DE10223002A1

DE10223002A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle der Speicherung und Freisetzung von Abgasbestandteilen in einer Emissionsbegrenzungseinrichtung

Info

Publication number: DE10223002A1
Application number: DE10223002A
Authority: DE
Inventors: Joseph Richard Asik; Garth Michael Meyer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-01-09
Also published as: US6502387B1; GB0212862D0; GB2380431A; US20020194836A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adaptiven Regelung einer Reinigungszeit und einer Füllzeit für eine Emissionsbegrenzungseinrichtung (16, 18), die dazu einsetzbar ist, die Emission eines ausgewählten Gasbestandteils, wie z. B. NO¶x¶, eines von einer Brennkraftmaschine bzw. eines Motors (12) erzeugten Abgases zu reduzieren, beschrieben. Dabei erfolgt eine Optimierung und Adaption gespeicherter Werte, um Änderungen in den Betriebsbedingungen der Emissionsbegrenzungseinrichtung zu reflektieren. Es erfolgt die Bestimmung eines für die in der Einrichtung gespeicherte Sauerstoffmenge repräsentativen aktuellen Wertes sowie eines aktuellen Wertes der maximalen NO¶x¶-Speicherkapazität der Emissionsbegrenzungseinrichtung, um zur Erreichung eines optimalen Betriebs der Emissionsbegrenzungseinrichtung eine Anpassung der Reinigungs- und Füllzeit in Echtzeit bereitzustellen. Es werden ferner periodisch zu optimalen Füllzeiten korrespondierende tatsächliche Füllzeiten bestimmt, auf deren Basis adaptive Werte zur Verwendung während einer Regelung mit offenem Regelkreis erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Emissionsbegrenzungseinrichtungen von Fahrzeugen, welche während eines ersten Motorbetriebszustandes einen Gasbestandteil eines vom Motor erzeugten Abgases speichern und welche den zuvor gespeicherten Gasbestandteil während eines zweiten Motorbetriebszustandes freisetzen.
Bei Betrieb einer Brennkraftmaschine bzw. eines Motors eines Kraftfahrzeuges werden Motorabgase erzeugt, die eine Vielzahl von Gasbestandteilen einschließlich Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden (NO_x) enthalten. Die Rate, mit der der Motor diese Gasbestandteile erzeugt, hängt von mehreren Faktoren wie der Motordrehzahl und -last, der Motortemperatur, der Zündungssteuerung und der Abgasrückführung (EGR) ab. Ferner erzeugen solche Motoren häufig erhöhte Mengen eines oder mehrerer Gasbestandteile wie NO_x, wenn der Motor in einem Magerverbrennungszyklus betrieben wird, d. h., wenn der Motorbetrieb Zustände umfasst, die durch ein Verhältnis von Ansaugluft zu injiziertem Kraftstoff charakterisiert sind, das größer als das stöchiometrische Luft- Kraftstoffverhältnis ist, um z. B. eine bessere Kraftstoffausnutzung bei dem Fahrzeug zu erzielen.

Um diese Emissionen am Fahrzeugabgasrohr zu kontrollieren bzw. zu begrenzen, sind nach dem Stand der Technik Behandlungssysteme für Fahrzeugabgase bekannt, bei denen ein oder mehrere Dreiwegekatalysatoren, die auch als Emissionsbegrenzungseinrichtungen bezeichnet werden, im Abgasweg eingesetzt werden, um ausgewählte Gasbestandteile, wie NO_x, in Abhängigkeit von den Motorbetriebszuständen zu speichern und freizusetzen. Beispielsweise ist aus der US-PS 54 37 153 eine Emissionsbegrenzungseinrichtung bekannt, bei das NO_x des Abgases gespeichert wird, wenn das Abgas mager ist, und bei der das zuvor gespeicherte NO_x freigesetzt wird, wenn das Abgas entweder stöchiometrisch oder "fett" gegenüber der Stöchiometrie ist, d. h., wenn das Verhältnis von Einlassluft zu injiziertem Kraftstoff bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis oder unterhalb des stöchiometrischen Luft- Kraftstoffverhältnisses liegt. Bei derartigen Systemen wird vielfach eine Vorwärtssteuerung bzw. rückkopplungslose Steuerung (open-loop control) der Speicherungs- und Freisetzungszeiten der Einrichtung (auch als "Füll-" bzw. "Reinigungs-"Zeiten der Vorrichtung bekannt) eingesetzt, um die Vorteile einer erhöhten Kraftstoffeffizienz, die durch einen mageren Motorbetrieb erreicht wird, zu maximieren, ohne gleichzeitig die Emissionen am Abgasrohr zu erhöhen, wenn die Vorrichtung "gefüllt" wird. Die Zeitsteuerung der Reinigungsvorgänge muss so kontrolliert werden, dass die Vorrichtung ihre NO_x-Speicherkapazität nicht überschreitet, da in diesem Falle NO_x die Vorrichtung passieren und einen Anstieg in den NO_x-Emissionen am Abgasrohr hervorrufen würde. Die Häufigkeit der Reinigung wird vorzugsweise so kontrolliert, dass die Reinigung einer nur teilweise gefüllten Vorrichtung wegen der Kraftstoffnachteile, die mit dem angereicherten Luft-Kraftstoffgemisch eines Reinigungsvorganges verbunden sind, vermieden wird.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, dass die Speicherkapazität einer gegebenen Emissionsbegrenzungseinrichtung ihrerseits eine Funktion vieler Variabler einschließlich der Einrichtungstemperatur, der Einrichtungshistorie, des Sulfatierungsniveaus (sulfation level) und des Vorhandenseins etwaiger thermischer Schäden an der Einrichtung ist. Weiterhin ist in Bezug auf die Annäherung einer Vorrichtung an ihre maximale Kapazität bekannt, dass die inkrementale Rate, mit welcher die Vorrichtung die Speicherung einer ausgewählten Abgaskomponente fortsetzt, abnehmen kann. Dementsprechend wird gemäß US-PS 54 37 153 die Verwendung einer nominalen NO_x-Speicherkapazität für die offenbarte Vorrichtung vorgeschlagen, welche erheblich kleiner ist als die tatsächliche NO_x-Speicherkapazität der Einrichtung, um auf diese Weise eine perfekte instantane NO_x-Speichereffizienz der Vorrichtung zu gewährleisten. D. h., dass die Vorrichtung das gesamte vom Motor erzeugte NO_x speichern kann, solange das gesamte gespeicherte NO_x unterhalb dieser nominalen Kapazität bleibt. Zur Regeneration der Vorrichtung wird ein Reinigungsvorgang angesetzt, wann immer akkumulierte Abschätzungen des vom Motor erzeugten NO_x die nominale Kapazität der Einrichtung erreichen. Nachteilig hierbei ist, dass der Einsatz einer derartigen fest vorgegebenen Vorrichtungskapazität jedoch notwendigerweise eine größere Vorrichtung erfordert, da dieser Lösungsvorschlag auf einer teilweisen, beispielsweise 50%igen NO_x-Füllung beruht, um ein Zurückhalten des gesamten vom Motor erzeugten NO_x sicherzustellen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, durch welches bzw. welche der Betrieb der Emissionsbegrenzungseinrichtung eines Fahrzeuges durch eine verbesserte Vorwärts- Steuerung der Füll- und Reinigungsvorgänge der Einrichtung optimiert wird.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle eines Füllzeitzyklus und eines Reinigungszeitzyklus einer Emissionsbegrenzungseinrichtung vorgesehen, welche von einer Brennkraftmaschine erzeugtes Abgas erhält, wobei die Einrichtung während eines ersten Motorbetriebszustandes mit einem Gasbestandteil des Abgases gefüllt und während eines zweiten Motorbetriebszustandes vom Gasbestandteil gereinigt wird. Das Verfahren beinhaltet die Auswahl einer Füllzeit und einer Reinigungszeit in einem normalen Betriebsmodus im offenen Regelkreis aus einer Menge vorgegebener Werte als Funktion eines Motorbetriebszustandes, sowie ein zyklisches Füllen und Reinigen der Einrichtung, basierend auf den ausgewählten Füll- und Reinigungszeiten. Das Verfahren beinhaltet ferner nach einer vorgegebenen Anzahl von Füll- und Reinigungszyklen die Bestimmung eines ersten Wertes, welcher die aktuelle gesamte Einrichtungskapazität zur Speicherung des Gasbestandteiles repräsentiert, und eines zweiten Wertes, welcher eine in der Einrichtung gespeicherte Sauerstoffmenge repräsentiert, sowie das Auffrischen wenigstens eines der vorgegebenen Werte als Funktion des ersten und zweiten Wertes. Vorzugsweise wird die ausgewählte Reinigungszeit nur bei Betrieb des Motors bei einem Betriebspunkt optimiert, welcher einer begrenzten Anzahl von Motorbetriebszuständen entspricht.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein periodisches Optimieren einer ausgewählten Reinigungszeit, die einer ausgewählten Füllzeit zugeordnet ist, durch: Füllen der Einrichtung für die ausgewählte Füllzeit, Reinigen der Einrichtung für die ausgewählte Reinigungszeit, Erzeugen eines dritten Wertes, der beispielsweise unter Verwendung eines Sauerstoffsensors die im durch die Einrichtung fließenden Abgas vorhandene Sauerstoffkonzentration während einer vorgegebenen Erfassungszeit repräsentiert, welche wenigstens einen Endabschnitt der Reinigungszeit enthält, Vergleichen des dritten Wertes mit einem vorgegebenen Referenzwert, wobei der Referenzwert auf einem optimierten Wert für die Ausnutzung der Einrichtungskapazität basiert, und Erzeugen eines Adaptationswertes zur Modifizierung der ausgewählten Reinigungszeit als Funktion eines Fehlers zwischen dem dritten Wert und dem Referenzwert.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet der Schritt des Bestimmens des ersten, für die aktuelle gesamte Einrichtungskapazität repräsentativen Wertes das Füllen der Einrichtung auf ein Sättigungsniveau, Erzeugen eines vierten Wertes, welcher die Sauerstoffkonzentration repräsentiert, die im durch die Einrichtung fließenden Abgas vorliegt, die Erzeugen eines ersten Fehlerwertes als Funktion des vierten Wertes und eines vorgegebenen Referenzwertes und Bestimmen einer tatsächlichen Reinigungszeit, die zur Reinigung der Einrichtung notwendig ist, wenn die Einrichtung auf das Sättigungsniveau gefüllt ist, unter Verwendung des ersten Fehlerwertes. In ähnlicher Weise beinhaltet in einem Ausführungsbeispiel der Schritt des Bestimmens des zweiten Wertes der Reihe nach das teilweise Füllen und Reinigen der Einrichtung bis auf ein erstes suboptimales Niveau und ein zweites suboptimales Niveau über verschiedene Zeitdauern, sowie für jedes suboptimale Füllen und Reinigen das Erzeugen entsprechender Werte, die die Sauerstoffkonzentration in dem die Einrichtung passierenden Abgas repräsentieren. Der Schritt des Bestimmens des zweiten Wertes im beispielhaften Verfahren enthält weiterhin das Erzeugen entsprechender Fehlerwerte basierend auf den Sauerstoff konzentrationswerten bei suboptimaler Füllung und eines vorgegebenen Referenzwertes sowie das Bestimmen einer entsprechenden tatsächlichen Reinigungszeit, die notwendig ist, um die Einrichtung für jede suboptimale Füllung zu reinigen, basierend auf den entsprechenden Fehlerwerten, woraufhin der gewünschte zweite Wert als Funktion der suboptimalen Füllzeiten und der tatsächlichen Reinigungszeiten bestimmt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens der Adaptationswert erzeugt als Funktion entweder des erzeugten dritten Wertes, falls der dritte Wert nicht größer als der Referenzwert ist, oder der Adaptationswert wird erzeugt als Funktion einer Zeitdauer, für welche der dritte Wert den Referenzwert überschreitet, falls der dritte Wert den Referenzwert überschreitet. Bei diesem beispielhaften Verfahren enthält der Schritt der Erzeugung des Adaptationswertes weiterhin eine lineare Extrapolation des dritten Wertes proportional zum gemessenen Sauerstoffniveau, wenn der erzeugte Wert unterhalb des Referenzwertes liegt.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass gemäß der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt werden für eine Kontrolle des Füllens und der Reinigung einer Emissionsbegrenzungseinrichtung, die zur Reduktion der Emissionen eines Gasbestandteils am Fahrzeugauslass verwendet wird, enthaltend einen Betrieb im normalen Vorwärts-Modus durch Bestimmung von Füllzeiten und Reinigungszeiten, basierend auf den Motorbetriebszuständen und entsprechenden, in einem Speicher gespeicherten Werten, während periodisch eine mit der ausgewählten Füllzeit verbundene Reinigungszeit optimiert wird. Nachdem eine vorgegebene Anzahl von Füll- und Reinigungszyklen ausgeführt worden ist, wird ein erster Wert bestimmt, welcher die aktuelle gesamte Einrichtungskapazität repräsentiert, und es wird ein zweiter Wert bestimmt, welcher die in der Einrichtung gespeicherte Sauerstoffmenge repräsentiert. Wenigstens ein Reinigungszeitwert wird als Funktion des ersten und zweiten Wertes aufgefrischt.

Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Füllens und der Reinigung einer Emissionsbegrenzungseinrichtung im offenen Regelkreis geschaffen, bei welchen bzw. welcher eine genauere Vorwärtsbestimmung der momentanen Kapazität der Einrichtung zur Speicherung von Gasbestandteilen des vom Motor erzeugten Abgases durch eine periodische Adaptation von Vorwärtswerten in Reaktion auf eine Bestimmung einer Reinigungszeit, die mit dem innerhalb der Einrichtung während eines mageren Motorbetriebs gespeicherten Sauerstoff zusammenhängt, und einer Einrichtungssättigungs-Reinigungszeit erhalten wird. Die resultierenden adaptierten Vorwärtswerte für die Füll- und Reinigungszeiten der Einrichtung gewährleisten eine verbesserte Kontrolle der Emissionen am Auslass und dienen ferner dazu, den mit der Reinigung der Einrichtung verbundenen Kraftstoffverbrauch zu minimieren.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Abgassystems mit Magerverbrennung in einem Vierzylindermotor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine typische Antwort eines Sauerstoffsensors in Form einer Spannung gegenüber dem Luft-Kraftstoffverhältnis;
Fig. 3 eine Darstellung einer beispielhaften Lookup-Karte zur Speicherung der anfänglichen und der gelernten Werte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 4(a)-(d) Diagramme zugehöriger Antworten des Motor- Luft-Kraftstoffverhältnisses, der Sauerstoffsensorantwort, des CO am Abgasrohr während eines kurzen, mittleren und langen Reinigungszeitzyklus, und das zugehörige Datenerfassungsfenster;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht der Antwort eines Abgasrohr-Sauerstoffsensors bei den drei Längen der in Fig. 4(c) gezeigten Reinigungszeit;
Fig. 6 ein Diagramm einer normierten Sauerstoffsensor- Sättigungszeit t_sat als Funktion der Reinigungszeit t_P;
Fig. 7 ein Diagramm einer normierten Sättigungszeit taat gegenüber der Spitzenspannung V_P des Sauerstoffsensors, wenn die Spitzenspannung V_P niedriger als eine Referenzspannung V_ref ist;
Fig. 8 ein Diagramm einer Reinigungszeit t_P gegenüber der Einrichtungsfüllzeit t_F, enthaltend Sättigungspunkte und suboptimale Punkte A und B;
Fig. 9 ein Flussdiagramm, das die gesamte Systemoptimierung für die Reinigungszeit t_P und Füllzeit t_F gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 10 ein Flussdiagramm, das eine Optimierungsroutine gemäß der Erfindung für eine Sättigungs-Reinigungszeit zeigt;
Fig. 11 ein Flussdiagramm, das eine erfindungsgemäße Bestimmungsroutine für eine Punkt-B-Reinigungszeit zeigt;
Fig. 12 ein Flussdiagramm, das eine erfindungsgemäße Bestimmungsroutine für eine Punkt-A-Reinigungszeit zeigt;
Fig. 13 ein Flussdiagramm, das eine Routine zur Bestimmung eines Reinigungszeitwertes zeigt, der für den in der Einrichtung gespeicherten Sauerstoff repräsentativ ist;
Fig. 14 ein Flussdiagramm, das eine Routine zur Bestimmung eines Reinigungszeitwertes zeigt, der für das in der Einrichtung gespeicherte NO_x repräsentativ ist, und
Fig. 15 ein Flussdiagramm, das eine normale erfindungsgemäße Optimierungsroutine für eine normale Reinigungszeit zeigt.
Das in Fig. 1 dargestellte Abgassystem 10 eines Magerverbrennungsmotors gemäß der Erfindung enthält eine Brennkraftmaschine bzw. einen Motor 12 mit einem daran gekoppelten herkömmlichen Abgaskrümmer 14, eine erste, stromaufwärtige katalytische Emissionsbegrenzungseinrichtung 16, die Abgas aus dem Abgaskrümmer 14 empfängt, und eine zweite, stromabwärtige katalytische Emissionsbegrenzungseinrichtung 18, die über ein Abgasrohr 20 an die stromaufwärtige Einrichtung 16 gekoppelt ist. Mindestens ein Kraftstoffinjektor 22 führt dem Motor 12 während dessen Betriebs Kraftstoff zu. Es sind vier solcher Injektoren dargestellt, jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Ein Kraftstoffinjektionsregler in Form eines Kraftantrieb-Regelungsmoduls (PCM: powertrain control module) 24 regelt den Betrieb des/der Kraftstoffinjektors(en) 22 gemäß einer herkömmlichen Kraftstoffkontrollalgorithmus-Strategie, wie etwa eines Proportional- Integrals (PI) mit Sprung und Rampe, eines Proportional- Integral-Differentials (PID) od. dgl. Das PCM 24 weist einen Zentralprozessor (CPU) 26 mit zugehörigem RAM 28 und ROM 30 Speicher auf.
Ein erster Sauerstoffsensor 32 ist an den Abgaskrümmer 14 und das PCM 24 zur Kontrolle des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Motorabgases während eines normalen Betriebs des Motors 12 gekoppelt. Wie weiter unten detailliert erläutert wird, wird eine rückgekoppelte Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelung durch Verbindung des PCM 24 mit einem zweiten Sauerstoffsensor 34, der zur Kontrolle des Luft-Kraftstoffverhältnisses an die stromabwärtige Einrichtung 18 gekoppelt ist, und durch Adaptation verschiedener Parameter der Reinigungseinrichtung während des Motorbetriebs bereitgestellt. Der zweite Sauerstoffsensor 34 ist vorzugsweise im Abgas- Auslassabschnitt der stromabwärtigen Einrichtung 18 angeordnet, um eine genaue Messung des die Einrichtung 18 verlassenden Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu liefern. Ein vorzugsweise an einem inneren Punkt der stromabwärtigen Einrichtung 18 angeordneter Temperatursensor 40 erzeugt ein Ausgangssignal, das die momentane Temperatur T der Einrichtung 18 repräsentiert. Der erste und der zweite Sauerstoffsensor 32 bzw. 34 können als "schaltende" geheizte Abgas- Sauerstoffsensoren (HEGO) ausgebildet sein; die Erfindung umfasst jedoch auch die Verwendung anderer geeigneter Sensoren zur Erzeugung eines Signals, das die Sauerstoffkonzentration im Abgaskrümmer 14 bzw. beim Verlassen der stromabwärtigen Einrichtung 18 repräsentiert, einschließlich, ohne hierauf begrenzt zu sein, Sensoren vom Typ Abgas-Sauerstoffsensor (EGO) und lineare Sensoren wie universelle Abgas- Sauerstoffsensoren (UEGO). Eine typische Antwort in Form der Spannung gegenüber dem Luft-Kraftstoffverhältnis für einen HEGO-Sensor ist in Fig. 2 gezeigt.
Im Rahmen der Erfindung könnte auch ein alternatives Abgassystem eines Magerverbrennungsmotors verwendet werden, so etwa ein Abgassystem mit einer gespaltenen Abgaskonstruktion mit zwei separaten Abgaskrümmern, die entsprechend mit zugehörigen Dreiwege-Katalysatoren gekoppelt sind. Für einen Betrieb mit nicht magerer Verbrennung würden individuelle Abgaskrümmer-Sauerstoffsensoren bereitgestellt. Sowohl bei der Bauart der einheitlichen als auch der gespaltenen Abgaskonstruktion wird Luft über einen Einlasskrümmer 36 unter der Kontrolle einer Drossel 38 eingeführt.
Während eines Magerbetriebs des Motors strömt wenigstens ein Gasbestandteil des vom Motor erzeugten Abgases, wie z. B. NO_x, durch die stromaufwärtige Einrichtung 16 und wird in der stromabwärtigen Einrichtung 18 gespeichert. Dieser Teil des Betriebs wird als die "Füllzeit t_F" der stromabwärtigen Einrichtung 18 bezeichnet. Wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, wird die Einrichtungsfüllzeit t_F anfänglich in einem offenen Regelkreis unter Verwendung vorgegebener nominaler Werte für die Einrichtungs-Reinigungszeit t_P und die Einrichtungsfüllzeit t_F kontrolliert, die im ROM 30 gespeichert sind. Diese vorgegebenen nominalen Werte werden nachfolgend adaptiert, um den Füll- und Reinigungsbetrieb der Einrichtung während der Lebensdauer des Fahrzeugs an wechselnde Einrichtungszustände anzupassen.
Der Sauerstoffsensor 32 wird zur Kontrolle des Motor-Luft- Kraftstoffes insbesondere während eines stöchiometrischen Betriebs verwendet. Der Sauerstoffsensor 34 wird zur Diagnose der stromabwärtigen Einrichtung 18 verwendet sowie zur Bestimmung von tatsächlichen In-Betrieb-Werten von t_P für NO_x (t_PNOx*), t_P für die Sauerstoffmasse (t_POSC*), und von t_F*. Die Bestimmung dieser In-Betrieb- oder "gelernten" Werte erlaubt eine rückgekoppelte Adaptation der vorbestimmten nominalen Werte gemäß der Erfindung. Diese erlernten adaptiven Werte werden außerdem mit entsprechenden Schwellwerten verglichen, um der CPU zu erlauben, das Ausmaß der Einrichtungsverschlechterung zu erfassen. Wenn die Verschlechterung hinreichend gravierend ist, wird ein Einrichtungs-Regenerationszyklus angesetzt, der beispielsweise einen Desulfatierungsvorgang der Einrichtung durchführt, oder es wird eine Warnung aktiviert, um anzuzeigen, dass die stromabwärtige Einrichtung 18 eine Wartung oder einen Austausch benötigt.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm mit einer Darstellung eines beispielhaften Kontrollverfahrens der Einrichtung gemäß der Erfindung. Wie in Block 100 vermerkt ist, erfolgt die normale Kontrolle im offenen Regelkreis sowohl für die Füll- als auch die Reinigungszyklen unter Verwendung der anfänglichen und/oder der erlernten Werte für die Füll- und Reinigungszeit. Der nominale Wert für die Reinigungszeit t_P(i,j) wird auf einen festen Prozentsatz des nominalen Einrichtungssättigungswertes t_Psat gesetzt, z. B. auf 80%.
Gemäß Block 102 werden die Werte für t_P periodisch entsprechend der in Fig. 15 gezeigten und weiter unten ausführlicher beschriebenen Optimierungsroutine optimiert. Dieser Optimierungsprozess erlaubt es, dass auch die Werte von t_F adaptiert werden. Ein laufender Zähler wird in Block 104 erhöht, nachdem jeder Einrichtungsvorgang ausgeführt wurde, um einen Mechanismus zur Überwachung der Zeitdauer bereitzustellen, für die der Motor in Betrieb war. Ein Einrichtungsvorgang kann jeder individuelle Füll- oder Reinigungszyklus sein oder ein Paar korrespondierender Füll- und Reinigungszyklen.
Bei Block 106 bestimmt der Regelungsprozessor, ob eine vorgegebene Anzahl von Vorgängen aufgetreten ist. Die vorgegebene Anzahl wird auf einen großen Wert gesetzt, so dass die Optimierungsroutine von Fig. 15 viele Male bei im Wesentlichen stationären Bedingungen ausgeführt wird, bevor eine JA- Entscheidung in Block 106 erzeugt wird. Die vorgegebene Anzahl kann z. B. zwischen 1000 und 10000 Vorgängen liegen.
Falls die vorgegebene Anzahl von Vorgängen aufgetreten ist, wird gemäß Block 108 eine Optimierungsroutine der Sättigungs-Reinigungszeit durchgeführt. Diese Routine ist in Fig. 10 dargestellt und erzeugt - wie weiter unten detaillierter beschrieben - einen neuen Wert für t_Psat*. Nachdem der neue t_Psat* Wert gespeichert wurde, wird bei Block 110 eine erste Bestimmungsroutine der suboptimalen Reinigungszeit t_PB ausgeführt. Diese Routine ist in Fig. 11 dargestellt und erzeugt, wie ebenfalls weiter unten beschrieben wird, einen neuen Wert für t_PB*. Nachdem der neue t_PB* Wert gespeichert wurde, wird bei Block 112 eine zweite Bestimmungsroutine für die suboptimale Reinigungszeit ausgeführt. Diese Routine ist ähnlich derjenigen für die erste suboptimale Reinigungszeit und wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben. Die Routine erzeugt in ähnlicher Weise einen neuen Wert der Reinigungszeit t_PA*.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke 108-112 erfindungsgemäß nicht zwingend ist, und dass die dargestellte Reihenfolge nur der Illustration dient. Eine Ausführung aller drei Routinen innerhalb einer kleinen Anzahl von Vorgängen verbessert jedoch die Zuverlässigkeit der Ergebnisse.
Nachdem der neue Wert für t_PA* gespeichert wurde, wird bei Block 114 ein neuer Wert für t_POSC* bestimmt, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschrieben wird. Dann wird, wie in Block 116 vermerkt, ein neuer Wert für t_PNOx* bestimmt als Funktion von t_Psat* und t_POSC*. Dieser Betrieb wird weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 14 beschrieben. Alle diese Werte stellen gelernte Werte dar, durch welche das Verhalten der Einrichtung gegenüber variierenden physikalischen Bedingungen während der Lebensdauer der Einrichtung optimiert wird.
Eine detailliertere Erklärung der Erfindung erfolgt nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3-8 und 10-15. Gemäß der Erfindung werden die Motorbetriebsbedingungen in einer Matrix von Zellen als eine Funktion der Motorlast (i) und Motordrehzahl (j) klassifiziert. Nominale Werte für die Einrichtungsfüllzeit t_F(i,j) werden Zelle für Zelle bereitgestellt. Speziell wird eine anfängliche NO_x-Kapazität der Einrichtung NO_xcap(i,j) für eine Zelle aus einer Lookup-Karte solcher Werte vorherbestimmt, wie in Fig. 3 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Werte, ob anfängliche/nominale Werte oder gelernte adaptive Werte, vorzugsweise in einer ähnlichen i/j Lookup-Tabelle wie in Fig. 3 gezeigt gespeichert werden. Auf diese Weise wird die NO_x-Erzeugungsrate NO_xgen(i,j) für eine Zelle aus einer entsprechenden Lookup- Tabelle bestimmt. Der nominale Wert für die Einrichtungsfüllzeit einer Zelle wird dann wie folgt bestimmt:
Diese nominalen Werte für t_F(i,j) werden ebenfalls in einer entsprechenden Lookup-Tabelle gespeichert.
Wie vorstehend festgestellt wurde, werden die nominalen Zellwerte für die Füllzeit adaptiert, um eine Anpassung an Änderungen in den Betriebsbedingungen der Einrichtung während des Motorbetriebs vorzunehmen. Adaptationsfaktoren K(i,j) werden während der rückgekoppelten Regelung der Reinigungs- und Füllzeiten, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 15 beschrieben, erlernt. Diese Adaptationsfaktoren werden in einer korrespondierenden Lookup-Tabelle gespeichert und verwendet, um nominale Werte sowohl für die Füllzeit t_F als auch die Reinigungszeit t_P anzupassen.
Solche Adaptationsfaktoren werden jedoch nur selektiv aufgefrischt oder als Korrekturmaße angewendet, falls ein gewisses Niveau der Zuverlässigkeit erreicht worden ist. Speziell wird, wenn das PCM 24 feststellt, dass der Betrieb des Motors vor einem Reinigungsvorgang auf eine einzelne Zelle (i,j) oder einen kleinen Cluster benachbarter Zellen begrenzt war, die Zuverlässigkeit des Adaptationsprozesses erfüllt. Sobald die Zuverlässigkeit erfüllt ist, kann eine tatsächliche Füllzeit t_F*(i,j) aus einer rückgekoppelten Reinigungs- und Füllkontrolle bestimmt und mit dem nominalen Füllzeitwert t_F(i,j) verglichen werden. Wenn t_F*(i,j) < t_F(i,j) - ε ist, wobei ε eine vorgegebene Toleranz ist, hat sich die NO_x-Kapazität NO_xcap(i,j) der Zelle (i,j) verschlechtert. Eine adaptive Kompensation wird bereitgestellt durch die Auswahl:

wobei p eine Verstärkungskonstante zwischen 0 und 1 ist und die Zellwerte für K(i,j) anfänglich auf 1.0 gesetzt werden. Während jede Zelle kompensiert wird, wird die gespeicherte Abbildung jedes Adaptationsfaktors aufgefrischt, wenn der Motor nachfolgend in der entsprechenden Zelle betrieben wird. Wenn andernfalls der Betrieb nicht auf eine einzelne Zelle oder einen Cluster benachbarter Zellen begrenzt war, wurde die Zuverlässigkeit nicht erfüllt, und das PCM 24 betrachtet keinen entsprechend erzeugten adaptiven Wert als zuverlässig. In dieser Situation fährt das PCM 24 mit der Verwendung der nominalen Werte fort oder wendet nur die zuletzt zuverlässig erzeugten Adaptationsfaktoren an.
Während normaler Einrichtungs-Kontrollzyklen kann die tatsächliche Füllzeit t_F*(i,j) während eines transienten Betriebs, d. h. eines Betriebs des Motors über verschiedene Zellen hinweg während eines einzigen Zyklus, bestimmt werden durch Verwendung der bekannten Adaptationsfaktoren K(i,j) und entsprechender nominaler Werte für die Füllzeit t_F für jede Zelle, in welcher ein Betrieb auftrat. Speziell ist die NO_x-Kapazität, die nach einem Betrieb in einer speziellen Zelle für eine Zeitdauer t(i,j) verbleibt, gegeben durch:
NOx_{cap_avail} = K(i,j)NOx_cap(i,j) - NOx_gen(i,j) × t(i,j)
Da sich der Motorbetriebspunkt während des transienten Betriebs des Motors von Zelle zu Zelle bewegt, ist die nach der Bewegung durch mehrere Zellen verbleibende NO_x-Kapazität gegeben durch:
Wenn NOx_{cap_avail} = q ist, wobei q die gewünschte NO_x -Reservekapazität repräsentiert, wird ein Reinigungsvorgang angesetzt.
Die gesamte Reinigungszeit t_P(i,j) in einer gegebenen Zelle ist gegeben durch:
t_P(i,j) = t_PNOx(i,j) ×K + t_POSC*(i,j),
wobei t_PNOx entweder die Kraftstoffmasse oder die Zeitdauer ist, die zur Entfernung des gespeicherten NO_x benötigt wird, und wobei t_POSC* entweder die tatsächliche Kraftstoffmasse oder die Zeitdauer ist, die zur Entfernung des in der Einrichtung gespeicherten Sauerstoffs benötigt wird. Nachfolgend wird erläutert, wie diese beiden Komponenten der gesamten Reinigungszeit bestimmt werden. Nominale Werte für t_PNOx werden in einer entsprechenden Lookup-Tabelle gespeichert.
Die Masse an Sauerstoff, die während eines Füllvorganges gespeichert wird, ist durch OSC(gm) gegeben. In vielen bekannten katalytischen Emissionsbegrenzungseinrichtungen wird Sauerstoff typischerweise als eines der Oxide von Cer als Funktion der Motordrehzahl und -last gespeichert. Sauerstoff kann auch als Edelmetalloxid gespeichert werden. Die Reinigungszeit t_POSC(i,j) (sec) für gespeicherten Sauerstoff für eine gegebene Zelle (i,j) wird, wie weiter unten unter Bezugnahme Fig. 13 beschrieben, bestimmt. Nominale Werte für die gesamte Reinigungszeit t_P und die Reinigungszeit t_POSC für gespeicherten Sauerstoff werden aus einer Lookup-Tabelle abgeleitet.
Es folgt eine Beschreibung der Optimierungsroutinen gemäß der Erfindung für die Reinigungs- und Füllzeit während der Benutzung unter Bezugnahme auf die Fig. 4-8 und 10-15. Zum besseren Verständnis der Erfindung sind in den Fig. 4(a)-(c) Systemantworten gezeigt, die während drei verschiedener Längen der Reinigungszeit der Einrichtung auftreten. Speziell zeigt Fig. 4(a) die Beziehung einer mageren Füllzeit t_F und einer fetten Reinigungszeit t_P für drei verschiedene Reinigungszeiten kurzer (1), mittlerer (2) und langer (3) Dauer. Die entsprechende Antwort des Sauerstoffsensors 34 ist in Fig. 4(b) für dieselben drei Reinigungszeiten gezeigt. Wie ersichtlich, erzeugt eine kleine Reinigungszeit (1) eine sehr kleine Sauerstoffsensorantwort als Ergebnis davon, dass die Einrichtung nicht vollständig von NO_x gereinigt ist und weiterhin eine beachtliche Menge an restlichem NO_x darin gespeichert ist. Während einer kurzen Reinigungszeit erreicht die Sensor-Spitzenspannung nicht den Wert einer Referenzspannung V_ref. Bei einer mittleren oder optimalen Reinigungszeit (2) gleicht die Sauerstoffsensorantwort der Referenzspannung V_ref, was anzeigt, dass die Einrichtung angemessen gereinigt wurde. Während einer langen Reinigungszeit (3) überschreitet die Sauerstoffsensor-Spitzenspannung V_P die Referenzspannung V_ref, was anzeigt, dass die Einrichtung übermäßig gereinigt wurde, wodurch, wie in Fig. 4(c) gezeigt, unerwünschterweise überschüssiges CO am Auslass erzeugt wird. Bezugnehmend auf die Fig. 4(c) und 5 wird ein Datenerfassungsfenster (in Fig. 4(d) gezeigt) zur Erfassung der Ausgangsspannung des stromabwärtigen Sauerstoffsensors 34 relativ zum Reinigungsvorgang so zeitgesteuert, dass für eine kurze Reinigungszeit (1) sehr wenig CO die Einrichtung passiert und in das Endrohr strömt und somit eine kleine Ausgangsantwort erzeugt wird. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß das Spannungsspitzenniveau und seine Dauer oberhalb einer Schwellspannung des stromabwärtigen Sauerstoffsensors 34 als Indikator für die noch in der stromabwärtigen Einrichtung 18 gespeicherte NO_x-Menge verwendet. Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Antwort des stromabwärtigen Sauerstoffsensors 34 auf die drei Längen der Reinigungszeit gemäß Fig. 4(c). Fig. 5 illustriert eine Sättigungszeit Δt₂₁ für die Situation, dass V > V_ref.
Fig. 6 zeigt eine extrapolierte Beziehung zwischen einer normierten Sauerstoffsensor-Sättigungszeit t_sat und der Reinigungszeit t_P. Das Diagramm zeigt drei Regionen für eine gegebene Füllzeit t_F und einen Betriebszustand der stromabwärtigen Einrichtung 18, wobei die erste Region definiert wird durch V = 0 (keine Antwort vom HEGO-Sensor 34), die zweite Region wird definiert durch V < V_ref (magere Antwort vom HEGO- Sensor 34) und die dritte Region definiert wird durch V ≥ V_ref (fette Antwort vom HEGO-Sensor 34). Die Reinigungszeit t_Pref resultiert in einer Sättigungszeit t_satref, welche die minimale normierte Zeitauflösung für das System ist (normiert durch t_{Psat_desired}). Eine Reinigungszeit t_Pmin oder weniger resultiert in einem Nullwert für die Sättigungszeit t_sat. Eine Reinigungszeit von t_{Psat_desired} resultiert in einer Sättigungszeit t_sat = 1.
Situationen, in denen t_sat > 1 ist, sind daher eine Anzeige dafür, dass die Reinigungszeit t_P verringert werden sollte, während Situationen, in denen t_sat < 1 ist, anzeigen, dass die Reinigungszeit t_P erhöht werden sollte. Dies bildet die Basis, aufgrund welcher erfindungsgemäß ein rückgekoppelter Prozess zur Optimierung oder Korrektur von Reinigungszeiten für eine gegebene Füllzeit bereitgestellt wird. Für t_sat > t_satref beinhaltet eine Metrik für t_sat die direkte Messung der Zeit durch das PCM 24, für die die Sauerstoffsensor-Spannung den Wert V_ref überschreitet. Für t_sat < t_satref verwendet das PCM 24 die in Fig. 7 gezeigte Beziehung, um eine glatte Fortsetzung der Metrik von Fig. 5 durch eine lineare Extrapolation der Sättigungszeit von t_sat = t_satref zu t_sat = 0 bereitzustellen, was t_sat proportional zur Sensorspitzenspannung V_P macht.
Fig. 8 zeigt die nominale Beziehung zwischen der Reinigungszeit t_P und der Füllzeit t_F für eine gegebene Betriebsbedingung des Motors und einen gegebenen Zustand der stromabwärtigen Einrichtung 18. Diese Beziehung gilt für eine näherungsweise konstante Sättigung t_sat. Die Reinigungszeit t_P steigt monoton mit der Füllzeit t_F an, erreicht jedoch eine Sättigung, wenn die Kapazität der Einrichtung 18 erreicht oder überschritten wird. Eine Reinigungszeit t_P, welche gleichzeitig die Speicherung von NO_x in der Einrichtung 18 maximiert, CO Endrohr-Emissionen während der Reinigung minimiert und die Füllzeit t_F optimiert, wird als optimierte Reinigungszeit t_PT bezeichnet. Die optimierte Reinigungszeit t_PT entspricht einer optimierten Füllzeit t_FT. Die normale Reinigungszeitoptimierung wird periodisch entsprechend der Routine von Fig. 15 ausgeführt und erzeugt, wie weiter unten beschrieben, die erlernten adaptiven Werte K(i,j) für jede Zelle. Diese adaptiven Werte werden nachfolgend während der normalen Füllung im offenen Regelkreis und der wie oben beschriebenen Reinigungsregelung verwendet.
Bezugnehmend auf Fig. 15 wird die Optimierungs-Subroutine für die Reinigungszeit t_P, die in Block 102 von Fig. 9 ausgeführt wird, nunmehr detailliert beschrieben. Wie bereits dargelegt, optimiert diese Subroutine den im Luft- Kraftstoffverhältnis fetten Reinigungsimpuls für einen gegebenen Wert der Füllzeit t_F. Wie in Block 700 gezeigt wird, werden zuerst Anfangswerte für die Füllzeit t_F und die Reinigungszeit t_P aus entsprechenden Lookup-Tabellen entnommen. Diese Werte sind entweder nominale Werte oder zuvor gelernte Werte t_F* und t_P* in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebszelle oder dem Zustand des Fahrzeugmotors. Die stromabwärtige Einrichtung 18 wird dann bei den Blöcken 702 und 704 gemäß den abgerufenen Werten gefüllt und gereinigt.
Bei Block 706 bestimmt das PCM, ob stationäre Drehzahl-/Lastbedingungen während der Füll-/Reinigungsvorgänge der Blöcke 702 und 704 vorlagen. War dies nicht der Fall, so beendet die Routine die Optimierung. Falls jedoch stationäre Zustände vorlagen, tastet die Routine - wie in Block 708 gezeigt - die Ausgabe des stromabwärtigen Sauerstoffsensors während des Datenerfassungsfensters ab. Wie bereits erläutert, wird das Fenster relativ zum Reinigungsvorgang der Einrichtung zeitgesteuert, so dass es den Wechsel im Ausgang des stromabwärtigen Sauerstoffsensors - wie in Fig. 4(b) gezeigt - erfasst.
Dann wird die Spitzenspannung V_P des Sensors bestimmt und bei Block 710 mit V_ref verglichen. Falls die Sensorspitzenspannung V_P größer als die Referenzspannung V_ref ist, wird bei Block 714 die inkrementelle Zeit Δt₂₁, die oberhalb der Referenzspannung V_ref verbracht wird, gemessen, und es wird bei Block 716 eine Konversion in eine Sättigungszeit t_sat proportional zu Δt₂₁ vorgenommen. Wenn andererseits die Sensorspitzenspannung V_P niedriger als die Referenzspannung V_ref ist, wird die Sättigungszeit t_sat bei Block 712 aus der linear extrapolierten Funktion bestimmt, wobei t_sat proportional zu V_P ist. Die Verwendung dieser Metrik gewährleistet einen glatten Übergang von V_P < V_ref nach V_P = V_ref.
Ein Sättigungszeitfehler t_saterror für die tatsächliche Sättigungszeit t_sat relativ zu einem optimalen oder gewünschten Wert t_{sat_desired} (dem Zielwert der Metrik, welche das System in Bezug auf minimale CO-, HC- und NO_x-Emissionen optimiert, und welche vorzugsweise als eine Funktion von Motorbetriebsparametern wie der Motordrehzahl, der Motorlast und der Einrichtungstemperatur variieren kann) wird entsprechend Block 718 durch Subtraktion der tatsächlichen Einrichtungs- Sättigungszeit t_sat von dem gewünschten Wert berechnet. Der Sättigungszeitfehler t_saterror wird dann - wie in Block 720 gezeigt - normiert und bei Block 722 als Eingang für einen Rückkopplungsregler, wie einen PID (Proportional-Differential-Integral) Algorithmus, verwendet. Der Ausgang des PID- Reglers erzeugt einen multiplikativen Korrekturfaktor PURGE_MUL, welcher dann als ein neuer Adaptationswert K(i,j) in der zugehörigen Lookup-Zelle gespeichert wird. Das PCM verwendet - wie bei Block 724 angedeutet - den adaptiven Wert K, um die Reinigungszeit t_P in nachfolgenden Vorwärts- Zyklen anzupassen, um optimierte "gelernte" Reinigungszeiten t_P*(i,j) für gegebene Füllzeiten t_F(i,j) bereitzustellen. Zusätzlich werden dieselben adaptiven Werte K verwendet, um die gespeicherten Füllzeiten t_F(i,j) anzupassen, um "gelernte" Füllzeitwerte t_F*(i,j) zu erzeugen, welche den adaptierten Reinigungszeitwerten entsprechen. Diese gelernten Werte werden in einer entsprechenden Lookup-Tabelle gespeichert. Anstelle einer Änderung der Reinigungszeit t_P kann alternativ die Stärke der Reinigung, d. h. das Luft-Kraftstoffverhältnis der während des Reinigungsvorganges angewendeten Luft-Kraftstoff-Mischung (wie in Fig. 4 gezeigt), in einer ähnlichen Weise angepasst werden.
Gelernte Werte für die tatsächliche NO_x-Reinigungszeit t_PNOx* werden nach dem Lernen sowohl der Werte für die gesamte Reinigungszeit t_P* für eine gegebene Zelle als auch der Reinigungszeit t_POSC*, die mit der in der stromabwärtigen Einrichtung 18 gespeicherten Menge an Sauerstoff in Beziehung steht, erhalten. Speziell wird zur Bestimmung von t_PNOx* ein aktueller Sättigungswert t_sat* gemäß der in Fig. 10 gezeigten Routine bestimmt, d. h. der dem Punkt S im "flachen" Abschnitt entsprechende Wert in der Funktionsantwort von Fig. 8 mit der Reinigungszeit t_P gegenüber der Füllzeit t_F. Wie bei Block 200 vermerkt ist, werden Anfangswerte für eine Füllzeit t_Fsat und eine Reinigungszeit t_Psat aus einer Lookup- Tabelle gewonnen. Diese Anfangswerte werden ausgewählt, um eine längere als die normale Füll- und Reinigungszeit sicherzustellen. Die stromabwärtige Einrichtung 18 wird dann bei den Blöcken 202 und 204 entsprechend den gewonnenen Anfangswerten gefüllt und gereinigt.
Bei Block 206 bestimmt der Prozessor, ob stationäre Drehzahl-/Last-Bedingungen während der Füll-/Reinigungsvorgänge der Blöcke 202 und 204 vorlagen. War dies nicht der Fall, so kehrt die Routine einfach zur normalen Einrichtungskontrolle zurück. Falls jedoch stationäre Bedingungen vorlagen, erfasst die Routine - wie in Block 208 gezeigt - die Ausgabe des stromabwärtigen Sauerstoffsensors während des Datenerfassungsfensters.
Die Spitzenspannung V_P des Sensors wird dann bei Block 210 bestimmt und mit einer Referenzspannung V_ref verglichen. Falls V_P > V_ref, wird die oberhalb von V_ref verbrachte inkrementelle Zeit Δt₂₁ bei Block 214 gemessen, und bei Block 216 wird eine Konversion auf ein t_sat proportional zu Δt₂₁ vorgenommen. Falls andererseits V_P < V_ref, wird die Sättigungszeit t_sat bei Block 212 aus der linear extrapolierten Funktion bestimmt, wobei t_sat proportional zu V_P ist. Die Verwendung dieser Metrik gewährleistet einen glatten Übergang von V_P < V_ref zu V_P = V_ref.
Bei Block 218 wird ein Fehler in t_sat relativ zu dem gewünschten Wert t_sat = t_{sat_desired} berechnet und gleich t_{sat_error} gesetzt. Der Fehler wird dann - wie in Block 220 gezeigt - normiert und bei Block 222 als Eingang für einen rückgekoppelten Regler wie einen PID (Proportional-Differential-Integral) Algorithmus verwendet. Der Ausgang des PID-Reglers erzeugt einen multiplikativen Korrekturfaktor PURGE_MUL, welcher bei Block 224 verwendet wird, um die Reinigungszeit t_Psat* in nachfolgenden Sättigungsbestimmungszyklen zu adaptieren. Bei Block 226 wird bestimmt, ob |t_Psat* - t_Psat| < ε, wobei ε eine erlaubte Toleranz ist. Falls nicht, wird t_Psat = t_Psat* gesetzt und eine andere Sättigungsreinigung veranlasst, und die stromabwärtige Einrichtung 18 wird bei Block 202 gefüllt. Falls |t_Psat* - t_Psat| < ε, wird der gelernte Wert für t_Psat* bei Block 228 in einer entsprechenden Lookup-Tabelle gespeichert.
Wie in den Fig. 11-13 gezeigt, können tatsächliche Werte für eine auf den gespeicherten Sauerstoff (t_POSC*) reagierende Reinigungszeit auch durch eine rückgekoppelte Regelung der Reinigungs- und Füllzeiten erhalten werden. Gemäß der Erfindung wird t_POSC* unter Verwendung zweier suboptimaler Füll- und Reinigungszeiten entsprechend den Punkten A und B in Fig. 8 bestimmt. Diese Punkte liegen tiefer als die optimale Füllzeit und werden ausgewählt, um mit dem proportional linearen Abschnitt der Antwortkurve zusammenzufallen.
Speziell werden die tatsächlichen Reinigungszeiten t_PB* und t_PA* für Punkt B bzw. Punkt A bestimmt unter Verwendung separater Routinen ähnlich zu derjenigen der Sättigungs- Reinigungszeitbestimmung, jedoch unter Verwendung gespeicherter Füll- und Reinigungszeitwerte (t_F und t_P) entsprechend den Punkten A und B. Die speziellen Schritte sind in den Blöcken 300-328 in Fig. 11 für den Punkt B und den Blöcken 400-428 in Fig. 12 für den Punkt A gezeigt.
Wie in Fig. 13 gezeigt ist, wird das Auffrischungsverfahren für die dem gespeicherten Sauerstoff entsprechende Reinigungszeit (t_POSC*) erhalten durch ein anfängliches Setzen der Zellwerte i und j auf 1 bei Block 502 und durch das Abrufen der gespeicherten Werte für t_PA*(i,j), t_FA, t_PB*(i,j) und t_FB bei Block 504.
Ein aufgefrischter Wert wird bei Block 506 gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:
Die Werte für t_POSC* werden - wie bei Block 508 gezeigt - in einer entsprechenden Lookup-Tabelle gespeichert. Wie in den Blöcken 510-518 vermerkt, wird die gesamte Tabelle durchschritten, um alle Zellwerte aufzufrischen.
Wie aus Fig. 14 ersichtlich, werden die aktuellen Werte für t_POSC*(i,j) zusammen mit den aktuellen Werten für t_P*(i,j) verwendet, um die Werte für die NO_x-Reinigungszeit t_PNOx*(i,j) aufzufrischen. Anfänglich werden i und j bei Block 602 auf 1 gesetzt, und die Werte für t_POSC*(i,j) und t_P*(i,j) werden bei Block 604 aus einem Speicher abgerufen. Bei Block 606 wird der aktuelle Wert für t_PNOx*(i,j) bestimmt als t_PNOx*(i,j) = t_P*(i,j) - t_POSC*(i,j). Der aufgefrischte Wert für t_PNOx*(i,j) wird dann in der Lookup-Tabelle gespeichert. Jede Zelle der Lookup-Tabelle wird - wie in den Blöcken 610-618 vermerkt - auf diese Weise aufgefrischt.
In vorteilhafter Weise können erfindungsgemäß die aktuellen Werte für t_PNOx*(i,j) mit den anfänglichen Werten t_PNOx(i,j) verglichen werden, um das Ausmaß einer Einrichtungsverschlechterung zu erfassen. D. h., dass sich die NO_x- Speicherkapazität der stromabwärtigen Einrichtung 18 verschlechtert hat, HC- und CO-Emissionen zugenommen haben, und dass eine Desulfatierung oder ein "de-SO_x" Vorgang angesetzt wird, falls t_PNOx*(i,j) < t_PNOx(i,j) - τ, wobei τ eine vorgegebene Konstante ist. Zusätzlich kann t_POSC*(i,j) mit t_POSC(i,j) verglichen und der Fahrer des Fahrzeugs über eine Warnschaltung benachrichtigt werden, dass eine Wartung erforderlich ist, falls die Differenz größer als ein vorgegebener Toleranzwert ist.
Auf diese Weise wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, mittels welchem bzw. welcher akkurat der Zustand oder die "Gesundheit" der stromabwärtigen Einrichtung 18 feststellt wird, um in Echtzeit eine rückgekoppelte Kontrolle der Einrichtungsfüllzeit, der Reinigungszeit und der Stärke der Reinigung während des Motorbetriebs in einem Fahrzeug bereitzustellen. Die Erfindung ermöglicht daher den Betrieb einer katalytischen Emissionsbegrenzungseinrichtung kontinuierlich mit optimaler Effizienz.

Claims

1. Verfahren zur Kontrolle eines Reinigungszeitzyklus und eines Füllzeitzyklus einer Emissionsbegrenzungseinrichtung (16, 18), welcher von einer Brennkraftmaschine bzw. einem Motor (12) erzeugte Abgase zugeleitet werden, wobei die Einrichtung während eines ersten Motorbetriebszustandes mit einem Gasbestandteil des Abgases gefüllt wird und während eines zweiten Motorbetriebszustandes von dem Gasbestandteil gereinigt wird, umfassend:
Auswählen einer Füllzeit (t_F) und einer Reinigungszeit (t_P) in einem normalen, vorwärtsgekoppelten Betriebsmodus aus einer Menge vorgegebener Werte als Funktion einer Motorbetriebsbedingung (i,j);
zyklisches Füllen und Reinigen der Einrichtung basierend auf den ausgewählten Füll- und Reinigungszeiten;
nach einer vorgegebenen Anzahl von Füll- und Reinigungszyklen: Bestimmen eines ersten Wertes (t_PNOx), welcher für die aktuelle gesamte Einrichtungskapazität repräsentativ ist, und eines zweiten Wertes (t_POSC), welcher für eine in der Einrichtung gespeicherte Sauerstoffmenge repräsentativ ist, und
Auffrischen (updating) wenigstens eines der vorherbestimmten Werte als Funktion des ersten und zweiten Wertes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend ein periodisches Optimieren einer ausgewählten Reinigungs-Zeit (t_P), die einer ausgewählten Füllzeit (t_F) zugeordnet ist, durch:
Füllen der Einrichtung (16, 18) für die ausgewählte Füllzeit;
Reinigen der Einrichtung für die ausgewählte Reinigungszeit;
Erzeugen eines dritten Wertes, welcher repräsentativ ist für die Sauerstoffkonzentration, die in dem während einer vorgegebenen Erfassungsperiode, die wenigstens einen Endabschnitt der Reinigungszeit umfasst, durch die Einrichtung fließenden Abgas vorliegt;
Vergleichen des dritten Wertes mit einem vorgegebenen Referenzwert, wobei der Referenzwert auf einem optimierten Wert der Einrichtungskapazitätsausnutzung basiert, und
Erzeugen eines Adaptationswertes K(i,j) zur Modifikation der ausgewählten Reinigungszeit als Funktion eines Fehlers zwischen dem dritten Wert und dem Referenzwert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des dritten Wertes eine Positionierung eines ersten Sauerstoffsensors (34) im Motor-Abgassystem beinhaltet, um eine für die Sauerstoffkonzentration repräsentative Ausgangsspannung (V_P) bereitzustellen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptationswert K(i,j) erzeugt wird als Funktion entweder des erzeugten dritten Wertes, falls der dritte Wert nicht größer als der Referenzwert ist, oder als Funktion einer Zeitdauer (Δt₂₁), für welche der dritte Wert den Referenzwert überschreitet, falls der dritte Wert den Referenzwert überschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Adaptationswertes K(i,j) eine lineare Extrapolation des dritten Wertes proportional zum gemessenen Sauerstoffniveau beinhaltet, wenn der erzeugte Wert unterhalb des Referenzwertes liegt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählte Reinigungszeit (t_P) nur bei Betrieb des Motors bei einem Betriebspunkt entsprechend einer begrenzten Anzahl von Motorbetriebszuständen optimiert wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des ersten Wertes (t_PNOx), der für die aktuelle gesamte Einrichtungskapazität repräsentativ ist, beinhaltet:
Füllen der Einrichtung bis zu einem Sättigungsniveau;
Erzeugen eines vierten Wertes, der für eine in dem durch die Einrichtung strömenden Abgas vorhandene Sauerstoffkonzentration repräsentativ ist;
Erzeugen eines ersten Fehlerwertes als eine Funktion des vierten Wertes und eines vorgegebenen Referenzwertes, und
Bestimmen einer aktuellen Reinigungszeit, die zur Reinigung der Einrichtung erforderlich ist, wenn die Einrichtung zum Sättigungsniveau gefüllt ist, unter Verwendung des ersten Fehlerwertes.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des zweiten Wertes (t_POSC) enthält:
nacheinander ein teilweises Füllen und Reinigen der Einrichtung bis zu einem ersten suboptimalen Niveau und einem zweiten suboptimalen Niveau während verschiedener Zeitdauern, und
für das erste suboptimale Füllen und Reinigen: Erzeugen eines fünften Wertes, der für die in dem durch die Einrichtung strömenden Abgas vorhandene Sauerstoffkonzentration repräsentativ ist,
für das zweite suboptimale Füllen und Reinigen: Erzeugen eines sechsten Wertes, der für die in dem durch die Einrichtung strömenden Abgas vorhandene Sauerstoffkonzentration repräsentativ ist,
Erzeugen eines zweiten und dritten Fehlerwertes als eine Funktion des fünften bzw. sechsten Wertes und eines vorgegebenen Referenzwertes,
Bestimmen einer tatsächlichen Reinigungszeit, die zur Reinigung der Einrichtung für jede suboptimale Füllzeit erforderlich ist, basierend auf dem zweiten bzw. dritten Fehlerwert, und
Bestimmen des zweiten Wertes als eine Funktion der suboptimalen Füllzeiten und der tatsächlichen Reinigungszeiten.

9. Vorrichtung zur Kontrolle eines Reinigungszeitzyklus und eines Füllzeitzyklus einer Emissionsbegrenzungseinrichtung (16, 18), welcher von einer Brennkraftmaschine bzw. einem Motor (12) erzeugtes Abgas zugeleitet wird, wobei die Einrichtung mit einem Gasbestandteil des Abgases während eines ersten Motorbetriebszustandes gefüllt und während eines zweiten Motorbetriebszustandes vom Gasbestandteil gereinigt wird, mit:
einem der Emissionsbegrenzungseinrichtung zugeordneten und dahingehend ausgebildeten Sauerstoffsensor (34), dass ein Ausgangssignal geliefert wird, das für die Sauerstoffkonzentration repräsentativ ist, die während einer Erfassungsperiode in dem durch die Emissionsbegrenzungseinrichtung fließenden Abgas vorhanden ist, und mit
einem Regelungsmodul (24), enthaltend einen Mikroprozessor (26), der dazu eingerichtet ist, in einem normalen Vorwärtsmodus des Betriebs zu arbeiten durch Bestimmung der Füllzeiten und Reinigungszeiten basierend auf Motorbetriebszuständen und entsprechenden Werten, die in einem Speicher (28, 30) gespeichert sind, wobei das Regelungsmodul weiterhin dazu eingerichtet ist, periodisch eine Reinigungszeit (t_P) zu optimieren, die mit einer ausgewählten Füllzeit (t_F) verbunden ist, zu bestimmen, dass eine vorgegebene Anzahl von Füll- und Reinigungszyklen ausgeführt worden ist, sowie in Reaktion hierauf einen ersten Wert (t_PNOx) zu bestimmen, der für die aktuelle Gesamteinrichtungskapazität repräsentativ ist, und einen zweiten Wert (t_POSC) zu bestimmen, der für eine in der Einrichtung gespeicherte Sauerstoffmenge repräsentativ ist, um wenigstens einen Reinigungszeitwert als eine Funktion des ersten und zweiten Wertes aufzufrischen bzw. zu aktualisieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffsensor (34) stromabwärts der Einrichtung (16, 18) positioniert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffsensor (34) einen Sensor vom HEGO-Typ beinhaltet.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (26) dazu eingerichtet ist, den ersten Wert (t_PNOx) durch Auffüllen und Reinigen der Einrichtung (16, 18) bis zur Sättigung zu bestimmen, ein Fehlersignal in Reaktion auf das Sensorausgangssignal als eine Funktion des detektierten Ausgangssignals und eines vorgegebenen Referenzwertes zu erzeugen und eine tatsächliche Reinigungszeit zu bestimmen, die zur Reinigung der gesättigten Einrichtung von dem gesamten NO_x erforderlich ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (26) dazu eingerichtet ist, den zweiten Wert (t_POSC) durch Füllen und Reinigen der Einrichtung (16, 18) bis zu einem ersten suboptimalen Niveau der Kapazität und einem zweiten suboptimalen Niveau der Kapazität über verschiedene Zeitdauern zu bestimmen, und - für jede suboptimale Füllung und Reinigung - ein Fehlersignal in Reaktion auf das Sensorausgangssignal als eine Funktion des detektierten Ausgangssignals und eines vorgegebenen Referenzwertes zu erzeugen und eine tatsächliche Reinigungszeit zu bestimmen, die zur Reinigung der Einrichtung für die gegebene suboptimale Füllzeit erforderlich ist, wobei der zweite Wert als eine Funktion der Füllzeiten und der korrespondierenden tatsächlichen Reinigungszeiten des ersten und zweiten suboptimalen Kapazitätsniveaus bestimmt wird.