DE10104729B4

DE10104729B4 - Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelvorrichtung für Abgas aus einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10104729B4
Application number: DE10104729A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Wako Tagami; Isao Wako Komoriya
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2021-02-03
Also published as: US6351943B1; DE10104729A1; JP2001214780A; JP4354068B2

Abstract

Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas aus einer Brennkraftmaschine (1), umfassend:
einen Katalysator (3), der in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, um Stickoxid in dem Abgas zu absorbieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das von einer stromaufwärtigen Seite in den Katalysator (3) hineinströmt, ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis ist, und Reduzieren des absorbierten Stickoxids mit einem Reduktionsmittel in dem Abgas, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis ist;
einen Abgassensor (5), der stromab des Katalysators (3) angeordnet ist, um die Konzentration einer bestimmten Komponente in dem Abgas zu erfassen, das durch den Katalysator (3) hindurchgetreten ist;
eine Schätzeinrichtung (8) zum sequentiellen Erzeugen von Daten, die einen Schätzwert einer Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) nach einer Totzeit eines Abgassystems (E) repräsentieren, das von der stromaufwärtigen Seite des Katalysators (3) zu dem Abgassensor (5) reicht und den Katalysator (3) enthält; und...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von aus einer Brennkraftmaschine abgegebenem Abgas, und insbesondere eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas, das durch einen Katalysator vom Stickstoffoxid-Absorptionstyp gereinigt ist, der in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung hat eine Technik zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas vorgeschlagen, das in einen Katalysator eintritt, oder noch spezifischer das Luft-Kraftstoffverhältnis eines verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs, das, wenn verbrannt, als Abgas in einen Katalysator eintritt und als die Sauerstoffkonzentration im Abgas erkannt wird, wie z. B. in der JP-11-93740 A1 offenbart.
Nach diesem offenbarten System ist ein Abgassensor (O₂-Sensor) zum Erfassen der Konzentration einer bestimmten Komponente, z. B. Sauerstoff, des Abgases, das durch den Katalysator hindurchgetreten ist, stromab des Katalysators angeordnet, und das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, wird in Abhängigkeit von der Ausgabe des Abgassensors, d. h. des erfassten Werts der Sauerstoffkonzentration, gesteuert/geregelt.
Insbesondere ist die Reinigungsfähigkeit eines Katalysators, d. h. die Fähigkeit eines Katalysators, NOx (Stickoxid), HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenmonoxid), etc. zu reinigen, unabhängig vom Verschlechterungszustand des Katalysators optimal, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, nahe einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis ist und die Ausgabe des O₂-Sensors als dem Abgassensor sich auf einen bestimmten Ausgangswert stabilisiert hat. Bei der oben vorgeschlagenen Technik wird daher ein bestimmter Ausgangswert als Sollwert für die Ausgabe des O₂-Sensors benutzt, und das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, wird nach einem Rückkopplungsregelprozess geregelt, um die Ausgabe des O₂-Sensors zu dem Sollwert zu konvergieren.
Ein Abgassystem, das von einer stromaufwärtigen Seite des Katalysators zu dem stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensor reicht, d. h. ein System zum Erzeugen der Ausgabe des O₂-Sensors aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, hat, wegen des in dem Abgassystem enthaltenen Katalysators, eine relativ lange Totzeit. Anders gesagt, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, geändert wird, ist eine relativ lange Totzeit erforderlich, bis die Ausgabe des O₂-Sensors die Änderung in dem Luft-Kraftstoffverhältnis widerspiegelt. Bei der oben vorgeschlagenen Technik werden Daten, die einen Schätzwert der Ausgabe des O₂-Sensors nach der Totzeit des Abgassystems repräsentieren, sequentiell bestimmt. Dann wird eine Stellgröße, die ein Luft-Kraftstoffverhältnis für das in den Katalysator eintretende Abgas, d. h. ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das Abgas, sequentiell erzeugt, um den Schätzwert der Ausgabe des O₂-Sensors, der durch die obigen Daten repräsentiert ist, zu dem Sollwert zu konvergieren, und das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine tatsächlich verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs wird in Abhängigkeit vom Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis verändert. Auf diese Weise wird der Effekt der Totzeit kompensiert, und der Regelprozess zum Konvergieren der Ausgabe des O₂-Sensors zu dem Sollwert wird stabil ausgeführt.
Einige allgemein bekannten Brennkraftmaschinen, die an Automobilen oder dergleichen angebracht sind, d. h. sogenannte Magerverbrennungsmaschinen, werden derart betrieben, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs und somit das Luft-Kraftstoffverhältnis von Abgas, das in einen Katalysator eintritt, in Abhängigkeit von Betriebszuständen (Drehzahl, Einlassdruck, Lastanforderung etc.) der Brennkraftmaschine auf ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt wird, welches weniger Kraftstoff repräsentiert als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und auch die Menge (die absolute Menge) schädlicher Gase, die in dem Abgas enthalten sind, zu minimieren.
Während die Brennkraftmaschine betrieben wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis auf das magere Luft-Kraftstoffverhältnis zu regeln, ist es nach der oben vorgeschlagenen Technik noch nicht möglich, das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, zu regeln, um die Ausgabe des stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensors zu dem Sollwert zu konvergieren. Bei einigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ist es nicht möglich oder nicht bevorzugt, die Brennkraftmaschine zu betreiben, um das Luft-Kraftstoffverhältnis mit dem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis zu steuern/zu regeln.
Wenn die oben vorgeschlagene Technik zum Erreichen der optimalen Reinigungsfähigkeit des Katalysators bei der obigen Brennkraftmaschine angewendet wird, dann wird die Brennkraftmaschine in unterschiedlichen Modi betrieben, einschließlich einem Betriebsmodus (nachfolgend als ”stöchiometrischer Betriebsmodus” bezeichnet), in dem das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses geregelt wird, um die Ausgabe des stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensors zu dem Sollwert zu konvergieren, sowie einem Betriebsmodus (nachfolgend als ”Magerbetriebsmodus” bezeichnet), in dem das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, auf ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt wird. Steuerprozesse dieser Betriebsmodi werden selektiv in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ausgeführt.
Während eine Brennkraftmaschine im Magerbetriebsmodus arbeitet, ist die Menge an NOx, die im von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgas enthalten ist, allgemein relativ groß. Daher ist die Brennkraftmaschine mit einem NOx-Absorptionskatalysator kombiniert.
Der NOx-absorbierende Katalysator umfasst einen Dreiwege-Katalysator und ein NOx-Absorbens. Verfügbare NOX-Absorbentien umfassen ein NOx-Absorbens vom Speichertyp zum Speichern von NOx, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis ist und die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas relativ hoch ist, d. h. NOx in dem Abgas relativ hoch ist, und ein NOx-Absorbens vom Adsorptions-Typ zum Adsorbieren von NOx im Abgas, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis ist. Unabhängig davon, ob es vom Speichertyp oder Adsorptionstyp ist, reduziert ein NOx-Adsorbens NOx, das im mageres Luft-Kraftstoffverhältnis absorbiert (gespeichert oder adsorbiert) worden ist, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis ist oder ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis ist (bei dem der Kraftstoff mehr als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ist) und die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas relativ niedrig ist.
Insbesondere, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis wird, gibt der das NOx-Absorbens vom Speichertyp das gespeicherte NOx ab, und das abgegebene NOx wird durch ein Reduktionsmittel, wie etwa CO, H₂ oder dergleichen in dem Abgas reduziert. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis wird, wird das in dem Absorbens vom Adsorptionstyp adsorbierte NOx durch das Reduktionsmittel in dem Abgas reduziert, und das reduzierte Stickstoffgas wird vom NOx-Absorbens abgegeben.
Das NOx-Absorbens vom Speichertyp enthält Bariumoxid (BaO), und das NOx-Adsorbens vom Adsorptionstyp enthält Natrium (Na), Titan (Ti) oder Strontium (Sr).
Wenn die Brennkraftmaschine mit dem NOx-Absorptionskatalysator in der Abgasleitung im Magerbetriebsmodus arbeitet, ist die NOx-Menge, die vom NOx-Absorbens absorbiert werden kann, beschränkt. Daher ist es, nachdem die Brennkraftmaschine für eine gewisse Zeitdauer betrieben worden ist, notwendig, den Magerbetriebsmodus zu unterbrechen und NOx zu reduzieren, das vom Katalysator absorbiert worden ist. Wenn beispielsweise, wie in der JP-11-62562 A1 offenbart, die Absorption von NOx in dem Katalysator gesättigt ist, dann wird das Luft-Kraftstoffverhältnis vorübergehend auf ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt, und NOx, das vom Katalysator absorbiert worden ist, wird reduziert.
Wenn die Brennkraftmaschine selektiv im Magerbetriebsmodus im stöchiometrischen Betriebsmodus arbeitet, dann wird die Brennkraftmaschine im stöchiometrischen Betriebsmodus und danach im Magerbetriebsmodus betrieben, um hierdurch NOx zu reduzieren, das vom Katalysator absorbiert worden ist. Das heißt, während des Magerbetriebsmodus repräsentiert die Ausgabe des stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensors ein magereres Luft-Kraftstoffverhältnis als der Sollwert im stöchiometrischen Betriebsmodus. Wenn daher die Brennkraftmaschine vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus umschaltet und der Steuerprozess des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Abgases, das in den Katalysator eintritt, um die Ausgabe des O₂-Sensors zu dem Sollwert zu konvergieren, gestartet wird, wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases auf ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt, unmittelbar nachdem der Steuerprozess gestartet worden ist. Der Katalysator kann somit NOx reduzieren.
Der Katalysator kann NOx auch reduzieren, indem das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt, mit einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis positiv gesteuert/geregelt wird, wie in der JP-11-62562 A1 offenbart. Jedoch macht diese Anordnung die Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine kompliziert, weil ein anderer besonderer Steuerprozess, der vom Steuerprozess des stöchiometrischen Betriebsmodus getrennt ist, erforderlich ist.
Unter Bedingungen, in denen die Brennkraftmaschine im Magerbetriebsmodus betrieben werden kann, ist es erwünscht, so viele Gelegenheiten wie möglich vorzusehen, um den Regelprozess des Magerbetriebsmodus durchzuführen, um den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu minimieren. Um dieser Anforderung nachzukommen, wenn es zur Reduktion des NOx in dem Katalysator erforderlich ist, den Magerbetriebsmodus zu unterbrechen und den stöchiometrischen Betriebsmodus durchzuführen, sollte die Betriebsperiode der Brennkraftmaschine in der Brennkraftmaschine bevorzugt nur auf eine erforderliche Periode beschränkt werden.
Wenn die Reduktion von NOx in dem Katalysator im stöchiometrischen Betriebsmodus abgeschlossen ist, wechselt die Ausgabe des stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensors von einem Ausgangswert, der einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht, zu einem Ausgangswert, der einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht. Daher ist es möglich, die Zeit zu erkennen, wenn die Reduktion von NOx in dem Katalysator abgeschlossen ist, indem die Änderung in der Ausgabe des O₂-Sensors erfasst wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben versucht, um eine Periode, in der der Magerbetriebsmodus zur Reduktion von NOx unterbrochen (gehemmt) wird, auf eine Periode zu beschränken, bis die obige Änderung in der Ausgabe des stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensors erfasst wird.
Jedoch hat, wie oben beschrieben, das den Katalysator enthaltende Abgassystem eine relativ lange Totzeit. Demzufolge wird die obige Änderung in der Ausgabe des O₂-Sensors durch die Regelung im stöchiometrischen Betriebsmodus des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Abgases stromauf des Katalysators bis zu einer Zeit vor der Totzeit verursacht. Daher ist der Steuer/Regelprozess des stöchiometrischen Betriebsmodus in einer Periode zwischen der Zeit, wenn die Änderung in der Ausgabe des O₂-Sensors erfasst wird, und der Zeit, die um die Totzeit früher als die obige Zeit ist, nicht erforderlich, um NOx in dem Katalysator zu reduzieren. Anders gesagt, es wird zum Reduzieren von NOx der Magerbetriebsmodus unterbrochen und der stöchiometrischeBetriebsmodus wird für die unnötig lange Zeitperiode durchgeführt. Die unnötig lange Zeitperiode behindert Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine sowie die Menge schädlicher Abgase, die in dem Abgas enthalten sind, zu reduzieren.
Das NOx-Absorbens in dem NOx-Absorptionskatalysator wird allgemein schlechter, wenn die Brennkraftmaschine über eine längere Zeitperiode arbeitet, und wenn die Verschlechterung des NOx-Absorbens fortschreitet, wird die Menge von NOx, die hierdurch im Magerbetriebsmodus absorbiert werden kann, reduziert. Wenn daher der Katalysator um einen gewissen Grad schlechter wird, ist es erwünscht, den Verschlechterungszustand des Katalysators zu evaluieren, um den Katalysator zu ersetzen oder den Katalysator anderweitig zu behandeln. Die Erfinder haben versucht, die integrierte Menge (oder ein Äquivalent davon) reduzierender Mittel (HC, CO, H₂, etc.) für NOx zu bestimmen, die über das Abgas an den Katalysator gegeben werden, nachdem die Reduktion von NOx im stöchiometrischen Betriebsmodus begonnen hat, bis die obige Änderung in der Ausgabe des stromab des Katalysators angeordneten O₂-Sensors erfasst wird, d. h. bis die Reduktion von NOx in dem Katalysator abgeschlossen ist, und den Verschlechterungszustand des Katalysators auf der Basis des so bestimmten integrierten Betrags zu evaluieren.
Weil jedoch die Reduktionsmittel in dem dem Katalysator zugeführten Abgas in dem Regelprozess des stöchiometrischen Betriebsmodus während der Periode zwischen der Zeit, wenn die Änderung in der Ausgabe des O₂ Sensors erfasst wird, und der Zeit, die um die Totzeit früher als die obige Zeit ist, nicht wesentlich zur Reduktion von NOx beiträgt, war es schwierig, den Verschlechterungszustand des Katalysators geeignet zu evaluieren.
Aus der US 5,924,281 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas einer Brennkraftmaschine abzugeben, welche die Dauer, in der in einem Katalysator absorbiertes NOx reduziert wird, verkürzt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas.
Zur Lösung der obigen Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, angegeben, umfassend: einen Katalysator, der in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist, um Stickoxid in dem Abgas zu absorbieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das von einer stromaufwärtigen Seite in den Katalysator hineinströmt, ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis ist, und Reduzieren des absorbierten Stickoxids mit einem Reduktionsmittel in dem Abgas, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis ist; einen Abgassensor, der stromab des Katalysators angeordnet ist, um die Konzentration einer bestimmten Komponente in dem Abgas zu erfassen, das durch den Katalysator hindurchgetreten ist; eine Schätzeinrichtung zum sequentiellen Erzeugen von Daten, die einen Schätzwert einer Ausgabe des Abgassensors nach einer Totzeit eines Abgassystems repräsentieren, das von der stromaufwärtigen Seite des Katalysators zu dem Abgassensor reicht und den Katalysator enthält; eine Steuer/Regeleinrichtung zur Verwendung eines vorbestimmten Ausgangswerts des Abgassensors, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator eintretenden Abgases nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis ist, als Sollwert für die Ausgabe des Abgassensors, und zum selektiven Ausführen eines Steuer/Regelprozesses in einem stöchiometrischen Betriebsmodus zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses des in den Katalysator eintretenden Abgases, um den Schätzwert, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten repräsentiert wird, der Ausgabe des Abgassensors zu dem Sollwert zu konvergieren, sowie eines Steuer/Regelprozesses in einem Magerbetriebsmodus zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses des in den Katalysator eintretenden Abgases bei dem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis, wobei die Anordnung derart ist, dass die Steuer/Regeleinrichtung, nach Ausführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus, den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausführt, um einen Reduktionsprozess durchzuführen, um das Stickoxid in dem Katalysator zu reduzieren; und eine Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung zum sequentiellen Erkennen eines Reduktionszustands des Stickoxids in dem Katalysator auf der Basis von Daten, die durch die Schätzeinrichtung erzeugt werden, während in dem Reduktionsprozess der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird; wobei die Steuer/Regeleinrichtung ausgelegt ist, um in Abhängigkeit von dem von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung erkannten Reduktionszustand zu bestimmen, ob vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus umgeschaltet werden soll oder nicht.
Mit der obigen Anordnung wird der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus in dem Reduktionsprozess des Stickoxids (NOx), das vom Katalysator absorbiert wird, durchgeführt, während der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus von der Steuer/Regeleinrichtung ausgeführt wird. Insbesondere wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator eintretenden Abgases gesteuert/geregelt, um den Schätzwert, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten repräsentiert ist, der Ausgabe des Abgassensors zu dem Sollwert zu konvergieren, und als Ergebnis die Ausgabe des Abgassensors zu dem Sollwert zu konvergieren. Hierbei steuert/regelt schließlich der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das in den Katalysator eintritt (nachfolgend als das ”Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators” bezeichnet) auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis in der Nähe eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses. Jedoch wird in einer Anfangsstufe, unmittelbar nachdem der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus begonnen hat, das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators grundlegend auf ein fetteres Luft-Kraftstoffverhältnis aufgrund des Effekts des Magerbetriebsmodus gesteuert/geregelt, der vor dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wurde. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auf diese Weise gesteuert/geregelt wird, wird NOx in dem Katalysator durch in dem Abgas enthaltene Reduktionsmittel reduziert, die HC, CO, H₂ etc., sind.
Während der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus durchgeführt wird, erkennt die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung sequentiell den Reduktionszustand des NOx in dem Katalysator auf der Basis von durch die Schätzeinrichtung erzeugten Daten. Die Steuer/Regeleinrichtung bestimmt dann auf Basis des von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung erkannten Reduktionszustands, ob vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus umgeschaltet werden soll.
Die von der Schätzeinrichtung sequentiell erzeugten Daten umfassen Daten, die den geschätzten (erwarteten) Wert der Ausgabe des Abgassensors nach der Totzeit des den Katalysator enthaltenden Abgassystems repräsentieren, d. h. ein System zum Erzeugen der Ausgabe des Abgassensors aus dem von der Steuer/Regeleinrichtung gesteuerten/geregelten Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators. Daher ist der Reduktionszustand von NOx, der sequentiell von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung auf der Basis der obigen Daten erkannt wird, ein künftiger Reduktionszustand nach der Totzeit. Insbesondere wird zu jedem Zeitunkt während des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus der künftige Reduktionszustand von NOx nach der Totzeit als Ergebnis des stöchiometrischen Betriebsmodus bestimmt, der bereits bis zu dem Zeitpunkt ausgeführt wurde, und der künftige Reduktionszustand wird als Schätzzustand von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung erkannt.
Durch Bestimmung, ob vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus in Abhängigkeit vom so erkannten Reduktionszustand umgeschaltet werden soll, kann die Steuer/Regeleinrichtung vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus umschalten, bevor der Reduktionszustand ein gewünschter Reduktionszustand wird.
Infolgedessen wird die Periode zur Durchführung des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus zur Reduktion von NOx in dem Katalysator, d. h. die Periode zur Hemmung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus, nur auf eine notwendige Periode beschränkt, was es möglich macht, viele Gelegenheiten vorzusehen, um den Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus durchzuführen.
Während der Abgassensor bevorzugt einen O₂-Sensor (Sauerstoffkonzentrationssensor) umfasst, kann er auch einen NOx-Sensor umfassen, d. h. einen Sensor zur Erfassung der Konzentration von Stickoxid. Wenn ein O₂-Sensor als Abgassensor verwendet wird, dann sollte der Sollwert bevorzugt einen gewissen Konstantwert aufweisen, um die Reinigungsfähigkeit des Katalysators im stöchiometrischen Betriebsmodus zu erreichen. Wenn ein NOx-Sensor als Abgassensor verwendet wird, dann könnte ein Ausgangswert des NOx-Sensors, um dem Katalysator eine gute NOx-Reinigungsfähigkeit zu erlauben, als Sollwert für die Ausgabe des NOx-Sensors aufgestellt werden.
Der von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung erkannte Reduktionszustand repräsentiert einen Zustand, in dem die Reduktion von Stickoxid in dem Katalysator nach der Totzeit des Abgassystems abgeschlossen ist, und die Steuer/Regeleinrichtung ist ausgebildet um den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus vom Schalten zu dem Steuerprozess in den Magerbetriebsmodus zu unterbinden, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung den Zustand erkennt, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator nach der Totzeit des Abgassystems abgeschlossen ist.
Wenn zu einer bestimmten Zeit im stöchiometrischen Betriebsmodus, der zur Reduktion von NOx durchgeführt wird, erkannt wird, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator nach der Totzeit des Abgassystems abgeschlossen ist, ist die Reduktion von NOx in dem Katalysator nach der Totzeit ab der Erkennungszeit grundlegend abgeschlossen, obwohl das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator eintretenden Abgases nach der Erkennungszeit ohnehin gesteuert/geregelt wird. Nach der Zeit, zu der der Abschluss der NOx-Reduktion erkannt wird, ist es daher nicht erforderlich, den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zur Reduktion von NOx durchzuführen. Wenn Betriebsbedingungen (Drehzahl, Einlassdruck, Lastanforderung etc.) der Brennkraftmaschine jene zur Durchführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus sind, dann kann der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus ohne Ausfall durchgeführt werden. Daher hemmt nach der vorliegenden Erfindung die Steuer/Regeleinrichtung den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ab dem Schalten des Steuer/Regelprozesses in den Magerbetriebsmodus bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung den Zustand erkennt, in dem die Reduktion von NOx in dem Katalysator nach der Totzeit des Abgassystems abgeschlossen ist. Nachdem der Abschluss der Reduktion von NOx erkannt ist, kann der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Unter den Betriebsbedingungen, die eine Durchführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus erlauben, kann dieser infolgedessen wiederaufgenommen werden, bevor die Reduktion von NOx in dem Katalysator tatsächlich abgeschlossen ist.
Daher kann der Zustand, in dem der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zur Reduktion von NOx in dem Katalysator durchgeführt wird, auf eine notwendige Periode beschränkt werden, wodurch viele Gelegenheiten zur Durchführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus vorgesehen werden. Im Ergebnis kann der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine weiter reduziert werden.
Die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung kann ausgebildet sein, um den Zustand zu erkennen, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator nach der Totzeit des Abgassystems abgeschlossen ist, durch Vergleichen des Schätzwerts, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten repräsentiert ist, der Ausgabe des Abgassensors mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Der vorbestimmte Schwellenwert repräsentiert den Ausgangswert (z. B. einen mit zu dem Sollwert identischen Wert) des Abgassensors zu der Zeit, zu der das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases ein Luft-Kraftstoffverhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Luft- Kraftstoffverhältnisses ist.
Zum sequentiellen Erkennen des Abschlusses der Reduktion von NOx nach der Totzeit umfasst die Vorrichtung bevorzugt weiter eine Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Daten, die eine integrierte Menge des dem Katalysator zugeführten Reduktionsmittels repräsentieren, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung den Zustand erkennt, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator nach der Totzeit des Abgassystems abgeschlossen ist, nachdem der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus gestartet ist, während in dem Reduktionsprozess der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird; und eine Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung zum Evaluieren eines Verschlechterungszustands des Katalysators auf der Basis der von der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung erzeugten Daten.
Da insbesondere der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus in der Periode ausgeführt wird, nachdem er zur Reduktion von NOx begonnen hat, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung den obigen Zustand erkennt, ist die Reduktion von NOx in dem Katalysator nach der Totzeit ab der Zeit, zu der die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung den obigen Zustand erkennt, grundlegend abgeschlossen. Wenn danach die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung Daten erzeugt, die eine integrierte Menge des über das Abgas dem Katalysator zugeführten Reduktionsmittels (HC, CO, H₂ etc.) repräsentieren, in der Periode, nachdem der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus begonnen hat, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung den obigen Zustand erkennt, entsprechen die erzeugten Daten der gesamten NOx-Menge, die vom Katalysator während der Ausführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus vor der Ausführung des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus absorbiert worden ist. Da die Verschlechterung des Katalysators fortschreitet, wird die gesamte NOx-Menge, die hierdurch während des Steuer/Regelmodus im Magerbetriebsmodus absorbiert werden kann, reduziert. Daher korreliert der Integrationsbetrag des Reduktionsmittels, repräsentiert durch die Daten, die von der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung in der obigen Periode generiert sind, mit dem Verschlechterungszustand des Katalysators. Daher ist es möglich, den Verschlechterungszustand des Katalysators auf der Basis der von der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung generierten Daten zu evaluieren.
Die Menge des Reduktionsmittels kann aus der der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge und einem Befehlswert für die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge geschätzt werden.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner eine Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung zum Erkennen, ob die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator gesättigt ist oder nicht, während der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus durch die Steuer/Regeleinrichtung ausgeführt wird, wobei die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung ausgelegt ist, um den Verschlechterungszustand des Katalysators auf der Basis der durch die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung erzeugten Daten zu evaluieren, während der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird, nur dann, wenn die Steuer/Regeleinrichtung vom Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus umschaltet, nachdem die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung erkennt, dass die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator gesättigt ist.
Wenn der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus durchgeführt wird, bis die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung erkennt, dass die Absorption von NOx durch den Katalysator gesättigt ist, ist die gesamte NOx-Menge, die vom Katalysator in dem Sättigungszustand absorbiert ist, die NOx-Menge, die vom Katalysator maximal absorbiert werden kann, und sie korreliert genau mit dem Verschlechterungszustand des Katalysators. Daher nimmt die gesamte NOx-Menge monoton ab, wenn die Verschlechterung des Katalysators fortschreitet. Wenn der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus für die Reduktion von NOx durchgeführt wird, nachdem die Absorption von NOx durch den Katalysator gesättigt ist, erzeugt die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung Daten, die einen Integrationsbetrag des Reduktionsmittels repräsentieren, entsprechend der NOx-Gesamtmenge in dem Sättigungszustand. In Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann die Steuer/Regeleinrichtung den Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus umschalten, bevor die Absorption von NOx durch den Katalysator gesättigt ist, d. h. wenn der Katalysator mehr NOx absorbieren kann.
Die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung evaluiert den Verschlechterungszustand des Katalysators auf der Basis der durch die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung erzeugten Daten, während der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird, nur dann, wenn die Steuer/Regeleinrichtung vom Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus umschaltet, nachdem die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung erkennt, dass die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator gesättigt ist.
Auf diese Weise entspricht der Integrationsbetrag des Reduktionsmittels, repräsentiert durch die von der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung erzeugten Daten, der gesamten NOx-Menge in dem Sättigungszustand des Katalysators. Somit kann der Verschlechterungszustand des Katalysators auf der Basis der obigen Daten geeignet evaluiert werden.
Mit der Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung umfasst die Vorrichtung bevorzugt ferner ein Stickoxid-Mengendaten-Erzeugungsmittel zum sequentiellen Erzeugen von Daten, die eine integrierte Menge des dem Katalysator zugeführten Stickoxids repräsentieren, während von der Steuer/Regeleinrichtung der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus ausgeführt wird; wobei die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung ausgelegt ist, um zu bestimmen, ob die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator gesättigt ist oder nicht, durch Vergleichen der integrierten Menge des Stickoxids, die durch die vom Stickoxid-Mengendaten-Erzeugungsmittel erzeugten Daten repräsentiert ist, mit einem vorbestimmten Schwellenwert.
Der vorbestimmte Schwellenwert, der mit dem Integrationsbetrag des Stickoxids, repräsentiert durch die vom Stickoxid-Mengendaten-Erzeugungsmittel erzeugten Daten, zu vergleichen ist, wird bevorzugt in Abhängigkeit vom letzten Ergebnis des Verschlechterungszustands des Katalysators aufgestellt, der von der Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung evaluiert ist.
Insbesondere variiert die gesamte NOx-Menge, die vom Katalysator absorbiert wird, während die Absorption von NOx durch den Katalysator gesättigt wird, in Abhängigkeit vom Verschlechterungszustand des Katalysators, wie oben beschrieben. Daher kann durch Aufstellen des vorbestimmten Schwellenwerts, der mit dem Integrationsbetrag des Stickoxids zu vergleichen ist, in Abhängigkeit vom letzten Evaluierungsergebnis des Verschlechterungszustands des Katalysators, geeignet erkannt werden, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator gesättigt ist.
Wenn der vorbestimmte Schwellenwert, der mit dem Integrationsbetrag des Stickoxids zu vergleichen ist, in Abhängigkeit vom letzten Evaluie rungsergebnis des Verschlechterungszustands des Katalysators aufgestellt wird, dann umfasst die Steuer/Regeleinrichtung bevorzugt ein Mittel, um den Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus aufzuheben und den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus auszuführen, wenn die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung erkennt, dass die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator gesättigt ist, während der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus ausgeführt wird.
Wenn die Absorption von NOx durch den Katalysator gesättigt ist, während der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus ausgeführt wird, kann der Katalysator kein NOx absorbieren, solange nicht das absorbierte NOx reduziert ist. Durch Aufstellen des vorbestimmten Schwellenwerts in Abhängigkeit vom letzten Evaluierungsergebnis des Verschlechterungszustands des Katalysators oder in der Nähe der Zeit, zu der die Absorption des NOx durch den Katalysator tatsächlich gesättigt ist, kann der Sättigungszustand von der Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung erkannt werden. Durch Aufheben des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus und Ausführen des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Erkennung des Sättigungszustands wird daher verhindert, dass überschüssiges NOx, das vom Katalysator nicht absorbiert werden kann, durch den Katalysator hindurchtritt und abgegeben wird.
Die Schätzeinrichtung umfasst Mittel, um die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors repräsentieren, gemäß einem Algorithmus zu erzeugen, der auf der Basis eines Modells des Abgassystems aufgebaut ist, welches ein Verhalten des Abgassystems repräsentiert, das als ein System zum Erzeugen der Ausgabe des Abgassensors aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator eintretenden Abgases über ein Ansprechverzögerungselement und ein Totzeitelement betrachtet wird.
Durch Bestimmen eines Modells, das ein Verhalten des Abgassystems im Hinblick auf ein Ansprechverzögerungselement und ein Totzeitelement des Abgassystems repräsentiert, und Durchführung des Prozesses der Schätzeinrichtung gemäß einem Algorithmus auf der Basis des Modells können die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors nach der Totzeit des Abgassystems repräsentieren, geeignet erzeugt werden.
Insbesondere umfasst die Vorrichtung ferner einen Luft-Kraftstoffverhältnissensor, der stromauf des Katalysators angeordnet ist, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator eintretenden Abgases zu erfassen, wobei die Schätzeinrichtung ausgelegt ist, um die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors repräsentieren, unter Verwendung von Daten der Ausgabe des Abgassensors und Daten einer Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors zu erzeugen.
Unter Verwendung von Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors, die dem erfassten Wert einer Eingabe des Abgassystems entsprechen, sowie Daten der Ausgabe des Abgassensors, die dem erfassten Wert einer Ausgabe des Abgassystems entsprechen, können hoch zuverlässige Daten erzeugt werden, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors nach der Totzeit des Abgassystems repräsentieren. Infolgedessen kann der Reduktionszustand von NOx im stöchiometrischen Betriebsmodus auf der Basis der Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors repräsentieren, genau erkannt werden. Daher lässt sich adäquat bestimmen, ob vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus umgeschaltet werden soll. Da der Reduktionszustand von NOx genau erkannt werden kann, um den Verschlechterungszustand des Katalysators zu evaluieren, ist es möglich, Daten, die den Integrationsbetrag des Reduktionsmittels repräsentieren, der bis zum Abschluss der NOx-Reduktion erforderlich ist, während der Ausführung des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus nach der Ausführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus genau zu erzeugen. Somit wird das Evaluierungsergebnis des Verschlechterungszustands des Katalysators auf der Basis der den Integrationsbetrag des Reduktionsmittels repräsentierenden Daten hoch zuverlässig gemacht.
Gemäß dem Algorithmus der Schätzeinrichtung auf der Basis des Modells des Abgassystems kann es möglich sein, die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors repräsentieren, unter Verwendung von Daten (z. B. einem Sollwert für das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators) zu erzeugen, die von der Steuer/Regeleinrichtung als Definition des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators erzeugt werden, um das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators in dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu steuern/zu regeln, anstelle der Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors. Jedoch ist es zur Verbesserung der Genauigkeit der Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors repräsentieren, bevorzugt, die Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors zu benutzen, die die tatsächliche Eingabe in das Abgassystem repräsentieren.
Zur Durchführung des Prozesses der Schätzeinrichtung auf der Basis des Modells des Abgassystems besitzt das Modell des Abgassystems einen Parameter, der auf einen bestimmten Wert zur Definition seines Verhaltens zu setzen ist. Obwohl der Parameter einen vorbestimmten Festwert einnehmen kann, ist es bevorzugt, den Parameter des Modells sequentiell auf Echtzeitbasis zu identifizieren, um eine Passung zwischen dem Modell und dem tatsächlichen Verhalten des Abgassystems zu erreichen. Mit dem Luft-Kraftstoffsensor, der zum Erfassen des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators vorgesehen ist, kann der Parameter des Modells unter Verwendung der Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffsensors und der Daten der Ausgabe des Abgassensors identifiziert werden.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein Identifikationsmittel zum sequentiellen Identifizieren des Werts eines aufzustellen den Parameters des Modells des Abgassystems unter Verwendung der Daten der Ausgabe des Abgassensors und der Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors, während von der Steuer/Regeleinrichtung der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird, wobei die Schätzeinrichtung ausgelegt ist, um die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors repräsentieren, unter Verwendung des Werts des durch das Identifikationsmittel identifizieren Parameters des Modells, sowie der Daten der Ausgabe des Abgassensors und der Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors zu erzeugen.
Da mit der obigen Anordnung der Parameter des Modells sequentiell auf der Basis des tatsächlichen Verhaltens des Abgassystems identifiziert werden kann, wenn der Prozess der Schätzeinrichtung unter Verwendung des Parameters des Modells sowie der Daten der Ausgabe des Abgassensors und der Daten der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors durchgeführt wird, kann die Genauigkeit des Schätzwerts der Ausgabe des Abgassensors, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten repräsentiert wird, verbessert werden. Im Ergebnis kann der Reduktionszustand von NOx im stöchiometrischen Betriebsmodus zur Reduktion von NOx genauer erkannt werden. Somit lässt sich adäquat bestimmen, ob vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus umgeschaltet werden soll. Mit dem so evaluierten Verschlechterungszustand des Katalysators kann die Zuverlässigkeit des Verschlechterungszustands des Katalysators verbessert werden.
Bevorzugt umfasst der Parameter des Modells, der durch das Identifikationsmittel identifiziert ist, einen auf das Ansprechverzögerungselement bezogenen Verstärkungskoeffizienten und einen auf das Totzeitelement bezogenen Verstärkungskoeffizienten.
Durch Identifizieren des auf das Ansprechverzögerungselement bezogenen Verstärkungskoeffizienten und des auf das Totzeitelement bezogenen Verstärkungskoeffizienten als dem Parameter kann eine geeignete Passung zwischen dem Modell und dem Verhalten des Abgassystems erreicht werden, und somit kann die Genauigkeit des Schätzwerts der Ausgabe des Abgassensors, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten gemäß dem Algorithmus auf der Basis des Modells repräsentiert wird, verbessert werden.
Bevorzugt umfasst das Modell das Abgassystems ein zeitdiskretes Systemmodell, das die Ausgabe des Abgassensors in jedem Steuer/Regelzyklus ausdrückt, unter Verwendung der Ausgabe des Abgassensors in einem vergangenen Steuer/Regelzyklus vor dem Steuer/Regelzyklus und der Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors in einem Steuer/Regelzyklus vor der Totzeit des Abgassystems.
Durch Aufstellen des Modells des Abgassystems als zeitdiskretes Systemmodell kann das Verhalten des Abgassystems durch das Modell konvergiert werden, und es ist leicht, den Algorithmus des Prozesses des Identifikationsmittels und des Prozesses der Schätzeinrichtung aufzustellen.
Mit dem als zeitdiskretes Systemmodell aufgebauten Modell werden als der Parameter des Modells ein auf die Ausgabe des Abgassensors bezogener Koeffizient und ein auf die Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors bezogener Koeffizient in dem Modell vorgesehen. Der auf die Ausgabe des Abgassensors bezogene Koeffizient wird der auf das Ansprechverzögerungselement bezogene Verstärkungskoeffizient, und der auf die Ausgabe des Luft-Kraftstoffverhältnissensors bezogene Koeffizient wird der auf das Totzeitelement bezogene Verstärkungskoeffizient.
Bevorzugt umfasst der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus, der von der Steuer/Regeleinrichtung ausgeführt wird, einen Prozess, um gemäß einem Rückkopplungsregelprozess eine Stellgröße zu erzeugen, die das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator eintretenden Abgases definiert, um den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten repräsentiert wird, zu dem Sollwert zu konvergieren, und das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine zu verbrennenden Luft-Kraftstoffgemischs in Abhängigkeit von der Stellgröße zu verstellen.
Mit dem vorgesehenen Luft-Kraftstoffverhältnissensor umfasst der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus, der von der Steuer/Regeleinrichtung ausgeführt wird, einen Prozess, um gemäß einem ersten Rückkopplungsregelprozess ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis (ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators) für das in den Katalysator eintretende Abgas zu erzeugen, um den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors, der durch die von der Schätzeinrichtung erzeugten Daten repräsentiert wird, zu dem Sollwert zu konvergieren, und, gemäß einem zweiten Rückkopplungsregelprozess, das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine zu verbrennenden Luft-Kraftstoffgemischs zu verstellen, um das vom Luft-Kraftstoffverhältnissensor erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis zum Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis zu konvergieren.
In dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus, wie oben beschrieben, wird eine Stellgröße, die das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators (ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators, einen Regulierbetrag für die Kraftstoffzufuhrmenge der Brennkraftmaschine etc.) definiert, gemäß dem Rückkopplungsregelprozess erzeugt, und das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs wird gemäß der Stellgröße verstellt, so dass das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators zum Konvergieren des Schätzwerts der Ausgabe des Abgassensors und daher der tatsächlichen Ausgabe des Abgassensors an ihren Sollwert geeignet geregelt werden kann.
Mit dem vorgesehenen Luft-Kraftstoffverhältnissensor wird das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis, das ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators ist, als Stellgröße gemäß dem ersten Rückkopplungsregelprozess erzeugt, und das Luft-Kraftstoffverhältnis des von der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs wird gemäß dem zweiten Rückkopplungsregelprozess verstellt, um das vom Luft-Kraftstoffverhältnissensor erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis zu dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis zu konvergieren. Auf diese Weise kann das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators zuverlässig so geregelt werden, dass der Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors und somit die tatsächliche Ausgabe des Abgassensors zu ihrem Sollwert konvergiert.
Im Ergebnis kann NOx in dem Katalysator durch Ausführung des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus glattgängig reduziert werden.
Der Rückkopplungsregelprozess zur Erzeugung der Stellgröße, die das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das in den Katalysator eintretende Abgas einschließt, umfasst bevorzugt einen Gleitmodusregelprozess. Bevorzugt umfasst der Gleitmodusregelprozess einen adaptiven Gleitmodusregelprozess.
Der adaptive Gleitmodusregelprozess ist eine Kombination eines normalen Gleitmodusregelprozesses und einer Steuervorschrift, die als adaptive Vorschrift (adaptiver Algorithmus) bezeichnet wird, um den Effekt einer Störung oder dergleichen zu minimieren. Insbesondere verwendet der Gleitmodusregelprozess allgemein eine Funktion, die als Schaltfunktion bezeichnet wird, die die Differenz zwischen einer Regelgröße (der Ausgabe des Abgassensors) und deren Sollwert aufweist, und es ist wichtig, die Schaltfunktion an ”0” zu konvergieren. Der normale Gleitmodusregelprozess verwendet eine Steuervorschrift, die als Reaching-Steuervorschrift bezeichnet wird, um die Schaltfunktion an ”0” zu konvergieren. Wenn dieser der Wirkung einer Störung oder dergleichen unterliegt, ist es jedoch schwierig, dass die Reaching-Steuervorschrift allein einen ausreichenden Stabilitätswert und eine schnelle Reaktion erreicht, mit der der Wert der Schaltfunktion an ”0” konvergiert wird. Andererseits benutzt der adaptive Gleitmodusregelprozess eine Steuervorschrift, die als adaptive Vorschrift (adaptiver Algorithmus) bezeichnet wird, zusätzlich zu der Reaching-Steuervorschrift, um den Wert der Schaltfunktion an ”0” zu konvergieren, während der Effekt einer Störung oder dergleichen minimiert wird.
Durch Verwendung des Gleitmodusregelprozesses, insbesondere des adaptiven Gleitmodusregelprozesses, zum Erzeugen einer Stellgröße wie etwa des Soll-Luft-Kraftstoffverhältnisses ist es möglich, eine geeignete Stellgröße zu erzeugen, um den Regelprozess zum Konvergieren der Ausgabe des Abgassensors zu dem Sollwert stabil und schnell durchzuführen. Im Ergebnis kann, wenn der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Steuer/Regelmodus zum Reduzieren von NOx durchgeführt wird, nachdem der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus durchgeführt worden ist, NOx in dem Katalysator schnell und glattgängig reduziert werden. Demzufolge kann die Periode, in der der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus zum Reduzieren von NOx gehemmt wird, verkürzt werden, was mehr Gelegenheiten ergibt, um den Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus durchzuführen.
Da unter den Betriebsbedingungen zum Fortführen des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Steuer/Regelmodus der Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors und somit die tatsächliche Ausgabe des Abgassensors mit schneller Reaktion hochstabil auf ihren Sollwert geregelt werden kann, kann die gewünschte Reinigungsleistung des Katalysators zuverlässig erhalten bleiben.
Mit dem vorgesehenen Luft-Kraftstoffsensor und dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Steuer/Regelmodus, der nach dem ersten und zweiten Rückkopplungsregelprozess durchgeführt wird, umfasst der zweite Rückkopplungsregelprozess bevorzugt einen von einer rekursiven Rückkopplungsregeleinrichtung ausgeführten Regelprozess.
Insbesondere umfasst die rekursive Rückkopplungsregeleinrichtung einen adaptiven Regler oder einen Optimumregler. Durch Verstellen des Luft-Kraftstoffverhältnisses des von der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs zur Konvergierung des vom Luft-Kraftstoffverhältnissensor erfassten Luft-Kraftstoffverhältnisses (des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators) an das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis gemäß einem Regelprozess der rekursiven Rückkopplungsregeleinrichtung, kann das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auf das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt werden, während dynamische Änderungen, wie etwa Änderungen in den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine und zeitabhängige Charakteristikänderungen der Brennkraftmaschine, schnell aufgefangen werden können. Demzufolge kann das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators mit einer sehr schnellen Reaktion geregelt werden, umd die Ausgabe des Abgassensors zu dem Sollwert zu konvergieren.
Die rekursive Rückkopplungsregeleinrichtung bestimmt eine neue Rückkopplungsstellgröße gemäß einer Rekursionsformel, die eine vorbestimmte Anzahl von Zeitseriendaten vor der gegenwärtigen Zeit einer Rückkopplungsstellgröße für das Luft-Kraftstoffverhältnis des von der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs, z. B. einer Korrekturgröße für die Kraftstoffzufuhrmenge, enthält. Die rekursive Rückkopplungsregeleinrichtung sollte bevorzugt einen adaptiven Regler aufweisen.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer gesamten Systemanordnung einer Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas aus einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das Ausgangscharakteristiken eines O₂-Sensors und eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors zeigt, die in der in 1 gezeigten Vorrichtung verwendet werden;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Grundanordnung einer auslassseitigen Steuereinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
4 ist ein Diagramm, das einen Gleitmodusregelprozess erläutert, der in der in 1 gezeigten Vorrichtung verwendet wird;
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Grundanordnung einer maschinenseitigen Steuereinheit in der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm eines adaptiven Reglers in der in 5 gezeigten maschinenseitigen Steuereinheit;
7 ist ein Flussdiagramm einer Prozesssequenz der maschinenseitigen Steuereinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung;
8 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 7 gezeigten Prozesssequenz;
9 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 7 gezeigten Prozesssequenz;
10 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 7 gezeigten Prozesssequenz;
11 ist ein Diagramm, das einen Teil der in 10 gezeigten Unterroutine darstellt;
12 ist ein Flussdiagramm einer Prozesssequenz der auslassseitigen Steuereinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung;
13 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 12 gezeigten Prozesssequenz;
14 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 12 gezeigten Prozesssequenz;
15 ist ein Diagramm, das einen Teil der in 14 gezeigten Unterroutine darstellt;
16 ist ein Diagramm, das einen Teil der in 14 gezeigten Unterroutine darstellt; und
17 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 12 gezeigten Prozesssequenz.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas aus einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf die 1 bis 17 beschrieben.
1 zeigt in Blockform eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas aus einer Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, ist eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine 1 als Vortriebsquelle, d. h. Antriebsquelle für Antriebsräder (nicht gezeigt), beispielsweise an einem Automobil oder einem Hybridfahrzeug angebracht. Wenn ein Gemisch von Kraftstoff und Luft in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 1 verbrannt wird, entsteht Abgas und wird von jedem Zylinder in ein gemeinsames Auslassrohr 2 abgegeben, das nahe der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, von wo das Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird. Ein Katalysator 3, der einen Dreiwege-Katalysator und ein NOx-Absorbens (Stickoxidabsorbens) aufweist, ist in dem gemeinsamen Auslassrohr 2 zum Reinigen des Abgases angebracht.
Das NOx-Absorbens des Katalysators 3 kann entweder ein NOx-Absorbens vom Speichertyp oder ein NOx-Absorbens vom Adsorptionstyp aufweisen.
Die Vorrichtung besitzt einen Luft-Kraftstoffverhältnissensor 4, der an dem Auslassrohr 2 stromauf des Katalysators 3 angebracht ist, oder genauer an einer Stelle, wo die Abgase von den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zusammenkommen, sowie einen O₂-Sensor (Sauerstoffkonzentrationssensor) 5, der als Abgassensor an dem Auslassrohr 2 stromab des Katalysators 3 angebracht ist.
Der O₂-Sensor 5 umfasst einen normalen O₂-Sensor zum Erzeugen einer Ausgabe VO2/OUT mit einem Pegel, der von der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abhängig ist, das durch den Katalysator 3 hindurchgetreten ist, d. h. eine Ausgabe VO2/OUT, die einen erfassten Wert der Sauerstoffkonzentration repräsentiert. Die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas geht mit dem Luft-Kraftstoffverhältnis eines Luft-Kraftstoffgemischs einher, das, wenn verbrannt, das Abgas erzeugt. Die Ausgabe VO2/OUT vom O₂-Sensor 5 ändert sich mit hoher Empfindlichkeit proportional zur Sauerstoffkon zentration in dem Abgas, wobei das Luft-Kraftstoffverhältnis, das der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas entspricht, in einem Bereich Δ nahe einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis ist, wie in 2 mit der durchgehenden Kurve a angegeben. Bei Sauerstoffkonzentrationen entsprechend Luft-Kraftstoffverhältnissen außerhalb des Bereichs Δ ist die Ausgabe VO2/OUT vom O₂-Sensor 5 gesättigt und hat einen im Wesentlichen konstanten Pegel.
Der Luft-Kraftstoffverhältnissensor 4 erzeugt eine Ausgabe KACT, die einen erfassten Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisses repräsentiert, das aus der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erkannt wird, das in den Katalysator 3 eintritt. Der Luft-Kraftstoffverhältnissensor 4 umfasst einen Breitband-Luft-Kraftstoffverhältnissensor, wie er z. B. im Detail in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 4-369471 offenbart ist. Wie in 2 mit der durchgehenden Kurve b angegeben, erzeugt der Luft-Kraftstoffverhältnissensor 4 eine Ausgabe, deren Pegel proportional zur Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, in einem breiteren Band als der O₂-Sensor 5. Anders gesagt, der Luft-Kraftstoffverhältnissensor 4 (nachfolgend als der ”LAF-Sensor 4” bezeichnet) erzeugt eine Ausgabe KACT, deren Pegel der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas in einem breiten Band von Luft-Kraftstoffverhältnissen entspricht.
Die Vorrichtung sieht verschiedene Betriebsmodi der Brennkraftmaschine 1 vor, oder spezifischer, verschiedene Modi zum Steuern/Regeln eines Luft-Kraftstoffverhältnisses. Diese Betriebsmodi beinhalten einen stöchiometrischen Betriebsmodus, in dem das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator 3 eintretenden Abgases, d. h. das vom LAF-Sensor 4 erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis (nachfolgend als ”Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators” bezeichnet) auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis gesteuer/geregelt wird, das dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis nahe ist, um eine optimale Reinigungsleistung des Katalysators 3 zu erreichen, sowie einen Magerbetriebsmodus, in dem das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auf ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis gesteuert/geregelt wird. Die Vorrichtung betreibt die Brennkraftmaschine selektiv in diesen Betriebsmodi. Während die Brennkraftmaschine im stöchiometrischen Betriebsmodus arbeitet, wird der Verschlechterungszustand des Katalysators 3, oder genauer der Verschlechterungszustand des Katalysators 3 in Bezug auf die Absorption von NOx durch das NOx-Absorbens des Katalysators 3, evaluiert.
Um die Steuer/Regelprozesse dieser Betriebsmodi sowie einen Steuer/Regelprozess zum Evaluieren des Verschlechterungszustands des Katalysators 3 auszuführen, besitzt die Vorrichtung eine Steuereinheit 6 mit einem Mikrocomputer. Die Steuerung 6 erhält die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 und die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5, und erfasst ferner Ausgaben von verschiedenen anderen Sensoren (nicht gezeigt) zur Erfassung von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1, einschließlich einem Maschinendrehzahlsensor, einem Einlassdrucksensor, einem Kühlmitteltemperatursensor, einer Drosselventilöffnung etc. Ein Verschlechterungsindikator 7 ist mit der Steuereinheit 6 verbunden, um den Verschlechterungszustand des Katalysators 3 anzuzeigen.
Der Verschlechterungsindikator 7 kann eine Lampe, einen Summer oder eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen von Schriftzeichen, eines Grafikbilds etc. aufweisen, um den Verschlechterungszustand des Katalysators 3 anzuzeigen.
Die Steuereinheit 6 umfasst eine auslassseitige Steuereinheit 8 und eine maschinenseitige Steuereinheit 9 zur Durchführung ihrer Steuerprozesse in Bezug auf gegebene Steuerzyklen.
Die maschinenseitige Steuereinheit 8 besitzt als ihre Funktionen eine Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 zum sequentiellen Bestimmen eines Soll-Luft-Kraftstoffverhältnisses (nachfolgend mit KCMD bezeichnet), das ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators ist, um eine optimale Reinigungsleistung des Katalysators 3 zu erreichen, als eine Stellgröße, die das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators definiert, eine Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 zum Evaluieren des Verschlechterungszustands des Katalysators 3 und zur Betriebssteuerung des Verschlechterunsindikators 7, sowie eine Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 zum Erkennen eines Reduktionszustands von NOx in dem Katalysator 3.
Im Hinblick auf Rechenlasten an der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung und eine relativ lange Totzeit des Abgassysems E, wie später beschrieben, wird der von der auslassseitigen Steuereinheit 8 durchgeführte Prozess in Steuerzyklen einer vorbestimmten konstanten Periode (z. B. 30–100 ms) durchgeführt.
Die maschinenseitige Steuereinheit 9 besitzt als ihre Funktionen eine Kraftstoffzufuhr-Steuereinrichtung 13 zum Einstellen der der Brennkraftmaschine 1 zuzuführenden Kraftstoffmenge in den stöchiometrischen und Magerbetriebsmodi zur sequentiellen Steuerung/Regelung des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators, ein Stickoxid-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung (NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung) 14 zum sequentiellen Erzeugen von Daten, die eine integrierte Menge von NOX repräsentieren, die im Magerbetriebsmodus dem Katalysator 3 zugeführt und vom Katalysator 3 absorbiert sind, eine Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 zum Erkennen, ob die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 im Magerbetriebsmodus gesättigt ist oder nicht, sowie eine Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 zum Erzeugen von Daten, die eine integrierte Menge eines Reduktionsmittels für NOx repräsentieren, das im stöchiometrischen Betriebsmodus dem Katalysator 3 zugeführt wird.
Da der Prozess des Kraftstoffzufuhr-Steuermittels 13 synchron mit Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine ausgeführt werden muss, wird der Prozess der maschinenseitigen Steuereinheit 9 in Steuerzyklen ausgeführt, die mit der Kurbelwinkelperiode (OT) der Brennkraftmaschine 1 synchronisiert sind.
Die Periode (Konstante) von Steuerzyklen der auslassseitigen Steuereinheit 8 ist länger als die Kurbelwinkelperiode (OT) der Brennkraftmaschine 1.
Die auslassseitige Steuereinheit 8 und die maschinenseitige Steuereinheit 9 kann verschiedene Daten austauschen (z. B. das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD), die hierdurch erzeugt werden.
die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 der auslassseitigen Steuereinheit 8 und die Kraftstoffzufuhr-Steuereinrichtung 13 der maschinenseitigen Steuereinheit 9 dienen gemeinsam als Steuereinrichtung 17.
die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 und die Kraftstoffzufuhr-Steuereinrichtung 13 der Steuereinrichtung 17 werden nachfolgend weiter beschrieben. Details der Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11, der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12, der NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14, der Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 sowie der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 werden später in Bezug auf die Beschreibung des Gesamtbetriebs der Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführung beschrieben.
In Bezug auf die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 der auslassseitigen Steuereinheit 8 wird die Reinigungsfähigkeit des Katalysators 3, oder spezifisch, die Rate, mit der NOx, HC, CO etc. in dem Abgas gereinigt werden, unabhängig vom Verschlechterungszustand des Dreiwege-Katalysators des Katalysators 3 optimal gemacht, wenn das Luft- Kraftstoffverhältnis des Abgases, das durch den Katalysator 3 strömt, auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt wird, das dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis nahe ist, so dass die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 sich auf einen konstanten Wert VO2/TARGET (siehe 2) stabilisiert. Das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungsmitel 10 verwendet den Konstantwert VO2/TARGET als Sollwert für die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 und erzeugt sequentiell ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD, um die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren.
Die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 erzeugt sequentiell das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD in Steuerzyklen (konstante Periode) der auslassseitigen Steuereinheit 8 gemäß einem Gleitmodusregelprozess, oder spezifisch einem adaptiven Gleitmodusregelprozess, der ein Rückkopplungsregelprozess ist, im Hinblick auf eine Totzeit, die in einem Abgassystem enthalten ist (in 1 mit E bezeichnet), das den Katalysator 3 enthält und vom LAF-Sensor 4 zu dem O₂-Sensor 5 entlang dem Auslassrohr 2 reicht, sowie Verhaltensänderungen des Abgassystems E.
Um den obigen Prozess der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 durchzuführen, wird das Abgassystem E als ein System zum Erzeugen der Ausgabe VO2/OUT des O₂ Sensors 5 aus der Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 (des erfassten Werts des Luft-Kraftstoffverhältnisses des stromauf des Katalysators) über ein Totzeitelement und ein Ansprechverzögerungselement betrachtet, und das Verhalten des Systems wird als zeitdiskretes System modelliert.
In der vorliegenden Ausführung wird die Differenz zwischen der Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 und einem vorbestimmten Referenzwert FLAF/BASE (= KACT – FLAF/BASE, nachfolgend als ”Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4” bezeichnet) als Eingabe zu dem Abgassystem E benutzt, und die Differenz zwischen der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 und dem Sollwert VO2/TARGET (= VO2/OUT – VO2/TARGET, nachfolgend als ”Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5” bezeichnet) wird als Ausgabe vom Abgassystem E verwendet. Das Verhalten des Abgassystems E wird durch ein autoregressives Modell ausgedrückt, spezifisch durch ein autoregressives Modell mit einer Totzeit in der Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 als Eingabe zu dem Abgassystem E gemäß der unten gezeigten Gleichung (1). Der Referenzwert FLAF/BASE in Bezug auf die Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 ist auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis gesetzt. VO2(k + 1) = a1·VO2(k) + a2·VO2(k – 1) + b1·kact(k – d) (1)
In der Gleichung (1) repräsentiert ”k” die Ordnungszahl eines zeitdiskreten Steuerzyklus der auslassseitigen Steuereinheit 8, und ”d” die Totzeit des Abgassystems E, ausgedrückt durch die Anzahl der Steuerzyklen. Die Totzeit des Abgassystems E (insbesondere die erforderliche Totzeit, bis das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators, das zu jedem Zeitpunkt durch den LAF-Sensor 4 erfasst wird, sich in der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 widerspiegelt) allgemein gleich der Zeit 3–10 Steuerzyklen (d = 3–10) ist, wenn die Periode (in der vorliegenden Ausführung konstant) von Steuerzyklen der auslassseitigen Steuereinheit 8 von 30 bis 100 ms reicht. In der vorliegenden Ausführung wird ein vorbestimmter Konstantwert (z. B. d = 7), der gleich oder ein wenig länger der tatsächlichen Totzeit des Abgassystems E ist, als die Totzeit d in dem Modell des Abgassystems E (nachfolgend als ”Abgassystemmodell” bezeichnet) benutzt, wie in der Gleichung (1) ausgedrückt.
Der erste und zweite Ausdruck an der rechten Seite von Gleichung (1) entsprechen einem Reaktionsverzögerungselement des Abgassystems E, wobei der erste Ausdruck ein primärer autoregressiver Ausdruck ist und der zweite Ausdruck der sekundäre autoregressive Ausdruck. In dem ersten und dem zweiten Ausdruck repräsentieren ”a1”, ”a2” jeweilige Verstärkungskoeffizienten des primären autoregressiven Ausdrucks und des sekundären autoregressiven Ausdrucks. Anders gesagt, diese Verstärkungskoeffizienten a1, a2 beziehen sich auf die Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 als der Ausgabe des Abgassystems E.
Der dritte Ausdruck an der rechten Seite von Gleichung (1) repräsentiert die Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 als die Eingabe in das Abgassystem E, das die Totzeit d des Abgassystems E enthält. In dem dritten Ausdruck repräsentiert ”b1” einen Verstärkungskoeffizienten in Bezug auf die Eingabe in das Abgassystem E, d. h. die Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4. Diese Verstärkungskoeffizienten ”a1”, ”a2”, ”b1” sind Parameter, die bei der Definition des Verhaltens des Abgassystemmodells auf bestimmte Werte zu setzen sind, und sie werden sequentiell von einem Identifizierer identifiziert, der später beschrieben wird.
Das gemäß Gleichung (1) definierte Abgassystemmodell drückt die Differenzausgabe VO2(k + 1) des O₂-Sensors 5 in jedem Steuerzyklus der auslassseitigen Steuereinheit 8 mit Differenzausgaben VO2(k), VO2(k – 1) des O2-Sensors 5 in vergangenen Steuerzyklen vor dem obigen Steuerzyklus und einer Differenzausgabe kact(k – d) des LAF-Sensors 4 in einem Steuerzyklus vor der Totzeit d des Abgassystems E aus.
Die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 erzeugt das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD auf der Basis des gemäß Gleichung (1) definierten Abgassystemmodells in Steuerzyklen, d. h. Steuerzyklen mit konstanter Periode, der auslassseitigen Steuereinheit 8. Zur Durchführung dieses Prozesses besitzt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 die in 3 gezeigten Funktionen.
Wie in 3 gezeigt, besitzt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis- Erzeugungseinrichtung 10 einen Subtrahierer 18 zum Subtrahieren des Luft-Kraftstoffverhältnis-Referenzwerts FLAF/BASE von der Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4, um sequentiell die Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 in jedem Steuerzyklus zu bestimmen, sowie einen Subtrahierer 19 zum Subtrahieren des Sollwerts VO2/TARGET von der Ausgabe VO2/OUT vom O₂-Sensor 5, um die Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 in jedem Steuerzyklus sequentiell zu bestimmen.
Die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 besitzt auch einen Identifizierer 20 (ein Identifiziermittel), um in jedem Steuerzyklus sequentiell Identifikationswerte a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut der Verstärkungskoeffizienten A1, a2, b1 zu bestimmen (nachfolgend als ”identifizierte Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut” bezeichnet), die vom Abgassystemmodell zu setzende Parameter sind, ein Schätzglied 21 (Schätzmittel), um in jedem Steuerzyklus sequentiell einen Schätzwert VO2 Balken der Differenzausgabe VO2 vom O₂-Sensor 5 (nachfolgend als ”geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken” bezeichnet) nach der Totzeit d des gegenständlichen Abgassystems E zu bestimmen, sowie einen Gleitmodusregler 22, um in jedem Steuerzyklus sequentiell das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD gemäß einem adaptiven Gleitmodusregelprozess zu berechnen, um die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken des O₂-Sensors 5 zu ”0” zu konvergieren, oder anders gesagt, um den Schätzwert (= VO2 Balken + VO2/TARGET) der Ausgabe VO2/OUT vom O₂-Sensor 5 nach der Totzeit d des Abgassystems E zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren.
Der Algorithmus eines Bearbeitungsvorgangs, der vom Identifizierer 20, dem Schätzglied 21 und dem Gleitmodusregler 22 durchzuführen ist, ist wie folgt aufgebaut:
Der Identifizierer 20 dient dazu, die Werte der Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 sequentiell in Echtzeitbasis zu dem Zweck zu identifizieren, einen Modellfehler des durch Gleichung (1) ausgedrückten Abgassystemmodells in Bezug auf das tatsächliche Abgassystem E zu minimieren. Der Identifizierer 22 führt seinen Identifikationsprozess wie folgt aus:
In jedem Steuerzyklus der auslassseitigen Steuereinheit 8 bestimmt der Identifizierer 20 einen identifizierten Wert VO2(k) Hut der Differenzausgabe VO2 (der Ausgabe des Abgassystemmodells) vom O₂-Sensor 5 (nachfolgend als ”identifizierte Differenzausgabe VO2(k) Hut” bezeichnet) an dem Abgassystemmodell unter Verwendung der Daten der gegenwärtigen Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut des Abgassystemmodells, d. h. Werten der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k – 1) Hut, a2(k – 1) Hut, b1(k – 1) Hut, die in einem vorhergehenden Steuerzyklus bestimmt sind, sowie der Daten kact(k – d – 1), VO2(k – 1), VO2(k – 2) der vergangenen Werte der Differenzausgabe kact vom LAF-Sensor 4 und der Differenzausgabe VO2 vom O₂-Sensor 5 gemäß der folgenden Gleichung (2): VÔ2(k) = a1 ^(k – 1)·VO2(k – 1) + a2 ^(k – 1)·VO2(k – 2) + b1 ^(k – 1)·kact(k – d1 – 1) = ΘT(k – 1)·ξ(k) (2)wobei
Θ^T(k) = [a1 ^(k)a2 ^(k)b1 ^(k)]
ξ^T(k) = [VO2(k – 1)VO2(k – 2)kact(k – d1 – 1)]
Die Gleichung (2) entspricht der Gleichung (1), die das Abgassystemmodell ausdrückt, das um einen Steuerzyklus in die Vergangenheit verschoben ist, wobei die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 durch die jeweils identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k – 1) Hut, a2(k – 1) Hut, b1(k – 1) Hut ersetzt sind. Der Konstantwert (d = 7), der wie oben beschrieben aufgestellt ist, wird als der Wert der Totzeit d = des Abgassystems E in dem dritten Ausdruck von Gleichung (2) benutzt.
In der Gleichung (2) repräsentieren Θ, ε darin definierte Vektoren. In Gleichung (2) repräsentiert der Buchstabe T eine Transposition.
Der Identifizierer 20 bestimmt auch eine Differenz id/e(k) zwischen der identifizierten Differenzausgabe VO2(k) Hut vom O₂-Sensor 5, die durch die Gleichung (2) bestimmt ist, und der gegenwärtigen Differenzausgabe VO2(k) vom O₂-Sensor 5, als Repräsentant eines Modellfehlers des Abgassystemmodells in Bezug auf das tatsächliche Abgassystem E (nachfolgend wird die Differenz id/e als ”Identifikationsfehler id/e” bezeichnet) gemäß der folgenden Gleichung (3): id/e(k) = VO2(k) – VO2(k) (3)
Der Identifizierer 20 bestimmt ferner neu identifizierte Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut, anders gesagt, einen neuen Vektor Θ(k), der diese identifizierten Verstärkungskoeffizienten als Elemente aufweist (nachfolgend wird der neue Vektor Θ(k) als ”identifizierter Verstärkungskoeffizienten-Vektor Θ” bezeichnet), um den Identifikationsfehler id/e zu minimieren, gemäß der nachfolgenden Gleichung (4). Das heißt, der Identifizierer 25 variiert die identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k – 1) Hut, a2(k – 1) Hut, b1(k – 1) Hut, die im vorhergehenden Steuerzyklus bestimmt wurden, um eine Größe, die zum Identifikationsfehler id/e proportional ist, um hierdurch die neu identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut zu bestimmen. Θ(k) = Θ(k – 1) + Kθ(k)·id/e(k) (4) wobei KΘ einen kubischen Vektor repräsentiert, der durch die folgende Gleichung (5) bestimmt wird, d. h. einen Verstärkungskoeffizienten-Vektor zur Bestimmung einer Änderung in Abhängigkeit vom Identifikationsfehler id/e der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut):
wobei P eine kubische Quadratmatrix repräsentiert, die durch eine rekursive Formel bestimmt ist, ausgedrückt durch die folgende Gleichung (6):
wobei I eine Einheitsmatrix repräsentiert.
In der Gleichung (6) sind λ₁, λ₂ so aufgestellt, dass sie den Bedingungen 0 < λ₁ ≤ 1 und 0 ≤ λ₂ < 2 genügen, und ein Anfangswert P(0) von P repräsentiert eine Diagonalmatrix, deren Diagonalkomponenten positive Zahlen sind.
In Abhängigkeit davon, wie λ₁, λ₂ in Gleichung (6) aufgestellt sind, kann irgendeiner verschiedener spezifischer Algorithmen verwendet werden, einschließlich einer Festverstärkungsmethode, einer degressiven Verstärkungsmethode, einer Methode gewichteter kleinster Quadrate, einer Methode kleinster Quadrate, einer Feste-Kurve-Methode etc. Gemäß der vorliegenden Ausführung wird z. B. eine Methode der kleinsten Quadrate (λ₁ = λ₂ = 1) verwendet.
Grundlegend bestimmt der Identifizierer 20 sequentiell in jedem Steuerzyklus die identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut in der Reihenfolge, um den Identifikationsfehler Id/e gemäß dem obigen Algorithmus zu minimieren (Rechenoperation). Durch diese Operation ist es möglich, die identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut sequentiell zu erhalten, die zu dem tatsächlich vorliegenden Abgassystem E passen.
Der oben beschriebene Algorithmus ist der Basisalgorithmus, der vom Identifizierer 20 ausgeführt wird.
Das Schätzglied 21 bestimmt sequentiell in jedem Steuerzyklus die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken, die ein Schätzwert der Differenzausgabe VO2 vom O₂-Sensor 5 nach der Totzeit d ist, um den Effekt der Totzeit des Abgassystems E für die Berechnung des Soll-Luft-Kraftstoffverhältnisses KCMD mit dem Gleitmodusregler 22 zu kompensieren, wie im Detail später beschrieben. Der Algorithmus für das Schätzglied 21 zur Bestimmung der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken ist aufgebaut, wie unten beschrieben.
Unter Verwendung der Gleichung (1), die das Abgassystemmodell repräsentiert, kann die geschätzte Differenzausgabe VO2(k + d) Balken, die ein Schätzwert der Differenzausgabe VO2(k + d) des O₂-Sensors 5 nach der Totzeit d in jedem Steuerzyklus ist, unter Verwendung von zeitseriellen Daten VO2(k), VO2(k – 1) der gegenwärtigen und vergangenen Werte der Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 und zeitseriellen Daten kact(k – j)(j = 1, 2, ..., d) der vergangenen Werte der Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 gemäß der folgenden Gleichung (7) ausdrücken:
wobei

α1: = Element von A^d, erste Reihe, erste Spalte,
α2: = Element von A^d, erste Reihe, zweite Spalte,
βj: = Elemente von A^j-1·B erste Reihe

In der Gleichung (7) repräsentieren ”a1”, ”a2” das Element der ersten Reihe, ersten Spalte bzw. das Element der ersten Reihe, zweiten Spalte, der d-ten Potenz A^d (d: gesamte Totzeit) der wie oben beschrieben definierten Matrix A in Bezug auf Gleichung (7), und ”βj” (j = 1, 2, ..., d) repräsentiert die Elemente der ersten Reihe des Produkts A^j-1·B der (j – 1)-ten Potenz A^j-1 (j = 1, 2, ..., d) der Matrix A und den wie oben beschrieben definierten Vektor B in Bezug auf die Gleichung (7).
Die Gleichung (7) ist eine Basisformel für das Schätzglied 21 zum Bestimmen der geschätzten Differenzausgabe VO2(k + d) Balken. Anders gesagt, das Schätzglied 21 bestimmt in jedem Steuerzyklus die geschätzte Differenzausgabe VO2(k + d) Balken des O₂-Sensors 5 gemäß der Gleichung (7) unter Verwendung der zeitseriellen Daten VO2(k), VO2(k – 1) der Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 sowie der zeitseriellen Daten kact(k – j)(j = 1, 2, ..., d) der vergangenen Werte der Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4.
In der vorliegenden Ausführung werden die Werte der Koeffizienten a1, a2, βj (j = 1, 2, ..., d), die zur Berechnung der geschätzten Differenzausgabe VO2(k + d) Balken gemäß Gleichung (7) erforderlich sind, grundlegend unter Verwendung der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut berechnet, die die zuletzt identifizierten Werte der Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 sind (diese sind Elemente der Vektoren A, B, die in Bezug auf Gleichung (7) definiert sind). Der in Gleichung (7) erforderliche Wert der Totzeit d umfasst den vorbestimmten Wert, wie oben beschrieben.
Nachfolgend wird der Gleitmodusregler 22 im Detail beschrieben.
Der Gleitmodusregler 22 bestimmt eine Eingangsgröße, die dem zu steuernden Abgassystem E zuzuführen ist (dies ist spezifisch ein Sollwert für die Differenz zwischen der Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 (dem erfassten Wert des Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators) und dem Referenzwert FLAF/BASE, dessen Sollwert gleich dem Solldifferenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd ist) (die Eingangsgröße wird als ”SLD-Stelleingabe Usl” bezeichnet), um zu bewirken, dass sich die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 auf dem Sollwert VO2/TARGET stabilisiert, d. h. die Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 an ”0” konvergiert, gemäß einem adaptiven Gleitmodusregelprozess, der eine adaptive Steuervorschrift (einen adaptiven Algorithmus) enthält, um, in einem normalen Gleitmodusregelprozess, den Effekt einer Störung zu minimieren, und bestimmt das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD aus der so bestimmten SLD-Stelleingabe Usl. Ein Algorithmus zur Durchführung des adaptiven Gleitmodusregelprozesses ist wie folgt aufgebaut:
Zuerst wird nachfolgend eine Schaltfunktion beschrieben, die für den Algorithmus des adaptiven Gleitmodusregelprozesses erforderlich ist, der vom Gleitmodusregler 22 durchgeführt wird, sowie eine Hyperebene, die durch die Schaltfunktion definiert ist (auch als Gleitebene bezeichnet).
Nach einem Basiskonzept des Gleitmodusregelprozesses werden die Differenzausgabe VO2(k) des O₂-Sensors 5, die in jedem Steuerzyklus erhalten ist, und die Differenzausgabe VO2(k – 1), die im vorhergehenden Steuerzyklus erhalten ist, als zu steuernde Zustandsgrößen verwendet, und eine Schaltfunktion σ für den Gleitmodusregelprozess ist als lineare Funktion definiert, deren variable Komponenten durch die Differenzausgaben VO2(k), VO2(k – 1) repräsentiert sind, gemäß der folgenden Gleichung (8): σ(k) = s1·VO2(k) + s2·VO2(k – 1) = S·X (8)wobei
S = [s1 s2],
Ein Vektor X, der oben in Bezug auf Gleichung (8) als Vektor definiert ist, dessen Elemente durch die Differenzausgaben VO2(k), VO2(k – 1) repräsentiert sind, wird nachfolgend als Zustandsgröße X bezeichnet.
Die Koeffizienten s1, s2 der Schaltfunktion σ werden gesetzt, um die Bedingung der folgenden Gleichung (9) zu erfüllen:
(wenn s1 = 1, –1 < s2 < 1)
In der vorliegenden Ausführung wird der Kürze halber der Koeffizient s1 auf s1 = 1 gesetzt (s2/s1 = s2), und der Koeffizient s2 wird so aufgestellt, dass er der Bedingung genügt: –1 < s2 < 1.
Mit der so definierten Schaltfunktion σ wird die Hyperebene für den Gleitmodusregelprozess durch Gleichung σ = 0 definiert. Da die Zustandsgröße X den zweiten Grad hat, wird die Hyperebene σ = 0 durch eine gerade Linie repräsentiert, wie in 4 gezeigt. Hierbei wird die Hyperebene eine Schaltlinie oder eine Schaltebene genannt, in Abhängigkeit vom Grad eines topologischen Raums.
In der vorliegenden Ausführung werden zeitserielle Daten der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken, die vom Schätzglied 21 bestimmt ist, tatsächlich als die variablen Komponenten der Schaltfunktion für den Gleitmodusregelprozess verwendet, wie später beschrieben.
Der adaptive Gleitmodusregelprozess dient dazu, die Zustandsgröße X auf die Hyperebene σ = 0 gemäß einer Reaching-Steuervorschrift zu konvergieren, die Steuervorschrift zum Konvergieren der Zustandsgröße X (= VO2(k), VO2(k – 1)) auf die Hyperebene σ = 0 zu konvergieren, sowie eine adaptive Steuervorschrift (adaptiver Algorithmus), die eine Steuervorschrift zum Kompensieren des Steuereffekts beim Konvergieren der Zustandsgröße X auf die Hyperebene σ = 0 ist (Modus 1 in 4). Während die Zustandsgröße X auf die Hyperebene σ = 0 gemäß einer äquivalenten Steuereingabe gehalten wird, wird die Zustandsgröße X auf einen Ausgleichspunkt auf der Hyperebene σ = 0 konvergiert, wo VO2(k) = VO2(k – 1) = 0, d. h. einen Punkt, wo zeitserielle Daten VO2/OUT(k), VO2/OUT(k – 1) der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 gleich dem Sollwert VO2/TARGET sind (Modus 2 in 4).
Die SLD-Stelleingabe Usl (= Solldifferenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd), die vom Gleitmodusregler 22 zum Konvergieren der Zustandsgröße X zu dem Ausgleichspunkt auf der Hyperebene σ = 0 zu erzeugen ist, wird als die Summe einer äquivalenten Steuereingabe Ueq, die für das Abgassystem E gemäß der Steuervorschrift zum Konvergieren der Zustandsgröße X auf die Hyperebene σ = 0 anzuwenden ist, einer Eingabe Urch (nachfolgend als ”Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch” bezeichnet), die auf das Abgassystem E gemäß der Reaching-Steuervorschrift anzuwenden ist, sowie einer Eingabe Uadp (nachfolgend als ”adaptive Steuervorschrift Uadp” bezeichnet), die auf das Abgassystem E gemäß der adaptiven Steuervorschrift anzuwenden ist, ausgedrückt (siehe folgende Gleichung (10)). Usl = Ueq + Urch + Uadp (10)
Die äquivalente Steuereingabe Ueq, die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch sowie die adaptive Steuervorschrift-Eingabe Uadp werden auf der Basis des durch Gleichung (1) ausgedrückten Abgassystemmodells wie folgt bestimmt:
Die äquivalente Steuereingabe Ueq, die eine Eingangskomponente zur Anwendung auf das Abgassystem E zum Konvergieren der Zustandsgröße X auf die Hyperebene σ = 0 ist, ist die Differenzausgabe kact, die der Bedingung genügt: σ(k + 1) = σ(k) = 0. Unter Verwendung der Gleichungen (1), (8) erhält man die äquivalente Steuereingabe Ueq, die der obigen Bedingung genügt, durch die folgende Gleichung (11):
Die Gleichung (11) ist eine Basisformel zur Bestimmung der äquivalenten Steuervorschrift-Eingabe Ueq(k) in jedem Steuerzyklus.
Nach der vorliegenden Ausführung wird die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch grundlegend gemäß der folgenden Gleichung (12) bestimmt:
Insbesondere wird die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch proportional zum Wert σ(k + d) der Schaltfunktion σ nach der Totzeit d bestimmt, im Hinblick auf den Effekt der Totzeit d des Abgassystems E.
Der Koeffizient F in der Gleichung (12), der die Verstärkung der Reaching- Steuervorschrift bestimmt, wird aufgestellt, so dass er der durch die folgende Gleichung (13) ausgedrückten Bedingung genügt: 0 < F < 2 (13)(bevorzugt 0 < F < 1)
Die bevorzugte Bedingung in Gleichung (13) ist eine Bedingung, die verhindert, dass der Wert der Schaltfunktion σ in Bezug auf die Hyperebene σ = 0 oszillierend variiert (sogenanntes Zittern).
Die adaptive Steuervorschrift-Eingabe Uadp wird grundlegend mit der folgenden Gleichung (14) bestimmt (ΔT in der Gleichung (14) repräsentiert die Periode der Steuerzyklen der auslassseitigen Steuereinheit 8):
Die adaptive Steuervorschrift-Eingabe Uadp wird proportional zu einem Intergalwert (er entspricht einem Integral der Werte der Schaltfunktion σ) über Steuerzyklen des Produkts von Werten der Schaltfunktion σ und der Periode ΔT der auslassseitigen Steuereinheit 8 bis nach der Totzeit d, im Hinblick auf den Effekt der Totzeit d, bestimmt.
Der Koeffizient G (der die Verstärkung der adaptiven Steuervorschrift bestimmt) in Gleichung (14) ist so aufgestellt, dass er der Bedingung der folgenden Gleichung (15) genügt:
Ein spezifischer Prozess zum Ableiten von Bedingungen zur Aufstellung der Gleichungen (9), (13), (15) ist im Detail in der japanischen Patentschrift Nr. 11-93741 beschrieben und wird im Detail nachfolgend nicht beschrieben.
In der vorliegenden Ausführung bestimmt der Gleitmodusregler 22 die Summe (Ueq + Urch + Uadp) der äquivalenten Steuereingabe Ueq, der Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch und der adaptiven Steuereingabe Uadp, die gemäß den jeweiligen Gleichungen (11), (12), (14) bestimmt sind, als SLD-Stelleingabe Usl, die auf das Abgassystem E anzuwenden ist. Jedoch können die Differenzausgaben VO2(k + d), VO2(k+ d – 1) des O₂-Sensors 5 und der Wert σ(k + d) der Schaltfunktion σ etc., die in den Gleichungen (11), (12), (14) verwendet werden, nicht direkt erhalten werden, da sie Werte in der Zukunft sind.
Nach der vorliegenden Ausführung benutzt daher der Gleitmodusregler 22 in Wirklichkeit die geschätzten Differenzausgaben VO2(k + d) Balken, VO2(k + d – 1) Balken, die durch das Schätzglied 21 bestimmt sind, anstatt der Differenzausgaben VO2(k + d), VO2(k + d – 1) vom O₂-Sensor 5, um die äquivalente Steuereingabe Ueq gemäß Gleichung (11) zu bestimmen, und berechnet die äquivalente Steuereingabe Ueq in jedem Steuerzyklus gemäß der folgenden Gleichung (16):
Nach der vorliegenden Ausführung benutzt ferner der Gleitmodusregler 22 tatsächlich zeitserielle Daten der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken, die sequentiell vom Schätzglied 21 wie oben beschrieben bestimmt wird, als zu regelnde Zustandsgröße, und definiert eine Schaltfunktion σ Balken gemäß der folgenden Gleichung (17) (die Schaltfunktion σ Balken entspricht zeitseriellen Daten der Differenzausgabe VO2 in Gleichung (8), die durch zeitserielle Daten der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken ersetzt wird), anstatt der gemäß Gleichung (8) aufgestellten Schaltfunktion σ: σ(k) = s1·VO2(k) + s2·VO2(k – 1) (17)
Der Gleitmodusregler 22 berechnet die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch in jedem Steuerzyklus gemäß der folgenden Gleichung (18) unter Verwendung der durch Gleichung (17) ausgedrückten Schaltfunktion σ Balken anstatt des Werts der Schaltfunktion σ zur Bestimmung der Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch gemäß der Gleichung (12):
Ähnlich berechnet der Gleitmodusregler 22 die adaptive Steuervorschrift-Eingabe Uadp in jedem Steuerzyklus gemäß der folgenden Gleichung (19) unter Verwendung des Werts der durch die Gleichung (17) ausgedrückten Schaltfunktion σ Balken anstatt des Werts der Schaltfunktion σ zur Bestimmung der adaptiven Steuervorschrift-Eingabe Uadp gemäß Gleichung (14):
Die zuletzt identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut, die durch den Identifizierer 20 bestimmt worden sind, werden grundlegend als die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 verwendet, die zum Berechnen der äquivalenten Steuereingabe Ueq, der Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch sowie der adaptiven Steuervorschrift-Eingabe Uadp gemäß den Gleichungen (16), (18), (19) erforderlich sind.
Der Gleitmodusregler 22 bestimmt die Summe der äquivalenten Steuereingabe Ueq, der Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch sowie der adaptiven Steuervorschrift-Eingabe Uadp, die gemäß den Gleichungen (16), (18), (19) bestimmt sind, falls die SLD-Stelleingabe Usl auf das vorliegende Abgassystem E anzuwenden ist (siehe 10). Die Bedingungen zum Aufstellen der Koeffizienten s1, s2, F, G, die in den Gleichungen (16), (18), (19) verwendet werden, sind wie oben beschrieben.
Der obige Prozess ist ein Basisalgorithmus zur Bestimmung der SLD-Stelleingabe Usl (= Solldifferenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd), das auf das Abgassystem E mit dem Gleitmodusregler 22 anzuwenden ist. Bei dem obigen Algorithmus wird die SLD-Stelleingabe Usl so bestimmt, dass sie die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken vom O₂-Sensor 5 zu ”0” hin konvergiert, um im Ergebnis die Ausgabe VO2/OUT vom O₂-Sensor 5 auf den Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren.
Der Gleitmodusregler 22 bestimmt evtl. sequentiell das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD in jedem Steuerzyklus. Die wie oben beschriebene SLD-Stelleingabe Usl signifiziert einen Sollwert für die Differenz zwischen dem vom LAF-Sensor 4 erfassten Kraftstoffverhältnis des Abgases und dem Referenzwert FLAF/BASE, d. h. das Solldifferenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd. Demzufolge bestimmt der Gleitmodusregler 22 eventuell das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD durch Addieren des Referenzwerts FLAF/BASE zu der so bestimmten SLD-Stelleingabe Usl in jedem Steuerzyklus gemäß der folgenden Gleichung (20): KCMD(k) = Usl(k) + FLAF/BASE = Ueq(k) + Urch(k) + Uadp(k) + FLAF/BASE (20)
Der obige Prozess ist ein Basisalgorithmus zur Bestimmung des Soll-Luft-Kraftstoffverhältnisses KCMD mit dem Gleitmodusregler 22 nach der vorliegenden Ausführung.
In der vorliegenden Ausführung wird die Stabilität des adaptiven Gleitmodusregelprozesses, der vom Gleitmodusregler 22 ausgeführt wird, geprüft, um den Wert der SLD-Stelleingabe Usl zu begrenzen. Details eines solchen Prüfprozesses werden später beschrieben.
Das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 der maschinenseitigen Steuereinheit 9 wird weiter unten in Bezug auf die 5 und 6 beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, besitzt das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 als seine Funktionen eine Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 zum Bestimmen eines aktuell verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnisses RKCMD als Sollwert für das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators, das aktuell benutzt wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des in der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs zu verstellen.
Im stöchiometrischen Betriebsmodus bestimmt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 das von der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 erzeugte Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD als das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD. Im Magerbetriebsmodus bestimmt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis, das aus der Drehzahl NE, dem Einlassdruck PB etc. der Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung eines Kennfelds oder einer Datentabelle bestimmt wird, als das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD.
Das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 besitzt als seine Funktionen einen Grund-Kraftstoffeinspritzmengen-Rechner 24 zum Bestimmen einer in die Brennkraftmaschine 1 einzuspritzenden Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim, einen ersten Korrekturkoeffizienten-Rechner 25 zum Bestimmen eines ersten Korrekturkoeffizienten KTOTAL zum Korrigieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim sowie einen zweiten Korrekturkoeffizienten-Rechner 26 zum Bestimmen eines zweiten Korrekturkoeffizienten KCMDM zum Korrigieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim.
Der Grund-Kraftstoffeinspritzmengen-Rechner 24 bestimmt eine Referenzkraftstoffeinspritzmenge (Kraftstoffzufuhrmenge) für die Brennkraftmaschine 1 aus der Drehzahl NE und dem Einlassdruck PB der Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung eines vorbestimmten Kennfelds und korrigiert die so bestimmte Referenzkraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von der effektiven Öffnungsfläche eines Drosselventils (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 1, um hierdurch eine Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim zu berechnen. Die Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim ist grundlegend eine Kraftstoffeinspritzmenge, mit der das Luft-Kraftstoffverhältnis des in der Brennkraftmaschine verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis wird.
Der vom ersten Korrekturkoeffizienten-Rechner 25 bestimmte erste Korrekturkoeffizient KTOTAL dient zum Korrigieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim im Hinblick auf ein Abgasrückführungsverhältnis der Brennkraftmaschine 1, d. h. den Anteil von Abgas, das in einem in die Brennkraftmaschine 1 einzuführenden Luft-Kraftstoffgemisch enthalten ist, eine Menge von gespültem Kraftstoff, der der Brennkraftmaschine 1 beim Spülen eines Behälters (nicht gezeigt) zugeführt wird, einer Kühlmitteltemperatur, einer Einlasstemperatur etc. der Brennkraftmaschine 1.
Der vom zweiten Korrekturkoeffizienten-Rechner 26 bestimmte zweite Korrekturkoeffizient KCMDM dient zum Korrigieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim im Hinblick auf die Ladeeffizienz eines Kraftstoffgemischs aufgrund des Kühleffekts von Kraftstoff, der in die Brennkraftmaschine 1 strömt, in Abhängigkeit vom tatsächlich verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD, das von der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 erzeugt wird.
Das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 korrigiert die Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim mit dem ersten Korrekturkoeffizienten KTOTAL und dem zweiten Korrekturkoeffizienten KCMDM durch Multiplizieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim mit dem ersten Korrekturkoeffizienten KTOTAL und dem zweiten Korrekturkoeffizienten KCMD, um hierdurch eine angeforderte Kraftstoffeinspritzmenge Tcyl für die Brennkraftmaschine 1 zu produzieren.
Spezifische Details der Prozesse zur Berechnung der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim, des ersten Korrekturkoeffizienten KTOTAL und des zweiten Korrekturkoeffizienten KCMDM sind im Detail in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-79374 offenbart und werden unten nicht weiter beschrieben.
Das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 besitzt, zusätzlich zu den obigen Funktionen, einen Rückkopplungsregler 27 zum Einstellen einer Kraftstoffeinspritzmenge für die Brennkraftmaschine 1 gemäß einem Rückkopplungsregelprozess, um die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 (den erfassten Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators) zu dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD zu konvergieren, um hierdurch das Luft-Kraftstoffverhältnis des in der Brennkraftmaschine 1 verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs zu verstellen.
Der Rückkopplungsregler 27 umfasst einen allgemeinen Rückkopplungsregler 28 zum Regeln eines Gesamt-Luft-Kraftstoffverhältnisses für die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 sowie einen lokalen Rückkopplungsregler 29 zum Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses für jeden der Zylinder der Brennkraftmaschine 1.
Der allgemeine Rückkopplungsregler 28 bestimmt sequentiell einen Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB zum Korrigieren der angeforderten Kraftstoffeinspritzmenge Tcyl (durch Multiplizieren der angeforderten Kraftstoffeinspritzmenge Tcyl), um die Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 zu dem tatsächlich verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD zu konvergieren.
Der allgemeine Rückkopplungsregler 28 umfasst einen PID-Regler 30 zum Erzeugen einer Rückkopplungsstellgröße KLAF als Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 und dem tatsächlich verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD gemäß einem bekannten PID-Regelprozess, sowie einen adaptiven Regler 31 (in 5 mit ”STR” bezeichnet) zur adaptiven Bestimmung einer Rückkopplungsstellgröße KSTR zur Bestimmung des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB im Hinblick auf Änderungen der Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 und deren Eigenschaftsänderungen aus der Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 und dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD.
In der vorliegenden Ausführung ist die vom PID-Regler 30 erzeugte Rückkopplungsstellgröße KLAF ”1” und kann direkt als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB verwendet werden, wenn die Ausgabe KACT (das erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis der Maschine 1) vom LAF-Sensor 4 gleich dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD ist. Die vom adaptiven Regler 31 erzeugte Rückkopplungsstellgröße KSTR wird das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD, wenn die Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 gleich dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD ist. Eine Rückkopplungsstellgröße kstr (= KSTR/RKCMD), die durch Teilen der Rückkopplungsstellgröße KSTR durch das tatsächlich verwendete Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD mit einem Dividierer 32 erzeugt wird, kann als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB verwendet werden.
Von der Rückkopplungsstellgröße KLAF, die durch den PID-Regler 30 erzeugt wird, und der Rückkopplungsstellgröße kstr, die durch Teilen der Rückkopplungsstellgröße KSTR vom adaptiven Regler 31 durch das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD erzeugt wird, wird eine durch einen Schalter 33 gewählt. Die jeweils gewählte der Rückkopplungsstellgröße KLAF und der Rückkopplungsstellgröße kstr wird als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB verwendet. Die angeforderte Kraftstoffeinspritzmenge Tcyl wird durch Multiplikation mit dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB korrigiert. Details des allgemeinen Rückkopplungsreglers 28 (insbesondere des adaptiven Reglers 31) werden später beschrieben.
Der lokale Rückkopplungsregler 29 umfasst einen Beobachter 34 zum Schätzen echter Luft-Kraftstoffverhältnisse #nN/F (n = 1, 2, 3, 4) der jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine 1 aus einer Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4, sowie eine Mehrzahl von PID-Reglern 21 (so viele wie die Anzahl der Zylinder) zum Bestimmen jeweiliger Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten #nKLAF für Kraftstoffeinspritzmengen für die Zylinder aus den jeweiligen echten Luft-Kraftstoffverhältnissen #nA/F, die durch den Beobachter 34 geschätzt sind, gemäß einem PID-Regelprozess, um Schwankungen der Luft-Kraftstoffverhältnisse der Zylinder zu beseitigen.
Kurz gesagt, der Beobachter 34 schätzt ein echtes Luft-Kraftstoffverhältnis #nN/F jedes der Zylinder wie folgt: Ein System von der Brennkraftmaschine 1 zu dem LAF-Sensor 4 (wo die Abgase von den Zylindern zusammenkommen) wird als ein System zum Erzeugen eines Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators betrachtet, das durch den LAF-Sensor 4 aus einem echten Luft-Kraftstoffverhältnis #nA/F jedes der Zylinder erfasst wird, und wird im Hinblick auf eine Erfassungs-Reaktionsverzögerung des LAF-Sensors 4 (d. h. eine Verzögerung erster Ordnung) und einen chronologischen Beitrag des Luft-Kraftstoffverhältnisses jedes der Zylinder der Brennkraftmaschine 1 zu dem vom LAF-Sensor 4 erfassten Luft-Kraftstoff verhältnis stromauf des Katalysators modelliert. Auf Basis des Modellsystems wird ein echtes Luft-Kraftstoffverhältnis #nA/F für jedes der Zylinder aus der Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 geschätzt.
Details des Beobachters 34 sind z. B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-83094 offenbart und werden unten nicht weiter beschrieben.
Jeder der PID-Regler 35 des lokalen Rückkopplungsreglers 29 teilt die Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 durch einen Mittelwert der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten #nKLAF für alle Zylinder, die von den jeweiligen PID-Reglern 35 in einem vorbestimmten Steuerzyklus bestimmt sind, um einen Quotientenwert zu erzeugen, und benutzt den Quotientenwert als Soll-luft-Kraftstoffverhältnis für den jeweiligen Zylinder. Jeder der PID-Regler 35 bestimmt dann einen Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten #nKLAF in einem gegenwärtigen Steuerzyklus, um jegliche Differenz zwischen dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis und dem Schätzwert des vom Beobachter 34 bestimmten entsprechenden echten Luft-Kraftstoffverhältnisses #nA/F zu beseitigen.
Der lokale Rückkopplungsregler 29 multipliziert einen Wert, der durch Multiplizieren der angeforderten Kraftstoffeinspritzmenge Tcyl mit dem vom allgemeinen Rückkopplungsregler 28 erzeugten Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB erzeugt wurde, mit dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten #nKLAF für jeden der Zylinder, um hierdurch eine Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout (n = 1, 2, 3, 4) für jeden der Zylinder zu bestimmen.
Die Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout, die somit für jeden der Zylinder bestimmt ist, wird nach angesammelten Kraftstoffpartikeln an Einlassrohrwänden der Brennkraftmaschine 1 durch einen Kraftstoffakkumulationskorrektor 36 in der Kraftstoffzufuhr-Steuereinrichtung 13 korrigiert. Die korrigierte Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout wird als Befehl für die Kraftstoffeinspritzmenge für jeden der Zylinder an jedem von Kraftstoffeinspritzern (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 1 angewendet, die Kraftstoff in jeden der Zylinder mit der korrigierten Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout einspritzen.
Die Korrektur der Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge im Hinblick auf die angesammelten Kraftstoffpartikel an den Einlassrohrwänden ist z. B. im Detail in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-21273 offenbart und wird nachfolgend im Detail nicht weiter beschrieben.
Der allgemeine Rückkopplungsregler 28, insbesondere der adaptive Regler 31, wird nachfolgend weiter beschrieben.
Der allgemeine Rückkopplungsregler 28 bewirkt einen Rückkopplungsregelprozess zum Konvergieren der Ausgabe KACT (das erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators der Brennkraftmaschine 1) vom LAF-Sensor 4 zu dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD hin, wie oben beschrieben. Wenn ein solcher Rückkopplungsregelprozess nur unter dem bekannten PID-Regler durchgeführt würde, dann wäre es schwierig, die Regelbarkeit gegenüber dynamischen Verhaltensänderungen stabil zu halten, einschließlich Änderungen in den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1, Charakteristika-Änderungen aufgrund Alterung der Brennkraftmaschine 1, etc.
Der adaptive Regler 31 ist ein rekursiver Regler, der es möglich macht, einen Rückkopplungsregelprozess durchzuführen, während dynamische Verhaltensänderungen der Brennkraftmaschine 1 kompensiert werden. Wie in 6 gezeigt, umfasst der adaptive Regler 31 einen Parametereinsteller 37 zum Aufstellen einer Mehrzahl adaptiver Parameter unter Verwendung der von I. D. Landau et al vorgeschlagene Parametereinstellvorschrift, sowie einen Stellgrößenrechner 38 zum Berechnen der Rückkopplungsstellgröße KSTR unter Verwendung der aufgestellten adaptiven Parameter.
Der Parametereinsteller 37 wird nachfolgend beschrieben. Wenn gemäß der von I. D. Landau et al vorgeschlagenen Parametereinstellvorschrift Polynome des Nenners und des Zählers einer Transferfunktion B(Z^–1)/A(Z^–1) eines zu regelnden diskreten Systemobjekts jeweils allgemein durch die nachfolgend angegebenen Gleichungen (21), (22) ausgedrückt werden, wird ein adaptiver Parameter Θ Hut (j) (j bezeichnet die Ordnungszahl eines Steuerzyklus), der durch den Parametereinsteller 37 aufgestellt ist, einen Vektor (transponierten Vektor) gemäß der nachfolgend angegebenen Gleichung (23). Eine Eingabe z(j) zu dem Parametereinsteller 37 wird durch die nachfolgend angegebene Gleichung (24) ausgedrückt. In der vorliegenden Ausführung wird angenommen, dass die Brennkraftmaschine 1, die ein durch den allgemeinen Rückkopplungsregler 28 zu regelndes Objekt ist, als eine Anlage eines Systems erster Ordnung betrachtet wird, das eine Totzeit dp entsprechend der Zeit dreier Verbrennungszyklen der Brennkraftmaschine 1 aufweist, und m = n = 1, dp = 3 in den Gleichungen (21)–(24), und fünf adaptive Parameter s0, r1, r2, r3, b0 aufgestellt sind (siehe 6). In den oberen und mittleren Ausdrücken von Gleichung (24) bezeichnen us, ys allgemein eine Eingabe (Stellgröße) zu dem zu regelnden Objekt und eine Ausgabe (Regelgröße) vom zu regelnden Objekt. In der vorliegenden Ausführung ist die Eingabe die Rückkopplungsstellgröße KSTR, und die Ausgabe vom Objekt (der Brennkraftmaschine 1) ist die Ausgabe KACT (das erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis) vom LAF-Sensor 4, und die Eingabe z(j) zu dem Parametereinsteller 37 wird durch den unteren Ausdruck von Gleichung (24) ausgedrückt (siehe 6). A(Z–1) = 1 + a1Z–1 + ... + anZ–n (21) B(Z–1) = b0 + b1Z–1 + ... + bmZ–m (22) θ ^r(j) = [b ^0(j), B ^R(Z–1, j), S ^(Z–1, j)] = [b0(j), r1(j), ..., rm + dp – 1(j), s0(j), ..., sn – 1(j)] = [b0(j), r1(j), r2(j), r3(j), s0(j)] (23) ξT(j) = [us(j), ..., us(j – m – dp + 1), ys(j), ..., ys(j – n +1)] = [us(j), us(j – 1), us(j – 2), us(j – 3), ys(j)] = [KSTR(j), KSTR(j – 1), KSTR(j – 2),KSTR(j – 3), KACT(j)] (24)
Der durch die Gleichung (23) ausgedrückte adaptive Parameter O Hut ist aufgebaut aus einem skalaren Größenelement b0 Hut^–1 (j) zur Bestimmung der Verstärkung des adaptiven Reglers 31, einem Steuerelement BR Hut (Z^–1, j) das unter Verwendung einer Stellgröße ausgedrückt ist, sowie ein Steuerelement S (Z^–1, j), das unter Verwendung einer Regelgröße ausgedrückt ist, die jeweils durch die folgenden Gleichungen (25)–(27) ausgedrückt sind (siehe Block des in 6 gezeigten Stellgrößenrechners 38):
B ^R(Z-1, j) = r1Z–1 + r2Z-2 + ... + rm + dp + 1Z–(n+dp-1) = r1Z–1 + r2Z–2 + r3Z–3 (26) (Z–1, j) = s0 + s1Z–1 + ... + sn – 1Z–(n-1) = s0 (27)
Der Parametereinsteller 37 stellt Koeffizienten des skalaren Größenelements und der oben beschriebenen Steuerelemente auf und liefert sie als den adaptiven Parameter Θ Hut, der durch die Gleichung (23) ausgedrückt ist, zu dem Stellgrößenrechner 38. Der Parametereinsteller 37 berechnet den adaptiven Parameter Θ Hut, so dass die Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4 mit dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD übereinstimmt, unter Verwendung zeitserieller Daten der Rückkopplungsstellgröße KSTR von der Gegenwart zur Vergangenheit sowie der Ausgabe KACT vom LAF-Sensor 4.
Insbesondere berechnet der Parametereinsteller 37 den adaptiven Parameter O Hut gemäß der folgenden Gleichung (28): θ ^(j) = θ ^(j – 1)+ Γ(j – 1)·ξ(j – dp)·e*(j) (28)wobei Γ(j) eine Verstärkungsmatrix darstellt (deren Grad durch m + n + dp indiziert wird), um eine Rate des Aufstellens des adaptiven Parameters O Hut zu bestimmen, und e*(j) einen Schätzfehler des adaptiven Parameters O Hut. Γ(j) und e*(j) werden jeweils durch die folgenden Rekursionsformeln ausgedrückt (29), (30):
wobei 0 < λ1(j) ≤ 1, 0 ≤ λ2(j) < 2, Γ(0) > 0.
wobei D(Z^–1) ein asymptotisch stabiles Polynom zum Einstellen der Konvergenz darstellt. In der vorliegenden Ausführung ist D(Z^–1) = 1.
Verschiedene spezifische Alogorithmen, einschließlich dem degressiven Verstärkungsalgorithmus, dem variablen Verstärkungsalgorithmus, dem Feste-Kurve-Algorithmus und dem festen Verstärkungsalgorithmus werden in Abhängigkeit davon erhalten, wie ^₁(j), ^₂(j) in Gleichung (29) gewählt sind. Für eine zeitabhängige Anlage, wie etwa einen Kraftstoffprozess, ein Luft-Kraftstoffverhältnis oder dergleichen der Brennkraftmaschine 1 ist einer vom degressiven Verstärkungsalgorithmus, vom variablen Verstärkungsalgorithmus, vom festen Verstärkungsalgorithmus und vom Feste-Kurve-Algorithmus geeignet.
Unter Verwendung des adaptiven Parameters Θ Hut (s0, r1, r2, r3, b0), die vom Parametereinsteller 37 aufgestellt sind und die tatsächlich vom Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD verwendet werden, das durch die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 bestimmt ist, bestimmt der Stellgrößenrechner 38 die Rückkopplungsstellgröße KSTR gemäß einer Rekursionsformel, die durch die folgende Gleichung (31) ausgedrückt ist:
Der in 6 gezeigte Stellgrößenrechner 38 repräsentiert ein Blockdiagramm der Berechnungen gemäß Gleichung (31).
Die gemäß Gleichung (31) bestimmte Rückkopplungsstellgröße KSTR wird zu dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD, insofern die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 mit dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD übereinstimmt. Daher wird vom Teiler 32 die Rückkopplungsstellgröße KSTR durch das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD geteilt, um hierdurch die Rückkopplungsstellgröße kstr zu bestimmen, die als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB verwendet werden kann.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, ist der so aufgebaute adaptive Regler 31 ein rekursiver Regler, der dynamische Verhaltensände rungen der Brennkraftmaschine 1, die das zu regelnde Objekt ist, berücksichtigt. Anders gesagt, der adaptive Regler 31 ist ein in rekursiver Form beschriebener Regler, um dynamische Verhaltensänderungen der Brennkraftmaschine 1 zu kompensieren, und insbesondere ein Regler mit einem rekursiven adaptiven Parametereinstellmechanismus.
Ein rekursiver Regler dieses Typs kann unter Verwendung eines Optimumreglers aufgebaut sein. In diesem Fall besitzt er jedoch keinen Parametereinstellmechanismus. Der wie oben aufgebaute adaptive Regler 31 ist zur Kompensation dynamischer Verhaltensänderungen der Brennkraftmaschine 1 geeignet.
Details des adaptiven Reglers 31 sind oben beschrieben worden.
Der PID-Regler 30, der zusammen mit dem adaptiven Regler 31 in dem allgemeinen Rückkopplungsregler 28 vorgesehen ist, berechnet einen Proportionalterm (P-Term), einen Integralterm (I-Term) sowie einen differenziellen Term (D-Term) aus der Differenz zwischen der Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 und dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD, und berechnet die Gesamtheit dieser Ausdrücke als Rückkopplungsstellgröße KLAF, wie es mit dem allgemeinen PID-Regelprozess der Fall ist. In der vorliegenden Ausführung wird die Rückkopplungsstellgröße KLAF auf ”1” gesetzt, wenn die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 mit dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD übereinstimmt, durch Setzen eines Anfangswerts des Integralterms (I-Terms) auf ”1”, so dass die Rückkopplungsstellgröße KLAF als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB verwendet werden kann, um die Kraftstoffeinspritzmenge direkt zu korrigieren. Die Verstärkungen des Proportionalterms, des Integralterms und des differenziellen Terms werden aus der Drehzahl und dem Einlassdruck der Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung eines vorbestimmten Kennfelds bestimmt.
Der Schalter 33 des allgemeinen Rückkopplungsreglers 28 gibt die Rückkopplungsstellgröße KLAF, die durch den PID-Regler 30 bestimmt ist, als den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB zum Korrigieren der Kraftstoffeinspritzmenge aus, wenn die Verbrennung in der Brennkraftmaschine zur Unstabilität neigt, wie etwa dann, wenn die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine 1 niedrig ist, die Brennkraftmaschine 1 mit hohen Drehzahlen läuft oder der Einlassdruck niedrig ist, oder wenn die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 aufgrund einer Ansprechverzögerung des LAF-Sensors 4 nicht zuverlässig ist, wenn etwa sich das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD stark ändert oder unmittelbar nach Beginn des Luft-Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelprozesses, oder wenn die Brennkraftmaschine 1 hoch stabil arbeitet, wie etwa dann, wenn sie leerläuft und daher kein hoch verstärkender Regelprozess durch den adaptiven Regler 31 erforderlich ist. Andernfalls gibt der Schalter 33 die Rückkopplungsstellgröße kstr, die durch Teilen der durch den adaptiven Regler 31 bestimmten Rückkopplungsstellgröße KSTR durch das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD erzeugt wird, als den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB zum Korrigieren der Kraftstoffeinspritzmenge aus. Der Grund hierfür ist, dass der adaptive Regler 31 einen hoch verstärkenden Steuerprozess bewirkt und die Funktion hat, die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 schnell zu dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD hin zu konvergieren, und wenn die durch den adaptiven Regler 31 bestimmte Rückkopplungsstellgröße KSTR verwendet wird, sofern die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 unstabil ist oder die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 nicht zuverlässig ist, dann der Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelprozess zur Unstabilität neigt.
Ein solcher Betrieb des Schalters 33 ist im Detail in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-105345 offenbart und wird weiter unten nicht im Detail beschrieben.
Nachfolgend wird der Betrieb der gesamten Vorrichtung nach der vorliegen den Ausführung beschrieben.
Zuerst wird ein von der maschinenseitigen Steuereinheit 9 ausgeführter Steuer/Regelprozess in Bezug auf 7 beschrieben. Das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 der maschinenseitigen Steuereinheit 9 führt den Prozess in Steuerzyklen synchron mit einer Kurbelwinkelperiode (OT) der Brennkraftmaschine 1 aus wie folgt:
Die maschinenseitige Steuereinheit 9 liest in Schritt a Ausgaben von verschiedenen Sensoren, einschließlich dem LAF-Sensor 4 und dem O₂-Sensor 5. Die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 und die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5, einschließlich den in der Vergangenheit erhaltenen, werden in zeitserieller Weise in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeichert.
Dann wird in SCHRITT b–SCHRITT i der Prozess des Kraftstoffzufuhr-Steuermittels 13 ausgeführt.
Die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 des Kraftstoffzufuhr-Steuermittels 13 führt einen Prozess zum Setzen eines Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 gemäß einer Unterroutine aus, die in 8 in SCHRITT b gezeigt ist.
Insbesondere bestimmt in SCHRITT b-1 die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setz-einheit 23 den Wert eines Flag F/NOxRF. Das Flag F/NOxRF ist ”0”, wenn NOx in dem Katalysator 3 zu reduzieren ist, und ”1”, wenn NOx in dem Katalysator 3 nicht zu reduzieren ist. Das Flag F/NOxRF (nachfolgend als ”Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF” bezeichnet) hat einen Anfangswert von 1 (zur Zeit des Starts der Brennkraftmaschine 1), und wird in Abhängigkeit vom Prozess der Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 und der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 auf ”0” gesetzt.
Wenn F/NOxRF = 1, d. h. wenn NOx nicht reduziert werden muss (in diesem Zustand wird durch das NOx-Absorbens des Katalysators 3 grundlegend kein NOx absorbiert), dann bestimmt in SCHRITT b-2 die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23, ob der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 ein vorbestimmter Zustand für den Magerbetriebsmodus ist oder nicht. Der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 beinhaltet eine Drehmomentanforderung, die aus der gegenwärtigen Öffnung des Drosselventils der Brennkraftmaschine 1 erkannt wird, eine gegenwärtige Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 und deren Kühlmitteltemperatur.
Wenn in SCHRITT b-2 der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 ein vorbestimmter Zustand für den Magerbetriebsmodus ist, dann setzt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 in SCHRITT b-3 den Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 auf den Magerbetriebsmodus.
Wenn in SCHRITT b-1 F/NOxRF = 0 (NOx braucht nicht reduziert zu werden), oder wenn in SCHRITT b-2 der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 nicht ein vorbestimmter Zustand für den Magerbetriebsmodus ist, dann setzt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 in SCHRITT b-4 den Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 auf den stöchiometrischen Betriebsmodus.
Dann kehrt die Steuerung zu der in 7 gezeigten Prozesssequenz zurück. In SCHRITT c bestimmt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 den in SCHRITT b gesetzten gegenwärtigen Betriebsmodus.
Wenn der gegenwärtige Betriebsmodus der stöchiometrische Betriebsmodus ist, dann liest die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 in SCHRITT d das letzte Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis, das durch den Prozess (später beschrieben) der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 erzeugt ist, und stellt das zuletzt gelesene Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD als das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD auf. Wenn der gegenwärtige Betriebsmodus der Magerbetriebsmodus ist, dann stellt die Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Wähl-und-Setzeinheit 23 in SCHRITT e einen gegebenen Wert, der aus der gegenwärtigen Drehzahl NE und dem Einlassdruck PB der Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung eines Kennfelds oder einer Datentabelle bestimmt ist, als das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD auf. Der gegebene Wert, der als das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD aufgestellt ist, ist ein Luft-Kraftstoffverhältnis in einem Magerbereich.
Dann berechnen in SCHRITT f der Grund-Kraftstoffeinspritzmengen-Rechner 24, der erste Korrekturkoeffizienten-Rechner 25, der zweite Korrekturkoeffizienten-Rechner 26, der allgemeine Rückkopplungsregler 28 und der lokale Rückkopplungsregler 29 die Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim, den ersten Korrekturkoeffizienten KTOTAL, den zweiten Korrekturkoeffizienten KCMDM, den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB für das Gesamt-Luft-Kraftstoffverhältnis der Brennkraftmaschine 1 bzw. die Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten #nKLAF für die jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine 1.
In Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 wählt der Schalter 33 entweder die Rückkopplungsstellgröße KLAF, die durch den PID-Regler 30 bestimmt ist, oder die Rückkopplungsstellgröße kstr, die durch Teilen der durch den adaptiven Regler 31 bestimmten Rückkopplungsstellgröße KSTR durch das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD erzeugt wurde (normalerweise wählt der Schalter 33 die Rückkopplungsstellgröße kstr). Dann gibt der Schalter 33 die gewählte Rückkopplungsstellgröße KLAF oder kstr als Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB zur Korrektur der Kraftstoffeinspritzmenge aus.
Beim Schalten des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB von der Rückkopplungsstellgröße KLAF vom PID-Regler 30 zu der Rückkopplungsstellgröße kstr vom adaptiven Regler 31 bestimmt der adaptive Regler 31 eine Rückkopplungsstellgröße KSTR in einer Weise, um den Korrekturkoef fizienten KFB auf dem vorhergehenden Korrekturkoeffizienten KFB (= KLAF) zu halten, solange er in der Zykluszeit für das Schalten ist, um eine abrupte Änderung in dem Korrekturkoeffizienten KFB zu vermeiden. Beim Schalten des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB von der Rückkopplungsstellgröße kstr vom adaptiven Regler 31 zu der Rückkopplungsstellgröße KLAF vom PID-Regler 30 berechnet der PID-Regler 30 einen gegenwärtigen Korrekturkoeffizienten KLAF in einer Weise, um die Rückkopplungsstellgröße KLAF, die durch sich selbst in der vorhergehenden Zykluszeit bestimmt ist, als den vorhergehenden Korrekturkoeffizienten KFB (= kstr) zu betrachten.
Dann multipliziert das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 in SCHRITT g die Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim, die wie oben beschrieben bestimmt ist, mit dem ersten Korrekturkoeffizienten KTOTAL, dem zweiten Korrekturkoeffizienten KCMDM, dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB sowie den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten #nKLAF der jweiligen Zylinder, die die Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmengen #nTout der jeweiligen Zylinder bestimmen. Die Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmengen #nTout werden dann in SCHRITT h nach akkumulierten Kraftstoffpartikeln an den Einlassrohrwänden der Brennkraftmaschine 1 durch die Kraftstoffakkumulationskorrektoren 36 korrigiert. Die korrigierten Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmengen #nTout werden dann in SCHRITT i auf die nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzer der Brennkraftmaschine 1 angewendet.
In der Brennkraftmaschine 1 spritzen die Kraftstoffeinspritzer Kraftstoff in die jeweiligen Zylinder gemäß der jeweiligen Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout aus.
Die obige Berechnung für die Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmengen #nTout für die jeweiligen Zylinder und die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung der Brennkraftmaschine 1 wird in aufeinander folgenden Zyklen synchron mit der Kurbelwinkelperiode (OT) der Brennkraftmaschine 1 ausgeführt, um das Luft- Kraftstoffverhältnis des durch die Brennkraftmaschine 1 verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs zu steuern/zu regeln, um die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 (das erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators) zu dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD hin zu konvergieren. Während die Rückkopplungsstellgröße kstr vom adaptiven Regler 30 als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB verwendet wird, wird die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 schnell zu dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD hin mit hoher Stabilität gegenüber Verhaltensänderungen konvergiert, wie etwa Änderungen in den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 und deren Charakteristik-Änderungen. Auch wird eine Ansprechverzögerung der Brennkraftmaschine 1 geeignet kompensiert.
Da im stöchiometrischen Betriebsmodus das tatsächlich verwendete Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD das von der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 erzeugte Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD ist, um die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 auf den Sollwert VO2/TARGET zu regeln, wird das vom LAF-Sensor 4 erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators glattgängig und schnell auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis (Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD) geregelt, um die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 auf den Sollwert VO2/TARGET gemäß dem obigen Prozess des Kraftstoffzufuhr-Steuermittels 13 zu konvergieren.
Da im Magerbetriebsmodus das tatsächlich verwendete Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD ein Luft-Kraftstoffverhältnis im Magerbereich ist, werden daher das Luft-Kraftstoffverhältnis des durch die Brennkraftmaschine 1 verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs und daher das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auf magere Luft-Kraftstoffverhältnisse geregelt.
Während die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetriebsmodus arbeitet, wird NOx in dem von der Brennkraftmaschine 1 abgegebenen Abgas durch das NOx-Absorbens des Katalysators 3 absorbiert. Wenn der Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus schaltet, werden, da die Ausgabe V2/OUT des O₂-Sensors 5 ein magereres Luft-Kraftstoffverhältnis aufgrund der Wirkung des vorigen Magerbetriebsmodus unmittelbar nach der Modusumschaltung darstellt, das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD, das von der Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis-Erzeugungseinrichtung 10 erzeugt wird, und somit das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD zu Luft-Kraftstoffverhältnissen im Mageren Bereich. Unmittelbar nach dem Umschalten des Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus wird daher das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auf ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis geregelt. Hierbei wird das durch den Katalysator 3 absorbierte NOx durch in dem Abgas enthaltene Reduktionsmittel reduziert, die HC, CO, H₂ etc. sind.
Nachdem der Prozess des Kraftstoffzufuhr-Steuermittels 13 wie oben beschrieben durchgeführt ist, führt die maschinenseitige Steuereinheit 9 in SCHRITT j–SCHRITT m die entsprechenden Prozesse der NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14, der Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 sowie der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 aus.
Zuerst bestimmt die maschinenseitige Steuereinheit 9 in SCHRITT j den in SCHRITT b gesetzten gegenwärtigen Betriebsmodus.
Wenn der gegenwärtige Betriebsmodus der stöchiometrische Betriebsmodus ist, dann erzeugt in SCHRITT k die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 integrierte Reduktionsmittelmengendaten RNF, die eine integrierte Menge von Reduktionsmitteln (HC, CO, H₂ etc.) darstellen, die über das Abgas von der Brennkraftmaschine 1 dem Katalysator 3 zugeführt werden, da sie die Fähigkeit haben, durch den Katalysator 3 absorbiertes NOx zu reduzieren. Dann wird der Prozess des gegenwärtigen Steuerzyklus beendet.
Der Prozess in SCHRITT k wird gemäß der in 9 gezeigten Unterroutine ausgeführt. Zuerst bestimmt die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 in SCHRITT k-1 den Betriebsmodus des vorhergehenden Steuerzyklus. Wenn der Betriebsmodus in dem vorhergehenden Steuerzyklus der Magerbetriebsmodus ist, d. h. wenn der Betriebsmodus vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus geschaltet hat, dann initialisiert die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 in SCHRITT k-2 den Wert der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF auf ”0”, um die Berechnung der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF zu starten. In SCHRITT k-2 setzt die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 den Wert des Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”0”, um den Magerbetriebsmodus vom nächsten Steuerzyklus an zu hemmen.
Der Wert des Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF, der auf ”0” gesetzt worden ist, wird nur dann auf ”1” geändert, wenn in dem Prozess der auslassseitigen Steuereinheit 8 eine gewisse Bedingung erfüllt ist.
Wenn in SCHRITT k-1 der Betriebsmodus in dem vorhergehenden Steuerzyklus nicht der Magerbetriebsmodus ist, d. h. wenn die Brennkraftmaschine 1 im stöchiometrischen Betriebsmodus arbeitet, dann bestimmt die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 in SCHRITT k-3 momentane Reduktionsmittelmengendaten ΔTi, die eine Menge von Reduktionsmitteln pro OT repräsentieren, die dem Katalysator 3 in dem gegenwärtigen Steuerzyklus zugeführt werden.
Die Reduktionsmittel (HC, CO, H₂ etc.), die die Fähigkeit haben, durch den Katalysator 3 absorbiertes NOx zu reduzieren, werden grundlegend erzeugt, wenn eine Kraftstoffmenge, die die Kraftstoffeinspritzmenge entsprechend dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis überschreitet, in der Brenn kraftmaschine 1 verbrannt wird, und die Menge von Reduktionsmitteln ist von der überschüssigen Kraftstoffmenge abhängig. Da unmittelbar nach dem Umschalten des Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD das Luft-Kraftstoffverhältnis im Magerbereich wird, ist ein Befehlswert für die Kraftstoffeinspritzmenge, die der Brennkraftmaschine 1 zuzuführen ist, d. h. die Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout, größer als die Kraftstoffeinspritzmenge entsprechend dem stöchiometrischen Kraftstoffverhältnis. In der vorliegenden Ausführung ist die Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim, die durch den Grund-Kraftstoffeinspritzmengen-Rechner 24 bestimmt ist, eine Kraftstoffeinspritzmenge, die dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht.
In der vorliegenden Ausführung bestimmt die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 einen Wert, der durch Subtrahieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim von der Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge #nTout erzeugt ist, die letztendlich in jedem Steuerzyklus durch das Kraftstoffzufuhr-Steuermittel 13 bestimmt wurde, wobei dieser Wert der Überschussmenge von Kraftstoff in Bezug auf die Kraftstoffeinspritzmenge entsprechend dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht, als die momentanen Reduktionsmittelmengendaten ΔTi.
Die dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis entsprechende Kraftstoffeinspritzmenge kann durch Korrigieren der Grund-Kraftstoffeinspritzmenge Tim im Hinblick auf akkumulierte Kraftstoffpartikel an Einlassrohrwänden erhalten werden.
Nachdem die momentanen Reduktionsmittelmengendaten ΔTi bestimmt sind, addiert die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 in SCHRITT k-4 akkumulativ die momentanen Reduktionsmittelmengendaten ΔTi in den jeweiligen Steuerzyklen, um die integrierten Reduktionsmittel mengendaten RNF zu bestimmen. Insbesondere werden die momentanen Reduktionsmittelmengendaten ΔTi zu dem gegenwärtigen Wert der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, d. h. dem in dem vorhergehenden Steuerzyklus bestimmten Wert, in jedem Steuerzyklus addiert, um den Wert der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF zu aktualisieren.
Nachdem auf diese Weise der stöchiometrische Betriebsmodus nach dem Magerbetriebsmodus gestartet ist, werden die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, die die integrierte Menge von Reduktionsmitteln für NOx darstellen, die dem Katalysator 3 während des stöchiometrischen Betriebsmodus zugeführt werden, sequentiell in jedem Steuerzyklus der maschinenseitigen Steuereinheit 9 erzeugt. Die so erzeugten integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF werden in dem Prozess der Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 verwendet, wie später beschrieben.
Wenn in SCHRITT j der gegenwärtige Betriebsmodus der Magerbetriebsmodus ist, der in 7 gezeigt ist, dann erkennt die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15, ob die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist oder nicht, und die NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14 erzeugt in SCHRITT m absorbierte NOx-Mengendaten Q/NOx, die eine integrierte Menge von NOx repräsentieren, die durch das NOx-Absorbens des Katalysators 3 absorbiert ist. Dann wird der Prozess in dem gegenwärtigen Steuerzyklus beendet.
Der Prozess in SCHRITT m wird ausgeführt, wie in 10 gezeigt.
Die NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14 bestimmt in SCHRITT m-1 den Betriebsmodus des vorhergehenden Steuerzyklus. Wenn der vorhergehende Steuerzyklus der stöchiometrische Betriebsmodus ist, d. h. wenn der Betriebsmodus vom stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Magerbetriebsmodus umgeschaltet hat, dann initialisiert die NOx- Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14 in SCHRITT m-2 den Wert der absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx auf ”0”, um die Berechnung der absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx zu starten. Danach kehrt die Steuerung zu der in 7 gezeigten Prozesssequenz zurück.
Wenn der vorhergehende Betriebsmodus nicht der stöchiometrische Betriebsmodus ist, d. h. wenn die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetriebsmodus arbeitet, dann bestimmt die NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14 in SCHRITT m-3 momentane NOx-Mengendaten q/NOx, die eine Menge von NOx pro OT repräsentieren, das durch das NOx-Absorbens des Katalysators 3 in dem gegenwärtigen Steuerzyklus absorbiert wird.
Die momentanen NOx-Mengendaten q/NOx werden aus der gegenwärtigen Drehzahl, dem Einlassdruck der Kühlmitteltemperatur und dem tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD der Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung eines Kennfelds oder einer Datentabelle geschätzt.
Einige Direkteinspritzmaschinen können selektiv in zwei Magerbetriebsmodi betrieben werden, das ist ein Vormisch-Magerbetriebsmodus, in dem Luft und Kraftstoff in Einlasshüben der Maschine vermischt und dann das Luft-Kraftstoffgemisch verbrannt wird, und einem Hoch-Magerbetriebsmodus, in dem ein Luft-Kraftstoffgemisch mit einer sehr kleinen Kraftstoffmenge in Kompressionshüben der Maschine erzeugt und dann das Luft-Kraftstoffgemisch verbrannt wird. Bei diesen Maschinen könnten die momentanen NOx-Mengendaten im Hinblick auf die Drehzahl und den Einlassdruck der Brennkraftmaschine 1 und auch auf der Basis davon, ob die Maschine in einem der zwei Magerbetriebsmodi arbeitet, bestimmt werden.
Die NOx-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung 14 addiert in SCHRITT m-4 akkumulativ die momentanen NOx-Mengendaten q/NOx in aufeinander folgenden Steuerzyklen, um die absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx zu bestimmen. Insbesondere werden die momentanen NOx-Mengendaten q/NOx zu dem gegenwärtigen Wert der momentanen NOx-Mengendaten q/NOx, d. h. dem in dem vorhergehenden Steuerzyklus bestimmten Wert, in jedem Steuerzyklus addiert, um den Wert der absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx zu aktualisieren.
Auf diese Weise werden nach dem Start des Magerbetriebsmodus die absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx, die die integrierte Menge von NOx repräsentieren, die im Magerbetriebsmodus dem Katalysator 3 zugeführt und von diesem absorbiert werden, nacheinander in den jeweiligen Steuerzyklen der maschinenseitigen Steuereinheit 9 erzeugt.
Dann vergleicht die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 in SCHRITT m-5 die absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx mit einem vorbestimmten Schwellenwert NOLT, um zu bestimmen, ob die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist oder nicht.
In der vorliegenden Ausführung wird der Schwellenwert NOLT, wie in 11 gezeigt, in Abhängigkeit vom letzten Verschlechterungsgrad des Katalysators 3, der durch die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 erkannt ist, bestimmt, was später beschrieben wird. Der Mittelwert RNFAV der integrierten Reduktionsmittelmengendaten FNF wird als Repräsentant des Verschlechterungsgrads des Katalysators 3 verwendet, was später beschrieben wird.
Insbesondere ist der Schwellenwert NOLT kleiner, wenn der Verschlechterungsgrad des Katalysators 3 höher ist, d. h. wenn die Verschlechterung des Katalysators 3 weiter fortgeschritten ist. Der Grund hierfür ist, dass dann, wenn die Verschlechterung des Katalysators 3, oder insbesondere dessen NOx-Absorbens, fortschreitet, die NOx-Menge, die vom Katalysator 3 maximal absorbiert werden kann und die den absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx im Sättigungszustand entspricht, kleiner wird.
Wenn Q/NOx > NOLT, dann bewertet die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist. Wenn Q/NOx ≤ NOLT, dann bewertet die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 nicht gesättigt ist.
Wenn in SCHRITT m-5 die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 bewertet, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist (Q/NOx > NOLT), dann ist der Katalysator 3 nicht in der Lage, mehr NOx zu absorbieren, und das NOx muss reduziert werden. Daher setzt die maschinenseitige Steuereinheit 9 in SCHRITT m-6 den Wert des Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”0”, um den Magerbetriebsmodus zu sperren und in den stöchiometrischen Betriebsmodus zu schalten. In SCHRITT m-6 setzt die maschinenseitige Steuereinheit 9 auch den Wert eines Flag F/WOCFLO auf ”1”. Der Wert des Flag F/WOCFLO ist ”1”, wenn der Magerbetriebsmodus fortgedauert hat, bis die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist, und ”0”, wenn der Magerbetriebsmodus nicht fortgedauert hat, bis die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist. Das Flag F/WOCFLO (nachfolgend als ”Absorptions-Sättigungsbetrieb-Entscheidungsflag F/WOCFLO” bezeichnet) wird in Bezug auf die Evaluierung des Verschlechterungszustands des Katalysators 3 durch die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 verwendet.
Wenn in SCHRITT m-6 das Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”0” gesetzt ist, wird im in 7 gezeigten SCHRITT b in einem nächsten Steuerzyklus der maschinenseitigen Steuereinheit 9 der Betriebsmodus auf den stöchiometrischen Betriebsmodus gesetzt (siehe 8). Daher wird der Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 auf den stöchiometrischen Betriebsmodus geschaltet, und das NOx wird in dem Katalysator 3 reduziert.
Wenn die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 in SCHRITT m-5 bewertet, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 nicht gesättigt ist (Q/NOx ≤ NOLT), dann setzt, da der Magerbetriebsmodus nicht fortgeführt wurde, bis die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist, die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 in SCHRITT m-7 den Wert des Absorptions-Sättigungsbetrieb-Entscheidungsflag F/WOCFLO auf ”0”. Insofern, als der Katalysator 3 zu dieser Zeit mehr NOx absorbieren kann, bleibt das Reduktionsentscheidungsflag F/NoxRF auf dem gegenwärtigen Wert (= 1). Daher wird der Magerbetriebsmodus kontinuierlich weitergeführt, insofern die Bedingung vom in 8 gezeigten SCHRITT b-2 erfüllt ist.
Details der maschinenseitigen Steuereinheit 9 sind oben beschrieben worden.
Nun wird der Prozess der auslassseitigen Steuereinheit 8 nachfolgend im Detail beschrieben. Während der Betriebsmodus auf den stöchiometrischen Betriebsmodus gesetzt ist, führt die auslassseitige Steuereinheit 8 die in 12 gezeigte Hauptroutine im Steuerzyklus einer konstanten Periode aus, die mit dem obigen Prozess der maschinenseitigen Steuereinheit 9 einhergeht.
Wie in 12 gezeigt, berechnet die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 1 die letzten Differenzausgaben kact(k) (= KACT – FLAF/BASE), VO2(k) (= VO2/OUT – VO2/TARGET) jeweils von den Subtrahierern 18, 19. Insbesondere wählen die Subtrahierer 18, 19 die letzten der Zeitseriendaten, die im in 7 gezeigten SCHRITT a in dem nicht dargestellten Speicher gelesen und gespeichert sind, berechnen die Differenzausgaben kact(k), VO2(k) und speichern die berechneten Differenzausgaben kact(k), VO2(k) sowie die in der Vergangenheit angegebenen Daten in zeitserieller Weise in einem Speicher (nicht gezeigt) in der auslassseitigen Steuereinheit 8.
Dann bewirkt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 2 den Prozess des Identifizierers 20.
Der Prozess des Identifizierers 20 in SCHRITT 2 ist im Detail in 13 gezeigt.
Der Identifizierer 20 berechnet in SCHRITT 2-1 die identifizierte Differenzausgabe VO2(k) Hut unter Verwendung der gegenwärtig identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k – 1) Hut, a2(k – 1) Hut, b1(k – 1) Hut und die vergangenen Daten VO2(k – 1), VO2(k – 2), kact(k – d – 1) der Differenzausgaben VO2, kact, die in jedem Steuerzyklus in SCHRITT 1 berechnet sind.
Der Identifizierer 20 berechnet dann in SCHRITT 2-2 den Vektor KΘ(k), der bei der Bestimmung der neu identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut zu verwenden ist, gemäß Gleichung (5). Danach berechnet der Identifizierer 20 in SCHRITT 2-3 den identifizierten Fehler id/e(k), d. h. die Differenz zwischen der identifizierten Differenzausgabe VO2(k) Hut und der aktuellen Differenzausgabe VO2 (siehe Gleichung (3)).
Der identifizierte Fehler id/e(k) kann grundlegend gemäß Gleichung (3) berechnet werden. In der gegenwärtigen Ausführung wird jedoch ein Wert (= VO2(k) – VO2(k) Hut), der gemäß Gleichung (3) aus der in jedem Steuerzyklus in SCHRITT 1 berechneten Differenzausgabe VO2 berechnet ist (siehe 12), und die identifizierte Differenzausgabe VO2 Hut, die in jedem Steuerzyklus in SCHRITT 2-2 berechnet ist, mit Tiefpasscharakteristiken gefiltert, um den identifizierten Fehler id/e(k) zu berechnen.
Der Grund hierfür ist, dass, weil das Verhalten des Abgassystems E einschließlich dem Katalysator 3, oder spezifischer, die Charakteristika von Änderungen der Ausgabe des Abgassystems E in Bezug auf Änderungen der Eingabe des Abgassystems E allgemein Tiefpasscharakteristiken haben, es bevorzugt ist, dem niederfrequenten Verhalten des Abgassystems E Wichtigkeit zuzugestehen, indem die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 des Abgassystemmodells geeignet identifiziert werden.
Sowohl die Differenzausgabe VO2 als auch die identifizierte Differenzausgabe VO2 Hut kann mit den gleichen Tiefpasscharakteristiken gefiltert werden. Beispielsweise kann, nachdem die Differenzausgabe VO2 und die identifizierte Differenzausgabe VO2 Hut separat gefiltert worden sind, die Gleichung (3) berechnet werden, um den identifizierten Fehler id/e(k) zu bestimmen. Die obige Filterung wird z. B. durch einen gleitenden Mittelungsprozess durchgeführt, der ein digitaler Filterprozess ist.
Danach berechnet der Identifizierer 20 in SCHRITT 2-4 einen neuen identifizierten Verstärkungskoeffizientenvektor Θ(k), d. h. neue identifizierte Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut, gemäß der Gleichung (4) unter Verwendung des in SCHRITT 2-3 bestimmten identifizierten Fehlers id/e(k) und des in SCHRITT 2-2 berechneten KΘ(k).
Nachdem die neu identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut berechnet sind, beschränkt der Identifizierer 20 in SCHRITT 2-5 die Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut (Elemente des identifizierten Verstärkungskoeffizientenvektors Θ), um vorbestimmte Bedingungen zu erfüllen. Dann aktualisiert der Identifizierer 20 die Matrix P(k) gemäß Gleichung (6) zur Bearbeitung eines nächsten Steuerzyklus in SCHRITT 2-6, wonach die Steuerung zur in 12 gezeigten Hauptroutine zurückkehrt.
Der Prozess der Begrenzung der Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut in SCHRITT 2-5 umfasst einen Prozess zum Begrenzen von Kombinationen der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut auf eine bestimmte Kombination, d. h. einen Prozess zum Begrenzen von Punkten (a1 Hut, a2 Hut) innerhalb eines bestimmten Bereichs auf einer Koordinatenebene, deren Komponenten durch die identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut repräsentiert werden, sowie einen Prozess zum Begrenzen des Werts des identifizierten Verstärkungskoeffizienten b1 Hut innerhalb eines gewissen Bereichs.
Wenn in dem ersteren Prozess die Punkte (a1 Hut, a2 Hut) auf der Koordinatenebene, die durch die identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut gemäß Berechnung in SCHRITT 2-4 bestimmt sind, von einem gewissen Bereich auf der Koordinatenebene abweichen, dann werden die Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut zwangsweise auf die Punktwerte in dem bestimmten Bereich beschränkt. Wenn im letzteren Prozess der Wert des identifizierten Verstärkungskoeffizienten b1 Hut eine Obergrenze oder eine Untergrenze des bestimmten Bereichs überschreitet, dann wird der Wert des identifizierten Verstärkungskoeffizienten b1 Hut zwangsweise auf die Obergrenze oder Untergrenze des bestimmten Bereichs beschränkt.
Der obige Prozess zum Beschränken der Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut wird durchgeführt, um die SLD-Stelleingabe Usl (das Soll-Differenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd), das durch den Gleitmodusregler 22 berechnet ist, und somit das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD stabil zu halten.
Spezifische Details des Prozesses zum Begrenzen der Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut sind im Detail z. B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 11-153051 beschrieben und werden nachfolgend nicht beschrieben.
Die vorhergehenden Werte a1(k – 1) Hut, a2(k – 1) Hut, b1(k – 1) Hut der identifizierten Verstärkungskoeffizienten, die zur Bestimmung der neu identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut im in 13 gezeigten SCHRITT 2-4 verwendet werden, sind die Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten, die in SCHRITT 2-5 im vorhergehenden Steuerzyklus begrenzt worden sind.
In einer Situation, in der die Kraftstoffzufuhr zu der Brennkraftmaschine 1 unterbrochen ist, d. h. die Kraftstoffeinspritzung gestoppt ist, oder das Drosselventil im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, während die Brennkraftmaschine 1 im stöchiometrischen Betriebsmodus ist, aktualisiert der Identifizierer 20 die Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut nicht, sondern behält deren gegenwärtige Werte.
Die Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut und die Werte der Elemente der Matrix P werden auf vorbestimmte Werte initialisiert, während die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetriebsmodus ist.
In 12 bestimmt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 3 die Werte der Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1, nachdem der Prozess des Identifizierers 20 ausgeführt worden ist. Insbesondere werden die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 auf die letzten identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut gesetzt, die vom Identifizierer 20 in SCHRITT 2 bestimmt sind (in SCHRITT 2-5 begrenzt sind). In einer Situation, in der die Kraftstoffzufuhr zu der Brennkraftmaschine 1 unterbrochen ist, d. h. die Kraftstoffeinspritzung gestoppt ist, oder das Drosselventil im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, während sich die Brennkraftmaschine 1 im stöchiometrischen Betriebsmodus befindet, werden, wenn der Identifizierer 20 die Werte der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut nicht aktualisiert, die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 auf vorbestimmte Werte gesetzt, d. h. in dem vorhergehenden Steuerzyklus bestimmte Werte.
Dann bewirkt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 4 eine Prozessoperation des Schätzglieds 21, d. h. berechnet die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken.
Das Schätzglied 21 berechnet die Koeffizienten α1, α2, βj (j = 1, 2, ..., d), die in Gleichung (7) zu verwenden sind, unter Verwendung der in SCHRITT 3 bestimmten Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 (diese Werte sind grundlegend die identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut), wie oben beschrieben.
Dann berechnet das Schätzglied 21 die geschätzte Differenzausgabe VO2(k + d) Balken (der geschätzte Wert der Differenzausgabe VO2 nach der Totzeit d des Abgassystems E ab der Zeit des gegenwärtigen Steuerzyklus) gemäß Gleichung (7) unter Verwendung der zeitseriellen Daten VO2(k), VO2(k – 1), ab vor dem gegenwärtigen Steuerzyklus, der Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5, die in jedem Steuerzyklus in SCHRITT 1 berechnet ist, der zeitseriellen Daten kact(k – j) (j = 1, 2, ..., d1) ab vor dem gegenwärtigen Steuerzyklus der Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 sowie der wie oben berechneten Koeffizienten α1, α2, βj.
Die auslassseitige Steuereinheit 8 führt dann den Prozess der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 durch und führt auch den Prozess der Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 durch.
Diese Prozesssequenz der auslassseitigen Steuereinheit 8 ist in 14 gezeigt. Die auslassseitige Steuereinheit 8 bestimmt in SCHRITT 5-1 bis 5-5, ob Bedingungen zum Schätzen des Verschlechterungszustands des Katalysators 3 erfüllt sind oder nicht.
Insbesondere bestimmt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 5-1 den Wert des Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF. Wenn F/NOxRF = 1, d. h. wenn die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 abgeschlossen ist, wie später beschrieben, dann geht die Steuerung sofort zu der in 12 gezeigten Prozesssequenz zurück.
Unmittelbar, nachdem der Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus schaltet, ist, wegen des Prozesses im in 9 gezeigten SCHRITT k-2, F/NOxRF = 0.
Wenn F/NOxRF = 0, dann addiert die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 5-2 den Sollwert VO2/TARGET zu der geschätzten Differenzausgabe VO2(k + d) Balken in dem gegenwärtigen Steuerzyklus, der in SCHRITT 4 durch das Schätzglied 21 bestimmt wurde, um hierdurch eine geschätzte Ausgabe PRE/VO2(k) zu bestimmen, die den geschätzten Wert der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 repräsentiert, der um die Totzeit d später ist als der gegenwärtige Steuerzyklus.
Dann vergleicht die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 in SCHRITT 5-3 einen gegenwärtigen Wert PRE/VO2(k) und einen vorhergehenden Wert PRE/VO2(k – 1) der geschätzten Ausgabe PRE/VO2 mit einem vorbestimmten Schwellenwert IPV02B, um zu bestimmen, ob die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist oder nicht.
Unmittelbar nachdem der Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus schaltet, repräsentieren die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 und die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 davon nach der Totzeit d ein magereres Luft-Kraftstoffverhältnis aufgrund des Effekts des früheren Magerbetriebsmodus. Wenn der stöchiometrische Betriebsmodus, d. h. der Betriebsmodus zum Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators, um die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken des O₂-Sensors 5 zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren und somit die tatsächliche Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren, fortschreitet, werden die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 und die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 davon zu einem fetten Wert verschoben und schließlich zu dem Sollwert VO2/TARGET konvergiert.
Wenn die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 tatsächlich abgeschlossen ist, ändert sich die tatsächliche Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 im Wesentlichen gleichzeitig von einem mageren Wert zu einem fetten Wert. Da die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 ein geschätzter Wert der Ausgabe des O₂-Sensors 5 nach der Totzeit d ist, wenn die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 von einem mageren Wert zu einem fetten Wert wechselt, ändert sich auch die tatsächliche Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 grundlegend von einem mageren Wert zu einem fetten Wert zu einer Zeit, die um die Totzeit d später ist als die Zeit, zu der sich die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 geändert hat.
In SCHRITT 5-3 verwendet die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 die Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses, z. B. den Sollwert VO2/TARGET, als den Schwellenwert PVO2B und vergleicht den Schwellenwert PVO2B mit dem gegenwärtigen Wert PRE/VO2(k) und dem vorhergehenden Wert PRE/Vo2(k – 1) der in SCHRITT 5-2 bestimmten geschätzten Ausgabe PRE/VO2. Wenn PRE/VO2(k – 1) < PVO2B und PRE/VO2(k) ≥ PVO2B, d. h. wenn die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 von einem mageren Wert zu einem fetten Wert wechselt, wird bestimmt, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist.
Der Schwellenwert PVO2B kann ein Wert sein, der vom Sollwert VO2/TARGET zu einem mageren Wert hin ein wenig verschoben ist.
Wenn PRE/VO2(k – 1) < PVO2B und PRE/VO2(k) ≥ PVO2B, d. h. das Reduktionszustand-Erkennunsmittel 12 bestimmt, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist, dann setzt die auslassseitige Steuereinheit 7 in SCHRITT 5-4 den Wert des Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”1”. Der Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 kann nun vom stöchiometrischen Betriebsmodus zum Magerbetriebsmodus wechseln (siehe 8).
Dann bestimmt die auslassseitige Steuereinheit 7 in SCHRITT 5-5 den Wert des Absorptions-Sättigungsbetrieb-Entscheidungsflag F/WOCFLO, der im Prozess in SCHRITT m (siehe 1) im Magerbetriebsmodus gesetzt ist.
Wenn F/WOCFLO = 1, d. h. wenn der Magerbetriebsmodus vor dem gegenwärtigen stöchiometrischer Betriebsmodus fortgedauert hat, bis die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist, evaluiert die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 in SCHRITT 5-6 bis SCHRITT 5-9 den Verschlechterungszustand des Katalysators 3.
Insbesondere liest die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 in SCHRITT 5-6 den letzten Wert (gegenwärtigen Wert) der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, die in SCHRITT k durch die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 der maschinenseitigen Steuereinheit 9 einhergehend mit dem Prozess der auslassseitigen Steuereinheit 8 im stöchiometrischen Betriebsmodus bestimmt sind.
Die in SCHRITT 5-6 gelesenen integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, einschließlich den in der Vergangenheit gelesenen Daten, werden in zeitserieller Weise in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeichert. Der Speicher zum Speichern der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF umfasst einen nichtflüchtigen Speicher, wie etwa ein EEPROM, so dass die gespeicherten, zeitseriellen Daten der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF nicht verloren gehen, wenn die Brennkraftmaschine 1 abgeschaltet wird.
Dann bestimmt die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 in SCHRITT 5-7 einen Mittelwert RNFAV einer vorbestimmten Anzahl zuletzt integierter Reduktionsmittelmengendaten RNF der zeitseriellen Daten der in dem Speicher gespeicherten integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, als Repräsentant des Verschlechterungsgrads des Katalysators 3, oder genauer gesagt des Verschlechterungsgrads des in dem Katalysator 3 enthaltenden NOx-Absorbens.
Da die in SCHRITT 5-6 gelesenen integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF gelesen werden, wenn die Bedingungen von SCHRITT 5-3, SCHRITT 5-5 erfüllt sind, handelt es sich um die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF zu der Zeit, zu der bestimmt wird, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d beendet ist. Zusätzlich werden die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF während des stöchiometrischen Betriebsmodus bestimmt, nachdem der Magerbetriebsmodus ausgeführt worden ist, bis bestimmt wird, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator gesättigt ist. Daher entsprechen die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF der NOx-Menge, die vom Katalysator 3 maximal absorbiert werden kann (nachfolgend als ”maximal absorbierbare NOx-Menge bezeichnet”). Wenn die Verschlechterung des NOx-Absorbens des Katalysators 3 fortschreitet, nimmt die maximal absorbierbare NOx-Menge monoton ab. Daher stehen die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF und die maximal absorbierbare NOx-Menge oder der Verschlechterungsgrad des Katalysators 3 zueinander in Beziehung, wie in 16 gezeigt.
Insbesondere nimmt auch der Wert der in SCHRITT 5-6 gelesenen integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF ab, wenn die Verschlechterung des Katalysators 3 fortschreitet und die maximal absorbierbare NOx-Menge abnimmt. Daher nimmt auch der Mittelwert RNFAV der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF monoton ab, wenn die Verschlechterung des Katalysators 3 fortschreitet, und repräsentiert daher den Verschlechterungsgrad des Katalysators 3. Während die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF aufgrund einer Störung oder dgl. variieren können, zeigt aber deren Mittelwert RNFAV genau die obige Tendenz in Bezug auf den Verschlechterungsgrad des Katalysators 3.
Nachdem der Mittelwert RNFAV der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF bestimmt wurde, vergleicht die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 in SCHRITT 5-8 den Mittelwert RNFAV mit einem vorbestimmten Schwellenwert RNFLT (siehe 16).
Spezifisch wird in der vorliegenden Ausführung der Verschlechterungsgrad des Katalysators 3 evaluiert, um zu beweisen, ob der Katalysator 3 in einem Zustand ist, in dem er sich auf ein solches Ausmaß verschlechtert hat, dass er sofort oder bald ersetzt werden muss (ein solcher Verschlechterungszustand wird nachfolgend als ”fortschreitender Verschlechterungszustand” bezeichnet), oder nicht (ein Zustand des Katalysators 3, der nicht in dem fortschreitenden Verschlechterungszustand ist, wird nachfolgend als ”nicht verschlechterter Zustand” bezeichnet). Wenn RNFAV 5 RNFLT ( 16), dann bewertet die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Katalysator 3 als im fortschreitenden Verschlechterungszustand, und wenn RNFAV > RNFLT, dann bewertet die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Katalysator 3 als im nicht verschlechterten Zustand. Wenn die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 bewertet, dass der Katalysator 3 in dem fortschreitenden Verschlechterungszustand ist, dann betreibt die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Verschlechterungsindikator 7, um in SCHRITT 5-9 den fortschreitenden Verschlechterungszustand anzuzeigen. Wenn die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Katalysator 3 als in dem nicht verschlechterten Zustand bewertet, betreibt die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Verschlechterungsindikator 7 nicht, sondern beendet den Prozess in SCHRITT 5, wonach die Steuerung zur in 12 gezeigten Hauptroutine zurückkehrt.
Wenn die Bedingungen von PRE/VO2(k – 1) < PV02B und PRE/VO2(k) ≥ PVO2B in SCHRITT 5-3 nicht erfüllt sind, dann führt, da die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d noch nicht abgeschlossen ist, die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Prozessabschnitt 5-4 nicht durch, sondern beendet den Prozess in SCHRITT 5. in diesem Fall wird das Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”0” gehalten und der Magerbetriebsmodus wird kontinuierlich gehemmt.
Wenn in SCHRITT 5-5 F/WOCFLO = 0, d. h. wenn der Magerbetriebsmodus vor dem stöchiometrischen Betriebsmodus nicht ausgeführt worden ist, bis die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist, dann führt die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 den Prozessabschnitt 5-6 nicht durch, sondern beendet den Prozess in SCHRITT 5.
Wenn die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 bewertet, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist, auf der Basis der geschätzten Ausgabe PRE/VO2, die den geschätzten Wert der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 nach der Totzeit d repräsentiert, dann wird, da das Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF in SCHRITT 5-4 auf ”1” gesetzt ist, der Magerbetriebsmodus in und nach dem nächsten Steuerzyklus ausgeführt, wenn die Brennkraftmaschine 1 arbeitet, sofern die Brennkraftmaschine 1 arbeitet, wobei die Bedingung vom in 8 gezeigten SCHRITT b-2 erfüllt ist.
Wenn und nur wenn der Magerbetriebsmodus vor dem stöchiometrischen Betriebsmodus zur Durchführung des Prozesses der auslassseitigen Steuereinheit 8 ausgeführt worden ist, bis die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist, dann evaluiert das Katalysatorverschlechterungs-Evaluierungsmittel 11 den Verschlechterungszustand des Katalysators 3, wenn die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 die obige Erkennung durchgeführt hat.
Nach Durchführung der Prozesse in SCHRITT 5 in 12 berechnet die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 6 die SLD-Stelleingabe Usl (= das Solldifferenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd) mit dem Gleitmodusregler 22.
Spezifisch berechnet der Gleitmodusregler 22 einen Wert σ(k + d) Balken (entsprechend einem Schätzwert nach der Totzeit d der gemäß Gleichung (8) definierten Schaltfunktion σ) nach der Totzeit d aus dem gegenwärtigen Steuerzyklus der gemäß Gleichung (17) definierten Schaltfunktion σ Balken unter Verwendung der zeitseriellen Daten VO2(k + d) Balken, VO2(k + d – 1) Balken der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken, die durch das Schätzglied 21 bestimmt ist.
Hierbei hält der Gleitmodusregler 22 den Wert der Schaltfunktion σ Balken innerhalb eines vorbestimmten Zulässigkeitsbereichs. Wenn der Wert σ(k + d) Balken, der wie oben beschrieben bestimmt ist, die Ober- oder Untergrenze des Zulässigkeitsbereichs überschreitet, dann begrenzt der Gleitmodusregler 22 zwangsweise den Wert σ(k + d) Balken auf die Ober- oder Untergrenze des Zulässigkeitsbereichs. Wenn nämlich der Wert der Schaltfunktion σ Balken übermäßig wäre, wäre die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch übermäßig, und die adaptive Steuervorschrift Uadp würde sich abrupt ändern, mit der Tendenz, die Stabilität des Prozesses zum Konvergieren der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 auf den Sollwert VO2/TARGET zu beeinträchtigen.
Dann addiert der Gleitmodusregler 22 akkumulativ Werte σ(k + d) Balken·ΔT, die durch Multiplizieren des Werts σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ Balken mit der Periode ΔT (Konstantperiode) der Steuerzyklen der auslassseitigen Steuereinheit 8 erzeugt werden. Das heißt, der Gleitmodusregler 22 addiert das Produkt σ(k + d) Balken·ΔT des Werts σ(k + d) Balken und die im gegenwärtigen Steuerzyklus berechnete Periode ΔT zur im vorhergehenden Steuerzyklus bestimmten Summe, um hierdurch den Intergalwert σ Balken zu berechnen (nachfolgend als ”Σσ Balken” bezeichnet), der das Berechnungsergebnis des Ausdrucks Σ(σ Balken·ΔT) der Gleichung (19) ist.
In der vorliegenden Ausführung hält der Gleitmodusregler 22 den Intergalwert Σσ Balken in einem vorbestimmten Zulässigkeitsbereich. Wenn der integrierte Wert Σσ Balken die Ober- oder Untergrenze des Zulässigkeitsbereichs überschreitet, dann begrenzt der Gleitmodusregler 22 zwangsweise den Intergalwert Σσ Balken die Ober- oder Untergrenze des Zulässigkeitsbereichs. Wenn nämlich der integrierte Wert Σσ Balken übermäßig wäre, würde die gemäß der Gleichung (19) bestimmte adaptive Steuervorschrift Uadp übermäßig werden, mit der Tendenz, die Stabilität des Prozesses zum Konvergieren der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 zu dem Sollwert VO2/TARGET hin zu beeinträchtigen.
Dann berechnet der Gleitmodusregler 22 die äquivalente Steuereingabe Ueq, die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch und die adaptive Steuervorschift Uadp gemäß den jeweiligen Gleichungen (16), (18), (19) unter Verwendung der zeitseriellen Daten VO2(k + d)Balken, VO2(k + d – 1) Balken der vorliegenden und vergangenen Werte der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken, die durch das Schätzglied 21 in SCHRITT 4 bestimmt sind, des Werts σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ und deren Intergalwert Σσ Balken, die wie oben beschrieben bestimmt sind, und der in SCHRITT 3 bestimmten Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 (diese Werte sind grundlegend die letzten identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1(k) Hut, a2(k) Hut, b1(k) Hut).
Der Gleitmodusregler 22 addiert dann die äquivalente Steuereingabe Ueq, die Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch und die adaptive Steuervorschrift Uadp zur Berechnung der SLD-Stelleingabe Usl, d. h. die Eingabe (= das Solldifferenz-Luft-Kraftstoffverhältnis kcmd), das auf das Abgassystem E anzuwenden ist, um die SLD-Stelleingabe Usl, d. h. die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 des O₂-Sensors 5 und deren tatsächliche Ausgabe VO2/OUT zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren.
Nachdem die SLD-Stelleingabe Usl berechnet worden ist, bestimmt in SCHRITT 7 die auslassseitige Steuereinheit 8 die Stabilität des vom Gleitmodusregler 22 ausgeführten adaptiven Gleitmodusregelprozesses, oder genauer, die Fähigkeit des geregelten Zustands der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 auf der Basis des adaptiven Gleitmodusregelprozesses (nachfolgend als ”SLD-geregelter Zustand” bezeichnet), und setzt einen Wert eines Flag f/sld/stb, der angibt, ob der SLD-geregelte Zustand stabil ist oder nicht. Der Wert des Flag f/sld/stb ist ”1”, wenn der SLD-geregelte Zustand stabil ist, und ist andernfalls ”0”.
Die Bestimmungsunterroutine von SCHRITT 7 ist im Detail in 17 gezeigt.
Wie in 17 gezeigt, berechnet die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 7-1 eine Differenz Δσ Balken (entsprechend einer Änderungsrate der Schaltfunktion σ Balken) zwischen dem in SCHRITT 6 berechneten gegenwärtigen Wert σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ Balken und einem vorhergehenden Wert σ(k + d – 1) Balken davon.
Dann entscheidet die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 7-2, ob ein Produkt ΔσBalken·σ(k + d) Balken (entsprechend einer zeitdifferenzierten Funktion einer Lyapunov-Funktion σ Balken²/2 relativ zu dem σ Balken) der Differenz Δσ Balken und dem gegenwärtigen Wert σ(k + d) Balken gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ε (≥ 0) ist oder nicht.
Nachfolgend wird die Differenz ΔσBalken·σ(k + d) Balken beschrieben (nachfolgend als ”Stabilitätsbestimmungsparameter Pstb” bezeichnet). Wenn der Stabilitätsbestimmungsparameter Pstb größer als 0 ist (Pstb > 0), dann ändert sich der Wert der Schaltfunktion σ Balken grundlegend von ”0” weg. Wenn der Stabilitätsbestimmungsparameter Pstb gleich oder kleiner als 0 ist (Pstb ≤ 0), dann ist der Wert der Schaltfunktion σ Balken grundlegend zu ”0” konvergiert oder konvergiert dorthin. Um gemäß dem Gleitmodusregelprozess die Regelgröße auf ihren Sollwert zu konvergieren, ist es allgemein erforderlich, dass der Wert der Schaltfunktion stabil auf ”0” konvergiert. Daher ist es grundlegend möglich, zu bestimmen, ob der SLD-geregelte Zustand stabil oder unstabil ist in Abhängigkeit davon, ob der Wert des Stabilitätsbestimmungsparameters Pstb gleich oder kleiner als 0 ist oder nicht.
Wenn jedoch die Stabilität des SLD-geregelten Zustands durch Vergleich des Werts des Stabilitätsbestimmungsparameters Pstb mit ”0” bestimmt wird, dann wird das Bestimmungsergebnis der Stabilität bereits durch leichtes Rauschen beeinflusst, das in dem Wert der Schaltfunktion σ Balken enthalten ist. Nach der bevorzugten Ausführung wird daher der vorbestimmte Wert e, mit dem der Stabilitätsbestimmungsparameter Pstb in SCHRITT 7-2 zu vergleichen ist, ein positiver Wert, der ein wenig größer ist als ”0”.
Wenn in SCHRITT 7-2 Pstb > ε, dann wird bewertet, dass der SLD-geregelte Zustand unstabil ist, und in SCHRITT 7-4 wird der Wert eines Zeitzählers tm (eines Herunterzähl-Timers) auf einen vorbestimmten Anfangswert T_M gesetzt (der Zeitzähler tm wird gestartet), um die Bestimmung des Soll-Luft-Kraftstoffverhältnisses KCMD unter Verwendung der in SCHRITT 6 berechneten SLD-Stelleingabe Usl für eine vorbestimmte Zeit zu hemmen. Danach wird der Wert des Flag f/sld/stb in SCHRITT 7-5 auf ”0” gesetzt, wonach die Steuerung zur in 12 gezeigten Hauptroutine zurückkehrt.
Wenn in SCHRITT 7-2 Pstb ≤ ε, dann entscheidet die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 7-3, ob der gegenwärtige Wert σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ Balken in einen vorbestimmten Bereich fällt oder nicht.
Wenn der gegenwärtige Wert σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ Balken nicht in den vorbestimmten Bereich fällt, dann wird, da der gegenwärtige Wert σ(k + d) Balken einen großen Abstand von ”0” hat, der SLD-geregelte Zustand als unstabil betrachtet. Wenn daher in SCHRITT 7-3 der gegenwärtige Wert σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ Balken nicht in den vorbestimmten Bereich fällt, dann wird der SLD-geregelte Zustand als unstabil gewertet, und die Prozesse von SCHRITT 7-4 und SCHRITT 7-5 werden ausgeführt, um den Zeitzähler tm zu starten und den Wert des Flag f/sid/stb auf ”0” zu setzen.
Da in der vorliegenden Ausführung der Wert der Schaltfunktion σ Balken in SCHRITT 6 auf innerhalb des zulässigen Bereichs beschränkt ist, kann der Entscheidungsprozess in SCHRITT 7-3 weggelassen werden.
Wenn der gegenwärtige Wert σ(k + d) Balken der Schaltfunktion σ Balken in SCHRITT 7-3 in den vorbestimmten Bereich fällt, dann zählt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 7-6 den Zeitzähler tm für eine vorbestimmte Zeit Δtm herunter. Dann entscheidet die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 7-7, ob der Wert des Zeitzählers tm gleich oder kleiner als ”0” ist oder nicht, d. h. ob eine Zeit entsprechend dem Anfangswert T_M ab dem Start des Zeitzählers tm abgelaufen ist oder nicht.
Wenn tm > 0, d. h. wenn der Zeitzähler tm noch immer die Zeit misst und seine Setzzeit noch nicht abgelaufen ist, dann hat der SLD-geregelte Zustand die Tendenz, unstabil zu werden, da keine wesentliche Zeit abgelaufen ist, nachdem der SLD-geregelte Zustand in SCHRITT 7-2 oder SCHRITT 7-3 als unstabil bewertet wurde. Wenn in SCHRITT 7-7 tm > 0, wird daher dann der Wert des Flag f/sid/stb in SCHRITT 7-5 auf ”0” gesetzt.
Wenn in SCHRITT 7-7 tm ≤ 0, d. h. wenn die Setzzeit des Zeitzählers tm abgelaufen ist, dann wird der SLD-geregelte Zustand als stabil gewertet, und in SCHRITT 7-8 wird der Wert des Flag f/sid/stb auf ”1” gesetzt.
Wenn nach dem obigen Prozess der SLD-geregelte Zustand als unstabil gewertet wird, dann wird der Wert des Flag f/sld/stb auf ”0” gesetzt, und wenn der SLD-geregelte Zustand als stabil gewertet wird, dann wird der Wert des Flag f/sld/stb auf ”1” gesetzt.
In der vorliegenden Ausführung dient der obige Prozess zur Bestimmung der Stabilität des SLD-geregelten Zustands lediglich als Illustrationsbeispiel. Die Stabilität des SLD-geregelten Zustands kann auch durch verschiedene andere Prozesse bestimmt werden. Beispielsweise wird in jeder gegebenen Periode, die länger als der Steuerzyklus ist, die Frequenz, mit der der Wert des Stabilitätsbestimmungsparameters Pstb in der Periode größer als der vorbestimmte Wert ε ist, gezählt. Wenn die Frequenz einen vorbestimmten Wert überschreitet, dann wird bewertet, dass der SLD-geregelte Zustand unstabil ist. Andernfalls wird der SLD-geregelte Zustand als stabil gewertet.
Zurück zu 12. Nachdem ein Wert des Flag f/sld/stb, der die Stabilität des SLD-geregelten Zustands anzeigt, gesetzt wurde, bestimmt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT S8 den Wert des Flag f/sld/stb. Wenn der Wert des Flag f/sld/stb ”1” ist, d. h. wenn der SLD-geregelte Zustand als stabil gewertet wird, dann begrenzt der Gleitmodusregler 22 in SCHRITT 9 die in SCHRITT 6 berechnete SLD-Stelleingabe Usl. Spezifisch bestimmt der Gleitmodusregler 22, ob der in SCHRITT 6 berechnete gegenwärtige Wert der SLD-Stelleingabe Usl in einen vorbestimmten Zulässigkeitsbereich fällt oder nicht. Wenn der gegenwärtige Wert der SLD-Stelleingabe Usl die Ober- oder Untergrenze des Zulässigkeitsbereichs überschreitet, dann begrenzt der Gleitmodusregler 22 zwangsweise den gegenwärtigen Wert Usl(k) der SLD-Stelleingabe Usl auf die Ober- oder Untergrenze des Zulässigkeitsbereichs.
Dann addiert die auslassseitige Steuereinheit 8 den Referenzwert FLAF/BASE zu der SLD-Stelleingabe Usl, die in SCHRITT 9 durch den Gleitmodusregler 22 begrenzt worden ist, um hierdurch in SCHRITT 11 das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD zu bestimmen. Dann wird der Prozess des gegenwärtigen Steuerzyklus beendet.
Wenn in SCHRITT 11 f/sld/stb = 0, d. h. wenn in SCHRITT 8 der SLD-geregelte Zustand als unstabil gewertet wird, dann setzt die auslassseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 10 zwangsweise den Wert der SLD-geregelten Eingabe Usl in dem gegenwärtigen Steuerzyklus auf einen vorbestimmten Wert (z. B. den Festwert oder den vergangenen Wert der SLD-Stelleingabe Usl). Dann berechnet die auslasseitige Steuereinheit 8 in SCHRITT 11 das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD gemäß Gleichung (20). Dann wird der Prozess des gegenwärtigen Steuerzyklus beendet.
Das in SCHRITT 11 letztendlich bestimmte Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD wird in einem Speicher (nicht gezeigt) in zeitserieller Weise in jedem Steuerzyklus gespeichert. Wenn die maschinenseitige Steuereinheit 9 das durch die auslassseitige Steuereinheit 8 bestimmte Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD im stöchiometrischen Betriebsmodus als das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD verwenden soll (siehe SCHRITT d in 7), werden die letzten Daten der zeitseriellen Daten des so gespeicherten Luft-Kraftstoffverhältnisses KCMD gewählt. Im stöchiometrischen Betriebsmodus reguliert die maschinenseitige Steuereinheit 9 die Kraftstoffeinspritzmenge für die Brennkraftmaschine 1, um die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 (das erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators) zu dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD zu konvergieren, um hierdurch das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auf das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD zu regeln. Das heißt, das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators wird geregelt, um den geschätzten Wert PRE/VO2 (= VO2 Balken + VO2/TARGET) der Ausgabe des O₂-Sensors 5 nach der Totzeit d zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren und somit die tatsächliche Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 auf den Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren.
Wenn in der oben beschriebenen Ausführung der Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus wechselt, erkennt die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 sequentiell (in jedem Steuerzyklus der auslassseitigen Steuereinheit 8), ob die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist oder nicht, auf der Basis der geschätzten Ausgabe PRE/VO2 des O₂-Sensors 5, die durch die geschätzte Differenz-Ausgabe VO2 Balken gemäß Bestimmung durch das Schätzglied 21 im stöchiometrischen Betriebsmodus bestimmt ist (siehe in 14 gezeigter SCHRITT 5-3). Auch wenn hierbei der Magerbetriebsmodus in den stöchiometrischen Betriebsmodus schaltet, wird das Reduktionsentscheidungsflag auf ”0” gesetzt (siehe SCHRITT k-2 in 9), und das Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF wird auf ”0” gehalten, bis erkannt wird, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist. Danach wird, bis die obige Erkennung erfolgt, ein Wechsel des Betriebsmodus vom stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Magerbetriebsmodus unterbunden. Nachdem die obige Erkennung erfolgt ist, da das Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”1” gesetzt ist (siehe in 14 gezeigter SCHRITT 5-4), wechselt der Betriebsmodus vom stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Magerbetriebsmodus, wenn die Bedingung vom in 8 gezeigten SCHRITT b-2 erfüllt ist. Wenn somit die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 in Wirklichkeit nicht abgeschlossen ist, ist es möglich, die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetriebsmodus ab der Zeit zu betreiben, zu der erwartet wird, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen sein wird. Daher werden mehr Gelegenheiten zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 im Magerbetriebsmodus vorgesehen, was den Kraftstoffverbrauch senkt und auch die Menge von im Abgas enthaltenen schädlichen Gasen minimiert.
Im stöchiometrischer Betriebsmodus wird das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD, welches das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators definiert, gemäß dem adaptiven Gleitmodusregelprozess erzeugt, der durch den Gleitmodusregler 22 ausgeführt wird. Das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators wird auf das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD primär durch den adaptiven Regler 31 geregelt, der ein rekursives Regelmittel ist. Danach wird, unmittelbar nachdem der Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus schaltet, das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators geregelt, um den Schätzwert PRE/VO2 des O₂-Sensors 5 und somit die tatsächliche Ausgabe VO2/OUT davon schnell auf den Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren. Daher schreitet die Reduktion von NOx in dem Katalysator glatt und schnell fort. Es wird somit erkannt, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d in einer relativ kurzen Zeit, nach der der stöchiometrische Betriebsmodus begonnen hat, tatsächlich abgeschlossen ist. Die Periode, in der der Magerbetriebsmodus zum Beenden der Reduktion von NOx nach der Totzeit d gehemmt wird, nachdem der stöchiometrische Betriebsmodus gestartet wurde, wird relativ kurz gemacht. Im Ergebnis kann die Zeit, die es ermöglicht, vom stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Magerbetriebsmodus zu schalten, verkürzt werden, und daher werden mehr Gelegenheiten vorgesehen, um die Brennkraftmaschine 1 im Magerbetriebsmodus zu betreiben. Gleichzeitig kann, durch die oben beschriebene Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators eine optimale Reinigungsfähigkeit des Katalysators 3 schnell in einer Situation erreicht werden, in der der stöchiometrische Betriebsmodus kontinuierlich durchgeführt werden soll.
Der Algorithmus des Prozesses für das Schätzglied 21 zur Bestimmung der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken ist auf der Basis eines Abgassystemmodells, das gemäß Gleichung (1) ausgedrückt ist, im Hinblick auf die Ansprechverzögerung und die Totzeit des Abgassystems E aufgebaut. Die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1, die Parameter des Abgassystems E sind, werden auf Echtzeitbasis in Abhängigkeit vom tatsächlichen Verhalten des Abgassystems E durch den Identifizierer 20 identifiziert. Die geschätzte Differenzausgabe VO2 wird unter Verwendung der Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 und der Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 und der Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 bestimmt, die jeweils erfasste Werte der Eingabe und Ausgabe des Abgassystems E sind. Daher werden die geschätzte Differenzausgabe VO2 und somit die geschätzte Ausgabe PRE/VO2 des O₂-Sensors 5 hoch zuverlässig und genau gemacht. Wenn erkannt wird, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d auf der Basis der geschätzten Ausgabe PRE/VO2 abgeschlossen ist, dann wird die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 tatsächlich zuverlässig abgeschlossen, wenn die Totzeit tatsächlich ab der erkannten Zeit abläuft. Daher kann der Katalysator 3 NOx fehlerlos absorbieren, auch wenn der Magerbetriebsmodus durchgeführt wird, unmittelbar nachdem die obige Erkennung erfolgt ist. Da NOx bis zu einem Maximum ab dem Zustand absorbiert werden kann, in dem die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 abgeschlossen ist, kann die Periode, in der der Magerbetriebsmodus ausgeführt wird, vergrößert werden.
In der vorliegenden Erfindung wird ferner durch sequentielles Vergleichen der absorbierten NOx-Mengendaten Q/NOx mit dem Schwellenwert NOLT erkannt, ob die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 im Magerbetriebsmodus gesättigt ist oder nicht. Wenn die Sättigung der Absorption von NOx erkannt wird, wird das Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF auf ”0” gesetzt (siehe in 10 gezeigter SCHRITT m-6), was den Magerbetriebsmodus hemmt. (Hierbei schaltet der Betriebsmodus vom Magerbetriebsmodus zu dem stöchiometrischen Betriebsmodus.) Der Schwellenwert NOLT, der mit dem Reduktionsentscheidungsflag F/NOxRF zur Erkennung der Sättigung von NOx zu vergleichen ist, wird, wie in 11 gezeigt, in Abhängigkeit vom letzten Verschlechterungsgrad aufgestellt, der durch die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 erkannt wird, d. h. vom Mittelwert RNFAV der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, die im in 14 gezeigten SCHRITT 5-6 erhalten sind. Daher wird zuverlässig verhindert, dass der Magerbetriebsmodus kontinuierlich ausgeführt wird, während der Katalysator 3 nicht in der Lage ist, NOx zu absorbieren.
Im Hinblick auf die Evaluierung des Verschlechterungszustands des Katalysators 3 mit der Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung 11 werden, nur wenn der Magerbetriebsmodus ausgeführt wird, bis die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung 15 erkennt, dass die Absorption von NOx in dem Katalysator 3 gesättigt ist, d. h. das Absorptions-Sättigungsbetrieb-Entscheidungsflag F/WOCFLO ”1” wird, die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, die durch die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung 16 (die integierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, die im in 14 gezeigten SCHRITT 5-6 erhalten sind), in einer Periode nach der der stöchiometrische Betriebsmodus im Anschluss an den obigen Magerbetriebsmodus gestartet ist, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 erkennt, dass die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit d abgeschlossen ist, als Repräsentant des Verschlechterungsgrads des Katalysators 3 erhalten. Der Verschlechterungszustand des Katalysators 3 wird auf der Basis des Mittelwerts RNFAV der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF evaluiert.
Da die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung 12 die obige Erkennung auf der Basis der hoch zuverlässigen geschätzten Ausgabe PRE/VO2 des O₂-Sensors 5 durchführt, werden die integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF, die in SCHRITT 5-6 erhalten sind, hoch zuverlässig, da sie die erforderliche Menge an Reduktionsmitteln zum Reduzieren der gesamten NOx-Menge repräsentieren, die durch den Katalysator 3 bis zum Maximum absorbiert wurden, bis dieser gesättigt ist. Das heißt, die in SCHRITT 5-6 erhaltenen integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF sind hoch zuverlässig, da sie der Gesamtmenge von NOx (der maximal absorbierbaren NOx-Menge) entsprechen, die durch den Katalysator 3 im gegenwärtigen Verschlechterungszustand absorbiert werden können. Daher kann der Verschlechterungszustand des Katalysators 3 genau und geeignet auf der Basis des Mittelwerts RNFAV der integrierten Reduktionsmittelmengendaten RNF evaluiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführung beschränkt, sondern kann wie folgt modifiziert werden.
In der obigen Ausführung benutzt das Schätzglied 21 die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 als den erfassten Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisses stromauf des Katalysators (die Eingabe in das Abgassystem E), um die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken zu bestimmen. Da jedoch die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 auf das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD geregelt wird, ist es möglich, die geschätzte Differenzausgabe VO2 Balken unter Verwendung der Daten des Soll-Luft-Kraftstoffverhältnisses KCMD anstatt der Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 zu bestimmen.
In der obigen Ausführung werden die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 des Abgassystemmodells, das für das Schätzglied 21 zur Bestimmung der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken benutzt wird, durch den Identifizierer 20 identifiziert. Jedoch können die Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 auch aus der Drehzahl und dem Einlassdruck etc. der Brennkraftmaschine 1 unter Verwendung eines Kennfelds oder dergleichen bestimmt werden, oder der Prozess des Schätzglieds 21 kann unter Verwendung von Verstärkungskoeffizienten a1, a2, b1 als vorbestimmten Festwerten durchgeführt werden.
Zum Verbessern der Genauigkeit der geschätzten Differenzausgabe VO2 Balken ist es jedoch bevorzugt, den Prozess des Schätzglieds 21 unter Verwendung der Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 und der identifizierten Verstärkungskoeffizienten a1 Hut, a2 Hut, b1 Hut, die durch den Identifizierer 20 bestimmt sind, durchzuführen.
In der vorliegenden Ausführung ist das Abgassystemmodell unter Verwendung der Differenzausgabe kact des LAF-Sensors 4 und der Differenzausgabe VO2 des O₂-Sensors 5 aufgebaut. Jedoch kann das Abgassystemmodell auch direkt unter Verwendung der Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 und der Ausgabe VO2/OUT des O₂-Sensors 5 aufgebaut werden. Ferner kann das Abgassystemmodell gemäß einer Gleichung ausgedrückt werden, die autoregressive Ausdrücke höherer Ordnung als jene der Gleichung (1) enthalten.
In der obigen Ausführung ist das Abgassystemmodell als zeitdiskretes System aufgebaut. Jedoch kann das Abgassystemmodell auch als zeitkontinuierliches System aufgebaut sein, und der Prozess des Schätzglieds 21 kann auf der Basis des Modells des zeitkontinuierlichen Systems durchgeführt werden.
In der obigen Ausführung wird der adaptive Gleitmodusregelprozess benutzt, um das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD im stöchiometrischen Betriebsmodus zu bestimmen. Jedoch kann das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD auch gemäß einem normalen Gleitmodusregelprozess bestimmt werden, der keine adaptive Steuervorschrift verwendet (adaptiver Algorithmus). Bei einer solchen Modifikaton kann die Summe der äquivalenten Steuereingabe Ueq und der Reaching-Steuervorschrift-Eingabe Urch als die SLD-Stelleingabe Usl bestimmt werden.
Das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD kann gemäß einem anderen Rückkopplungsregelprozess als dem Gleitmodusregelprozess bestimmt werden, um den geschätzten Wert PRE/VO2 der Ausgabe des o₂-Sensors zu dem Sollwert VO2/TARGET zu konvergieren.
In der obigen Ausführung wird die Ausgabe KACT des LAF-Sensors 4 auf das tatsächlich verwendete Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD sowohl im stöchiometrischen Betriebsmodus als auch im Magerbetriebsmodus rückkoppelnd geregelt. Jedoch kann das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators auch in Abhängigkeit vom tatsächlich verwendeten Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis RKCMD etc. gemäß einem vorwärts koppelnden Steuerprozess auf ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis oder das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis gesteuert werden.
In der obigen Ausführung wird der O₂-Sensor 5 als Abgassensor benutzt, der stromab des Katalysators 3 angeordnet ist. Jedoch kann auch ein NOx-Sensor als Abgassensor benutzt werden, der stromab des Katalysators 3 angeordnet ist. Auch wenn ein NOx-Sensor verwendet wird, ist es möglich, die Ausgabe des NOx-Sensors nach der Totzeit des Abgassystems zu schätzen, indem ein geeignetes Modell des Abgassystems einschließlich des Katalysators 3 aufgebaut wird. Im stöchiometrischen Betriebsmodus kann NOx in dem Katalysator 3 reduziert werden, indem das Luft-Kraftstoffverhältnis stromauf des Katalysators derart gesteuert/geregelt wird, dass ein geschätzter Wert der Ausgabe des NOx-Sensors an den gewünschten Sollwert angeglichen wird. Hierbei kann der Reduktionszustand von NOx, d. h. ob die Reduktion von NOx in dem Katalysator 3 nach der Totzeit des Abgassysstems abgeschlossen ist oder nicht, auf der Basis des geschätzten Werts der Ausgabe des NOx-Sensors erkannt werden.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
In einem stöchiometrischen Betriebsmodus nach einem Magerbetriebsmodus erzeugt eine Steuer/Regeleinheit sequentiell Daten, die einen Schätzwert einer Ausgabe VO2/OUT eines O₂-Sensors nach der Totzeit des Abgassystems repräsentieren, und erzeugt gleichzeitig ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD für Abgas stromauf eines Katalysators, um den Schätzwert zu einem vorbestimmten Sollwert zu konvergieren. Das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases wird auf das Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis KCMD gesteuert/geregelt. Im stöchiometrischen Betriebsmodus wird der Reduktionszustand des NOx in dem Katalysator auf der Basis des Schätzwerts der Ausgabe des O₂-Sensors erkannt, und ob der stöchiometrische Betriebsmodus in den Magerbetriebsmodus geschaltet werden soll oder nicht, wird in Abhängigkeit vom Reduktionszustand von NOx in dem Katalysator bestimmt.

Claims

Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses von Abgas aus einer Brennkraftmaschine (1), umfassend: einen Katalysator (3), der in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, um Stickoxid in dem Abgas zu absorbieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, das von einer stromaufwärtigen Seite in den Katalysator (3) hineinströmt, ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis ist, und Reduzieren des absorbierten Stickoxids mit einem Reduktionsmittel in dem Abgas, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoffverhältnis ist; einen Abgassensor (5), der stromab des Katalysators (3) angeordnet ist, um die Konzentration einer bestimmten Komponente in dem Abgas zu erfassen, das durch den Katalysator (3) hindurchgetreten ist; eine Schätzeinrichtung (8) zum sequentiellen Erzeugen von Daten, die einen Schätzwert einer Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) nach einer Totzeit eines Abgassystems (E) repräsentieren, das von der stromaufwärtigen Seite des Katalysators (3) zu dem Abgassensor (5) reicht und den Katalysator (3) enthält; und eine Steuer/Regeleinrichtung (9) zur Verwendung eines vorbestimmten Ausgangswerts des Abgassensors (5), wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator (3) eintretenden Abgases nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis ist, als Sollwert für die Ausgabe des Abgassensors (5), und zum selektiven Ausführen eines Steuer/Regelprozesses in einem stöchiometrischen Betriebsmodus zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses des in den Katalysator (3) eintretenden Abgases, um den Schätzwert, der durch die von der Schätzeinrichtung (8) erzeugten Daten repräsentiert wird, der Ausgabe des Abgassensors (5) zu dem Sollwert zu konvergieren, sowie eines Steuer/Regelprozesses in einem Magerbetriebsmodus zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses des in den Katalysator (3) eintretenden Abgases bei dem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis, wobei die Anordnung derart ist, dass die Steuer/Regeleinrichtung (9), nach Ausführung des Steuer/Regelprozesses im Magerbetriebsmodus, den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausführt, um einen Reduktionsprozess durchzuführen, um das Stickoxid in dem Katalysator (3) zu reduzieren; gekennzeichnet durch eine Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung (12) zum sequentiellen Erkennen eines Reduktionszustands des Stickoxids in dem Katalysator (3) auf der Basis von Daten, die durch die Schätzeinrichtung erzeugt werden, während in dem Reduktionsprozess der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird; wobei die Steuer/Regeleinrichtung (9) ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von dem von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung (12) erkannten Reduktionszustand zu bestimmen, ob vom Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus umgeschaltet werden soll oder nicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der von der Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung (12) erkannte Reduktionszustand einen Zustand repräsentiert, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator (3) nach der Totzeit des Abgassystems (E) abgeschlossen ist, und die Steuer/Regeleinrichtung (9) ausgebildet ist, um ein Umschalten des Steuer/Regelprozesses im stöchiometrischen Betriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus zu unterbinden, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung (12) den Zustand erkennt, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator (3) nach der Totzeit des Abgassystems (E) abgeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um den Zustand zu erkennen, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator (3) nach der Totzeit des Abgassystems (E) abgeschlossen ist, durch Vergleichen des Schätzwerts, der durch die von der Schätzeinrichtung (8) erzeugten Daten repräsentiert ist, der Ausgabe des Abgassensors (5) mit einem vorbestimmten Schwellenwert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung (16) zum Erzeugen von Daten, die eine integrierte Menge des dem Katalysator (3) zugeführten Reduktionsmittels repräsentieren, bis die Reduktionszustand-Erkennungseinrichtung (12) den Zustand erkennt, in dem die Reduktion des Stickoxids in dem Katalysator (3) nach der Totzeit des Abgassystems (E) abgeschlossen ist, nachdem der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus gestartet ist, während in dem Reduktionsprozess der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird; und eine Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung (11) zum Evaluieren eines Verschlechterungszustands des Katalysators (3) auf der Basis der von der Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung (16) erzeugten Daten.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung (15) zum Erkennen, ob die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator (3) gesättigt ist oder nicht, während der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus durch das Steuer/Regeleinrichtung ausgeführt wird; wobei die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung (15) ausgebildet ist, um den Verschlechterungszustand des Katalysators auf der Basis der durch die Reduktionsmittelmengendaten-Erzeugungseinrichtung (16) erzeugten Daten zu evaluieren, während der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird, nur dann, wenn die Steuer/Regeleinrichtung (9) vom Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus zu dem Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus umschaltet, nachdem die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung (15) erkannt hat, dass die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator (3) gesättigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend: eine Stickoxid-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung (14) zum sequentiellen Erzeugen von Daten, die eine integrierte Menge des dem Katalysator (3) zugeführten Stickoxids repräsentieren, während von der Steuer/Regeleinrichtung (9) der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus ausgeführt wird; wobei die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung (15) ausgebildet ist, um zu bestimmen, ob die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator (3) gesättigt ist oder nicht, durch Vergleichen der integrierten Menge des Stickoxids, die durch die von der Stikkoxid-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung (14) erzeugten Daten repräsentiert ist, mit einem vorbestimmten Schwellenwert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, worin der vorbestimmte Schwellenwert, der mit der integrierten Menge des Stickoxids zu vergleichen ist, die durch die von der Stickoxid-Mengendaten-Erzeugungseinrichtung (14) erzeugten Daten repräsentiert wird, in Abhängigkeit vom letzten Ergebnis des Verschlechterungszustands des Katalysators (3) aufgestellt wird, das durch die Katalysator-Verschlechterungs-Evaluierungseinrichtung (11) evaluiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Steuer/Regeleinrichtung (9) ausgebildet ist, um den Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus aufzuheben und den Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus auszuführen, wenn die Absorptions-Sättigungszustand-Erkennungseinrichtung (15) erkennt, dass die Absorption des Stickoxids durch den Katalysator (3) gesättigt ist, während der Steuer/Regelprozess im Magerbetriebsmodus ausgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, worin die Schätzeinrichtung (8) ausgebildet ist, um die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) repräsentieren, gemäß einem Algorithmus zu erzeugen, der auf der Basis eines Modells des Abgassystems (E) aufgebaut ist, welches ein Verhalten des Abgassystems (E) repräsentiert, das als ein System zum Erzeugen der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator (3) eintretenden Abgases über ein Ansprechverzögerungselement und ein Totzeitelement betrachtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner umfassend: einen Luft-Kraftstoffverhältnissensor (4), der stromauf des Katalysators (3) angeordnet ist, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator (3) eintretenden Abgases zu erfassen; wobei die Schätzeinrichtung (8) ausgebildet ist, um die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) repräsentieren, unter Verwendung von Daten der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) und Daten einer Ausgabe (KACT) des Luft-Kraftstoffverhältnissensors (4) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine Identifikationseinrichtung (20) zum sequentiellen Identifizieren des Werts eines aufzustellenden Parameters des Modells des Abgassystems (E) unter Verwendung der Daten der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) und der Daten der Ausgabe (KACT) des Luft-Kraftstoffverhältnissensors (4), während von der Steuer/Regeleinrichtung (9) der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus ausgeführt wird; wobei die Schätzeinrichtung (8) ausgebildet ist, um die Daten, die den Schätzwert der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) repräsentieren, unter Verwendung des Werts des durch die Identifikationseinrichtung (20) identifizierten Parameters des Modells sowie der Daten der Ausgabe (KACT) des Abgassensors (5) und der Daten der Ausgabe (VO2/OUT) des Luft-Kraftstoffverhältnissensors (9) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, worin der Parameter des Modells, der durch die Identifikationseinrichtung (20) identifiziert ist, einen auf das Ansprechverzögerungselement bezogenen Verstärkungskoeffizienten und einen auf das Totzeitelement bezogenen Verstärkungskoeffizienten umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das Modell des Abgassystems (E) ein zeitdiskretes Systemmodell umfasst, das die Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) in jedem Steuer/Regelzyklus ausdrückt, unter Verwendung der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) in einem vergangenen Steuer/Regelzyklus vor dem Steuer/Regelzyklus und der Ausgabe (KACT) des Luft-Kraftstoffverhältnissensors (4) in einem Steuer/Regelzyklus vor der Totzeit des Abgassystems (E).
Vorrichtung nach Anspruch 11, worin das Modell des Abgassystems (E) ein zeitdiskretes Systemmodell umfasst, das die Ausgabe des Abgassensors (5) in jedem Steuer/Regelzyklus ausdrückt, unter Verwendung der Ausgabe (VO2/OUT) des Abgassensors (5) in einem vergangenen Steuer/Regelzyklus vor dem Steuer/Regelzyklus und der Ausgabe (KACT) des Luft-Kraftstoffverhältnissensors (4) in einem Steuer/Regelzyklus vor der Totzeit des Abgassystems (E).
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus, der von der Steuer/Regeleinrichtung (9) ausgeführt wird, einen Prozess umfasst, um gemäß einem Rückkopplungsregelprozess eine Stellgröße zu erzeugen, die das Luft-Kraftstoffverhältnis des in den Katalysator (3) eintretenden Abgases definiert, um den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors (5), der durch die von der Schätzeinrichtung (8) erzeugten Daten repräsentiert wird, zu dem Sollwert zu konvergieren, und das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine (1) zu verbrennenden Luft-Kraftstoffgemischs in Abhängigkeit von der Stellgröße zu verstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, worin der Rückkopplungsregelprozess einen Gleitmodusregelprozess umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, worin der Gleitmodusregelprozess einen adaptiven Gleitmodusregelprozess umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, worin der Steuer/Regelprozess im stöchiometrischen Betriebsmodus, der von der Steuer/Regeleinrichtung (9) ausgeführt wird, einen Prozess umfasst, um, gemäß einem ersten Rückkopplungsregelprozess, ein Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis für das in den Katalysator (3) eintretende Abgas zu erzeugen, um den Schätzwert der Ausgabe des Abgassensors (5), der durch die von der Schätzeinrichtung (8) erzeugten Daten repräsentiert wird, zu dem Sollwert zu konvergieren, und, gemäß einem zweiten Rückkopplungsregelprozess, das Luft-Kraftstoffverhältnis eines von der Brennkraftmaschine (1) zu verbrennenden Luft-Kraftstoffgemischs zu verstellen, um das vom Luft-Kraftstoffverhältnissensor (4) erfasste Luft-Kraftstoffverhältnis zu dem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis zu konvergieren.
Vorrichtung nach Anspruch 18, worin der erste Rückkopplungsregelprozess einen Gleitmodusregelprozess umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, worin der Gleitmodusregelprozess einen adaptiven Gleitmodusregelprozess umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, worin der zweite Rückkopplungsregelprozess einen Regelprozess umfasst, der von einem rekursiven Rückkopplungsregelmittel ausgeführt wird.