DE112019006216T5

DE112019006216T5 - Zustandsschätzvorrichtung

Info

Publication number: DE112019006216T5
Application number: DE112019006216.6T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Suzuki; Yasuhiro Kawakatsu
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-08-26
Also published as: WO2020121921A1; US20210301709A1; US11384677B2; CN113195878B; JP7047742B2; JP2020094524A; CN113195878A

Abstract

Eine Zustandsschätzvorrichtung (100) enthält: eine Ratenberechnungseinheit (110) zum Berechnen einer Änderungsrate einer Sauerstoffspeichermenge in einem Sauerstoffspeicherkatalysator basierend auf eine Strömungsrate und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator (31) einströmt; eine Grenzwertberechnungseinheit (120) zum Berechnen einer Grenzwertrate, welche ein Grenzwert für die Änderungsrate ist; und eine Speichermengenaktualisierungseinheit (31) zum Aktualisieren eines Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge basierend auf der Änderungsrate und der Grenzwertrate. Darüber hinaus ist die Speichermengenaktualisierungseinheit konfiguriert um: den Schätzwert basierend auf der Änderungsrate zu aktualisieren, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate nicht überschreitet; und den Schätzwert basierend auf der Grenzwertrate zu aktualisieren, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate überschreitet.

Description

Die vorliegende Anmeldung basiert und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung No. 2018-232183 , eingereicht am 12. Dezember 2018, deren gesamte Offenbarung in die vorliegende Offenbarung durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Zustandsschätzvorrichtung zum Schätzen des Zustands eines Sauerstoffspeicherkatalysators, der in einem Fahrzeug vorgesehen ist.
Hintergrund
In einem Fahrzeug, das mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet ist, ist im Allgemeinen ein Dreiwegekatalysator zum Reinigen von Abgas, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, vorgesehen. Der Dreiwegekatalysator ist ein Katalysator zum Reinigen von Kohlenstoffmonooxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden, die im Abgas enthalten sind, mittels Oxidationsreaktionen und Reduktionsreaktionen.
Es ist bekannt, dass die Reinigungsrate in einem Dreiwegekatalysator am höchsten ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases nahe dem sogenannten „stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis“ ist. Anders ausgedrückt, die Reinigungsrate in einem Dreiwegekatalysator wird verringert, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Dreiwegekatalysator einströmt, fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Daher ist ein Dreiwegekatalysator im Allgemeinen als ein „Sauerstoffspeicherkatalysator“ konfiguriert, welcher mit einer Fähigkeit vorgesehen ist, Sauerstoff zu speichern und freizusetzen. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird Sauerstoff in dem Sauerstoffspeicherkatalysator gespeichert, was verursacht, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Inneren des Sauerstoffspeicherkatalysators dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert. Auf der anderen Seite wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases fetter als stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, Sauerstoff von dem Sauerstoffspeicherkatalysator freigesetzt, was verursacht, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Inneren des Sauerstoffspeicherkatalysators dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert. Demzufolge ist es weiterhin möglich, eine hohe Reinigungsrate des Abgases durch den Katalysator aufrechtzuerhalten, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einströmenden Abgases von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht.
Jedoch wird es unmöglich für den Sauerstoffspeicherkatalysator, weiteren Sauerstoff zu speichern, nachdem die Sauerstoffspeichermenge eine Sauerstoffspeicherkapazität erreicht. In einem solchen Zustand wird die Reinigungsrate für mageres Abgas verringert. Auf der anderen Seite wird es für den Sauerstoffspeicherkatalysator unmöglich, weiteren Sauerstoff freizusetzen, nachdem die Sauerstoffspeichermenge nahezu 0 wird. In einem solchen Zustand wird die Reinigungsrate für fettes Abgas verringert.
Daher wird bei einer Abgasreinigungsvorrichtung, die beispielsweise im Patentdokument 1 offenbart ist, die Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator laufend geschätzt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, wird reguliert, um den Schätzwert mit einem vorbestimmten Soll-Wert in Einklang zu bringen. Demzufolge wird die Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator daran gehindert, die Sauerstoffspeicherkapazität zu erreichen sowie nahezu 0 zu werden.
Literatur des Stands der Technik
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung No. JP 2000-120475 A
Kurzfassung der Erfindung
Bei der vorher beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung wird jedes Mal, wenn ein vorbestimmter Steuerungszeitraum verstrichen ist, eine Addition auf den Schätzwert oder Subtraktion von dem Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge ausgeführt, wobei dabei der Schätzwert auf den neuesten Wert aktualisiert wird. In diesem Fall kann der Wert, der auf den Schätzwert addiert oder von dem Schätzwert subtrahiert wird, als die Änderungsrate des Schätzwerts bezeichnet werden. Bei der vorher beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung wird die Änderungsrate basierend auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemessen wird, sowie der Strömungsrate des Abgases, das durch den Sauerstoffspeicherkatalysator strömt, berechnet. Insbesondere gilt, je magerer das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, desto höher wird die Erhöhungsrate des Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge berechnet. Darüber hinaus gilt, je fetter das gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, desto höher wird die Verringerungsrate des Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge berechnet. Ferner gilt, je höher die Strömungsrate des Abgases ist, desto höher wird die Änderungsrate des Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge berechnet. Auf diese Weise variiert die Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator gemäß dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Strömungsrate des Abgases.
Aus den Ergebnissen der Experimente, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführt wurden, wurde herausgefunden, dass eine Grenzwertrate für die Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge vorliegt, die von der Situation abhängt. Wenn sich die Sauerstoffspeichermenge erhöht, überschreitet die Erhöhungsrate in der Zeit des Erhöhens beispielsweise nicht die Grenzwertrate. Ebenso überschreitet in der Zeit des Verringerns die Verringerungsrate nicht die Grenzwertrate, wenn sich die Sauerstoffspeichermenge verringert.
Bei der Abgasreinigungsvorrichtung, die in Patentdokument 1 offenbart ist, wird die Änderungsrate ohne Berücksichtigung der vorher genannten Grenzwertrate berechnet, wobei der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge basierend auf der dadurch berechneten Änderungsrate aktualisiert wird. Daher kann der Schätzwert, der wie vorher beschrieben aktualisiert wird, von der tatsächlichen Sauerstoffspeichermenge abweichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Zustandsschätzvorrichtung vorzusehen, die die Sauerstoffspeichermenge in einem Sauerstoffspeicherkatalysator genau schätzen kann.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Zustandsschätzvorrichtung zum Schätzen des Zustands eines Sauerstoffspeicherkatalysators, der in einem Fahrzeug vorgesehen ist, vorgesehen. Die Zustandsschätzvorrichtung enthält: eine Ratenberechnungseinheit zum Berechnen einer Änderungsrate einer Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator basierend auf einer Strömungsrate sowie einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator einströmt; eine Grenzwertberechnungseinheit zum Berechnen einer Grenzwertrate, welche ein Grenzwert der Änderungsrate ist; und eine Speichermengenaktualisierungseinheit zum Aktualisieren eines Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge basierend auf der Änderungsrate und der Grenzwertrate. Darüber hinaus ist die Speichermengenaktualisierungseinheit konfiguriert, um: den Schätzwert basierend auf der Änderungsrate zu aktualisieren, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate nicht überschreitet; und einen Schätzwert basierend auf der Grenzwertrate zu aktualisieren, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate überschreitet.
Bei einer solchen Zustandsschätzvorrichtung berechnet die Ratenberechnungseinheit die Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator basierend auf der Strömungsrate sowie dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator einströmt. Grundsätzlich aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit den Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge basierend auf der Änderungsrate. Demzufolge ist es möglich, die Sauerstoffspeichermenge gemäß der Bedingungen, wie etwa dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, zu schätzen.
Jedoch aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit den Schätzwert basierend auf der Grenzwertrate, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate überschreitet; auf der anderen Seite aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit den Schätzwert basierend auf der Änderungsrate wie vorher beschrieben, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate nicht überschreitet. Mit der vorherigen Konfiguration der Zustandsschätzvorrichtung ist es möglich, die Sauerstoffspeichermenge unter Berücksichtigung der Grenzwertrate genauer zu schätzen.
Wie vorher beschrieben ist gemäß der vorliegenden Offenbarung die Zustandsschätzvorrichtung vorgesehen, welche die Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator genau schätzen kann.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das die Konfigurationen einer Zustandsschätzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform sowie ein Fahrzeug, das mit der Zustandsschätzvorrichtung ausgestattet ist, schematisch veranschaulicht.
2 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessablauf veranschaulicht, der durch eine Steuerungsvorrichtung für den Verbrennungsmotor, die in 1 gezeigt ist, durchgeführt wird.
3 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessablauf veranschaulicht, der durch die Zustandsschätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
4 ist ein Diagramm, das die Änderungsrate und die Grenzwertrate für eine Sauerstoffspeichermenge veranschaulicht.
5 ist ein Flussdiagramm, das den Prozessablauf veranschaulicht, der durch die Zustandsschätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
6 ist ein Diagramm, das einen Prozessablauf veranschaulicht, der durch eine Zustandsschätzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform durchgeführt wird.

Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden werden die Ausführungsformen mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Zum Zwecke des besseren Verständnisses der Beschreibung sind identische Bestandteile, sofern möglich, mit den gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen angegeben; sich wiederholende Beschreibungen von identischen Bestandteilen werden ausgespart.
Eine erste Ausführungsform wird beschrieben. Eine Zustandsschätzvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist gemeinsam mit einem Sauerstoffspeicherkatalysator 31, der später beschrieben wird, in einem Fahrzeug MV vorgesehen. Die Zustandsschätzvorrichtung 100 ist konfiguriert, den Zustand des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 zu schätzen. Vor der Erläuterung der Zustandsschätzvorrichtung 100 wird eine Erläuterung zu der Konfiguration des Fahrzeugs MV gegeben, in welchem die Zustandsschätzvorrichtung 100 eingebaut ist.
In 1 ist die Konfiguration eines Teils des Fahrzeugs MV schematisch veranschaulicht. Das Fahrzeug MV ist als ein Fahrzeug konfiguriert, das mit der Antriebsleistung eines Verbrennungsmotors 10 betrieben wird.
Der Verbrennungsmotor 10, welcher ein sogenannter Motor ist, erzeugt die Antriebsleistung für das Fahrzeug MV durch die interne Verbrennung von Kraftstoff, der gemeinsam mit Luft zugeführt wird. Eine Einlassleitung 40 und eine Abgasleitung 50 sind mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden.
Die Einlassleitung 40 ist eine Leitung, durch welche Luft und Kraftstoff zum Verbrennungsmotor 10 zugeführt werden. In der Einlassleitung 40 sind ein Drosselventil (nicht gezeigt) zum Anpassen der Luftströmungsrate, ein Luftströmungsmesser (nicht gezeigt) zum Messen der Luftströmungsrate und dergleichen vorgesehen.
Die Abgasleitung 50 ist eine Leitung, durch welche das Abgas, das durch die Verbrennung im Verbrennungsmotor 10 erzeugt wird, zur Außenseite des Fahrzeugs MV ausgestoßen wird. In der Abgasleitung 50 sind eine Reinigungsvorrichtung 30 und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 vorgesehen.
Die Reinigungsvorrichtung 30 ist eine Vorrichtung zum vorherigen Reinigen des Abgases, das durch die Abgasleitung 50 strömt, bevor das Abgas zur Außenseite ausgestoßen wird. Ein Sauerstoffspeicherkatalysator 31 ist im Inneren der Reinigungsvorrichtung 30 aufgenommen. Der Sauerstoffspeicherkatalysator 31 ist ein sogenannter Dreiwegekatalysator, der mit einer Fähigkeit vorgesehen ist, Sauerstoff zu speichern und freizusetzen. Die Menge an Sauerstoff, die in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 gespeichert ist, wird im Folgenden als die „Sauerstoffspeichermenge“ bezeichnet.
Der Sauerstoffspeicherkatalysator 31 ist aus einem Basiselement, das aus Keramik ausgebildet ist und Elementen konfiguriert, von denen jedes auf dem Basiselement getragen wird. Diese Elemente, welche auf dem Basiselement getragen sind, enthalten: ein Edelmetall mit einer katalytischen Wirkung, wie etwa Platin; ein Trägermaterial, das das Edelmetall trägt, wie etwa Aluminiumoxid; und eine Substanz mit sowohl einer Sauerstoffspeicherfähigkeit, als auch einer Sauerstofffreisetzfähigkeit, wie etwa Cerdioxid. Nach dem Aufheizen auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur durch das Abgas, reinigt der Sauerstoffspeicherkatalysator 31 zur gleichen Zeit unverbrannte Gase, wie etwa Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide sowie Stickoxide.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in die Reinigungsvorrichtung 30 einströmt, magerer als stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, wird Sauerstoff im Sauerstoffspeicherkatalysator 31 gespeichert, was verursacht, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Inneren des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert. Darüber hinaus wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in die Reinigungsvorrichtung 30 einströmt, fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, Sauerstoff von dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 freigesetzt, was verursacht, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Inneren des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis annähert. Demzufolge ist es möglich, eine hohe Reinigungsrate des Abgases durch den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 aufrechtzuerhalten, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in die Reinigungsvorrichtung 30 einströmt, von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 ist ein Sensor zum Messen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases, das durch die Abgasleitung 50 strömt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 ist an einer Position stromaufwärts der Reinigungsvorrichtung 30 in der Abgasleitung 50 vorgesehen. Daher ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 gemessen wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in die Reinigungsvorrichtung 30 einströmt.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 gibt ein Signal gemäß dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases aus. Insbesondere variiert die Größenordnung des Ausgabestroms gemäß der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Der Ausgabestrom, der die Größenordnung des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses anzeigt, wird von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 in sowohl die Zustandsschätzvorrichtung 100, als auch eine Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor eingegeben.
In einem relativ großen Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ändert der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 den Ausgabestrom mit einer im Wesentlichen konstanten Steigung gemäß der Änderung im Luft-Kraftstoff-Verhältnis. D. h., der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 ist als ein sogenannter „linearer Sensor“ konfiguriert.
Zusätzlich ist, neben dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 der vorher beschrieben wurde, auch ein sogenannter „O2 Sensor“ als ein Sensor zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bekannt. Ein O2 Sensor ist ein Sensor, der seine Ausgabe in einem Bereich, in welchem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, stark ändert und einen im Wesentlichen konstanten Wert in den anderen Bereichen ausgibt. Beim Realisieren der Funktionen der Zustandsschätzvorrichtung 100, die später beschrieben wird, ist es möglich, einen O2 Sensor anstatt des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 20 einzusetzen. Jedoch ist es mit einem O2 Sensor schwierig, den Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses genau zu erlangen; darüber hinaus besteht ein Problem, dass die Ausgabekennlinie eine Hysterese aufweist. Daher wird als ein Sensor zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bevorzugt, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20, welcher wie bei der vorliegenden Ausführungsform ein linearer Sensor ist, eingesetzt wird.
Als die Konfiguration des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 20, der vorher beschrieben wurde, kann eine bekannte Konfiguration verwendet werden. Daher werden eine Erläuterung und eine grafische Veranschaulichung der genauen Konfiguration des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 20 im Folgenden ausgespart.
Bei dem Fahrzeug MV ist die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor eingebaut. Die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor ist eine Vorrichtung zum Steuern des Betriebs des Verbrennungsmotors 10. Die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor ist durch eine sogenannte „Motor-ECU“ implementiert.
Die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor passt die Strömungsrate der Luft, die in den Verbrennungsmotor 10 über die Einlassleitung 40 einströmt, durch Anpassen des Öffnungsgrads des nicht gezeigten Drosselventils an. Darüber hinaus passt die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor die Menge an Kraftstoff, die zum Verbrennungsmotor 10 zugeführt wird, durch Steuern des Öffnungs-/Schließbetriebs der Kraftstoffeinspritzventile (nicht gezeigt) an.
Wie vorher beschrieben, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 gemessen wird, in die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor eingegeben. Die Steuerungsrichtung 200 für den Verbrennungsmotor steuert die Betriebe des Drosselventils und der Kraftstoffeinspritzventile, sodass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem vorbestimmten Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einklang gebracht wird. Das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist beispielsweise auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt. Es sei jedoch bemerkt, dass das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis alternativ auf andere Werte als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt sein kann.
Zusätzlich ist es möglich, einen zusätzlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor oder O2 Sensor an einer Position stromabwärts der Reinigungsvorrichtung 30 in der Abgasleitung 50 vorzusehen und das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf einem Signal, das von dem Sensor auf der stromabwärtigen Seite ausgegeben wird, geeignet anzupassen. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, eine zusätzliche Reinigungsvorrichtung an einer Position, die weiter stromabwärts als die Reinigungsvorrichtung 30 ist, vorzusehen.
Als nächstes wird die Konfiguration der Zustandsschätzvorrichtung 100 mit Bezug zu 1 beschrieben. Die Zustandsschätzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist als eine Vorrichtung zum Schätzen des Zustands des Sauerstoffspeicherkatalysators 31, genauer ausgedrückt, zum Schätzen der Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 konfiguriert.
Zwischen der Zustandsschätzvorrichtung 100 und der Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor kann über ein im Fahrzeug vorgesehenes Netzwerk eine bidirektionale Übertragung ausgeführt werden. Durch die Übertragung kann die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor einen Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge von der Zustandsschätzvorrichtung 100 erlangen. Darüber hinaus kann die Zustandsschätzvorrichtung 100 den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 von der Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor erlangen. Darüber hinaus kann die Zustandsschätzvorrichtung 100 über die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor ebenso die Messwerte der Sensoren, die in den jeweiligen Teilen des Fahrzeugs MV vorgesehen sind, erlangen.
Zusätzlich ist die Zustandsschätzvorrichtung 100 bei der vorliegenden Ausführungsform als eine separate Vorrichtung zur Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor konfiguriert. Jedoch kann die Zustandsschätzvorrichtung 100 alternativ als eine Vorrichtung konfiguriert sein, die in der Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor integriert ist. Anders ausgedrückt, kann die Zustandsschätzvorrichtung 100 alternativ als ein Teil der Steuerungsvorrichtung für den Verbrennungsmotor, welche als eine Motor ECU implementiert ist, konfiguriert sein.
Die Zustandsschätzvorrichtung 100 enthält eine Ratenberechnungseinheit 110, eine Grenzwertberechnungseinheit 120, eine Speichermengenspeichereinheit 140 und eine Speichermengenaktualisierungseinheit 130 als funktionale Steuerungsblöcke.
Die Ratenberechnungseinheit 110 ist eine Einheit zum Berechnen der Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator 31. Die Ratenberechnungseinheit 110 berechnet die Änderungsrate über die folgende Gleichung (1): $\begin{array}{l} \ddot{A} nderungsrate = (st \ddot{o} chiometrisches \ddot{A} quivalenzvrh \ddot{a} ltnis des Katalysators - Ein- \\ str \ddot{o} m- \ddot{A} quivalenzverh \ddot{a} ltnis) \times Einlassluft-Str \ddot{o} mungsrate \times 0,232 \times Berechnungszeit- \\ raum \end{array}$
Das „Äquivalenzverhältnis“ ist eine Kennzahl, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases angibt, und ist ein Wert, der durch Dividieren des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erhalten wird. Das „Einström-Äquivalenzverhältnis“ in der Gleichung (1) ist das Äquivalenzverhältnis des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 einströmt. Das Einström-Äquivalenzverhältnis wird basierend auf dem Messwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 20 berechnet.
Wenn das Einström-Äquivalenzverhältnis niedrig ist, beispielsweise wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases sehr weit auf der mageren Seite des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, wird die Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator 31 graduell erhöht. Im Gegensatz dazu wird, wenn das Einström-Äquivalenzverhältnis hoch ist, beispielsweise wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases sehr weit auf der fetten Seite des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, die Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator graduell verringert. Das „stöchiometrische Äquivalenzverhältnis des Katalysators“ in der Gleichung (1) ist der Wert des Einström-Äquivalenzverhältnisses, wenn sich die Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator 31 weder erhöht noch verringert.
Die „Einlassluft-Strömungsrate“ in der Gleichung (1) ist die Stimmungsrate des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 einströmt. Insbesondere stellt es die Menge an Abgas, die in den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 einströmt, pro Zeiteinheit dar. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Strömungsrate der Luft, die über die Einlassleitung 40 zum Verbrennungsmotor 10 zugeführt wird, d. h., der Wert der Strömungsrate, der durch den nicht gezeigten Luftströmungsmesser gemessen wird, als die Einlassluft-Strömungsrate verwendet.
Die Einlassluft-Strömungsrate kann über ein Verfahren, das sich von dem vorherigen unterscheidet, erhalten werden. Beispielsweise kann die Einlassluft-Strömungsrate zu jedem Zeitpunkt basierend auf der Drehzahl des Verbrennungsmotors 10, des Öffnungsgrads des Drosselventils und dergleichen berechnet werden.
„0,232“ in der Gleichung (1) ist ein numerischer Wert, der den Prozentsatz der Menge an Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, angibt.
Der „Berechnungszeitraum“ in der Gleichung (1) ist der Zeitraum, in welchem der Prozess aus 5, der später beschrieben wird, wiederholt wird. Da er am Ende mit dem Berechnungszeitraum multipliziert wird, gibt der Wert, der durch die Gleichung (1) berechnet wird, zusätzlich die Sauerstoffspeichermenge in der Dimension der Masse an, welche sich innerhalb des Berechnungszeitraums erhöht oder verringert. Jedoch wird, da der Berechnungszeitraum im Allgemeinen konstant ist, der Wert, der durch die Gleichung (1) berechnet wird, im Wesentlichen ein Wert, der die Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge angibt.
Wie vorher beschrieben, berechnet die Ratenberechnungseinheit 110 basierend auf der Strömungsrate sowie dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 einströmt, die Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator 31.
Die Grenzwertberechnungseinheit 120 ist eine Einheit zum Berechnen einer Grenzwertrate, welche ein Grenzwert für die vorher beschriebene Änderungsrate ist. Die tatsächliche Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator 31 steht nicht immer mit der Änderungsrate, die durch die Gleichung (1) berechnet wird, in Einklang. Beispielsweise ist, wenn die Sauerstoffspeichermenge im Sauerstoffspeicherkatalysator 31 nahe 100 % wird, die Erhöhungsrate der Sauerstoffspeichermenge im Berechnungszeitraum auf eine Grenzwertrate begrenzt, die niedriger als die Änderungsrate ist, die durch die Gleichung (1) berechnet wird.
Die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet als die Grenzwertrate sowohl einen Grenzwert für die Erhöhungsrate, als auch einen Grenzwert für die Verringerungsrate. Der Grenzwert für die Erhöhungsrate ist ein Grenzwert für die Rate, mit welcher sich die Sauerstoffspeichermenge erhöht. D. h., der Grenzwert für die Erhöhungsrate ist ein Grenzwert für die Rate, mit welcher Sauerstoff in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 angereichert wird. Auf der anderen Seite ist der Grenzwert für die Verringerungsrate ein Grenzwert für die Rate, mit welcher sich die Sauerstoffspeichermenge verringert. D. h. der Grenzwert für die Verringerungsrate ist ein Grenzwert für die Rate, mit welcher Sauerstoff von dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 freigesetzt wird.
Die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet den Grenzwert für die Erhöhungsrate über die folgende Gleichung (2): $\begin{array}{l} Grenzwert f \ddot{u} r die Erh \ddot{o} hungsrate = Speichrratenkoeffizient \times (st \ddot{o} hiometrisches \\ \ddot{A} quivalenzverh \ddot{a} ltnis des Katalysators - Einstr \ddot{o} m- \ddot{A} quivalenzverh \ddot{a} ltnis) \times (Sauer- \\ stoffspeicherkapazit \ddot{a} t - aktuelle Sauerstoffspeichermenge) \times Berechnungszeitraum \end{array}$
Der „Speicherratenkoeffizient“ in der Gleichung (2) ist ein Koeffizient, der angibt, wie leicht sich Sauerstoff in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 anreichern kann. Der Speicherratenkoeffizient ist eine Konstante, die vorab basierend auf einem Experiment oder dergleichen gemäß dem individuellen Sauerstoffspeicherkatalysator 31 eingestellt ist.
Die „Sauerstoffspeicherkapazität“ in der Gleichung (2) ist die maximale Menge an Sauerstoff, die in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 gespeichert werden kann. Ähnlich wie der vorher beschriebene Speicherratenkoeffizient, ist die Sauerstoffspeicherkapazität eine Konstante, die vorab basierend auf einem Experiment oder dergleichen gemäß dem individuellen Sauerstoffspeicherkatalysator 31 eingestellt ist. Zusätzlich kann sich die maximale Menge an Sauerstoff, die in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 gespeichert werden kann, abhängig von der Historie des Abgases, das durch den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 strömt, ändern. Daher muss die Sauerstoffspeicherkapazität nicht immer auf einen konstanten Wert eingestellt sein, sondern kann gemäß der Bedingungen jederzeit korrigiert werden.
Die „aktuelle Sauerstoffspeichermenge“ in der Gleichung (2) ist der neueste Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge, die durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 berechnet wird und ist ein Schätzwert, der in der Speichermengenspeichereinheit 140, die später beschrieben wird, gespeichert ist.
Die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet den Grenzwert für die Verringerungsrate über die folgende Gleichung (3): $\begin{array}{l} Grenzwert f \ddot{u} r die Verringerungsrate = Freisetzungsratenkoeffizient \times \\ (st \ddot{o} chiometrisches \ddot{A} quivalenzverh \ddot{a} ltnis des Katalysators - Einstr \ddot{o} m- \ddot{A} quivalenzver- \\ h \ddot{a} ltnis) \times (aktuelle Sauerstoffspeichermenge) \times Berechnungszeitraum \end{array}$
Der „Freisetzungsratenkoeffizient“ in der Gleichung (3) ist ein Koeffizient, der angibt, wie leicht Sauerstoff von dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 freigesetzt werden kann. Der Freisetzungsratenkoeffizient ist eine Konstante, die vorab basierend auf einem Experiment oder dergleichen gemäß dem individuellen Sauerstoffspeicherkatalysator 31 eingestellt ist.
Die Speichermengenspeichereinheit 140 ist eine Einheit zum Speichern eines Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge, die durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 berechnet wird. Die Zustandsschätzvorrichtung 100 berechnet jedes Mal, wenn der konstante Berechnungszeitraum verstrichen ist, einen Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge und speichert diesen in der Speichermengenspeichereinheit 140.
Die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 ist eine Einheit zum Ausführen eines Prozesses, um den Schätzwerts, der in der Speichermengenspeichereinheit 140 gespeichert ist, auf den neuesten Stand zu aktualisieren. Die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 führt den Prozess des Aktualisierens des Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge basierend auf der Änderungsrate, die durch die Ratenberechnungseinheit 110 berechnet wird, sowie der Grenzwertrate, die durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnen wird, aus. Die Details des Prozesses, der durch die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 ausgeführt wird, werden später beschrieben.
Nachdem die Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 die Sauerstoffspeicherkapazität erreicht, wird es für den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 unmöglich, weiteren Sauerstoff zu speichern. In einem solchen Zustand wird die Reinigungsrate für mageres Abgas verringert. Auf der anderen Seite wird es für den Sauerstoffspeicherkatalysator 31 unmöglich, weiteren Sauerstoff freizusetzen, nachdem die Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 nahezu 0 wird. In einem solchen Zustand wird die Reinigungsrate für fettes Abgas verringert. Daher führt die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor bei der vorliegenden Ausführungsform einen Prozess aus, der später beschrieben wird, sodass die Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 nahe einer Soll-Speichermenge gehalten wird. Demzufolge wird die Sauerstoffspeichermenge daran gehindert, die Sauerstoffspeicherkapazität zu erreichen sowie annähernd 0 zu werden.
Eine Reihe von Prozessen, die in 2 gezeigt sind, wird jedes Mal, wenn der Berechnungszeitraum verstrichen ist, durch die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor wiederholend durchgeführt. Zusätzlich führt, wie vorher beschrieben, die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor einen Prozess zum Steuern des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 aus, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 gemessen wird, mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Einklang zu bringen. Die Reihe von Prozessen, die in 2 gezeigt sind, wird separat und parallel zum vorherigen Prozess durchgeführt.
Im ersten Schritt S01 wird ein Prozess zum Erlangen der Sauerstoffspeichermenge ausgeführt. Die Sauerstoffspeichermenge, die in diesem Schritt erlangt wird, entspricht der aktuellen Sauerstoffspeichermenge, die durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 geschätzt wird. Die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor erlangt durch Übertragung den Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge, welcher in der Speichermengenspeichereinheit 140 der Zustandsschätzvorrichtung 100 gespeichert ist.
In Schritt S02, der auf den Schritt S01 folgt, wird bestimmt, ob die Sauerstoffspeichermenge, die in Schritt S01 erlangt wird, größer als die Soll-Speichermenge ist. Die Soll-Speichermenge ist beispielsweise auf 50 % eingestellt, d. h., 1/2 der Sauerstoffspeicherkapazität. Jedoch kann die Soll-Speichermenge alternativ auf einen Wert eingestellt sein, der sich von dem vorherigen Wert unterscheidet. Darüber hinaus muss die Soll-Speichermenge nicht immer auf einen konstanten Wert eingestellt sein, sondern kann jederzeit gemäß den Bedingungen korrigiert werden.
Falls die Sauerstoffspeichermenge bestimmt ist, größer als die Soll-Speichermenge zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S03 fort. In Schritt S03 wird ein Prozess zum Ändern des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10 ausgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das vom Verbrennungsmotor 10 ausgestoßen wird, zu einem Wert auf der fetten Seite des aktuellen Werts zu ändern. Dieser Prozess wird beispielsweise durch Ändern des vorher beschriebenen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu einem Wert auf der fetten Seite ausgeführt.
Nachdem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu einem Wert auf der fetten Seite geändert wurde, ist die Tendenz verringert, dass sich die Sauerstoffspeichermenge erhöht. Wenn der Prozess aus Schritt S03 wiederholend ausgeführt wird, verringert sich darüber hinaus die Sauerstoffspeichermenge graduell, um sich der Soll-Speichermenge anzunähern.
Falls die Sauerstoffspeichermenge in Schritt S02 bestimmt ist, nicht größer als die Soll-Speichermenge zu sein, fährt der Ablauf mit Schritt S04 fort. In Schritt S04 wird ferner bestimmt, ob die Sauerstoffspeichermenge, die in Schritt S01 erlangt wird, geringer als die Soll-Speichermenge ist. Falls die Sauerstoffspeichermenge bestimmt ist, kleiner als die Soll-Speichermenge zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S05 fort. In Schritt S05 wird ein Prozess zum Ändern des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10 ausgeführt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das vom Verbrennungsmotor 10 ausgestoßen wird, zu einem Wert auf der mageren Seite des aktuellen Werts zu ändern. Dieser Prozess wird beispielsweise durch Ändern des vorher beschriebenen Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu einem Wert auf der mageren Seite ausgeführt.
Nachdem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu einem Wert auf der mageren Seite geändert wurde, ist die Tendenz verringert, dass sich die Sauerstoffspeichermenge verringert. Wenn der Prozess aus Schritt S05 wiederholend ausgeführt wird, erhöht sich die Sauerstoffspeichermenge graduell, um sich der Soll-Speichermenge anzunähern.
Falls die Sauerstoffspeichermenge in Schritt S04 bestimmt ist, nicht kleiner als die Soll-Speichermenge zu sein, d. h., falls die Sauerstoffspeichermenge gleich zur Soll-Speichermenge ist, endet die Reihe an Prozessen, die in 2 gezeigt sind, ohne Ausführen eines Prozesses zum Ändern des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10.
Durch die vorherigen Prozesse, die durch die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor ausgeführt werden, wird die Sauerstoffspeichermenge nahe der Soll-Speichermenge gehalten. Demzufolge wird die Leistung des Reinigens des Abgases durch die Reinigungsvorrichtung 30 aufrechterhalten.
Als nächstes werden die Details der Prozesse, die durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 ausgeführt werden, beschrieben. Eine Reihe von Prozessen, die in 3 gezeigt sind, wird durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 jedes Mal wiederholend durchgeführt, wenn der Berechnungszeitraum verstrichen ist. Zusätzlich können die Prozesse, die in 3 gezeigt sind, nur durchgeführt werden, wenn eine vorbestimmte Durchführungsbedingung erfüllt ist. Die Durchführungsbedingung kann beispielsweise enthalten, dass das Aufwärmen des Fahrzeugs MV abgeschlossen wurde.
Im ersten Schritt S11 wird ein Prozess zum Erlangen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases, das in die Reinigungsvorrichtung 30 einströmt, ausgeführt. Insbesondere wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 20 gemessen wird, als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erlangt.
In Schritt S12, der auf den Schritt S11 folgt, wird ein Prozess zum Erlangen der Einlassluft-Strömungsrate ausgeführt. Insbesondere wird, wie vorher beschrieben, die Strömungsrate, die durch den nicht gezeigten Luftströmungsmesser gemessen wird, als die Einlassluft-Strömungsrate erlangt.
In Schritt S13, der auf den Schritt S12 folgt, wird ein Prozess zum Berechnen des Änderungsbetrags der Sauerstoffspeichermenge ausgeführt. Der „Änderungsbetrag“ gibt hier den Betrag der Änderung der Sauerstoffspeichermenge während des Zeitraums von der Durchführung der Prozesse, die in 3 gezeigt sind, im vorherigen Berechnungszyklus bis zur Durchführung derselben im aktuellen Berechnungszyklus an. Wenn Sauerstoff im Sauerstoffspeicherkatalysator 31 gespeichert wird, wird der Änderungsbetrag berechnet, um ein positiver Wert zu sein. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Sauerstoff von dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 freigesetzt wird, der Änderungsbetrag berechnet, um ein negativer Wert zu sein. Die Details des Prozesses, der zum Berechnen des Änderungsbetrags ausgeführt wird, werden später beschrieben.
In Schritt S14, der auf den Schritt S13 folgt, wird ein Prozess zum Aktualisieren des Schätzwertes der Sauerstoffspeichermenge ausgeführt. Insbesondere wird ein Prozess zum Speichern des neuesten Schätzwertes in der Speichermengenspeichereinheit 140 ausgeführt; der neueste Schätzwert ist ein Wert, der durch Addieren des Änderungsbetrags, der in Schritt S13 berechnet wurde, auf den aktuellen Schätzwert, der in der Speichermengenspeichereinheit 140 gespeichert ist, erhalten wird. Dieser Prozess wird durch die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 ausgeführt.
Durch die wiederholte Durchführung der vorherigen Prozesse wird immer der neueste Schätzwert in der Speichermengenspeichereinheit 140 gespeichert. Zusätzlich wird auf Anforderung der neueste Schätzwert zur Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor übermittelt.
Ein Überblick zum Prozess, der in Schritt S13 ausgeführt wird, wird mit Bezug zu 4 beschrieben. Die horizontale Achse des Graphen, der in 4 gezeigt ist, stellt die Sauerstoffspeichermenge in dem Bereich von 0 % bis 100 % (d. h. die Sauerstoffspeicherkapazität) dar. Die vertikale Achse des Graphen stellt die Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge dar.
Darüber hinaus stellt die Linie L1, die in 4 gezeigt ist, den Grenzwert für die Erhöhungsrate dar, der durch die Grenzwertberechnungseinheit berechnet wird. Wie durch die Linie L1 angegeben, verringert sich der Grenzwert für die Erhöhungsrate mit der Erhöhung der Sauerstoffspeichermenge; der Grenzwert für die Erhöhungsrate wird 0, wenn die Sauerstoffspeichermenge 100 % ist. D. h., je höher die Sauerstoffspeichermenge, desto kleiner ist der Absolutwert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate, der durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet wird.
Die Linie L2, die in 4 gezeigt ist, stellt den Grenzwert für die Verringerungsrate dar, der durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet wird. Wie durch die Linie L2 angegeben, verringert sich der Absolutwert des Grenzwerts für die Verringerungsrate mit der Verringerung der Sauerstoffspeichermenge; der Grenzwert für die Verringerungsrate wird 0, wenn die Sauerstoffspeichermenge 0 % ist. D. h., je geringer die Sauerstoffspeichermenge ist, desto geringer ist der Absolutwert des Grenzwerts für die Verringerungsrate, der durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet wird.
In 4 ist durch eine Vielzahl von Punkten P10 und dergleichen ein Beispiel der Änderungsrate veranschaulicht, die durch die Ratenberechnungseinheit 110 berechnet wird. Jeder der Punkte P10 und P12 stellt die Änderungsrate dar, die berechnet wird, wenn die Sauerstoffspeichermenge gleich x10 ist. Auf der anderen Seite stellt jeder der Punkte P20 und P22 die Änderungsrate dar, die berechnet wird, wenn die Sauerstoffspeichermenge gleich x20 ist.
In dem Beispiel, das in 4 veranschaulicht ist, ist die berechnete Änderungsrate an dem Punkt P10 gleich y10; y10 ist höher als 0 und niedriger als der Grenzwert für die Erhöhungsrate bei der Sauerstoffspeichermenge x10. D. h., die berechnete Änderungsrate y10 ist ein Wert, der den Grenzwert für die Erhöhungsrate nicht überschreitet. Zusätzlich gibt der Ausdruck „die Änderungsrate überschreitet die Grenzwertrate“ bei der Erläuterung, die nachfolgend gegeben wird, an, dass der Absolutwert der Änderungsrate größer als der Absolutwert der Grenzwertrate wird.
In diesem Fall ist die Änderungsrate y10, die durch die Ratenberechnungseinheit 110 berechnet wird, im Wesentlichen gleich zur tatsächlichen Änderungsrate. Daher wird y10 in Schritt S13 aus 3 direkt als Änderungsbetrag verwendet. Ferner wird der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge in Schritt S14 der gleichen Figur um y10 erhöht.
In dem Beispiel, das in 4 veranschaulicht ist, ist die berechnete Änderungsrate an dem Punkt P12 gleich zu y12; y12 ist höher als 0 und ebenso höher als der Grenzwert für die Erhöhungsrate bei der Sauerstoffspeichermenge x10. D. h., die berechnete Änderungsrate y12 ist ein Wert, der den Grenzwert für die Erhöhungsrate überschreitet.
Wie vorher beschrieben, erhöht sich die tatsächliche Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge nicht über den Grenzwert für die Erhöhungsrate. Daher ist, wenn die berechnete Änderungsrate gleich zu y12 ist, die tatsächliche Änderungsrate bestimmt, um gleich dem Grenzwert für die Erhöhungsrate bei der Sauerstoffspeichermenge x10 zu sein. In 4 ist eine solche tatsächliche Änderungsrate durch y11 angegeben. In diesem Fall wird in Schritt S13 aus 3 y11 als Änderungsbetrag verwendet. Ferner wird der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge in Schritt S14 der gleichen Figur um y11 erhöht.
Falls y12 als Änderungsbetrag ohne Berücksichtigung des Grenzwerts für die Erhöhungsrate verwendet wurde, würde der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge größer als der tatsächliche Wert werden. Demzufolge könnte beispielsweise ein Prozess, der verursacht, dass Sauerstoff von dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 freigesetzt wird, stärker als notwendig ausgeführt werden, wodurch fettes Abgas zur Außenseite ausgestoßen werden könnte. Im Gegensatz dazu wird der Änderungsbetrag bei der Zustandsschätzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Berücksichtigung des Grenzwerts für die Erhöhungsrate berechnet. Demzufolge wird es möglich, den Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge immer genau zu aktualisieren.
In dem Beispiel, das in 4 veranschaulicht ist, ist die berechnete Änderungsrate an dem Punkt P20 gleich zu y20; y20 ist niedriger als 0 und höher als der Grenzwert für die Verringerungsrate bei der Sauerstoffspeichermenge x20. D. h., die berechnete Änderungsrate y20 ist ein Wert, der den Grenzwert für die Verringerungsrate nicht überschreitet.
In diesem Fall wird die Änderungsrate y20, die durch die Ratenberechnungseinheit 110 berechnet wird, im Wesentlichen gleich zur tatsächlichen Änderungsrate. Daher wird y20 in Schritt S13 aus 3 direkt als Änderungsbetrag verwendet. Ferner wird der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge in Schritt S14 der gleichen Figur um y20 verringert.
In dem Beispiel, das in 4 veranschaulicht ist, ist die berechnete Änderungsrate an dem Punkt P22 gleich zu y22; yz22 ist niedriger als 0 und ebenso niedriger als der Grenzwert für die Verringerungsrate bei der Sauerstoffspeichermenge x20. D. h., die berechnete Änderungsrate y22 ist ein Wert, der den Grenzwert für die Verringerungsrate überschreitet.
Wie vorher beschrieben, erhöht sich der Absolutwert der tatsächlichen Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge nicht so sehr, dass er den Grenzwert für die Verringerungsrate überschreitet. Daher ist, wenn die berechnete Änderungsrate gleich zu y22 ist, die tatsächliche Änderungsrate bestimmt, um gleich dem Grenzwert für die Verringerungsrate bei der Sauerstoffspeichermenge x20 zu sein. In 4 ist eine solche tatsächliche Änderungsrate durch y21 angegeben. In diesem Fall wird y21 in Schritt S13 aus 3 als Änderungsbetrag verwendet. Ferner wird der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge in Schritt S14 der gleichen Figur um y21 verringert.
Falls y22 als Änderungsbetrag ohne Berücksichtigung des Grenzwerts für die Verringerungsrate verwendet wurde, würde der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge kleiner als der tatsächliche Wert werden. Demzufolge könnte beispielsweise ein Prozess, der verursacht, dass Sauerstoff in dem Sauerstoffspeicherkatalysator 31 gespeichert wird, stärker als notwendig ausgeführt werden, wodurch mageres Abgas zur Außenseite ausgestoßen werden könnte. Im Gegensatz dazu wird der Änderungsbetrag bei der Zustandsschätzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Berücksichtigung des Grenzwerts für die Verringerungsrate berechnet. Demzufolge wird es möglich, den Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge immer genau zu aktualisieren.
Bezugnehmend auf 5 wird eine Erläuterung zu den Details des Prozesses gegeben, der durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 ausgeführt wird, um die vorher beschriebene Berechnung des Änderungsbetrags zu realisieren. Das Flussdiagramm, das in 5 gezeigt ist, veranschaulicht den Ablauf des Prozesses, der in Schritt S13 aus 3 durchgeführt wird. Zusätzlich wird ein Großteil des Prozesses durch die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 ausgeführt.
Im ersten Schritt S21 des Prozesses wird ein Prozess zum Berechnen des Einström-Äquivalenzverhältnisses ausgeführt. Wie vorher beschrieben, wird das Einström-Äquivalenzverhältnis basierend auf dem Messwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 20 berechnet.
In Schritt S22, der auf den Schritt S21 folgt, wird bestimmt, ob das Einström-Äquivalenzverhältnis, das in Schritt S21 berechnet wird, niedriger als das stöchiometrische Äquivalenzverhältnis des Katalysators ist.
Falls das Einström-Äquivalenzverhältnis bestimmt ist, niedriger als das stöchiometrische Äquivalenzverhältnis des Katalysators zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S23 fort. In diesem Fall wird sich die Sauerstoffspeichermenge erhöhen. In Schritt S23 wird ein Prozess zum Berechnen der Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge ausgeführt. Zudem wird dieser Prozess durch die Ratenberechnungseinheit 110 unter Verwendung der vorher beschriebenen Gleichung (1) ausgeführt.
In Schritt S24, der auf den Schritt S23 folgt, wird ein Prozess zum Berechnen des Grenzwerts für die Erhöhungsrate ausgeführt. Zudem wird dieser Prozess durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 unter Verwendung der vorher beschriebenen Gleichung (2) ausgeführt.
In Schritt S25, der auf den Schritt S24 folgt, wird bestimmt, ob die Änderungsrate, die in Schritt S23 berechnet wird, höher als der Grenzwert für die Erhöhungsrate ist, der in Schritt S24 berechnet wird.
Falls die Änderungsrate bestimmt ist, höher als der Grenzwert für die Erhöhungsrate zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S26 fort. In Schritt S26 wird ein Prozess zum Ersetzen des Änderungsbetrags durch den Wert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate ausgeführt. Demzufolge wird der Wert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate in Schritt S13 aus 3 als Änderungsbetrag verwendet.
Wie vorher beschrieben, aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Schätzwert basierend auf dem Grenzwert für die Erhöhungsrate, wenn die Änderungsrate den Grenzwert für die Erhöhungsrate überschreitet.
Falls Sie Änderungsrate in Schritt S25 bestimmt ist, niedriger oder gleich dem Grenzwert für die Erhöhungsrate zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S27 fort. In Schritt S27 wird ein Prozess zum Ersetzen des Änderungsbetrags durch den Wert der Änderungsrate ausgeführt. Demzufolge wird der Wert der Änderungsrate in Schritt S13 aus 3 als Änderungsbetrag verwendet.
Wie vorher beschrieben, aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Schätzwert basierend auf der Änderungsrate, wenn die Änderungsrate den Grenzwert für die Erhöhungsrate nicht überschreitet.
Falls das Einström-Äquivalenzverhältnis in Schritt S22 bestimmt ist, höher oder gleich dem stöchiometrischen Äquivalenzverhältnis des Katalysators zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S28 fort. In diesem Fall wird die Sauerstoffspeichermenge verringert. In Schritt S28 wird ein Prozess zum Berechnen der Änderungsrate der Sauerstoffspeichermenge ausgeführt. Zudem wird dieser Prozess durch die Ratenberechnungseinheit 110 unter Verwendung der vorher beschriebenen Gleichung (1) ausgeführt.
In Schritt S29, der auf den Schritt S28 folgt, wird ein Prozess zum Berechnen des Grenzwerts für die Verringerungsrate ausgeführt. Zudem wird dieser Prozess durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 unter Verwendung der vorher beschriebenen Gleichung (2) ausgeführt.
In Schritt S30, der auf den Schritt S29 folgt, wird bestimmt, ob die Änderungsrate, die in Schritt S28 berechnet wird, niedriger als der Grenzwert für die Verringerungsrate ist, der in Schritt S29 berechnet wird.
Falls die Änderungsrate bestimmt ist, niedriger als der Grenzwert für die Verringerungsrate zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S31 fort. In Schritt S31 wird ein Prozess zum Ersetzen des Werts des Änderungsbetrags durch den Grenzwert für die Verringerungsrate ausgeführt. Demzufolge wird der Wert des Grenzwerts für die Verringerungsrate in Schritt S13 aus 3 als Änderungsbetrag verwendet.
Wie vorher beschrieben, aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Schätzwert basierend auf dem Grenzwert für die Verringerungsrate, wenn die Änderungsrate den Grenzwert für die Verringerungsrate überschreitet.
Falls die Änderungsrate in Schritt S30 bestimmt ist, höher oder gleich dem Grenzwert für die Verringerungsrate zu sein, fährt der Ablauf bei Schritt S32 fort. In Schritt S32 wird ein Prozess zum Ersetzen des Änderungsbetrags durch den Wert der Änderungsrate ausgeführt. Demzufolge wird der Wert der Änderungsrate in Schritt S13 aus 3 als Änderungsbetrag verwendet.
Wie vorher beschrieben, aktualisiert die Speichermengenaktualisierungseinheit 130 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Schätzwert basierend auf der Änderungsrate, wenn die Änderungsrate den Grenzwert für die Verringerungsrate nicht überschreitet.
Es wurde vorher ein Beispiel beschrieben, in welchem der Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge, der durch die Zustandsschätzvorrichtung 100 berechnet wird, für die Steuerung durch die Steuerungsvorrichtung 200 für den Verbrennungsmotor verwendet wird. Jedoch ist die Verwendung des berechneten Schätzwerts nicht auf das Vorherige beschränkt. Beispielsweise kann eine Abnormität des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 oder dergleichen basierend auf dem Schätzwert der Sauerstoffspeichermenge bestimmt werden; und die Ergebnisse der Bestimmung können an einen Insassen oder dergleichen berichtet werden.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Berechnungsverfahren der Grenzwertrate durch die Grenzwertberechnungseinheit 120. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede der zweiten Ausführungsform zur ersten Ausführungsform beschrieben; die Gemeinsamkeiten der ersten und zweiten Ausführungsformen werden, wenn möglich, ausgespart.
Die Linie L1, die in 6 gezeigt ist, ist die gleiche wie die Linie L1, die in 4 gezeigt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ändert sich mit der Verringerung der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 der Grenzwert für die Erhöhungsrate, der durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet wird, von der Linie L1 zu der Linie L11. Die Linie L11 ist eine gerade Linie mit einer geringeren Steigung als die Linie L1 und sie gibt an, dass der Grenzwert für die Erhöhungsrate 0 wird, wenn die Sauerstoffspeichermenge 100 % ist. In jedem Fall, in welchem die Sauerstoffspeichermenge in dem Bereich von 0 % bis 100 % liegt, ist der Absolutwert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate, der bei niedriger Temperatur berechnet wird, kleiner als der Absolutwert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate, der bei einer normalen Temperatur berechnet wird. Solch ein Grenzwert für die Erhöhungsrate kann beispielsweise durch Multiplizieren des Werts, der durch die Gleichung (2) berechnet wird, mit einem Koeffizienten, der sich mit der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 verringert, berechnet werden.
Aus den Ergebnissen, die durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung mittels Experimenten und dergleichen bestätigt wurden, wurde herausgefunden, dass sich der Absolutwert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate mit der Verringerung der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 verringert. Daher kann die Grenzwertberechnungseinheit 120 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Grenzwert für die Erhöhungsrate genauer berechnen.
Die Linie L2, die in 6 gezeigt ist, ist die gleiche wie die Linie L2, die in 4 gezeigt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ändert sich mit der Verringerung der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 der Grenzwert für die Verringerungsrate, der durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet wird, von der Linie L2 zu der Linie L12. Die Linie L12 ist eine gerade Linie mit einer geringeren Steigung als die Linie L2 und sie gibt an, dass der Grenzwert für die Verringerungsrate 0 wird, wenn die Sauerstoffspeichermenge 0 % ist. In jedem Fall, in welchen die Sauerstoffspeichermenge in dem Bereich von 0 % bis 100 % liegt, ist der Absolutwert des Grenzwerts für die Verringerungsrate, der bei niedriger Temperatur berechnet wird, geringer als der Absolutwert des Grenzwerts für die Verringerungsrate, der bei normaler Temperatur berechnet wird. Solch ein Grenzwert für die Verringerungsrate kann beispielsweise durch Multiplizieren des Werts, der durch die Gleichung (3) berechnet wird, mit einem Koeffizienten, der sich mit der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 verringert, berechnet werden.
Aus den Ergebnissen, die durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung mittels Experimenten und dergleichen bestätigt wurden, wurde herausgefunden, dass sich der Absolutwert des Grenzwerts für die Verringerungsrate mit der Verringerung der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 verringert. Daher kann die Grenzwertberechnungseinheit 120 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Grenzwert für die Verringerungsrate genauer berechnen.
Wie vorher beschrieben gilt bei der vorliegenden Ausführungsform, je niedriger die Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators 31 ist, desto geringer sind die Absolutwerte des Grenzwerts für die Erhöhungsrate und des Grenzwerts für die Verringerungsrate, die durch die Grenzwertberechnungseinheit 120 berechnet werden. Zusätzlich kann die Korrektur der Grenzwertrate basierend auf der Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysator 31 für sowohl den Grenzwert für die Erhöhungsrate, als auch den Grenzwert für die Verringerungsrate wie vorher beschrieben ausgeführt werden; alternativ kann die Korrektur nur für den Grenzwert für die Erhöhungsrate oder den Grenzwert für die Verringerungsrate ausgeführt werden.
Wie vorher beschrieben, wurden die Ausführungsformen mit Bezug zu den spezifischen Beispielen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die spezifischen Beispiele beschränkt. Modifikationen, die aus geeigneten Designänderungen resultieren und von einem Fachmann für die spezifischen Beispiele angewandt wurden, sind ebenso im Umfang der vorliegende Offenbarung enthalten, solange sie die Merkmale der vorliegende Offenbarung aufweisen. Elemente, die in den spezifischen Beispielen und ihren Anordnungen, Bedingungen, Formen und dergleichen enthalten sind, sind nicht auf die veranschaulichten beschränkt, sondern können auf geeignete Weise modifiziert werden. Die Kombinationen der Elemente, die in den spezifischen Beispielen enthalten sind, können auf geeignete Weise geändert werden, solange keine technischen Widersprüche auftreten.
Die Steuervorrichtungen und die Steuerverfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, können durch einen oder mehrere dedizierte Computer, die mit einem Prozessor konfiguriert sind, welcher programmiert ist, um eine oder mehrere Funktionen auszuführen, die durch ein Computerprogramm ausgestaltet sind, und ein Speicher realisiert sein. Als eine Alternative können die Steuerungsvorrichtungen und Steuerungsverfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, durch einen dedizierten Computer, der mit einem Prozessor konfiguriert ist, der eine oder mehrere dedizierte Hardware-Logikschaltungen enthält, realisiert sein. Als eine weitere Alternative können die Steuerungsvorrichtungen und Steuerungsverfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, durch eine oder mehrere dedizierte Computer, die mit einer Kombination aus einem Prozessor, der programmiert ist, eine oder mehrere Funktionen auszuführen, einem Speicher und einem Prozessor, der eine oder mehrere Hardware-Logikschaltungen enthält, konfiguriert sind, realisiert sein. Das Computerprogramm kann als Instruktionen, die durch den Computer durchgeführt werden, auf einem Computer-lesbaren nicht flüchtigen greifbaren Speichermedium gespeichert sein. Die dedizierten Hardware-Logikschaltungen und die Hardware-Logikschaltungen können durch eine digitale Schaltung, die eine Vielzahl von Logikschaltungen enthält oder durch eine analoge Schaltung realisiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018232183 [0001]
JP 2000120475 A [0008]

Claims

Zustandsschätzvorrichtung (100) zum Schätzen eines Zustands eines Sauerstoffspeicherkatalysators (31), der in einem Fahrzeug (MV) vorgesehen ist, wobei die Zustandsschätzvorrichtung aufweist: eine Ratenberechnungseinheit (110) zum Berechnen einer Änderungsrate einer Sauerstoffspeichermenge in dem Sauerstoffspeicherkatalysator basierend auf einer Strömungsrate und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Sauerstoffspeicherkatalysator einströmt; eine Grenzwertberechnungseinheit (120) zum Berechnen einer Grenzwertrate, welche ein Grenzwert einer Änderungsrate ist; und eine Speichermengenaktualisierungseinheit (130) zum Aktualisieren eines Schätzwerts der Sauerstoffspeichermenge basierend auf der Änderungsrate und der Grenzwertrate, wobei die Speichermengenaktualisierungseinheit konfiguriert ist, um: den Schätzwert basierend auf der Änderungsrate zu aktualisieren, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate nicht überschreitet; und den Schätzwert basierend auf der Grenzwertrate zu aktualisieren, wenn die Änderungsrate die Grenzwertrate überschreitet.
Zustandsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Grenzwertberechnungseinheit konfiguriert ist, um: einen Grenzwert für eine Erhöhungsrate, welcher ein Grenzwert für eine Rate ist, mit welcher sich die Sauerstoffspeichermenge erhöht, und einen Grenzwert für eine Verringerungsrate, welcher ein Grenzwert für eine Rate ist, mit welcher sich die Sauerstoffspeichermenge verringert, zu berechnen.
Zustandsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei gilt, je größer die Sauerstoffspeichermenge, desto geringer ist der Absolutwert des Grenzwerts für die Erhöhungsrate, der durch die Grenzwertberechnungseinheit berechnet wird.
Zustandsschätzvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei gilt, je geringer die Sauerstoffspeichermenge, desto geringer ist der Absolutwert des Grenzwerts für die Verringerungsrate, der durch die Grenzwertberechnungseinheit berechnet wird.
Zustandsschätzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei gilt, je niedriger die Temperatur des Sauerstoffspeicherkatalysators, desto geringer ist zumindest einer der Absolutwerte des Grenzwerts für die Erhöhungsrate und des Grenzwerts für die Verringerungsrate, die durch die Grenzwertberechnungseinheit berechnet werden.