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Die Erfindung betrifft ein Regelsystem
und ein Regelverfahren für
einen Verbrennungsmotor, der in seinem Ansaugkanal mit einer Stickstoffanreicherungsvorrichtung
ausgestattet ist, um die Ansaugluft mit Stickstoff anzureichern.
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Ein herkömmliches Regelsystem für einen Verbrennungsmotor
der oben genannten Art ist z.B. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
(Kokai) Nr. H08-254161 (1)
offenbart worden. Dieses Regelsystem wird z.B. auf Dieselmotoren
angewendet und enthält
eine Gastrennvorrichtung, die in einem von einem Ansaugkanal abzweigenden
Zweigkanal angeordnet ist. Diese Gastrennvorrichtung trennt durch
eine in ihrem Gehäuse
vorgesehene Trennmembrane hereinkommende Ansaugluft (Außenluft)
in stickstoff- und sauerstoffangereicherte Luft. An einem stromaufwärtigen Abschnitt
des Ansaugkanals ist ein Kompressor eines Turboladers angeordnet,
der die Ansaugluft aufnimmt, um zu bewirken, dass die Ansaugluft
durch die Trennmembrane hindurchtritt. Die Gastrennvorrichtung enthält einen Stickstoffauslass,
der über
die Zweigleitung mit einer Einlassöffnung verbunden ist, sowie
einen Sauerstoffangereicherte-Luft-Auslass, der über eine Sauerstoffzufuhrleitung,
in der ein Sauerstoffspeichertank angeordnet ist, mit Zylindern
verbunden ist. Ein Zylinderkopf jedes Zylinders weist ein Gaseinspritzventil
auf, um sauerstoffangereicherte Luft in den Zylinder einzuspritzen.
An einer Stelle stromab eines Verzweigungspunkts, wo die Zweigleitung
von dem Ansaugkanal abzweigt, ist ein Klappenventil angeordnet.
Ferner ist eine Abgasrückführ (AGR)-Leitung mit
der Zweigleitung an einer Stelle stromab der Gastrennvorrichtung
verbunden. In der Abgasrückführleitung
ist ein AGR-Ventil vorgesehen, um die AGR-Gasmenge zu regeln.
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In dem oben beschriebenen Regelsystem wird
z.B. in einem Niederlastbetriebsbereich des Motors der Öffnungsgrad
des Klappenventils derart geregelt, dass ein Teil der Ansaugluft
in die Zweigleitung fließt
und das AGR-Ventil geöffnet
wird, während
der Betrieb der Gaseinspritzventile gestoppt wird. Im Ergebnis wird
Stickstoff, der durch die Gastrennvorrichtung in der Zweigleitung
abgetrennt wurde, zusammen mit der Außenluft durch den Ansaugkanal
den Zylindern zugeführt,
sodass der Sauerstoffgehalt der den Zylindern zugeführten Ansaugluft insgesamt
reduziert wird, was praktische AGR-Effekte erzeugt. Ferner wird
der Druck der Ansaugluft aufgrund des Druckverlustes reduziert,
der während
des Durchtritts der Ansaugluft durch die Gastrennvorrichtung hervorgerufen
wird, was eine Rückführung des AGR-Gases
fördert,
sodass es möglich
ist, richtige AGR-Effekte
vorzusehen, um hierdurch die NOx-Erzeugung zu drücken.
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Auch ist es herkömmlich bekannt, dass z.B. in
einem Niederlastbetriebszustand eines Benzinmotors ein Magerverbrennungsbetrieb
ausgeführt
wird, worin das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines
Luft-Kraftstoff Gemisches auf einen extrem größeren Wert als dem stöchiometrischen
Luft-Kraftstoff Verhältnis
geregelt wird, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern (wie z.B.
in der Veröffentlichung
des japanischen Patents Nr. 2817106 offenbart). Der Verbesserungseffekt
des Kraftstoffverbrauchs durch diesen Magerverbrennungsbetrieb wird
durch eine Minderung des Wärmeverlusts,
durch Verstärkung
des Arbeitsfluids sowie durch die Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads,
durch Reduktion des Pumpverlusts, erreicht. Wie in 9 gezeigt, wird, wenn das Luft-Kraftstoff
Verhältnis
angenähert
21,0 beträgt,
der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch BSFC minimiert, wodurch
der beste Kraftstoffverbrauch erreicht werden kann.
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Jedoch kann in dem oben beschriebenen Magerverbrennungsbetrieb,
obwohl der Kraftstoffverbrauch verbessert ist, das NOx in den Abgasen
durch einen Dreiwegekatalysator, der allgemein als Emissionsreduktionsvorrichtung
angewendet wird, nicht ausreichend reduziert werden. Der Grund ist,
dass in dem Magerverbrennungsbetrieb das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines
Luft-Kraftstoff-Gemisches höher
ist als das stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
sodass eine große
Menge von überflüssigem Sauerstoff
in den Abgasen unverbrannt bleibt, wohingegen der Dreiwegekatalysator
seine höchste
Leistung zur Reduktion von CO, HC und NOx in einem Zustand erreicht,
wo die Sauerstoffdichte im Wesentlichen null ist.
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Zur Lösung dieses Problems sind herkömmlich,
als Ersatz für
den Dreiwegekatalysator, die folgenden Emissionsreduktionsvorrichtungen
vorgeschlagen worden: (1) einen Katalsysator eines Typs, der während des
Magerverbrennungsbetriebs NOx speichert und während einer stöchiometrischen
Verbrennung mit stöchiometrischem
Luft-Kraftstoff-Verhältnis NOx
reduziert; (2) ein Katalysator eines Typs, der in der Lage ist,
NOx auch dann zu reduzieren, wenn überschüssiger Sauerstoff vorhanden
ist. Jedoch sind diese Katalysatoren beide teurer als der Dreiwegekatalysator.
Wenn ferner im Falle des ersten Typs die Nox-Speicherung die Sättigung erreicht, muss der
Magerverbrennungsbetrieb unterbrochen werden, um eine NOx-Abgabe
zu verhindern, und daher kann der Effekt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs
durch den Magerverbrennungsbetrieb nicht vollständig erreicht werden. Andererseits
ist der zweite Typ nicht zum Erreichen einer hervorragenden Emissionsregelung
in der Lage, da die NOx-Reduktionsrate niedrig ist, wenn überschüssiger Sauerstoff
vorhanden ist, was verhindert, dass dieser Typ kommerziell praktikabel
wird.
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Da das Problem der NOx-Reduktion
in dem Magerverbrennungsbetrieb von dem Vorhandensein überschüssigen Sauerstoffs
herrührt,
wie oben beschrieben, ist die Nutzung der Gastrennvorrichtung effizient,
die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 8-254161
(1 dieser Schrift) offenbart
ist, um dem Motor während
des Magerverbrennungsbetriebs von der Gastrennvorrichtung Stickstoff
zuzuführen.
Da jedoch an diesem Regelsystem das Klappenventil nur geöffnet wird,
damit ein Teil der Ansaugluft in die Gastrennvorrichtung zur Stickstoffversorgung
fließen
kann, kann die Ansaugluftmenge, die tatsächlich in die Gastrennvorrichtung fließt, nicht
genau erfasst werden. Ferner hat eine Gastrennvorrichtung dieser
Bauart die Eigenschaft, dass sich ihre Trennleistung mit dem Ladedruck
und der Temperatur der Ansaugluft verändert, was den Trennungsgrad
zwischen Stickstoff und der sauerstoffangereicherten Luft unbekannt
macht und die Trennleistung aufgrund ungenügenden Ladedrucks, z.B. beim
Start des Turboladers, schlechter wird. Demzufolge kann das obige
Regelsystem die tatsächliche
Stickstoffmenge der den Zylindern des Motors zugeführten Ansaugluft
nicht genau steuern, d.h. die tatsächliche Menge oder Konzentration
des Sauerstoffs, und daher verbleibt unvermeidlicherweise überschüssiger Sauerstoff
in den Abgasen. Im Ergebnis kann das Emissionsminderungspotenzial
des Dreiwegekatalysators nicht vollständig ausgenutzt werden, was
es unmöglich
macht, eine exzellente Abgasemissionsregelung zu erreichen.
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Ferner wird in diesem Regelsystem,
im Niederlastbetrieb, AGR gleichzeitig mit der Stickstoffzufuhr
ausgeführt.
Aus diesem Grund wird CO2 mit hoher spezifischer Wärme durch
die Verbrennung vermehrt, was einen verstärkten Wärmeverlust hervorruft. Im Ergebnis
wird der Verbrennungswirkungsgrad reduziert, was es unmöglich macht,
den Effekt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs durch den Magerverbrennungsbetrieb
im ausreichenden Maße
zu erhalten. Darüber
hinaus kann CO in dem AGR-Gas
eine Kohle- bzw. Rußverstopfung
und Raucherzeugung hervorrufen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Regelsystem und ein Regelverfahren für einen Verbrennungsmotor anzugeben,
die in der Lage sind, die Drehmomentanforderung eines Fahrers zu
erfüllen und
einen hohen Verbrennungswirkungsgrad und eine hohe Emissionsreduktionsleistung
eines Dreiwegekatalysators in einem Magerverbrennungsbetrieb in
kompatibler Weise zu erreichen.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe wird
in einem ersten Aspekt der Erfindung ein Regelsystem für einen
Verbrennungsmotor angegeben, der ein Drosselventil und eine Stickstoff
in der Ansaugluft anreichernde Stickstoffanreicherungsvorrichtung
enthält, die
beide in einem Ansaugkanal angeordnet sind, sowie eine in einer
Abgasleitung angeordnete Emissionsreduktionsvorrichtung zum Reduzieren
von Abgasemissionen, wobei das Regelsystem umfasst:
einen Sauerstoffkonzentrationssensor
in der Abgasleitung zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration in den
Abgasen;
ein Regelgrößensetzmittel
zum Setzen einer Regelgröße, die
eine einer Brennkammer des Motors zuzuführende Sauerstoffmasse oder
eine Kraftstoffeinspritzmenge indiziert, derart, dass die erfasste
Sauerstoffkonzentration gleich einer Sauerstoffkonzentration entsprechend
stöchiometrischer
Verbrennung wird;
ein Betriebszustanderfassungsmittel zum Erfassen von
Betriebszuständen
des Motors;
ein Sollwertsetzmittel zum Setzen eines Sollwerts der
Regelgröße, der
einem vom Motor angeorderten Drehmoment entspricht, auf der Basis
der erfassten Betriebszustände
des Motors; und
ein Drosselventilöffnungsregelmittel zum Regeln
eines Öffnungsgrads
des Drosselventils derart, dass die Regelgröße gleich dem gesetzten Sollwert
wird.
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In dem Verbrennungsmotor wird Ansaugluft (Außenluft),
die in den Ansaugkanal geflossen ist, durch die Stickstoffanreicherungsvorrichtung
mit Stickstoff angereichert (oder der Sauerstoff darin wird reduziert),
und dann wird die Ansaugluft der Brennkammer zugeführt. Die
Ansaugluftmenge wird durch das Drosselventil geregelt. Ferner wird
mit der Anordnung dieses Regelsystems die Regelgröße, die
die der Brennkammer des Motors zugeführte Sauerstoffmasse oder die
Kraftstoffeinspritzmenge indiziert, derart angesetzt, dass die von
dem Sauerstoffkonzentrationssensor erfasste Sauerstoffkonzentration in
der Ansaugluft gleich einer Sauerstoffkonzentration entsprechend
der stöchiometrischen
Verbrennung wird (d.h. einer Verbrennung, worin der Kraftstoff in einem
Zustand verbrannt wird, der gerade genug Sauerstoff enthält, im Wesentlichen
ohne überschüssigen Sauerstoff
zu produzieren). Diese Konfiguration macht es möglich, das Verhältnis zwischen
der Sauerstoffmasse, die der Brennkammer tatsächlich zugeführt wird,
und der Kraftstoffeinspritzmenge zu regeln, sodass die stöchiometrische
Verbrennung im Wesentlichen ohne jeglichen überschüssigen Sauerstoff stattfindet.
Da ferner der Öffnungsgrad
des Drosselventils derart geregelt wird, dass die Regelmenge gleich
einem Sollwert wird, der einem angeforderten Drehmoment entspricht,
ist es möglich,
die Drehmomentanforderung des Fahrers zu erfüllen.
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Wie oben beschrieben, wird die angereichten
Stickstoff enthaltende Ansaugluft der Brennkammer zugeführt, und
gleichzeitig werden die Ansaugluftmenge und die Kraftstoffeinspritzmenge
wie oben geregelt, wodurch in einem Betriebszustand, wo die Drehmomentanforderung
niedrig ist, die Durchführung
eines Magerverbrennungsbetriebs möglich ist, worin das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf
einen viel magereren Wert geregelt wird als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff
Verhältnis
im Zustand der stöchiometrischen
Verbrennung. Im Ergebnis können
z.B. auch im Magerverbrennungsbetrieb die Abgase in dem stöchiometrischen
Zustand gehalten werden, der kaum überschüssigen Sauerstoff enthält, und
daher ist es auch dann, wenn ein Dreiwegekatalysator als Emissionsreduktionsvorrichtung
verwendet wird, möglich,
dessen Emissionsreduktionspotenzial vollständig auszunutzen, um hierdurch
eine exzellente Emissionsregelung zu erreichen.
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Stickstoffangereicherte Luft wird
mittels der Stickstoffanreicherungsvorrichtung erzeugt, indem ein
Teil einer Sauerstoffkomponente in der Außenluft (nachfolgend als "natürliche Luft" bezeichnet zur Unterscheidung
von der stickstoffangereicherten Luft) durch eine Stickstoffkomponente
ersetzt wird. Da ferner Sauerstoff und Stickstoff zweiatomige Moleküle sind,
haben sie die gleiche spezifische Wärme, und daher führen sie
auch zum gleichen Wärmeverlust bei
der Verbrennung.
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Auch wenn daher stickstoffangereicherte Luft
im Magerverbrennungsbetrieb benutzt wird, ist es möglich, einen
hohen Verbrennungswirkungsgrad und einen exzellenten Kraftstoffverbrauch
wie im Magerverbrennungsbetrieb mittels natürlicher Luft beizubehalten.
Somit macht es die Erfindung möglich, einen
hohen Verbrennungswirkungsgrad und eine hohe Emissionsreduktionsleistung
durch einen Dreiwegekatalysator im Magerverbrennungsbetrieb in kompatibler
Weise zu erreichen, während
die Drehmomentanforderung des Fahrers erfüllt wird. Ferner besteht, im
Unterschied zur Verwendung des AGR, keine Möglichkeit, dass eine Kohle- bzw. Rußverstopfung
oder Rauch entsteht, da die stickstoffangereicherte Luft keine CO-Verunreinigungen
enthält.
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Bevorzugt wird die Rate der Stickstoffanreicherung
durch die Stickstoffanreicherungsvorrichtung so gesetzt, dass eine
Rate der Stickstoffanreicherung durch die Stickstoffanreicherungsvorrichtung
derart gesetzt ist, dass die Sauerstoffkonzentration in der der
Brennkammer zuzuführenden
Ansaugluft gleich einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration wird.
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Die Zusammensetzung natürlicher
Luft ist: N2 : O2 =
79 % : 21 % (siehe 10(a))
und falls natürliche
Luft verwendet wird, findet die stöchiometrische Verbrennung statt,
wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ein stöchiometrisches
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ist (Luft : Kraftstoff = 14,7 : 1,0). Wenn andererseits der Magerverbrennungsbetrieb
mittels natürlicher
Luft durchgeführt
wird, wie zuvor beschrieben, wird, aufgrund des verbesserten Verbrennungswirkungsgrads,
der beste Kraftstoffverbrauch bei einem Luft-Kraftstoff Verhältnis um 21,0 herum erreicht (nachfolgend
als "Luft-Kraftstoff
Verhältnis
mit bestem Kraftstoffverbrauch" bezeichnet
(siehe 9), wobei aber überschüssiger Sauerstoff
auftritt, da der Sauerstoff in Bezug auf den Kraftstoff im Überschuss vorliegt
(siehe 10(c)). Ferner
wird erfindungsgemäß durch
die Regelung der Sauerstoffmasse und der Kraftstoffeinspritzmenge
der Zustand der stöchiometrischen
Verbrennung auch im Magerverbrennungsbetrieb beibehalten, wie zuvor
beschrieben.
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Aus der oben Beziehung ergibt sich,
dass eine Sauerstoffkonzentration X in der Ansaugluft zum Erhalt
des besten Kraftstoffverbrauchs, während in dem Magerverbrennungsbetrieb
der stöchiometrische
Verbrennungszustand erhalten bleibt, ist: X = 21 % x 14,7 / 21,0
= 14,7 % (siehe 1(b)).
Indem gemäß dieser
bevorzugten Ausführung
die Stickstoffanreicherungsrate der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
derart eingestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der
Ansaugluft gleich der vorbestimmten Konzentration (= 14,7 % (nachfolgend
als "die optimale
Konzentration" bezeichnet)
wird, ist es möglich, durch
den Dreiwegekatalysator im Magerverbrennungsbetrieb eine hohe emissionsreduzierende
Leistung beizubehalten, und durch Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
bestem Kraftstoffverbrauch ist es gleichzeitig möglich, den besten Verbrennungswirkungsgrad
und den besten Kraftstoffverbrauch zu erreichen.
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Bevorzugt umfasst das Drosselventil
ein Hauptdrosselventil, das in dem Ansaugkanal stromab der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
vorgesehen ist, sowie ein Nebendrosselventil, das in einer Bypassleitung
vorgesehen ist, die die Stickstoffanreicherungsvorrichtung umgeht
und stromauf des Hauptdrosselventils in den Ansaugkanal mündet, wobei
das Drosselventilöffnungsregelmittel
den Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils und einen Öffnungsgrad des Nebendrosselventils
regelt.
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Mit dieser bevorzugten Ausführuntg ist
es durch Regeln des Öffnungsgrads
des Drosselventils möglich,
die Ansaugluftmenge zu regeln, die der Brennkammer des Motors zuzuführen ist.
Ferner ist es durch Regeln des Öffnungsgrads
des Nebendrosselventils möglich,
das Verhältnis
zwischen der Menge an sauerstoffangereicherter Luft von der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
und der Menge an natürlicher
Luft von der Bypassleitung zu verändern. Dies macht es möglich, die
Sauerstoffkonzentration der der Brennkammer zuzuführenden
Ansaugluft nach Wunsch zu regeln. Durch Regeln des Öffnungsgrads
des Hauptdrosselventils und des Öffnungsgrads
des Nebendrosselventils derart, dass die Regelgröße gleich einem Sollwert entsprechend
einem angeforderten Drehmoment wird, ist es daher möglich, gleichzeitig
die optimale Ansaugluftmenge und die optimale Sauerstoffkonzentration
entsprechend dem angeforderten Drehmoment des Motors zu erhalten.
Z.B. ist es im Magerverbrennungsbetrieb mit einem kleinen angeforderten
Drehmoment – durch Regeln
des Öffnungsgrads
jedes der zwei Drosselventile derart, dass die Ansaugluftmenge zunimmt und
gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration abnimmt – möglich, eine
stöchiometrische
Verbrennung zu erreichen, wohingegen es in einem Hochleistungsbetriebsbereich – durch
Regeln des Öffnungsgrads
jedes der zwei Drosselventile derart, dass sowohl die Ansaugluftmenge
als auch die Sauerstoffkonzentration abnimmt – möglich ist, die hohe Drehmomentanforderung
zu erfüllen.
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Weiter bevorzugt umfasst das Regelsystem ferner
ein Ansaugluftmengenerfassungsmittel zum Erfassen einer der Brennkammer
zuzuführenden
Ansaugluftmenge, sowie ein Ansaugluftmengenbestimmungsmittel zum
Bestimmen, ob die erfasste Ansaugluftmenge eine vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge
erreicht hat, und dass dann, wenn die erfasste Ansaugluftmenge die
vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge nicht erreicht, das Drosselventilöffnungsegelmittel
den Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils auf einem vorbestimmten geeigneten Öffnungsgrad
hält und
den Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils regelt.
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Mit dieser bevorzugten Ausführung wird
der Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils auf dem vorbestimmten geeigneten Öffnungsgrad
gehalten, bis die Ansaugluftmenge die vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht
hat, und gleichzeitig wird der Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils derart geregelt, dass die Regelgröße gleich
dem Sollwert wird. Im Ergebnis wird die Ansaugluftmenge entsprechend
dem angeforderten Drehmoment erhöht oder
verringert, wobei die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft
im Wesentlichen konstant gehalten wird, wodurch eine dem angeforderten
Drehmoment angemessene Sauerstoffmasse der Brennkammer zugeführt wird.
Ferner lässt
sich der Magerverbrennungsbetrieb ausführen, bis die Ansaugluftmenge die
vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht, d.h. bis zu der
Grenze, innerhalb der das angeforderte Drehmoment erfüllt werden
kann. Hierdurch lässt
sich der Kraftstoffverbrauch noch weiter verbessern.
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Weiter bevorzugt wird der vorbestimmte
geeignete Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils so gesetzt, dass die Sauerstoffkonzentration
in der der Brennkammer zuzuführenden
Ansaugluft gleich einer vorbestimmten Konzentration wird.
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Da mit dieser bevorzugten Ausführung der vorbestimmte
geeignete Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils, wie oben beschrieben, eingestellt wird,
wird, bevor die Ansaugluftmenge die vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht,
der Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils auf dem vorbestimmten geeigneten Öffnungsgrad
gehalten, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der der Brennkammer
zuzuführenden
Ansaugluft derart geregelt wird, dass sie im Wesentlichen gleich
der vorbestimmten Konzentration ist. Durch Setzen der vorgenannten
optimalen Konzentration auf diese vorbestimmte Konzentration ist
es daher möglich,
den allerbesten Verbrennungswirkungsgrad und den besten Kraftstoffverbrauch
im Magerverbrennungsbetrieb zu erreichen.
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Weiter bevorzugt hält, nachdem
die erfasste Ansaugluftmenge die Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht
hat, das Drosselventilöffnungsregelmittel den Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils auf einem vorbestimmten effektiven Öffnungsgrad
und regelt den Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils.
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Mit dieser bevorzugten Ausführung wird, nachdem
die Ansaugluftmenge die vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht
hat, der Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils auf dem vorbestimmten effektiven Öffnungsgrad
gehalten, und der Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils wird derart geregelt, dass die Regelgröße gleich
dem Sollwert wird. Im Ergebnis wird die Sauerstoffkonzentration
in der Ansaugluft vergrößert und
verringert, während die
Ansaugluftmenge im Wesentlichen konstant gehalten wird, wodurch
eine einem angeforderten Drehmoment angemessene Sauerstoffmasse
der Brennkammer zugeführt
wird. Auch im Hochleistungsbetrieb ist es daher möglich, eine
hohe Drehmomentanforderung zu erreichen und durch den Dreiwegekatalysator
eine hohe Emissionsreduktionsleistung beizubehalten, da der Zustand
stöchiometrischer
Verbrennung beibehalten wird. Indem in diesem Fall die Strömungsrate
der Ansaugluft derart gesetzt wird, dass dann, wenn das Nebendrosselventil
vollständig
offen ist, der Hauptteil der Ansaugluft in die Bypassleitung fließt und der
Effekt der Stickstoffanreicherung durch die Stickstoffanreicherungsvorrichtung
kaum erreicht werden kann, ist es möglich, im Wesentlichen ein
so hohes Drehmoment zu erreichen, wie es bei der Verwendung natürlicher
Luft erhalten wird.
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Noch weiter bevorzugt wird der vorbestimmte
effektive Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils auf einen derartigen Öffnungsgrad gesetzt, dass auch
dann, wenn der Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils von dem vorbestimmten effektiven Öffnungsgrad
weiter zunimmt, die Ansaugluftmenge nicht weiter zunimmt.
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Da mit dieser bevorzugten Ausführung der vorbestimmte
effektive Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils. wie oben beschrieben. eingestellt wird,
ist es – nachdem
die Ansaugluftmenge die vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht hat – durch Halten
des Öffnungsgrads
des Hauptdrosselventils auf dem vorbestimmten effektiven Öffnungsgrad möglich, die
maximale Ansaugluftmenge sicherzustellen, und daher ist es auch
möglich,
in ausreichender Weise eine hohe Drehmomentanforderung zu erreichen.
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Bevorzugt umfasst das Regelsystem
ferner einen Lader, der in dem Ansaugkanal stromauf der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
vorgesehen ist, um die Ansaugluft aufzuladen.
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Allgemein enthält die Stickstoffanreicherungsvorrichtung
eine Membrane und führt
die Stickstoffanreicherung durch, indem Luft durch die Membrane
hindurchtritt. Mit dieser bevorzugten Ausführung kann ein Differenzdruck,
der den Luftdurchtritt durch die Membrane hervorruft, durch das
Aufladen der Ansaugluft durch den Auflader sichergestellt werden, wodurch
es möglich
wird, eine ausreichende Stickstoffanreicherungsrate zu erhalten.
Wenn der Lader durch einen Kompressor eines Turboladers implementiert
wird, ist der Ladedruck z.B. beim Anlaufen des Motors ungenügend, sodass
die Stickstoffanreicherungsrate tendenziell ungenügend wird.
Jedoch können
gemäß dieser
bevorzugten Ausführung
unabhängig
von der Stickstoffanreicherungsrate die Abgase in dem Zustand der
stöchiometrischen
Verbrennung gehalten werden, wie zuvor beschrieben, sodass es möglich ist,
ohne Schwierigkeiten die oben beschriebenen vorteilhaften Effekte
zu erhalten.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe wird
in einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Regeln eines
Verbrennungsmotors angegeben, der ein Drosselventil und eine Stickstoff
in der Ansaugluft anreichernde Stickstoffanreicherungsvorrichtung enthält, die
beide in einem Ansaugkanal angeordnet sind, sowie eine in einer
Abgasleitung angeordnete Emissionsreduktionsvorrichtung zum Reduzieren von
Abgasemissionen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Erfassen
der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen;
Setzen einer Regelgröße, die
eine einer Brennkammer des Motors zugeführte Sauerstoffmasse oder eine
Kraftstoffeinspritzmenge indiziert, derart, dass die erfasste Sauerstoffkonzentration
gleich einer Sauerstoffkonzentration entsprechend stöchiometrischer
Verbrennung wird;
Erfassen von Betriebszuständen des Motors;
Setzen
eines Sollwerts der Regelgröße, der
einem vom Motor angeforderten Drehmoment entspricht, auf der Basis
der erfassten Betriebszustände
des Motors; und
Regeln eines Öffnungsgrads des Drosselventils
derart, dass die Regelgröße gleich
dem gesetzten Sollwert wird.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist
es möglich,
die gleichen vorteilhaften Effekte wie durch den ersten Aspekt der
Erfindung zu erreichen.
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Bevorzugt umfasst das Drosselventil
ein Hauptdrosselventil, das in dem Ansaugkanal stromab der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
vorgesehen ist, sowie ein Nebendrosselventil, das in einer Bypassleitung
vorgesehen ist, die die Stickstoffanreicherungsvorrichtung umgeht
und stromauf des Hauptdrosselventils in den Ansaugkanal mündet, wobei
der Schritt des Regelns eines Öffnungsgrads
des Drosselventils enthält,
einen Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils und einen Öffnungsgrad des Nebendrosselventils
zu regeln.
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Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren
ferner einen Schritt, eine der Brennkammer zugeführte Ansaugluftmenge zu erfassen,
sowie einen Schritt zur Bestimmung, ob die erfasste Ansaugluftmenge eine
vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht hat oder nicht,
wobei der Schritt des Regelns eines Öffnungsgrads des Drosselventils
enthält,
den Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils auf einem vorbestimmten geeigneten Öffnungsgrad
zu halten und den Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils zu regeln, wenn die erfasste Ansaugluftmenge
die vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge
nicht erreicht hat.
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Weiter bevorzugt wird der vorbestimmte
geeignete Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils so gesetzt, dass die Sauerstoffkonzentration
in der der Brennkammer zuzuführenden
Ansaugluft gleich einer vorbestimmten Konzentration wird.
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Weiter bevorzugt enthält der Schritt
des Regelns eines Öffnungsgrads
des Drosselventils, den Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils auf einem vorbestimmten effektiven Öffnungsgrad
zu halten und den Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils zu regeln, nachdem die erfasste Ansaugluftmenge
die vorbestimmte Obergrenz-Ansaugluftmenge erreicht hat.
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Noch weiter bevorzugt wird der vorbestimmte
effektive Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils auf einen derartigen Öffnungsgrad gesetzt, dass auch
dann, wenn der Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils von dem vorbestimmten effektiven Öffnungsgrad
weiter zunimmt, die Ansaugluftmenge nicht weiter zunimmt.
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Bevorzugt enthält der Motor einen Lader, der in
dem Ansaugkanal stromauf der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
vorgesehen ist, um die Ansaugluft aufzuladen.
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Mit diesen bevorzugten Ausführungen
ist es möglich,
die gleichen vorteilhaften Effekte wie durch die entsprechenden
bevorzugten Ausführungen
des ersten Aspekts der Erfindung zu erreichen Die obigen und andere
Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
ersichtlich.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch die Anordnung eines Regelsystems
gemäß einer
ersten Ausführung
und eines Verbrennungsmotors zeigt, an dem das Kraftstoffeinspritzregelsystem angewendet
ist;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Steuerprozess zum Steuern/Regeln eines
Hauptdrosselventils und eines Nebendrosselventils zeigt;
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3 ist
ein Diagramm, das Gleichungen zur Verwendung in dem in 2 gezeigten Steuerprozess
zeigt;
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4 ist
ein Kennfeld für
die Berechnung einer Sollsauerstoffmasse;
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5 ist
ein Kennfeld zur Berechnung einer Obergrenz-Ansaugluftmenge;
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6 ist
ein Kennfeld zur Berechnung eines effektiven Öffnungsgrads eines Hauptdrosselventils;
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7 ist
ein Kennfeld zur Berechnung eines geeigneten Öffnungsgrads eines Nebendrosselventils;
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8 ist
ein Zeitdiagramm zur Erläuterung eines
Betriebsbeispiels durch den in 2 gezeigten Steuerprozess;
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9 ist
ein Diagramm zur Erläuterung
der Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
dem Verbrennungswirkungsgrad;
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10 ist
ein Diagramm zur Erläuterung
der Beziehung zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge und der
zu dessen Verbrennung verwendeten Sauerstoffmasse; und
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11 ist
ein Flussdiagramm eines Steuerprozesses, der durch ein Regelsystem
gemäß einer zweiten
Ausführung
ausgeführt
wird.
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Die Erfindung wird nun in Bezug auf
die Zeichnungen im Detail beschrieben. 1 zeigt schematisch ein Regelsystem gemäß einer
ersten Ausführung
sowie einem Verbrennungsmotor, auf den das Regelsystem angewendet
ist.
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Wie in 1 gezeigt,
enthält
das Regelsystem eine ECU 2 zum Regeln des Betriebs des
Verbrennungsmotors (nachfolgend einfach als "Motor" bezeichnet) 3.
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Der Motor 3 ist z.B. ein
Vierzylinderbenzinmotor für
ein Fahrzeug, mit einem Ansaugrohr 4 (Ansaugkanal) und
einem Auspuffrohr 5 (Abgaskanal), die mit jeweiligen Brennkammern 3a (nur
eine davon ist gezeigt) der Zylinder verbunden ist. Das Ansaugrohr 4 enthält einen
Lader 6, eine Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7,
einen Ladeluftkühler 8 sowie
ein Hauptdrosselventil 9, die darin in der genannten Reihenfolge
von der stromaufwärtigen
Seite her angeordnet sind, wobei in einem Krümmer 4a davon ein Kraftstoffeinspritzventil 10 angeordnet
ist.
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Die Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 enthält in ihrem
Gehäuse
eine faserartige Trennmembrane (jeweils nicht gezeigt). Die Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 trennt
natürliche
Luft in stickstoffangereicherte Luft und sauerstoffangereicherte Luft
durch Nutzung der unterschiedlichen Permeabilität der Trennmembrane für Sauerstoff
und Stickstoff, die in der natürlichen
Luft enthalten sind, wenn natürliche
Luft dort hindurchtritt. Die erzeugte stickstoffangereicherte Luft
wird zur stromabwärtigen
Seite des Ansaugrohrs 4 geschickt und die sauerstoffangereicherte
Luft wird aus dem Ansaugrohr 4 ausgegeben.
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Der Lader 6 lädt Ansaugluft
auf, um hierdurch das Entstehen eines Differenzdrucks sicherzustellen,
damit die Luft durch die Trennmembrane der Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 hindurchtritt.
In der vorliegenden Ausführung
ist der Lader 6 durch einen Kompressor eines Turboladers
ausgeführt.
Der Ladeluftkühler 8 kühlt die
Ansaugluft, um zu verhindern, dass deren Dichte aufgrund des Temperaturanstiegs
darin abnimmt.
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Ein Elektromotor 11, der
z.B. durch einen Schrittmotor ausgeführt ist, ist mit dem Hauptdrosselventil 9 verbunden.
Der Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils 9 (nachfolgend als "Hauptdrosselventilöffnung THmain" bezeichnet) wird
durch ein Treibersignal geregelt, das von der ECU 2 dem Elektromotor 11 zugeführt wird,
wodurch die den Brennkammenr 3a zuzuführende Ansaugluftmenge geregelt
wird. Eine Kraftstoffeinspritzmenge Gfuel des von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 einzuspritzenden
Kraftstoffs wird ebenfalls durch ein Treibersignal von der ECU 2 geregelt.
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Ferner ist in dem Ansaugrohr 4 eine
Bypassleitung 12 vorgesehen, die die Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 umgeht.
Die Bypassleitung 12 zweigt von dem Ansaugrohr 4 an
einem Zweigabschnitt 12a stromab des Aufladers 6 ab,
und mündet in
das Ansaugrohr 4 an einem Zusammenflussabschnitt 12b stromauf
des Ladeluftkühlers 8.
In der Bypassleitung 12 ist ein Nebendrosselventil 13 vorgesehen,
mit dem ein Elektromotor 14 verbunden ist, der z.B. durch
einen Schrittmotor ausgeführt
ist. Der Öffnungsgrad
des Nebendrosselventils (nachfolgend als "Nebendrosselventilöffnung THsub" bezeichnet) wird
durch ein Treibersignal geregelt, das von der ECU 2 dem
Elektromotor 14 zugeführt
wird. Andererseits ist in dem Auspuffrohr 5 ein Dreiwegekatalysator 15 (Emissionsreduktionsvorrichtung)
vorgesehen, um die Abgasemissionen zu reduzieren.
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Mit der obigen Anordnung wird die
in den Ansaugkanal 4 aufgenommene Ansaugluft (natürliche Luft)
durch den Lader 6 aufgeladen und dann zu der Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 geschickt,
wo Stickstoff angereichert wird. Andererseits fließt ein Teil
der aufgeladenen Ansaugluft in die Bypassleitung 12, und
die Strömungsrate
davon wird durch Nebendrosselventil 13 geregelt. Dann fließen die
stickstoffangereicherte Luft von der Stickstoffanreicherungsvorrichtung 14 und
natürliche
Luft von der Bypassleitung 12 an dem Zusammenflussabschnitt 12b zusammen
und werden miteinander vermischt, wodurch angereicherten Stickstoff
(reduzierten Sauerstoff) enthaltende Ansaugluft erzeugt wird. Dies macht
es möglich,
das Verhältnis
zwischen der Menge an stickstoffangereicherter Luft und der Menge
an natürlicher
Luft zu verändern,
indem die Nebendrosselventilöffnung
THsub gesteuert wird, um hierdurch die Sauerstoffkonzentration in
der Ansaugluft nach Wunsch zu regeln. Ferner fließt, wenn
das Nebendrosselventil 13 vollständig offen ist, der Hauptteil
der Ansaugluft in die Bypassleitung 12, und daher kann der
Effekt der Stickstoffanreicherung durch die Stickstoffanreicherungsvorrichtung
7 kaum eingehalten werden. Daher wird die Ansaugluft so geregelt,
dass sie im Wesentlichen die gleiche Sauerstoffkonzentration wie
jene von natürlicher
Luft hat.
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Die Ansaugluft wird durch den Ladeluftkühler 8 gekühlt, und
deren Strömungsrate
wird durch das Hauptdrosselventil 9 gesteuert. Dann wird
an dem Krümmerabschnitt 4a die
Ansaugluft mit dem von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 eingespritzten
Kraftstoff vermischt und dann den Brennkammern 3a zur Verbrennung
zugeführt.
Der Dreiwegekatalysator 15 reduziert Emissionen von durch
die Verbrennung erzeugten Abgasen und dann werden die resultierenden
Abgase ausgegeben.
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Ferner sind in dem Ansaugrohr 4 vorgesehen
ein Ladedrucksensor 16 zum Erfassen eines Ladedrucks Pc
der Ansaugluft, ein Luftströmungsmesser 17 (Ansaugluftmengenerfassungsmittel)
zum Erfassen einer Ansaugluftströmungsrate
Gth, ein Ansaugdrucksensor 18 (Ansaugluftmengenerfassungsmittel)
zum Erfassen eines Ansaugdrucks PB sowie ein Ansaugluftemperatursensor 19 zum
Erfassen einer Ansauglufttemperatur Tb. Der Ladedrucksensor 16 ist
an einer Stelle stromab des Aufladers 6 angeordnet. Der
Luftströmungsmesser 17 ist
zwischen dem Ladeluftkühler 8 und
dem Hauptdrosselventil 9 angeordnet. Der Ansaugdrucksensor 18 und
der Ansaugluftemperatursensor 91 sind in der Ansaugkrümmerkammer 4b angeordnet.
Signale, welche die durch diese Sensoren erfassten Betriebszustände des
Motors anzeigen, werden zu der ECU 2 geschickt.
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Andererseits sind in dem Auspuffrohr 5 ein LAF-Sensor 20 und
ein O2-Sensor 21 stromauf
bzw. stromab des Dreiwegekatalysators 15 angeordnet. Der
LAF-Sensor 20 erfasst linear die Sauerstoffkonzentration
Kact von Abgasen in einem weiten Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich
von einem fetten Bereich, der fetter ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff
Verhältnis,
wie mittels natürlicher
Luft gemessen, zu einem extrem mageren Bereich, um der ECU 2 ein
Signal zu liefern, das die erfasste Sauerstoffkonzentration Kact
anzeigt. Ferner gibt der O2-Sensor 21 an die ECU 2 ein
Signal Vout aus, dessen Spannungswert zwischen hohen und niedrigen Pegeln
quer über
einen Punkt umschaltet, an dem die Sauerstoffkonzentration in den
Abgasen eine dem stöchiometrischen
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
entsprechende Sauerstoffkonzentration kreuzt.
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Die ECU 2 empfängt auch
ein Signal, das den Öffnungsgrad
oder den Betätigungsbetrag
AP eines nicht gezeigten Gaspedals (nachfolgend als "Beschleunigeröffnung AP" bezeichnet) von
einem Beschleunigeröffnungssensor 22 (Betriebszustanderfassungsmittel)
anzeigt, ein Signal, das die Geschwindigkeit VP des Fahrzeugs (nachfolgend
als "Fahrzeuggeschwindigkeit
VP" bezeichnet)
von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (Betriebszustanderfassungsmittel)
anzeigt, sowie ein Signal, das eine Drehzahl NE des Motors 3 (nachfolgend
als "Motordrehzahl
NE" bezeichnet)
von einem Motordrehzahlsensor 24 anzeigt.
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In der vorliegenden Ausführung bildet
die ECU 2 ein Regelgrößensetzmittel,
ein Sollwertsetzmittel, ein Drosselventilöffnungsregelmittel sowie ein Ansaugluftmengenbestimmungsmittel.
Die ECU 2 ist ausgeführt
durch einen Mikrocomputer, gebildet aus einer CPU, einem RAM, einem
ROM und einer I/O-Schnittstelle Qeweils nicht gezeigt). Die Signale von
den vorgenannten Sensoren 16 bis 24 werden, nach
A/D-Umwandlung und Wellenformung durch die I/O-Schnittstelle, in
die CPU eingegeben.
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In Antwort auf diese Eingangssignale
bestimmt die CPU die Betriebszustände des Motors 3 entsprechend
Steuerprogrammen, die aus dem ROM gelesen sind, und regelt die Kraftstoffeinspritzmenge Gfuel
des von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 einzuspritzenden
Kraftstoffs, die Hauptdrosselventilöffnung THmain und die Nebendrosselventilöffnung THsub
auf der Basis der festgestellten Betriebszustände, wie nachfolgend beschrieben.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen von der ECU 2 ausgeführten Steuerprozess
zeigt. Zuerst wird in Schritt 1 (in 1 als "S1" gezeigt; alle Schritte
der nachfolgend beschriebenen Flussdiagramme sind in der gleichen
Weise bezeichnet), die Sollsauerstoffmasse Go2_cmd (Sollwert) auf
der Basis der erfassten Beschleunigeröffnung AP und der Fahrzeuggeschwindigkeit
VP berechnet. Die Sollsauerstoffmasse Go2_cmd entspricht einem angeforderten
Drehmoment TRQ_RQ (siehe 8),
die von dem Motor 3 angefordert wird, und repräsentiert
eine Sauerstoffmasse, die erforderlich ist, um das angeforderte
Drehmoment TRQ_RQ auszugeben. Daher ist die Sollsauerstoffmasse
Go2_cmd ein Indikator eines Sollwerts einer Sauerstoffmasse Go2
von den Brennkammern 3a zuzuführendem Sauerstoff. Die Sollsauerstoffmasse
Go2_cmd wird z.B. aus einem in 4 gezeigten
Kennfeld abgefragt. In diesem Kennfeld ist die Sollsauerstoffmasse
Go2_cmd auf einen größeren Wert
gesetzt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VP höher ist. Wenn die Beschleunigeröffnung AP
größer wird,
steigt die Sollsauerstoffmasse Go2_cmd mit einer großen Steigung
in einem Bereich unterhalb eines vorbestimmten Werts AP1 und mit
einer kleinen Steigung in einem Bereich gleich oder größer als
einem vorbestimmten Wert AP1.
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Dann wird die Ansaugluftmenge Gcyl
von den Brennkammern 3a zuzuführender Ansaugluft berechnet
(Schritt 2). Diese Berechnung erfolgt auf der Basis der erfassten
Ansaugluftströmungsrate
Gth und dem Ansaugdruck PB unter Verwendung von Gleichung (1) in 3. Der zweite Term ΔPB (k) · Vb/(R · Tb) auf
der rechten Seite von Gleichung (1) ist ein Korrekturterm entsprechend
einer Menge der tatsächlichen
Zunahme oder Abnahme der Ansaugluft aufgrund einer Druckänderung
in der Ansaugkrümmerkammer 4b.
Durch Korrektur der Ansaugluftströmungsrate Gth mittels Gleichung
(1) ist es möglich, die
tatsächliche
Ansaugluftmenge Gcyl genau zu berechnen.
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Dann wird die Kraftstoffeinspritzmenge
Gfuel auf der Basis der durch den LAF-Sensor 20 erfassten Sauerstoffkonzentration
Kact in den Abgasen berechnet (Schritt 3). Diese Berechnung der
Kraftstoffeinspritzmenge Gfuel wird durch eine rückkoppelnde Regelung ausgeführt, sodass
die Sauerstoffkonzentration Kact gleich einer Sauerstoffkonzentration
entsprechend stöchiometrischer
Verbrennung wird. Anzumerken ist, dass die Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge
Gfuel auch durch rückkoppelnde
Regelung auf der Basis des Vout-Signals von dem O2-Sensor 21 ausgeführt werden
kann. Dann wird eine Sauerstoffmasse Go2 (Regelgröße), die
zur vollständigen
Verbrennung der berechneten Kraftstoffeinspritzmenge Gfuel ist,
durch Gleichung (2) in 3 berechnet,
unter Verwendung eines Konversionskoeffizienten Kgo2 (Schritt 4).
So werden die Kraftstoffeinspritzmenge Gfuel und die Sauerstoffmasse
Go2 als jeweils gerade ausreichende Werte berechnet, um eine stöchiometrische
Verbrennung zu erreichen.
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Dann wird eine Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl
max auf der Basis der erfassten Motordrehzahl NE und des Ladedrucks
Pc berechnet (Schritt 5). Die Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max
repräsentiert
eine Obergrenze der Ansaugluftmenge, bei der die den Brennkammern 3a zugeführte tatsächliche Ansaugluftmenge
Gcyl der Ansaugluft eine Obergrenze erreicht, über die hinaus die tatsächliche
Ansaugluftmenge Gcyl nicht erhöht
werden kann, auch wenn die Hauptdrosselventilöffnung THmain vergrößert wird.
Die Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max wird z.B. aus einem in 5 gezeigten Kennfeld abgefragt.
In diesem Kennfeld wird die Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max auf einen größeren Wert
gesetzt, wenn der Ladedruck Pc höher
ist. In Bezug auf die Motordrehzahl NE wird die Obergrenz-Ansaugluftmenge
Gcyl_max größer, wenn
der NE-Wert bis zu einem bestimmten Wert zunimmt, und nimmt dann
ab, wenn der NE-Wert ab dem bestimmten Wert weiter zunimmt. Der
Grund hierfür
ist, dass dann, wenn die Motordrehzahl NE ziemlich hoch wird, die
Ansaugresonanz es der Ansaugluft schwer macht, in die Brennkammern 3a einzutreten.
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Dann wird ein effektiver Öffnungsgrad
THeft des Hauptdrosselventils 9 auf der Basis der Motordrehzahl
NE und des Ladedrucks Pc berechnet (Schritt 6). Der effektive Öffnungsgrad
THeft repräsentiert
einen Öffnungsgrad
des Hauptdrosselventils 9, bei dem die Ansaugluftmenge
Gcyl ihre Grenze aufgrund des Druckanstiegs in der Ansaugkrümmerkammer 4b erreicht,
und daher die Ansaugluftmenge Gcyl auch dann nicht weiter zunimmt,
wenn die Hauptdrosselventilöffnung
THmain vergrößert wird. Der
effektive Öffnungsgrad
THeft wird von einem in 6 gezeigten
Kennfeld abgefragt. In diesem Kennfeld wird der effektive Öffnungsgrad
THeft auf einen größeren Wert
gesetzt, wenn der Ladedruck Pc höher
ist. Ferner nimmt der effektive Öffnungsgrad THeft
mit einer Zunahme der Motordrehzahl NE linear zu.
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Dann wird ein geeigneter Öffnungsgrad
THnr des Nebendrosselventils 13 auf der Basis der Motordrehzahl
NE und des Ladedrucks Pc berechnet (Schritt 7). Wie im Detail nachfolgend
beschrieben, wird während
des Magerverbrennungsbetriebs die Öffnung des Nebendrosselventils 13 auf
dem geeigneten Öffnungsgrad
THnr gehalten, sodass die Sauerstoffkonzentration in der gesamten
Ansaugluft als Gemisch von natürlicher
Luft von dem Nebendrosselventil 13 und stickstoffangereicherter
Luft von dem Hauptdrosselventil 9 im Wesentlichen konstant
gehalten werden kann. Der geeignete Öffnungsgrad THnr wird so gesetzt,
dass die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft zu dieser Zeit
bei der optimalen Konzentration, wie zuvor beschrieben, oder in
der Nähe
davon gehalten wird.
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7 zeigt
ein Beispiel eines Kennfelds zur Abfrage des geeigneten Öffnungsgrads
THnr. In diesem Kennfeld wird der geeignete Öffnungsgrad THnr auf einen
größeren Wert
gesetzt, wenn der Ladedruck Pc höher
ist. Ferner nimmt er linear ab, wenn die Motordrehzahl NE zunimmt.
Der Grund hierfür
ist, dass dann, wenn die Motordrehzahl NE hoch wird, die Strömungsgeschwindigkeit
der Ansaugluft so hoch wird, dass die Anreicherungsleistung der
Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 nicht länger richtig stattfinden
kann, was die Rate der Stickstoffanreicherung reduziert.
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Dann wird bestimmt, ob die in Schritt 2 berechnete
Ansaugluftmenge Gcyl größer ist
als die in Schritt 5 berechnete Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max
(Schritt 8). Wenn die Antwort auf die Frage negativ ist (NEIN),
d.h. wenn die Ansaugluftmenge Gcyl die Obergrenz-Ansaugluftmenge
Gcyl_max nicht erreicht hat, wird die Hauptdrosselventilöffnung THmain
mittels der Gleichungen (3) und (4) in 3 berechnet (Schritt 9). Ferner wird
die Nebendrosselventilöffnung
THsub auf dem in Schritt 7 berechneten geeigneten Öffnungsgrad
THnr gehalten (Schritt 10).
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Wie durch die Gleichungen (3) und
(4) ausgedrückt,
erfolgt die Berechnung der Hauptdrosselventilöffnung THmain durch eine reaktionsspezifizierende
rückkoppelnde
Regelung auf der Basis der in Schritt 1 berechneten Sollsauerstoffmasse
Go2_cmd und der in Schritt 4 berechneten Sauerstoffmasse Go2. Somit
wird die Ansaugluftmenge Gcyl durch die Drosselventilöffnung THmain
derart geregelt, dass die der Brennkammer 3 zugeführte Sauerstoffmasse Go2
auf die Sollsauerstoffmasse Go2_cmd entsprechend dem angeforderten
Drehmoment TRQ_RQ konvergiert. Dies macht es möglich, den Brennkammern 3a die
Sauerstoffmasse Go2 zuzuführen,
die für
das angeforderte Drehmoment TRQ_RQ angemessen ist, während der
Zustand der stöchiometrischen
Verbrennung beibehalten wird, um hierdurch die Drehmomentanforderung
zu erfüllen.
Angemerkt werden sollte, dass die reaktionsspezifizierende rückkoppelnde
Regelung benutzt wird, um eine Fehlzündung zu verhindern, die durch
eine überschüssige Stickstoffkonzentration
in der Ansaugluft aufgrund von Überschießen hervorgerufen
wird.
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Wenn andererseits die Antwort auf
die Frage von Schritt 8 positiv ist (JA), d.h. wenn die Ansaugluftmenge
Gcyl die Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max erreicht hat, wird die
Hauptdrosselventilöffnung
THmain auf dem in Schritt 6 berechneten effektiven Öffnungsgrad
THeft gehalten (Schritt 11).
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Im Ergebnis wird die Ansaugluftmenge Gcyl_maximiert.
Dann wird die Nebendrosselöffnung THsub
mittels der Gleichungen (5) und (6) in 3 berechnet (Schritt 12). Wie durch diese
Gleichungen ausgedrückt,
erfolgt die Berechnung der Nebendrosselventilöffnung THsub durch eine reaktionsspezifizierende
rückkoppelnde
Regelung auf der Basis der Sollsauerstoffmasse Go2_cmd und der Sauerstoffmasse
Go2, ähnlich
wie im Fall der Berechnung der Hauptdrosselventilöffnung THmain
in Schritt 9.
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Somit wird die Nebendrosselventilöffnung THsub
derart geregelt, dass die Sauerstoffmasse Go2 zu der Sollsauerstoffmasse
Go2_cmd hin konvergiert. Dies verändert das Verhältnis zwischen
der Menge an natürlicher
Luft und der Menge an stickstoffangereicherter Luft, wodurch die
Sauerstoffkonzentrationsmenge in der Ansaugluft vergrößert oder verkleinert
wird. Daher ist es auch in diesem Fall möglich, den Brennkammern 3a die
Sauerstoffmasse zuzuführen,
die für
das angeforderte Drehmoment TRQ_RQ angemessen ist, während der
Zustand der stöchiometrischen
Verbrennung beibehalten wird, um hierdurch die Drehmomentanforderung
zu erfüllen.
Die reaktionsspezifizierende rückkoppelnde
Regelung wird verwendet, um eine Verschlechterung der Fahrbarkeit
aufgrund des Überschießens des Ausgangsdrehmoments
des Motors 3 zu verhindern, die durch Überschießen der Sauerstoffmasse Go2
in einer zunehmenden Richtung hin hervorgerufen wird.
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8 zeigt
ein Betribesbeispiel des Motors 3, der durch den Regelprozess
in 2 erreicht wird. In 8 wird angenommen, dass
das Fahrzeug zur Zeit t0 in einem Leerlaufzustand anfährt, und
danach das angeforderte Drehmoment TRQ_RQ des Motors 3 größer wird,
wie in 8 gezeigt, dann
zur Zeit t1 der Ladedruck PC des Laders 6 vollständig ansteigt, und
dann zur Zeit t2 die Ansaugluftmenge Gcyl die Obergrenz-Ansaugluftmenge
Gcyl_max überschreitet.
In diesem Fall verändert
sich der Steuermodus des Motors 3 sequenziell von Modus 1 bis
Modus 3.
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Modus 1 (t0 – t1)
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In dem Modus ist die Ansaugluftmenge
Gcyl kleiner als die Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max,
sodass durch Ausführung
der Schritte 9 und 10 in 2 die
Nebendrosselventilöffnung
THsub auf dem geeigneten Öffnungsgrad
THnr gehalten wird und gleichzeitig die Hauptdrosselventilöffnung THmain
so geregelt wird, dass sie die Ansaugluftmenge Gcyl vergrößert oder
verkleinert. Im Ergebnis wird die dem angeforderten Drehmoment TRQ_RQ entsprechende
Sauerstoffmasse Go2 der Brennkammer 3a zugeführt, wobei
der Zustand der stöchiometrischen
Verbrennung beibehalten wird.
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Da ferner in dem Modus 1 der
Ladedruck Pc, der durch den vom Motor 3 angetriebenen Lader 6 erzeugt
wird, ansteigt, nimmt der Anreicherungszustand der Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 zu. Aus
diesem Grund nimmt die Sauerstoffkonzentration der Ansaugluft von
der Konzentration (21 %) der natürlichen
Luft zu der optimalen Konzentration (14,7 %) hin ab. Auch in diesem
Zustand wird die Ansaugluftmenge Gcyl in einer abnehmenden Richtung
geregelt, und zwar durch die Regelung der Hauptdrosselventilöffnung THmain
in Abhängigkeit
von der hohen Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft, sodass
der Zustand der stöchiometrischen
Verbrennung beibehalten wird und gleichzeitig die Drehmomentanforderung
erfüllt
wird. Die abnehmende Ansaugluftmenge Gcyl ist in 8 als die Differenz zwischen einer gepunkteten
Linie A und einer durchgehenden Linie ausgedrückt. In dem Modus 1 ist
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger
als ein Wert für den
besten Kraftstoffverbrauch (Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit bestem Kraftstoffverbrauch).
Somit wird auch in dem Modus 1 in einem Zustand, wo die
Stickstoffanreicherungsrate der Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 ungenügend ist
und sich mit ansteigendem Ladedruck Pc ändert, der Magerverbrennungsbetrieb
mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ausgeführt,
der niedriger ist als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit bestem Kraftstoffverbrauch,
während
der Zustand der stöchiometrischen Verbrennung
beibehalten und das angeforderte Drehmoment TRQ_RQ erericht wird.
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Modus 2 (t1 – t2)
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In dem Modus 2 ist der Anstieg
des Ladedrucks Pc abgeschlossen, was es möglich macht, eine ausreichende
Stickstoffanreicherungsrate der Stickstoffanreicherungsvorrichtung
stabil zu halten. Die Ansaugluftmenge Gcyl hat die Obergrenz-Ansaugluftmenge
Gcyl_max nicht erreicht, sodass die Nebendrosselventilöffnung THsub
auf dem geeigneten Öffnungsgrad
THnr wie im Modus 1 gehalten wird, und die Hauptdrosselventilöffnung THmain
geregelt wird. Dies bewirkt, dass die Ansaugluftmenge Gcyl derart
abnimmt oder zunimmt, dass die Sauerstoffmasse Go2 dem angeforderten
Drehmoment TRQ_RQ angemessen ist, wobei die Sauerstoffkonzentration
in der Ansaugluft im Wesentlichen bei der optimalen Konzentration
gehalten wird. Somit wird in dem Modus 2 der Magerverbrennungsbetrieb
bei dem Luft-Kraftstoff Verhältnis
mit bestem Kraftstoffverbrauch ausgeführt, während der Zustand stöchiometrischer
Verbrennung beibehalten wird und das angeforderte Drehmoment TRQ_RQ
erreicht wird.
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Modus 3 (t2 -)
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In dem Modus 3 hat die Ansaugluftmenge Gcyl
die Obergrenz-Ansaugluftmenge
Gcyl_max überschritten,
sodass durch Ausführung
der Schritte 11 und 12 in 2 die
Hauptdrosselventilöffnung
THmain auf dem effektiven Öffnungsgrad
THeft gehalten wird und die Nebendrosselventilöffnung THsub geregelt wird.
Dies bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft
zunimmt oder abnimmt, sodass die Sauerstoffmasse Go2 dem angeforderten Drehmoment
TRQ_RQ angemessen ist, während
die Ansaugluftmenge Gcyl auf dem Maximum gehalten wird. In der Zeitperiode
B (t2 – t3)
in 8 nimmt, wenn das
angeforderte Drehmoment TRQ_RQ zunimmt, die Sauerstoffkonzentration
in der Ansaugluft von der optimalen Konzentration zur Konzentration
in natürlicher
Luft zu, was eine Zunahme in der Sauerstoffmasse Go2 hervorruft.
Kurz gesagt, diese Zeitperiode B entspricht einer Übergangsperiode
von dem Magerverbrennungsbetrieb zu einem anderen Betrieb als dem
Magerverbrennungsbetrieb (d.h. Mittel- oder Hochleistungsbetrieb).
Nach der Zeit t3 wird das angeforderte Drehmoment TRQ_RQ konstant, sodass
die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft auf dem gleichen Niveau
gehalten wird wie in natürlicher
Luft. Somit wird in dem Modus 3 der Mittel- oder Hochleistungsbetrieb
nach dem Übergang
von dem Magerverbrennungsbetrieb ausgeführt, während die stöchiometrische
Verbrennung beibehalten wird und das hohe angeforderte Drehmoment
TRQ-RQ erreicht wird.
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Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden
Ausführung
das Verhältnis
zwischen der Menge an stickstoffangereicherter Luft und der Menge
an natürlicher
Luft, worin stickstoffangereicherte Luft und natürliche Luft dem Motor 3 zugeführt wird, durch
das Hauptdrosselventil 9 und das Nebendrosselventil 13 auf
der Basis der Sauerstoffkonzentration Kact in den Abgasen und dem
angeforderten Drehmoment TRQ_RQ geregelt. Daher ist es möglich, die Drehmomentanforderung
des Fahrers in jedem Betriebszustand des Motors 3 zu erreichen.
Ferner kann die stöchiometrische
Verbrennung nicht nur in dem Mittel- oder Hochleistungsbetrieb ausgeführt werden, sondern
auch im Magerverbrennungsbetrieb, sodass Abgase ohne Sauerstoffüberschuss
in dem stöchiometrischen
Zustand gehalten werden können.
Wenn daher der Dreiwegekatalysator 15 als Emissionsreduktionsvorrichtung
verwendet wird, ist es möglich, dessen
emissionsreduzierendes Potenzial auch im Magerverbrennungsbetrieb
vollständig
auszunutzen, um hierdurch eine exzellente Emissionssteuerung zu erreichen.
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Da ferner während des Magerverbrennungsbetriebs
die Hauptdrosselventilöffnung
THmain geregelt wird, während
die Nebendrosselventilöffnung THsub
auf dem geeigneten Öffnungsgrad
THnr gehalten wird, außer
dann, wenn der Ladedruck Pc ansteigt, ist es möglich, die Verbrennung im Wesentlichen
bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
mit bestem Kraftstoffverbrauch auszuführen, während die Sauerstoffkonzentration
in der Ansaugluft bei ihrer optimalen Konzentration oder in der
Nähe davon
gehalten wird, um hierdurch den allerbesten Verbrennungswirkungsgrad
und den besten Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Ferner wird diese
Regelung ausgeführt,
bis die Ansaugluftmenge Gcyl die Obergrenz-Ansaugluftmenge Gcyl_max
erreicht, sodass sich der Magerverbrennungsbetrieb, der im Wesentlichen
bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
bestem Kraftstoffverbrauch durchgeführt wird, bis zu der Grenze
fortsetzen lässt,
innerhalb der das angeforderte Drehmoment erreicht werden kann,
was den Kraftstoffverbrauch noch weiter verbessert.
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Darüber hinaus wird während des
Mittel- oder Hochleistungsbetriebs die Ansaugluftmenge Gcyl auf
ihrem Maximum gehalten, indem die Hauptdrosselventilöffnung THmain
auf dem effektiven Öffnungsgrad
THeft gehalten wird und in diesem Zustand die Nebendrosselventilöffnung THsub
geregelt wird, um die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft
zu vergrößern und
zu verkleinern. Dies macht es möglich,
auch eine noch höhere
Drehmomentanforderung genügend
zu erreichen.
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11 ist
ein Flussdiagramm, das einen Steuerprozess zeigt, der von einem
Regelsystem gemäß einer
zweiten Ausführung
der Erfindung ausgeführt
wird. Diese Ausführung
unterscheidet sich von dem Steuerprozess, der von dem Regelsystem
gemäß der ersten
Ausführung
in 2 ausgeführt wird, nur
darin, dass anstatt der Sauerstoffmasse Go2 die Kraftstoffeinspritzmenge
Gfuel als Regelgröße verwendet
wird. Daher sind in die gleichen Schritte wie im Steuerprozess von 2 mit identischen Schrittnummern
bezeichnet, und die folgende Beschreibung beschränkt sich auf die unterschiedlichen Punkte.
In Schritt 1' des
vorliegenden Steuerprozesses wird die Sollkraftstoffeinspritzmenge
Gfuel_cmd (Sollwert) gemäß der Beschleunigeröffnung AP
und der Fahrzeuggeschwindigkeit VP berechnet. Die Berechnung dieser
Sollkraftstoffeinspritzmenge Gfuel_cmd erfolgt ähnlich der Berechnung der Sollsauerstoffmasse
Go2_cmd in der ersten Ausführung. Die
Berechnung der Sauerstoffmasse Go2 in Schritt 4 in der ersten Ausführung ist
weggelassen. Die Berechnung der Hauptdrosselventilöffnung THmain
in Schritt 9' und
die Berechnung der Nebendrosselventilöffnung Thsub in Schritt 12' werden durch eine
reaktionsspezifizierende rückkoppelnde
Regelung ausgeführt,
wie in der ersten Ausführung,
und zwar auf der Basis der in Schritt 1' berechneten Sollkraftstoffeinspritzmenge
Gfuel_cmd und der in Schritt 3' berechneten
Kraftstoffeinspritzmenge Gfuel. Daher kann die vorliegende Ausführung exakt
die gleichen vorteilhaften Wirkungen erreichen, wie sie durch die erste
Ausführung
erhalten werden.
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Angemerkt werden sollte, dass die
Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt ist,
sondern in verschiedenen Formen in die Praxis umgesetzt werden kann.
Da die Rate der Stickstoffanreicherung durch die Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 allgemein
höher wird,
wenn die Temperatur ansteigt, kann z.B. ein Wärmetauscher oder dgl. stromauf
der Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 vorgesehen sein,
um die Temperatur zu erhöhen.
In diesem Fall ist es bevorzugt, einen Wärmetauscher eines Typs zu verwenden,
der überschüssige Wärme der
Abgase von dem Motor 3 nutzt.
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Ferner kann die Erfindung auch für einen Schiffsantriebsmotor
verwendet werden, wie etwa einen Außenbordmotor, der eine vertikal
angeordnete Kurbelwelle aufweist.
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Erfindungsgemäß wird ein Regelsystem für einen
Verbrennungsmotor 3 angegeben, das in der Lage ist, ein
vom Fahrer angefordertes Drehmoment zu erreichen sowie einen hohen
Verbrennungswirkungsgrad und eine hohe emissionsreduzierende Leistung
durch einen Dreiwegekatalysator in einem Magerverbrennungsbetrieb
in kompatibler Weise zu erreichen. Das Regelsystem setzt eine Regelgröße, die
entweder eine einer Brennkammer zuzuführende Sauerstoffmasse oder
eine Kraftstoffeinspritzmenge indiziert, derart, dass die Sauerstoffkonzentration
in den Abgasen gleich einem Wert entsprechend stöchiometrischer Verbrennung
wird. Auf der Basis der erfassten Motorbetriebszustände wird
ein Sollwert gesetzt, der einem angeforderten Drehmoment entspricht.
Ein Öffnungsgrad
eines Hauptdrosselventils 9 und ein Öfnungsgrad eines Nebendrosselventils 13 in
einer Leitung 12, die einen mit einer Stickstoffanreicherungsvorrichtung 7 ausgestatteten
Ansaugkanal 4 umgeht, werden derart geregelt, dass die
Regelgröße gleich
dem gesetzten Sollwert wird.