DE10001133A1 - Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine

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Abstract

Um die Schätzgenauigkeit für den Schätzwert der NOx Abgaskonzentration zu verbessern, ist eine Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses dazu ausgelegt, die NOx Abgaskonzentration von einem von dem Luft-Kraftstoffverhältnis abhängenden Wert und/oder einem von der Abgasrückführungsmenge abhängenden Wert und/oder einem von dem Zündzeitpunkt abhängenden Wert der ECU 230 zu schätzen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung eines NOx Katalysators.
Beschreibung des Standes der Technik
Fig. 8 zeigt ein schematisches Schaubild mit einer herkömmlichen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskammer 15 wie auch das Ansaugsystem und das Zündsystem für eine magere Verbrennung ausgelegt sind. Der Ansaugstutzen 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 steht über einen Krümmer 4 in Verbindung mit einem Einspritzventil 3, das sich an jedem Zylinder befindet, und mit einem Ansaugrohr, das einen Luftfilter 5, einen Luftmengensensor 6 zum Erfassen einer Ansaugluftmenge Qa, eine Drosselklappe 7 und ein ISC Ventil 8 umfasst. Als Luftmengensensor wird vorzugsweise ein Luftmengensensor vom Typ Karman Vortex verwendet. Das Abgasrohr 14, das mit einem Luft- Kraftstoffverhältnissensor 12, wie etwa einem linearen Luft- Kraftstoffverhältnissensor 12 zum Erfassen des Luftüberschussverhältnisses λ (Information über das Luft- Kraftstoffverhältnis) versehen ist, ist mit dem Abgasstutzen der Verbrennungskraftmaschine 1 über den Abgaskrümmer 11 verbunden.
Die Abgasreinigungskatalysatorvorrichtung 13 umfasst zwei Katalysatoren, nämlich einen Dreifachkatalysator 13a und einen Absorptionskatalysator 13b, wobei der Dreifachkatalysator 13a auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Absorptionskatalysators 13b angeordnet ist. Der Dreifachkatalysator 13a übernimmt die Funktion der Oxidation von HC (Kohlenwasserstoff) und CO (Kohlenmonoxid) sowie die Reduktion von NOx. Die Reduktion von NOx wird durch den Dreifachkatalysator 13 am meisten unterstützt, wenn das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis sich im Bereich von 14,7 befindet. Der NOx Absorptionskatalysator 13b übernimmt die Funktion der Absorption von NOx bei einer übersättigten Sauerstoffatmosphäre (mageres Luft-Kraftstoffverhältnis) und die Verringerung bei einer untersättigten Sauerstoffatmosphäre (angereichertes Luft- Kraftstoffverhältnis) mit dem Vorhandensein von HC und CO. Als NOx Absorptionskatalysator 13b wird ein Katalysator bestehend aus Alkalimetallen wie etwa CA (Kalzium), Ba (Barium) und Pt (Platin) verwendet. Ein Katalysator, der NOx in Abgasen reduziert, indem das in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine 1 enthaltene NOx bei einem übersättigtem Sauerstoffzustand (Oxidationsatmosphäre) absorbiert und die Absorption von NOx bei einem übersättigtem Kohlenwasserstoffzustand (reduzierte Atmosphäre) reduziert, ist bereits bekannt.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 1 ist eine Zündkerze zum Zünden des Luft-Kraftstoffgemisches vorgesehen, das der Verbrennungskammer 15 seitens des Ansaugstutzens 2 zugeführt wird. Mit 18 ist ein Kurbelwinkelsensor zum Erfassen des Kurbelwinkelsynchronisationssignals θCR seitens der mit der Nockenwelle zusammenwirkenden Codiereinrichtung bezeichnet, mit 19 ist ein Drosselklappensensor zum Erfassen des Drosselklappenventilöffnungsgrades bezeichnet, mit 20 ist ein Wassertemperatursensor zum Erfassen der Kühlwassertemperatur TW bezeichnet, mit 21 ist ein Atmosphärendrucksensor zum Erfassen des Atmosphärendruckes Pa bezeichnet und mit 22 ist ein Ansauglufttemperatursensor Ta bezeichnet. Die Drehzahl Ne der Verbrennungskraftmaschine wird aus dem Zeitintervall berechnet, das in Folge des Kurbelwinkelsynchronisationssignals θCR entsteht, das durch den Kurbelwinkelsensor 18 erfasst wird. Innerhalb des Fahrzeugraumes ist eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit, ECU) installiert, die eine nicht gezeigte Eingabe-/Ausgabeeinheit, Speichereinheiten (wie etwa ROM, RAM, nicht flüchtiges RAM) zum Speichern einer Anzahl von Steuerprogrammen, eine zentrale Verarbeitungseinheit (central processing unit, CPU) und einen Zeitzähler umfasst und die eine künstliche Steuerung der Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses einschließlich der Verbrennungskraftmaschine 1 durchführt. Im folgenden wird die Betriebsweise der soeben erläuterten Vorrichtung beschrieben. Der NOx Absorptionskatalysator 13b absorbiert das NOx während der mageren Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung, allerdings ist zu beachten, dass aufgrund der Mengenbegrenzung, die durch den Katalysator bei einer kontinuierlichen mageren Verbrennung vorgegeben ist, eine Sättigung bei der zu absorbierenden Menge des NOx (Stickstoffoxid) auftritt, das von der Verbrennungskraftmaschine sodann an die Atmosphäre abgegeben wird. In diesem Fall besteht hinsichtlich der Zeitsteuerung der Verschiebung von der angereicherten Betriebsweise zur mageren Betriebsweise ein Problem, da die Absorptionsmenge des NOx Absorptionskatalysators 13b die Sättigung erreicht, so dass die Luft- Kraftstoffverhältnissteuerung zu einem idealen Luft- Kraftstoffverhältnis oder in die Nähe eines derartigen Verhältnisses verschoben werden muss und die Reduktion von NOx bei einem angereicherten Luft-Kraftstoffverhältnis oder bei dem theoretischen Luft-Kraftstoffverhältnis einsetzen muss.
Im allgemeinen ist ein Verfahren zur Durchführung der angereicherten Verbrennung nach der Durchführung der mageren Verbrennung für einen vorgegebenen Zeitraum vorgesehen. Als Beispiel für dieses Verfahren mag dienen, dass die ECU 23 die von der Verbrennungskraftmaschine 1 abgegebene NOx-Menge schätzt und die angereicherte Betriebsweise durchgeführt wird, wenn die abgegebene NOx-Menge einen vorgegebenen Wert erreicht. Ein Beispiel zum Schätzen der abgegebenen NOx-Menge ist durch die japanische Offenlegungsschrift H7-305644 in der Weise veröffentlicht, dass ein Schätzwert DN der abgegebenen NOx-Konzentration aus der Luft-Kraftstoffverhältnisabbildung erhalten wird und dass ein Kompensationskoeffizient KIg aus der Zündzeitpunktabbildung erhalten wird und ebenso ein Koeffizient K1, der von der EGR Menge und der Temperatur abhängt, aus einer anderen Kompensationskoeffizientenabbildung erhalten wird, so dass die Menge QNO des abgegebenen NOx von der Ansaugluftmenge Qa gemäß der folgenden Formel (1) abgeleitet wird:
QNO = K1 . KIg . Qa . DN (1)
Obwohl gemäß der japanischen Offenlegungsschrift H 7-305644 die Abgasmenge QNO gemäß Formel (1) geschätzt wird, ändert sich aufgrund der Fluktuationen des Zündzeitpunktes sowohl die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoffverhältnis A/F und dem NOx Abgaskonzentrationsschätzwerts DN, als auch das Verhältnis zwischen der EGR Menge und dem Abgaskonzentrationsschätzwert DN erheblich. Als Folge davon kann die Schätzgenauigkeit nicht verbessert werden, ohne dass der NOx Abgaskonzentrationsschätzwert DN in Abhängigkeit der Zündzeitpunkte erhalten wird. Ebenso ist eine Anzahl von Abbildungen erforderlich, was eine vergrößerte Speicherkapazität nach sich zieht.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Lösung der voran genannten Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses für eine Verbrennungskraftmaschine vorzusehen, die die Schätzgenauigkeit des NOx Abgaskonzentrationsschätzwertes verbessern kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1 umfasst einen NOx Katalysator, der in einer Abgasführung der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, ein NOx-Abgasmengen (QNO)-Schätzmittel zum Schätzen der Menge an NOx, die von der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wurde, ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuermittel zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses (A/F) auf der Grundlage der geschätzten NOx-Abgasmenge (QNO), die durch das NOx- Abgasmengen-Schätzmittel geschätzt wurde, und ein NOx- Abgaskonzentrations-Schätzmittel zum Schätzen der besagten Konzentration (DN) des abgegebenen NOx auf der Grundlage eines von dem Luft-Kraftstoffverhältnis (A/F) abhängenden Wertes oder eines von der Abgasrückführungsmenge (EGR) abhängenden Wertes und eines von dem Zündzeitpunkt abhängenden Wertes.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass das besagte NOx- Abgaskonzentrations-Schätzmittel den Schätzwert der NOx- Abgaskonzentration (DN) auf der Grundlage der vier Grundrechenarten basierend auf dem Luft-Kraftstoffverhältnis (A/F) und/oder der Abgasrückführmenge (EGR) und/oder dem von dem Zündzeitpunkt abhängenden Wert berechnet.
Bei erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der Schätzwert der NOx- Abgaskonzentration gemäß Anspruch 2 mit der Formel berechnet wird:
DN = K1 . A/F + K2 . EGR,
wobei DN den Schätzwert der NOx-Abgaskonzentration bezeichnet, A/F das Luft-Kraftstoffverhältnis bezeichnet, EGR die Abgasrückführungsmenge bezeichnet und K1 und K2 Koeffizienten darstellen, die von dem Zündzeitpunkt abhängen.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein NOx Abgasmengenschätzmittel umfasst, um die NOx Abgasmenge auf der Grundlage des Schätzwertes der NOx Abgaskonzentration gemäß den Ansprüche 1-3 und einer Ansaugluftmenge zu schätzen.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses gemäß den Ansprüchen 1-4 ein Zündzeitpunkterfassungsmittel umfasst.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses gemäß den Ansprüchen 1-4 ein Luft-Kraftstoffverhältnis- Erfassungsmittel umfasst.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 7 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses gemäß den Ansprüchen 1-4 ein Abgasrückführungsmengen-Erfassungsmittel umfasst.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses nach einem der Ansprüche 1-4 ein Abgasrückführungs-Ventilöffnungsgrad- Erfassungsmittel umfasst.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, dass der Zündzeitpunkt gemäß den Ansprüchen 1-4 einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 10 ist vorgesehen, dass das Luft- Kraftstoffverhältnis gemäß den Ansprüchen 1-4 einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 11 ist vorgesehen, dass die Abgasrückführungsmenge nach einem der Ansprüche 1-4 einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 12 ist vorgesehen, dass der Abgasrückführungs- Ventilöffnungsgrad nach einem der Ansprüche 1-4 einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaubild gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Steuerung des Luft- Kraftstoffverhältnisses gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm zum Schätzen der NOx Abgasmenge gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Beurteilung, ob die übersättigte Verbrennung gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung fortgesetzt werden soll.
Fig. 5 zeigt eine Abbildung von K1 im Verhältnis zum Zündzeitpunkt gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine Abbildung von K2 im Verhältnis zum Zündzeitpunkt gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm zum Schätzen der NOx Abgasmenge gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Schaubild einer herkömmlichen Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine.
Ausführungsbeispiel 1
Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig. 1 - Fig. 6 beschrieben. Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaubild der Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine 1. Gemäß Fig. 1 entspricht die ECU 230 der vorgenannten ECU 23, die einen digitalen Computer zur Durchführung einer künstlichen Steuerung umfasst, und zwar insbesondere der Steuerungsverarbeitung gemäß Fig. 2 - Fig. 5, wobei die ECU 230 für die Vorrichtung zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses einschließlich der Verbrennungskraftmaschine auf der Grundlage einer Anzahl von in dem digitalen Computer gespeicherten Steuerprogramme vorgesehen ist. Als Eingabe für die ECU 230 dienen Erfassungsinformationen von verschiedenen Sensoren, wie etwa von dem Luftmengensensor 6, dem Kurbelwinkelsensor 18, dem Drosselklappensensor 19, dem Wassertemperatursensor 20, dem Atmosphärensensor 21 und dem Ansaugluftsensor 22. Die ECU 230 kann optimierte Werte der Kraftstoffeinspritzmenge, des Zündzeitpunktes, der Abgasrückführungsmenge EGR usw. ausgeben, die auf der Grundlage der Erfassungsinformationen der vorgenannten Sensoren berechnet sind. Die Zündeinheit 24 gibt eine Hochspannung an die Zündkerze 16 gemäß einem Befehl der ECU 230 aus, und die ECU 230 erfasst diese Hochspannung als einen Zündausgang seitens der Zündeinheit 24.
Auch wenn durch die Zeichnung nicht gezeigt, sind innerhalb der ECU 230 das Zündzeitpunkterfassungsmittel und das Abgasrückführungsmengenerfassungsmittel gespeichert. Das Zündzeitpunkterfassungsmittel ist notwendig, um den Ausgang der Zündeinheit 24 zu der Zündkerze 16 unter Ausführung der ECU 230 zu erfassen. Das Abgasrückführungsmengenerfassungsmittel dient zur Erfassung der Abgasrückführungsmenge EGR auf der Grundlage einer Abbildung, die die Verhältnisse zwischen der Drehzahl Ne der Verbrennungskraftmaschine, des Luftmengensensors 6 und des Atmosphärendrucksensors 17 definiert.
Obwohl durch die Zeichnungen nicht gezeigt, können innerhalb der ECU 230 auch solche Mittel gespeichert sein, die das Zündzeitpunkterfassungsmittel zum Erhalten des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit von dem Betriebszustand ersetzen, und/oder die den Luft-Kraftstoffverhältnissensor 12 zum Erhalten des betreffenden Verhältnisses ersetzen und/oder die das Abgasrückführungsmengenerfassungsmittel zum Erhalten der entsprechenden Menge ersetzen, und/oder die den Ventilpositionssensor 27 zum Erhalten des Öffnungsgrades des Abgasrückführungsventils in Abhängigkeit desselbigen ersetzen.
Die Mittel zum Erhalten des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit des Betriebszustandes können derart betrieben werden, dass die ECU 230 vorab eine Abbildung abspeichert, die die Ansaugluftmenge Qa oder die Last der Verbrennungskraftmaschine P und die Umdrehungszahl Ne der Verbrennungskraftmaschine enthält und die den Zündzeitpunkt aus der vorgenannten Abbildung des Zündzeitpunktes auf der Grundlage des Erfassungssignals des Luftmengensensors 6 und der Last P, die einen Parameter der Verbrennungskraftmaschine wie etwa den Füll-Wirkungsgrad (filling efficiency) darstellt, sowie das Erfassungssignal seitens des Kurbelwinkelsensors 18 erhält.
Ebenso wie dasjenige Mittel, das das Luft- Kraftstoffverhältnis aus dem Betriebszustand erhält, kann das Mittel zum Erhalten der Abgasrückführungsmenge in Abhängigkeit von derselben und das Mittel zum Erhalten des Betriebswinkels des Abgasrückführungsventils in Abhängigkeit von demselben sinngemäß dadurch eingerichtet werden, dass der Ausdruck "Zündzeitpunkt" durch "Luft-Kraftstoffverhältnis", "den Öffnungsgrad der Abgasrückführung" und "die Abgasrückführungsmenge" jeweils ersetzt werden, die in der Textpassage auftreten, wonach die ECU 230 vorab eine Abbildung abspeichert, die die Ansaugluftmenge Qa oder die Last der Verbrennungskraftmaschine P und die Umdrehungszahl Ne der Verbrennungskraftmaschine enthält und die den Zündzeitpunkt aus der vorgenannten Abbildung des Zündzeitpunktes auf der Grundlage des Erfassungssignals des Luftmengensensors 6 und der Last P, die einen Parameter der Verbrennungskraftmaschine wie etwa den Füll-Wirkungsgrad (filling efficiency) darstellt, sowie das Erfassungssignal seitens des Kurbelwinkelsensors 18 erhält.
In dem Krümmer 4 befindet sich ein Ansaugluftdrucksensor 17 zum Erfassen des Ansaugluftdruckes Pb. Ein Abgasrückführungsrohr 25 ist mit dem Rohr 14 und mit dem Ansaugluftkrümmer 4 verbunden, ein Abgasrückführungsventil 26 zum Öffnen und Schließen des Rückführungsrohres 25 ist an einer Zwischenposition des Abgasrückführungsrohres 25 vorgesehen, und ein Ventilpositionssensor zum Erfassen des Öffnungsgrades des Abgasrückführungsventils ist an dem Ausgang des Rückführungsventils 26 vorgesehen. Die mit 1 bzw. 2 bezeichneten Verbindungselemente sind gegenseitig miteinander verbunden. Komponenten, wie etwa die Verbrennungskraftmaschine 1, der Luftansaugstutzen 2, das Kraftstoffeinspritzventil 3, der Luftansaugkrümmer 4, der Luftfilter 5, der Luftmassensensor 6, das Drosselklappenventil 7, das ISC Ventil 8, das Luftansaugrohr 9, der Abgasstutzen 10, der Abgaskrümmer 11, der Luft- Kraftstoffverhältnissensor 12, die Abgasreinigungsvorrichtung 13, der Dreifachkatalysator 13a, der NOx Absorptionskatalysator 13b, das Abgasrohr 14, die Verbrennungskammer 15, die Zündkerze 16, der Kurbelwinkelsensor 22, die Zündeinheit 24 und Mittel zum Berechnen der Drehzahl Ne der Verbrennungskraftmaschine aus dem Zeitintervall des Kurbelwinkelsynchronisationssignals θCR entsprechen denjenigen in Fig. 8.
Im folgenden wird die Betriebsweise des Ausführungsbeispiels 1 erläutert. Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm mit der Luft- Kraftstoffverhältnissteuerung, die durch die ECU ausgeführt wird, wobei diese Steuerung bei jeder Erzeugung eines Kurbelwinkelsynchronisationssignals θCR (z. B. jede 120° des Kurbelwinkels) durchgeführt wird, das von dem Kurbelwinkelsensor 18 aufgrund einer Unterbrechung zur Verfügung gestellt wird. Diese Luft- Kraftstoffverhältnissteuerung verschiebt die Betriebsweise der angereicherten Verbrennung, wenn das NOx- Absorptionsvermögen des NOx Absorptionskatalysators 13b während der sparsamen Verbrennung einen Sättigungszustand erreicht, der einem Oxidationszustand entspricht, wodurch der NOx Absorptionskatalysator 13 einer reduzierten Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird, was die Wiederherstellung des Absorptionsvermögens des NOx Absorptionskatalysators für ein vorgegebenes Zeitintervall zur Folge hat, wobei die Wiederholung dieses Steuerungsvorgangs folgt. Der magere Verbrennungszustand ist dafür vorgesehen, die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem mageren Kraftstoffgasgemisch zu betreiben, dessen Luft- Kraftstoffverhältnis größer ist als das theoretische Luft- Kraftstoffverhältnis (14,7), indem die Ansaugluftmenge durch Öffnen des Drosselventils 7 und des ISC Ventils 8 vergrößert wird oder indem durch Schließen des Drosselklappenventils 7 und durch Öffnen des ISC Ventils 8 nur die Kraftstoffeinspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils 3 konstant gehalten wird. Der angereicherte Verbrennungszustand ist dafür vorgesehen, die Verbrennungskraftmaschine aufgrund der Verbrennung eines Gasgemisches zu betreiben, das ein Luft-Kraftstoffverhältnis aufweist, das kleiner als der Wert des theoretischen Kraftstoffverhältnisses (14,7) ist, wobei die Abgase bei der übersättigten Verbrennungsbetriebsweise größere Mengen von HC und CO als bei der sparsamen Verbrennungsbetriebsweise aufweisen. Das Abgas bei der übersättigten Verbrennungsbetriebsweise stellt somit eine reduzierte Atmosphäre dar und ermöglicht daher die Reduktion von NOx.
Als erstes beurteilt die ECU 230 im Schritt 10, ob oder ob nicht die Bedingung für eine magere Verbrennungsbetriebsweise gegeben ist. Die Bedingung für eine magere Verbrennungsbetriebsweise ist dadurch gegeben, das die Verbrennungskraftmaschine 1 einen Aufwärmungslauf durchführt und dabei innerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereichs betrieben wird, der in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl Ne der Verbrennungskraftmaschine und der Maschinenlast definiert ist, wobei die Maschine nicht beschleunigt wird und auch nicht beschleunigt werden soll.
Wenn das Ergebnis der Beurteilung im Schritt 10 NEIN lautet (Verneinung), so dass die Bedingung für eine sparsame Verbrennungsbetriebsweise nicht erreicht ist, wird der Betrieb mit Schritt 10 fortgefahren und die angereicherte Verbrennungssteuerung wird durchgeführt. Wenn auf der anderen Seite das Ergebnis der Beurteilung im Schritt 10 JA lautet (Bestätigung), wird der Betrieb mit Schritt 14 fortgesetzt und die Abgasmenge des NOx wird berechnet.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm mit einer Berechnungsprozedur der NOx Abgasmenge, wenn die ECU 230 die Funktion des NOx Abgasmengenschätzmittels durchführt. Im folgenden wird auf der Grundlage von Fig. 3 die Berechnungsprozedur der NOx Abgasmenge beschrieben. Die ECU 230 liest den Rechnungswert der durch die Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen NOx Konzentration unter Verwendung der gespeicherten Formeln ein. Dieser Lesewert ist nicht der tatsächlich erfasste Wert, sondern wird durch Einlesen eines berechneten Wertes aufgrund einer Formel und eines vorangegangenen Tests durchgeführt. Dementsprechend wird dieser Wert als Schätzwert behandelt.
Zunächst werden bei der Erfassung des Zündzeitpunkterfassungswertes ESA im Schritt 20 der Koeffizient des Luft-Kraftstoffverhältnisses A/F und der Koeffizient K2 der Abgasrückführungsmenge EGR von den jeweiligen Abbildungen ausgelesen. Fig. 5 zeigt die Abbildung für K1 und Fig. 6 zeigt die Abbildung für K2. Als nächstes werden im Schritt 21 das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F und die Abgasrückführungsmenge EGR erfasst und im Schritt 22 der NOx Abgaskonzentrationsschätzwert DN erhalten. Dieser NOx Abgaskonzentrationsschätzwert DN wird durch die folgende Formel (2) im Hinblick auf den jeweiligen Zündzeitpunkterfassungswert ESA ausgedrückt:
DN = K1 . (real A/F) + K2 . (real EGR), (2)
wobei K1 und K2 sich in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunktswert ändern. Der Wert "real A/F" bezeichnet das seitens des Sensors 12 eingegebene Verhältnis und der Wert "real EGR" bezeichnet den von der Abbildung erhaltenen Wert.
Im Schritt 23 wird die Ansaugluftmenge Qa erfasst. Im Schritt 24 wird die NOx Abgasmenge QNO unter Verwendung des NOx Abgaskonzentrationsschätzwertes DN und der Ansaugluftmenge Qa über die folgende Formel (3) berechnet:
QNO = Qa . DN. (3)
Im Schritt 25 wird ein integrierter Wert der NOx Abgasmenge QNO, also eine integrierte NOx Abgasmenge, QNOT durch die Formel (4) berechnet:
QNT = ∫ QNOdt. (4)
Aufgrund der Programmierung wird diese Formel (4) durch QNT ← QNT + QNO ausgedrückt.
Wenn der integrierte Wert der NOx Abgasmenge QNT in der vorab genannten Weise berechnet wird, wird Schritt 16 ausgeführt, bei dem die ECU 230 gemäß Fig. 2 als Komparator arbeitet und im Schritt 16 beurteilt, ob oder ob nicht die integrierte NOx Abgasmenge QNT größer als ein vorgegebener Wert QNT0 ist. QNT0 ist als Wert derart gewählt, dass er gleich oder kleiner beispielsweise als die Absorptionskapazität des NOx Absorptionskatalysators 13b ist. Wenn das Ergebnis NEIN (Verneinung) ist, wird darauf geschlossen, dass die NOx Absorptionskapazität des NOx Absorptionskatalysators 13b sich an einer Grenze befindet, wobei dann weiter fortschreitend Schritt 16 mit einer mageren Verbrennungssteuerung ausgeführt wird.
Wenn auf der anderen Seite das Ergebnis von Schritt 16 JA (Bestätigung) ist und wenn der integrierte NOx Abgasabsorptionswert QNT größer als der vorgegebene Wert QNT0 ist, so sollte sich die Absorptionskapazität des NOx Absorptionskatalysators 13b in der Sättigung befinden. Es wird sodann mit dem vorgenannten Schritt 12 fortgefahren und ein Signal für eine angereicherte Verbrennungsbetriebsweise wird ausgegeben, und die Steuerung der angereicherten Verbrennungsbetriebsweise wird durchgeführt. Wenn auf diese Weise auf die angereicherte Verbrennungsbetriebsweise zum Zeitpunkt umgeschaltet wird, wenn die integrierte NOx Abgasmenge QNT den vorgegebenen Wert QNT0 überschreitet, wird die Abgasmenge an HC und CO seitens der Verbrennungskraftmaschine vergrößert und ein sauerstoffarmer Zustand erzeugt; aufgrund der dann folgenden Reaktion von HC und CO mit NOx kann das absorbierte NOx in dem NOx Absorptionskatalysator reduziert werden und das reduzierte NOx kann in die Atmosphäre abgegeben werden. Aufgrund des oben beschriebenen Prozesses kann der NOx Absorptionskatalysator 13b das NOx reabsorbieren. Aufgrund der Beurteilung im Schritt 16 wird die angereicherte Verbrennungsbetriebsweise im Schritt 12 ausgeführt, wobei gleichzeitig mit Beginn der Reduktion des in dem NOx Absorptionskatalysators 13b absorbierten NOx der Zeitzähler der ECU 230 zu zählen beginnt. Nachdem mit der angereicherten Verbrennungsbetriebsweise begonnen wurde, wird die vorgenannte Routine wiederholt.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm mit einer Prozedur zur Beurteilung der Fortführung der angereicherten Verbrennungsbetriebsweise, wenn die ECU 230 die Funktion eines entsprechenden Beurteilungsmittels übernimmt. Nachdem der Zeitzähler der ECU 230 zu zählen begonnen hat, wird der gemäß Fig. 4 gezeigte Prozess gestartet; wenn die entsprechende Beurteilung im Schritt 28 NEIN (Verneinung) ist, wird angenommen, dass die vorangegangene Zeit in einem vorgegebenen Intervall tR nicht verstreicht (z. B. 3 Sekunden), währenddessen die Reduktion von NOx abgeschlossen sein soll und dementsprechend zum Schritt 29 übergegangen sein soll, wobei der Prozess durch Zählen bis Null zum Integrieren der NOx Abgasmenge QNT aktualisiert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die integrierte NOx Abgasmenge QNT auf einem Wert gehalten, der größer ist als der vorgegebene Wert QNT0. Das entsprechende Ergebnis im Schritt 16 gemäß Fig. 2 ist deshalb JA (Bestätigung), wobei die angereicherte Verbrennungsbetriebsweise fortgesetzt wird, was eine ausreichende Reduktion von NOx zur Folge hat.
Nachdem das vorgegebene Intervall tR (3 Sekunden) abgelaufen ist, sobald die angereicherte Verbrennungsbetriebsweise begonnen wurde, lautet das resultierende Ergebnis im Schritt 28 gemäß Fig. 4 JA (Bestätigung) und es wird mit Schritt 30 fortgefahren. Im Schritt 30 soll das NOx vollständig von dem NOx Absorptionskatalysator reduziert sein, da die vorgegebene Zeit tR (3 Sekunden) abgelaufen ist und der integrierte Wert der NOx Abgasmenge QNT auf Null gesetzt ist.
Zusammenfassend wird der Betriebszustand von der mageren Verbrennungsbetriebsweise zu der angereicherten Verbrennungsbetriebsweise gewechselt, wobei die angereicherte Betriebsweise dann für eine vorgegebene Zeit tR aufrecht erhalten bleibt, wenn der integrierte Wert der NOx Abgasmenge QNT einen vorgegebenen Wert QNT0 erreicht. Aufgrund dieses Prozesses wird das in dem NOx Absorptionskatalysators 13b absorbierte NOx vollständig reduziert, wobei das NOx in einen Zustand gebracht wird, bei dem die NOx Absorptionskapazität wieder hergestellt ist, wenn die magere Verbrennungsbetriebsweise nach dem Ablauf der vorgegebenen Zeit (3 Sekunden) begonnen wird. Die Frequenz des Wechsels zu der angereicherten Betriebsweise kann reduziert werden, indem ununterbrochen eine sparsame Verbrennungsbetriebsweise durchgeführt wird, wenn die Betriebsweise unter der Bedingung einer kleinen NOx Abgasmenge durchgeführt wird, so dass die Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs und die Drehmomentsfluktuationen zu einem großen Teil unterdrückt werden können.
Ausführungsbeispiel 2
Obwohl gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 A/F und EGR erfasst werden und der NOx Abgaskonzentrationsschätzwert DN über den Wert "real A/F" und den Wert "real EGR" gemäß Fig. 7 erhalten werden, kann der NOx Abgaskonzentrationsschätzwert DN auch erhalten werden, indem anstatt des Wertes "real A/F" und des Wertes "real EGR" der Sollwert A/F und der Sollwert EGR verwendet werden. Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm mit einem Berechnungsprozess des integrierten Wertes der NOx Abgasmenge QNT gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 7 Fig. 3 mit der Ausnahme entspricht, dass Schritt 21 und Schritt 23 entsprechend mit Schritt 21' und Schritt 23' in Fig. 7 bezeichnet sind. Im Schritt 21' wird der Sollwert A/F von dem berechneten Wert des Luft- Kraftstoffverhältnisses berechnet, und der Sollwert EGR wird aus der Schrittanzahl des Sollwertes EGR berechnet. Im Schritt 22' wird die Abgaskonzentration DN durch Ersetzen des oben genannten Sollwertes A/F und des Sollwertes EGR in die Formel (5) erhalten:
DN = K1 . (control target A/F) + K2 . (control target EGR). (5)
Wie oben erläutert, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine die Genauigkeit der Schätzung der NOx Abgaskonzentration und damit auch die Schätzgenauigkeit der NOx Abgasmenge verbessert werden, indem die NOx Abgaskonzentration aus einem von dem Luft- Kraftstoffverhältnis abhängigen Wert und/oder einem von der Abgasrückführungsmenge abhängigen Wert und/oder einem von dem Zündzeitpunkt abhängigen Wert geschätzt wird. Da die NOx Abgaskonzentration unter Verwendung der vier Grundrechenarten erhalten wird, wird die Anzahl der Abbildungen verringert und somit die Speicherkapazität reduziert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend: ein NOx Katalysator (13b), der in einer Abgasführung (14) der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, ein NOx- Abgasmengen (QNO)-Schätzmittel (S22) zum Schätzen der Menge an NOx, die von der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wurde, ein Luft-Kraftstoffverhältnis- Steuermittel zum Steuern des Luft- Kraftstoffverhältnisses (A/F) auf der Grundlage der geschätzten NOx-Abgasmenge (QNO), die durch das NOx- Abgasmengen-Schätzmittel (230) geschätzt wurde, und ein NOx-Abgaskonzentrations-Schätzmittel (S16) zum Schätzen der besagten Konzentration (DN) des abgegebenen NOx auf der Grundlage eines von dem Luft-Kraftstoffverhältnis (A/F) abhängenden Wertes oder eines von der Abgasrückführungsmenge (EGR) abhängenden Wertes und eines von dem Zündzeitpunkt abhängenden Wertes.
2. Vorrichtung zum Steuern des Kraftstoff-Luftgemisches bei einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das besagte NOx-Abgaskonzentrations-Schätzmittel (S16) den Schätzwert der NOx-Abgaskonzentration (DN) auf der Grundlage der vier Grundrechenarten basierend auf dem Luft-Kraftstoffverhältnis (A/F) und/oder der Abgasrückführmenge (EGR) und/oder dem von dem Zündzeitpunkt abhängenden Wert berechnet.
3. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Schätzwert der NOx-Abgaskonzentration (DN) mit der Formel berechnet wird:
DN = K1 . A/F + K2 . EGR,
wobei DN den Schätzwert der NOx-Abgaskonzentration bezeichnet, A/F das Luft-Kraftstoffverhältnis bezeichnet, EGR die Abgasrückführungsmenge bezeichnet und K1 und K2 Koeffizienten darstellen, die von dem Zündzeitpunkt abhängen.
4. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die besagte Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein NOx- Abgasmengen-Schätzmittel (S24) umfasst, um die NOx- Abgasmenge (QNO) auf der Grundlage des Schätzwertes an NOx-Abgaskonzentration (DN) und eine Ansaugluftmenge zu schätzen.
5. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die besagte Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein Zündzeitpunkt-Erfassungsmittel (230) umfasst.
6. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die besagte Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein Luft- Kraftstoffverhältnis-Erfassungsmittel (12) umfasst.
7. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die besagte Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein Abgasrückführungsmengen-Erfassungsmittel (S21) umfasst.
8. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die besagte Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses ein Abgasrückführungs-Ventilöffnungsgrad-Erfassungsmittel (27) umfasst.
9. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der besagte Zündzeitpunkt einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
10. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das besagte Luft- Kraftstoffverhältnis (A/F) einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
11. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die besagte Abgasrückführungsmenge (EGR) einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
12. Vorrichtung zum Steuern des Luft-Kraftstoffverhältnisses bei einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der besagte Abgasrückführungs- Ventilöffnungsgrad einem Wert entspricht, der von einem Betriebszustand abhängt.
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