DE102020111702A1

DE102020111702A1 - System zum regeln eines luft-kraftstoff-verhältnisses für ein flex-fuel-fahrzeug unter verwendung einer sauerstoffspeichermenge eines katalysators und verfahren davon

Info

Publication number: DE102020111702A1
Application number: DE102020111702.7A
Authority: DE
Inventors: Dong-Hoon Lee; Pyung-Hyun Han; Ki-Joon Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2021-07-08
Also published as: US20210207549A1; KR20210088239A; US11125177B2

Abstract

Ein Verfahren zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage einer Sauerstoffspeichermenge eines Katalysators kann aufweisen: Durchführen (S40) einer Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-(OSA)-Regelung für eine Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch ein Steuergerät, sodass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators innerhalb eines Schwellenwertes liegt, und Durchführen (S130, S150) einer Sollspannungsregelung für eine Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch das Steuergerät, sodass ein Ausgangsspannungswert eines hinter dem Katalysator bereitgestellten Sauerstoffsensors einen Spannungssollwert erfüllt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Fahrzeugs, um eine Reinigungswirkung eines Katalysators zu verbessern.
HINTERGRUND
Die Informationen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung und müssen keinen Stand der Technik bilden.
Um den ständig verschärften Abgasvorschriften gerecht zu werden, wurden Techniken zur Abgasverringerung aktiv entwickelt. Um ein Abgas vor der Nachbehandlung zu verringern, wurden in diesem Zusammenhang Vorrichtungen wie ein Abgasrückführungssystem (AGR) und ein System mit kontinuierlich variabler Ventildauer (CVVD) entwickelt, die in der Lage sind, die Öffnungs- und Schließzeiten von Zylinderventilen (z.B. Ein- und Auslassventile) kontinuierlich zu verändern. Ferner wurden im Zusammenhang mit der Abgasreinigungstechnik unter Verwendung eines Katalysators kontinuierlich Anstrengungen unternommen, ein in den Katalysator eingebrachtes Edelmetall zu verringern und gleichzeitig die Reinigungsfähigkeit des Katalysators zu verbessern.
Um die Reinigungsfähigkeit des Katalysators maximal auszunutzen und um den durch die gesteigerte Edelmetallmenge verursachten Kostenanstieg des Katalysators zu unterdrücken, wurde unterdessen nach einem Verfahren zur genauen Vorhersage und zur genauen Regelung des Katalysatorzustands aktiv geforscht. Insbesondere im Falle einer Drei-Wege-Katalysator-(TWC-)Vorrichtung, die an einem Benzinmotor angebracht ist, ist bekannt, dass die TWC-Vorrichtung die Eigenschaft hat, CO/HC/NOx, also drei primäre Abgaskomponenten, die bei einem Zustand eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas enthalten sind, wirksam zu reinigen. Im Falle des Drei-Wege-Katalysators verschlechtert sich der Katalysator mit zunehmender Fahrstrecke, wobei die Sauerstoffspeicherkapazität (engl. „oxygen storage capacity“; kurz: OSC) verringert wird. Um den Drei-Wege-Katalysator in einem optimalen Zustand zu regeln, ist es daher erforderlich, ein angemessenes Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators durchzuführen.
Als Verfahren zur Regelung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zur Regelung eines Drei-Wege-Katalysators in einem optimalen Zustand kann ein Verfahren zur Regelung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Betracht gezogen werden, wobei die Spannung eines Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator einem ermittelten Sollwert folgt (Sollspannungsregelung oder Trimmregelung).
Wir haben jedoch festgestellt, dass, wie in 4 dargestellt, im Falle eines Binär-Sauerstoffsensors, der hinter dem Katalysator verwendet wird, eine Hysterese-Reaktionskennlinie vorhanden ist und es daher nicht möglich ist, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis nur durch die Sollspannungsregelung zeitnah zu regeln, und dass es bei einem dynamischen Fahrzustand eine Grenze gibt, die Verschmutzung des Abgases wirksam zu beseitigen. Darüber hinaus wird aufgrund der Sauerstoffspeichercharakteristik des Drei-Wege-Katalysators die Magererkennung des Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator verzögert, bis der Katalysator vollständig oxidiert ist, und in diesem Fall wird das im Abgas enthaltene NOx-Abgas wie es ist in die Luft ausgegeben, ohne gereinigt zu werden.
Unter Berücksichtigung dieser Aspekte kann als weiteres Verfahren zur Regelung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Regeln des Drei-Wege--Katalysators ein Verfahren zur Berechnung der aktuellen Sauerstoffspeichermenge des Katalysators und zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Betracht gezogen werden, sodass die berechnete Sauerstoffspeichermenge einen ermittelten Bereich erfüllt (Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-(OSA-)Regelung).
Wir haben jedoch festgestellt, dass im Falle der oben beschriebenen Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge, wenn ein Fehler in einem Modell zur Berechnung der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators in Übereinstimmung mit der Erfassungsungenauigkeit des Katalysator-Sauerstoffsensor und einer Luftmengenmessungenauigkeit auftritt, die Ausstoßmenge des ungereinigten Abgases unvermeidlich erhöht wird.
KURZERLÄUTERUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren und ein System zum Regeln bzw. Steuern (im Weiteren auch kurz: Regeln; dies trifft analog für die korrespondierenden Vorrichtungen zur Durchführung der Regelung bzw. Steuerung zu) eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bereit (bspw. eines Fahrzeugs wie einem Flex-Fuel-Fahrzeug), mit denen eine optimale Reinigungseffizienz eines Katalysators zeitnah und stabil aufrechterhalten werden kann.
Andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung können durch die folgende Beschreibung verstanden werden und werden mit Bezug auf die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung deutlich. Auch ist es für den Fachmann, den die vorliegende Offenbarung betrifft, offensichtlich, dass die Vorteile der vorliegenden Offenbarung durch die beanspruchten Mittel und deren Kombinationen verwirklicht werden können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage einer Sauerstoffspeichermenge eines Katalysators auf: Durchführen einer Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-(OSA)-Regelung für eine Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch ein Steuergerät (bspw. eine Steuer-/Regelungsvorrichtung wie eine ECU), sodass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators innerhalb bzw. unterhalb eines ermittelten (bspw. vorbestimmten) Schwellenwertes liegt, und Durchführen einer Sollspannungsregelung für eine Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch das Steuergerät, sodass ein Ausgangsspannungswert eines hinteren Sauerstoffsensors, der hinter bzw. nach dem Katalysator angeordnet ist, einen Spannungssollwert erfüllt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird, wenn es notwendig ist, ein in einem dynamischen Fahrbereich erzeugtes Abgas umgehend zu reinigen, der Katalysator durch eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung auf der Grundlage der Sauerstoffspeichermenge umgehend reduziert, während in einem Bereich, in dem die Charakteristik eines Binär-Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator gut ausgenutzt werden kann, die Reinigungseffizienz des Katalysators durch das Durchführen einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung auf der Grundlage eines Ausgangs- bzw. Ausgabespannungswertes (im Weiteren kurz: Ausgangsspannungswert) des Binär-Sauerstoffsensors rascher und stabiler optimiert werden kann.
In einer Ausführungsform kann die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) bspw. aufweisen: Berechnen der Sauerstoffspeichermenge (OSA) des Katalysators auf der Grundlage eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das durch einen vor dem Katalysator angeordneten vorderen Sauerstoffsensor gemessen wird, und einer Durchströmmenge eines Abgases, Vergleichen der berechneten Sauerstoffspeichermenge (OSA) mit einem Schwellenwert, und, wenn die berechnete Sauerstoffspeichermenge den Schwellenwert überschreitet, Durchführen der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass die Sauerstoffspeichermenge (OSA) gleich oder kleiner als der Schwellenwert wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Sollspannungsregelung z.B. aufweisen: Berechnen des Spannungssollwerts auf der Grundlage eines aktuellen Fahrzustands eines Fahrzeugs und eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Vergleichen des Ausgangsspannungswerts des hinteren Sauerstoffsensors mit dem berechneten Spannungssollwert, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors größer ist als der Spannungssollwert, Durchführen der Mager-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt, und, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors kleiner ist als der Spannungssollwert, Durchführen der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Verfahren z.B. ferner aufweisen: Wenn die berechnete Sauerstoffspeichermenge gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, Durchführen der Sollspannungsregelung. In einer weiteren Ausführungsform kann das Durchführen der Sollspannungsregelung z.B. aufweisen: Berechnen des Spannungssollwertes auf der Grundlage eines aktuellen Fahrzustandes eines Fahrzeuges und eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Vergleichen des Ausgangsspannungswertes des hinteren Sauerstoffsensors mit dem berechneten Spannungssollwert, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors größer ist als der Spannungssollwert, Durchführen der Mager-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt, und, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors kleiner ist als der Spannungssollwert, Durchführen der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Verfahren z.B. ferner aufweisen: Unterbrechen der Regelung und Überwachen der in Echtzeit berechneten Sauerstoffspeichermenge, wenn die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, und Unterbrechen der Sollspannungsregelung und Wiederaufnahme der Regelung, wenn die in Echtzeit berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) den Schwellenwert überschreitet.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Verfahren z.B. ferner aufweisen: Durchführen der Mager-Regelung oder der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass das vom vorderen Sauerstoffsensor vor dem Katalysator gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis folgt.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann z.B. das Berechnen der Sauerstoffspeichermenge (OSA) des Katalysators aufweisen: Berechnen eines in den Katalysator strömenden Sauerstoffmassenstroms (z.B. der Rate davon) aus dem von dem vorderen Sauerstoffsensor vor dem Katalysator gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einer Strömungsmenge (z.B. Rate) eines Abgases, und Berechnen einer Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) des Katalysators durch Integration der Sauerstoffströmungsmenge.
Das Verfahren kann z.B. ferner aufweisen: Ermitteln, durch das Steuergerät, ob eine Bedingung zur Durchführung der Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) erfüllt ist, und Durchführen der Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) durch das Steuergerät, wenn die Bedingung erfüllt ist.
Das Verfahren kann z.B. ferner aufweisen: Ermitteln, durch das Steuergerät, ob eine Bedingung zur Durchführung der Sollspannungsregelung erfüllt ist, und Durchführen der Sollspannungsregelung durch das Steuergerät, wenn die Bedingung erfüllt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein System zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage einer Sauerstoffspeichermenge eines Katalysators auf: Einen Motor (Verbrennungsmotor), der eine Leistungsquelle ist, den Katalysator, der in einer Abgasleitung des Motors installiert ist und eingerichtet ist, um ein aus dem Motor ausgegebenes Abgas zu reinigen, einen ersten und einen zweiten Sauerstoffsensor, die jeweilig stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators in der Abgasleitung installiert sind, und ein Steuergerät, das eingerichtet ist, um eine Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge und eine Sollspannungsregelung durchzuführen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern. Insbesondere ist die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) eingerichtet, um eine Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, sodass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators innerhalb bzw. unterhalb eines Schwellenwertes liegt, und eine Sollspannungsregelung ist eingerichtet, um eine Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, sodass ein Ausgangsspannungswert des zweiten Sauerstoffsensors, der hinter dem Katalysator bereitgestellt ist, einen Spannungssollwert erfüllt.
In einer Ausführungsform, wenn die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators den Schwellenwert überschreitet, kann das Steuergerät z.B. eingerichtet sein, um die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge durchzuführen. In einer weiteren Ausführungsform, wenn die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, kann das Steuergerät bspw. eingerichtet sein, um die Regelung der Sollspannung durchzuführen.
Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Reinigungsleistung des Katalysators zeitnah und stabil im optimalen Zustand beizubehalten, indem der Spannungssollwert des Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator eingerichtet ist und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so gesteuert wird, dass der Spannungswert des Sauerstoffsensors dem Spannungssollwert folgt und gleichzeitig der Schwellenwert der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators eingerichtet und die Sauerstoffspeichermenge im Katalysator innerhalb des vorbestimmten Schwellenwertes gesteuert wird.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die fortschreitend verschärften Abgasvorschriften erfüllt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Herstellungskosten durch Reduzierung der Katalysatorkosten zu senken, indem bei der Entwicklung des Katalysators der übermäßige Einsatz teurer Materialien unterdrückt wird, um die Abgasvorschriften vollständig zu erfüllen.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Es ist zu verstehen, dass die Beschreibung und die spezifischen Ausführungsformen nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken sollen.
Figurenliste
Damit die Offenbarung gut verstanden wird, werden nun verschiedene Ausführungsformen davon beschrieben, wobei beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen wird, in denen:

1 ein Diagramm ist, das schematisch die Struktur eines Systems zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
2 ein schematisches Diagramm ist, das einen Signalprozess im Zusammenhang mit einem Steuerverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
3 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt,
4 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einem Ausgangsspannungswert eines Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator darstellt,
5 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen einem Schwellenwert einer Sauerstoffspeichermenge eines Katalysators und einem Regelungsverfahren darstellt,
6 ein Diagramm ist, das die Änderungen einer Sauerstoffsensorspannung und einer Sauerstoffspeichermenge (OSA) im Falle des Durchführens eines Steuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung während einer tatsächlichen Fahrzeugfahrt darstellt, und
7 eine Darstellung ist, die die Abgasreinigungseffekte im Falle des Durchführens nur einer Trimmregelung (Sollspannungsrückführung) und im Falle des Durchführens einer Regelung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Es ist zu verstehen, dass in den Zeichnungen durchgehend entsprechende Bezugszeichen auf ähnliche oder entsprechende Teile und Merkmale verweisen.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Systems zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 weist ein System zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf: einen Motor 100, eine Brennkammer 101, einen Injektor 102, eine Abgasleitung 110, einen Drei-Wege-Katalysator 120, einen Linear-Sauerstoffsensor 130 (bspw. einem Sauerstoffsensor mit linearer Kennlinie) vor dem Katalysator, einen Abgastemperatursensor 140, einen Abgasdrucksensor 150, einen Binär-Sauerstoffsensor 160 (bspw. einem Schwellenwert-Sauerstoffsensor mit Hysterese) hinter dem Katalysator bzw. nach dem Katalysator, einen Abgasdurchströmmenge-Erfassungsabschnitt 170 und ein Steuergerät 180.
Beim Motor 100, wie in 1 dargestellt, wird Frischluft aus dem Ansaugsystem eines Fahrzeugs über ein Einlassventil (nicht abgebildet) der Brennkammer 101 in einen Zylinder zugeführt. Ferner wird ein Kraftstoff, der aus einem Kraftstofftank unter Druck zugeführt wird, der Brennkammer 101 im Zylinder durch den Injektor 102 zugeführt. Beim Motor 100, wie in 1 beispielhaft dargestellt, spritzt der Injektor 102 den Kraftstoff direkt in die Brennkammer ein, aber das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann sogar bei einem Motor angewandt werden, wobei zusätzlich zu dem oben beschriebenen Motortyp ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft durch das Einlassventil in die Brennkammer zugeführt wird. Der Injektor 102 stellt eine Kraftstoffmenge ein, die in die Brennkammer 101 eingespritzt wird, und zwar durch Einstellen einer Injektor-Schließzeit durch Steuern durch das später beschriebene Steuergerät 180. Hierdurch wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert.
Der in die Brennkammer 101 eingespritzte Kraftstoff wird in der Brennkammer 101 gezündet, um die Verbrennung zu erzielen. Ein bei der Verbrennung entstandenes Abgas wird durch das Auslassventil in die Abgasleitung 110 einer Abgasanlage abgeführt.
Das Abgas, das in die Abgasleitung 110 ausgegeben wird, wird aus dem Fahrzeug ausgegeben, nachdem schädliche Bestandteile durch den Katalysator 120 in einem katalytischen Konverter entfernt wurden. In einer Ausführungsform ist der Katalysator 120 ein Drei-Wege-Katalysator (TWC), der nicht nur CO oder HC oxidiert, sondern auch Sauerstoff von Stickoxiden abtrennt und eine Reduktion durchführt, um in unschädlichen Stickstoff oder Sauerstoff umzuwandeln. Der Drei-Wege-Katalysator 120 wandelt schädliche Bestandteile einschließlich Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Stickoxide, die im Abgas enthalten sind, durch Oxidation-Reduktion-Reaktionen in unschädliche Komponenten um.
Andererseits sind an der Abgasleitung 110 vor und hinter dem Drei-Wege-Katalysator 120 Sauerstoffsensoren 130 und 160 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Abgas installiert.
Der Sauerstoffsensor 130, der stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 120 installiert ist, ist ein Linear-Sauerstoffsensor und ist eingerichtet, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Lambdawert) des durch die Abgasleitung 110 strömenden Abgases zu erfassen und das erfasste Signal an das Steuergerät 180 zu übertragen.
Der Sauerstoffsensor 160, der stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 120 installiert ist, ist ein Binär-Sauerstoffsensor, der eingerichtet ist, um die Sauerstoffkonzentration des Abgases zu messen, das durch den Drei-Wege-Katalysator 120 strömt, und um das gemessene Signal an das Steuergerät 180 zu übertragen.
Der Abgastemperatursensor 140 ist stromaufwärts oder stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 120 installiert und ist eingerichtet, um die Temperatur des Abgases und die Temperatur des Drei-Wege-Katalysators zu messen und das Messsignal an das Steuergerät 180 zu übertragen.
Der Abgasdrucksensor 150 ist stromaufwärts oder stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 120 installiert und ist eingerichtet, um den Druck des Abgases zu messen und das Messsignal an das Steuergerät 180 zu übertragen.
Der Abgasdurchströmmenge-Erfassungsabschnitt 170 erfasst die Durchströmmenge des Abgases und überträgt das Signal an das Steuergerät 180, indem es die Abgasdurchströmmenge durch eine Ansaugdurchströmmenge, eine Kraftstoffeinspritzmenge und eine Abgastemperatur berechnet, die Abgasdurchströmmenge mit dem Abgasdurchströmmengensensor direkt misst oder den Durchströmmengenwert aus einem entsprechend einer Fahrbedingung eingerichteten bzw. bekannten Kennfeld auswählt.
Das Steuergerät (elektronische Steuereinheit (ECU)) 180 berechnet einen Massendurchsatz m₀₂ von Sauerstoff, der in den Drei-Wege-Katalysator 120 einströmt, aus der Information über den Durchsatz des Abgases, die vom Abgasdurchströmmenge-Erfassungsabschnitt 170 übertragen wird, der Temperatur- und Druckinformation des Abgases, die von dem Abgasdrucksensor 150 und dem Abgastemperatursensor 140 übertragen werden, und der Information über das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die von dem Linear-Sauerstoffsensor 130 vor dem Katalysator übertragen wird, und das Steuergerät 180 berechnet eine Sauerstoffspeichermenge (OSA) des Drei-Wege-Katalysators 120 aus dem berechneten Massendurchsatz m₀₂ des Sauerstoffs.
Ferner regelt das Steuergerät 180 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, indem es gleichzeitig eine Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge zur Durchführung einer Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) des Drei-Wege-Katalysators 120 innerhalb bzw. unterhalb eines ermittelten vorbestimmten Schwellenwertes liegt, und eine Sollspannungsregelung durchführt zur Durchführung einer Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass ein Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator einen Spannungssollwert erfüllt.
Außerdem kann das Steuergerät 180 eine Regelung durchführen, sodass die gemessene Luft-Kraftstoff-Rate einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis folgt, das auf dem vom Linear-Sauerstoffsensor 130 vor dem Katalysator erhaltenen Messergebnis des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basiert.
Hier kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht werden, indem die vom Injektor 102 eingespritzte Kraftstoffmenge durch das Steuern der Schließzeit des Injektors 102 gesteuert wird. Ferner kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Steuern der in die Brennkammer strömenden Frischluftmenge durch Steuern einer Drosselklappe (nicht abgebildet) anstelle des Steuerns des Injektors 102 gesteuert werden. Ein detailliertes Regelverfahren, das durch das Steuergerät 180 durchgeführt wird, wird nun im Detail beschrieben.
2 ist ein schematisches Diagramm, das einen Signalprozess im Zusammenhang mit einem Regelverfahren veranschaulicht, das vom Steuergerät 180 von 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wird.
In einer Ausführungsform weist das Steuergerät 180 ein einen Kraftstoffeinspritzsteuergerät bzw. -regler 10, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuergerät bzw. -Regler 20, ein Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Steuergerät- bzw. -Regler 30 und ein Sollwert-Spannungssteuergerät bzw. -regler 40 auf.
Der Kraftstoffeinspritzregler 10 regelt bzw. steuert den Injektor 102, sodass ein ermitteltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung erreicht werden kann, die vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regler 20, vom Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 und vom Sollwert-Spannungsregler 40 durchgeführt wird. In einer Ausführungsform steuert der Kraftstoffeinspritzregler 10 den Injektor, sodass der Kraftstoff einer ermittelten Durchflussmenge eingespritzt wird, indem er die Schließzeit des Injektors 102 so steuert, wie die Zeit(dauer), die der Einspritzdurchflussmenge entspricht, die in der Lage ist, das Luft-Kraftstoff-Zielverhältnis auf der Grundlage eines Kennfeldes zu erreichen, das mit der Beziehung zwischen der Schließzeit des Injektors 102 und der Einspritzdurchflussmenge zusammenhängt. In der vorliegenden Offenbarung ist das Verfahren zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses jedoch nicht auf das Regeln der Kraftstoffmenge beschränkt, sondern kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Regeln der in die Brennkammer 101 einströmenden Frischluftmenge regeln. In diesem Fall kann der Kraftstoffeinspritzregler 10 die Frischluftmenge so steigern, dass die Durchströmmenge dem angestrebten Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, indem der Öffnungsgrad der im Ansaugsystem bereitgestellten Drosselklappe (nicht abgebildet) anstelle des Injektors 102 eingestellt wird.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regler 20 ermittelt das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, empfängt das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das vom Linear-Sauerstoffsensor 130 vor dem Katalysator gemessen wird, und steuert den Kraftstoffeinspritzregler 10, sodass das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis folgt. Im Fall des gewöhnlichen Drei-Wege-Katalysators 120 werden die Oxidation-Reduktion-Reaktionen ausgeglichen, um die optimale Reinigungseffizienz zu erzielen, wenn sich das vom Linear-Sauerstoffsensor 130 gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis nähert. In einer Ausführungsform kann das angestrebte Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt werden.
Der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 führt die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge durch, um eine Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, indem der Kraftstoffeinspritzregler 10 gesteuert wird, sodass der Drei-Wege-Katalysator 120 die Sauerstoffspeichermenge (OSA) berechnet und die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) innerhalb bzw. unterhalb des spezifischen vorbestimmten Schwellenwertes liegt. Normalerweise, wenn die Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) den konstanten Schwellenwert überschreitet, wirkt sich die Berechnungsgenauigkeit eines Berechnungsmodells für die Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) empfindlich auf die Reinigungseffizienz des Katalysators aus. Darüber hinaus ist in dem entsprechenden Bereich das Niveau der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) hoch, sodass es nicht einfach ist, das in einem dynamischen Fahrbereich erzeugte Abgas umgehend zu reinigen. Dementsprechend wird die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt, um den Drei-Wege--Katalysator 120 unverzüglich zu reduzieren, bis die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) gleich oder kleiner als der Schwellenwert wird, wenn die Sauerstoffspeichermenge, die durch das im Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 vorgesehene Berechnungsmodell für die Sauerstoffspeichermenge (OSA) berechnet wird, den spezifischen Schwellenwert überschreitet, und insbesondere, wenn sich der Sauerstoff im Katalysator durch langfristiges Fahren in einem Kraftstoffabsperrzustand (FCO) in einem Sättigungszustand befindet.
Der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 führt die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, und, wenn die im Drei-Wege-Katalysator 120 gespeicherte Sauerstoffspeichermenge (OSA) kleiner als der Schwellenwert wird, stoppt der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 vorübergehend die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung der Sauerstoffspeichermenge (OSA). Darüber hinaus überwacht der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30, ob die Sauerstoffspeichermenge (OSA) kontinuierlich gleich oder kleiner als der Schwellenwert gehalten wird, indem die Sauerstoffspeichermenge (OSA) in Echtzeit überwacht wird, die in Echtzeit berechnet wird. Wenn die Sauerstoffspeichermenge (OSA) den Schwellenwert gemäß der zeitweiligen Magerverbrennung in einem Fahrzustand, in dem die Last wie im dynamischen Fahrmodus groß ist und die Schwankungsbreite des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses groß ist, wieder überschreitet, wird die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erneut durchgeführt, um den Kraftstoffeinspritzregler 10 so zu regeln, dass die im Drei-Wege-Katalysator 120 gespeicherte Sauerstoffmenge immer gleich oder kleiner als der Schwellenwert gehalten wird.
Währenddessen berechnet das im Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 bereitgestellte Sauerstoffspeichermenge-Berechnungsmodell (OSA-Berechnungsmodell) die Sauerstoffspeichermenge im folgenden Verfahren.
Zunächst berechnet das Berechnungsmodell für die Sauerstoffspeichermenge (OSA) den Massendurchsatz m₀₂ des Sauerstoffs im Abgas, das in den Drei-Wege-Katalysator 120 strömt, aus dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ_linear, das vom Linear-Sauerstoffsensor 130 vor dem Drei-Wege-Katalysator 120 übertragen wird, dem Abgasstrom m_exh, der vom Abgasdurchströmmenge-Erfassungsabschnitt 170 übertragen wird, sowie der Abgastemperatur T_exh und dem Abgasdruck P_exh, die vom Abgastemperatursensor 140 bzw. vom Abgasdrucksensor 150 übertragen werden.
In einer Ausführungsform wird der Massendurchsatz (bspw. Massendurchsatzrate) m_O2 des Sauerstoffs im Abgas durch die folgende Gleichung 1 berechnet. $m_{o 2} = 0.23 \times (1 - \frac{1}{λ_{l i n e a r}}) \times m_{e x h} (P_{e x h}, T_{e x h})$
In Übereinstimmung mit der Abgastemperatur T_exh und dem Abgasdruck P_exh unterscheiden sich die Gaskennwerte bei gleichem Abgasdurchsatz m_exh. Wie in Gleichung 1 angegeben, ist es im Falle der Berechnung des Massendurchsatzes m_O2 des Sauerstoffs im Abgas erwünscht, einen korrigierten Wert m_exh (P_exh, T_exh) des Abgasdurchsatzes m_exh durch Werte der Abgastemperatur T_exh und des Abgasdrucks P_exh zu ersetzen, um den genauen Sauerstoffmassendurchsatz zu berechnen.
Darüber hinaus berechnet das Sauerstoffspeichermenge-Berechnungsmodell (OSA-Berechnungsmodell) die Sauerstoffspeichermenge des Drei-Wege-Katalysators 120 durch Integration der berechneten Massendurchsatz m_O2 des Sauerstoffs. Hier wird in einer Ausführungsform die Sauerstoffspeichermenge (OSA) durch Integration des Sauerstoffmassendurchsatzes (m_O2) von der Kraftstoffabschaltzeit bis zu dem Zeitpunkt berechnet, bei dem die Spannung des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Drei-Wege-Katalysator 120 den Mager-Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses anzeigt.
Der Sollwert-Spannungsregler 40 steuert den Kraftstoffeinspritzregler 10, um die Sollwertregelung durchzuführen, d.h. die Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator den Spannungssollwert erfüllt.
Der Sollwert-Spannungsregler 40 richtet den Spannungssollwert ein und überwacht den Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator. Ist der Ausgangsspannungswert kleiner als der Spannungssollwert, wird die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt, während, wenn der Ausgangsspannungswert größer ist als der Spannungssollwert, die Mager-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt wird. Wie oben beschrieben, wird die Reinigungseffizienz des Katalysators 120 in der Nähe des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses optimal. Dementsprechend wird der Spannungssollwert als der Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 in einem Zustand eingerichtet, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage der Last und der Motordrehzahl in einem Fahrbereich erfüllt, der die Bedingung des stationären Zustands erfüllt. Hierdurch kann der Katalysator 120 die optimale Reinigungseffizienz aufweisen. In diesem Fall dient der Integrationsregelungsteil während der Sollspannungsregelung dazu, die Sauerstoffeigenschaften vor dem Katalysator zu korrigieren.
Das Steuergerät 180 kann in der Art eines im Fahrzeug bereitgestellten Computers realisiert sein. In diesem Fall kann ein Programm zur Realisierung der Regelfunktion auf einem computerlesbaren Datenträger aufgezeichnet sein, und das auf dem Datenträger aufgezeichnete Programm kann vom Computersystem gelesen werden. Ferner kann der wie hierin verwendete Begriff „Computersystem“ ein im Fahrzeug eingebautes Computersystem sein, und kann Hardware einschließen, wie das Betriebssystem oder Peripheriegeräte. Ferner bezeichnet der Begriff „computerlesbarer Datenträger“ ein Speichergerät, wie z.B. eine flexible Diskette, eine optische Magnetdiskette, ein tragbares Medium, wie z.B. ROM oder CD-ROM, und eine in das Computersystem eingebaute Festplatte. Ferner kann der Begriff „computerlesbarer Datenträger“ eine kurzfristige dynamische Programmbeibehaltung einschließen, wie z.B. in Kommunikationsleitungen im Falle der Übertragung des Programms über ein Netzwerk, wie z.B. Internet, oder in Kommunikationsleitungen, wie z.B. Telefonleitungen, und kann eine konstante Programmbeibehaltung einschließen, wie z.B. in einem flüchtigen Speicher innerhalb des Computersystems, der in diesem Fall zu einem Server oder Client wird. Ferner kann das Programm dazu dienen, einen Teil der oben beschriebenen Funktion zu realisieren, oder es kann als eine Kombination mit einem Programm realisiert sein, das in dem Computersystem mit der oben beschriebenen Funktion voraufgezeichnet ist.
Weiterhin können in der oben beschriebenen Ausführungsform einige oder alle Modelle des Steuergeräts 180 als integrierte Schaltung realisiert sein, wie z.B. „Large Scale Integration“ (LSI). Jedes Modell des Steuergeräts 180 kann ein einzelner Prozessor sein, oder einige oder alle Modelle können in einen Prozessor integriert sein. Außerdem ist die Technik der integrierten Schaltung nicht auf die LSI beschränkt, sondern kann als dedizierte Schaltung oder als Mehrzweckprozessor realisiert sein. Wenn eine integrierte Schaltung, die die LSI ersetzt, mit dem Fortschritt der Halbleitertechnologie entwickelt werden sollte, kann die integrierte Schaltung mit der entsprechenden Technologie verwendet werden.
Wie oben beschrieben, führt das System zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der vorliegenden Offenbarung gleichzeitig die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) zur Durchführung der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators innerhalb bzw. unterhalb des spezifischen Schwellenwertes liegt, und die Sollspannungsregelung zur Durchführung der Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, sodass der Ausgangsspannungswert des Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator den Spannungssollwert erfüllt.
Außerdem wird, wie in 5 dargestellt, wenn die Sauerstoffspeichermenge (OSA) den Schwellenwert überschreitet, die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage der Sauerstoffspeichermenge (OSA) durchgeführt, um das Abgas im dynamischen Fahrmodus sofort aufzunehmen bzw. reinigen. Wenn die Sauerstoffspeichermenge (OSA) gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, entspricht sie einem Abschnitt, in dem die Eigenschaften des Binär-Sauerstoffsensors 160 gut für die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses genutzt werden können, sodass die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (Trimmregelung) auf der Grundlage des Ausgangsspannungswertes des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator durchgeführt wird. Dementsprechend kann das Problem, das im Falle der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage des Sauerstoffspeichermenge-(OSA-)Modells auftritt, und das Problem, das im Falle der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage des Ausgangsspannungswertes des Sauerstoffsensors hinter dem Katalysator auftritt, mit einem Schlag gelöst werden, um die optimale Reinigungseffizienz des Katalysators zu erreichen.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des in 2 offengelegten Systems zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Wie in 3 dargestellt, werden gemäß dem Verfahren zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gleichzeitig die Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-(OSA)-Regelung S10, S20, S30, S40 und S50 zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung der Sauerstoffspeichermenge (OSA) des Katalysators 120 und die Spannungssollwert-Regelung S100, S110, S120, S130, S140 und S150 zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des Ausgangsspannungswertes des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator durchgeführt.
Im Folgenden wird zunächst die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) S10, S20, S30, S40 und S50 zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung der Sauerstoffspeichermenge (OSA) des Katalysators 120 beschrieben.
Während der Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge (OSA) wird zunächst ermittelt, ob die Regelungsfreigabebedingung erfüllt ist (S10). In einer Ausführungsform kann in dem Fall, in dem das Sauerstoffsensorsignal normal ist und der Katalysator die Aktivierungstemperatur erfüllt, ermittelt werden, dass die Regelungsfreigabebedingung erfüllt ist.
Wenn die Regelungsfreigabebedingung erfüllt ist (S10: JA), wird die derzeit im Katalysator 120 gespeicherte Sauerstoffmenge unter Verwendung des Sauerstoffspeichermenge-(OSA)-Berechnungsmodells des Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Reglers 30 (S20) berechnet. Wie oben beschrieben, kann die im Katalysator 120 gespeicherte Sauerstoffmenge berechnet werden, indem die in den Katalysator strömende Sauerstoffmenge aus dem vom Sauerstoffsensor vor dem Katalysator gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem Abgasdurchsatz berechnet, und der berechnete Sauerstoffmassendurchsatz integriert wird.
Als nächstes vergleicht der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) mit dem vorbestimmten Schwellenwert (S30). Wie in 6 dargestellt, strömt im Abschnitt der Kraftstoffabschaltung (FCO) Frischluft in den Katalysator 120, und die Sauerstoffspeichermenge im Katalysator 120 erreicht vorübergehend einen Sättigungszustand. In diesem Fall wird ermittelt, dass die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) den vorbestimmten Schwellenwert (S30: JA) überschreitet, und die Reichweitenregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird so durchgeführt, dass die berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) gleich oder kleiner als der Schwellenwert (S40) wird. In diesem Fall wird, wie in 6 dargestellt, die Sauerstoffspeichermenge, die durch das Sauerstoffspeichermenge-Berechnungsmodell (OSA-Modell) berechnet wird, allmählich reduziert, um gleich oder kleiner als der Schwellenwert zu werden.
Der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 übernimmt die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für ein fettes Gemisch, und, wenn die im Drei-Wege-Katalysator 120 gespeicherte Sauerstoffspeichermenge (OSA) kleiner als der Schwellenwert wird, stoppt er vorübergehend die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für ein fettes Gemisch unter Verwendung der Sauerstoffspeichermenge (OSA) (S50). Darüber hinaus überwacht der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30, ob die Sauerstoffspeichermenge (OSA) kontinuierlich gleich oder kleiner als der Schwellenwert gehalten wird, indem die Sauerstoffspeichermenge (OSA), die in Echtzeit berechnet wird, in Echtzeit überwacht wird. Wenn die Sauerstoffspeichermenge (OSA) den Schwellenwert gemäß der zeitweiligen Magerverbrennung bei einem Fahrzustand, bei welchem die Last wie im dynamischen Fahrmodus groß ist und die Schwankungsbreite des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses groß ist, wieder überschreitet, führt der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regler 30 erneut die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch, um den Kraftstoffeinspritzregler 10 so zu regeln, dass die im Drei-Wege-Katalysator 120 gespeicherte Sauerstoffmenge immer gleich oder kleiner als der Schwellenwert gehalten wird.
Als nächstes wird zunächst die Spannungssollwert-Regelung S100, S110, S120, S130, S140 und S150 zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des Ausgangsspannungswertes des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator beschrieben.
Während der Regelung des Sollwerts der Spannung wird zunächst festgestellt, ob die Regelungsfreigabebedingung erfüllt ist (S100). In einer Ausführungsform kann in dem Fall, dass das Sauerstoffsensorsignal normal ist, der Katalysator die Aktivierungstemperatur erfüllt und der aktuelle Fahrbereich des Fahrzeugs einem normalen Fahrbereich entspricht, festgestellt werden, dass die Regelungsfreigabebedingung erfüllt ist.
Wenn die Regelungsfreigabebedingung erfüllt ist (S100: JA), wird der Spannungssollwert berechnet, der die Grundlage für die Regelung wird (S110). In einer Ausführungsform, wie oben beschrieben, wird der Spannungssollwert als der Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 in einem Zustand eingerichtet, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage der Last und der Motordrehzahl in dem Antriebsbereich erfüllt, der die Bedingung des stationären Zustands erfüllt. Der Spannungssollwert kann durch das im Sollwert-Spannungsregler 40 bereitgestellte Berechnungsmodell ermittelt werden, oder der Sollwert-Spannungsregler 40 kann Informationen über den Spannungssollwert von einem externen Berechnungsmodul erhalten.
Wenn der Spannungssollwert eingerichtet ist, wird ermittelt, ob der Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 hinter dem Katalysator den Spannungssollwert (S120 und S140) überschreitet oder kleiner als dieser ist. Dabei wird zur Vereinfachung der Regelung ermittelt, ob der Ausgangsspannungswert in einem wirksamen Bereich des Spannungssollwertes liegt. Der wirksame Bereich des Spannungssollwertes bedeutet einen ermittelten Abschnitt, in dem der optimale Wirkungsgrad des Katalysators, der durch die Konfiguration des Spannungssollwertes erwartet wird, gleich oder größer als ein vorermittelter Wert gehalten werden kann.
Wenn festgestellt wird, dass der Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 den effektiven Bereich des Spannungssollwerts über einen ermittelten Bereich überschreitet, wird die Mager-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses so durchgeführt, dass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt, um die optimale Reinigungseffizienz des Katalysators (S130) zu erreichen.
Ferner wird, wie in 6 dargestellt, wenn festgestellt wird, dass der Ausgangsspannungswert des Binär-Sauerstoffsensors 160 kleiner ist als der effektive Bereich des Spannungssollwertes, die Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses so durchgeführt, dass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt, um die optimale Reinigungseffizienz des Katalysators (S150) zu erreichen.
Wie in 6 dargestellt wird, wenn die Sauerstoffspeichermenge (OSA) als Ergebnis der auf der Sauerstoffspeichermenge (OSA) basierenden Regelung innerhalb des Schwellenwerts liegt, die auf der Sauerstoffspeichermenge (OSA) basierende Regelung vorübergehend unterbrochen (S50), die Überwachung der Sauerstoffspeichermenge (OSA) fortgesetzt, und in diesem Zeitraum wird die Regelung S130 und S150 so durchgeführt, dass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt.
Obwohl es in 3 nicht dargestellt ist, wie oben beschrieben, kann das Steuergerät 180 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis weiter regeln, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das vom Linear-Sauerstoffsensor 130 vor dem Katalysator 120 gemessen wird, das angestrebte Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfüllt. Wenn in diesem Fall die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators 120 innerhalb des Schwellenwertes und der Binär-Sauerstoffsensor 160 hinter dem Katalysator 120 im Bereich des Spannungssollwertes liegen, ist es möglich, auf der Grundlage des Messwertes des Linear-Sauerstoffsensors 130 vor dem Katalysator die für den Fahrbereich geeignete optimale Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen.
7 ist eine Darstellung, die die Abgasreinigungseffekte im Falle des Durchführens nur einer Trimmregelung (Sollspannungsregelung) und im Falle des Durchführens einer Regelung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Wie in 7 dargestellt, überschreitet die durch das Sauerstoffspeichermenge-Berechnungsmodell (OSA-Modell) berechnete Sauerstoffspeichermenge (OSA) bei reiner Trimmregelung häufig den Sauerstoffspeichermenge-Grenzbereich (Schwellenwert). Ferner ist bekannt, dass die akkumulierte NOx-Menge entsprechend der zeitlichen Variation im Vergleich zur vorliegenden Offenbarung stark erhöht ist. Was die NOx-Detektionsmenge hinter dem Katalysator betrifft, so ist bekannt, dass im Vergleich zur gegenwärtigen Offenbarung eine relativ große Menge NOx ausgestoßen wird, ohne gereinigt zu werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist bekannt, dass die optimale Reinigungseffizienz des Katalysators zeitnah und stabil aufrechterhalten werden kann.
Während die vorliegende Offenbarung in Bezug auf die spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims

Ein Verfahren zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage einer Sauerstoffspeichermenge eines Katalysators, wobei das Verfahren aufweist: Durchführen (S40), durch ein Steuergerät, einer Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge für eine Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators innerhalb eines Schwellenwertes liegt, und Durchführen (S130, S150), durch das Steuergerät, einer Sollspannungsregelung für eine Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass ein Ausgangsspannungswert eines hinter dem Katalysator angeordneten hinteren Sauerstoffsensors einen Spannungssollwert erfüllt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge aufweist: Berechnen (S20) der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators auf der Grundlage eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das von einem vor dem Katalysator angeordneten vorderen Sauerstoffsensor gemessen wird, und einer Durchströmmenge eines Abgases, Vergleichen (S30) der berechneten Sauerstoffspeichermenge mit dem Schwellenwert, und, wenn die berechnete Sauerstoffspeichermenge den Schwellenwert überschreitet, Durchführen (S130) der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass die Sauerstoffspeichermenge gleich oder kleiner wird als der Schwellenwert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, weiter aufweisend: wenn die berechnete Sauerstoffspeichermenge gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, Durchführen (S130, S150) der Sollspannungsregelung, wobei das Durchführen der Sollspannungsregelung aufweist: Berechnen (S110) des Spannungssollwerts auf der Grundlage eines aktuellen Fahrzustands eines Fahrzeugs und eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Vergleichen (S120) des Ausgangsspannungswerts des hinteren Sauerstoffsensors mit dem berechneten Spannungssollwert, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors größer ist als der Spannungssollwert, Durchführen (S130) der Mager-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt, und, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors kleiner ist als der Spannungssollwert, Durchführen (S150) der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, weiter aufweisend: wenn die berechnete Sauerstoffspeichermenge gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, Unterbrechen (S50) der Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge und Überwachen der Sauerstoffspeichermenge, die in Echtzeit berechnet wird, und, wenn die in Echtzeit berechnete Sauerstoffspeichermenge den Schwellenwert überschreitet, Unterbrechen (S50) der Regelung der Sollspannung und Wiederaufnehmen der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge-Regelung.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Berechnen (S20) der Sauerstoffspeichermenge des Katalysators aufweist: Berechnen eines Sauerstoffmassendurchsatzes, der in den Katalysator strömt, aus dem vom vorderen Sauerstoffsensor gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einem Durchsatz eines Abgases, und Berechnen einer Sauerstoffspeicherkapazität des Katalysators durch Integration des Sauerstoffmassendurchsatzes.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, weiter aufweisend: Ermitteln (S10), durch das Steuergerät, ob eine Bedingung zur Durchführung der Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge erfüllt ist, und Durchführen (S40) der Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge durch das Steuergerät, wenn die Bedingung erfüllt ist.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: Durchführen (S40, S130, S150), durch das Steuergerät, der Mager- oder der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass das von einem vor dem Katalysator angeordneten vorderen Sauerstoffsensor gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis folgt.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollspannungsregelung aufweist: Berechnen (S110) des Spannungssollwerts auf der Grundlage eines aktuellen Fahrzustands eines Fahrzeugs und eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, Vergleichen (S120) des Ausgangsspannungswerts des hinteren Sauerstoffsensors mit dem berechneten Spannungssollwert, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors größer ist als der Spannungssollwert, Durchführen (S130) der Mager-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt, und, wenn der Ausgangsspannungswert des hinteren Sauerstoffsensors kleiner ist als der Spannungssollwert, Durchführen (S150) der Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, sodass der Ausgangsspannungswert dem Spannungssollwert folgt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, weiter aufweisend: Ermitteln (S100), durch das Steuergerät, ob eine Bedingung zur Durchführung der Sollspannungsregelung erfüllt ist, und Durchführen (s130, S150), durch das Steuergerät, der Sollspannungsregelung, wenn die Bedingung erfüllt ist.
Ein System zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage einer Sauerstoffspeichermenge eines Katalysators, wobei das System aufweist: einen Motor (100), der eine Leistungsquelle darstellt, den Katalysator (120), der an einer Abgasleitung (110) des Motors installiert ist und eingerichtet ist, um ein aus dem Motor (100) ausgegebenes Abgas zu reinigen, einen ersten und einen zweiten Sauerstoffsensor (130, 160), die in der Abgasleitung jeweilig stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators installiert sind, und ein Steuergerät (180), das eingerichtet ist, um eine Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge und eine Regelung der Sollspannung durchzuführen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu regeln, wobei die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge eingerichtet ist, um eine Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, sodass die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators innerhalb eines Schwellenwertes liegt, und wobei die Sollspannungsregelung eingerichtet ist, um eine Mager- oder Fett-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchzuführen, sodass ein Ausgangsspannungswert des zweiten Sauerstoffsensors einen Spannungssollwert erfüllt.
Das System gemäß Anspruch 10, wobei, wenn die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators (120) den Schwellenwert überschreitet, das Steuergerät (180) eingerichtet ist, um die Regelung der Katalysator-Sauerstoffspeichermenge durchzuführen, und, wenn die Sauerstoffspeichermenge des Katalysators (120) gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert, das Steuergerät (180) eingerichtet ist, um die Sollspannungsregelung durchzuführen.