内燃机废气排放控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种内燃机排气控制装置，更具体地说是涉及一种在发动机刚起动后就促进催化作用并通过催化剂的早期活化提高排放控制性能的排气控制装置。
背景技术
包括例如THC(全部HC)等的在催化剂还未被活化的冷起动中从发动机排出的有害成分占发动机各种运行模式下产生的THC总排放量的相当大的百分比。因此，众所周知，重要的是在冷起动中采取提高排放控制性能的措施。可达到上述目标的措施之一是发动机刚起动后首先通过特征为发动机排放废气(尤其是HC)浓度低且允许燃烧波动的开环(后文简称为O/L)控制将废气空气-燃料比在富侧设为基本稳定值的方法。当之后O2传感器被激活时，将开环控制转换为用于根据来自O2传感器的输出获得理论空气-燃料比的反馈控制(后文称为O2-F/B控制)。
然而，该方法具有排放控制性能很受三向催化剂的贵金属支持量影响的缺点。该缺点在O/L控制向O2-F/B控制的转换过程中尤为明显。当贵金属支持量减少时，排放控制性能大幅度下降。如果贵金属支持量短缺，则该常规方法不能提供令人满意的排放控制性能。相反，如果为确保令人满意的排放控制性能而增加贵金属支持量，则会引起其它问题，包括成本提高，由于催化能力增加而导致的压降增加等。
同时，一种实施用于抑制发动机刚起动后有害成分的排放的目的的空气-燃料比强制调制的技术已被提出(例如可见日本专利第3392197号)。该强制调制是使发动机的废气空气-燃料比以给定的振幅在富和稀方向之间交替地强制波动的控制。根据上述公报中公开的技术，强制调制在冷起动时实行，并且在富方向上的调制过程中在催化剂上发生还原反应。同时，在稀方向上的调制过程中在催化剂上发生氧化反应。这样就促进催化剂温升并提高排放控制性能。
根据该公报中公开的技术，强制调制在O2传感器被激活后转换至常规的O2-F/B控制。然而，考虑到空气-燃料比的波动在转换完成之后还要持续一段时间的阻碍废气空气-燃料比向理论空气-燃料比的快速靠近(即，在催化剂窗口内)的现象，强制调制过程中废气空气-燃料比的振幅与和催化剂的活化状态相关的发动机水温的升高成比例地减小。这样就加强了向O2-F/B控制转换时向理论空气-燃料比的靠近。
然而，在该公报中公开的技术中，废气空气-燃料比的振幅被设置，将最高优先权赋予从强制调制向O2-F/B控制的转换能力。因此，很难说该设置对于加速催化剂的温升，即对于由于早期活化而获得的排放控制性能的提高是合适的。
换言之，由强制调制引起的发生在催化剂上的还原及氧化反应与随废气提供至催化剂上的CO和O2的数量紧密相关。因此，除非该提供量被合适地控制，否则不可能实现合适的还原及氧化反应，即温升的充分加速。该公报中公开的技术仅在向O2-F/B控制的转换的前提下控制废气空气-燃料比的振幅。因此不可能在强制调制过程中向催化剂提供足够数量的CO和O2。这样会导致排放控制性能无法通过催化剂温升的加速而提高。
【发明内容】
本发明的提出是为了解决上述问题。本发明的目标是提供一种内燃机废气排放控制装置，该装置能够通过在后发动机起动(post-engine-start)O2-F/B控制开始之前实施强制调制的步骤提高排放控制性能，适当地控制废气空气-燃料比的调整状态以向催化剂提供足够数量的CO和O2，以及通过催化剂温升的加速获得早期活化而与催化剂的贵金属的支持量无关。
为了达到上述目标，本发明具有置于内燃机排气通道中的催化剂，置于排气通道中位于催化剂上游的空气-燃料比探测装置，根据空气-燃料比探测装置的输出实行反馈控制使内燃机的实际空气-燃料比靠近目标空气-燃料比的反馈控制装置，和在内燃机起动之后反馈控制装置运行之前运行并在稀空气-燃料比和富空气-燃料比之间强制波动流向催化剂的排气的空气-燃料比的用于控制空气-燃料比波动的装置。该用于控制空气-燃料比波动的装置根据催化剂进口处的排气中的CO和O2浓度均高于反馈控制装置运行时的浓度确定的周期和振幅运行。
结果，废气空气-燃料比在后发动机起动反馈控制开始之前被强制波动，并且此时废气空气-燃料比波动的振幅和周期设置成使排气中的CO和O2浓度均高于反馈控制期间的浓度。这样可以使足够数量的CO和O2提供到催化剂上。而且，通过加速催化剂的温升而不增加催化剂的贵金属支持量可获得早期活化。因此可提高排放控制性能。
最好将由用于控制空气-燃料比波动的装置引起的波动振幅设置为大于反馈控制装置运行期间的振幅。
因此，当废气空气-燃料比由于用于控制空气-燃料比波动的装置发生波动时，波动振幅被设置为比反馈控制装置运行期间的振幅更高。因此，更加足够数量的CO和O2被提供到催化剂上，并且温升能够被加速。
最好将由用于控制空气-燃料比波动的装置引起的波动的振幅设置为在富空气-燃料比侧比在稀空气-燃料比侧更大。
为了快速清除稀周期内由贵金属部分吸收的O2并加强贵金属的活性，理想的是提供浓度高于O2浓度的还原气体(CO，H2及HC)。在该情形下，所述振幅设置成在富空气-燃料比一侧比稀空气-燃料比一侧更高，以使提供至催化剂进口的CO浓度升高。因此，由于稀/富调制，与O2共存的状况相比，反应(氧化)热更容易产生，催化剂的温升能被进一步加速。
最好将由用于控制空气-燃料比波动的装置引起的波动的周期设置为在富空气-燃料比侧比在稀空气-燃料比侧更短。
有两种不同的情况，由于催化剂的储氧能力，允许稀阶段一定的持续时间。另一方面，如果高浓度的CO和HC持续流入催化剂，并且然后超过催化剂储氧能力维持还原气氛，则催化剂的贵金属的活性下降。通过将废气空气-燃料比的波动周期设置为在富空气-燃料比一侧比稀空气-燃料比一侧更短，两个条件均得到满足，催化剂的温升得到有效加速。
如果由用于控制空气-燃料比波动的装置引起的波动的振幅设置为在富空气-燃料比侧比在稀空气-燃料比侧更大，则可以在催化剂进口处的O2和CO浓度同时升高后快速清除由贵金属部分吸收的O2并加强贵金属的活性。
【附图说明】
下文将参考附图介绍本发明的实质及本发明的其它目标和优点，其中所有附图中相同的参考字符标于相同或相似的部分上。
图1是显示发动机及其根据本发明的实施例的废气排放控制装置的整体结构的示意图；
图2是显示由于强制调制过程中废气空气-燃料比的振幅不同引起的CO和O2浓度变化的特性图；
图3是显示由ECU实施的起动排放控制程序的流程图；
图4是显示第一实施例中的强制调制过程中废气空气-燃料比的波形图形的时刻表；
图5是显示由第一实施例的ECU实施的强制调制参数计算程序的流程图；
图6是显示与发动机冷起动时的催化剂温度相关的排放控制的转换状况及所需O2和CO浓度的变化的时刻表；
图7是由强制调制获得的发动机废气浓度与由O/L控制及O2-F/B控制获得的废气浓度进行对比的特性图；
图8是在强制调制过程中NMHC净化效率方面O/L控制及O2-F/B控制互相进行对比的特性图；
图9是在强制调制过程中CO净化效率方面O/L控制及O2-F/B控制互相进行对比的特性图；
图10是在强制调制过程中NOx净化效率方面O/L控制及O2-F/B控制互相进行对比的特性图；
图11是显示由第二实施例的ECU实施的强制调制参数计算程序的流程图；以及
图12是显示第二实施例中的强制调制过程中废气空气-燃料比的波形图形的时刻表。
【具体实施方式】
[第一实施例]
下文将介绍实施本发明的发动机废气排放装置的第一实施例。
图1是示意性地显示发动机及其根据第一实施例的废气排放控制装置的整体结构的示意图，并且涉及缸内喷射型直列四缸汽油发动机1。DOHC四阀型阀驱动机构用于发动机1。安装在汽缸盖2上的进气凸轮轴3和排气凸轮轴4由未图示的曲轴旋转。进气阀5和排气阀6由凸轮轴3和4按照给定的时刻开/关。
在每个汽缸中，电磁喷油阀8与火花塞7一起固定至汽缸盖2。从未图示的燃油泵提供的高压燃油根据喷油阀8的开/关被直接喷射进燃烧室9中。进气口10形成在汽缸盖2中以在基本竖直方向上在凸轮轴3和4之间延伸。当进气阀5打开时，进气通过空气滤清器11，节流阀12，缓冲箱13，进气总管14和进气口10被导入至燃烧室9中。燃烧后的废气随排气阀6的打开从燃烧室9排至排气口15，并通过排气道16和三向催化剂17排向大气。
在汽车内部安装未图示的输入/输出装置，用于存储控制程序，控制图等的存储装置(ROM，RAM等)，中央处理单元(CPU)和实行发动机1的综合控制的带定时器等的ECU(发动机控制单元)21。ECU 21的输入侧与各种传感器连接，该传感器包括探测发动机1的冷却剂温度Tw的水温传感器22，探测节流开度θth的节流传感器23，探测流入三向催化剂17的废气温度(后文称为进口温度)Tex的温度传感器24，和根据废气中O2浓度改变输出的O2传感器25(空气-燃料比探测装置)等。ECU 21的输出侧与各种装置连接，该装置包括喷油阀8，驱动火花塞7的点火器26等。
ECU 21根据来自各个传感器的探测信息确定点火时刻，喷油量等，并通过根据控制量驱动点火器26和喷油阀8控制发动机1的运转。
在发动机1的冷起动中，ECU 21根据O2传感器25(反馈控制装置)的输出实施旨在达到目标空气-燃料比(例如理论空气-燃料比)的O2-F/B控制，并通过O2-F/B控制之前的O/L控制实行强制调制(控制空气-燃料比波动的装置)。当实施强制调制时，ECU 21根据从催化剂温度Tcat等获得的CO和O2浓度的目标值(下文所述的CO和O2浓度所需值)设定用于获得这些目标值的强制调制的振幅，周期等的控制量，并根据该控制量通过强制调制控制提供至三向催化剂17的CO和O2的提供量。下文将介绍冷起动时的排放控制。
在介绍ECU 21的控制之前，首先介绍根据强制调制的执行状态的废气中的CO和O2的浓度特性。
图2是显示由于强制调制过程中废气空气-燃料比的振幅的不同引起的CO和O2浓度变化的特性图。废气中的CO和O2浓度随废气空气-燃料比的改变而沿图2中的特性曲线升高或降低。更具体地，当废气空气-燃料比变高时，CO浓度逐渐降低，而O2浓度逐渐升高。在强制调制过程中，CO和O2浓度在对应于各个特征曲线上相对于波形图形的每个周期的废气空气-燃料比的振幅的区域内重复地升高及降低，并且每个周期的CO和O2的平均浓度根据该废气空气-燃料比的振幅一起升高或降低。在图2中，在中心空气-燃料比为14.5的前提下，在振幅为±0.1的情形和振幅为±0.5的情形之间进行对比。与振幅为±0.1的情形相比，如果将振幅提高到±0.5，则每个周期的CO和O2的平均浓度(在图2中以″Ave″表示)一起升高。
图3是显示由ECU 21实施的起动排放控制程序的流程图。ECU 21在发动机起动时以给定的控制间隔实行该程序。
首先，在步骤S2中实行发动机起动模式。
在起动模式下，通过O/L控制适当地实行用于从曲柄起动至完全爆发判断的起动时间的起动增量补偿，后起动增量补偿等，以保证发动机的平稳起动。发动机起动模式的内容是为人熟知的。此时通过后起动增量补偿实行的燃油控制对应于根据如″背景技术″中所述的在O2传感器被激活之前实现的富空气-燃料比的O/L控制。
然后在步骤S4中采集各种传感器信息，包括冷却剂温度Tw，节流开度θth，进口温度Tex等。在接下来的步骤S6中计算从起动完成(完全爆发判断)起经过的时间。步骤S8确定O2传感器25的激活条件，步骤S10根据进口温度Tex估计催化剂温度Tcat。虽然催化剂温度Tcat从定义预设的进口温度Tex和预设的催化剂温度Tcat之间的关系的图中计算，但是计算催化剂温度Tcat的方法并不受以上方法局限。例如，取代从进口温度Tex估计，可以直接探测三向催化剂17的底座温度或简单地根据冷却剂温度Tw及起动完成后经过的时间得到催化剂温度Tcat。
接下来的步骤S12计算强制调制参数。在本实施例中，强制调制过程中废气空气-燃料比的振幅及周期作为强制调制的参数进行计算。下文将进行详述。
此后，步骤S14进行有关起动强制调制的条件是否满足的确定。所设定的起动强制调制的条件维持如果实行使发动机1的废气空气-燃料比强制波动的强制调制则没有问题发生这样的发动机运行状态。所述确定例如根据下列项目(1)至(5)进行：
(1)发动机负载，更具体地，为节流开度θth，容积效率等
(2)发动机起动完成后经过的时间
(3)冷却剂温度Tw
(4)O2传感器激活后经过的时间
(5)催化剂温度Tcat
如果步骤S14根据这些项目确定起动强制调制的条件未得到满足并作出NO(否定)的判断，则程序结束。在此情形下，根据如常规控制中基本稳定的富空气-燃料比的O/L控制以步骤S2的发动机起动模式持续地实行。
如果步骤S14确定起动强制调制的条件得到满足并作出YES(肯定)的判断，则程序将转至步骤S16，该步骤实施废气空气-燃料比的强制调制。根据本实施例，废气空气-燃料比在富和稀方向上相对于中心空气-燃料比的波动量被设置为彼此相等，并且一个周期中在富和稀方向上的波动周期也被设置为彼此相等的波形图形被应用于强制调制中。图4是显示强制调制过程中废气空气-燃料比的波形图形的时刻表。在中心空气-燃料比为14.5的前提下，振幅和周期分别被设置为1.0和0.2秒。振幅被设置为±0.5。对于所述周期，富和稀波动周期均被设置为0.1秒。
步骤S18作出完成强制调制的条件是否满足的确定。完成强制调制的条件设置为如果程序在强制调制结束后(简言之，三向催化剂17已被活化)转向常规的O2-F/B控制则排放控制性能不下降这样的发动机运行状况。该确定是在例如催化剂温度Tcat等的基础上作出的。
如果步骤S18的判断为NO，则程序返回至步骤S16。因此，步骤S16的强制调制持续进行，直到完成强制调制的条件满足。当步骤S18的判断由于完成强制调制的条件得到满足而为YES时，在步骤S20中强制调制被转换至基于O2传感器的输出的对于理论空气-燃料比的O2-F/B控制。然后程序结束。为了防止强制调制转换至O2-F/B控制时运行状态的突变的目的而设定转移时间(图6中所示)，以使振幅和周期在转移时间内逐渐减少以缓慢地转变至O2-F/B控制。
ECU 21根据图5所示的强制调制参数的计算程序实行步骤S12的处理。下文介绍由ECU 21进行的处理。
首先，在步骤S22中计算所需的O2浓度，在步骤S24中计算所需的CO浓度。计算处理根据所需的O2和CO浓度基于由步骤S10的处理估计的催化剂温度Tcat相对于催化剂温度Tcat的各个值预设的映射图实行。
在步骤S26和S28中确定强制调制过程中提供所需O2和CO浓度的波形图形，然后程序结束。换言之，根据本实施例，因为强制调制过程中废气空气-燃料比在富和稀方向上相同的波动量和周期，波形图形根据振幅和周期确定。因此，步骤S26从所需的O2和CO浓度确定废气空气-燃料比的振幅，而步骤S28从所需的O2和CO浓度确定废气空气-燃料比的周期。上述处理根据振幅和周期被相对于各个所需的O2和CO浓度设定的映射图进行。
在步骤S26中，与由O/L控制和O2-F/B控制引起的废气空气-燃料比的波动相比，废气空气-燃料比的振幅被设置为更大的值。更具体地，在O/L控制过程中产生废气空气-燃料比的振荡，在O2-F/B控制过程中废气空气-燃料比通过反馈发生波动。步骤S26中设置的振幅大于该振荡和波动。
振幅和周期没有必要根据所需的O2和CO浓度而同时改变。例如，可以根据所需的O2度和CO浓度仅设定振幅，而将周期设定为给定的固定值。相反，也可以根据所需的O2和CO浓度仅设定周期，而将振幅设定为给定的固定值。
振幅和周期的设定可以不仅考虑所需的O2和CO浓度设定而且考虑其它因素，包括三向催化剂17的类型(诸如Pt，Pd及Rh的贵金属的混合量)，储氧能力，性能下降程度，用于根据排放控制等减少废气的目标成分(其中有害成分应优先减少)等。更具体地，振幅和周期的计算可以考虑已知的催化剂类型和储氧能力，或者考虑已通过熟知的性能下降判断方法估计的三向催化剂17的性能下降程度。振幅和周期也可以根据HC和NOx是否被优先减少而计算。
取决于强制调制过程中的振幅和周期，燃烧波动产生较大的扭矩波动并使驱动能力下降。因此，在步骤S26和S28中，如果预设的振幅和周期超过考虑扭矩波动确定的可接受值，则振幅和周期的上限可以被限制为该可接受值。
图6是显示发动机冷起动中排放控制的转换条件及与催化剂温度相关的所需O2和CO浓度的转移的时刻表。通过ECU 21的处理，作为发动机起动模式在发动机起动时及发动机即刻起动后实行通过O/L控制进行的起动增量补偿和后起动增量补偿。强制调制继而开始。在图6所示的实例中，强制调制过程中所需O2浓度被设为0.6％，所需CO浓度被设为0.9％。其后，强制调制通过转移周期转换至O2-F/B控制。结果，所需O2和CO浓度低于强制调制时的浓度。
图7是发动机起动模式中由于强制调制的发动机出口(即催化剂入口)废气浓度与由于O/L控制及O2-F/B控制的废气浓度进行对比的特性图。图7所示为作为第一实施例的强制调制的数据，其中图4所示的振幅和周期在富和稀方向上均被设置为±0.5和0.1秒。如图7所示，虽然根据平均空气-燃料比略有不同，但是与O/L控制及O2-F/B控制过程中相比，O2和CO浓度在强制调制过程中都有所提高，而NOx维持在低水平。然后可以获得与催化剂温度相关联的期望的废气特性。因为此特性，在强制调制过程中可以实现图6中所示的所需的O2和CO浓度。
图8是强制调制过程中O/L控制及O2-F/B控制在NMHC(非甲烷HC)净化效率方面进行互相对比的特性图。图9是强制调制过程中O/L控制及O2-F/B控制在CO净化效率方面进行互相对比的特性图。图10是强制调制过程中O/L控制及O2-F/B控制在NOx净化效率方面进行互相对比的特性图。这些特性图作为第一实施例显示与图7中所示相同的执行强制调制的条件。从上述特性图可看出，在强制调制过程中实现与三向催化剂17因为温升而更有活性的O2-F/B控制过程中的净化效率基本相等的关于NMHC，CO及NOx任何方面的净化效率。
如上所述，在根据本实施例的发动机1的废气排放控制装置中，强制调制在发动机1冷起动开始之后O2-F/B控制之前实行。废气空气-燃料比的周期和振幅的设置使催化剂进口处的O2和CO的排放浓度在强制调制过程中高于O2-F/B控制过程中。因此，可以向三向催化剂17提供充分数量的O2和CO，并加速三向催化剂17的温升并实现三向催化剂17的早期活化，由此提高排放控制性能并减少催化剂贵金属的支持量。
也可在强制调制过程中向催化剂提供更充分数量的O2和CO并进一步加速催化剂的温升以将废气空气-燃料比的振幅设定为比由O/L控制及O2-F/B控制引起的废气空气-燃料比的波动更大的值。
[第二实施例]
下文将介绍本发明在其中实施为发动机1的另一个废气排放控制装置的第二实施例。
本实施例的废气排放控制装置在总体结构及由ECU 21实施的控制的基本内容方面与第一实施例相同。在强制调制参数计算的处理上有所不同。因此，有关相同结构的描述被省略而只介绍主要的区别。
根据本实施例，废气空气-燃料比在富和贫方向上相对于中心空气-燃料比的波动量不同，并且一个周期中在富和稀方向上的波动周期也不同的波形图形被应用于强制调制。因此，作为计算用于确定波形图形的强制调制参数的程序，图11中所示的流程图替代图5中的流程图用于本实施例中。
在图11中，如第一实施例，ECU 21在步骤S22和S24中计算所需的O2和CO浓度，并在步骤S26和S28中从该所需的O2和CO浓度确定废气空气-燃料比的振幅和周期。然后程序进行至在富和稀方向上从中心空气-燃料比确定波动量的步骤S30。在步骤S32中，确定在富和稀方向上的波动周期。因此，当程序由于满足强制调制的起动条件而从图3中的步骤S14转至步骤S16时，除了第一实施例的振幅和周期外，还根据富和稀方向上的波动量和波动周期确定强制调制过程中的波形图形。
在步骤S30中，将富方向上的波动量设定成大于稀方向的数值。在步骤S32中，将富方向上的波动周期设定成小于稀方向的数值。然后例如根据图12中所示的时刻表实行由步骤S16的处理进行的强制调制。在该实例中，在中心空气-燃料比为14.5的前提下，振幅被设置为1.5，周期被设置为0.15秒。振幅被设置为+0.5(稀侧)及-1.0(富侧)以使富方向上的波动量大于稀方向上的波动量。周期在富阶段被设置为0.05秒，在稀阶段内被设置为0.1秒，以使富方向上的波动周期小于稀方向上的波动周期。在该设置实例中，可获得与图4所示的第一实施例相等的平均空气-燃料比。
如上所述，在根据本实施例的内燃机废气排放控制装置中，除了第一实施例的强制调制过程中的设置外，还将废气空气-燃料比的振幅设置成使富方向上的波动量大于稀方向，将废气空气-燃料比的周期设置成使富方向上的波动周期小于稀方向。强制调制基于上述设置实行。
为了清除稀阶段内由贵金属部分吸收的O2并加强贵金属的活性，最好提供浓度高于O2浓度的还原气体(CO，H2，及HC)。为此，需要增加提供至催化剂进口的CO的浓度。由于催化剂的储氧能力，使稀状态在某些措施下持续。然而，如果高浓度的CO和HC流入三向催化剂17，并且还原气氛持续而超过三向催化剂17的储氧能力，则三向催化剂17的贵金属的活性下降。为了避免该问题，需要防止还原气氛过长时间地持续。
根据本实施例，在强制调制过程中，废气空气-燃料比在富方向上的波动比在稀方向上更大，而且富方向上的波动周期(校注：原文只有“波动”一词，现根据上文的描述添加“周期”，请再审核)设置成比稀方向上短。因此，除了第一实施例的运行和优点外，还可以进一步提高提供至催化剂进口的CO浓度，通过进一步加速催化剂的温升而提高排放控制性能，并通过抑制由于还原气氛的持续引起的三向催化剂17的贵金属活性下降而达到有效的催化剂温升。
而且，虽然取决于气体的类型相关于贵金属的吸收和分离特性有所不同，但由于稀和富空气-燃料比受到毫秒数量级的控制以加强贵金属的活性，因此可以优化贵金属表面的气体的气氛平衡。该因素也有助于上述运行和优点。
图7至10显示实施作为第二实施例的本实施例的强制调制的条件。图7所示为，与第一实施例相比，本实施例的强制调制中，O2和CO浓度被更加提高，NOx的排放更受抑制。图8至10显示NMHC，CO及NOx的净化效率比第一实施例得到进一步加强。这些实验结果也例证了本实施例的运行及优点。
虽然对各个实施例的描述即将完成，但本发明的各个方面不限于上述实施例。例如，第一实施例根据图4的时刻表实施强制调制，第二实施例根据图12的时刻表。无需多言，强制调制过程中的振幅和周期并不限于第一和第二实施例，而是可以进行修改而不背离本发明的精神。
虽然在该实施例中发动机1的排气通道16只配备三向催化剂17，但是也可以任意增加近似的催化剂，NOx催化剂等。本发明不但适用于直接喷射发动机，还适用于进口总管喷射发动机。而且，通过将O2传感器置于催化剂的下游可以控制空气-燃料比的目标值。
对于本文描述的本发明，很明显，本发明可以以多种方式变化。这样的变化不应被视为对本发明的精神和范围的背离，而且这些对于本技术领域的熟练者来说很明显的所有的修改应包括在附后的权力要求的范围之内。