段内禁止催化剂再生控制。

根据本发明，可以提供一种用于内燃机的废气控制装置，该废气控制装置抑制在将一个汽缸的目标空燃比设置成浓空燃比并且将其他汽缸的目标空燃比设置成稀空燃比的催化剂再生控制的执行期间催化剂的温度的过度增加。

附图说明

下文将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记指示相同的元素，以及在附图中：

图1是示意性地示出废气控制装置的配置的图；

图2是示出由ECU执行的再生禁止控制的示例的流程图；

图3A和图3B是示出催化剂温度图的示例的图；

图4是示出再生禁止控制的示例的时间图；

图5是示出由ECU执行的再生禁止控制的修改示例的流程图；以及

图6是示出再生禁止控制的修改示例的时间图。

具体实施方式

图1是示意性地示出废气控制装置1(用于内燃机的废气控制装置)的配置的图。如图1所示，废气控制装置1包括净化内燃机20的废气的三元催化剂31。内燃机20使空气燃料混合物在气缸体21的燃烧室23中燃烧以使得活塞24往复运动。内燃机20是直列四缸汽油发动机，但是其不限于此，只要其包括多个缸即可，例如其可以为柴油发动机。

在内燃机20的汽缸盖处针对每个汽缸设置了打开和关闭进气口的进气门Vi以及打开和关闭排气口的排气门Ve。针对每个汽缸，点燃燃烧室23中的空气燃料混合物的火花塞27附接至气缸盖的顶部。

每个汽缸的进气口经由每个汽缸的支管连接至稳压罐(surge tank)18。进气管10连接至稳压罐18的上游侧，以及空气过滤器19布置在进气管10的上游端。进气管10设置有检测进气的量的气流计15以及从上游侧接着的电子控制的节流阀13。

在每个汽缸的进气口处安装有将燃料注入进气口的喷射器12。从喷射器12注入的燃料与进气混合，形成空气燃料混合物，并且当进气口Vi打开时空气燃料混合物被吸入燃烧室23，被活塞24压缩，并且被火花塞27点燃并燃烧。

另一方面，每个汽缸的排气口经由每个汽缸的支管连接至排气管30。排气管30中设置有三元催化剂31。三元催化剂31具有氧气吸收(occlusion)能力并且净化NOx、HC和CO。在三元催化剂31中，一个或更多个催化层形成于堇青石等的基底上——特别是蜂巢状基底上，其中，一个或更多个催化层包括催化剂载体例如氧化铝(Al₂O₃)以及由催化剂载体承载的催化剂金属例如铂(Pt)、钯(Pd)或铑(Rh)。三元催化剂31是净化从内燃机20的多个汽缸排放的废气的催化剂的示例并且可以是氧化催化剂或涂覆有氧化催化剂的汽油微粒过滤器。

在三元催化剂31的上游安装检测废气的空燃比的空燃比传感器33。空燃比传感器33是所谓的广域空燃比传感器，其可以连续检测在相对广的区域上的空燃比并且输出与空燃比成比例的值的信号。

废气控制装置1包括电子控制单元(ECU)50。ECU 50包括中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和存储单元。ECU 50通过执行存储于ROM或存储单元中的程序来执行各种类型的控制。ECU 50执行下文描述的再生禁止控制。再生禁止控制通过ECU 50的获取单元、控制单元、估计单元、确定单元和禁止单元被执行，其中，所述获取单元、控制单元、估计单元、确定单元和禁止单元通过CPU、ROM和RAM在功能上进行实现。细节将在下文描述。

火花塞27、节流阀13和喷射器12等电连接至ECU 50。除了气流计15之外，空燃比传感器33、检测内燃机20的曲柄角的曲柄角传感器25、检测加速器开度的加速器开度传感器11或各种其他传感器经由未示出的模拟数字转换器等电连接至ECU 50。ECU 50基于各个传感器的检测值来控制火花塞27、节流阀13、喷射器12等以获取期望输出功率，并且控制点火时间、注入燃料的量、燃料注入时间、节流阀开度等。

下面将描述通过ECU 50来设置目标空燃比。在不执行下文描述的催化剂再生控制的正常状态下，基于正常空燃比图来设置目标空燃比，其中，正常空燃比图基于内燃机20的发动机转速和发动机负荷。正常空燃比图通过实验提前获得，并且存储于ECU 50的ROM中。

例如，在低转速且低负荷区域中将目标空燃比设置成化学计量空燃比，而在高转速且高负荷区域中将目标空燃比设置成与化学计量空燃比更浓。当设置了目标空燃比时，注入每个汽缸中的燃料的量被反馈控制，使得由空燃比传感器33检测到的空燃比达到目标空燃比。可以使用计算公式而不是正常空燃比图来计算基于发动机转速和发动机负荷的目标空燃比。

ECU 50可以执行以下的催化剂再生控制：通过将三元催化剂31的温度提高到预定温度范围内来移除沉积在三元催化剂31上的硫化物(SO_X)以使三元催化剂31的净化能力再生。在催化剂再生控制中，执行所谓的抖动控制：将多个汽缸中的一个汽缸的目标空燃比设置成低于化学计量空燃比的浓空燃比并且将其他三个汽缸中的目标空燃比设置成高于化学计量空燃比的稀空燃比。将所有汽缸的目标空燃比的平均值设置成化学计量空燃比。

类似地，基于再生空燃比图来设置催化剂再生控制中的目标空燃比，其中，再生空燃比图基于发动机转速和发动机负荷。再生空燃比图通过实验提前获得，并且存储于ECU50的ROM中。例如，将浓空燃比设置成范围从9至12，并且将稀空燃比设置成范围从15至16。当发动机转速和发动机负荷变大时，将浓空燃比设置得更小并且将稀空燃比设置得更大。

基于再生空燃比图被设置为目标空燃比的浓空燃比和稀空燃比被设置成取决于内燃机20的发动机转速和发动机负荷的在对驾驶性能的影响较小的范围内的变量。可以使用计算公式而不是再生空燃比图来计算基于发动机转速和发动机负荷的催化剂再生控制中的目标空燃比。在怠速工作状态下或当加速器开度为零时不执行催化剂再生控制。

当如上所述执行催化剂再生控制时，从目标空燃比被设置成浓空燃比的汽缸排放的剩余燃料附着于三元催化剂31并且由于以稀空燃比排放的废气而在贫乏气氛(leanatmosphere)中燃烧。因此，三元催化剂31的温度升高以移除SO_X。

然而，在三元催化剂31被保持在较高温度的催化剂再生控制的执行期间，存在以下可能：三元催化剂31的温度根据内燃机20的工作状态或被设置为目标空燃比的浓空燃比和稀空燃比而过度增加，超过了对于再生所必要的温度范围。因此，ECU 50在催化剂再生控制的执行期间，执行禁止催化剂再生控制的再生禁止控制。

图2是示出由ECU 50执行的再生禁止控制的示例的流程图。图2所示的控制按照预定周期被反复执行。ECU 50确定是否正在执行催化剂再生控制(步骤S1)并且该控制在确定结果为否定时结束。

当步骤S1中的确定结果为肯定时，ECU 50获取内燃机20的发动机转速和发动机负荷(步骤S3)。具体地，基于来自曲柄角传感器25的输出值来获取发动机转速，以及基于来自加速器开度传感器11的输出值来获取发动机负荷。步骤S3的处理是由获取内燃机20的工作状态的获取单元执行的处理的示例。

然后，ECU 50获取在催化剂再生控制中被设置为目标空燃比的稀空燃比与浓空燃比之间的差的大小作为空燃比差(步骤S5)。具体地，获取通过从稀空燃比中减去浓空燃比而获得的值作为空燃比差。可以获取通过从浓空燃比中减去稀空燃比而获得的值的绝对值作为空燃比差。

然后，ECU 50估计三元催化剂31的温度(步骤S7)。具体地，基于催化剂温度图来估计三元催化剂31的温度，其中，催化剂温度图基于获取的发动机转速、获取的发动机负荷和空燃比差。催化剂温度图通过实验提前获得并且存储于ECU 50的ROM中。步骤S7的处理是由估计单元执行的处理的示例，其中，在催化剂再生控制的执行期间，估计单元基于获取的内燃机20的工作状态以及被设置为目标空燃比的稀空燃比和浓空燃比之间的差的大小来估计三元催化剂31的温度。

图3A和图3B示出催化剂温度图的示例。水平轴表示发动机转速，垂直轴表示发动机负荷，以及示出了多个等温线。图3A示出了在空燃比差相对较大时的催化剂温度图，以及图3B示出了在空燃比差相对较小时的催化剂温度图。在此，温度T1至T6从温度T1增加至温度T6。

如图3A和图3B所示，在发动机转速和发动机负荷恒定的条件下当空燃比差变得较大时，三元催化剂31的温度被估计得较高。可以基于催化剂温度图来准确估计在催化剂再生控制的执行期间三元催化剂31的温度。可以使用计算公式而不是催化剂温度图来基于发动机转速、发动机负荷和空燃比差来估计三元催化剂31的温度。

然后，ECU 50确定估计的三元催化剂31的温度是否高于阈值(步骤S9)并且该控制在确定结果为否定时结束。阈值是用于确定三元催化剂31的温度是否过度增加的值，该阈值被设置为稍小于三元催化剂31的耐热上限温度的值并且例如为900度，但不限于此。步骤S9的处理是由确定单元执行的处理的示例，其中，在催化剂再生控制的执行期间，确定单元确定估计的三元催化剂31的温度是否高于阈值。

当步骤S9中的确定结果为肯定时，ECU 50禁止催化剂再生控制(步骤S11)。在催化剂再生控制被禁止的时段中，所有汽缸的目标空燃比被设置成相同。具体地，基于在步骤S3中获取的发动机转速和发动机负荷，基于在正常工作中使用的正常空燃比图来设置目标空燃比。因此，抑制了三元催化剂31的温度的过度增加。在催化剂再生控制被禁止的时段中，所有汽缸的目标空燃比均可以被设置成化学计量空燃比。步骤S9的处理是由禁止单元执行的处理的示例，其中，当在催化剂再生控制的执行过程中确定估计的三元催化剂31的温度高于阈值时，禁止单元禁止催化剂再生控制。

下面将参照时间图来描述再生禁止控制。图4是示出再生禁止控制的示例的时间图。在图4中，示出了以下波形：所述波形指示车辆速度、怠速确定标记、发动机转速、发动机负荷、估计的三元催化剂31的温度、催化剂再生执行标记、目标空燃比被设置成稀空燃比的汽缸中的目标空燃比以及目标空燃比被设置成浓空燃比的汽缸中的目标空燃比。在图4中，为了易于理解，在不执行催化剂再生控制的时段中同样示出了估计的三元催化剂31的温度。

催化剂再生执行标记在时间t1处于关闭状态，并且当在时间t2发出催化剂再生请求时催化剂再生执行标记被开启。于是，ECU 50执行催化剂再生控制：将一个汽缸中的目标空燃比设置成浓空燃比并且将其他汽缸中的目标空燃比设置成稀空燃比。

当怠速确定标记在时间t3被开启时，确定发动机10处于怠速工作状态下并且关闭催化剂再生执行标记以停止催化剂再生控制——即使发出了催化剂再生请求也如此。当怠速确定标记在时间t4被关闭时，确定发动机10离开怠速工作状态并且开启催化剂再生执行标记以再次执行催化剂再生控制。当怠速确定标记在时间t5再次被开启时，关闭催化剂再生执行标记以停止催化剂再生控制。

当怠速确定标记在时间t6被关闭时，开启催化剂再生执行标记以再次执行催化剂再生控制。当稀空燃比和浓空燃比之间的空燃比差在时间t6之后增大并且估计的三元催化剂31的温度在时间t7变得高于阈值时，在预定时段期间关闭催化剂再生执行标记以禁止催化剂再生控制。此后，怠速确定标记在时间t8被开启并且估计的三元催化剂31的温度进一步降低。

因为如上所述在催化剂再生控制的执行期间禁止催化剂再生控制，所以三元催化剂31的温度降低并且温度的过度增加受到抑制。相应地，可以降低三元催化剂31由于热而退化的可能性。当催化剂再生控制被禁止时，在该行程中保持禁止催化剂再生控制的状态直到点火钥匙被关闭为止。于是，当在下一次出行中预定条件被满足时，可以执行催化剂再生控制以移除沉积在三元催化剂31上的硫化物。

代替如在上述技术中估计三元催化剂31的温度，可以考虑使用温度传感器来直接测量三元催化剂31的温度或者使用布置在三元催化剂31的上游和下游的温度传感器基于检测到的温度之间的差来估计三元催化剂31的温度。然而，在该情况下，存在部件数目增加的可能性。在该实施方式中，因为可以不使用这样的温度传感器来估计三元催化剂31的温度，所以可以抑制部件数目的增加。

下面将描述再生禁止控制的修改示例。图5是示出由ECU 50执行的再生禁止控制的修改示例的流程图。图6是示出再生禁止控制的修改示例的时间图。步骤S1、S3、S5、S7和S9的处理与图2所示的再生禁止控制中的处理相同，因此将不再重复描述。在从时间t1到时间t7的时段中的工作状态例如发动机转速是相同的，因此将不再重复描述。

如图5所示，当步骤S9中的确定结果是肯定时，ECU 50在预定时段中禁止催化剂再生控制(步骤S11a)。预定时段是适合于抑制三元催化剂31的温度的过度增加的时段，预定时段通过实验提前获取并且存储于ECU 50的ROM中。预定时段的范围例如从500ms至1500ms，但是不限于此。当催化剂再生控制被禁止的时段过去了时，响应于催化剂再生请求而再次执行催化剂再生控制。

如图6所示，在从催化剂再生控制被禁止的时间t7开始的预定时段过去的时间t7’处，解除对催化剂再生控制的禁止，开启催化剂再生执行标记，并且再次执行催化剂再生控制。当怠速确定标记此后在时间t8被开启时，催化剂再生执行标记被关闭并且催化剂再生控制停止。

通过以该方式在预定时段禁止催化剂再生控制可以抑制三元催化剂31的温度的过度增加，当预定时段过去之后对催化剂再生控制的禁止被解除时，三元催化剂31的温度再次增加，因此可以尽可能早地移除沉积在三元催化剂31上的硫化物。

催化剂再生控制被禁止的预定时段不限于上述示例。例如，催化剂再生控制被禁止的预定时段可以是直到在催化剂再生控制被禁止之后怠速工作标记被开启为止的时段。在怠速工作标记被开启的状态下，催化剂再生执行标记如上所述被关闭。于是，当催化剂再生控制被禁止之后工作状态变成怠速工作状态时，实际上可以在工作状态从怠速工作返回之后才执行催化剂再生控制。催化剂再生控制被禁止的预定时段可以是直到催化剂再生控制被禁止之后加速器开度变为零为止的时段。在该情况下，因为不在加速器开度为零的状态下执行催化剂再生控制，所以实际上可以在加速器开度变成零以外的值之后才执行催化剂再生控制。

虽然上面已经详细描述了本发明的示例性实施方式，但是本发明并不限于该特定示例性实施方式，而是可以以各种形式进行修改且不会偏离所附权利要求中描述的本发明的要旨。

在上述实施方式中，描述了直列四缸发动机作为内燃机的示例，但是可以采用包括用于每个排(bank)的催化剂的V型多缸发动机。在该情况下，在催化剂再生控制中，将每个排中的一个汽缸的目标空燃比设置成浓空燃比，将其他汽缸中的目标空燃比设置成稀空燃比，并且针对每个排来执行催化剂再生控制。

Claims (3)

1.一种用于内燃机的废气控制装置，所述废气控制装置的特征在于包括：

催化剂，所述催化剂被配置成净化从所述内燃机的多个汽缸排放的废气；以及

电子控制单元，所述电子控制单元被配置成：

i)获取所述内燃机的工作状态，

ii)执行催化剂再生控制，所述催化剂再生控制包括以下控制：通过将所述多个汽缸中的至少一个汽缸的目标空燃比设置成低于化学计量空燃比的浓空燃比并且将所述多个汽缸中的其他汽缸的目标空燃比设置成高于所述化学计量空燃比的稀空燃比，提高所述催化剂的温度以使所述催化剂再生，

iii)在所述催化剂再生控制的执行期间，基于所获取的所述内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的所述稀空燃比与所述浓空燃比之间的差来估计所述催化剂的温度，

iv)在所述催化剂再生控制的执行期间，确定所估计的所述催化剂的温度是否高于阈值，以及

v)在所述催化剂再生控制的执行期间，当所述电子控制单元确定所估计的所述催化剂的温度高于所述阈值时，禁止所述催化剂再生控制。

2.根据权利要求1所述的废气控制装置，其特征在于：

所述电子控制单元被配置成在所述催化剂再生控制的执行期间，当所述电子控制单元确定所估计的所述催化剂的温度高于所述阈值时，在预定时段中禁止所述催化剂再生控制。

3.一种针对用于内燃机的废气控制装置的控制方法，所述废气控制装置包括被配置成净化从所述内燃机的多个汽缸排放的废气的催化剂，所述控制方法的特征在于包括：

i)获取所述内燃机的工作状态；

ii)执行催化剂再生控制，所述催化剂再生控制包括以下控制：通过将所述多个汽缸中的至少一个汽缸的目标空燃比设置成低于化学计量空燃比的浓空燃比并且将所述多个汽缸中的其他汽缸的目标空燃比设置成高于所述化学计量空燃比的稀空燃比，提高所述催化剂的温度以使所述催化剂再生；

iii)在所述催化剂再生控制的执行期间，基于所获取的所述内燃机的工作状态以及被设置为目标空燃比的所述稀空燃比与所述浓空燃比之间的差来估计所述催化剂的温度；

iv)在所述催化剂再生控制的执行期间，确定所估计的所述催化剂的温度是否高于阈值；以及

v)在所述催化剂再生控制的执行期间，当所述电子控制单元确定所估计的所述催化剂的温度高于所述阈值时，禁止所述催化剂再生控制。