DE102014202101B4 - Abschwächung des fehlertrends zur verschlechterung von luft-kraftstoff-verhältnissensoren - Google Patents

Abschwächung des fehlertrends zur verschlechterung von luft-kraftstoff-verhältnissensoren Download PDF

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Abstract

Verfahren (700), das Folgendes umfasst:Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor (10) in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) mit einer ersten Steuerstruktur (700); undEinstellen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor (10) in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) mit einer zweiten,unterschiedlichen Steuerstruktur als Antwort auf eine asymmetrische Verschlechterung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) (708),worin die erste Steuerstruktur eine verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur (206, 208, 210) ohne asymmetrisches Fehlermodell umfasst und worin die zweite, unterschiedliche Steuerstruktur ein solches Modell umfasst.

Description

  • Hintergrund und Zusammenfassung
  • Aus der DE 10 2010 030 632 A1 ist ein Verfahren zur Dynamiküberwachung einer in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine vor einer Abgasreinigungsanlage angeordneten ersten Lambdasonde bekannt, wobei in einer Steuerung der Brennkraftmaschine eine Periodendauer eines Ausgangssignals der ersten Lambdasonde bestimmt wird und wobei aus einem Ausgangssignal einer der Abgasreinigungsanlage nachgeschalteten zweiten Lambdasonde ein Lambda-Regelsignal bestimmt wird. Es wird ein erster Schwellwert für eine Verlängerung der Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde vorgegeben. Aus dem Lambda-Regelsignal wird ein Kennsignal abgeleitet. Außerdem wird ein zweiter Schwellwert für eine unzulässige Abweichung des Kennsignals vorgegeben und es wird auf eine unzulässige unsymmetrische Verzögerung der ersten Lambdasonde geschlossen, wenn sowohl die Verlängerung der Periodendauer den ersten Schwellwert überschreitet als auch das Kennsignal vom zweiten Schwellwert außerhalb vorbestimmter Grenzen abweicht.
  • Die WO 2007 / 098 780 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-LuftGemisches bei einer Verbrennungsmaschine eines Kraftfahrzeugs in einem geschlossenen Regelkreis. Hierbei werden ein Lambdasollwert an einen Regler zur Beeinflussung einer Einspritzungsberechnung für die Verbrennungsmaschine übergeben und ein Lambdaistwert, der sich am Ausgang einer Regelstrecke in Abhängigkeit von der Einspritzungsberechnung ergibt, an den Regler zurückgeführt. Es wird zumindest ein Streckenparameter der Regelstrecke bestimmt und der bestimmte Streckenparameter wird an einen dem Regler zur Kompensation des Einflusses der Streckentotzeit auf das Regelkreisverhalten hinzugefügten Smithprädiktor übergeben.
  • Die DE 10 2011 006 787 A1 offenbart ein Kraftstoffregelkreissystem für einen Motor, welches Folgendes umfasst: eine Referenzeingabe zum Erzeugen eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Signals; einen Verzögerungskompensationsfilter zum Empfangen einer Summe aus dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Signal und einem von einem Proportional-Integral-Controller ausgegebenen Kraftstoff-Luft-Steuersignal, wobei der Verzögerungskompensationsfilter ein Systemverzögerungskompensationssignal liefert; einen Abgassensor zum Liefern eines Kraftstoff-Luft-Verhältnis-Signals, das von einem gefilterten Kraftstoff-Luft-Signal subtrahiert wird, und dieses Ergebnis wird zu dem Systemverzögerungskompensationssignal addiert, um ein an den Proportional-Integral-Controller geliefertes Fehlersignal zu erzeugen, um das verzögerungskompensierte Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen; und einen Transientenkraftstoffsteuerfilter zum Verstellen des verzögerungskompensierten Kraftstoff-Luft-Steuersignals gemäß einer von der Motortemperatur abhängigen Zeitkonstanten und einem von der Motortemperatur abhängigen Verstärkungsfaktor, um ein von der Motortemperatur abhängiges, verzögerungskompensiertes Kraftstoff-Luft-Steuersignal zu erzeugen.
  • Die US 2009 / 0 125 214 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Totzeit in dem Fall, in dem sich eine Ausgabe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors in eine magere Richtung ändert, und eine Totzeit in dem Fall, in dem sich die Ausgabe in eine fette Richtung ändert, jeweils erfasst werden. Die Anzahl von Elementen, die Daten vergangener Rückkopplungskorrekturbeträge bilden, die zum Berechnen eines gegenwärtigen Rückkopplungskorrekturbetrags verwendet werden, wird gemäß der größeren der Totzeiten geändert. Eine Ansprechzeit in Richtung mager und eine Ansprechzeit in fette Richtung werden jeweils erfasst. Eine Steuerverstärkung wird in Übereinstimmung mit der Ansprechzeit in magerer Richtung korrigiert, wenn sich die Ausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors in magerer Richtung ändert. Die Steuerverstärkung wird gemäß der Reaktionszeit in Richtung Fett korrigiert, wenn sich die Ausgabe in Richtung Fett ändert.
  • Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor kann aufgrund der Schutzabdeckung des Sensors und der zur elektrochemischen Verarbeitung erforderlichen Zeit typischerweise eine relativ geringe zusätzliche Verzögerung (einen relativ geringen zusätzlichen Lag) zu einem Rückführungssignal addieren. Ein verschlechterter Sensor, möglicherweise einer, bei dem die Schutzabdeckung kontaminiert ist, kann mehr Verzögerung/Lag addieren. Beispielsweise kann das verschlechterte Sensorsignal entweder verzögert (sonst jedoch gleich wie das eigentliche Signal) oder gefiltert (mit einer reduzierten Amplitude des eigentlichen Signals zeitlich verbreitert) sein. In solchen Fällen kann eine Rückführungssteuerung aufgrund einer stärkeren Verzögerung/eines stärkeren Lags als erwartet nicht wunschgemäß funktionieren.
  • In einem Beispiel kann, um derlei Verzögerung/Lag auszugleichen, die Luft-Kraftstoff-Steuerung eine vorausschauende Verzögerungskompensationssteuerstruktur aufweisen, wie z.B. einen Smith-Prädiktor. Der Smith-Prädiktor kann es der Steuerung ermöglichen, die fortlaufende Dynamik des Systems durch einen Mitkopplungsmechanismus zu regeln, der Verzögerung/Lag kompensiert, wenn das gemessene Signal von der Schätzung des Smith-Prädiktors abweicht.
  • Die Erfinder haben jedoch mehrere mögliche Probleme mit einem solchen Ansatz erkannt. Beispielsweise kann die Genauigkeit der vorausschauenden Verzögerungskompensationssteuerstruktur durch nichtlineare Verschlechterung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors beeinträchtigt werden. So erzeugt beispielsweise die vorausschauende Verzögerungskompensationssteuerstruktur eine Neigung zu asymmetrischen Fehlern, worin eine Richtung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisübergangs einer Verzögerung oder einem Filterlag unterliegt (z.B. von mager zu fett oder von fett zu mager), nicht aber die andere Richtung. Insbesondere führt dieser Fehlertrend zu einem korrigierenden Überschwingen und weiteren Rückführungsregelfehlern, selbst wenn Ausgleichsverschiebungen bereitgestellt werden, wenn die asymmetrischen Fehler am Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor identifiziert werden. Solche Rückführungssteuerfehler führen zu einer Erhöhung der Emissionen der regulierten Gase NOx, CO und NMHC.
  • Die Erfinder haben hierin einen Ansatz zur Abschwächung des Fehlertrends identifiziert, um die Genauigkeit der Rückführungsregelung zu erhöhen, wenn ein asymmetrischer Fehler eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors identifiziert wird. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Einstellen einer Struktur der Luft-Kraftstoff-Steuerung, um die durch einen asymmetrischen Fehler verursachten Verzögerungen abzuschwächen, anstatt einen Offset auszugleichen oder Verstärkungsfaktoren einzustellen.
  • In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit einer ersten Steuerstruktur. Das Verfahren umfasst ferner das Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit einer zweiten, unterschiedlichen Steuerstruktur als Antwort auf eine asymmetrische Verschlechterung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors. Insbesondere umfasst die erste Steuerstruktur einen Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator, der im Sinne geeigneter Steuerungsgenauigkeit vom linearen dynamischen Betrieb des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors abhängig ist. Ferner umfasst die zweite Steuerstruktur ein inneres Modell des Verschlechterungsverhaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors. Das innere Modell kann ein Modell des tatsächlichen asymmetrischen Verhaltens des verschlechterten Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors umfassen. Dementsprechend stellt die Steuerung durch den Smith-Prädiktor während des dynamischen linearen Betriebs genaue Verzögerungskompensation bereit und hält die Regelungsgenauigkeit infolge der Identifizierung nichtlinearen asymmetrischen Betriebs aufrecht, indem er auf ein inneres Modell umschaltet, das das asymmetrische Verhalten ausgleicht. Dadurch kann sowohl der Fehlertrend als auch das Überschwingen, die durch den Smith-Prädiktor aufgrund des asymmetrischen Fehlers verursacht würden, beseitigt werden.
  • Es versteht sich, dass die oben stehende Zusammenfassung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung im Folgenden weiterführend beschrieben werden. Sie ist nicht dazu gedacht, zentrale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Schutzumfang durch die Ansprüche im Anschluss an die ausführliche Beschreibung definiert wird. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungsformen beschränkt, die oben stehend oder in jedem beliebigen Teil dieser Offenbarung angeführte Nachteile lösen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt ein Motorsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 zeigt ein verzögerungskompensiertes Kraftstoffregelsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 zeigt ein verzögerungskompensiertes Kraftstoffregelsystem mit einem inneren Modell der Verschlechterung des Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 zeigt sechs verschiedene Verschlechterungsverhaltensweisen eines Abgassensors.
    • 5 zeigt ein Beispiel für nicht geminderte Luft-Kraftstoff-Verhältnisregelung während eines asymmetrischen Verzögerungsfehlers von mager zu fett bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor.
    • 6 zeigt ein Beispiel für geminderte Luft-Kraftstoff-Verhältnisregelung während eines asymmetrischen Verzögerungsfehlers von mager zu fett bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor.
    • 7 zeigt ein Verfahren zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung betrifft ein Luft-Kraftstoff-Steuersystem, bei dem mehrere verschiedene Steuerstrukturen zum Einstellen von Luft und/oder Kraftstoff basierend auf der Rückführung von einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor unter verschiedenen Bedingungen umgesetzt sind. Genauer gesagt kann das Luft-Kraftstoff-Steuersystem mit einem Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator zur Kompensation von Verzögerungs-/Lag-Effekten bei Verbrennung und Abgasausbreitung basierend auf dem linearen Verhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors arbeiten. Des Weiteren kann als Antwort auf die Detektion nichtlinearen Verhaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors, z.B. eines asymmetrischen Fehlers, der die Genauigkeit des Smith-Prädiktors reduzieren kann, das Luft-Kraftstoff-Steuersystem die Steuerstruktur zu einer anderen Steuerstruktur ändern, die das asymmetrische Verhalten mindert und stöchiometrischen Betrieb erzielt. Insbesondere kann der Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator um ein zusätzliches Modell erweitert werden, das das nichtlineare asymmetrische Verhalten des fehlerhaften Luft-Kraftstoff-Verhältnissignals umfasst, wodurch das Steuersystem zu einer Art nichtlinearer innerer Modellsteuerung wird. Insbesondere kann das Modell des nichtlinearen asymmetrischen Verhaltens ein Sensorfehlermodell sein, das auf dem Rückführungspfad des Smith-Prädiktors angeordnet ist, um sowohl den Fehlertrend als auch das Überschwingen abzuschwächen, die sonst durch die Korrektur des Smith-Prädiktors aufgrund des asymmetrischen Fehlers verursacht würden. Auf diese Weise kann das Luft-Kraftstoff-Steuersystem die Steuerungsgenauigkeit bei linearem und nichtlinearem Betrieb des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors aufrechterhalten.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zylinder des Mehrzylindermotors 10 zeigt, der in ein Antriebssystem eines Fahrzeugs aufgenommen werden kann, in dem ein Abgassensor 126 dazu verwendet werden kann, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von durch den Motor 10 erzeugtem Abgas zu ermitteln. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann (neben weiteren Betriebsparametern) zur Rückführungssteuerung des Motors 10 in diversen Betriebsarten als Teil eines Luft-Kraftstoff-Steuersystems eingesetzt werden. Der Motor 10 kann zumindest zum Teil durch ein Steuersystem, das eine Steuerung 12 umfasst, und durch Eingaben eines Fahrzeugbetreibers 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 130 ein Beschleunigungspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zur Erzeugung eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Die Verbrennungskammer (d.h. der Zylinder) 30 des Motors 10 kann Verbrennungskammerwände 32 mit einem darin angeordneten Kolben 36 umfassen. Der Kolben 36 kann derart an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein zwischengeschaltetes Getriebesystem an zumindest ein Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassmotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Anlassbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
  • Die Verbrennungskammer 30 kann über einen Ansaugdurchlass 42 Ansaugluft von einem Ansaugkrümmer 44 aufnehmen und Brandgase durch den Abgasdurchlass 48 abgeben. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgasdurchlass 48 können wahlweise über ein Ansaugventil 52 bzw. ein Abgasventil 54 mit der Verbrennungskammer 30 kommunizieren. In manchen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 zwei oder mehrere Ansaugventile und/oder zwei oder mehrere Abgasventile umfassen.
  • In diesem Beispiel können die Ansaugventile 52 und die Abgasventile 54 durch Nockenantrieb über entsprechende Nockenantriebssysteme 51 bzw. 53 gesteuert werden. Die Nockenantriebssysteme 51 und 53 können je eine oder mehrere Nocken umfassen und können eines oder mehrere der Systeme Cam Profile Switching („Nockenprofilschaltung“) (CPS), Variable Cam Timing („variable Nockenzeitabstimmung“) (VCT), Variable Valve Timing („variable Ventilsteuerung“) (WT) und/oder Variable Valve Lift („variable Ventilanhebung“) (WL) umfassen, die von der Steuerung 12 betätigt werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Ansaugventils 52 und des Abgasventils 54 kann durch die Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Ansaugventil 52 und/oder kann das Abgasventil 54 durch elektrischen Ventilantrieb gesteuert werden. Beispielsweise kann der Zylinder 30 wahlweise ein durch elektrischen Ventilantrieb gesteuertes Ansaugventil und ein durch Nockenantrieb, einschließlich der Systeme CPS und/oder VCT, gesteuertes Abgasventil umfassen.
  • Das Kraftstoffeinspritzventil 66 ist im Ansaugdurchlass 44 angeordnet in einer Konfiguration dargestellt, die sogenannte Saugrohreinspritzung von Kraftstoff in die der Verbrennungskammer 30 vorgeschalteten Ansaugöffnung bereitstellt. Das Kraftstoffeinspritzventil 66 kann Kraftstoff im Verhältnis zur Impulsbreite des von der Steuerung 12 über einen elektronischen Treiber 68 empfangenen Signals FPW einspritzen. Der Kraftstoff kann durch ein Kraftstoffsystem, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und einen Kraftstoffzuteiler umfasst, zum Kraftstoffeinspritzventil 66 befördert werden. In manchen Ausführungsformen kann die Verbrennungskammer 30 alternativ oder zusätzlich dazu ein direkt an die Verbrennungskammer 30 gekoppeltes Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in diese auf eine Art und Weise, die als Direkteinspritzung bekannt ist, umfassen.
  • Eine Zündanlage 88 kann durch eine Zündkerze 92 der Verbrennungskammer 30 als Antwort auf ein Funkenvorsignal SA von der Steuerung 12 bei ausgewählten Betriebsarten einen Zündfunken bereitstellen. Wenngleich Bauteile der Funkenentzündung dargestellt sind, ist es möglich, die Verbrennungskammer 30 oder eine oder mehrere weitere Verbrennungskammern des Motors 10 in einem Kompressionszündungsmodus mit oder ohne Zündfunken zu betätigen.
  • Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisabgassensor 126 ist gekoppelt an den Abgasdurchlass 48 des Abgassystems 50, das einer Emissionssteuerungsvorrichtung 70 vorgeschaltet ist, dargestellt. Der Sensor 126 kann jeder beliebige geeignete Sensor zur Bereitstellung einer Anzeige des Verhältnisses zwischen Abgasluft und Kraftstoff sein, z.B. ein linearer Sauerstoffsensor oder ein UEGO (ein universeller oder weitreichender Abgassauerstoffsensor). Weitere Ausführungsformen können verschiedene Abgassensoren umfassen, z.B. einen zweistufigen Sauerstoffsensor oder EGO, einen HEGO (erhitzten EGO), einen NOx-, HC- oder CO-Sensor. In manchen Ausführungsformen kann der Abgassensor 126 ein erster aus einer Vielzahl von im Abgassystem angeordneten Abgassensoren sein. Beispielsweise können weitere Abgassensoren der Emissionssteuerung 70 nachgeschaltet angeordnet sein.
  • Die Emissionssteuerungsvorrichtung 70 ist entlang dem Abgasdurchlass 48 dem Abgassensor 126 nachgeschaltet angeordnet. Bei der Vorrichtung 70 kann es sich um einen Dreiwegkatalysator („three-way catalyst“, TWC), eine NOx-Falle, diverse andere Emissionssteuerungsvorrichtungen oder Kombinationen daraus handeln. In manchen Ausführungsformen kann die Emissionssteuerungsvorrichtung 70 eine erste aus einer Vielzahl von im Abgassystem angeordneten Emissionssteuerungsvorrichtungen sein. In manchen Ausführungsformen kann während des Betriebs des Motors 10 die Emissionssteuerungsvorrichtung 70 periodisch zurückgesetzt werden, indem zumindest ein Zylinder des Motors innerhalb eines bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.
  • Die Steuerung 12 wird in 1 als Kleinrechner gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierwerte, der in diesem konkreten Beispiel als Festwertspeicherchip 106 gezeigt ist, Direktzugriffsspeicher 108, Keep-Alive-Memory 110 und einen Datenbus umfasst. Die Steuerung 12 kann zusätzlich zu den bereits besprochenen Signalen diverse Signale von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren empfangen, einschließlich der Messung der angesaugten Luftmasse (MAF) von einem Luftmassensensor 120; der Motorkühlungstemperatur („engine coolant temperature“, ECT) von einem an einen Kühlschlauch 114 gekoppelten Temperatursensor 112; ein Profilzündungsaufnehmersignal („profile ignition pickup signal“, PIP) von einem an die Kurbelwelle 40 gekoppelten Hall-Effekt-Sensor 118 (oder einer anderen Art); die Drosselklappenposition („throttle position“, TP) von einem Drosselklappenpositionssensor; und ein absolutes Krümmerdrucksignal („manifold pressure signal“, MAP) vom Sensor 122. Ein Motorgeschwindigkeitssignal RPM kann durch die Steuerung 12 vom Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksignalsensor kann dazu verwendet werden, eine Anzeige des Vakuums oder des Drucks im Ansaugkrümmer bereitzustellen. Es gilt zu beachten, dass diverse Kombinationen der oben angeführten Sensoren zum Einsatz kommen können, z.B. ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Anzeige des Motordrehmoments bereitstellen. Ferner kann dieser Sensor neben der detektierten Motorgeschwindigkeit auch eine Schätzung der in den Zylinder eingeleiteten Beladung (einschließlich der Luft) bereitstellen. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als Motorgeschwindigkeitssensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl an gleich beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle vorweisen.
  • Des Weiteren können zumindest manche der oben stehend beschriebenen Signale in den unten stehend eingehender beschriebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensorsteuersystemen und Verfahren zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann die Steuerung 12 so konfiguriert sein, dass sie die Kraftstoffeinspritzung in den Motor mit einer ersten Steuerstruktur einstellt, die auf Rückführung von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor sowie anderen Sensoren responsiv ist. Ferner kann die Steuerung 12 so konfiguriert sein, dass sie die Sensorrückführung dazu einsetzt, die Verschlechterung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors, wie z.B. eine asymmetrische Verschlechterung, zu ermitteln. Das US-Patent US 8 145 409 B2 stellt eine weiterführende detaillierte Erläuterung diverser Verfahren zur Ermittlung der Verschlechterung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors bereit. Die Steuerung 12 kann so konfiguriert sein, dass sie als Antwort auf die Ermittlung einer asymmetrischen Verschlechterung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors die Kraftstoffeinspritzung in den Motor in Abhängigkeit von der Rückführung von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit einer zweiten, unterschiedlichen Steuerstruktur einstellt.
  • Es gilt zu beachten, dass das Speichermedium Festwertspeicher 106 mit computerlesbaren Daten programmiert sein kann, die durch einen Prozessor 102 ausführbare Anleitungen zur Durchführung der unten stehend beschriebenen Verfahren sowie anderer Varianten darstellen.
  • 2 zeigt ein verzögerungskompensiertes Kraftstoffregelsystem 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Steuersystem 200 arbeitet basierend auf Rückführung von einem linearen oder universellen Abgassauerstoff-(UEGO-) Sensor. Eine Referenzquelle 202 erzeugt ein Steuersignal am Eingang des Steuersystems 200, das durch diverse Zwischenregelblöcke so eingestellt wird, dass es am Ausgang des Steuersystems ein angestrebtes Kraftstoffsteuersignal 204 bereitstellt. Das Steuersignal kann durch die Referenzquelle basierend auf dem gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches von einem anderen Teil des Steuersystems bestimmt wird, erzeugt werden, um Emissionen (eine Luft-Kraftstoff-Rechteckschwingung hilft dabei, den Wirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen), Kraftstoffeinsparung und Fahrverhalten zu optimieren. In diesen Zeichnungen wird angenommen, dass die Referenz ein normalisiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, das einen Wert 1 aufweist, wenn das in die Verbrennungszylinder eingeleitete Gemisch aus Kraftstoff und Luft exakt genug Kraftstoff und Sauerstoff aufweist, um zu brennen, ohne Kraftstoff oder Sauerstoff zurückzulassen (wird als stöchiometrisches Gemisch bezeichnet). Das Steuersystem 200 umfasst eine verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur, genauer gesagt eine Smith-Prädiktor- (SP-) Steuerstruktur 206, einen Leitkompensator zur Transientenkraftstoffregelung („transient fuel control“, TFC) 208 und eine Anlagesteuerstruktur 210.
  • Die SP-Steuerstruktur 206 ist so konfiguriert, dass sie eine Antwortverzögerung des UEGO-Sensors ausgleicht. Die SP-Steuerstruktur beherbergt bekannte Verzögerung/Filterung des Systems, um so Luft-Kraftstoff-Störungen korrekt auszugleichen. Ein Abweichen des Steuersignals von der Referenzquelle 202 und der Rückführung des Ausgabesignals des Steuersystems wird einer proportional-integralen (PI) Steuerung 212 bereitgestellt. Die Differenz des Steuersignals und der Rückführung kann durch einen Fehler, den eine innere Rückführungsschleife 218 der SP-Steuerstruktur erzeugt, modifiziert werden.
  • Innerhalb der inneren Rückführungsschleife 218 ist ein SP-Filter- oder -Vorhersageblock 214 mit einem SP-Verzögerungsblock 216 derart in Serie geschaltet, dass der SP-Verzögerungsblock das Ausgabesignal des SP-Filterblocks empfängt. Das ausgegebene Steuersignal von der PI-Steuerung 212 wird an den Eingang des SP-Filterblocks 214 rückgeführt. Der SP-Filterblock 214 verwendet eine Zeitkonstante, die eine Funktion der Motorgeschwindigkeit und der Beladung ist (normalisierte Zylinderluftbeladung). Der SP-Verzögerungsblock 216 verwendet eine Verzögerung, die ebenfalls eine Funktion der Motorgeschwindigkeit und der Beladung ist. Die SP-Steuerstruktur stellt zwei geschätzte Signale bereit, einschließlich der Antwort des Systems mit der reinen Verzögerung (Ausgabesignal von 216) und ohne diese (Ausgabesignal von 214). Die SP-Steuerstruktur ermöglicht es der PI-Steuerung, im Wesentlichen so zu agieren, als läge bei dem eigentlichen System die reine Verzögerung nicht vor oder als sei es verzögerungsfrei, solange das Ausgabesignal des Verzögerungsblocks 216 und das gemessene UEGO-Signal zueinanderpassen.
  • Der TFC-Leitkompensator 208 bringt Wandler ein, die motortemperaturabhängig sind, um die Wirkungen der Wandbenetzung auszugleichen. Der TFC-Leitkompensator wird eingeführt, um die Wirkungen der Wandbenetzung, wobei ein Bruchteil des eingespritzten Kraftstoffs an den Wänden der Kraftstoffeinspritzöffnung kleben bleibt und eine Kraftstofflacke bildet, die später verdampft, zu beseitigen oder zu reduzieren. Die Geschwindigkeit der Verdampfung hängt von der Motortemperatur ab, daher können durch den verdampfenden Kraftstoff verursachte Störungen anhand der Motortemperatur ermittelt werden.
  • Der TFC-Leitkompensator 208 empfängt das Steuersignal mit Verzögerungskompensation vom Ausgang der PI-Steuerung 212. Der TFC-Leitkompensator 208 passt das von der PI-Steuerung 212 empfangene Steuersignal basierend auf einer motortemperaturabhängigen Zeitkonstante und einer temperaturabhängigen Verstärkung an, um ein motortemperaturabhängiges Steuersignal zu erzeugen. Das Steuersignal, das durch die motortemperaturabhängige Zeitkonstante und Hochfrequenzverstärkung modifiziert wird, wird an die durch die Struktur 210 dargestellte Anlage (den Motor) gespeist.
  • Die Anlagenstruktur 210 umfasst diverse Blöcke, die für physikalische Komponenten des Motors stehen, die zur Kraftstoffsteuerung modelliert sind. Die Anlage umfasst einen Kraftstofflackenblock 220, einen Verbrennungs- und Mischblock 222 und einen Verzögerungsblock 224. Der Kraftstofflackenblock 220 empfängt den Kraftstoff aus dem Einspritzventil angetrieben von dem Ausgabesignal von dem TFC-Leitkompensator 208.
  • Der Kraftstofflackenblock modelliert eine geschätzte Menge an Kraftstoff, der an den Wänden des Ansauganschlusses klebt, und bildet eine Kraftstofflacke, die später verdampft, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu beeinflussen, und kann z.B. durch ein X-Tau-Modell charakterisiert werden. Der Kraftstofflackenblock 220 ist mit dem Verbrennungs- und Mischblock 222 in Serie geschaltet und stellt dem Verbrennungs- und Mischblock Einspeisung bereit. Diese Anlagemodellblöcke in 210 werden hier als konzeptuelle Hilfe vorgestellt, um zu klären, welche Aspekte des realen physikalischen Systems von der Kraftstoff-Luft-Regelung adressiert werden. Beispielsweise wird der Block 220 von dem Block 208 adressiert und entsprechen die Blöcke 222 und 224 den Blöcken 214 und 216.
  • Der Block 222 modelliert das durch Verbrennung und Abgaskrümmergasmischung geschaffene und im Allgemeinen als erstrangiger Filter in Block 214 dargestellte Gesamtfilterverhalten. Wenn ein Simulationsmodell basierend auf 2 erstellt wird, ist der Pfad in 210 eine geeignete Stelle, um Tankfehler (-störungen), die in einem realen Motor vorliegen, wie z.B. ungenaue Kraftstoffversorgung (Verstellbarkeit des Einspritzventils, Kraftstoffdruck etc.), Kraftstoff, der nicht mit der erwarteten chemischen Zusammensetzung übereinstimmt (z.B. Benzin-Ethanol-Mischungen), Kraftstoff, der durch das Absaugventil des Kanisters eintritt, Kraftstoff aus einer Lacke, die sich nach einer großen Luftstromveränderung entwickelt, die der TFC nicht vollständig erfassen konnte, etc., einzugeben. Eine Störung kann ein Fehler sein, den die Entwickler des Systems nicht genau vorhersehen können und dem daher durch Regelung entgegenzuwirken ist. Der Verbrennungs- und Mischblock 222 ist mit dem Verzögerungsblock 224 in Serie geschaltet und stellt dem Verzögerungsblock Einspeisung bereit.
  • Der Verzögerungsblock 224 modelliert Verzögerungen im Zusammenhang mit innerer Verbrennung und Abgasstromdynamik des Motors des Fahrzeugs. Das resultierende Ausgangssignal des Verzögerungsblocks 224 wird vom UEGO-Sensor an 204 verarbeitet und in das normalisierte Luft-Kraftstoff- (LAM-) Signal umgewandelt. Dieses „gemessene“ LAM-Signal aus dem Block 224 (Achtung: das Blockschaltbild in 2 vereinfacht den tatsächlichen Vorgang des Erfassens und der Umwandlung der Spannung in LAM im realen System) ist das Rückführungssignal, das die Steuerung 206 verwendet.
  • Ein Problem mit dem Steuersystem 200 der 2 besteht darin, dass der SP mit PI-Rückführungssteuerstruktur einen Fehlertrend des Kraftstoffsteuerungssignals verursacht, wenn der UEGO-Sensor sich verschlechtert und sich nichtlinear verhält, z.B. aufgrund eines asymmetrischen Fehlers. Insbesondere bringt die SP-Steuerstruktur das Steuersignal zum Überschwingen des Befehlssignals während Übergängen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die in Richtung des asymmetrischen Fehlers verlaufen. Die SP-Rückführung ermöglicht, dass höhere PI-Verstärkungen verwendet werden, die das Überschwingen erhöhen. Das Ausmaß des Fehlertrends basiert auf der Art des detektierten Fehlers, jedoch unterliegt der tatsächliche Fehlertrend dem Ausmaß der tatsächlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Übergänge (wie stark, wie oft). Als Teil des Steuerungsversuchs muss die SP-Steuerstruktur Annahmen über den linearen Betrieb bei typischen Luft-Kraftstoff-Übergängen aufstellen. Wenn der Fahrzeugbetrieb diese Annahmen missachtet (z.B. durch nichtlineares Verhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses), kann die Genauigkeit der SP-Steuerstruktur reduziert sein und ein Fehlertrend entstehen. Das SP-Steuersystem 200 kann bekanntes Verzögerungs- und Filterverhalten des physikalischen Systems aufnehmen und entsprechend modifiziert werden, um auch bekannte Sensorverschlechterung aufzunehmen.
  • 3 zeigt ein verzögerungskompensiertes Kraftstoffregelsystem 300 mit einem Modell für Sensorverschlechterung in einem inneren Modell gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das innere Modell des Fehlers kann so konfiguriert sein, dass es den Fehlertrend und das Überschwingen abschwächt, die sonst von der SP-Steuerstruktur während des nichtlinearen Betriebs geschaffen würden, z.B. aufgrund eines asymmetrischen Fehlers des UEGO-Sensors. Insbesondere wird die SP-Steuerstruktur 206 des Steuersystems 200 im Steuersystem 300 in eine äquivalente innere Modellsteuerung 302 umgewandelt. Die SP-Steuerstruktur wird transformiert, indem der Vorwärtspfad 304 der PI-Steuerung (die eine Laplace-Transformation von (Kp + Ki/s) aufweist) von der inneren Rückführungsschleife mit dem Filterblock 214 (der eine Laplace-Transformation von 1/(TCs + 1) aufweist) und dem Verzögerungsblock 216 getrennt wird. Insbesondere wird eine Kopie des Filterblocks zu dem Vorwärtspfad 304 der PI-Steuerung hinzugefügt, und das Ergebnis wird arithmetisch reduziert. In der dargestellten Ausführungsform wird angenommen, dass Kp = Ki * TC ist, was zu einer Laplace-Transformation von ((Kp / Ki) s + 1) / (1 / Ki) s + 1 im Vorwärtspfad 304 der inneren Modellsteuerung 302 führt.
  • Der transformierte Smith-Prädiktor-Rückkehrpfad 218 wird um einen Fehlermodellblock 306 erweitert. Der Fehlermodellblock 306 ist so konfiguriert, dass er ein fehlerhaftes Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal reproduziert. Insbesondere kann der Fehlermodellblock 306 jedes beliebige oder mehrere von sechs verschiedenen Verschlechterungsverhaltensweisen wiederherstellen, die von durch den UEGO-Sensor während Übergängen von fett zu mager und/oder Übergängen von mager zu fett erzeugten Verzögerungen in der Antwortgeschwindigkeit von Luft-Kraftstoff-Verhältnisablesungen angezeigt werden.
  • 4 zeigt die sechs verschiedenen Verschlechterungsverhaltensweisen von Abgassensoren. Die Diagramme tragen das normalisierte Luft-Kraftstoff-Verhältnis (LAM) über der Zeit (in Sekunden) auf. In jedem Diagramm zeigt die gepunktete Linie ein Soll-LAM-Signal an, das zu Motorbauteilen (z.B. Kraftstoffeinspritzventilen, Zylinderventilen, Drosselklappen, Zündkerzen etc.) gesendet werden kann, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzeugen, das durch einen Zyklus verläuft, der einen oder mehrere Übergänge von mager zu fett und einen oder mehrere Übergänge von fett zu mager umfasst. In jedem Diagramm zeigt die strichlierte Linie eine erwartete LAM-Antwortzeit eines Abgassensors an. In jedem Diagramm zeigt die durchgezogene Linie ein verschlechtertes LAM-Signal an, das von einem verschlechterten Abgassensor als Antwort auf das Soll-LAM-Signal erzeugen würde. In jedem der Diagramme zeigen die Doppelpfeile an, wo die jeweilige Verschlechterungsverhaltensweise vom erwarteten LAM-Signal abweicht.
  • Eine erste Verschlechterungsverhaltensweise ist eine Art symmetrische Filterantwort, die eine langsame Antwort des Abgassensors auf das Soll-LAM-Signal sowohl für eine Fett-zu-mager- als auch für eine Mager-zu-fett-Modulation umfasst. In anderen Worten kann das verschlechterte LAM-Signal mit dem Übergang von fett zu mager und von mager zu fett zu den erwarteten Zeitpunkten beginnen, aber die Antwortgeschwindigkeit kann geringer sein als die erwartete Antwortgeschwindigkeit, was zu reduzierten Mager- und Fett-Spitzenzeiten führt.
  • Eine zweite Verschlechterungsverhaltensweise ist eine Art asymmetrische Fett-zu-mager-Filterantwort, die eine langsame Antwort des Abgassensors auf das Soll-LAM-Signal für einen Übergang von einem fetten zu einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis umfasst. Diese Verhaltensweise kann den Übergang von fett zu mager zum erwarteten Zeitpunkt beginnen, aber die Antwortgeschwindigkeit kann geringer sein als die erwartete Antwortgeschwindigkeit, was zu einer reduzierten Mager-Spitzenzeit führt. Diese Verhaltensweise kann als asymmetrisch erachtet werden, weil die Antwort des Abgassensors während des Übergangs von fett zu mager langsam (oder schwächer als erwartet) ist, während des Übergangs von mager zu fett jedoch normal.
  • Eine dritte Verhaltensweise ist eine Art asymmetrische Mager-zu-fett-Filterantwort, die eine langsame Antwort des Abgassensors auf das Soll-LAM-Signal für einen Übergang von einem mageren zu einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis umfasst. Diese Verhaltensweise kann den Übergang von mager zu fett zum erwarteten Zeitpunkt beginnen, aber die Antwortgeschwindigkeit kann geringer sein als die erwartete Antwortgeschwindigkeit, was zu einer reduzierten Fett-Spitzenzeit führt. Diese Verhaltensweise kann als asymmetrisch erachtet werden, weil die Antwort des Abgassensors während des Übergangs von mager zu fett und nicht während des Übergangs von fett zu mager langsam (oder schwächer als erwartet) ist.
  • Eine vierte Verschlechterungsverhaltensweise ist eine Art symmetrische Verzögerung, die eine verzögerte Antwort auf das Soll-LAM-Signal sowohl für eine Fett-zu-mager- als auch für eine Mager-zu-fett-Modulation umfasst. In anderen Worten kann das verschlechterte LAM-Signal mit dem Übergang von fett zu mager und von mager zu fett zu Zeitpunkten beginnen, die gegenüber den erwarteten Zeitpunkten verzögert sind, aber der jeweilige Übergang kann in der erwarteten Antwortgeschwindigkeit erfolgen, was zu verschobenen Mager- und Fett-Spitzenzeiten führt.
  • Eine fünfte Verschlechterungsverhaltensweise ist eine Art asymmetrische Fett-zu-mager-Verzögerung, die eine verzögerte Antwort auf das Soll-LAM-Signal von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von fett zu mager umfasst. In anderen Worten kann das verschlechterte LAM-Signal mit dem Übergang von fett zu mager zu einem Zeitpunkt beginnen, der gegenüber dem erwarteten Zeitpunkt verzögert ist, aber der Übergang kann in der erwarteten Antwortgeschwindigkeit erfolgen, was zu verschobenen Mager-Spitzenzeiten führt. Diese Verhaltensweise kann als asymmetrisch erachtet werden, weil die Antwort des Abgassensors gegenüber der erwarteten Beginnzeit während eines Übergangs von fett zu mager und nicht während des Übergangs von mager zu fett verzögert erfolgt.
  • Eine sechste Verhaltensweise ist eine Art asymmetrische Mager-zu-fett-Verzögerung, die eine verzögerte Antwort auf das Soll-LAM-Signal von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von mager zu fett umfasst. In anderen Worten kann das verschlechterte LAM-Signal mit dem Übergang von mager zu fett zu einem Zeitpunkt beginnen, der gegenüber dem erwarteten Zeitpunkt verzögert ist, aber der Übergang kann in der erwarteten Antwortgeschwindigkeit erfolgen, was zu verschobenen Fett-Spitzenzeiten führt. Diese Verhaltensweise kann als asymmetrisch erachtet werden, weil die Antwort des Abgassensors gegenüber der erwarteten Beginnzeit während eines Übergangs von mager zu fett und nicht während des Übergangs von fett zu mager verzögert erfolgt.
  • Es gilt zu beachten, dass ein asymmetrisches Verschlechterungsverhalten die gemessene Antwort für beide Richtungen (d.h. fett zu mager und mager zu fett) erhöhen kann. Diese Wirkung kann umso stärker auftreten, je mehr die Größe einer asymmetrischen Verschlechterung zunimmt. Es versteht sich, dass ein verschlechterter Abgassensor eine Kombination aus zwei oder mehreren der oben stehend beschriebenen Verschlechterungsverhaltensweisen an den Tag legen kann.
  • Wieder auf 3 Bezug nehmend kann der Fehlermodellblock 306 insbesondere so konfiguriert sein, dass er einen von dem Smith-Prädiktor aufgrund nichtlinearen Betriebs infolge einer Verschlechterung des UEGO-Sensors erzeugten Fehlertrend abschwächt. Der Fehlermodellblock 306 erweitert den Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator um ein Modell, das das nichtlineare asymmetrische Verhalten des fehlerhaften UEGO-Signals in der inneren Rückführungsschleife 218 umfasst und macht das Steuersystem zu einer Art nichtlinearer innerer Modellsteuerung. Insbesondere ist der Fehlermodellblock 306 so konfiguriert, dass er ein verschlechtertes Signal erzeugt, das das Ausgangssignal von 308 nachahmt. Der Fehlermodellblock 306 ist mit einer Art Fehler (z.B. einer der sechs oben stehend beschriebenen Verschlechterungsverhaltensweisen) und einer entsprechenden Größe des Fehlers ausgestattet. Der Fehlermodellblock 306 verwendet die Informationen, um das Verhalten des Fehlers in der inneren Modellsteuerung wiederherzustellen, um so das Fehlerverhalten auszugleichen. Dadurch kann der Fehlertrend des Smith-Prädiktors während des nichtlinearen Betriebs ausgeglichen werden. In anderen Worten entfernt das Fehlermodell die Ausreißer des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sowohl im fehlerhaften als auch im tatsächlichen UEGO-Signal.
  • Es versteht sich, dass ein tatsächlich auftretendes Fehlertrendausmaß von den Luft-Kraftstoff-Verhältnissignalübergängen abhängig ist. In Abwesenheit jeglicher Referenzbefehländerung oder jeglicher Störungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (z.B. Luftmasseveränderungen, die vorübergehende Kraftstofffehler erzeugen, Kanisterspülbetrieb etc.) bleibt das Luft-Kraftstoffverhältnis flach und erzeugt der asymmetrische Fehlereffekt keinen Fehlertrend.
  • Im Gegensatz zum Steuersystem 300 müsste ein typischer Mitkopplungskompensator ohne inneres Modell zusätzliche Annahmen über die Menge an Luft-Kraftstoff-Verhältnisübergängen aufstellen, die während der Betriebs auftreten, und müsste daher für ein bestimmtes Tastverhältnis kalibriert werden, um die Signalgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Insbesondere umfasst das Steuersystem 200 kein Modell des Verhaltens der asymmetrischen Verschlechterung und verursacht daher einen Fehlertrend im Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuersignal. Außerdem würden etwaige unerwartete Störungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Wirkungsgrad und die Genauigkeit etwaiger Korrekturversuche eines Mitkopplungsfehlertrends reduzieren. Andererseits verstellt sich das Steuersystem 300 je nach Grad oder sogar völliger Abwesenheit von Luft-Kraftstoff-Verhältnisübergängen selbst. Dementsprechend reduziert das Steuersystem 300 mögliche Kalibrierbemühungen und ist robuster gegenüber unbekannten Störungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses als ein typischer Mitkopplungskompensator. Außerdem eliminiert das Steuersystem 300 Ausreißer im Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die das Referenzsignal überschreiten, während eine Mitkopplungskorrektur des Fehlertrends durch das Anpassen eines Bezugssignals (z.B. einer Rechteckschwingung) weiterhin zu starken Ausreißern führen würde, die möglicherweise das Fahrverhalten beeinträchtigen.
  • Bauteile des Steuersystems 300, die im Wesentlichen gleich sein können wie jene des Steuersystems 200, werden auf die gleiche Art identifiziert und nicht weiter beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass auf die gleiche Art identifizierte Bauteile in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sich zumindest teilweise voneinander unterscheiden können.
  • 5 zeigt ein Beispiel für nicht abgeschwächte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während eines asymmetrischen Fett-zu-mager-Verzögerungsfehlers eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors. Beispielsweise kann das dargestellte Steuerungsverhalten von dem in 2 gezeigten Steuersystem 200 an den Tag gelegt werden. In den Diagrammen ist das normalisierte Luft-Kraftstoff-Verhältnis (LAM) über der Zeit (in Sekunden) aufgetragen. Im oberen Diagramm ist die durchgezogene Linie das Soll-Bezugs-LAM, die strichlierte Linie das tatsächliche LAM (wie es durch einen nicht fehlerhaften UEGO gemessen würde) und die gepunktete Linie die Ausgabe eines fehlerhaften UEGO-Sensors. Im unteren Diagramm sind das tatsächliche LAM-(strichliert) und das fehlerhafte UEGO- (gepunktet) Signal tiefpassgefiltert, um den Gesamtfehlertrend dieser Signale zu zeigen, was hier wichtig aufzuzeigen ist, da das tatsächliche LAM durch einen Katalysator verläuft, der auf einen beständigen Luft-Kraftstoff-Fehlertrend negativ reagiert. Aufgrund des auferlegten UEGO-Verzögerungsfehlers schwingen sowohl das tatsächliche LAM als auch der fehlerhafte UEGO über den Mager-Sollwert, aber das tatsächliche LAM erzeugt das stärkere Überschwingen. Die SP-Steuerung bewertet das fehlerhafte UEGO-Signal und berechnet fälschlicherweise, dass der Gesamtfehlertrend ungefähr bei 0 liegt (ein LAM von 1,0 entspricht einem Fehlertrend 0), während das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis des tatsächlichen Abgases, das in den Katalysator strömt, was durch die strichlierte Linie dargestellt ist, nicht stöchiometrisch ist (das tatsächliche Signal ist größer als der stöchiometrische Wert 1).
  • Es gilt zu beachten, dass eine Mager-zu-fett-Verzögerung einen äquivalenten Fehlertrend zur entgegengesetzten fetten Seite erzeugen würde. Außerdem gilt zu beachten, dass das Ausmaß des Fehlertrends vom Ausmaß der Eingangsanregung abhängt. Beispielsweise würde eine höhere Amplitude des tatsächlichen LAM-Signals zu einem stärkeren Fehlertrend führen.
  • 6 zeigt ein Beispiel für abgeschwächte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während eines asymmetrischen Fett-zu-mager-Verzögerungsfehlers eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors. Beispielsweise kann das dargestellte Steuerungsverhalten von dem in 2 gezeigten Steuersystem 300 an den Tag gelegt werden. In den Diagrammen ist das normalisierte Luft-Kraftstoff-Verhältnis (LAM) über der Zeit (in Sekunden) aufgetragen. Wie in 5 ist die durchgezogene Linie der LAM-Bezug, die strichlierte Linie das tatsächliche LAM und die gepunktete Linie der fehlerhafte UEGO. Das obere Diagramm zeigt an, dass die modifizierte Steuerung 306 das Überschwingen sowohl des tatsächlichen LAM als auch des fehlerhaften UEGO-Signals vermeidet. Das untere Diagramm zeigt, dass das tatsächliche LAM nun auf einem Durchschnittswert von etwa 1,0 gehalten wird und somit keinen beständigen Fehlertrend aufweist. Das filtrierte fehlerhafte UEGO-Signal ist aufgrund der abschwächenden Schritte der modifizierten Steuerung erwartungsgemäß zu fett verschoben. Die Genauigkeit der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung wird sogar während des nichtlinearen Betriebs infolge eines asymmetrischen Fehlers des UEGO-Sensors aufrechterhalten.
  • Die oben stehend dargestellten Konfigurationen ermöglichen diverse Verfahren zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Motor eines Fahrzeugs. Dementsprechend sind nun einige solcher Verfahren beispielhaft unter durchgehender Bezugnahme auf die oben stehenden Konfigurationen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diese Verfahren und weitere, die zur Gänze in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen, auch durch andere Konfigurationen ermöglicht werden können.
  • 7 zeigt ein Verfahren 700 zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 700 kann durchgeführt werden, um die Auswirkungen der Verschlechterung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors auf die Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung abzuschwächen.
  • Insbesondere kann das Verfahren 700 durchgeführt werden, um einen Fehlertrend aus einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssignal während des nichtlinearen Betriebs aufgrund eines asymmetrischen Fehlers des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors zu beseitigen. In einem Beispiel kann das Verfahren 700 durch die Steuerung 12 durchgeführt werden.
  • An 702 kann das Verfahren 700 das Bestimmen der Betriebsbedingungen eines Fahrzeugs umfassen. Beispielsweise kann das Bestimmen der Betriebsbedingungen das Empfangen von Sensorsignalen umfassen, die Betriebsparameter des Fahrzeugs anzeigen und diverse Betriebsparameter berechnen oder herleiten. Ferner kann das Bestimmen der Betriebsbedingungen das Bestimmen des Zustands von Bauteilen und Aktoren des Fahrzeugs umfassen.
  • An 704 kann das Verfahren 700 das Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit einer ersten Steuerstruktur umfassen. Beispielsweise kann die erste Steuerstruktur eine verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur umfassen. Genauer gesagt kann die verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur einen Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator umfassen. Der Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator kann Verzögerungs-/Lag-Effekte bei natürlicher Verbrennung und Abgasausbreitung während des linearen Betriebs des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors ausgleichen. Die verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur kann kein Modell einer asymmetrischen Verschlechterung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors umfassen.
  • An 706 kann das Verfahren 700 das Bestimmen umfassen, ob der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor eine Verschlechterung erfahren hat. Genauer gesagt kann das Verfahren das Detektieren umfassen, ob der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor eine derartige Verschlechterung erfahren hat, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nichtlineares Verhalten an den Tag legt, das die Betriebsannahme des Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensators missachtet. In einem Beispiel bestimmt das Verfahren, ob ein asymmetrischer Fehler, bei dem eine Richtung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisübergangs einer Verzögerung unterliegt, aufgetreten ist. Wird festgestellt, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor eine Verschlechterung erfahren hat, schreitet das Verfahren 700 zu 708 fort. Andernfalls kehrt das Verfahren 700 zu 706 zurück.
  • An 708 kann das Verfahren 700 das Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit einer zweiten, unterschiedlichen Steuerstruktur umfassen. Beispielsweise kann die zweite Steuerstruktur ein inneres Modell des Verschlechterungsverhaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors umfassen. Das innere Modell kann ein Modell eines Verschlechterungsverhaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors umfassen. In dem Fall, dass die Sensorverschlechterung einen asymmetrischen Fehler umfasst, kann das innere Modell das Verhalten des asymmetrischen Fehlers durch eine Fehlertransferfunktion, die Richtung und Größe des asymmetrischen Fehlers als Eingaben detektiert hat, wiederholen. Die Richtung und die Größe des asymmetrischen Fehlers können anhand der Rückführung des asymmetrischen Fehlers durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor detektiert werden. Das innere Modell kann die Kraftstoffeinspritzung durch das Verschieben eines Mittelwerts eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder durch das Verändern eines Tastverhältnisses einer Soll-Rechteckschwingung basierend auf der Richtung und der Größe eines asymmetrischen Fehlers einstellen.
  • Durch die Aufnahme eines inneren Modells der Sensorverschlechterung in die Kraftstoffsteuerstruktur werden sowohl der Fehlertrend als auch das Überschwingen, die von dem Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator aufgrund des asymmetrischen Fehlers verursacht werden, aus dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal entfernt. Dadurch kann die Genauigkeit der Luft-Kraftstoff-Steuerung selbst unter Bedingungen der Sensorverschlechterung aufrechterhalten werden.
  • Es versteht sich, dass bei nicht verschlechtertem Betrieb, wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor sich in linearer Manier verhält, das innere Modell den Betrieb der verzögerungskompensierten Regelstruktur nicht beeinflusst, da kein Fehler vorliegt.
  • Es versteht sich, dass die hierin offenbarten beispielhaften Steuerungs- und Schätzungsvorgänge bei diversen Systemkonfigurationen zum Einsatz kommen können. Diese Vorgänge können für eine oder mehrere verschiedene Verarbeitungsstrategien stehen, wie z.B. ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. An sich können die offenbarten Verfahrensschritte (Betriebe, Funktionen und/oder Tätigkeiten) Kodes darstellen, mit denen computerlesbare Speichermedien in einem elektronischen Steuersystem zu programmieren sind. Es versteht sich, dass manche der hierin beschriebenen und/oder dargestellten Verfahrensschritte in manchen Ausführungsformen ausgespart werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ebenso muss nicht immer die angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte erforderlich sein, um die vorgesehenen Ergebnisse zu erzielen, dennoch ist sie zur einfacheren Veranschaulichung und Beschreibung angeführt. Eine oder mehrere der dargestellten Aktivitäten, Funktionen oder Betriebsweisen kann wiederholt durchgeführt werden, je nachdem, welche Strategie konkret angewandt wird.
  • Schließlich versteht sich, dass die hierin beschriebenen Gegenstände, Systeme und Verfahren von beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen oder Beispiele nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen sind, da zahlreiche Abwandlungen in Betracht gezogen sind. Demnach umfasst die vorliegende Offenbarung alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der diversen hierin offenbarten Systeme und Verfahren sowie jegliche und sämtliche Äquivalente davon.

Claims (18)

  1. Verfahren (700), das Folgendes umfasst: Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor (10) in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) mit einer ersten Steuerstruktur (700); und Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor (10) in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) mit einer zweiten, unterschiedlichen Steuerstruktur als Antwort auf eine asymmetrische Verschlechterung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) (708), worin die erste Steuerstruktur eine verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur (206, 208, 210) ohne asymmetrisches Fehlermodell umfasst und worin die zweite, unterschiedliche Steuerstruktur ein solches Modell umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur einen Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator (206) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Modell ein Modell des Verschlechterungsverhaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, worin das Modell die Kraftstoffeinspritzung durch das Verschieben eines Mittelwerts eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder das Ändern eines Arbeitszyklus einer Soll-Rechteckschwingung basierend auf einer Richtung und Größe eines asymmetrischen Fehlers des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) einstellt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor (126) ein universeller Abgassauerstoffsensor ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verschlechterung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) ein asymmetrischer Fehler ist, wobei eine Richtung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisübergangs einer Verzögerung unterliegt.
  7. Fahrzeug, das Folgendes umfasst: einen Motor (10), der Gas in ein Abgassystem abgibt; einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor (126), der in dem Abgassystem angeordnet ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von durch den Motor (10) abgegebenem Gas zu messen; und eine Steuerung (12), die einen Prozessor und ein elektronisches Speichermedium umfasst, das folgende Anweisungen bei Ausführung durch den Prozessor enthält: Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor (10) in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) mit einer ersten Steuerstruktur; und Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor (10) in Abhängigkeit von der Rückführung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) mit einer zweiten, unterschiedlichen Steuerstruktur als Antwort auf das Detektieren eines asymmetrischen Fehlers des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126), worin die erste Steuerstruktur eine verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur (206, 208, 210) umfasst.
  8. Fahrzeug nach Anspruch 7, worin die verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur (206, 208, 210) einen Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator (206) umfasst.
  9. Fahrzeug nach Anspruch 8, worin die zweite Steuerstruktur ein inneres Modell des Verschlechterungsverhaltens des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) umfasst.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 9, worin das innere Modell die Kraftstoffeinspritzung durch das Verschieben eines Mittelwerts eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder das Ändern eines Arbeitszyklus einer Soll-Rechteckschwingung basierend auf einer Richtung und Größe eines asymmetrischen Fehlers des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126) einstellt.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 7, worin der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor (126) ein universeller Abgassauerstoffsensor ist.
  12. Verfahren, das Folgendes umfasst: als Antwort auf das Detektieren eines asymmetrischen Fehlers eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126), Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor (10) basierend auf der Rückführung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126), die ein Modell des Verhaltens des asymmetrischen Fehlers beinhaltet.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Verhalten des asymmetrischen Fehlers eine Fehlertransferfunktion umfasst, die Richtung und Größe des asymmetrischen Fehlers als Eingaben erfasst hat.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, worin das innere Modell die Kraftstoffeinspritzung durch Verschieben eines Mittelwerts eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder Ändern eines Arbeitszyklus einer Soll-Rechteckschwingung basierend auf der Richtung und der Größe eines asymmetrischen Fehlers einstellt.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, worin das innere Modell auf eine Verzögerung und einen Filter in einer inneren Rückführungsschleife eines Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensators (206) folgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, worin der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor (126) ein universeller Abgassauerstoffsensor ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Folgendes umfasst: Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor (10) basierend auf einer verzögerungskompensierten Kraftstoffregelstruktur (206, 208, 210) während des nicht verschlechterten Betriebs des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors (126).
  18. Verfahren nach Anspruch 15, worin die verzögerungskompensierte Kraftstoffregelstruktur (206, 208, 210) einen Smith-Prädiktor-Verzögerungskompensator (206) umfasst.
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