DE10336486A1

DE10336486A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern/Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors und Aufzeichnungsmedium, welches ein Programm zum Steuern/Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors speichert

Info

Publication number: DE10336486A1
Application number: DE10336486A
Authority: DE
Inventors: Yuji Wako Yasui
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2023-08-09
Also published as: JP4503222B2; DE10336486B4; JP2004068736A; US7047728B2; US20040030485A1

Abstract

Ein Zielwert Vtgt für eine Ausgabe Vout eines O¶2¶-Sensors 8 (eines Abgassensors), welcher stromabwärts eines Katalysators 4 angeordnet ist, wird variabel in Abhängigkeit von einer Temperatur T¶O2¶ eines aktiven Elements 10 eines O¶2¶-Sensors 8 durch eine Zielwertsetzeinheit 18 gesetzt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Abgases wird durch eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regeleinheit 17 gesteuert/geregelt, so dass sich die Ausgabe Vout dem Zielwert Vtgt annähert. Eine Abgastemperatur Tgt wird durch einen Abgastemperaturbeobachter 19 geschätzt und die Temperatur T¶O2¶ des aktiven Elements 10 wird nachfolgend durch einen Elementtemperaturbeobachter 20 unter Verwendung des geschätzten Werts der Abgastemperatur Tgt geschätzt. Ein Heizer 13 des O¶2¶-Sensors 8 wird durch einen Heizungssteuerer/Regler 22 gesteuert/geregelt, um die Temperatur T¶O2¶ des aktiven Elements 10 bei einem vorbestimmten Zielwert R zu halten. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird somit so gesteuert/geregelt, dass ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators unabhängig von der Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors beibehalten wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors und auf ein Aufzeichnungsmedium, welches ein Programm zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors speichert.
Beschreibung des zugehörigen Fachgebiets
Aus dem Fachgebiet ist bisher bekannt, einen Abgassensor stromabwärts eines im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators zu platzieren, wobei der Abgassensor ein empfindliches Element aufweist, welches für einen bestimmten Bestandteil des Abgases empfindlich ist, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welches dem Katalysator von dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, so zu steuern/zu regeln, dass sich eine Ausgabe des Abgassensors zum Zweck des Erreichens eines gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators einem vorbestimmten Zielwert annähert. Zum Beispiel wird durch die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 11-324767 und durch das US-Patent-Nr. 6,188,953 ein durch den Anmelden der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagenes System offenbart, in welchem ein O₂-Sensor, der als ein Abgassensor zum Erzeugen einer Ausgabe in Abhängigkeit von der Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas dient, stromabwärts eines einen Drei-Wege-Katalysator umfassenden Katalysators angeordnet ist und in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart gesteuert/geregelt wird, dass die Ausgabe des O₂-Sensors sich einem vorbestimmten Zielwert annähert, um dadurch den Katalysator zu befähigen, in dem Abgas enthaltenes CO (Kohlenstoffmonoxid), NC (Kohlenwasserstoffe) und NOx (Stickoxide) zu reinigen. Das offenbarte System basiert auf dem Effekt, dass, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases in einen (uuups) Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Zustand gesteuert/geregelt wird, in welchem die Ausgabe (Ausgangsspannung) des stromabwärts des Katalysators angeordneten O₂-Sensors sich bei einem bestimmten konstanten Wert beruhigt hat, die Reinigungsrate von CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoffe) und NOx (Stickoxide) durch den Katalysator unabhängig vom Verschleiß-/Verschlechterungszustand des Katalysators auf einem guten Niveau (im Wesentlichen Maximumniveau) gehalten wird.
Einige Abgassensoren, so wie O₂-Sensoren, weisen einen Heizer zum Heizen ihres empfindlichen Elements auf, um das empfindliche Element nach dem Start des Betriebs des Verbrennungsmotors schnell zu aktivieren.
Im Allgemeinen weisen Abgassensoren, wie etwa O₂-Sensoren, Ausgabecharakteristiken (welche eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Gehalt eines bestimmten Bestandteils im Abgas repräsentieren) auf, welche in Abhängigkeit von der Temperatur des empfindlichen Elements veränderlich sind. Wenn sich die Ausgabe eines stromabwärts eines Katalysators angeordneten O₂-Sensors in Abhängigkeit von der Temperatur des empfindlichen Elements des O₂-Sensors verändert, so verändert sich gemäß den Erkenntnissen der Erfinder der vorliegenden Erfindung auch die Ausgabe des O₂-Sensors, welche ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators erzielt. In dem Fall, in welchem die Temperatur des empfindlichen Elements des O₂-Sensors aufgrund der Konstruktion des Abgassystems oder eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors einfach veränderlich ist, ist es daher dann, wenn der Zielwert für die Ausgabe des O₂-Sensors auf einen konstanten Wert gesetzt wird, tendenziell schwierig, ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators in ausreichendem Maße zu erzielen, und zwar selbst dann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart gesteuert/geregelt wird, dass die Ausgabe des O₂-Sensors auf seinem Zielwert gehalten wird.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, um unabhängig von der Temperatur eines empfindlichen Elements eines Abgassensors wie einem O₂-Sensor ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators auf geeignete Weise beizubehalten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, um unabhängig von der Temperatur eines empfindlichen Elements eines Abgassensors wie einem O₂-Sensor ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators stabil beizubehalten.
Es ist außerdem eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aufzeichnungsmedium bereitzustellen, welches ein Programm speichert, das es einem Computer ermöglicht, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors derart zu steuern/zu regeln, dass unabhängig von der Temperatur eines empfindlichen Elements eines Abgassensors wie einem O₂-Sensor ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators in geeigneter Weise und stabil beibehalten wird.
Um die obigen Aufgaben zu lösen, sind zwei Aspekte der vorliegenden Erfindung verfügbar. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, mit einem Abgassensor, der stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf einen bestimmten Bestandteil in dem Abgas empfindlich ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des vom Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei die Vorrichtung ein Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel zum sequentiellen Erfassen von Elementtemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors, sowie ein Zielwert-Setzmittel zum variablen Setzen des Zielwerts in Abhängigkeit von den Elementtemperaturdaten umfasst.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei ein Abgassensor stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf einen bestimmten Bestandteil in dem Abgas empfindlich ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des vom Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: sequentielles Erfassen von Elementtemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors sowie sequentielles, variables Setzen des Zielwerts in Abhängigkeit von den Elementtemperaturdaten.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Aufzeichnungsmedium bereitgestellt, welches von einem Computer lesbar ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprogamm speichert, um dem Computer zu ermöglichen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors zu steuern/regeln, wobei der Verbrennungsmotor aufweist: einen Abgassensor, welcher stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf einen bestimmten Bestandteil in dem Abgas empfindlich ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des vom Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprogamm ein Programm umfasst, welches es dem Computer ermöglicht, Elementtemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors, sequentiell zu erfassen und den Zielwert in Abhängigkeit von den Elementtemperaturdaten variabel zu setzen.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, da der Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors variabel in Abhängigkeit von den die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors repräsentierenden Elementtemperaturdaten gesetzt wird, der Zielwert so gesetzt werden, dass er der Temperatur des aktiven Elements und somit den Ausgabecharakteristiken des Abgassensors, die der Temperatur des aktiven Elements entsprechen, angepasst ist. Im Ergebnis ist es möglich, den Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher zum Erhalten eines gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators geeignet ist, unabhängig von der Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors zu setzen. Indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors dem so gesetzten Zielwert annähert, kann ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators in geeignetem Maß beibehalten werden, und zwar unabhängig von der Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors oder von Faktoren (der Konstruktion eines Abgassystems des Verbrennungsmotors und einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors), welche die Temperatur des aktiven Elements beeinflussen.
Bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des aktiven Elements bereitgestellt sein und die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur des aktiven Elements kann als die Elementtemperaturdaten verwendet werden. Die Verwendung eines solchen Temperatursensors ist jedoch hinsichtlich der Kosten unvorteilhaft und es besteht ein Problem in Bezug auf die Haltbarkeit des Temperatursensors. Bei der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel daher vorzugsweise ein Mittel zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten umfassen, welches einen Parameter verwendet, der wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentiert.
In ähnlicher Weise sollte das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner den Schritt des sequentiellen Bestimmens eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten umfassen, welcher einen Parameter verwendet, der wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentiert.
Bezüglich des Aufzeichnungsmediums gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte das Programm, welches es dem Computer ermöglicht, sequentiell die Elementtemperaturdaten zu erfassen, vorzugsweise so eingerichtet sein, dass es dem Computer ermöglicht, sequentiell einen geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten zu bestimmen, wobei es einen Parameter verwendet, der wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentiert.
Im Speziellen wird die Temperatur des aktiven Elements stark durch die Temperatur des Abgases beeinflusst, welches in Kontakt mit dem aktiven Element gebracht wurde, und die Temperatur des Abgases hängt in erster Linie vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors ab. Die Temperatur des aktiven Elements kann daher unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakteristischen Parameters relativ genau geschätzt werden. Durch Setzen des Zielwertes für die Ausgabe des Abgassensors unter Verwendung des geschätzten Wertes der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten ist es möglich, bei geringen Kosten ein System zu konstruieren, welches imstande ist, das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators beizubehalten. Der für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakteristische Parameter, welcher dazu verwendet wird, den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements zu bestimmen, sollte vorzugsweise ein Parameter sein, welcher mit der Temperatur des Abgases stark korreliert ist, und sollte vorzugsweise wenigstens einen eine Drehzahl des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameter (z.B. einen erfassten Wert der Drehzahl) sowie einen eine Menge an dem Verbrennungsmotor zugeführter Ansaugluft repräsentierenden Parameter (z.B. einen erfassten Wert eines Ansaugdrucks) umfassen.
Zum Schätzen der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters ist es möglich, die Temperatur des aktiven Elements aus dem Parameter basierend auf einem vorbestimmten Kennfeld oder einer Datentabelle zu bestimmen. Um die Genauigkeit des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements zu steigern, wird es bevorzugt, die Vorrichtung, das Verfahren und das Aufzeichnungsmedium gemäß dem ersten Aspekt wie folgt einzurichten: In der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sollte das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel vorzugsweise ein Mittel umfassen zum Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung des für wenigstens den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters sowie zum Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und eins vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element.
Bei dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt sollte der Schritt zum sequentiellen Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements vorzugsweise die Schritte umfassen: sequentielles Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung des für wenigstens den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters sowie Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und eines vorbestimmten thermischen Modells, das repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element.
Bezüglich des Aufzeichnungsmediums gemäß dem ersten Aspekt sollte das Programm, welches dem Computer ermöglicht, sequentiell die Elementtemperaturdaten zu erfassen, vorzugsweise so eingerichtet sein, dass es dem Computer ermöglicht, sequentiell eine Temperatur des Abgases unter Verwendung des für wenigstens den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters zu schätzen sowie den geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und eines vorbestimmten thermischen Modells, das repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, zu bestimmen.
Da der Betriebszustand des Verbrennungsmotors die Temperatur des durch den Verbrennungsmotor erzeugten Abgases direkt beeinflusst, kann die Temperatur des Abgases unter Verwendung des den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters relativ genau geschätzt werden. Durch eine Bestimmung des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und des vorbestimmten thermischen Modells ist es möglich, den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements im Hinblick auf die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, welches in Kontakt mit dem Abgas gebracht wurde, zu bestimmen. Als Ergebnis wird die Genauigkeit des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements gesteigert. Es ist somit möglich, den Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors so zu setzen, dass er der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements entspricht, wodurch das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators geeigneter erreicht wird.
Die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, welche durch das oben erwähnte thermische Modell repräsentiert wird, ist eine Beziehung, in welcher die Änderungsrate (Änderung pro Zeiteinheit) der Temperatur des aktiven Elements von der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements und der Temperatur des Abgases abhängt. Das thermische Modell muss nicht notwendigerweise nur für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Abgas repräsentativ sein, sondern kann für etwas anderes als die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Abgas (d.h. etwas, dass die Temperatur des aktiven Elements beeinflusst) repräsentativ sein, z.B. für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und der Luft in dem aktiven Element.
Zum Schätzen der Temperatur des aktiven Elements mit einer höchstmöglichen Genauigkeit unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und der Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element wird es bevorzugt, die Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors (in der Nähe des aktiven Elements) so genau wie möglich abzuschätzen und die geschätzte Temperatur zum Abschätzen der Temperatur des aktiven Elements zu verwenden. Genauer gesagt beeinflusst der Betriebszustand des Verbrennungsmotors direkt die Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung des Verbrennungsmotors. In der Nähe der Auslassöffnung und des Verbrennungsmotors benötigt das Abgas eine bestimmte Zeit, um zu der Position des Abgassensors zu strömen. Während das Abgas zu der Position des Abgassensors strömt, verursacht es im Allgemeinen einen Wärmeübergang auf umgebende Objekte (ein Abgasrohr, ein Katalysatormittel in dem Katalysator, usw.) sowie eine Wärmestrahlung in die Umgebung. Demzufolge muss die Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung von Moment zu Moment nicht notwendiger Weise gleich oder im Wesentlichen gleich der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors sein.
Der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases, welcher dazu verwendet wird, den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements zu bestimmen, sollte daher vorzugsweise einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors umfassen. In der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sollte das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel vorzugsweise ein Mittel umfassen zum Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters, und zum Bestimmen eines geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, das eine Änderung der Temperatur des Abgases repräsentiert, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
In dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt sollte der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements vorzugsweise die Schritte umfassen: Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters und Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, das eine Änderung der Temperatur des Abgases repräsentiert, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Bezüglich des Aufzeichnungsmediums gemäß dem ersten Aspekt sollte das Programm, welches es dem Computer ermöglicht, sequentiell die Elementtemperaturdaten zu erfassen, vorzugsweise dazu eingerichtet sein, dass es dem Computer ermöglicht, eine Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters zu schätzen und einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors zu bestimmen, und zwar unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, das eine Änderung der Temperatur des Abgases repräsentiert, wenn das Abgas von einer Position nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Durch Schätzen der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung des den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters wird die Genauigkeit des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases ausreichend erhöht. Durch weiteres Schätzen der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und des vorbestimmten thermischen Modells wird eine Temperatur des Abgases, wenn es von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt, berücksichtigt, wodurch es ermöglicht wird, dass der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors genau bestimmt wird. Im Ergebnis kann die Genauigkeit des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements, welcher unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases bestimmt wurde, weiter gesteigert werden. Die Anpassung zwischen dem Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements gesetzt wurde, und der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements kann daher weiter gesteigert werden, wodurch es ermöglicht wird, in geeigneterer Weise das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators beizubehalten.
Das thermische Modell sollte in Bezug auf die Temperaturänderung des Abgases vorzugsweise ein Modell sein, welches repräsentativ ist für: einen Wärmeübergang zwischen dem Abgas und einem Kanaldefinierelement (dem Abgasrohr, dem Katalysatormittel oder dergleichen), durch welches das Abgas strömt, für eine Änderung der Temperatur des Abgases aufgrund der Wärmestrahlung durch das Kanaldefinierelement in die Umgebung, für eine Veränderung der Temperatur des Abgases aufgrund der Erwärmung des Katalysatormittels sowie für eine Änderung der Temperatur des Abgases aufgrund eines Temperaturgradienten in der Richtung, in welcher das Abgas strömt, und einer Geschwindigkeit, mit welcher das Abgas strömt.
Beim ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Heizer zum Heizen des aktiven Elements des Abgassensors nicht notwendigerweise benötigt.
Ein Heizer zum Heizen des aktiven Elements zum Steigern der Temperatur des aktiven Elements, um das aktive Element zu aktivieren, sowie ein Heizersteuer-/regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers können jedoch vorgesehen sein. Werden ein Heizer und ein Heizersteuer-/regelmittel vorgesehen und wird die Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases geschätzt, so sollten vorzugsweise die folgenden Anordnungen eingesetzt werden: Bei der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sollte das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel vorzugsweise umfassen: ein Mittel zum Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von von dem Heizersteuer-/Regelmittel zu einem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Ebenso sollte bei dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements, vorzugsweise die Schritte umfassen: Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem ersten Aspekt sollte das Programm, welches dem Computer ermöglicht, sequentiell die Elementtemperaturdaten zu erfassen, vorzugsweise so eingerichtet sein, dass es dem Computer ermöglicht, den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements zu bestimmen, und zwar unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Im Speziellen beeinflusst dann, wenn der Heizer vorgesehen ist, das Heizen sowohl des Heizers als auch des Abgases die Temperatur des aktiven Elements stark. Um den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements genau zu bestimmen, wird es daher bevorzugt, zusätzlich zu dem geschätzten Wert der Temperatur des Abgases (vorzugsweise dem geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors) die Heizenergiezuführmengendaten zu verwenden, die die Menge an dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie außerdem das thermische Modell, welches zusätzlich repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Heizer und dem aktiven Element und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie. Eine solche Anordnung ermöglicht es, den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements genau zu bestimmen. Die Anpassung zwischen dem Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements gesetzt wird, und der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements kann somit weiter gesteigert werden, wodurch es möglich wird, das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators geeigneter beizubehalten.
Ist der Heizer ein elektrischer Heizer, so können ein erfasster Wert der dem Heizer zugeführten Spannung oder ein Befehlswert für die dem Heizer zugeführte Spannung, oder ein erfasster Wert des dem Heizer zugeführten Stroms oder ein Befehlswert für den dem Heizer zugeführten Strom, oder das Produkt aus diesen Werten als die Heizenergiezuführmengendaten verwendet werden. Wird die Versorgung des Heizers gemäß einem PWM-Steuer-/Regelprozess gesteuert/geregelt, so kann der Arbeitszyklus eines Pulssignals, welches zum Steuern/Regeln der Versorgung des Heizers gemäß dem PWM-Steuer-/Regelprozess erzeugt wird, als die Heizenergiezuführmengendaten verwendet werden. Das thermische Modell, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie, ist ein Modell, welches repräsentativ ist für eine Beziehung, in welcher die Änderungsrate (Änderung pro Zeiteinheit) der Temperatur des aktiven Elements abhängt von der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements und der Temperatur des Abgases und der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements und der Temperatur des Heizers und in welcher die Änderungsrate der Temperatur des Heizers abhängt von der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements und der Temperatur des Heizers und der Menge an dem Heizer zugeführter Heizenergie. Zusätzlich zu der Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer kann das thermische Modell anderer Faktoren repräsentieren, welche die Temperatur des aktiven Elements und des Heizers beeinflussen, z.B. die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und der Luft in dem aktiven Element sowie die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Heizer und der Luft in dem aktiven Element.
Umfasst die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt ferner einen Heizer zum Heizen des aktiven Elements und ein Heizersteuer-/Regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers, so können die Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel umfassen: ein Mittel zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementstemperaturdaten unter Verwendung wenigstens der Heizenergiezuführmengendaten, die eine Menge von von dem Heizersteuer-/Regelmittel zu dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
In ähnlicher Weise kann das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ebenso umfassen: den Schritt des sequentiellen Bestimmens eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten unter Verwendung von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem ersten Aspekt sollte das Programm, welches es dem Computer ermöglicht, sequentiell die Elementtemperaturdaten zu erfassen, dazu eingerichtet sein, dem Computer zu ermöglichen, sequentiell einen geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten zu bestimmen, und zwar unter Verwendung von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Speziell wird unter Bedingungen, in welchen eine Änderung in der Temperatur des Abgases relativ gering ist, z.B. wenn der Verbrennungsmotor in einem Bereitschaftszustand arbeitet, eine Änderung der Temperatur des aktiven Elements hauptsächlich durch die Heizung des Heizers verursacht. Demgemäß kann durch die Verwendung der Heizenergiezuführmengendaten, welche die Menge an dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und des vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und die Heizung des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie, der geschätzte Wert der Temperatur des aktiven Elements ohne die Verwendung von erfassten und geschätzten Werten der Temperatur des Abgases relativ genau bestimmt werden. Somit kann die Anpassung zwischen dem Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements gesetzt ist, und der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements weiter gesteigert werden, wodurch es ermöglicht wird, das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators in geeigneterer Weise beizubehalten. Die Daten zur Verwendung als die Heizenergiezuführmengendaten können dieselben sein, wie in dem Fall, wenn die Temperatur der Abgasenergie wie oben beschrieben, berücksichtigt wird. Das thermische Modell, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie, ist ein Modell, das repräsentativ ist, für eine Beziehung, in welcher die Änderungsrate (Änderung pro Zeiteinheit) der Temperatur des aktiven Elements abhängt von der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements und der Temperatur des Heizers und die Änderungsrate der Temperatur des Heizers abhängt von der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements und der Temperatur des Heizers sowie dem Betrag der dem Heizer zugeführten Heizenergie. Zusätzlich zu der Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer kann das thermische Modell die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und der Luft in dem aktiven Element sowie die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Heizer und der Luft in dem aktiven Element repräsentieren.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es auch dann, wenn die Temperatur des aktiven Elements sich verändert, möglich, den Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors zu setzen, welcher für ein Beibehalten des gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators geeignet ist. Wenn sich der Zielwert jedoch häufig oder abrupt verändert, so kann die Stabilität des Prozesses des Steuern/Regelns des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses möglicherweise beeinträchtigt sein. Bei der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt, welche den Heizer aufweist, sollte das Heizersteuer-/regelmittel vorzugsweise den Heizer so steuern/regeln, dass er das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur hält. Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt sollte vorzugsweise den Schritt umfassen, welcher den Heizer derart steuert/regelt, dass das aktive Element so geheizt wird, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur behalten wird. Ferner sollte bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem ersten Aspekt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprogramm vorzugsweise ein Programm enthalten, welches es dem Computer ermöglicht, den Heizer derart zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element so geheizt wird, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Da durch ein solches Steuern/Regeln des Heizers, das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird, wird jede Temperaturänderung des aktiven Elements minimiert und die Temperatur des aktiven Elements und damit die Ausgabecharakteristiken des Abgassensors können maximal stabilisiert werden. Somit werden jegliche häufige oder abrupte Änderungen des Zielwerts der Ausgabe des Abgassensors, welcher durch das Zielwertsetzmittel gesetzt wird, minimiert. Als ein Ergebnis kann die Stabilität des Prozesses des Steuerns/Regelns des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses derart, dass sich die Ausgabe des Abgassensors dem Zielwert annähert, gesteigert werden und somit kann das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators stabil beibehalten werden.
Die vorbestimmte Temperatur, bei welcher das aktive Element zu halten ist, sollte zum Zweck der Stabilisierung der Ausgabecharakteristiken des Abgassensors im Grunde ein konstanter Wert sein. Jedoch kann direkt nachdem der Verbrennungsmotor den Betrieb begonnen hat oder dann, wenn die Umgebungstemperatur relativ gering ist, die vorbestimmte Temperatur als Zieltemperatur für das aktive Element geringer als normal sein. Um die Temperatur des aktiven Elements so zu steuern/regeln, dass sie bei der vorbestimmten Temperatur gehalten wird, kann der dem Heizer zugeführte Energiebetrag durch das Heizersteuer-/Regelmittel gemäß einem Rückführregelprozess in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Temperatur des aktiven Elements, welche durch die Elementtemperaturdaten repräsentiert wird, und der vorbestimmten Temperatur als Zieltemperatur für das aktive Element gesteuert/geregelt werden. Da die Temperatur des aktiven Elements und die Temperatur des Heizers stark miteinander korreliert sind, können alternativ Heizertemperaturdaten, die die Temperatur des Heizers repräsentieren, zusätzlich zu den Elementtemperaturdaten durch einen Abschätzprozess erfasst werden und der Betrag von dem Heizer zugeführter Energie kann gemäß einem Rückführregelprozess in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Temperatur des Heizers, welche durch die Heizertemperaturdaten repräsentiert wird, und der Zieltemperatur für den Heizer, welche der vorbestimmten Temperatur für das aktive Element entspricht, gesteuert/geregelt werden.
Wenn der Heizer dazu verwendet wird, das aktive Element zu heizen, so sind gemäß den Erkenntnissen der Erfinder der vorliegenden Erfindung die Temperatur des Heizers und die Temperatur des aktiven Elements stark miteinander korreliert. In einem stationären Zustand ist die Temperatur des Heizers beispielsweise tendenziell um eine konstante Temperatur höher als die Temperatur des aktiven Elements. Wenn daher der Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizers gesetzt wird, dann kann beispielsweise der Zielwert indirekt abhängig von der Temperatur des aktiven Elements gesetzt werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, mit einem Abgassensor, der stromabwärts eines in einem Abgaskanals des Verbrennungsmotors positionierten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf eine bestimmte Komponente in dem Abgas empfindlich ist, sowie mit einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements sowie einem Heizersteuer-/regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Verbrennungsmotor zu dem Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich eine Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel zum sequentiellen Erfassen von Heizertemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des Heizers des Abgassensors, und ein Zielwertsetzmittel, um den Zielwert variabel in Abhängigkeit von den Heizertemperaturdaten zu setzen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, mit einem Abgassensor, der stromabwärts eines in einem Abgaskanals des Verbrennungsmotors positionierten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf eine bestimmte Komponente in dem Abgas empfindlich ist, und mit einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements, derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Verbrennungsmotor zu dem Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich eine Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: sequentielles Erfassen von Heizertemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des Heizers, und variables Setzen des Zielwerts in Abhängigkeit von den Heizertemperaturdaten.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Aufzeichnungsmedium bereitgestellt, welches von einem Computer lesbar ist und welches ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprogramm speichert, um dem Computer zu ermöglichen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors zu steuern/zu regeln, wobei der Verbrennungsmotor umfasst: einen Abgassensor, der stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors positionierten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf eine bestimmte Komponente in dem Abgas empfindlich ist, und mit einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements, derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Verbrennungsmotor zu dem Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich eine Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprogramm ein Programm umfasst, welches es dem Computer ermöglicht: Heizertemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des Heizers, sequentiell zu erfassen und den Zielwert in Abhängigkeit von den Heizertemperaturdaten variabel zu setzen.
Da der Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors in Abhängigkeit von den Heizertemperaturdaten gesetzt wird, welche die Temperatur des Heizers repräsentieren, die stark mit der Temperatur des aktiven Elements korreliert ist, kann gemäß dem zweiten Aspekt der Zielwert in indirekter Weise so gesetzt werden, dass er der Temperatur des aktiven Elements und damit den Ausgabecharakteristiken des Abgassensors, die der Temperatur des aktiven Elements entsprechen, angepasst ist. Im Ergebnis ist es wie beim ersten Aspekt möglich, den Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher zum Beibehalten eines gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators geeignet ist, ohne Rücksicht auf die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors zu setzen. Durch ein Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Annähern der Ausgabe des Abgassensors an den so gesetzten Zielwert kann das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators in geeigneter Weise aufrechterhalten werden, und zwar unabhängig von der Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors oder von Faktoren (der Konstruktion des Abgassystems des Verbrennungsmotors und eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors), die die Temperatur des aktiven Elements beeinflussen.
Bei dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Heizers bereitgestellt sein und die Temperatur des Heizers, die durch den Temperatursensor erfasst wird, kann als die Heizertemperaturdaten verwendet werden. Die Verwendung eines solchen Temperatursensors ist jedoch aus Kostengründen unvorteilhaft und es besteht ein Problem hinsichtlich der Haltbarkeit des Temperatursensors. Bei der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollte das Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel daher wie bei der Vorrichtung, welche den Heizer aufweist und die Temperatur des aktiven Elements gemäß dem ersten Aspekt schätzt, vorzugsweise ein Mittel umfassen zum Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung eines für wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters und zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge an von dem Heizersteuer-/Regelmittel an den Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
In ähnlicher Weise sollte das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt vorzugsweise ferner Schritte umfassen zum Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung eines für wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters und zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge an von dem Heizersteuer-/Regelmittel an den Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem ersten Aspekt sollte das Programm, welches dem Computer ermöglicht, sequentiell Heizertemperaturdaten zu erfassen, vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass es dem Computer ermöglicht, eine Temperatur des Abgases unter Verwendung eines wenigstens für einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters zu schätzen und sequentiell einen geschätzten Wert der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten zu bestimmen, und zwar unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, Heizenergiezuführmengendaten, die eine Menge von dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Durch die obige Anordnung kann der geschätzte Wert der Temperatur des Heizers in der selben Weise genau bestimmt werden, wie die Temperatur des aktiven Elements geschätzt wird. Die Annäherung zwischen dem Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, der in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert der Temperatur des Heizers gesetzt wird, und der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements kann somit gesteigert werden, was es ermöglicht, das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators auf geeignetere Weise beizubehalten. Die Daten zur Verwendung als Heizenergiezuführmengendaten, die Form des thermischen Modells und der den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierende Parameter können gleich sein wie beim ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung.
Um die Genauigkeit des geschätzten Werts der Temperatur des Heizers zu steigern, sollte der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases, welcher verwendet wird, um den geschätzten Wert der Temperatur des Heizers zu bestimmen, vorzugsweise einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors umfassen. Bei der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt sollte das Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel vorzugsweise ein Mittel umfassen zum Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters sowie zum Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Änderung der Temperatur des Abgases, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Ähnlich sollte bei dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des Heizers vorzugsweise die Schritte umfassen zum Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters sowie zum Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Änderung der Temperatur des Abgases, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem zweiten Aspekt sollte das Programm, welches es dem Computer ermöglicht, sequentiell Heizertemperaturdaten zu erfassen, vorzugsweise derart eingerichtet sein, das es dem Computer ermöglicht, eine Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters abzuschätzen und einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors zu bestimmen, und zwar unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Veränderung der Temperatur des Abgases, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Durch ein solches Schätzen der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters und Schätzen der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung des geschätzten Werts für die Temperatur des Abgases und des vorbestimmten thermischen Modells, das für die Änderung der Temperatur des Abgases repräsentativ ist, kann der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors, wie oben in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben, genau bestimmt werden. Als Ergebnis kann die Genauigkeit des geschätzten Werts der Temperatur des Heizers unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases weiter gesteigert werden. Es ist daher möglich, die Anpassung zwischen dem Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert der Temperatur des Heizers gesetzt ist, und der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements zu steigern, wodurch in geeigneterer Weise das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators erzielt wird. Die Form des thermischen Modells in Bezug auf eine Änderung der Temperatur des Abgases kann dieselbe sein wie beim ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Bei der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt sollte das Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel vorzugsweise ein Mittel umfassen zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als Heizertemperaturdaten unter Verwendung wenigstens von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von von dem Heizersteuer-/regelmittel zu dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
In ähnlicher Weise kann das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt ferner den Schritt zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten umfassen, unter Verwendung wenigstens von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von von dem Heizersteuer-/Regelmittel zu dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem zweiten Aspekt kann das Programm, welches es dem Computer ermöglicht, sequentiell Heizertemperaturdaten zu erfassen, derart eingerichtet sein, dass es dem Computer ermöglicht, sequentiell einen geschätzten Wert der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten zu bestimmen, und zwar unter Verwendung wenigstens von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Im Speziellen wird unter Bedingungen, bei denen eine Änderung in der Temperatur des Abgases relativ gering ist, z.B. dann, wenn der Verbrennungsmotor in einem stationären Zustand arbeitet, eine Änderung der Temperatur des Heizers hauptsächlich durch das Heizen des Heizers verursacht. Durch eine Verwendung der Heizenergiezuführmengendaten, die die Menge von dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und des vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie, kann demnach der geschätzte Wert der Temperatur des Heizers ohne die Verwendung der erfassten und geschätzten Werte der Temperatur des Abgases relativ genau bestimmt werden. Somit kann die Anpassung zwischen dem Zielwert für die Ausgabe des Abgassensors, welcher in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert der Temperatur des Heizers gesetzt wird, und der eigentlichen Temperatur des aktiven Elements weiter gesteigert werden, wodurch es ermöglicht wird, das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators auf geeignetere Weise beizubehalten. Die Daten zur Verwendung als die Heizenergiezuführmengendaten und das thermische Modell sind die gleichen wie beim ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Wie bei der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sollte bei der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt das Heizersteuer-/regelmittel vorzugsweise ein Mittel umfassen, um den Heizer so zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Ähnlich sollte das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt vorzugsweise ferner den Schritt umfassen, den Heizer so zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Bei dem Aufzeichnungsmedium gemäß dem zweiten Aspekt sollte das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprogramm vorzugsweise ein Programm umfassen, welches es dem Computer ermöglicht, den Heizer so zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Durch die obige Anordnung werden, wie oben in Bezug auf den ersten Aspekt beschrieben, jegliche Änderungen der Temperatur des aktiven Elements minimiert und die Temperatur des aktiven Elements und damit die Ausgabecharakteristiken des Abgassensors können maximal stabilisiert werden. Daher werden jegliche häufige oder abrupte Änderungen des durch das Zielwertsetzmittel gesetzten Zielwerts für die Ausgabe des Abgassensors minimiert. Als ein Ergebnis kann die Stabilität des Prozesses des Steuerns/Regelns des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, derart, dass sich die Ausgabe des Abgassensors dem Zielwert annähert, gesteigert und das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators daher stabil beibehalten werden.
Der Heizer kann auf dieselbe Weise wie oben in Bezug auf den ersten Aspekt beschrieben, gesteuert/geregelt werden, um das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten.
Wenn beim ersten und zweiten Aspekt der Abgassensor einen O₂-Sensor umfasst, der solche Ausgabecharakteristiken aufweist, dass sich dann, wenn sich die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von einem niedrigen Konzentrationsniveau zu einem hohen Konzentrationsniveau in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ändert, die Ausgabespannung des Abgassensors von einem niedrigen Spannungsniveau zu einem hohen Spannungsniveau scharf ändert, dann sollte der Zielwert vorzugsweise auf einen höheren Ausgabespannungswert gesetzt werden, und zwar in einem Bereich, in welchem sich die Ausgabespannung scharf ändert (vorzugsweise einen Wert dicht bei dem Hochspannungsniveau in diesem Bereich), wenn die Temperatur des aktiven Elements des O₂-Sensors oder die Temperatur des Heizers zum Heizen des aktiven Elements desselben geringer ist.
Die oben genannten oder andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung illustrieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Teilschnittansicht eines O₂-Sensors (Abgassensors) in der in 1 gezeigten Vorrichtung;
3 ist ein Graph, welcher die Ausgabecharakteristiken des in 2 gezeigten O₂-Sensors illustriert;
4 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Ausgabe des in 2 gezeigten O₂-Sensors und der Reinigungsrate eines Abgases illustriert;
5 ist eine Schnittansicht, welche zeigt, wie ein Abgastemperaturbeobachter in einer Steuer-/Regeleinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung arbeitet;
6 ist ein Blockdiagramm, welches eine funktionelle Anordnung des Abgastemperaturbeobachters in der in 1 gezeigten Vorrichtung zeigt,
7 ist ein Flussdiagramm einer Gesamtverarbeitungssequenz der Steuer-/Regeleinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Steuern/Regeln der Temperatur eines empfindlichen Elements des O₂-Sensors;
8 ist ein Flussdiagramm einer Unterroutine der in 7 gezeigten Verarbeitungssequenz;
9 ist ein Flussdiagramm einer anderen Unterroutine der in 7 gezeigten Verarbeitungssequenz;
10 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Setzen eines Zielwertes für die Ausgabe des O₂-Sensors mit der Steuer-/Regeleinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung;
11 ist ein Graph, welcher eine in dem in 10 gezeigten Prozess verwendeten Datentabelle zeigt;
12 ist ein Graph, welcher eine andere in dem in 10 gezeigten Prozess verwendete Datentabelle zeigt;
13 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
14 ist ein Graph, welcher eine Datentabelle zeigt, die in einem durch eine Steuer-/Regeleinheit der in 13 gezeigten Vorrichtung ausgeführten Prozess verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 12 beschrieben. Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt in Blockform eine Gesamtanordnung der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 verbrennt ein Motor (ein Verbrennungsmotor) 1, welcher an einem Kraftwagen, einem Hybridfahrzeug oder dergleichen angebracht ist, eine Mischung aus Kraftstoff und Luft und erzeugt ein Abgas, welches über einen mit einer Auslassöffnung 2 des Motors 1 in Verbindung stehenden Abgaskanal 3 in die Umgebung ausgelassen wird. Der Abgaskanal 3 enthält darin zwei Katalysatoren 4, 5, welche stromabwärts nacheinander angeordnet sind, um das von dem Motor 1 freigesetzte und durch den Abgaskanal 3 strömende Abgas zu reinigen. Der Abgaskanal 3 enthält einen Abschnitt stromaufwärts des Katalysators 4 (zwischen der Auslassöffnung 2 und dem Katalysator 4), einen Abschnitt zwischen den Katalysatoren 4, 5 sowie einen Abschnitt stromabwärts des Katalysators 5. Diese Abschnitte des Abgaskanals 3 werden durch jeweilige rohrförmige Abgasrohre 6a, 6b, 6c bereitgestellt.
Jeder der Katalysatoren 4, 5 enthält ein Katalysatormittel 7 (in der vorliegenden Ausführungsform ein Drei-Wege-Katalysatormittel). Das Katalysatormittel 7 weist eine kanalbildende Honigwabenstruktur auf und ermöglicht dem Abgas, durch diese zu strömen. Die Katalysatoren 4, 5 können von einheitlicher Bauweise sein, wie etwa der Bauweise mit zwei katalytischen Betten in einem Gehäuse, jeweils mit einem Drei-Wege-Katalysatormittel, die jeweils in stromaufwärtigen und stromabwärtigen Gebieten derselben angeordnet sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Motor 1 freigesetzten Abgases im Grunde derart gesteuert/geregelt, dass der stromaufwärtige Katalysator 4 ein gutes Abgasreinigungsvermögen (das Vermögen des Katalysators 4 CO, HC und NOx zu reinigen) aufweist. Zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases ist ein O₂-Sensor 8 an dem Abgaskanal 3 zwischen den Katalysatoren 4, 5 montiert, d.h. an dem durch das Abgasrohr 6b definierten Abgaskanal, und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Arbeitsbereich 9 ist an dem Abgaskanal 3 stromaufwärts des Katalysators 4, d.h, an dem durch das Abgasrohr 6a definierten Abgaskanal, montiert. Sind die Katalysatoren 4, 5 von einer einheitlichen Bauweise mit zwei katalytischen Betten, so ist der O₂-Sensor 8 zwischen dem stromaufwärtigen katalytischen Bett und dem stromabwärtigen katalytischen Bett angeordnet.
Der O₂-Sensor 8 entspricht einem Abgassensor gemäß der vorliegenden Erfindung. Grundlegende strukturelle Details und Charakteristiken des O₂-Sensors 8 werden im Folgenden beschrieben. Wie in 2 gezeigt, weist der O₂-Sensor 8 ein aktives Element 10 (empfindliches Element) in der Form eines hohlen Zylinders mit Boden auf, der hauptsächlich aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen festen Elektrolyt, beispielsweise stabilisiertem Zirconia (ZrO₂ + Y₂O₃) gebildet ist. Das aktive Element 10 weist äußere und innere Oberflächen auf, welche jeweils mit porösen Platinelektroden 11 bzw. 12 beschichtet sind. Der O₂-Sensor 8 weist außerdem einen stabförmigen Keramikheizer 13 (hier im Folgenden als „Heizer 13" bezeichnet) auf, welcher als ein elektrischer Heizer in das aktive Element 10 eingeführt ist, um das aktive Element zur Aktivierung und zum Steuern/Regeln der Temperatur des aktiven Elements 10 zu heizen. Das aktive Element 10 ist mit Luft gefüllt, welche Sauerstoff bei einer konstanten Konzentration, d.h. bei einem konstanten Partialdruck, enthält, und zwar in einem Raum um den Keramikheizer 13. Der O₂-Sensor 8 ist in einem Sensorgehäuse 14 angeordnet, welches an dem Abgasrohr 6b so angebracht ist, dass die äußere Fläche des Spitzenendes des aktiven Elements 10 derart positioniert ist, dass es in Kontakt mit dem in dem Abgasrohr 6b strömenden Abgas ist.
Das Spitzenende des aktiven Elements 10 ist mit einem röhrenförmigen Schützer 15 bedeckt, welcher das aktive Element 10 gegen den Einschlag von Fremdstoffen auf dieses schützt. Das Spitzenende des aktiven Elements 10, welches in dem Abgasrohr 6b angeordnet ist, steht mit dem Abgas durch eine Mehrzahl von Löchern (nicht gezeigt) in Kontakt, die in dem Schützer 15 ausgebildet sind.
Der auf diese Weise aufgebaute O₂-Sensor 8 arbeitet wie folgt: Eine von der Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas abhängige elektromotorische Kraft wird zwischen den Platinelektroden 11, 12 erzeugt, und zwar auf Grundlage der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, welches mit der Außenfläche des Spitzenendes des aktiven Elements 10 in Kontakt gebracht ist, und der Sauerstoffkonzentration in der Luft in dem aktiven Element 10. Die erzeugte elektromotorische Kraft wird durch einen Verstärker (nicht gezeigt) verstärkt und dann als eine Ausgangsspannung Vout von dem O₂-Sensor 8 erzeugt.
Die Ausgangsspannung Vout des O₂-Sensors 8 weist Charakteristiken (Ausgabecharakteristiken) in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf, welche aus der Sauerstoffkonzentration erhalten werden, so wie dies im Grunde durch eine durchgezogene Kurve „a" (so genannte „z-Kurve") in 3 repräsentiert ist. Die durchgezogene Kurve „a" repräsentiert die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8, wenn die Temperatur des aktiven Elements 10 800°C beträgt. Die Beziehung zwischen der Temperatur des aktiven Elements 10 und den Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 wird später beschrieben.
Wie durch die Kurve „a" in 3 gezeigt ist, sind die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 im Wesentlichen von solcher Natur, dass sich die Ausgabespannung Vout nur dann im Wesentlichen linear mit hoher Empfindlichkeit in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ändert, wenn das durch die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas repräsentierte Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich in einem schmalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich Δ nahe dem stöchiometrischen befindet. In dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich Δ (hier im Folgenden als „Hochempfindlichkeit-Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich Δ" bezeichnet) ist der Gradient einer Änderung der Ausgabespannung Vout in Bezug auf eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, d.h. der Gradient der Kurve der Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8, groß. In einem Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich, welcher fetter ist als der Hochempfindlichkeit-Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich Δ, sowie in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich, welcher magerer ist als der Hochempfindlichkeit-Luft- Kraftstoff-Verhältnisbereich Δ, ist der Gradient einer Änderung der Ausgabespannung Vout in Bezug auf eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases, d.h. der Gradient der Kurve der Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8, kleiner.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Betriebsbereich 9, welcher im Folgenden nicht im Detail beschrieben wird, umfasst einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor, welcher beispielsweise in der japanischen offen gelegten Patentveröffentlichung Nr. 4-369471 oder der US-Patent-Nr. 5,391,282 des Anmelders der vorliegenden Erfindung offen gelegt wurde. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Betriebsbereich 9 ist ein Sensor zum Erzeugen einer Ausgabespannung KACT, welche sich in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich breiter als der des O₂-Sensors 8 linear in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ändert, und die Ausgabespannung Vout des O₂-Sensors 8 und die Ausgabespannung KACT des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit breitem Betriebsbereich 9 werden hier im Folgenden als „Ausgabe Vout" bzw. „Ausgabe KACT" bezeichnet.
Wie in 1 gezeigt, weist die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, außerdem eine Steuer-/Regeleinheit 16 auf, zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases und zum Steuern/Regeln der Temperatur des aktiven Elements 10 des O₂-Sensors 8 oder dergleichen. Die Steuer-/Regeleinheit 16 umfasst einen Mikrocomputer mit einer CPU, einem RAM und einem ROM (nicht gezeigt). Zum Durchführen eines später zu beschreibenden Steuer-/Regelprozesses werden der Steuer-/Regeleinheit 16 die Ausgaben Vout und KACT von dem O₂-Sensor 8 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Betriebsbereich 9 sowie außerdem Daten zugeführt, welche die Drehzahl NE des Motors 1, den Ansaugdruck PB (den Absolutdruck im Ansaugrohr des Motors 1) und erfasste Werte der Umgebungstemperatur T_A und der Motortemperatur TW (genauer der Temperatur des Kühlmittels des Motors 1) von mit dem Motor 1 im Zusammenhang stehenden Sensoren (nicht gezeigt) repräsentieren. Außerdem werden der Steuer-/Regeleinheit 16 von einem Sensor (nicht gezeigt) Daten eines erfassten Wertes der Spannung VB (hier im Folgenden als „Batteriespannung VB" bezeichnet) einer Batterie (nicht gezeigt), welche als eine Energieversorgung für elektrisches Zubehör einschließlich einem Zünder (nicht gezeigt) des Motors 1, der Steuer-/Regeleinheit 16 sowie dem Heizer 13 dient, zugeführt.
Die erfassten Daten der Drehzahl NE des Motors 1, des Ansaugdrucks PB, der Umgebungstemperatur T_A sowie der Motortemperatur TW sind Daten, die sich auf einen Basisbetriebszustand des Motors 1 beziehen, und werden in verschiedenen Verarbeitungssequenzen der Steuer-/Regeleinheit 16 verwendet, welche durch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17, einen Abgastemperaturbeobachter 19, etc., ausgeführt werden, wie später noch beschrieben wird. Die erfassten Daten der Batteriespannung VB werden in einer Verarbeitungssequenz verwendet, welche durch einen später beschriebenen Elementtemperaturbeobachter 20 ausgeführt wird. Die Ausgaben Vout und KACT des O₂-Sensors 8 und des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit breitem Arbeitsbereich 9 werden in der Verarbeitungssequenz verwendet, welche durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmitel 17 ausgeführt wird. Der nicht gezeigte ROM der Steuer-/Regeleinheit 16 speichert ein Programm zum Ausführen eines Steuer-/Regelprozesses, welcher später beschrieben wird. Der ROM entspricht einem Aufzeichnungsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Steuer-/Regeleinheit 16 umfasst als seine funktionellen Mittel: ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17 zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des von dem Motor 1 emittierten Abgases, ein O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 zum sequentiellen Setzen eines Zielwertes Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 für einen durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17 ausgeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprozess, einen Abgastemperaturbeobachter 19 zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Wertes einer Abgastemperatur Tgd in der Nähe des O₂-Sensors 8, einen Elementtemperaturbeobachter 20 zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Wertes einer Temperatur T₀₂ (hier im Folgenden als „Elementtemperatur T₀₂" bezeichnet) des aktiven Elements 10 des O₂-Sensors 8, ein Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 zum Setzen eines Zielwerts R für die Elementtemperatur T₀₂ sowie einen Heizungssteuerer-/Regler 22 zum Steuern/Regeln der elektrischen Energie (zum Betreiben des Heizers 13), die dem Heizer 13 zugeführt wird, damit sich die Elementtemperatur T₀₂ dem Zielwert R annähert, und zwar unter Verwendung des Zielwertes R für die Elementttemperatur T₀₂ und des geschätzten Werts der Temperatur T₀₂, welcher durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt wird.
Der geschätzte Wert der Abgastemperatur Tgd, welcher durch den Abgastemperaturbeobachter 19 bestimmt wird, wird in einem Abschätzungsprozess verwendet, der von dem Elementtemperaturbeobachter 20 ausgeführt wird. Der geschätzte Wert der Temperatur T₀₂, welcher durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt wird, wird in Prozessen verwendet, welche von dem O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 und dem Heizungssteuerer-/Regler 22 ausgeführt werden. Der Zielwert R, welcher durch das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 bestimmt wird, wird in dem Prozess verwendet, welcher von dem Heizungssteuerer-/regeler 22 ausgeführt wird. Von den funktionellen Mitteln der Steuer-/Regeleinheit 16 entspricht das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 einem Zielwertsetzmittel gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und der Heizungssteuerer-/regler 22 entspricht einem Heizersteuer-/regelmittel. Der Abgastemperaturbeobachter 19 und der Elementtemperaturbeobachter 20 entsprechen Elementtemperaturdaten-Erfassungsmitteln gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der geschätzte Wert der Temperatur T₀₂, welcher durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt wird, entspricht Elementtemperaturdaten gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Heizer 13 für seine Energieversorgung (PWM-Steuerung/Regelung) gesteuert/geregelt, indem eine gepulste Spannung an eine Heizerenergieversorgungsschaltung (nicht gezeigt) gegeben wird. Die Menge an dem Heizer 13 zugeführter elektrischer Energie kann durch Einstellen des Arbeitszyklusses DUT der gepulsten Spannung (dem Verhältnis der Pulsdauer zu einer Periode der gepulsten Spannung) gesteuert/geregelt werden. Der Heizungsteuerer/Regler 22 bestimmt daher sequentiell den Arbeitszyklus DUT der gepulsten Spannung, welche an die Heizungsenergieversorgungsschaltung als eine Steuer-/Regeleingabe (veränderte Variable) zum Steuern/Regeln des Heizers 13 angelegt ist, und stellt den Arbeitszyklus DUT ein, um die Menge an dem Heizer 13 zugeführter elektrischer Energie und damit die Menge an durch den Heizer 13 erzeugter Wärme zu steuern/zu regeln. Der durch den Heizungssteuerer/Regler 22 erzeugte Arbeitszyklus DUT wird außerdem in einer Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20 verwendet.
Die obigen funktionellen Mittel der Steuer-/Regeleinheit 16 werden im Folgenden detaillierter beschrieben. Der Abschnitt des Abgaskanals 3, welcher von der Auslassöffnung 2 des Motors 1 zu der Position verläuft, an der der O₂-Sensor 8 positioniert ist, d.h. der Abgaskanal 3 stromaufwärts des O₂-Sensors 8, ist in eine Mehrzahl (in der vorliegenden Ausführungsform 4) von Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d entlang der Richtung, in welcher der Abgaskanal 3 verläuft, d.h. der Richtung, in welcher das Abgas strömt, unterteilt. Der Abgastemperaturbeobachter 19 schätzt in einer vorbestimmten Zykluszeit (Periode) die Temperatur des Abgases an der Auslassöffnung 2 (dem Einlass des Abgaskanals 3) und die Temperatur des Abgases in den jeweiligen Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d, oder genauer, die Temperaturen des Abgases in den stromabwärtigen Enden der jeweiligen Teilabgaskanalwege 3a, 3b, 3c, 3d nacheinander in der stromabwärtigen Richtung. Von den Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d sind die Teilabgaskanalwege 3a, 3b zwei Teilabgaskanalwege, welche von dem Abgaskanal 3 stromaufwärts des Katalysators 4, d.h. dem durch das Abgasrohr 6a definierten Abgaskanal, unterteilt sind, der Teilabgaskanalweg 3c ist ein Teilabgaskanalweg, welcher von dem Einlass zum Auslass des Katalysators 4 verläuft, d.h. der in dem Katalysatormittel 7 in dem Katalysator 4 definierte Abgaskanal, und der Teilabgaskanalweg 3d ist ein Teilabgaskanalweg, welcher von dem Auslass des Katalysators 4 zu einer Position verläuft, an welcher der O₂-Sensor 8 positioniert ist, d.h. der durch das Abgasrohr 6b definierte Teilabgaskanalweg. Der Algorithmus des Abgastemperaturbeobachters 19 ist wie folgt aufgebaut: Die Temperatur des Abgases an der Auslassöffnung 2 des Motors 1 ist im Grunde abhängig von der Drehzahl NE und dem Ansaugdruck PB des Motors 1, während der Motor 1 in einem Gleichgewichtszustand läuft, in welchem die Drehzahl NE und der Ansaugdruck PB des Motors 1 konstant gehalten werden. Die Temperatur des Abgases an der Auslassöffnung 2 kann deshalb im Wesentlichen von erfassten Werten der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB geschätzt werden, welche als Parameter dienen, die den Betriebszustand des Motors 1 basierend auf einem vorbestimmten Kennfeld, das beispielsweise auf experimentellem Wege ermittelt wurde, anzeigen. Wenn sich der Betriebszustand (die Drehzahl NE und der Ansaugdruck PB) des Motors 1 verändert, so erleidet die Temperatur des Abgases an der Auslassöffnung 2 aufgrund eines Wärmeaustauschs zwischen dem Abgas und einer Wand in der Nähe der Auslassöffnung 2 und einer Verbrennungskammer des Motors 1 eine Verzögerung ihrer Reaktion auf die durch das Kennfeld ermittelte Abgastemperatur (hier im Folgenden als „Basisabgastemperatur TMAP (NE, PB)" bezeichnet).
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 in einer vorbestimmten Zykluszeit (Verarbeitungsperiode) die Basisabgastemperatur TMAP (NE, PB) aus erfassten Werten (zuletzt erfasste Werte) der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB des Motors 1 auf Grundlage des Kennfelds und schätzt anschließend sequentiell eine Abgastemperatur Texg an der Auslassöffnung 2 als einen Wert, welcher mit einer Zeitverzögerung erster Ordnung der Basisabgastemperatur TMAP (NE, PB) folgt, wie durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt wird: Texg(k) = (1-Ktex)·Texg(k-1)+Ktex·TMAP(NE,PB) (1) wobei k die Ordnungszahl einer Verarbeitungsperiode des Abgastemperaturbeobachters 19 und Ktex einen auf experimentellem Wege oder dergleichen vorbestimmten Koeffizienten (Erzeugungskoeffizient) bezeichnet (0 < Ktex < 1). In der vorliegenden Erfindung dient der Ansaugdruck PB des Motors 1 als ein Parameter, welcher die Menge an in den Motor 1 eingebrachter Ansaugluft bezeichnet. Wird daher ein Durchflusssensor verwendet, um die Menge an in den Motor 1 eingebrachter Ansaugluft direkt zu erfassen, so kann die Ausgabe des Durchflusssensors, d.h. ein erfasster Wert der Menge an Ansaugluft, statt dem erfassten Wert des Ansaugdrucks PB verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Anfangswert Texg(0) des geschätzten Werts der Abgastemperatur Texg auf die Umgebungstemperatur T_A, welche durch einen Umgebungstemperatursensor (nicht gezeigt) erfasst wird, wenn der Motor 1 den Betrieb startet (bei einem Motorstart), oder auf die Motortemperatur TW (die Temperatur des Kühlmittels des Motors 1), welche durch einen Motortemperatursensor (nicht gezeigt) erfasst wird, gesetzt, wie später beschrieben wird.
Unter Verwendung des geschätzten Werts der Abgastemperatur Texg an der Auslassöffnung 2 werden die Temperaturen des Abgases in den jeweiligen Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d, wie im Folgenden beschrieben, geschätzt. Aus illustrativen Gründen wird im Folgenden ein allgemeiner Wärmeübergang beschrieben, welcher auftritt, wenn ein Fluid durch ein sich in der Richtung einer Z-Achse in die Umgebung erstreckendes kreisförmiges Rohr 23 fließt (siehe 25), während es mit der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 Wärme austauscht. Es wird angenommen, dass die Fluidtemperatur Tg und die Temperatur Tw der Rohrwandung (hier im Folgenden als „Rundrohrtemperatur Tw" bezeichnet) Funktionen Tg (t, z), Tw (t, z) der Zeit t und der Position z in der Richtung der z-Achse sind und dass die thermische Leitfähigkeit der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 in der radialen Richtung unendlich und in der Richtung der z-Achse Null ist. Es wird außerdem angenommen, dass der Wärmeübergang zwischen dem Fluid und der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 und der Wärmeübergang zwischen der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 und der äußeren Umgebung gemäß dem Newton'schen Kühlgesetz deren Temperaturdifferenzen proportional sind. Zu dieser Zeit sind die folgenden Gleichungen (2-1), (2-2) erfüllt:
Dabei bezeichnen S_g, p_g, c_g jeweils die Dichte, die spezifische Wärmekapazität des Fluids bzw. die Querschnittsfläche des Fluidkanals, S_w, p_w, c_w jeweils die Dichte, die spezifische Wärmekapazität bzw. die Querschnittfläche der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23, V die Geschwindigkeit des durch das kreisförmige Rohr 23 strömenden Fluids, T_A die Umgebungstemperatur außerhalb des kreisförmigen Rohrs 23, U die innere Umfangslänge des kreisförmigen Rohrs 23, α₁ den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem Fluid und der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 und α₂ den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 und der Umgebung. Es wird angenommen, dass die Umgebungstemperatur T_A um das kreisförmige Rohr 23 herum konstant gehalten ist.
Die obigen Gleichungen (2-1 ), (2-2) werden in die folgenden Gleichungen (3-1), (3-2) umgeformt:
wobei a, b, c Konstanten bezeichnen und a = α1·U/(Sg·pg·Cg), b = α1·U/(Sw·pw·cw), c = α2·U/(Sw·pw·cw),
Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (3-1) ist ein Verschiebungsströmungsterm, welcher eine zeitabhängige Änderungsrate der Fluidtemperatur Tg (eine Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit) in Abhängigkeit vom Temperaturgradienten in der Strömungsrichtung des Fluids und der Geschwindigkeit des Fluids an einer Position z repräsentiert. Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (3-1) ist ein Wärmeübergangsterm und repräsentiert eine zeitabhängige Änderungsrate der Fluidtemperatur Tg (eine Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Fluidtemperatur Tg und der Rundrohrtemperatur Tw an der Position z, d.h. eine zeitabhängige Änderungsrate der Fluidtemperatur Tg, welche durch den Wärmeübergang zwischen dem Fluid und der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 verursacht wird. Die Gleichung (3-1) gibt daher an, dass die zeitabhängige Rate δTg/δt der Änderung der Fluidtemperatur Tg an der Position z abhängt von der Temperaturänderungskomponente des Verschiebungsströmungsterms und der Temperaturänderungskomponente des Wärmeübergangsterms (d.h. von der Summe dieser Temperaturänderungskomponenten).
Der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (3-2) ist ein Wärmeübergangsterm und repräsentiert eine zeitabhängige Änderungsrate der Rundrohrtemperatur Tw (eine Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Rundrohrtemperatur Tw und der Fluidtemperatur Tg an der Position z, d.h. eine zeitabhängige Änderungsrate der Rundrohrtemperatur Tw, welche durch den Wärmeübergang zwischen dem Fluid und der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 an der Position z verursacht wird. Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (3-2) ist ein Wärmestrahlungsterm und repräsentiert eine zeitabhängige Änderungsrate der Rundrohrtemperatur Tw (eine Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Rundrohrtemperatur Tw und der Umgebungstemperatur T_A außerhalb des kreisförmigen Rohrs 23 in der Position z, d.h. eine zeitabhängige Änderungsrate der Rundrohrtemperatur in Abhängigkeit von der Wärmestrahlung von' der Rohrwandung des kreisförmigen Rohrs 23 in die Umgebung an der Position z. Die Gleichung (3-2) zeigt, dass die zeitabhängige Rate δTw/δt der Änderung der Rundrohrtemperatur Tw an der Position z von der Temperaturänderungskomponente des Wärmeübergangsterms und der Temperaturänderungskomponente des Wärmestrahlungsterms, d.h. der Summe aus diesen Temperaturänderungskomponenten, abhängt.
Nach der Differenzmethode können die Gleichungen (3-1), (3-2) in die folgenden Gleichungen (4-1), (4-2) umgeschrieben werden:
Die obigen Gleichungen (4-1), (4-2) zeigen an, dass dann, wenn die Fluidtemperatur Tg (t, z) und die Rundrohrtemperatur Tw(t, z) an der Position z zu der Zeit t sowie die Fluidtemperatur Tg(t, z – Δz) an einer Position z-Δz, welche der Position z (in stromaufwärtiger Richtung derselben) vorangeht, zur Zeit t bekannt sind, die Fluidtemperatur Tg (t+Δt, z) und die Rundrohrtemperatur Tw (t+Δt, z) an der Position z zu einer nächsten Zeit t+Δt bestimmt werden können und dass die Fluidtemperaturen Tg und die Rundrohrtemperaturen Tw an aufeinander folgenden Positionen z+Δz, z+2Δz,... bestimmt werden können, indem nacheinander für diese Positionen die Gleichungen (4-1), (4-2) gleichzeitig gelöst werden. Genauer können dann, wenn Anfangswerte der Fluidtemperatur Tg und der Rundrohrtemperatur Tw (Anfangswerte bei t = 0) an den Positionen z, z+Δz, z+2Δz,... gegeben sind und die Fluidtemperatur Tg (T,O) am Ursprung (z.B. dem Einlass des kreisförmigen Rohrs 23) in Richtung der z-Achse des kreisförmigen Rohrs 23 gegeben ist (es wird angenommen, dass z·Δz=0), die Fluidtemperaturen Tg und die Rotortemperaturen Tw an aufeinander folgenden Positionen z, z+Δz, z+2Δz,... zu aufeinander folgenden Zeiten t, t+Δt, t+2Δt,... berechnet werden.
Die Fluidtemperatur Tg(t, z) an der Position z kann berechnet werden, indem die Temperaturänderungskomponente, welche von der Fluidgeschwindigkeit V und dem Temperaturgradienten an der Position z abhängt (die durch den zweiten Term von Gleichung (4-1) repräsentierte Temperaturänderungskomponente) und die Temperaturänderungskomponente, welche von der Differenz zwischen der Fluidtemperatur Tg und der Rundrohrtemperatur Tw an der Position z abhängt (die durch den dritten Term der Gleichung (4-1) repräsentierte Temperaturänderungskomponente), zu jedem gegebenen Zeitintervall zu dem Anfangswert Tg (0, z). zunehmend addiert (integriert) werden. Die Fluidtemperaturen an den anderen Positionen r+zΔz, z+2Δz,... können auf ähnliche Weise berechnet werden. Die Rundrohrtemperatur Tw (t, z) an der Position Z kann berechnet werden, indem die Temperaturänderungskomponente, welche von der Differenz zwischen der Fluidtemperatur Tg und der Rundrohrtemperatur Tw an der Position z abhängt (die durch den zweiten Term von Gleichung (4-2) repräsentierte Temperaturänderungskomponente) und die Temperaturänderungskomponente, welche von der Differenz zwischen der Rundrohrtemperatur Tw und der Umgebungstemperatur T_A an der Position z abhängt, (die durch den dritten Term der Gleichung (4-2) repräsentierte Temperaturänderungskomponente) zu jedem gegebenen Zeitintervall zunehmend zum Anfangswert Tw (0, z) addiert (integriert) werden.
In der vorliegenden Ausführungsform verwendet der Abgastemperaturbeobachter 19 die Modellgleichungen (4-1), (4-2) als Basisgleichungen und bestimmt die Temperaturen des Abgases in den jeweiligen Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d wie folgt:
Von den Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d wird jeder der Teilabgaskanalwege 3a, 3b durch das Abgasrohr 6a als ein Kanaldefinierelement definiert. Um die Temperaturen des Abgases in den Teilabgaskanalwegen 3a, 3b zu schätzen, werden die Temperaturänderungen, welche von der Geschwindigkeit des Abgases und dem Temperaturgradienten desselben (dem Temperaturgradienten in der Richtung, in welcher das Abgas strömt) abhängen, der Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem Abgasrohr 6a sowie die Wärmestrahlung von dem Abgasrohr 6a in die Atmosphäre in der selben Weise berücksichtigt wie oben im Bezug auf das kreisförmige Rohr 23 beschrieben wurde.
Ein geschätzter Wert der Abgastemperatur Tga in dem Teilabgaskanalweg 3a und ein geschätzter Wert der Temperatur Twa (hier im Folgenden als „Abgasrohrtemperatur Twa" bezeichnet) des Abgasrohrs 6a in dem Teilabgaskanalweg 3a werden durch jeweilige thermische Modellgleichungen (5-1), (5-2) welche im Folgenden gezeigt sind, zu jeder Zykluszeit der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19 bestimmt.
Ein geschätzter Wert der Abgastemperatur Tgb im Teilabgaskanalweg 3b und ein geschätzter Wert der Abgasrohrtemperatur Twb in dem Teilabgaskanalweg 3b werden durch jeweilige thermische Modellgleichungen (6-1), (6-2), welche nachfolgend gezeigt werden, zu jeder Zykluszeit der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19 bestimmt. Genau repräsentieren die Abgastemperatur Tga und die Abgasrohrtemperatur Twa, welche durch die Gleichungen (5-1), (5-2) bestimmt sind, geschätzte Werte der Temperaturen in der Nähe des stromabwärtigen Endes des Teilabgaskanalwegs 3a. Ähnlich repräsentieren die Abgastemperatur Tgb und die Abgasrohrtemperatur Twb, welche durch die Gleichungen (6-1), (6-2) bestimmt sind, geschätzte Werte der Temperaturen in der Nähe des stromabwärtigen Endes des Teilabgaskanalwegs 3b.
In den Gleichungen (5-1), (5-2), (6-1), (6-2) bezeichnet dt die Periode (Zykluszeit) der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19 und entspricht Δt in den Gleichungen (4-1), (4-2). Der Wert dt ist ein vorbestimmter Wert. In den Gleichungen (5-1), (6-1) bezeichnen La, Lb die jeweiligen Längen (feste Werte) der Teilabgaskanalwege 3a, 3b und entsprechen Δz in Gleichung (4-1 ). Aa, Ba, Ca in den Gleichungen (5-1), (5-2) und Ab, Bb, Cb in den Gleichungen (6-1), (6-2) bezeichnen Modellkoeffizienten, welche jeweils a, b, c in den Gleichungen (4-1), (4-2) entsprechen, und die Werte dieser Modellkoeffizienten werden vorher auf dem Weg von Experimenten oder Simulation gesetzt (festgelegt). In den Gleichungen (5-1), (6-1) bezeichnet Vg einen Parameter (auf eine später zu beschreibende Weise zu bestimmen), welcher die Geschwindigkeit des Abgases angibt und V in Gleichung (4-1) entspricht.
Die Abgastemperatur Texg (k) (die Abgastemperatur an der Auslassöffnung 2), welche benötigt wird, einen neuen geschätzten Wert Tga (k+1) der Abgastemperatur Tga gemäß Gleichung (5-1) zu berechnen, ist im Grunde vom letzten Wert, der nach Gleichung (1) bestimmt wurde. Ähnlich ist die Abgastemperatur Tga(k) (die Abgastemperatur in dem Teilabgaskanalweg 3a), welche benötigt wird, um einen neuen geschätzten Wert Tgb (k+1) der Abgastemperatur Tgb nach Gleichung (6-1) zu berechnen, im Grunde vom letzten Wert, welcher gemäß Gleichung (5-1) bestimmt wurde. Die Umgebungstemperatur T_A(k), welche bei der Berechnung von Gleichungen (5-2), (6-2) benötigt wird, ist vom letzten Wert der Umgebungstemperatur T_A welche durch den nicht dargestellten Umgebungstemperatursensor (in der vorliegenden Ausführungsform ist ein Sensor am Motor 1 gegen diesen Umgebungstemperatursensor ausgetauscht) erfasst wurde. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Gasgeschwindigkeitsparameter Vg, welcher in der Berechnung der Gleichungen (5-1), (6-1) benötigt wird, von einem Wert, welcher von den letzten erfassten Werten der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB gemäß der folgenden Gleichung (7) berechnet wurde:
wobei NEBASE, PBBASE eine vorbestimmte Drehzahl bzw. einen vorbestimmten Ansaugdruck bezeichnen, welche z.B. auf die Maximumsdrehzahl des Motors 1 bzw. auf 760 mmHg (≈ 101 kPa) gesetzt sind. Der gemäß Gleichung (7) berechnete Gasgeschwindigkeitsparameter Vg ist proportional zur Geschwindigkeit des Abgases, wobei Vg ≤ 1.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Anfangswerte Tga(0), Twa (0), Tgb(0), Twb(0) der geschätzten Werte der Abgastemperatur Tga, der Abgasrohrtemperatur Twa, der Abgastemperatur Tgb und der Abgasrohrtemperatur Twb auf die Umgebungstemperatur T_A, welche durch den nicht dargestellten Außentemperatursensor erfasst wird, wenn der Motor 1 den Betrieb aufgenommen hat (beim Motorstart) oder auf die Motortemperatur TW (die Temperatur des Kühlmittels des Motors 1), welche durch den nicht dargestellten Motortemperatursensor erfasst wird, gesetzt.
Der Teilabgaskanalweg 3c wird durch das Katalysatormittel 7 als ein Kanaldefinierelement in dem Katalysator 4 definiert. Das Katalysatormittel 7 erzeugt seinerseits Wärme aufgrund seiner eigenen Abgasreinigungsaktivität (genauer eine Oxidations-/Reduktionsaktivität) und die durch das Katalysatormittel 7 erzeugte Wärmemenge (die Menge an Wärme pro Zeiteinheit) steht im Wesentlichen im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Abgases. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die mit dem Katalysatormittel 7 pro Zeiteinheit reagierenden Abgaskomponenten ansteigen, wenn die Geschwindigkeit des Abgases größer ist. Um die Abgastemperatur in dem Teilabgaskanalweg 3c mit hoher Genauigkeit zu schätzen, werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform sowohl die Erzeugung von Wärme durch das Katalysatormittel in dem Katalysator 7 als auch die Temperaturänderung, welche von der Geschwindigkeit und dem Temperaturgradienten des Abgases, dem Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem Katalysatormittel 7 und der Wärmestrahlung von dem Katalysatormittel 7 in die Umgebung abhängt, berücksichtigt.
Ein geschätzter Wert der Abgastemperatur Tgc in dem Teilabgaskanalweg 3c und ein geschätzter Wert der Temperatur Twc (hier im Folgenden als „Katalysatortemperatur Twc" bezeichnet) des Katalysatormittels 7, welches den Teilabgaskanalweg 3c definiert, werden in jeder Zykluszeit der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19 durch jeweilige thermische Modellgleichungen (8-1), (8-2), welche unten gezeigt sind, bestimmt. Genauer repräsentieren die Abgastemperatur Tgc und die Katalysatortemperatur Twc, welche durch die Gleichungen (8-1), (8-2) bestimmt werden, geschätzte Werte der Temperaturen in der Nähe der stromabwärtigen Enden des Teilabgaskanalwegs 3c, d.h. in der Nähe des Auslasses des Katalysators 4.
In der Gleichung (8-1) bezeichnet Lc die Länge (fester Wert) des Teilabgaskanalwegs 3c und entspricht Δz in Gleichung (4-1). Ac, Bc, Cc in Gleichungen (8-1), (8-2) bezeichnen Modellkoeffizienten, welche jeweils a, b bzw. c in den Gleichungen (4-1), (4-2) entsprechen und die Werte dieser Modellkoeffizienten werden vorher auf dem Wege von Experimenten oder Simulation gesetzt (festgelegt). Der vierte Term auf der rechten Seite von Gleichung (8-2) bezeichnet eine Temperaturänderungskomponente des Katalysatormittels 7 in dem Katalysator 4 aufgrund der Erwärmung des Katalysatormittels 7 durch sich selbst, d.h. die Temperaturänderung pro Periode der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19, und ist proportional zum Gasgeschwindigkeitsparameter Vg. So wie Ac bis Cc bezeichnet auch Dc im vierten Term einen Modellkoeffizienten, welcher vorher auf dem Wege von Experimenten oder Simulation gesetzt (festgelegt) wird. Die Gleichung (8-2) entspricht daher der Kombination der rechten Seite von Gleichung (4-2) mit einer Temperaturänderungskomponente aufgrund der Erwärmung eines Kanaldefinierelements (dem Katalysatormittel 7).
dt, Vg in den Gleichungen (8-1), (8-2) haben dieselben Bedeutungen und Werte wie die in den Gleichungen (5-1) bis (6-2). Der in der Berechnung der Gleichung (8-2) verwendete Wert T_A ist mit den in den Gleichungen (5-2), (6-2) verwendeten identisch. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Startwerte Tgc(0), Twc(0) der Startwerte der Abgastemperatur Tgc und der Katalysatortemperatur Twc gleich dem erfassten Wert der Umgebungstemperatur T_A zu einem Zeitpunkt, an welchem der Motor den Betrieb aufgenommen hat, oder dem erfassten Wert der Motortemperatur TW wie bei den Gleichungen (5-1) bis (6-2).
Der Teilabgaskanalweg 3d ist definiert durch das Abgasrohr 6b als Kanaldefinierelement, welches ähnlich dem Abgasrohr 6a ist, das die Teilabgaskanalwege 3a, 3b definiert. Die Abgastemperatur Tgd in dem Teilabgaskanalweg 3d und die Abgasrohrtemperatur Twd des Abgasrohrs 6b, oder genauer die Temperatur am stromabwärtigen Ende des Teilabgaskanalwegs 3d, werden jeweils durch die folgenden Gleichungen (9-1) bzw. (9-2) bestimmt, welche ähnlich den Gleichungen (5-1) bis (6-2) sind:
In der Gleichung (9-1) bezeichnet Ld die Länge (fester Wert) des Teilabgaskanalwegs 3d und entspricht Δz in Gleichung (4-1 ). Ad, Bd, Cd in Gleichungen (9-1 ), (9-2) bezeichnen Modellkoeffizienten, welche jeweils a, b bzw. c in den Gleichungen (4-1 ), (4-2) entsprechen, und die Werte dieser Modellkoeffizienten werden vorher auf dem Wege von Experimenten oder Simulationen gesetzt (festgelegt).
dt, Vg in Gleichungen (9-1), (9-2) haben dieselben Bedeutungen und Werte wie die in den Gleichungen (5-1) bis (6-2). Der in der Berechnung von Gleichung (9-2) verwendete Wert von T_A ist identisch denen, die in den Gleichungen (5-2), (6-2), (8-2) verwendet wurden. Die Anfangswerte Tgd(0), Twd(0) der geschätzten Werte der Abgastemperatur Tgd und der Katalysatortemperatur Twd sind gleich dem erfassten Wert der Umgebungstemperatur T_A zu der Zeit, zu der der Motor 1 den Betrieb aufgenommen hat, oder dem erfassten Wert der Motortemperatur TW, wie bei den Gleichungen (5-1) bis (6-2).
Die Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19 bestimmt, wie oben beschrieben, nacheinander stromabwärts in jeder Zykluszeit geschätzte Werte der Abgastemperaturen Texg, Tga, Tgb, Tgc, Tgd in der Auslassöffnung 2 des Motors 1 und den Teilabgaskanalwegen 3a, 3b, 3c, 3d. Anders ausgedrückt bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Texg in der Auslassöffnung 2 unter Verwendung von Parametern (NE und PB in der vorliegenden Ausführungsform), welche den Betriebszustand des Motors 1 repräsentieren, und bestimmt einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Tgd in dem Teilabgaskanalweg 3d, welcher äußerst stromabwärtig gelegen ist, unter Verwendung der thermischen Modellgleichungen (5-1), (5-2) bis (9-1), (9-2), welche eine Änderung der Temperatur des Abgases repräsentieren, wenn es von der Auslassöffnung 2 zu einer Position in der Nähe des Ortes des O₂-Sensors 8 strömt, sowie des geschätzten Werts der Abgastemperatur Texg in der Auslassöffnung 2. Der geschätzte Wert der Abgastemperatur Tgd im äußerst stromabwärtigen Teilabgaskanalweg 3d entspricht der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8. Der geschätzte Wert der Abgastemperatur Tgd wird als der geschätzte Wert der Abgastemperatur in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8 erhalten.
Der Algorithmus des Schätzprozesses des Abgastemperaturbeobachters 19 ist in 6 in Blockform gezeigt. In 6 werden die Modellgleichung (1) als ein thermisches Modell der Auslassöffnung 24, die Modellgleichungen (5-1), (5-2) und die Modellgleichungen (6-1), (6-2) als thermische Modelle des Vor-Kat-Abgassystems 25 bzw. 26, die Modellgleichungen (8-1), (8-2) als ein thermisches Modell des In-Kat-Abgassystems 27 und die Modellgleichungen (9-1), (9-2) als ein thermisches Modell des Nach-Kat-Abgassystems 28 bezeichnet. Wie in 6 gezeigt ist, werden jedem der thermischen Modelle 24 bis 28 die erfassten Werte der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB des Motors 1 zugeführt. Die erfassten Werte der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB, welche dem thermischen Modell der Auslassöffnung 24 zugeführt werden, werden dazu verwendet, die Basisabgastemperatur TMAP zu bestimmen, und die erfassten Werte der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB, welche den thermischen Abgassystem-Modellen 25 bis 28 zugeführt werden, werden dazu verwendet, den Wert des Gasgeschwindigkeitsparameters Vg zu bestimmen.
Jedem der thermischen Abgassystem-Modelle 25 bis 28 wird außerdem der erfasste Wert der Umgebungstemperatur T_A zugeführt. Dem thermischen Modell des Vor-Kat-Abgassystems 25, dem thermischen Modell des Vor-Kat-Abgassystems 26, dem thermischen Modell des In-Kat-Abgassystems 27 und dem thermischen Modell des Nach-Kat-Abgassystems 28 werden die geschätzten Werte der Abgastemperaturen Texg, Tga, Tgb bzw. Tgc zugeführt, welche von den übergeordneten thermischen Modellen 24, 25, 26, 27 ausgegeben wurden. Das thermische Modell des Nach-Kat-Abgassystems 28 produziert schließlich den geschätzten Wert der Abgastemperatur Tgd in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8, d.h. Abgastemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des Abgases.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der geschätzte Wert der Abgastemperatur Tgd wie oben beschrieben bestimmt. Der geschätzte Wert der Abgastemperatur Tgd kann jedoch auf andere Weise bestimmt werden. Sind z.B. die Abgastemperatur Texg in der Auslassöffnung 2 und die Abgastemperatur in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8 aufgrund der Ausführung oder der Struktur des Abgassystems des Motors 1 im Wesentlichen einander gleich, so kann der geschätzte Wert der Abgastemperatur Texg als die Abgastemperatur in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8 verwendet werden. Da die Abgastemperatur in enger Beziehung zum Betriebszustand des Motors 1 steht, wird es in jedem Fall bevorzugt, zum genauen Schätzen der Abgastemperatur zumindest Parameter zu verwenden, welche den Betriebszustand des Motors 1 repräsentieren. Stärker bevorzugt wird die Verwendung von Parametern, welche die Zustände der Drehzahl und der Menge an Ansaugluft des Motors 1 repräsentieren. In der vorliegenden Ausführungsform wird der erfasste Wert, welcher durch den Umgebungstemperatursensor des Motors 1 produziert wird, dazu verwendet, die Temperaturen der Kanaldefinierelemente (des Abgasrohrs 6a, des Katalysatormittels 7 im Katalysator 4 und des Abgasrohrs 6b), welche die Teilabgaskanalwege 3a, 3b, 3c, 3d definieren, zu schätzen. Der erfasste Wert, welcher durch einen außerhalb des Abgaskanals 3 angeordneten Umgebungssensor produziert wird, kann jedoch dazu verwendet werden, die Temperaturen dieser Kanaldefinierelemente zu schätzen.
Im Folgenden wird der Elementtemperaturbeobachter 20 beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform schätzt der Elementtemperaturbeobachter 20 sequentiell in gegebenen Zykluszeiten (Verarbeitungsperioden) die Elementtemperatur T₀₂, und zwar im Hinblick auf den thermischen Übergang (Wärmeaustauschbeziehung) zwischen dem aktiven Element 10 des O₂-Sensors 8 und dem mit diesem in Kontakt gehaltenen Abgas, die Wärmestrahlung (Wärmeaustauschbeziehung) von dem aktiven Element 10 in die Luft in dem aktiven Element 10 sowie den thermischen Übergang (Wärmeaustauschbeziehung) zwischen dem aktiven Element und dem Heizer 13, welcher das aktive Element 10 heizt.
Der Elementtemperaturbeobachter 20 schätzt außerdem die Temperatur Tht (hier im Folgenden als „Heizertemperatur Tht" bezeichnet) des Heizers 13, um die Elementtemperatur T₀₂ zu schätzen. Beim Schätzen der Heizertemperatur Tht berücksichtigt der Elementtemperaturbeobachter 20 den Wärmeübergang (Wärmeaustauschbeziehung) zwischen dem Heizer 13 und dem aktiven Element 10, die Wärmestrahlung von dem aktiven Heizer 13 in die Luft im aktiven Element 10 sowie außerdem das Heizen des Heizers 13 auf Grundlage der dem Heizer 13 zugeführten elektrischen Energie (die dem Heizer 13 zugeführte elektrische Heizenergie). Der Elementtemperaturbeobachter 20 umfasst einen Schätzalgorithmus zum Schätzen der Temperatur T₀₂ und der Temperatur Tht, welcher wie folgt aufgebaut ist:
Der Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt sequentiell in gegebenen Zykluszeiten (Verarbeitungsperioden) einen geschätzten Wert der Temperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 und einen geschätzten Wert der Temperatur. Tht des Heizers 13, und zwar jeweils gemäß den folgenden thermischen Modellgleichungen (10-1), (10-2):
Die Gleichung (10-1) repräsentiert ein Elementtemperaturmodell und die Gleichung (10-2) repräsentiert ein Heizertemperaturmodell.
In den Gleichungen (10-1), (10-2) bezeichnet k die Ordnungszahl einer Verarbeitungsperiode des Elementtemperaturbeobachters 20 (welche dieselbe ist, wie die Verarbeitungsperiode des Abgastemperaturbeobachters 19) und T_A' bezeichnet die Temperatur der Luft in dem aktiven Element 10. Die Gleichung (10-1) gibt an, dass die Temperaturänderung des aktiven Elements 10 in jeder Zykluszeit des Elementtemperaturbeobachters 20 abhängig ist von einer Temperaturänderungskomponente (zweiter Term auf der rechten Seite der Gleichung (10-1)), die von der Differenz zwischen der durch den Abgastemperaturbeobachter 19 wie oben beschrieben geschätzten Temperatur Tgd (der Abgastemperatur in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8) und der Elementtemperatur T₀₂ abhängt, d.h., einer Temperaturänderungskomponente, welche durch den Wärmeübergang zwischen dem aktiven Element 10 und dem mit diesem in Kontakt gehaltenen Abgas hervorgerufen wird (welche Temperaturänderungskomponente die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element 10 und dem Abgas repräsentiert), einer Temperaturänderungskomponente (der dritte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10-1 )), die von der Differenz zwischen der Elementtemperatur T₀₂ und der Heizertemperatur Tht abhängt, d.h. einer Temperaturänderungskomponente, welche durch den Wärmeübergang zwischen dem aktiven Element 10 und dem Heizer 13 hervorgerufen wird (welche Temperaturänderungskomponente die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element 10 und dem Heizer 13 repräsentiert), sowie einer Temperaturänderungskomponente (der vierte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10-1)), die von der Differenz zwischen der Elementtemperatur T₀₂ und der Temperatur T_A' der Luft in dem aktiven Element 10 abhängt, d.h. einer Temperaturänderungskomponente, welche durch die Wärmestrahlung von dem aktiven Element 10 in die Luft im aktiven Element 10 hervorgerufen wird (welche Temperaturänderungskomponente die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element 10 und der Luft darin repräsentiert), d.h. der Summe dieser Temperaturänderungskomponenten.
Die Gleichung (10-2) zeigt, dass die Temperaturänderung des Heizers 13 in jeder Zykluszeit abhängig ist von einer Temperaturänderungskomponente (der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (10-2)), die von der Differenz zwischen der Elementtemperatur T₀₂ und der Heizertemperatur Tht abhängt, d.h. einer Temperaturänderungskomponente, welche durch den Wärmeübergang zwischen dem aktiven Element 10 und dem Heizer 13 hervorgerufen wird (welche Temperaturänderungskomponente die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element 10 und dem Heizer 13 repräsentiert), einer Temperaturänderungskomponente (der dritte Term auf der rechten Seite von Gleichung (10-2)), die von der Differenz zwischen der Heizertemperatur Tht und der Temperatur T_A' der Luft in dem aktiven Element 10 abhängt, d.h. einer Temperaturänderungskomponente, welche durch die Wärmestrahlung von dem Heizer 13 in die Luft in dem aktiven Element 10 hervorgerufen wird (welche Temperaturänderungskomponente die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Heizer 13 und der Luft in dem aktiven Element 10 repräsentiert), sowie einer Temperaturänderungskomponente (der vierte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10-2)), welche von dem Produkt aus dem Arbeitszyklus DUT, der durch den Heizungssteuerer/-regler 22 wie später beschrieben erzeugt wird (oder genauer, dem Arbeitszyklus DUT, der tatsächlich für den Heizungssteuerer/-regler 22 zum Steuern/Regeln einer Energieversorgung des Heizers 13 verwendet wird) und dem Quadrat VB² der Batteriespannung VB, d.h. einer Temperaturänderungskomponente, welche durch das Heizen des Heizers 13 auf Grundlage der diesem zugeführten elektrischen Energie hervorgerufen wird, d.h. der Summe dieser Temperaturänderungskomponenten. Der Arbeitszyklus DUT in Gleichung (10-2) entspricht Heizenergiezuführmengendaten gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Gleichungen (10-1), (10-2) bezeichnen Ax, Bx, Cx, Dx, Ex, Fx Modellkoeffizienten, deren Werte vorher auf dem Weg von Experimenten oder Simulation gesetzt (festgelegt) worden sind und dt bezeichnet eine vorbestimmte Verarbeitungssequenzperiode (Zykluszeit) des Elementtemperaturbeobachters 20. In Gleichung (10-2) bezeichnet NVB einen vorbestimmten Referenzwert (z.B. 14 V) der Batteriespannung VB. Der Referenzwert NVB ist im Grunde eine Standardspannung (eine Spannung, welche normalerweise eingesetzt werden kann) für die Batteriespannung VB und kann auf einen willkürlichen Wert gesetzt werden.
Der vierte Term auf der rechten Seite von Gleichung (10-2) wird im Folgenden nachträglich beschrieben. Ist der Arbeitszyklus eines PWM-Steuer-/Regelprozess für den Heizer 13 konstant und ist der Widerstand des Heizers 13 bei seinem Betrieb konstant, dann ist die dem Heizer 13 zugeführte elektrische Energie proportional zum Quadrat der an den Heizer 3 angelegten Spannung und die an den Heizer 3 angelegte Spannung ist proportional zur Batteriespannung VB. Der Arbeitszyklus DUT definiert die Zeit, in welcher dem Heizer pro Periode der in dem PWM-Steuer-/Regelprozess angelegten gepulsten Spannung Energie zugeführt wird. Das Produkt aus dem Arbeitszyklus DUT und dem Quadrat VB² der Batteriespannung VB ist deshalb proportional zu dem Heizer 13 zugeführten elektrischen Energie. Die Batteriespannung VB verändert sich, wenn ein Drehstromgenerator zum Laden der Batterie an- und ausgeschaltet wird. In Gleichung (10-2) werden der Arbeitszyklus DUT und das Quadrat VB² der Batteriespannung VB miteinander multipliziert, um eine Temperaturänderungskomponente zu erhalten, welche durch das Heizen des Heizers 13 auf Grundlage der ihm zugeführten elektrischen Energie hervorgerufen wird.
Der Arbeitszyklus DUT(k), welcher in der Berechnung der Gleichung (10-2) benötigt wird, hat den letzten Wert des Arbeitszyklus DUT, welcher tatsächlich für den Heizungssteuerer/-regler 22 zum Steuern/Regeln einer Energiezufuhr des Heizers 13 gemäß dem PWM-Steuer-/Regelprozess verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der letzte Wert der Umgebungstemperatur T_A, die durch den nicht gezeigten Umgebungstemperatursensor erfasst wird, ersetzt für die Temperatur T_A'(k) der Luft in dem aktiven Element 10, welche bei der Berechnung der Gleichungen (10-1), (10-2) benötigt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist daher T_A'(k) = T_A(k). In der vorliegenden Ausführungsform sind die Anfangswerte T₀₂(0), Tht(0) der Elementtemperatur T₀₂ und der Heizertemperatur Tht gleich dem erfassten Wert der Umgebungstemperatur T_A oder dem erfassten Wert der Motortemperatur TW zu einer Zeit, zu der der Motor 1 den Betrieb gestartet hat.
Der Elementtemperaturbeobachter 20 berechnet sequentiell die geschätzten Werte der Elementtemperatur T₀₂ und der Heizertemperatur Tht gemäß dem oben beschriebenen Schätzalgorithmus. In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die thermischen Modellgleichungen (10-1), (10-2) eine Komponente, welche die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element 10 und der Luft darin repräsentiert, bzw. eine Komponente, welche die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Heizer 13 und der Luft in dem aktiven Element 10 repräsentiert (siehe den vierten Term der Gleichung (10-1) und den dritten Term der Gleichung (10-2)). Diese Komponenten können jedoch fortgelassen werden, da deren Einfluss auf die Elementtemperatur T₀₂ und die Heizertemperatur Tht relativ klein ist. Da in der vorliegenden Ausführungsform der O₂-Sensor 8 den Heizer 13 aufweist, werden die Gleichungen (10-1), (10-2) eingesetzt, um einen geschätzten Wert der Elementtemperatur T₀₂ zu bestimmen. Weist der O₂-Sensor 8 keinen Heizer auf, so kann ein geschätzter Wert der Elementtemperatur T₀₂ sequentiell gemäß einer Gleichung, welche ähnlich der Gleichung (10-1) ist, außer dass der dritte Term der Gleichung (10-1) weggelassen ist, oder gemäß einer Gleichung, welche ähnlich der Gleichung (10-1) ist, außer dass der dritte und der vierte Term der Gleichung (10-1) weggelassen sind, bestimmt werden. Werden der dritte und der vierte Term in Gleichung (10-1) weggelassen, so wird ein Wert, welcher der Abgastemperatur Tgd mit einer Zeitverzögerung erster Ordnung folgt, als ein geschätzter Wert der Elementtemperatur T₀₂ bestimmt. Von den thermischen Modellgleichungen (10-1), (10-2) zum Berechnen geschätzter Werte der Elementtemperatur T₀₂ und der Heizertemperatur Tht enthält die Gleichung (10-1) eine Komponente (den zweiten Term der Gleichung (10-1 ), welche die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element 10 repräsentiert. In einer Situation, in welcher die Abgastemperatur Tgd im Wesentlichen konstant ist, wie etwa dann, wenn der Motor 1 in einem Gleichgewichtsbetriebszustand ist, in welchem NE und PB im Wesentlichen konstant sind, kann jedoch auf eine solche Komponente verzichtet werden.
Das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 dient dazu, einen Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 zu setzen, welcher dafür geeignet ist, ein gutes Abgasreinigungsvermögen (Reinigungsrate) für CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoffe) und NOx (Stickoxide) zu erzielen, welche die Hauptabgaskomponenten sind, die in dem Katalysator 4 zu reinigen sind. Die Beziehung zwischen den Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 und der Elementtemperatur T₀₂ sowie die Beziehung zwischen der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 und den Reinigungsraten des Katalysators 4 für CO, NC, NOx werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
Wie in 3 gezeigt ist, ändern sich die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂. In 3 repräsentieren die durchgezogene Kurve „a" eine unterbrochene Kurve „b", eine Punkt-Strich-Kurve „c" und eine Zwei-Punkt-Strich-Kurve „d" die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors, wenn die Elementtemperatur T₀₂ 800°C, 750°C, 700°C bzw. 600°C beträgt. Aus 3 ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die Elementtemperatur T₀₂ in einem Temperaturbereich unterhalb 750°C ändert, der Gradient (Empfindlichkeit) einer Änderung der Ausgabe Vout des O₂-Senors 8 in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sowie der Pegel der Ausgabe Vout bei Luft-Kraftstoff-Verhältnissen fetter als dem Hochempfindlichkeits-Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich Δ dazu tendieren, sich zu ändern. Beträgt die Elementtemperatur T₀₂ 750°C oder mehr, so ist eine Änderung der Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 in Bezug auf eine Änderung der Elementtemperatur T₀₂ so gering, dass die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 im Wesentlichen konstant sind.
Wie in 4 gezeigt, sind dann, wenn die Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 konstant ist, die Reinigungsraten des Katalysators 4 für in dem Abgas enthaltenes CO, HC, NOx mit der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 korreliert, wie in 4 durch eine Gruppe von durchgezogenen Kurven oder eine Gruppe von unterbrochenen Kurven gezeigt ist. Die Gruppe durchgezogener Kurven in 4 ist gezeichnet für den Fall, dass die Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors z.B. 800°C beträgt, und die Gruppe unterbrochener Kurven in 4 ist gezeichnet für den Fall, dass die Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 z.B. 650°C beträgt. Wie aus diesen durchgezogenen Kurven oder unterbrochenen Kurven ersichtlich ist, unterscheidet sich die Ausgabe des O₂-Sensors 8 (welche den Luft-Kraftstoff-Verhältniszustand des Abgases repräsentiert), zum Maximieren der Reinigungsraten für CO, HC, NOx von Abgaskomponente zu Abgaskomponente leicht, es können jedoch in dem Luft-Kraftstoff-Verhältniszustand des Abgases, in welchem die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 einen bestimmten geeigneten Ausgabewert Vop (Spannungswert) annimmt, ausreichend gute Reinigungsraten sowohl für CO als auch für NC und NOx erzielt werden.
Der Ausgabewert Vop des O₂-Sensors 8 (hier im Folgenen gelegentlich als „Reinigungsoptimumsausgabe Vop" bezeichnet) zum Erzielen von ausreichend guten Reinigungsraten für alle zu reinigenden Abgaskomponenten unterscheidet sich jedoch in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂. Dies liegt daran, dass die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 sich wie oben beschrieben in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ verändern. Beträgt beispielsweise die Elementtemperatur T₀₂ 650°C, so beträgt die Reinigungsoptimumsausgabe Vop (650°C) des O₂-Sensors ungefähr 0,67 [V], und wenn die Elementtemperatur T₀₂ 800°C beträgt, so beträgt die Reinigungsoptimumsausgabe Vop (800°C) des O₂-Sensors ungefähr 0,59 [V]. Bei einer Elementtemperatur T₀₂ von 750°C oder höher sind die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 wie oben beschrieben im Wesentlichen konstant und somit ist auch die Reinigungsoptimumsausgabe Vop im Wesentlichen konstant (≈ Vop(800°C)). Die Reinigungsoptimumsausgabe Vop bei einer Elementtemperatur T₀₂ geringer als 750°C tendiert im Grunde dazu, größer zu werden, wenn die Elementtemperatur T₀₂ geringer ist.
Im Hinblick auf die vorangehende Tendenz ermittelt das O₂-Ausgabezielwert- Setzmittel 18 eine Reinigungsoptimumsausgabe Vop in Abhängigkeit von dem geschätzten Wert (den Elementtemperaturdaten gemäß der vorliegenden Ausführungsform) der Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8, welcher wie oben beschrieben durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt worden ist, und setzt im Grunde die ermittelte Reinigungsoptimumsausgabe Vop als einen Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors B. Genauer wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Reinigungsoptimumsausgabe Vop bestimmt, indem ein Korrekturkoeffizient KVO2 zu einer Reinigungsoptimumsausgabe Vop (hier im Folgenden als „Referenzreinigungsoptimumsausgabe NVop" bezeichnet) multipliziert wird, welche von dem O₂-Sensor 8 produziert wird, wenn seine Elementtemperatur T₀₂ eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 800°C) annimmt. Der Korrekturkoeffizient KVO2 wird beispielsweise auf Grundlage einer vorbestimmten Datentabelle, wie in 11 gezeigt, in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ (geschätzter Wert) gesetzt. In der in 11 gezeigten Datentabelle beträgt der Korrekturkoeffizient KVO2 in einem Temperaturbereich von T₀₂ ≥ 750°C KVO2 = 1, da die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 wie oben beschrieben im Wesentlichen konstant sind, wenn die Elementtemperatur T₀₂ 750°C oder mehr beträgt. In dem Temperaturbereich T₀₂ ≥ 750°C ist es jedoch möglich, dass die Reinigungsoptimumsausgabe Vop aufgrund leichter Änderungen der Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ nicht streng konstant ist. Daher kann der Wert des Korrekturkoeffizienten KVO2 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ im Temperaturbereich von 750°C oder höher leicht variiert sein. Die in 1 gezeigte Datentabelle ist so aufgestellt, dass in einem Temperaturbereich T₀₂ < 750°C der Wert des Korrekturkoeffizienten KVO2 größer als „1" ist, wenn die Elementtemperatur T₀₂ abgesenkt wird. In der vorliegenden Ausführungsform erreicht der Korrekturkoeffizient KVO2 seinen oberen Grenzwert, wenn T₀₂ = 600°C, und er wird in einem Temperaturbereich T₀₂ < 600°C auf dem oberen Grenzwert gehalten.
Die Referenzreinigungsoptimumsausgabe NVop wird mit dem Korrekturkoeffizient KVO2 multipliziert, um Reinigungsoptimumsausgaben Vop zum Erzielen ausreichend guter Reinigungsraten sowohl für CO als auch für HC und NOx bei jeweiligen Elementtemperaturen T₀₂ zu bestimmen. Das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 setzt im Grunde eine so ermittelte Reinigungsoptimumsausgabe Vop als Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in einem bestimmten Betriebszustand des Motors 1 oder eines Fahrzeuges, in welchem der Motor 1 montiert ist, der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 auf einen Ausgabewert zum Erzeugen der Reinigungsrate für NOx gesetzt, welcher höher ist als die Reinigungsoptimumsausgabe Vop. Details eines solchen Prozesses werden später beschrieben.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17 steuert/regelt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welches dem Katalysator 4 vom Motor 1 zugeführt wird, damit sich die tatsächliche Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 dem durch das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 gesetzten Zielwert Vtgt annähert (stabilisiert). Ein solcher durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/Regelmittel 17 ausgeführter Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprozess kann von herkömmlicher Art sein und wird im Folgenden nicht detailliert beschrieben. Der durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17 ausgeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/-regelprozess wird beispielsweise so durchgeführt, wie in den Absätzen [0071]–[0362] in der Beschreibung der japanischen offen gelegten Patent-Veröffentlichung Nr. 11-324767 oder dem US-Patent Nr. 6,188,953 beschrieben ist. Eine Zusammenfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelprozesses wird im Folgenden beschrieben. Ein Abgassystem (bezeichnet durch das Bezugszeichen E) mit dem Katalysator 4, welches von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Arbeitsbereich 9 zu dem O₂-Sensor 8 reicht, wird als ein gesteuertes/geregeltes Objekt angesehen, welches eine Eingabegröße, repräsentiert durch die Ausgabe KACT des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit breitem Arbeitsbereich 9, sowie eine Ausgabegröße, repräsentiert durch den O₂-Sensor 8, aufweist. Ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (ein Zielwert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welcher durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Arbeitsbereich 9 erfasst wird) als eine Zieleingabe für das Abgassystem E, welche benötigt wird, damit sich die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8, die die Ausgabe des Abgassystems E ist, dem Zielwert Vtgt annähert, wird daraufhin gemäß einem adaptiven Gleitzustand-Steuer/Regelprozess bestimmt, welcher vom Typ eines Rückführ-Steuer/Regelprozesses ist. Es wird dann ein Kraftstoffkommando zum Einstellen der dem Motor 1 zugeführten Kraftstoffmenge (und damit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines durch den Motor 1 zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemischs) gemäß einem adaptiven Steuer-/Regelprozess oder einem PID-Steuer-/Regelprozess erzeugt, damit sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, welches durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Arbeitsbereich 9 erfasst wird, dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert, und die dem Motor 1 zugeführte Menge an Kraftstoff wird in Abhängigkeit von dem erzeugten Kraftstoffkommando eingestellt.
Um eine Totzeit, welche zwischen der Ausgabe KACT des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit breitem Arbeitsbereich 9 (der Eingabe des Abgassystems E) und der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 (der Ausgabe des Abgassystems E) besteht, sowie auch eine Totzeit, welche zwischen dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Arbeitsbereich 9 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases besteht, zu kompensieren, wird bei der Berechnung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses darauffolgend ein geschätzter Wert der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 nach einer Gesamttotzeit bestimmt, die die Summe der oben angegebenen Totzeiten ist. Das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird dann gemäß dem adaptiven Gleitzustand-Steuer-/Regelprozess berechnet, damit sich der ermittelte geschätzte Wert dem Zielwert Vtgt annähert (und im Ergebnis, damit sich die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 dem Zielwert Vtgt annähert). Um dynamische Charakteristikenänderungen des Abgassystems E zu kompensieren, werden Parameter eines Modells des Abgassystems E, welche bei dem adaptiven Gleitzustand-Steuer-/Regelprozess sowie auch dem Prozess zum Berechnen eines geschätzten Werts der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 nach der Gesamttotzeit eingesetzt werden, darauf folgend unter Verwendung der Ausgabe KACT des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors mit breitem Arbeitsbereich 9 und der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 bestimmt.
Gemäß dem in der japanischen offengelegten Patent-Veröffentlichung Nr. 11-324767 oder dem US-Patent Nr. 6,188,953 offenbarten Prozess ist der Zielwert für die Ausgabe des O₂-Sensors, welcher stromabwärtig des Katalysators angeordnet ist, ein vorbestimmter konstanter Wert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch der Zielwert Vtgt, welcher sequentiell durch das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 gesetzt wird, als der Zielwert für die Ausgabe des O₂-Sensors verwendet werden. Ferner ist der durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/Regelmittel 17 ausgeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/Regelprozess nicht auf den in der japanischen offengelegten Patent-Veröffentlichung Nr. 11-324767 oder dem US-Patent Nr. 6,188,953 offenbarten Prozess beschränkt, sondern kann ein anderer Prozess sein, dahingehend, dass er die Ausgabe des O₂-Sensors 8 gut auf den Zielwert Vtgt steuern/regeln kann. Zum genauen Steuern/Regeln der Ausgabe des O₂-Sensors 8 beim Zielwert Vtgt ist es jedoch bevorzugt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß einem response-spezifischen Steuer/Regelprozess zu steuern/zu regeln. Ein solcher response-spezifischer Steuer-/Regelprozess sollte vorzugsweise den Algorithmus eines Gleitzustand-Steuer-/Regelprozesses verwenden, wie er beispielsweise in der japanischen offengelegten Patent-Veröffentlichung Nr. 11-324767 oder in dem US-Patent Nr. 6,188,953 offenbart ist, (stärker bevorzugt den eines adaptiven Gleitzustand-Steuer/Regelprozesses mit einem adaptiven Algorithmus, der zum Eliminieren des Effekts einer Störung und eines Modellfehlers des gesteuerten/geregelten Objekts hinzugefügt wurde).
Indem der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 wie oben beschrieben in Abhängigkeit von der Elementtemperatut T₀₂ variabel gesetzt wird, ist es im Grunde möglich, ein gutes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators 4 unabhängig von der Elementtemperatur T₀₂ zu erzielen. Da jedoch der Prozess zum Annähern der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 an den Zielwert Vtgt erfordert, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis feinfühlig gesteuert/geregelt wird, ist es wahrscheinlich, dass dann, wenn sich die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 aufgrund von Änderungen der Elementtemperatur T₀₂ häufig ändern, die Fähigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältniss-Steuer/Regelmittels 17, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern/zu regeln, d.h. die Stabilität und schnelle Reaktion des durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/Regelmittels 17 ausgeführten Steuer/Regelprozesses, beeinträchtigt wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform setzt das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 daher im Grunde einen Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ auf einen vorbestimmten konstanten Wert. Der Zielwert R ist eine Temperatur gleich oder größer als 750°C, z.B. 800°C (aus später zu beschreibenden Gründen).
Ist jedoch der Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ vom Start des Motors 1 an auf eine hohe Temperatur wie 800°C gesetzt, so kann dann, wenn an dem aktiven Element 10 des O₂-Sensors 8 zu einer Zeit, zu der der Motor 1 zu laufen beginnt, Feuchtigkeit haftet, das aktive Element 10 möglicherweise durch Spannungen beschädigt werden, welche sich entwickeln, wenn das aktive Element 10 abrupt aufgeheizt wird. Daher setzt das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 den Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ auf eine Temperatur unterhalb 750°C, z.B. 600°C, bis eine bestimmte Zeitperiode (z.B. 15 sek.) nach dem Start des Betriebs des Motors 1 verstrichen ist. Wie später im Detail beschrieben wird, setzt das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 dann, wenn die Umgebungstemperatur T_A gering ist (z.B. T_A < 0°C), selbst nach Ablauf der vorbestimmten Zeitperiode nach dem Start des Betriebs des Motors 1 den Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ auf eine Temperatur, welche geringfügig kleiner ist als der normale Zielwert (800°C) (750°C ≤ R < 800°C).
Die Gründe zum Setzen des Basiszielwerts R für die Elementtemperatur T₀₂ auf eine Temperatur gleich oder höher als 750°C (800°C in der vorliegenden Ausführungsform) werden im Folgenden nachträglich beschrieben. Wie oben beschrieben, sind die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 bei der Elementtemperatur T₀₂ von 750°C oder höher im Wesentlichen konstant und stabil. Die Erkenntnisse der Erfinder der vorliegenden Erfindung ergeben, dass dann, wenn die Elementtemperatur T₀₂ bei 750°C oder höher, z.B. 800° C, gehalten wird, die Ausgabe des O₂-Sensors 8 zum Erzielen einer guten Reinigungsrate des Katalysators 4 sowohl für CO als auch für NC und NOx, d.h. die Reinigungsoptimumsausgabe Vop (der Basiszielwert für die Ausgabe des O₂-Sensors 8 in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/Regelprozess), sich in einem Bereich befindet, welcher durch e4 auf der Kurve „a" in 3 bezeichnet ist, d.h. in einem Wendepunkt e4, in welchem der Gradient der Kurve „a", der die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 repräsentiert, von einem größeren Wert zu einem kleineren Wert wechselt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fetter wird. Zu dieser Zeit kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gut so gesteuert/geregelt werden, dass sich die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 dem Zielwert Vop annähert. Der Grund für die obige Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung/-regelung scheint darin zu liegen, dass an dem Wendepunkt e4 die Empfindlichkeit der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis weder übermäßig hoch noch gering ist, sondern geeignet. Aus den obigen Gründen wird der Basiszielwert R (normaler Zielwert) für die Elementtemperatur T₀₂ auf 750°C oder höher, z.B. 800°C, gesetzt.
Der Heizungssteuerer/-regler 22 berechnet den Arbeitszyklus DUT gemäß dem Algorithmus eines Rückführsteuer-/regelprozesses zum Annähern des geschätzten Werts der Elementtemperatur T₀₂, welche durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt wird, an den Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂, welcher durch das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 gesetzt wird. Genauer wird der Arbeitszyklus DUT gemäß dem Algorithmus eines Rückführsteuer-/regelprozesses, wie einen PI-Steuer-/Regelprozess oder einem PID-Steuer-/Regelprozess berechnet. Wird der Arbeitszyklus DUT gemäß dem Algorithmus eines PI-Steuer-/Regelprozesses berechnet, so wird der Arbeitszyklus DUT berechnet als die Summe aus einer Steuer-/Regel-Eingabekomponente (Proportionaltherm), die proportional zur Differenz zwischen dem geschätzten Wert der Elementtemperatur T₀₂ und dem Zielwert R ist, und einer Steuer-/Regel-Eingabekomponente (Integraltherm), die proportional zum Integral der Differenz ist. Der Rückführsteuer-/regelprozess zum Annähern der Elementtemperatur T₀₂ an den Zielwert R kann unter Verwendung eines Algorithmus gebildet sein, welcher verschieden von dem Algorithmus eines PI-Steuer-/Regelprozesses oder eines PID-Steuer-/Regelprozesses ist, z.B. unter Verwendung des Algorithmus eines modernen Steuer-/Regelprozesses wie dem Algorithmus eines Optimum-Steuer-/Regelprozesses, dem Algorithmus eines Regelprozesses mit Prädiktion oder dergleichen. Für ein stabiles und genaues Annähern der Elementtemperatur T₀₂ an den Zielwert R wird es bevorzugt, den Arbeitszyklus DUT auf Grundlage von Steuer-/Regel-Eingabekomponenten zu berechnen, welche zusätzlich zu den Steuer-/Regel-Eingabekomponenten (dem Proportionalterm und dem Integralterm wie oben beschrieben), welche von der Differenz zwischen dem geschätzten Wert der Elementtemperatur T₀₂ und dem Zielwert R abhängen, umfassen: eine Steuer-/Regel-Eingabekomponente, welche von der Heizertemperatur Tht abhängt (welche in der vorliegenden Ausführungsform durch den Elememttemperaturbeobachter 20 geschätzt wird), eine Steuer-/Regel-Eingabe-Komponente, welche von einer Abgastemperatur Tgd abhängt (welche in der vorliegenden Ausführungsform durch den Abgastemperaturbeobachter 19 geschätzt wird) sowie eine Steuer-/Regel-Eingabekomponente, welche von dem Zielwert R abhängt.
Der Gesamtbetrieb der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben. Zuerst wird die Steuerung/Regelung der Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 im Folgenden beschrieben. Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt (beim Motorstart), setzt die Steuer-/Regeleinheit 16 Anfangswerte Texg(0), Tga(0), Tgb(0), Tgc(0), Tgd(0), Twa(0), Twb(0), Twd(0), T₀₂(0), Tht(0) der geschätzten Werte der Abgastemperaturen Texg, Tga, Tgb, Tgc, Tgd der Abgasrohrtemperaturen Twa, Twb, Twd, der Katalysatortemperatur Twc, der Elementtemperatur T₀₂ bzw. der Heizertemperatur Tht wie folgt: In der vorliegenden Ausführungsform wird, während der Motor 1 nicht in Betrieb ist, die Stillstandszeit gemessen, während der der Motor 1 nicht im Betrieb ist. Die Steuer-/Regeleinheit 16 bestimmt, ob die Stillstandszeit, welche dem Start des Motors 1 vorangeht, eine vorbestimmte Zeit (z.B. zwei Stunden) überschreitet oder nicht. Ist die Stillstandszeit größer als die vorbestimmte Zeit, so setzt, da die Temperatur innerhalb der Rohrwandung und die Temperatur der Rohrwandung des Abgaskanals 3 als im Wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur betrachtet wird, die Steuer-/Regeleinheit 16 die Anfangswerte Texg(0), Tga(0), Tgb(0), Tgc(0), Tgd(0), Twa(0), Twb (0), Twd(0), T₀₂(0), Tht(0) auf den erfassten Wert der Umgebungstemperatur Twa beim Start des Motors 1. Ist die Stillstandszeit gleich oder geringer als die vorbestimmte Zeit, so setzt die Steuer-/Regeleinheit 16 – da die Temperatur innerhalb der Rohrwandung und die Temperatur der Rohrwandung des Abgaskanals 3 aufgrund der verbleibenden Wärme, welche in dem Motor 1 verblieben ist, nachdem der Motor 1 seinen vorhergehenden Betrieb gestoppt hat, als näher an der Motortemperatur Tw (der Kühlmitteltemperatur) des Motors 1 als an der Umgebungstemperatur liegend betrachtet wird – die Anfangswerte Texg(0), Tga(0), Tgb(0), Tgc(0), Tgd(0), Twa(0), Twb(0), Twd(0), T₀₂(0), Tht(0) auf den erfassten Wert der Motortemperatur Tw beim Start des Motors 1. Die Anfangswerte werden somit auf Temperaturen nahe den tatsächlichen Temperaturen gesetzt.
Wenn der Motor 1 bei seinem Start zu laufen beginnt, so führt die Steuer-/Regeleinheit 16 eine in 7 gezeigte Hauptroutine in einer vorbestimmten Zykluszeit (z.B. 10 ms) aus.
Die Steuer-/Regeleinheit 16 ruft in Schritt 1 erfasste Daten der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB des Motors 1, der Umgebungstemperatur T_A und der Batteriespannung VB ab und bestimmt dann in Schritt 2 den Wert eines rückwärts zählenden Zeitmessers COPC zum Messen der Zeit einer Periode der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 und des Heizungssteuerers/reglers 22. Der Wert des rückwärts zählenden Zeitmessers COPC wurde zu einer Zeit, als der Motor 1 den Betrieb aufgenommen hat, mit „0" initialisiert.
Ist COPC = 0, dann setzt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 3 den Wert des rückwärts zählenden Zeitmessers COPC neu auf eine Zeitmesser-Setzzeit TM1, welche einer Periode der Verarbeitungssequenzen des Elementtemperaturzielwert-Setzmittels 21 und des Heizungssteuerers/reglers 22 entspricht. In Schritt 4 führt danach das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 einen Prozess des Setzens eines Zielwerts R für die Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 aus und der Heizungssteuerer/regler 22 führt einen Prozess des Berechnens eines Arbeitszyklus DUT des Heizers 13 aus. Ist in Schritt 2 COPC ≠ 0, so zählt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 5 den Wert des rückwärts zählenden Zeitmessers COPC herab und überspringt die Verarbeitungen in Schritt 4 und Schritt 5. Die Verarbeitung in Schritt 4 (die Verarbeitungssequenzen des Elementtemperaturzielwert-Setzmittels 21 und des Heizungssteuerers-/Reglers 22) und Schritt 5 wird daher in der durch die Zeitmessersetzzeit TM1 bestimmten Periode ausgeführt.
Die Verarbeitung in Schritt 4 wird im Genaueren so wie in 8 gezeigt, ausgeführt. Das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 führt eine Verarbeitungssequenz in Schritt 4-1 bis Schritt 4-3 aus. Zuerst vergleicht das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 in Schritt 4-1 den Wert eines Parameters TSH, welcher die seit dem Start des Motors 1 verstrichene Zeit repräsentiert, mit einem vorbestimmten Wert XTM (z.B. 15 sek.). Ist TSM ≤ XTM, d.h. befindet sich der Motor 1 in einem Zustand unmittelbar nachdem er den Betrieb gestartet hat, so setzt das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 in Schritt 4-2 den Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ auf eine niedrige Temperatur (z.B. 600°C), um eine Beschädigung des aktiven Elements 10 des O₂-Sensors 8 zu verhindern.
Ist in Schritt 4-1 TSH > XTM, so setzt das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 in Schritt 4-3 den Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ aus dem vorliegenden erfassten Wert (abgefragt im in 7 gezeigten Schritt 1) der Umgebungstemperatur T_A auf Grundlage einer vorbestimmten Datentabelle. Der zu dieser Zeit gesetzte Zielwert R ist im Grunde ein vorbestimmter Wert (800°C in der vorliegenden Ausführungsform), welcher kleicher oder größer als 750°C ist, wenn die Umgebungstemperatur T_A eine normale Temperatur (z.B. T_A = 0°C) ist. Ist die Umgebungstemperatur T_A niedrig (z.B. T_A < 0°C), wie beim Betrieb des Motors 1 in einem kalten Klima, und ist der Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ eine hohe Temperatur von 800°C, so ist die Temperatur des Heizers 13 möglicherweise übermäßig hoch, da das aktive Element 10 und der Heizer 13 eine relativ große Menge an Wärme abstrahlen. Wird die Temperatur des Heizers 13 übermäßig hoch, so wird in der vorliegenden Ausführungsform der Heizer 13 durch einen Überhitzungsschutzprozess (später beschrieben) zwangsabgeschaltet, um sich selbst vor einer Störung zu schützen.
Ist die Umgebungstemperatur T_A gering (z.B. T_A < 0°C), so wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform in Schritt 4-3 der Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ auf einen Wert gesetzt, welcher leicht geringer ist als der normale Wert (z.B. 750°C ≤ R < 800°C). Genauer wird bei einer normalen Umgebungstemperatur von T_A ≥ 0°C der Zielwert R auf einen normalen Zielwert von 800°C gesetzt. Bei T_A < 0°C wird der Zielwert R in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T_A im Bereich von 750°C ≤ R < 800°C variabel gesetzt, so dass bei geringerer Umgebungstemperatur T_A der Zielwert R kleiner ist. Durch solch ein Setzen des Zielwerts R ist es möglich, jegliche Situationen, in welchen der Heizer 13 zwangsabgeschaltet werden muss, zu minimieren, während der Heizer 13 davor bewahrt wird, eine übermäßig hohe Temperatur anzunehmen.
Nachdem das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 wie oben beschrieben seine eigene Verarbeitungssequenz ausgeführt hat, führt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 4-4 bis 4-8 eine Verarbeitungssequenz des Heizungssteuerers/reglers 22 aus. Der Heizungssteuerer/regler 22 berechnet in Schritt 4-4 einen vorliegenden Wert DUT(n) des Arbeitszyklus DUT als eine Steuer-/Regeleingabe für den Heizer 13 gemäß dem Algorithmus eines Rückführ-Steuer-/Regelprozesses wie einem PI-Steuer-/Regelprozess, um den geschätzten Wert der Elementtemperatur T₀₂, welcher durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt wird, dem in Schritt 4-3 oder Schritt 4-2 gesetzten Zielwert R anzunähern. Der geschätzte Wert der Elementtemperatur T₀₂, welcher dazu verwendet wird, den vorliegenden Wert DUT(n) zu berechnen, ist ein Wert (beschrieben in dem später zu beschreibenden Schritt 13), welcher durch den Elementtemperaturbeobachter 20 in einer Verarbeitungssequenz vor Schritt 4 in der vorliegenden Verarbeitungssequenz bestimmt worden ist. Wird die Verarbeitung in Schritt 4 jedoch zum ersten Mal nach dem Start des Betrieb des Motors 1 ausgeführt, so wird der beim Start des Motors 1 gesetzte Anfangwert T₀₂(0) zum Berechnen des vorliegenden Werts DUT(n) verwendet.
Danach führt der Heizungssteuerer-/Regler 22 in Schritt 4-5 bis Schritt 4-8 einen Begrenzungsprozess zum Begrenzen des in Schritt 4-4 berechneten Arbeitszyklus DUT(n) aus. Genauer bestimmt der Heizungssteuerer/Regler 22 in Schritt 4-5, ob der Arbeitszyklus DUT(n) kleiner als ein vorbestimmter unterer Grenzwert (z.B. 0%) ist oder nicht. Ist DUT(n) kleiner als der untere Grenzwert, dann setzt der Heizungssteuerer/Regler 22 in Schritt 4-6 den Wert von DUT(n) zwangsweise auf den unteren Grenzwert. Ist DUT(n) ≥ dem unteren Grenzwert, so bestimmt der Heizungssteuerer/regler 22 in Schritt 4-7, ob der Arbeitszyklus DUT(n) größer ist als ein vorbestimmter oberer Grenzwert (z.B. 100%) oder nicht. Ist DUT(n) größer als der obere Grenzwert, dann setzt der Heizungssteuerer/regler 22 in Schritt 4-8 den Wert von DUT(n) zwangsweise auf den oberen Grenzwert. Die von dem Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 und dem Heizungssteuerer/regler 22 ausgeführte Verarbeitung in Schritt 4 ist nun beendet.
Die Steuerung/Regelung kehrt dann zur in 7 gezeigten Hauptroutine zurück. Die Steuer-/Regeleinheit 16 führt die Verarbeitung in Schritt 6 bis Schritt 10 aus. Die Verarbeitung in Schritt 6 bis Schritt 10 repräsentiert einen Prozess zum Schützen des Heizers 13 vor Überhitzung. In Schritt 6 bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 16, ob der vorliegende geschätzte Wert (letzter Wert) der Heizertemperatur Tht gleich oder größer als ein vorbestimmter oberer Grenzwert THTLMT (z.B. 930°C) ist oder nicht. Ist Tht ≥ THTLMT, so schaltet die Steuer-/Regeleinheit 16 in der vorliegenden Ausführungsform den Heizer 13 zwangsweise ab, um den Heizer 13 davor zu schützen, beschädigt zu werden. Der geschätzte Wert Tht kann jedoch aufgrund anderer Störung oder dergleichen zeitweise auf einen Wert gleich oder größer als dem oberen Grenzwert THTLMT steigen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform schaltet die Steuer-/Regeleinheit 16 den Heizer 13 daher dann zwangsweise ab, wenn der Zustand, in welchem Tht ≥ THTLMT eine vorbestimmte Zeit (z.B. 3 sek., hier im Folgenden als „Heizer-AUS-Verzögerungszeit" bezeichnet) angedauert hat.
Ist in Schritt 6 Tht < THTLMT, dann setzt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 7 den Wert eines rückwärts zählenden Zeitmessers TMHTOFF zum Messen der Heizer-AUS-Verzögerungszeit auf einen vorbestimmten Wert TM2 entsprechend der Heizer-AUS-Verzögerungszeit. Da zu dieser Zeit die Steuer-/Regeleinheit 16 den Heizer 13 nicht zwangsabschaltet, führt die Steuerung/Regelung zu Schritt 11.
Ist in Schritt 6 Tth ≥ THTLMT, so zählt die Steuer-/Regeleiheit 16 in Schritt 8 den Wert des rückwärts zählenden Zeitmessers TMHTOFF, um „1" herab. Danach bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 9, ob der Wert des rückärts zählenden Zeitmessers TMHTOFF „0" ist oder nicht, d.h. ob die Heizer-AUS-Verzögerungszeit mit Tht ≥ THTLMT abgelaufen ist oder nicht.
Ist TMHTOFF ≠ 0, so führt die Steuerung/Regelung zu Schritt 11. Ist TMHTOFF = 0, so setzt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 10 den vorliegenden Wert DUT(n) des Arbeitszyklus DUT zwangsweise auf „0". Die Steuerung/Regelung führt dann zu Schritt 11.
Durch ein solches Ausführen des Prozesses zum Schützen des Heizers 13 vor Überhitzen wird der vorliegende Wert DUT(n) des Arbeitszyklus DUT letztlich bestimmt. Die Steuer-/Regeleinheit 16 legt an eine Heizerenergiezuführschaltung (nicht gezeigt) eine gepulste Spannung gemäß dem vorliegenden Wert DUT(n) des Arbeitszyklus DUT an und dem Heizer 13 wird Energie zugeführt, wobei die elektrische Energie von dem Arbeitszyklus DUT(n) abhängt. Ist DUT(n) = 0, so legt die Steuer-/Regeleinheit 16 an die Heizerenergiezuführschaltung keine gepulste Spannung an, wodurch der Heizer 13 abgeschaltet wird.
Nachdem somit die Verarbeitung in Schritt 6 bis Schritt 10, d.h. der Prozess zum Schützen des Heizers 13 vor Überhitzung, ausgeführt wurde, bestimmt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 11 den Wert eines rückwärts zählenden Zeitmesserws COBS zum Messen der Zeit dt einer Periode der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20. Der Wert des rückwärts zählenden Zeitmessers COBS wird anfangs auf „0" gesetzt, wenn der Motor 1 den Betrieb startet.
Ist der COBS = 0, so setzt die Steuer-/Regeleinheit 16 in Schritt 12 den Wert von COBS neu auf eine Zeitmessersetzzeit TM3, welche der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20 entspricht. In Schritt 13 (später zu beschreiben) führt dann der Abgastemperaturbeobachter 19 einen Prozess des Schätzens der Abgastemperatur Tgt (der Abgastemperatur in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8) aus und der Elementtemperaturbeobachter 20 führt einen Prozess des Schätzens der Elementtemperatur T₀₂ (einschließlich einem Prozess des Schätzens der Heizertemperatur Tht) aus. Ist in Schritt 11 COBS ≠ 0, so zählt die Steuer-/Regeleinheit 16 den Wert von COBC in Schritt 14 herab und überspringt die Verarbeitung in Schritt 12 und Schritt 13. Die Verarbeitung in Schritt 14 wird daher in einer Periode dt ausgeführt, welche durch die Zeitmessersetzzeit TM3 bestimmt wird. Die in 7 gezeigte Hauptroutine ist nun beendet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Zeitmessersetzzeit TM1, welche die Periode der Verarbeitungssequenzen des Elementtemperaturzielwert-Setzmittels 21 und des Heizersteuerers/reglers 22 (die Periode, in welcher die Verarbeitung in Schritt 4 ausgeführt wird) definiert, länger als die Zeitmessersetzzeit TM3, welche die Periode dt der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20 (die Periode, in welcher die Verarbeitung in Schritt 13 ausgeführt wird) definiert. Genauer sollte die Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20 vorzugsweise mit einer relativ kurzen Periode (z.B. 20 bis 50 ms) ausgeführt werden, um die Genauigkeit, mit welcher die Temperaturen geschätzt werden, zu erhöhen. Die Periode der Verarbeitungssequenz des Heizungssteuerers/reglers 22 kann länger sein als die Periode der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20, da die Reaktionsgeschwindigkeit einer Änderung der Elementtemperatur in Bezug auf die Steuer-/Regeleingabe (Arbeitszyklus DUT) relativ gering ist (in Form einer Frequenz von einigen Hz). Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Zeitmessersetzzeit TM1 daher länger gewählt als die Zeitmessersetzzeit TM3, um dadurch die Periode der Verarbeitungssequenzen des Elementtemperaturzielwert-Setzmittels 21 und des Heizungssteuerers/reglers 22 auf eine Zeit (z.B. 300 bis 500 ms) zu setzen, welche länger ist als die Periode dt der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20.
Die Verarbeitung in Schritt 13 wird im Genaueren so wie in 9 gezeigt, ausgeführt. Der Abgastemperaturbeobachter 19 führt nacheinander die Verarbeitung in Schritt 13-1 bis Schritt 13-6 aus, um einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Tgd in der Nähe der Position des O₂-Sensors 8 zu bestimmen. In Schritt 13-1 bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 einen Gasgeschwindigkeitsparameter Vg gemäß der Gleichung (7) unter Verwendung der vorliegenden erfassten Werte (der letzten in Schritt 1 abgefragten Werte) der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB des Motors 1. Der Gasgeschwindigkeitsparameter Vg wird zwangsweise auf Vg = 1 gesetzt, wenn das durch die Gleichung (7) berechnete Ergebnis aufgrund einer übermäßigen Drehzahl des Motors 1 „1" überschreitet.
Danach berechnet der Abgastemperaturbeobachter 19 in Schritt 13-2 einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Texg an der Auslassöffnung 2 des Motors 1 gemäß der Gleichung (1). Genauer bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 eine Basisabgastemperatur TMAP (NE, PB) von den vorliegenden erfassten Werten der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB des Motors 1 auf Grundlage eines vorbestimmten Kennfeldes und berechnet danach die rechte Seite der Gleichung (1) unter Verwendung der Basisabgastemperatur TMAP(NE, PB), des geschätzten Werts Texg(k-1) (bestimmt in Schritt 13-2 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Texg sowie des Werts eines vorbestimmten Koeffizienten Ktex, wobei ein neuer geschätzter Wert Texg(k) der Abgastemperatur Texg berechnet wird. Während der Motor 1 im Leerlauf läuft sowie auch während die Zufuhr von Kraftstoff zum Motor 1 unterbrochen ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Basisabgastemperatur TMAP, welche in der Berechnung der Gleichung (1) verwendet wird, auf vorbestimmte Werte entsprechend den jeweiligen Motorbetriebszuständen gesetzt. Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt, wird die zu dieser Zeit erfasste Umgebungstemperatur T_A oder Motortemperatur TW als Anfangswert Texg(0) des geschätzten Werts der Abgastemperatur Texg gesetzt. Wenn Gleichung (1) nach dem Start des Betriebs des Motors (1) zum ersten Mal berechnet wird, so wird der Anfangswert Texg(0) als der Wert von Texg(k-1) verwendet.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet dann in Schritt 13-3 einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Tga und einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Twa in dem Teilabgaskanalweg 3a gemäß den jeweiligen Gleichungen (5-1), (5-2). Genauer bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 einen neuen geschätzten Wert Tga(k+1) der Abgastemperatur Tga durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (5-1) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tga(k) (bestimmt in Schritt 13-3 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tga, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-3 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twa, des vorliegenden geschätzten Werts der Abgastemperatur Texg, der vorher in Schritt 13-2 berechnet wurde, des vorliegenden Werts des Gasgeschwindigkeitsparameters Vg, der in Schritt 13-1 berechnet wurde, des Werts des vorbestimmten Modellkoeffizienten Aa und des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19. Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet einen neuen geschätzten Wert Twa(k+1) der Abgastemperatur Twa durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (5-2) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tga(k) (bestimmt in Schritt 13-3 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tga, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-3 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twa, des Werts der vorbestimmten Modellkoeffizienten Ba, Ca sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt, so werden die Umgebungstemperatur T_A oder die Motortemperatur TW welche zu dieser Zeit erfasst werden, als Anfangswerte Tga(0), Twa(0) der geschätzten Werte der Abgastemperatur Tga und der Abgasrohrtemperatur Tba gesetzt. Werden die Gleichungen (5-1), (5-2) zum ersten Mal nach dem Starten des Betriebs des Motors 1 berechnet, dann werden diese Anfangswerte Tga(0), Twa(0) als die jeweiligen Werte Tga(k-1 ), Twa(k-1) verwendet.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet dann in Schritt 13-4 einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Tgb und einen geschätzten Wert der Abgasrohrtemperatur Twb in dem Teilabgaskanalweg 3b gemäß den jeweiligen Gleichungen (6-1), (6-2). Genauer bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 einen neuen geschätzten Wert Tgb(k+1) der Abgastemperatur Tgb durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (6-1) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tgb(k) (bestimmt in Schritt 13-4 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tgb, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-4 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twb, des vorliegenden geschätzten Werts der Abgastemperatur Tga, welcher vorher in Schritt 13-3 berechnet wurde, des vorliegenden Werts des Gasgeschwindigkeitsparameters Vg, welcher in Schritt 13-1 berechnet wird, des Werts des vorbestimmten Modellkoeffizienten Ab sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet einen neuen geschätzten Wert Twb(k+1) der Abgasrohrtemperatur Twb durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (6-2) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tgb(k) (bestimmt in Schritt 13-4 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tgb, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-4 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twb, des Werts der vorbestimmten Modellkoeffizienten Bb, Cb sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt, werden die Umgebungstemperatur Ta, oder die Motortemperatur TW, welche zu dieser Zeit erfasst werden, als Anfangswerte Tgb(0), Twb(0) der geschätzten Werte der Abgastemperatur Tgb und der Abgasrohrtemperatur Twb gesetzt. Werden die Gleichungen (6-1), (6-2) zum ersten Mal nach dem Start des Betriebs des Motors 1 berechnet, so werden diese Anfangswerte Tgb(0), Twb(0) als die jeweiligen Werte Tgb(k-1), Twb(k-1) verwendet.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet dann in Schritt 13-5 einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Tgc und einen geschätzten Wert der Abgasrohrtemperatur Twc in dem Teilabgaskanalweg 3c gemäß den jeweiligen Gleichungen (8-1), (8-2). Genauer bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 einen neuen geschätzten Wert Tgc(k+1) der Abgastemperatur Tgc durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (8-1) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tgc(k) (bestimmt in Schritt 13-5 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tgc, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-5 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twc, des vorliegenden geschätzten Werts der Abgastemperatur Tgb, welcher vorher in Schritt 13-4 berechnet wurde, des vorliegenden Werts des Gasgeschwindigkeitsparameters Vg, der in Schritt 13-1 berechnet wurde, des Werts des vorbestimmten Modellkoeffizienten Ac sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet einen neuen geschätzten Wert Twc(k+1) der Katalysatortemperatur Twc durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (8-2) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tgc(k) (bestimmt in Schritt 13-5 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tgc, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-5 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Katalysatortemperatur Twc, des vorliegenden Werts des Gasgeschwindigkeitsparameters Vg, der in Schritt 13-1 berechnet wurde, des Werts der vorbestimmten Modellkoeffizienten Bc, Cc, Dc sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt, werden die Umgebungstemperatur Ta oder die Motortemperatur TW, welche zu dieser Zeit erfasst werden, als Anfangswerte Tgc(0), Twc(0) der geschätzten Werte der Abgastemperatur Tgc und der Abgasrohrtemperatur Twc gesetzt. Werden die Gleichungen (8-1), (8-2) zum ersten Mal nach dem Start des Betriebs des Motors 1 berechnet, so werden diese Anfangswerte Tgc(0), Twc(0) als die jeweiligen Werte Tgc(k-1), Twc(k-1) verwendet.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet dann in Schritt 13-6 einen geschätzten Wert der Abgastemperatur Tgd und einen geschätzten Wert der Abgasrohrtemperatur Twd in dem Teilabgaskanalweg 3d (nahe der Position des O₂-Sensors 8) gemäß den jeweiligen Gleichungen (9-1), (9-2). Genauer bestimmt der Abgastemperaturbeobachter 19 einen neuen geschätzten Wert Tgd(k+1) der Abgastemperatur Tgd durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (9-1) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tgd (k) (bestimmt in Schritt 13-6 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tgd, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-6 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twd, des vorliegenden geschätzten Werts der Abgastemperatur Tgc, welcher vorher in Schritt 13-5 berechnet wurde, des vorliegenden Werts des Gasgeschwindigkeitsparameters Vg, welcher in Schritt 13-1 berechnet wurde, des Werts des vorbestimmten Modellkoeffizienten Ad sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Der Abgastemperaturbeobachter 19 berechnet einen neuen geschätzten Wert Twd(k+1) der Abgasrohrtemperatur Twd durch Berechnen der rechten Seite von Gleichung (9-2) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts Tgd(k) (bestimmt in Schritt 13-6 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Abgastemperatur Tgd, des vorliegenden geschätzten Werts (bestimmt in Schritt 13-6 in der vorhergehende Zykluszeit) der Abgasrohrtemperatur Twd, des Werts der vorbestimmten Modellkoeffizienten Bd, Cd sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19.
Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt, so werden die Umgebungstemperatur Twa oder die Motortemperatur TW, welche zu dieser Zeit erfasst werden, als Anfangswerte Tgd(0), Twd(0) der geschätzten Werte der Abgastemperatur Tgd und der Abgasrohrtemperatur Twd gesetzt. Werden die Gleichungen (9-1), (9-2) zum ersten Mal nach dem Start des Betriebs des Motors 1 berechnet, so werden diese Anfangswerte Tgd(0), Twd(0) als die jeweiligen Werte Tgd(k-1), Twd(k-1) verwendet.
Der Elementtemperaturbeobachter 20 führt dann die Verarbeitung in Schritt 13-7 aus, um geschätzte Werte der Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 und der Heizertemperatur Tht gemäß den Gleichungen (10-1), (10-2) zu bestimmen. Genauer bestimmt der Elementtemperaturbeobachter 20 einen neuen geschätzten Wert T₀₂(k+1) der Elementtemperatur T₀₂ durch Berechnen der rechten Seite von Gleichung (10-1) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts T₀₂(k) (bestimmt in Schritt 13-7 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Elementtemperatur T₀₂, des vorliegenden geschätzten Werts Tht(k) (bestimmt in Schritt 13-7 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Heizertemperatur Tht, des vorliegenden geschätzten Werts Tgd(k) der Abgastemperatur Tgd, welcher vorher in Schritt 13-6 berechnet wurde, des vorliegenden erfassten Werts T_A(k) (letzter Wert, welcher in dem in 7 gezeigten Schritt 1 abgerufen wurde) der Umgebungstemperatur T_A als die Temperatur T_A' der Luft in dem aktiven Element 10, des Werts der vorbestimmten Modellkoeffizienten Ax, Bx sowie des Werts der Periode dt (= die Periode der Verarbeitungssequenz des Abgastemperaturbeobachters 19) der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20.
Der Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt dann einen neuen geschätzten Wert Tht(k+1) der Heizertemperatur Tht durch Berechnen der rechten Seite der Gleichung (10-2) unter Verwendung des vorliegenden geschätzten Werts T₀₂(k) (bestimmt in Schritt 13-7 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Elementtemperatur T₀₂, des vorliegenden geschätzten Werts Tht(k) (bestimmt in Schritt 13-7 in der vorhergehenden Zykluszeit) der Heizertemperatur Tht, des vorliegenden erfassten Werts T_A(k) (letzter Wert, welche in dem in 7 gezeigten Schritt 1 abgerufen wurde) der Umgebungstemperatur T_A als die Temperatur T_A' der Luft in dem aktiven Element 10, des vorliegenden Werts DUT(k) des Arbeitszyklus DUT, des Werts der vorbestimmten Modellkoeffizienten Cx, Dx sowie des Werts der Periode dt der Verarbeitungssequenz des Elementtemperaturbeobachters 20.
Wenn der Motor 1 zu laufen beginnt, werden die Umgebungstemperatur T_A oder die Motortemperatur TW, welche zu dieser Zeit erfasst werden, als Anfangswerte T₀₂(0), Tht(0) der geschätzten Werte der Elementtemperatur T₀₂ und der Heizertemperatur Tht gesetzt. Werden die Gleichungen (10-1), (10-2) zum ersten Mal nach dem Start des Betriebs des Motors 1 berechnet, so werden diese Anfangswerte T₀₂(0), Tht(0) als die jeweiligen Werte T₀₂(k-1), Tht(k-1) verwendet. Der Arbeitszyklus DUT(k), welcher in der Gleichung (10-2) verwendet wird, ist im Grunde der letzte Wert, der durch den Heizungssteuerer/regler 22 in Schritt 4 berechnet wird. Wird der Wert des Arbeitszyklus DUT jedoch in Schritt 10 begrenzt, um den Heizer 13 abzuschalten, so wird in Gleichung (10-2) der begrenzte Wert des Arbeitszyklus DUT verwendet.
Im Folgenden wird ein Prozess zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motors 1 beschrieben. Während die Elementtemperatur T₀₂ des O₂-Sensors 8 so wie oben beschrieben gesteuert/geregelt wird, so bestimmt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 gleichzeitig nachfolgend den Zielwert Vtgt für die Ausgabe des O₂-Sensors 8 in einer vorbestimmten Zykluszeit (Verarbeitungsperiode) gemäß einer in 10 gezeigten Verarbeitungssequenz.
Das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 bestimmt in Schritt 21 ein Abgasvolumen SV als einen die Last des Motors 1 repräsentierenden Parameter. Das Abgasvolumen SV repräsentiert die Rate, mit welcher das Abgas strömt. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Abgasvolumen SV aus dem letzten Wert einer Kraftstoffverbrauchsgröße NTI pro Zeiteinheit des Motors 1 bestimmt, welche nachfolgend auf Grundlage einer vorbestimmten Datentabelle durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuer/regelmittel 17 zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet wird. Die Kraftstoffverbrauchsmenge pro Zeiteinheit des Motors 1 wird bestimmt durch Multiplizieren der Drehzahl NE des Motors 1 zu einer Basiskraftstoffverbrauchsgröße des Motors 1 (einem Standardwert (Basiswert) der Kraftstoffverbrauchsgröße in Abhängigkeit von der Drehzahl NE und dem Ansaugdruck PB des Motors 1), welche auf Grundlage eines Kennfelds oder dergleichen aus den erfassten Werten der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB des Motors 1 bestimmt wird. Wird die Rate, bei welcher dem Motor 1 zugeführte Ansaugluft oder das Abgas strömt, direkt durch einen Strömungssensor erfasst, so kann die erfasste Rate anstatt des Abgasvolumens SV verwendet werden.
Um den Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ variabel zu setzen, bestimmt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 22 auf Grundlage der in 11 gezeigten Datentabelle einen Korrekturkoeffizienten KVO2 von dem letzten Wert (vorliegender Wert) des geschätzten Werts der Elementtemperatur T₀₂, der durch den Elementtemperaturbeobachter 20 bestimmt wurde.
Das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 bestimmt dann in Schritt 23, ob der Motor 1 im Leerlauf ist oder nicht. Befindet sich der Motor 1 im Leerlauf, so setzt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 24 den Basiszielwert für die Ausgabe des O₂-Sensors 8 auf einen vorbestimmten Wert Vnox. Wie in 4 gezeigt, ist der vorbestimmten Wert Vnox gleich einem Ausgabewert des O₂-Sensors 8, welcher die Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx im Wesentlichen maximiert, wenn die Elementtemperatur T₀₂ eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 800°C) annimmt, und ist gleich einem Ausgabewert des O₂-Sensors 8, welcher bei der vorbestimmten Temperatur das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fetter werden lässt als die Reinigungsoptimumsausgabe Vop zum Erzielen ausreichend guter Reinigungsraten sowohl für CO als auch für HC und NOx. Da die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 im Wesentlichen konstant sind, wenn die Elementtemperatur T₀₂ gleich oder größer als 750°C ist, ist der Ausgabewert des O₂-Sensors 8 zum Maximieren der Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx (hier im Folgenden als „NOx-Reinigungsoptimumsausgabe" bezeichnet) im Wesentlichen konstant, wenn die Elementtemperatur T₀₂ gleich oder größer als 750°C ist, und ist im Wesentlichen dieselbe wie die N0x-Reinigungsoptimumsausgabe Vnox (hier im Folgenden als „Referenz-NOx-Reinigungsoptimumsausgabe Vnox" bezeichnet), wenn die Elementtemperatur T₀₂ die vorbestimmte Temperatur (800°C) ist. Wie die Reinigungsoptimumsausgabe Vop, so tendiert auch die N0x-Reinigungsoptimumsausgabe bei einer Elementtemperatur T₀₂ kleiner als 750°C dazu, größer zu sein, wenn die Elementtemperatur T₀₂ geringer ist. Daher ist die N0x-Reinigungsoptimumsausgabe bei jeder Elementtemperatur T₀₂ im Wesentlichen gleich einem Wert, welcher durch Multiplizieren der Referenz-NOx-Reinigungsoptimumsausgabe Vnox mit dem aus der in 11 gezeigten Datentabelle bestimmten Korrekturkoeffizienten KVO2 erzeugt wird.
Nachdem in Schritt 24 der Basiszielwert auf die Referenz-N0x- Reinigungsoptimumsausgabe Vnox gesetzt worden ist, multipliziert das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 den Basiszielwert Vnox mit dem in Schritt 22 bestimmten Korrekturkoeffizienten KVO2, wobei der Basiszielwert Vnox korrigiert wird, um dadurch in Schritt 30 einen vorliegenden Zielwert Vtgt(j) für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 zu setzen. In Vtgt(j) bezeichnet j die Ordnungszahl einer Zykluszeit der in 10 gezeigten Verarbeitungssequenz.
Somit ist dann, wenn die Antwort auf Schritt 23 JA ist, der in Schritt 30 gesetzte Zielwert Vtgt(j) (= Vnox·KVO2) gleich dem letzten Wert des geschätzten Werts der Elementtemperatur T₀₂, d.h. dem Ausgabewert des O₂-Sensors 8 zum Maximieren der Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx bei der vorliegenden Elementtemperatur T₀₂. Wie in 4 gezeigt, wird beispielsweise dann, wenn die Elementtemperatur T₀₂ 650°C beträgt, der Zielwert Vtgt(j) auf einen Wert gesetzt, welcher im Wesentlichen gleich dem in 4 gezeigten Ausgabewert Vnox" ist. Der Grund, warum der Zielwert Vtgt wie oben beschrieben gesetzt wird, während sich der Motor 1 im Leerlaufzustand befindet, wird später beschrieben.
Befindet sich der Motor 1 in Schritt 23 nicht im Leerlaufzustand, so bestimmt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 25, ob die Drehzahl NE des Motors 1 sich in dem Prozess befindet, in welchem sie von der Leerlaufgeschwindigkeit aus ansteigt oder nicht. Ist die Antwort auf Schritt 25 JA, so beginnt das Fahrzeug, an welchem der Motor 1 montiert ist, beispielsweise sich zu bewegen. In einer solchen Situation ist der Anteil an in dem Abgas enthaltenem NOx größer als die Anteile anderer in dem Abgas enthaltener Komponenten. Wenn die Antwort auf Schritt 25 JA ist, so führt gemäß der vorliegenden Erfindung das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 die Verarbeitung in Schritt 24, Schritt 30 aus, um den Ausgabewert (= Vnox KVO2) des O₂-Sensors 8 zum Maximieren der Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx als den Zielwert Vtgt(j) zu setzen. Der Entscheidungsprozess in Schritt 25 wird auf Grundlage des erfassten Werts der Drehzahl NE des Motors 1 oder einer Änderungsrate derselben (einer Änderung von NE pro Zeiteinheit) ausgeführt. Ist zum Beispiel die Drehzahl NE des Motors 1 um einen vorbestimmten Wert größer als die Leerlaufdrehzahl und die Änderungsrate der Drehzahl NE beträgt einen vorbestimmten Wert oder mehr bei der Steigung der Drehzahl NE, so ist es möglich zu beurteilen, dass die Drehzahl NE sich von der Leerlaufdrehzahl aus erhöht. Da sich die Drehzahl NE von der Leerlaufdrehzahl aus im Grunde dann erhöht, wenn das Fahrzeug, an welchem der Motor 1 montiert ist, beginnt, sich zu bewegen, kann auf Grundlage eines erfassten Werts der Fahrzeuggeschwindigkeit oder eines EIN/AUS-Signals, welches den Betrieb der Bremsen des Fahrzeugs repräsentiert, bestimmt werden, ob das Fahrzeug beginnt, sich zu bewegen, oder nicht, und wenn das Fahrzeug beginnt, sich zu bewegen, so kann beurteilt werden, dass die Drehzahl NE des Motors 1 sich in dem Prozess befindet, in welchem sie von der Leerlaufdrehzahl aus ansteigt.
Ist die Antwort auf Schritt 25 NEIN, so bestimmt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 26, ob das in Schritt 21 bestimmte Abgasvolumen SV größer als ein vorbestimmter Hochlastgrenzwert SVH ist oder nicht. Ist SV > SVH (der Motor 1 arbeitet unter hoher Last), so ist – wie dann, wenn die Drehzahl NE des Motors 1 sich in dem Prozess des Ansteigens aus der Leerlaufdrehzahl befindet – der Anteil an in dem Abgas enthaltenen NOx größer als die Anteile anderer in dem Abgas enthaltener Komponenten. Daher setzt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 dann, wenn die Antwort auf Schritt 26 JA ist, den Ausgabewert (= Vnox·KVO2) des O₂-Sensors 8 zum im Wesentlichen Maximieren der Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx als einen Zielwert Vtgt(t).
Ist die Antwort auf Schritt 26 NEIN, so bestimmt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 27, ob das in Schritt 21 bestimmte Abgasvolumen SV größer ist als ein vorbestimmter Niedriglastgrenzwert SVL oder nicht. Ist SV < SVL (der Motor 1 arbeitet unter geringer Last), so setzt das O₂- Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 28 die Referenzreinigungsoptimumsausgabe NVop als einen Basiszielwert. In Schritt 30 wird der Basiszielwert NVop mit dem in Schritt 22 bestimmten Korrekturkoeffizienten KVO2 multipliziert, wodurch ein vorliegender Zielwert Vtgt(j) (= NVop·KVO2) gesetzt wird.
Ist die Antwort auf Schritt 27 JA (der Motor 1 arbeitet unter niedriger Last), so ist daher der in Schritt 30 gesetzte Zielwert Vtgt(j) gleich einem Ausgabewert des O₂-Sensors 8 zum Erzielen ausreichend guter Reinigungsraten sowohl für CO als auch für NC und NOx bei der vorliegenden Elementtemperatur T₀₂ (dem letzten geschätzten Wert der Elementtemperatur T₀₂, welcher dazu verwendet wurde, in Schritt 22 den Korrekturkoeffizienten KVO2 zu bestimmen), d.h. der Reinigungsoptimumsausgabe Vop. Läuft der Motor 1 unter geringer Last mit SV < SVL, so fährt das Fahrzeug, an welchem der Motor 1 montiert ist, z.B. bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit.
Ist die Antwort auf Schritt 27 NEIN (SVL ≤ SV ≤ SVH, d.h. der Motor 1 läuft unter mittlerer Last), so setzt das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 in Schritt 29 einen Basiszielwert in Abhängigkeit von dem Abgasvolumen SV beispielsweise auf Grundlage einer in 12 gezeigten vorbestimmten Datentabelle. Die in 12 gezeigte Datentabelle wurde so aufgestellt, dass der Basiszielwert auf einen höheren Wert (einen Ausgabewert des O₂-Sensors 8 für ein fetteres Abgasluft-Kraftstoffverhältnis) gesetzt, wenn das Abgasvolumen SV größer ist. Der Basiszielwert bei SV = SVL ist gleich der Referenzreinigungsoptimumsausgabe NVop und der Basiszielwert bei SV = SVH ist gleich der Referenz-NOx-Reinigungsoptimumsausgabe Vnox. Arbeitet der Motor 1 unter mittlerer Last, so wird der Basiszielwert daher so gesetzt, dass er sich in Abhängigkeit vom Abgasvolumen SV, d.h. in Abhängigkeit von der Last des Motors 1, zwischen der Referenzreinigungsoptimumsausgabe NVop und der Referenz-NOx-Reinigungsoptimumsausgabe Vnox kontinuierlich verändert. Nachdem der Basiszielwert in Schritt 29 auf diese Weise gesetzt wurde, multipliziert das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 den Basiszielwert mit dem in Schritt 22 bestimmten Korrekturkoeffizienten KVO2, wodurch ein vorliegender Zielwert Vtgt(j) gesetzt wird. Der so gesetzte Zielwert Vtgt(j) ist gleich einem Ausgabewert des O₂-Sensors 8 zum Steigern der Reinigungsrate des Katalysators für NOx, wenn die Last des Motors 1 größer ist. Der obige Prozess, welcher oben im Detail beschrieben wurde, ist die Verarbeitungssequenz des O₂-Ausgabezielwert-Setzmittels 18.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer/Regelmittel 17 steuert/regelt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des durch den Motor 1 zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemisches gemäß einem Rückführ-Steuer/Regelprozess, um die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 dem Zielwert Vtgt, welcher wie oben beschrieben, durch das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 18 gesetzt wurde, anzunähern.
Mit der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wie oben beschrieben der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ variabel gesetzt, indem der Korrekturkoeffizient KVO2 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ auf Grundlage der in 11 gezeigten Datentabelle gesetzt wird. Es ist folglich möglich, unabhängig von der Elementtemperatur T₀₂ einen Zielwert Vtgt, welcher zum Erzielen eines gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators 4 geeignet ist, zu setzen. Indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 dem Zielwert Vtgt annähert, kann das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators 4 unabhängig von der Elementtemperatur T₀₂ beibehalten werden.
Zusätzlich steuert/regelt der Heizungssteuerer/Regler 22 den Heizer 13 so, dass die Elementtemperatur T₀₂ auf dem Zielwert R gehalten wird, welcher durch das Elementtemperaturzielwert-Setzmittel 21 gesetzt wird. Der Zielwert R ist im Grunde konstant, außer direkt nachdem der Motor 1 den Betrieb begonnen hat sowie wenn die Umgebungstemperatur T_A bemerkenswert gering ist (T_A < 0°C in der vorliegenden Ausführungsform). Es werden somit jegliche Änderungen der Elementtemperatur T₀₂ minimiert. Als ein Ergebnis ist es möglich, die Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 zu stabilisieren und damit die Stabilität des gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators 4 zu stabilisieren. Während der Zielwert für die Elementtemperatur T₀₂ auf einem konstanten Niveau gehalten wird, wenn der Motor 1 in einem Gleichgewichtszustand arbeitet, wird, da die tatsächliche Elementtemperatur T₀₂ durch Steuern/Regeln des Heizers 13 mit dem Heizungssteuerer/Regler 22 im Wesentlichen auf demselben Niveau wie der Zielwert R gehalten wird, der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 im Wesentlichen konstant gehalten. Ist die Umgebungstemperatur bemerkenswert gering, so ist es jedoch möglich, dass die tatsächliche Elementtemperatur T₀₂ nicht imstande ist, den Zielwert R zu erreichen, da die Temperatur des Abgases relativ gering und die Menge an in die Umgebung gestrahlter Wärme groß ist. Ferner kann aufgrund einer Änderung der Temperatur des Abgases, welche durch eine Änderung im Betriebszustand des Motors 1 verursacht wird, die tatsächliche Elementtemperatur T₀₂ in Bezug auf den Zielwert R variieren. In diesen Fällen wird das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators 4 durch Setzen des Zielwerts Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂ zuverlässig aufrechterhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Elementtemperatur T₀₂, welche in der Verarbeitungssequenz des O₂-Ausgabezielwert-Setzmittels 18 und des Heizungssteuerers/Reglers 22 verwendet wird, auf Grundlage der Drehzahl NE und des Ansaugdrucks PB, welche als den Betriebszustand des Motors 1 anzeigende Parameter dienen, sowie der durch die Gleichungen (2-1), (2-2) bis (10-1 ), (10-2) repräsentierten thermischen Modelle geschätzt. Bei dem Schätzprozess werden eine Temperaturänderung, welche das Abgas erfährt, wenn es von der Abgasöffnung 2 des Motors 1 zu der Position des O₂-Sensors 8 strömt, der Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem aktiven Element 10, der Wärmeübergang zwischen dem aktiven Element 10 und dem Heizer 13 sowie der Arbeitszyklus DUT, welcher die Menge an dem Heizer 13 zugeführter elektrischer Energie repräsentiert, in Betracht gezogen. Die Elementtemperatur T₀₂ kann daher ohne die Notwendigkeit eines Temperatursensors genau geschätzt werden. Soweit der Zielwert Vtgt der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 unter Verwendung des geschätzten Werts der Elementtemperatur T₀₂ gesetzt wird, ist es möglich, einen Zielwert Vtgt zu setzen, welcher zum Aufrechterhalten des gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators 4 geeignet ist. Da die Zufuhr elektrischer Energie zum Heizer 13 ohne Verwendung des geschätzten Werts der Elementtemperatur T₀₂ gesteuert/geregelt wird, kann außerdem die Elementtemperatur T₀₂ stabil auf den Zielwert R gesteuert/geregelt werden. Das gewünschte Abgasreinigungsvermögen des Katalysators 4 kann somit aufrechterhalten werden, während der Effekt einer durch die Elementtemperatur T₀₂ verursachten Änderung der Ausgabecharakteristiken des O₂-Sensors 8 gut eliminiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 auf einen solchen Wert gesetzt, dass die Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx maximiert wird, wenn der Motor 1 in einem Zustand läuft, in welchem viel NOx in dem Abgas enthalten ist, wie etwa wenn die Drehzahl NE des Motors 1 sich in dem Zustand des Ansteigens von der Leerlaufdrehzahl befindet oder der Motor 1 unter hoher Last arbeitet. Die Fähigkeit des Katalysators 4, NOx zu reinigen, wird deshalb in Situationen, in denen viel NOx in dem Abgas enthalten ist, gesteigert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 auf einen solchen Wert gesetzt, dass selbst während des Leerlaufzustands 1 des Motors 1 die Reinigungsrate des Katalysators für NOx maximiert ist, und zwar aus den folgenden Gründen: Bei an dem Fahrzeug montiertem Motor ist es im Allgemeinen schwierig, den Zeitpunkt vorherzusagen, wenn die Drehzahl NE beginnt, von der Leerlaufdrehzahl aus anzusteigen, wie etwa wenn das Fahrzeug beginnt, sich zu bewegen. Der Zeitpunkt, wann beurteilt werden kann, dass die Drehzahl NE sich in dem Prozess des Ansteigens von der Leerlaufdrehzahl aus befindet (d.h. der Zeitpunkt, wenn die Antwort auf den in 10 gezeigten Schritt 25 sich von NEIN auf JA ändert) ist daher von dem Zeitpunkt aus, wenn die Drehzahl NE tatsächlich beginnt, sich von der Leerlaufdrehzahl aus zu erhöhen, verzögert. Außerdem gibt es eine bestimmte Verzögerung, welche auftritt, bis sich die tatsächliche Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 im Wesentlichen dem Zielwert Vtgt, welcher die Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx maximiert, angenähert hat. Wird folglich der Zielwert Vtgt während des Leerlaufzustands des Motors 1 in derselben Weise gesetzt, wie dann, wenn der Motor 1 unter geringer Last läuft, so ist es während einer Zeitperiode, beginnend nachdem die Drehzahl NE begonnen hat, von der Leerlaufdrehzahl aus anzusteigen, bis die tatsächliche Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 sich im Wesentlichen dem Zielwert Vtgt, welcher die Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx maximiert, angenähert hat, schwierig, die Reinigungsrate für NOx ausreichend zu steigern. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird daher, selbst während sich der Motor 1 im Leerlaufzustand befindet, der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 auf einen solchen Wert gesetzt, dass die Reinigungsrate des Katalysators 4 für NOx maximiert wird, so dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzielt wird, welches es dem Katalysator 4 ermöglicht, NOx von einer Zeit an, bevor die Drehzahl NE beginnt, sich zu erhöhen, ausreichend zu reinigen. Somit kann NOx ausreichend gereinigt werden, wenn sich die Drehzahl NE in dem Prozess des Ansteigens von der Leerlaufdrehzahl aus befindet.
Läuft der Motor 1 unter einer mittleren Last, so variiert gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Basiszielwert für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 kontinuierlich in Abhängigkeit vom Abgasvolumen (Abgasströmungsrate) SV zwischen der Referenzreinigungsoptimumsausgabe NVop und der Referenz-NOx-Reinigungsoptimumsausgabe Vnox. Der Zielwert Vtgt, welcher durch Multiplizieren des Basiszielwerts mit dem Korrekturkoeffizienten KVO2 erzeugt wurde, wird daher daran gehindert, sich unkontinuierlich zu verändern und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann somit sanft gesteuert/geregelt werden. Genauer wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stromaufwärts des Katalysators 4 davor bewahrt, sich aufgrund einer Änderung des Zielwerts Vtgt stark zu verändern und die Fähigkeit der Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8, sich dem Zielwert Vtgt anzunähern, wird davor bewahrt, verringert zu werden, wodurch die Reinigungsrate des Katalysators 4 davor bewahrt wird, verringert zu werden, wenn sich der Zielwert Vtgt ändert. Zur selben Zeit verändert sich der Zielwert Vtgt in eine Richtung zum Erhöhen der Reinigungsrate für NOx, wenn in dem Abgas enthaltenes NOx sich vermehrt, weil die Last auf den Motor 1 steigt, so dass der Katalysator 4 NOx gut reinigen kann.
Eine Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben. Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich teilweise strukturell oder funktionell von der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese strukturellen oder funktionellen Teile der Vorrichtungen gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche denen der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung identisch sind, sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet und werden nachfolgend nicht im Detail beschrieben.
13 zeigt in Blockform die Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 13 gezeigt ist, unterscheidet sich die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nur hinsichtlich teilweiser funktioneller Mittel der Steuer-/Regeleinheit 16. Die Steuer-/Regeleinheit 16 umfasst ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17, ein O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 30, einen Abgastemperaturbeobachter 19, einen Elementtemperaturbeobachter 20, ein Heizertemperaturzielwert-Setzmittel 31 sowie einen Heizersteuerer/regler 32. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17, der Abgastemperaturbeobachter 19 und der Elementtemperaturbeobachter 20 sind mit denen der ersten Ausführungsform identisch. Gemäß der zweiten Ausführungsform dient jedoch der Elementtemperaturbeobachter 20 als ein Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel zum darauffolgenden Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur Tht des Heizers 13 des O₂-Sensors 8 als Heizertemperaturdaten. In 13 wird der Elementtemperaturbeobachter 20 daher auch als HEIZERTEMPERATURBEOBACHTER in Klammern bezeichnet, um einen geschätzten Wert der Heizertemperatur Tht (welche Heizertemperaturdaten gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht) auszugeben. in der folgenden Beschreibung der zweiten Ausführungsform wird der Elementtemperaturbeobachter 20 als ein Heizertemperaturbeobachter 20 bezeichnet.
Das Heizertemperaturzielwert-Setzmittel 31 dient dazu, ein Zielwert R" für die Heizertemperatur Tht des O₂-Sensors 8 zu setzen. Die Erkenntnisse der Erfinder der vorliegenden Erfindung zeigen, dass die Heizertemperatur Tht relativ stark mit der Elementtemperatur T₀₂ korreliert ist und um eine bestimmte Temperatur höher ist als die Elementtemperatur T₀₂ in einem Gleichgewichtszustand. Gemäß der vorliegenden Erfindung setzt das Heizertemperaturzielwert-Setzmittel 31 als den Zielwert R' für die Heizertemperatur Tht einen Wert (R+DR), welcher größer ist als der Zielwert R (der in Schritt 4 in 7 gesetzte Zielwert R) für die Elementtemperatur T₀₂, der, wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben, auf einen vorbestimmten Wert DR (z.B. 100°C) gesetzt wurde. Bis eine vorbestimmte Zeitdauer (z.B. 15 sek.) nach dem Start des Betriebs des Motors 1 abgelaufen ist, wird der Zielwert R' auf eine geringe Temperatur (z.B. 700°C) gesetzt, welche größer ist als der Zielwert R, der in Schritt 4-2 in 8 auf den vorbestimmten Wert DR gesetzt wurde. Nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer nach dem Start des Betriebs des Motors 1 wird der Zielwert R" auf eine Temperatur (z.B. eine Temperatur im Bereich von 850 bis 900°C) gesetzt, welche höher ist als der Zielwert R, der abhängig von der Umgebungstemperatur T_A in Schritt 4-3 in 8 auf den vorbestimmten Wert DR gesetzt wurde.
Der Heizungssteuerer/regler 32 bestimmt nachfolgend den Artbeitszyklus DUT als eine Steuer-/Regeleingabe für den Heizer 13, um die Heizertemperatur Tht bei dem Zielwert R' zu halten. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet der Heizungssteuerer/regler 32 wie bei der ersten Ausführungsform den Arbeitszyklus DUT, um es dem Heizungstemperaturbeobachter 20 zu ermöglichen, den, geschätzten Wert der Heizertemperatur Tht, welcher gemäß dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Algorithmus bestimmt wurde, gemäß dem Algorithmus eines Rückführ-Steuer-/Regelprozesses, wie einem PI-Steuer-/Regelprozess oder einem PID-Steuer-/Regelprozess, konvergieren zu lassen. Wird z.B. der Arbeitszyklus DUT gemäß dem Algorithmus eines PI-Steuer-/Regelprozesses berechnet, so wird der Arbeitszyklus DUT berechnet als die Summe aus einer Steuer-/Regeleingabekomponente (Proportionaltherm), welcher proportional zur Differenz zwischen dem geschätzten Wert der Heizertemperatur Tht und dem Zielwert R' ist, und einer Steuer-/Regeleingabekomponente (Integraltherm), welche proportional zum Integral der Differenz ist. Wie bei der ersten Ausführungsform kann der Rückführ-Steuer-/Regelprozess zum Annähern der Heizertemperatur Tht an den Zielwert R' unter Verwendung des Algorithmus eines modernen Steuer-/Regelprozesses wie dem Algorithmus eines Optimum-Steuer-/Regel prozesses, dem Algorithmus eines Regelprozesses mit Prädiktion oder dergleichen aufgebaut sein. Für ein stabiles und genaues Annähern der Heizertemperatur Tht an den Zielwert R' wird es bevorzugt, den Arbeitszyklus DUT auf Grundlage von Steuer-/Regeleingabekomponenten zu berechnen, welche zusätzlich zu den Steuer-/Regeleingabekomponenten (dem Proportionaltherm und dem Integraltherm wie oben beschrieben), welche von der Differenz zwischen dem geschätzten Wert der Heizertemperatur Tht und dem Zielwert R' abhängen, umfassen: Eine Steuer-/Regel-Eingabekomponente, welche von der Abgastemperatur Tgd abhängt (welche in der vorliegenden Ausführungsform durch den Abgastemperaturbeobachter 19 geschätzt wird) und eine Steuer-/Regeleingabekomponente, welche von dem Zielwert R' abhängt.
Das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 30 bestimmt sequentiell einen Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 für einen durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regelmittel 17 ausgeführten Luft-Kraftstoff-Steuer-/Regelprozess. Der durch das O₂-Ausgabezielwert-Setzmittel 30 ausgeführte Prozess unterscheidet sich von dem entsprechenden Prozess in der ersten Ausführungsform lediglich hinsichtlich des Setzens (der Verarbeitung entsprechend dem in 10 gezeigten Schritt 22) des Korrekturkoeffizienten KVO2 zum Verändern des Zielwerts Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 in Abhängigkeit von der Elementtemperatur T₀₂. Genauer wird, da die Elementtemperatur T₀₂ und die Heizertemperatur Tht stark miteinander korreliert sind, gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Korrekturkoeffizient KVO2 in Abhängigkeit von der Heizertemperatur Tht (welche ein durch den Heizertemperaturbeobachter 20 bestimmter, geschätzter Wert ist), beispielsweise auf Grundlage einer in 14 gezeigten vorbestimmten Datentabelle, gesetzt. In einem Gleichgewichtszustand ist die Heizertemperatur Tht im Allgemeinen um einen vorbestimmten Wert DR (z.B. 100°C) höher als die Elementtemperatur T₀₂. Beträgt die Heizertemperatur Tht daher 850°C oder mehr (zu dieser Zeit beträgt die Elementtemperatur T₀₂ etwa 750°C oder mehr), so wird der Korrekturkoeffizient KVO2 auf 1 gesetzt. Diese Verarbeitung entspricht der Verarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform, in welcher bei T₀₂ ≥ 750°C in 11 der Korrekturkoeffizient KVO2 auf „1 " gesetzt wird. Ist die Heizertemperatur Tht geringer als 850°C (zu dieser Zeit ist die Elementtemperatur T₀₂ im Allgemeinen geringer als 750°C), so wird der Korrekturkoeffizient KVO2 leicht größer als „1" gesetzt, da die Heizertemperatur Tht geringer ist. Diese Verarbeitung entspricht der Verarbeitung gemäß der ersten Ausführungsform, in welcher bei T₀₂ < 750°C in 11 der Korrekturkoeffizient KVO2 auf einen größeren Wert gesetzt wird, wenn die Elementtemperatur T₀₂ geringer ist.
Andere strukturelle und die Verarbeitung betreffende Details der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform als die oben beschriebenen sind exakt identisch denen der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Durch Setzen des Korrekturkoeffizienten KVO2 in Abhängigkeit von der Heizertemperatur Tht wird der Zielwert Vtgt für die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 in der vorliegenden Ausführungsform in indirekter Weise variabel von der Elementtemperatur T₀₂ abhängig gesetzt. Indem die dem Heizer 13 mit dem Heizungssteuerer/Regler 22 zugeführte elektrische Energie so gesteuert/geregelt wird, dass die Heizertemperatur Tht (welche ein durch den Heizertemperaturbeobachter 20 bestimmter, geschätzter Wert ist) bei dem Zielwert R' gehalten wird, wird die Elementtemperatur T₀₂ auf indirekte Weise auf eine Temperatur (welche im Wesentlichen gleich dem Zielwert R für die Elementtemperatur T₀₂ in der ersten Ausführungsform ist) gesteuert/geregelt, welche dem Zielwert R' entspricht. Es ist daher wie bei der ersten Ausführungsform möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern/zu regeln, um die Ausgabe Vout des O₂-Sensors 8 dem Zielwert Vtgt anzunähern, welcher zum Erzielen eines gewünschten Abgasreinigungsvermögens des Katalysators 4 geeignet ist, und zwar unabhängig von der Elementtemperatur T₀₂, wodurch das Abgasreinigungsvermögen des Katalysators 4 zuverlässig beibehalten wird. Wie bei der ersten Ausführungsform kann der Katalysator 4 NOx gut reinigen, da der Zielwert Vtgt so gesetzt wird, dass er in einer Situation, in welcher der Motor 1 so betrieben wird, dass NOx in dem Abgas ansteigt, die Reinigungsrate für NOx zunimmt.
In den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen ist der O₂-Sensor 8 als ein Abgassensor der Vorrichtung vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf einen anderen Abgassensor als den O₂-Sensor 8 anwendbar (z.B. den Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor mit breitem Arbeitsbereich 9, einen NC-Sensor, einen NOx-Sensor, etc.).
Der Verbrennungsmotor, auf welchen die vorliegende Erfindung anwendbar ist, kann ein normaler Einlassinjizierender Verbrennungsmotor, ein Funkenzündungs-Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung in Zylinder, ein Dieselmotor, ein Verbrennungsmotor zur Verwendung als Außenbordmotor an einem Boot, etc. sein.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und im Detail beschrieben wurden, soll verstanden sein, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen daran ausgeführt werden können, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Ein Zielwert Vtgt für eine Ausgabe Vout eines O₂-Sensors 8 (eines Abgassensors), welcher stromabwärts eines Katalysators 4 angeordnet ist, wird variabel in Abhängigkeit von einer Temperatur T₀₂ eines aktiven Elements 10 des O₂-Sensors 8 durch eine Zielwertsetzeinheit 18 gesetzt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Abgases wird durch eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuer-/Regeleinheit 17 gesteuert/geregelt, so dass sich die Ausgabe Vout dem Zielwert Vtgt annähert. Eine Abgastemperatur Tgt wird durch einen Abgastemperaturbeobachter 19 geschätzt und die Temperatur T₀₂ des aktiven Elements 10 wird nachfolgend durch einen Elementemperaturbeobachter 20 unter Verwendung des geschätzten Werts der Abgastemperatur Tgd geschätzt. Ein Heizer 13 des O₂-Sensors 8 wird durch einen Heizungssteuerer/Regler 22 gesteuert/geregelt, um die Temperatur T₀₂ des aktiven Elements 10 bei einem vorbestimmten Zielwert R zu halten. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird somit so gesteuert/geregelt, dass ein gewünschtes Abgasreinigungsvermögen des Katalysators unabhängig von der Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors beibehalten wird.

Claims

Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgassensor, der stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf einen bestimmten Bestandteil in dem Abgas empfindlich ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des vom Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel zum sequentiellen Erfassen von Elementtemperaturdaten, welche die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors repräsentieren, sowie ein Zielwert-Setzmittel zum variablen Setzen des Zielwerts in Abhängigkeit von den Elementtemperaturdaten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel ein Mittel zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten umfasst, welches einen Parameter verwendet, der zumindestens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, in welcher das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel ein Mittel umfasst zum Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung des für wenigstens den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters sowie zum Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element.
Vorrichtung nach Anspruch 3, in welcher der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases, welcher dazu verwendet wird, den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements zu bestimmen, einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors umfasst und das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel ein Mittel umfasst zum Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters und zum Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, das eine Änderung der Temperatur des Abgases repräsentiert, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, ferner umfassend: einen Heizer zum Heizen des aktiven Elements; und ein Heizersteuer-/regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers; wobei das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel umfasst: ein Mittel zum Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von von dem Heizersteuer-/Regelmittel zum Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, ferner umfassend: einen Heizer zum Heizen des aktiven Elements; und ein Heizersteuer-/regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers; wobei das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel umfasst: ein Mittel zum Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors, Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von von dem Heizersteuer-/Regelmittel zum Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie:
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Heizer zum Heizen des aktiven Elements; und ein Heizersteuer-/regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers; wobei das Elementtemperaturdaten-Erfassungsmittel umfasst: ein Mittel zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten unter Verwendung wenigstens der Heizenergiezuführmengendaten, die eine Menge von von dem Heizersteuer-/Regelmittel zu dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: einen Heizer zum Heizen des aktiven Elements; und ein Heizersteuer-/regelmittel, um den Heizer derart zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in welcher das Heizersteuer-/regelmittel ein Mittel umfasst, um den Heizer derart zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgassensor, der stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf einen bestimmten Bestandteil in dem Abgas empfindlich ist, sowie mit einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements, und ein Heizersteuer-/ regelmittel zum Steuern/Regeln des Heizers, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des vom Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel zum sequentiellen Erfassen von Heizertemperaturdaten, welche die Temperatur des Heizers des Abgassensors repräsentieren, sowie ein Zielwert-Setzmittel zum variablen Setzen des Zielwerts in Abhängigkeit von den Heizertemperaturdaten.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher das Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel ein Mittel umfasst, zum Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung eines für wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters und zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge an von dem Heizersteuer-/Regelmittel an den Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases, welcher verwendet wird, um den geschätzten Wert der Temperatur des Heizers zu bestimmen, einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors umfasst und in welcher das Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel ein Mittel umfasst, zum Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters sowie zum Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Änderung der Temperatur des Abgases, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher das Heizertemperaturdaten-Erfassungsmittel ein Mittel umfasst, zum sequentiellen Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten unter Verwendung wenigstens von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von von dem Heizersteuer-/regelmittel zu dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, in welcher das Heizersteuer-/regelmittel ein Mittel umfasst, um den Heizer so zu steuern/zu regeln, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors mit einem Abgassensor, welcher stromabwärts eines in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf einen bestimmten Bestandteil in dem Abgas empfindlich ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des vom Verbrennungsmotor zum Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich die Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: sequentielles Erfassen von Elementtemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des aktiven Elements des Abgassensors sowie sequentielles, variables Setzen des Zielwerts in Abhängigkeit von den Elementtemperaturdaten.
Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner den Schritt umfasst: sequentielles Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten unter Verwendung eines Parameters, der wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements die Schritte umfasst: sequentielles Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung des wenigstens den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters und Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element.
Verfahren nach Anspruch 17, in welchem der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases, welcher verwendet wird, um den geschätzten Wert der Temperatur des aktiven Elements zu bestimmen, einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors umfasst und in welchem der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements die Schritte umfasst: Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters und Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors, und zwar unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, das eine Änderung der Temperatur des Abgases repräsentiert, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements die Schritte umfasst: Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von zu einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Verfahren nach Anspruch 18, in welchem der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements, die Schritte umfasst: Bestimmen des geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements unter Verwendung des geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für die Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner den Schritt umfasst: sequentielles Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des aktiven Elements als die Elementtemperaturdaten unter Verwendung von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, welches ferner den Schritt umfasst: Steuern/Regeln eines Heizers zum Heizen des aktiven Elements, derart, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, welches ferner den Schritt umfasst: Steuern/Regeln des Heizers, derart, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.
Verfahren zum Steuern/Regeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors mit einem Abgassensor, welcher stromabwärts eines in einem Abgaskanals des Verbrennungsmotors positionierten Katalysators angeordnet ist und ein aktives Element zum Kontaktieren eines durch den Katalysator passierenden Abgases aufweist, wobei das aktive Element auf eine bestimmte Komponente in dem Abgas empfindlich ist, sowie mit einem Heizer zum Heizen des aktiven Elements, derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von dem Verbrennungsmotor zu dem Katalysator zugeführten Abgases so gesteuert/geregelt wird, dass sich eine Ausgabe des Abgassensors einem vorbestimmten Zielwert annähert, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: sequentielles Erfassen von Heizertemperaturdaten, welche repräsentativ sind für die Temperatur des Heizers, und variables Setzen eines Zielwerts in Abhängigkeit von den Heizertemperaturdaten.
Verfahren nach Anspruch 24, welches ferner die Schritte umfasst: Schätzen einer Temperatur des Abgases unter Verwendung eines für wenigstens einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentativen Parameters und sequentielles Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases, von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge an dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, sowie eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem Abgas und dem aktiven Element, eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer sowie das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Verfahren nach Anspruch 25, in welchem der geschätzte Wert der Temperatur des Abgases, welcher verwendet wird, um den geschätzten Wert der Temperatur des Heizers zu bestimmen, einen geschätzten Wert der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors umfasst und in welchem der Schritt des sequentiellen Bestimmens des geschätzten Werts der Temperatur des Heizers die Schritte umfasst: Schätzen einer Temperatur des Abgases in der Nähe einer Auslassöffnung des Verbrennungsmotors unter Verwendung des den Betriebszustand des Verbrennungsmotors repräsentierenden Parameters und Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Position des Abgassensors unter Verwendung eines geschätzten Werts der Temperatur des Abgases in der Nähe der Auslassöffnung und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Änderung der Temperatur des Abgases, wenn das Abgas von nahe der Auslassöffnung zu der Position des Abgassensors strömt.
Verfahren nach Anspruch 24, welches ferner den Schritt umfasst: sequentielles Bestimmen eines geschätzten Werts der Temperatur des Heizers als die Heizertemperaturdaten unter Verwendung wenigstens von Heizenergiezuführmengendaten, welche eine Menge von dem Heizer zugeführter Heizenergie repräsentieren, und eines vorbestimmten thermischen Modells, welches repräsentativ ist für eine Wärmeaustauschbeziehung zwischen dem aktiven Element und dem Heizer und das Heizen des Heizers mit der dem Heizer zugeführten Heizenergie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, welches ferner den Schritt umfasst: Steuern/Regeln des Heizers, derart, dass das aktive Element bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.