DE19734250C2 - System zum aufeinanderfolgenden Schätzen der Luft-Kraftstoffverhältnisse einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine - Google Patents

System zum aufeinanderfolgenden Schätzen der Luft-Kraftstoffverhältnisse einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein System zum aufeinanderfolgenden Schätzen der Luft-Kraftstoffverhältnisse einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine, welches das Luft-Kraftstoffverhältnis eines jedem Zylinder der Maschine zugeführten Gemischs unter Verwendung eines Beobachtungselements auf Basis moderner Regeltheorie schätzt.
Beispielsweise ist aus US-5,524,598 ist ein gattungsgemäßes System zum aufeinanderfolgenden Schätzen der Luft-Kraftstoffverhältnisse einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt, wonach ein Beobachtungs­ element zum Beobachten des internen Betriebszustands des Abgassystems der Maschine auf Basis eines Modells, welches das Verhalten des Ab­ gassystems beschreibt, gesetzt wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis eines jedem der Zylinder der Maschine zugeführten Gemischs auf Basis einer Ausgabe eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors geschätzt wird, der am Zusammenflußabschnitt des Abgassystems angeordnet ist, um eine Aus­ gabe zu erzeugen, die zu dem Luft-Kraftstoffverhältnis proportional ist. Die Elemente der Beobachtungsmatrix sind Festwerte.
Weil bei dem herkömmlichen Verfahren ein Parameter (Wichtungskoeffizient C), der eine Charakteristik des Beobachtungselements auf Basis des Modells des Abgassystems definiert, in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Maschine variiert, ändert sich der Parameter in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Maschine.
Um die Charakteristiken des Beobachtungselements bei verschiedenen Betriebszuständen der Maschine zu optimieren, genügt es jedoch nicht immer, den obigen Parameter in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine zu ändern. Daher sind bei dem herkömmlichen Verfahren die Charakteristiken des Beobachtungselements weiter verbesserungsbedürftig, insbesondere die Stabilität und Konvergenz (Annäherungsgeschwindigkeit oder Nachführgeschwindigkeit) des Beobachtungselements.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Regeln des Luft- Kraftstoffverhältnisses eines einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zuzu­ führenden Gemischs anzugeben, in der unter Verwendung eines Beobach­ tungselements die Luft-Kraftstoffverhältnisse der Zylinder zylinderweise geschätzt werden und die in der Lage ist, die Stabilitäts- und Konvergier­ eigenschaften des Beobachtungselements bei verschiedenen Betriebszustän­ den der Maschine zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen.
Durch die Änderung der Elemente der Beobachtungsmatrix nach Maßgabe der Motorbetrtiebszustände lassen sich die Stabilitäts- und die Konvergier­ eigenschaften des Beobachtungselements optimieren, um die Schätzgenau­ igkeit des Luft-Kraftstoffverhälltnisses einzelner Zylinder zu verbessern.
Bevorzugt ändert das Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis- Schätzmittel den Verstärkungsgrad zur Verwendung bei der Schätzung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des jedem der Zylinder zugeführten Gemisches durch das Überwachungselement nach Maßgabe der Drehzahl der Maschine und/oder des Drucks in dem Einlaßsystem.
Bevorzugt setzt das Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätz­ mittel den Verstärkungsgrad auf einen größeren Wert, wenn die Drehzahl der Maschine zunimmt und/oder der Druck in dem Einlaßsystem abnimmt. (vergl. Ansprüche 3 und 4).
Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt im Blockdiagramm die Anordnung einer Brennkraftma­ schine und eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystems dafür mit einem Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzsystem nach einer Ausführung der Erfindung;
Fig. 2 zeigt im Blockdiagramm die Regelung des Luft-Kraftstoff­ verhältnisses eines der Maschine zugeführten Gemisches;
Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm einer Hauptroutine zur Berechnung eines PID-Korrekturkoeffizienten KLAF und eines Zylinder-für-Zylinder- Korrekturkoeffizienten KOBSV#N in Antwort auf ein Ausgangssignal von einem in Fig. 1 gezeigten LAF-Sensor (O2-Sensor mit linearem Ausgang);
Fig. 4 zeigt im Blockdiagramm ein Modell, welches das Verhalten des Abgassystems der Maschine darstellt;
Fig. 5 zeigt im Blockdiagramm den Aufbau eines Überwachungs­ elements zur Anwendung bei dem Modell des Abgassystems;
Fig. 6A zeigt eine Tabelle zur Bestimmung eines Wichtungs­ koeffizienten C für das Überwachungselement;
Fig. 6B zeigt eine Tabelle zur Bestimmung einer Ansprechver­ zögerungszeitkonstante DL für den LAF-Sensor;
Fig. 7A zeigt eine Tabelle zur Bestimmung eines Elements K1 einer Verstärkungsgradmatrix K für das Überwachungselement;
Fig. 7B zeigt eine Tabelle zur Bestimmung eines Elements K2 der Verstärkungsgradmatrix K;
Fig. 7C zeigt eine Tabelle zur Bestimmung eines Elements K3 der Verstärkungsgradmatrix K;
Fig. 8 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Zylinder-für-Zylinder- Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelung;
Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm einer Unterroutine zur Berechnung des Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizienten KOBSV#N zur Durchführung in Schritt S9 in Fig. 3;
Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm einer Unterroutine zur Durchführung eines Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzprozesses zur Durchführung in Schritt S336 in Fig. 9; und
Fig. 11 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines Zylinder-für- Zylinder-Regelbereichs.
Zuerst zu Fig. 1. Hier ist schematisch die Gesamtanordnung einer Brennkraftmaschine und eines Regelsystems dafür dargestellt, mit einem Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzsystem nach einer ersten Ausführung der Erfindung. In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Vierzylinderbrennkraftmaschine (nachfolgend einfach "Maschine" oder "Motor" genannt) mit zwei Einlaßventilen und zwei Auslaßventilen für jeden Zylinder, die alle nicht gezeigt sind.
Die Maschine 1 hat ein Einlaßrohr 2 mit einem Krümmerteil (Einlaßkrümmer) 11, der direkt mit der Brennkammer jedes Zylinders verbunden ist. Ein Drosselventil 3 ist in dem Einlaßrohr 2 an einer Stelle stromauf des Krümmerteils 11 angeordnet. Ein Drosselventilöffnungs-(θTH) Sensor 4 ist mit dem Drosselventil 3 verbunden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches die erfaßte Drosselventilöffnung θTH anzeigt, und diese einer elektrischen Steuereinheit (nachfolgend "ECU" genannt) 5 zuzuführen. Das Einlaßrohr 2 ist mit einer Hilfsluftpassage 6 versehen, welche das Drossel­ ventil 3 umgeht, und ein Hilfsluftmengen-Steuerventil (elektromagnetisches Ventil) 7 ist in der Hilfsluftpassage 6 angeordnet. Das Hilfsluftmengen- Steuerventil 7 ist elektrisch mit der ECU 5 verbunden, so daß dessen Öffnungsbetrag durch ein Signal von dieser gesteuert wird.
Ein Einlaßlufttemperatur-(TA)-Sensor 8 sitzt im Einlaßrohr 2 an einer Stelle stromauf des Drosselventils 3, um der ECU 5 ein elektrisches Signal zu liefern, welches die erfaßte Einlaßlufttemperatur TA anzeigt. Das Einlaßrohr 2 hat einen Erweiterungsabschnitt 9 in Form einer Kammer, die zwischen dem Drosselventil 3 und dem Einlaßkrümmer 11 angeordnet ist. In der Kammer 9 ist ein Einlaßrohrabsolutdruck-(PBA)-Sensor 10 angeordnet, um der ECU 5 ein Signal zu liefern, das den erfaßten Einlaßrohrabsolutdruck PBA anzeigt.
Ein Motorkühlmitteltemperatur-(TW)-Sensor 13, der aus einem Thermistor o. dgl. gebildet sein kann, ist in dem mit Motorkühlmittel gefüllten Zylinder­ block des Motors 1 angebracht, um der ECU 5 ein elektrisches Signal zu liefern, das die erfaßte Motorkühlmitteltemperatur TW anzeigt. Ein Kurbelwinkelpositionssensor 14 zum Erfassen eines Drehwinkels der Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Motors 1 ist mit der ECU 5 elektrisch verbunden, um der ECU 5 ein elektrisches Signal zu liefern, das den erfaßten Drehwinkel der Kurbelwelle anzeigt.
Der Kurbelwellenpositionssensor 14 umfaßt einen Zylinderunterscheidungs­ sensor, einen oberen Totpunkt-(OT)-Sensor, sowie einen Kurbelwinkel (CRK- Sensor). Der Zylinderunterscheidungssensor erzeugt einen Signalimpuls (nachfolgend als "CYL-Signalimpuls" bezeichnet) bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel eines bestimmten Zylinders des Motors 1. Der OT-Sensor erzeugt einen Signalimpuls jeweils bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel (z. B. wenn sich die Kurbelwelle um jeweils 180 Grad dreht, wenn es sich um eine Vierzylindermaschine handelt) entsprechend einem vorbestimmten Kurbelwinkel vor einem oberen Totpunkt (OT) jedes Zylinders entsprechend dem Beginn des Saughubs des Zylinders. Der CRK-Sensor erzeugt einen Signalimpuls jeweils bei vorbestimmten Kurbelwinkeln (z. B. wenn sich die Kurbelwelle um jeweils 30 Grad dreht) mit einer vorbestimmten Wiederhol­ periode, die kürzer ist als die Wiederholperiode der OT-Signalimpulse. Der CYL-Signalimpuls, der OT-Signalimpuls und der CRK-Signalimpuls werden der ECU 5 zugeleitet, wo sie zur Steuerung verschiedener Zeitgeber dienen, wie etwa der Kraftstoffeinspritzzeiten und eines Zündzeitpunkts, und zur Erfassung der Motordrehzahl NE.
In dem Einlaßkrümmer 11 ein wenig stromauf der Einlaßventile sitzen Kraftstoffeinspritzventile 12 für die jeweiligen Zylinder. Die Kraftstoffein­ spritzventile 12 sind mit einer Kraftstoffpumpe, nicht gezeigt, verbunden und elektrisch mit der ECU 5 verbunden, so daß deren Kraftstoffein­ spritzzeiten und Kraftstoffeinspritzperioden (Ventilöffnungsperioden) durch Signale von dieser gesteuert werden. Zündkerzen, nicht gezeigt, der Maschine 1 sind ebenfalls mit der ECU 5 verbunden, so daß deren Zündzeitpunkt θIG durch Signale von dieser gesteuert wird.
Ein Auslaßrohr 16 der Maschine hat einen Krümmerteil (Auslaßkrümmer) 15, der direkt mit den Brennkammern der Zylinder der Maschine 1 verbunden ist. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor mit linearem Ausgang (nachfolgend als "LAF-Sensor" bezeichnet) 17 ist in einem Zusammenflußabschnitt des Auslaßrohrs 16 unmittelbar stromab des Auslaßkrümmers 15 angeordnet. Ferner sind in dem Zusammenflußabschnitt des Abgasrohrs 16 stromab des LAF-Sensors 17 ein erster Dreiwegekatalysator (erster stromabwärtiger Dreiwegekatalysator) 19 sowie ein zweiter Dreiwegekatalysator (zweiter stromabwärtiger Dreiwegekatalysator) 20 angeordnet, um in Abgasen enthaltene schädliche Bestandteile zu entfernen, wie etwa HC, CO und NOx. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor (nachfolgend als "O2-Sensor" bezeichnet) 18 sitzt in dem Abgasrohr 16 zwischen den beiden Dreiwegeka­ talysatoren 19 und 20.
Der LAF-Sensor 17 ist über einen Tiefpaßfilter 22 mit der ECU 5 elektrisch verbunden, um der ECU 5 ein elektrisches Signal zu liefern, dessen Wert zur Sauerstoffkonzentration im Abgas der Maschine (d. h. dem Luftkraftstoff­ verhältnis) im wesentlichen proportional ist. Der O2-Sensor 18 ändert seine Ausgangsspannung drastisch, wenn sich das Luft-Kraftstoffverhältnis eines der Maschine zugeführten Gemischs über ein stöchiometrisches Luft- Kraftstoffverhältnis ändert, um ein Hochpegelsignal auszugeben, wenn das Gemisch fetter als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ist, und um ein Niederpegelsignal auszugeben, wenn das Gemisch magerer als jenes ist. Der O2-Sensor 18 ist elektrisch über einen Tiefpaßfilter 23 mit der ECU 5 verbunden, um der ECU 5 ein Hoch- oder Niederpegelsignal zu liefern.
Die Maschine 1 ist mit einem Abgasrückführungs-(EGR)-System 30 versehen, welches eine Abgasrückführungspassage 31 aufweist, die zwischen der Kammer 9 des Einlaßrohrs 3 und dem Abgasrohr 16 verläuft. Ein Abgasrückführsteuerventil (nachfolgend als "EGR-Ventil" 32 bezeichnet, ist in der Abgasrückführungspassage 31 angeordnet, um die rückzuführende Abgasmenge zu steuern. Ein Hubsensor 33 erfaßt den Hub des EGR-Ventils 32 und liefert ein Signal zu der ECU 5, welches den erfaßten Ventilhub anzeigt. Das EGR-Ventil 32 ist ein elektromagnetisches Ventil mit einem Solenoid, welches mit der ECU 5 elektrisch verbunden ist. Dessen Ventilhub ändert sich linear durch ein Steuersignal von der ECU 5.
Die Maschine 1 enthält einen Ventilsteuerungs-Umschaltmechanismus 60, der die Ventilsteuerzeiten zumindest der Einlaßventile der Einlaß- und Auslaßventile umschaltet zwischen einer Hochdrehzahlventilsteuerung, die für einen Hochdrehzahlbetriebsbereich der Maschine geeignet ist, und einer Niederdrehzahlventilsteuerung, die für einen Niederdrehzahlbetriebszustand derselben geeignet ist. Das Umschalten der Ventilsteuerung beinhaltet nicht nur die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils, sondern auch das Umschalten des Ventilhubs. Wenn die Niederdrehzahlventilsteuerung gewählt ist, wird eines der beiden Einlaßventile außer Betrieb gesetzt, um hierdurch eine stabile Verbrennung sicherzustellen, wenn das Luft-Kraft­ stoffverhältnis des Gemisches auf einen Wert gesteuert wird, der magerer ist als das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis.
Der Ventilsteuerungsumschaltmechanismus 60 ändert die Ventilsteuerzeiten durch hydraulischen Druck. Ein elektromagnetisches Ventil zum Ändern des Hydraulikdrucks sowie ein Hydraulikdrucksensor (von denen keiner gezeigt ist), sind mit der ECU 5 elektrisch verbunden. Ein Signal, welches den erfaßten Hydraulikdruck anzeigt, wird der ECU 5 zugeführt, die wiederum das elektromagnetische Ventil zum Ändern der Ventilsteuerzeiten steuert.
Ferner ist mit der ECU 5 ein Atmosphärendruck-(PA)-Sensor 21 elektrisch verbunden, um den Atmosphärendruck PA zu erfassen und um der ECU 5 ein Signal zu liefern, welches den erfaßten Atmosphärendruck PA anzeigt.
Die ECU 5 enthält eine Eingangsschaltung mit den Funktionen der Wellen­ formung von Eingangssignalen von den verschiedenen genannten Sensoren, Verschieben der Spannungspegel der Sensorausgangssignale auf einen vorbestimmten Pegel, Wandeln von Analogsignalen von Analogausgangs­ sensoren in Digitalsignale usw., eine zentrale Prozessoreinheit (nachfolgend als "CPU" bezeichnet), eine Speicherschaltung, die ein ROM aufweist zum Speichern verschiedener Betriebsprogramme, die von der CPU durch­ zuführen sind, sowie verschiedener Kennfelder, auf die nachfolgend Bezug genommen wird, ein RAM zum Speichern von Rechnungsergebnissen der CPU etc., sowie eine Ausgabeschaltung, die Treibersignale an die Kraftstoff­ einspritzventile 12 und andere elektromagnetische Ventile, Zündkerzen etc. ausgibt.
Die ECU 5 arbeitet in Antwort auf die oben genannten Signale der Sensoren zur Bestimmung von Betriebsbedingungen, in denen sich die Maschine 1 befindet, wie etwa eines Luft-Kraftstoffverhältnis-(Rückkopplungs)- Regelbereichs, in dem Luft-Krafstoffverhältnis-Regelung in Antwort auf Ausgänge von dem LAF-Sensor 17 und dem O2-Sensor 18 durchgeführt wird, sowie von Offenschleifensteuerbereichen des Luft-Kraftstoffverhältnis­ ses, und berechnet auf Basis der ermittelten Motorbetriebszustände, die Kraftstoffeinspritzdauer TOUT, während der die Kraftstoffeinspritzventile 12 zu öffnen sind, unter Verwendung der folgenden Gleichung (1), zur Ausgabe von Signalen zum Antrieb der Kraftstoffeinspritzventile 12 auf Basis der Berechnungsergebnisse:
TOUT = TIMF × KTOTAL × KCMDM × KLAF × KOBSV#N .....(1)
wobei TIMF einen Basiswert der Kraftstoffeinspritzmenge TOUT bezeichnet, KTOTAL einen Korrekturkoeffizienten, KCMDM einen letztlich gewünschten Luft-Kraftstoffverhältniskoeffizienten, KLAF einen PID-Korrekturkoeffizienten und KOBSV#N einen Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizienten.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Berechnung der Kraftstoff­ einspritzdauer TOUT unter Verwendung der Gleichung (1). Anhand der Figur wird ein Berechnungsprinzip der Kraftstoffeinspritzdauer TOUT nach der vorliegenden Ausführung beschrieben. Anzumerken ist, daß in der vorliegenden Ausführung die der Maschine zuzuführende Kraftstoffmenge tatsächlich entsprechend einer Zeitdauer berechnet wird, während der das Kraftstoffeinspritzventil 12 geöffnet ist (Kraftstoffeinspritzdauer). In der vorliegenden Beschreibung wird jedoch die Kraftstoffeinspritzdauer TOUT als Kraftstoffeinspritzmenge oder Kraftstoffmenge bezeichnet, weil die Kraftstoffeinspritzdauer zur eingespritzen oder einzuspritzenden Kraftstoff­ menge äquivalent ist.
In Fig. 2 berechnet Block B1 die Basiskraftstoffmenge TIMF entsprechend einer Einlaßluftmenge. Die Basiskraftstoffmenge TIMF wird grundlegend entsprechend der Motordrehzahl NE und dem Einlaßrohrabsolutdruck PBA gesetzt. Vorzugsweise wird jedoch vorab ein Modell vorbereitet, welches einen Teil des Einlaßsystems darstellt, das von dem Drosselventil 3 zu den Brennkammern der Maschine 1 verläuft, und es erfolgt eine Korrektur der Basiskraftstoffmenge TIMF auf Basis des Modells der Strömungsver­ zögerung der Einlaßluft. In diesem bevorzugten Verfahren dienen die Drosselventilöffnung θTH und der Atmosphärendruck PA ebenfalls als zusätzlicher Parameter, welche die Betriebszustände der Maschine anzeigen.
Die Bezugszahlen B2 bis B4 bezeichnen Multiplizierblöcke, welche die Basiskraftstoffmenge TIMF mit jeweiligen Parameterwerten multipliziert und die Produktwerte ausgeben. In diesen Blöcken erfolgt der Rechenvorgang von Gleichung (1), um hierdurch die Kraftstoffeinspritzmenge TOUT auszugeben.
Block B9 multipliziert alle vorwärts steuernden Korrekturkoeffizienten, wie etwa einen von der Motorkühlmitteltemperatur abhängigen Korrekturkoeffi­ zienten KTW, der entsprechend der Motorkühlmitteltemperatur TW gesetzt wird, einen EGR-abhängigen Korrekturkoeffizienten KEGR, der entsprechend der Rückführungsmenge von Abgasen während der Abgasrückführung gesetzt wird, sowie einen spülungsabhängigen Korrekturkoeffizienten KPUG, der entsprechend einer Menge von gespültem Kraftstoffdampf während der Spülung eines Kraftstoffdampfbearbeitungssystems, nicht gezeigt, der Maschine gesetzt wird, zum Erhalt des Korrekturkoeffizienten KTOTAL, welcher dem Block B2 zugeleitet wird.
Ein Block B21 ermittelt einen gewünschten Luft-Krafstoffverhältniskoeffi­ zienten KCMD auf Basis der Motordrehzahl NE, des Einlaßabsolutdrucks PBA etc. und leitet diesen einem Block B22 zu. Der gewünschte Luft- Kraftstoffverhältniskoeffizient KCMD ist direkt proportional zum Kehrwert des Luft-Kraftstoffverhältnisses A/F, d. h. dem Kraftstoff-Luftverhältnis F/A und nimmt einen Wert von 1,0 ein, wenn dieser zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis äquivalent ist. Aus diesem Grund wird dieser Wert KCMD auch als gewünschtes Äquivalenzverhältnis bezeichnet. Der Block B22 korrigiert den gewünschten Luft-Kraftstoffverhältniskoeffizienten KCMD auf Basis des über den Tiefpaßfilter 23 zugeführten Ausgangs VMO2 des O2-Sensors 18 und liefert den korrigierten KCMD-Wert zu den Blöcken B18 und B23. Im Block B23 erfolgt die hier kraftstoffkühlungsabhängige Korrektur des korrigierten KCMD-Werts zur Berechnung eines letztlich gewünschten Luft-Kraftstoffverhältniskoeffizienten KCMDM und liefert diesen zu dem Block B3.
Ein Block B10 tastet den über den Tiefpaßfilter 22 zugeführten Ausgang von dem LAF-Sensor 17 mit einer Abtastperiode ab, die synchron zur Erzeugung jedes CRK-Signalimpulses ist, speichert sequentiell die abgetasteten Werte in einem Ringpufferspeicher, nicht gezeigt, ab, und wählt einen der gespeicherten Werte in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Maschine (LAF-Sensorausgang-Wählprozeß), der mit der optimalen Zeitgebung für jeden Zylinder abgetastet wurde, um den gewählten Wert einem Block B11, und, über einen Tiefpaßfilterblock B16, dem Block B18 zuzuführen. Der LAF-Sensorausgang-Wählprozeß beseitigt die Probleme, daß nämlich das Luft-Kraftstoffverhältnis, welches sich jeden Moment ändert, nicht genau in Abhängigkeit von der Abtastzeit des Ausgangs von dem LAF-Sensor 17 erfaßt werden kann, und hierdurch eine Zeitverzögerung entsteht, bevor das von der Brennkammer abgegebene Abgas den LAF-Sensor 17 erreicht, und daß die Ansprechzeit des LAF-Sensors per se sich in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Maschine ändert.
Der Block B11 hat die Funktion eines sogenannten Überwachungselements, d. h. die Funktion der Abschätzung eines Werts des Luft-Kraftstoffverhält­ nisses unabhängig für jeden Zylinder aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis (eines von den Zylindern abgegebenen Abgasgemisches), das an dem Zusammenfluß des Abgassystems durch den LAF-Sensor 17 erfaßt wird, und der Zufuhr des geschätzten Werts zu einem entsprechenden der Blöcke B12 bis B15, die jeweils den vier Zylindern zugeordnet sind. In Fig. 2 entspricht der Block B12 einem Zylinder #1, der Block B13 einem Zylinder #2, der Block B14 einem Zylinder #3 und der Block B15 einem Zylinder #4. Die Blöcke B12 bis B15 berechnen den Zylinder für-Zylinder-Korrekturkoeffi­ zienten KOBSV#N (N = 1 bis 4) durch PID-Regelung derart, daß das Luft- Kraftstoffverhältnis jedes Zylinders (der Wert des von dem Überwachungs­ element B11 für jeden Zylinder geschätzten Luft-Kraftstoffverhältnisses) gleich einem Wert des an dem Zusammenflußabschnitt erfaßten Luft- Kraftstoffverhältnisses wird, und leitet die KOBSV#N-Werte den jeweiligen Blöcken B5 bis B8 zu.
Der Block B18 berechnet den PID-Korrekturkoeffizienten KLAF durch PID- Regelung auf Basis der Differenz zwischen dem momentanen Luft-Kraftstoff­ verhältnis und dem gewünschten Luft-Kraftstoffverhältnis und leitet den KLAF-Wert dem Block B4 zu.
Wie oben beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführung die Kraftstoff­ einspritzmenge TOUT Zylinder für Zylinder berechnet, indem in der Gleichung (1) der PID-Korrekturkoeffizient KLAF verwendet wird, der entsprechend dem Ausgang aus dem LAF-Sensor durch die normale PID- Regelung berechnet wird, und indem in derselben Gleichung (1) der Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizient KOBSV#N verwendet wird, der auf Basis des Ausgangs von dem LAF-Sensor 17 entsprechend dem Luft- Krafstoffverhältnis jedes Zylinders gesetzt wird. Schwankungen des Luft- Kraftstoffverhältnisses zwischen den Zylindern lassen sich unter Ver­ wendung des Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizienten KOBSV#N beseitigen, um hierdurch die Reinigungswirkung der Katalysatoren zu verbessern und somit bei verschiedenen Betriebszuständen gute Abgas­ emissionscharakteristiken der Maschine zu erhalten.
In der vorliegenden Ausführung werden die Funktionen der in den Fig. 2 gezeigten Blöcke durch arithmetische Vorgänge realisiert, die von der CPU der ECU 5 ausgeführt werden, und Details dieser Vorgänge werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Programmroutinen erläutert.
Fig. 3 zeigt eine Hauptroutine zur Berechnung des PID-Korrekturkoeffizien­ ten KLAF und des Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizienten KOBSV#N entsprechend dem Ausgang aus dem LAF-Sensor 17. Diese Routine wird synchron mit der Erzeugung jedes OT-Signalimpulses durchgeführt.
In Schritt S1 wird festgestellt, ob sich die Maschine in einem Startmodus befindet, d. h. ob die Maschine angelassen wird oder nicht. Wenn sich die Maschine im Startmodus befindet, geht das Programm zu Schritt S14 weiter, um eine Unterroutine für den Startmodus durchzuführen, die nicht gezeigt ist. Wenn sich die Maschine nicht in dem Startmodus befindet, werden in Schritt S2 der gewünschte Luft-Kraftstoffverhältniskoeffizient (gewünschtes Äquivalenzverhältnis) KCMD und der letztlich gewünschte Luft-Kraftstoffverhältniskoeffizient KCMDM berechnet, in Schritt S3 wird der LAF-Sensorausgangswählprozeß durchgeführt. Ferner wird in Schritt S4 ein momentanes Äquivalenzverhältnis KACT berechnet. Das momentane Äquivalenzverhältnis KACT erhält man durch Wandeln des Ausgangs von dem LAF-Sensor 17 in einen Äquivalenzverhältniswert.
Dann wird in Schritt S5 bestimmt, ob der LAF-Sensor 17 aktiviert worden ist oder nicht. Diese Bestimmung erfolgt durch Vergleich der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des LAF-Sensors 17 und dessen Mittelspannung mit einem vorbestimmten Wert (z. B. 0,4 Volt), und Bestimmen, daß der LAF-Sensor 17 aktiviert worden ist, wenn die Differenz kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Dann wird in Schritt S6 bestimmt, ob sich die Maschine 1 in einem Betriebsbereich befindet oder nicht, indem die auf den Ausgang des LAF- Sensors 17 ansprechende Luft-Kraftstoffverhältnis-(Rückkopplungs)- Regelung durchzuführen ist (nachfolgend als "LAF-Regelbereich" bezeich­ net). Insbesondere wird bestimmt, daß sich die Maschine 1 in dem LAF- Regelbereich befindet, wenn z. B. der LAF-Sensor 17 aktiviert worden ist, jedoch gleichzeitig weder eine Kraftstoffunterbrechung durchgeführt wird noch die Drossel weit offen ist. Wenn bestimmt wird, daß sich die Maschine nicht in dem LAF-Regelbereich befindet, wird ein Flag (Merker) FKLAFRESET, der auf "1" gesetzt anzeigt, daß sich die Maschine nicht in dem LAF-Regelbereich befindet, auf "1" gesetzt wird, während wenn bestimmt wird, daß sich die Maschine in dem LAF-Regelbereich befindet, das Rücksetzflag FKLAFRESET auf "0" gesetzt wird.
Im folgenden Schritt S7 wird bestimmt, ob das Rücksetzflag FKLAFRESET "1 " ist. Wenn FKLAFRESET = 1 ist, geht das Programm zu Schritt S8 weiter, worin der PID-Korrekturkoeffizient KLAF auf "1,0" gesetzt wird, der Zylinder für-Zylinder-Korrekturkoeffizient KOBSV#N auf einen erlernten Wert KOBSV#Nsty desselben gesetzt wird, der nachfolgend erläutert wird, und ein bei der PID-Regelung verwendeter Integralterm KLAFI auf "0" gesetzt wird, wonach das Programm endet.
Wenn andererseits in Schritt S7 FKLAFRESET = 0 ist, werden der Zylinder- für-Zylinder-Korrekturkoeffizient KOBSV#N und PID-Korrekturkoeffizient KLAF in jeweiligen Schritten S9 und S10 berechnet, wonach die vorliegende Routine endet.
Nun folgt eine Beschreibung der Berechnung des Zylinder-für-Zylinder- Korrekturkoeffizienten KOBSV#N, der in Fig. 3 in Schritt S9 durchgeführt wird.
In der folgenden Beschreibung wird zuerst der Schätzvorgang des Zylinder- für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnisses durch das Überwachungselement beschrieben, und dann wird die Berechnung des Zylinder-für-Zylinder- Korrekturkoeffizienten KOBSV#N entsprechend dem geschätzten Zylinder- für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis beschrieben.
Das am Zusammenflußabschnitt des Abgassystems erfaßte Luft-Kraftstoff­ verhältnis wird als gewichteter Durchschnittswert von Luft-Kraftstoffverhält­ niswerten der Zylinder betrachtet, der die zeitabhängigen Beiträge aller Zylinder widerspiegelt, wobei Werte der zu den Zeitpunkten (k), (k + 1) und (k + 2) erfaßten Luft-Kraftstoffverhältnisse durch die Gleichungen (2A), (2B) bzw. (2C) ausgedrückt sind. Beim Aufstellen dieser Gleichungen wurde die Kraftstoffmenge (F) als Arbeitsmenge verwendet, und demzufolge wird in diesen Gleichungen das Kraftstoff-Luftverhältnis F/A verwendet:
[F/A] (k) = C1[F/A#1] + C2[F/A#3] + C3[F/A#4] + C4[F/A#2] ... (2A)
[F/A](k + 1) = C1[F/A#3] + C2[F/A#4] + C3[F/A#2] + C4[F/A#1] ...(2B)
[F/A](k + 2) = C1[F/A#4] + C2[F/A#2] + C3[F/A#1] + C4[F/A#3] ...(2C)
Insbesondere wird das am Zusammenflußabschnitt des Abgassystems erfaßte Kraftstoff-Luftverhältnis ausgedrückt als die Summe von Werten des Zylinder-für-Zylinder-Kraftstoff-Luftverhältnisses, multipliziert mit jeweiligen Wichtungen C, die sich in der Reihenfolge der Verbrennung ändern (z. B. 40% für einen Zylinder, der der unmittelbar vorhergehenden Verbrennung entspricht, 30% für einen, der der vorletzten Verbrennung entspricht, und so fort). Dieses Modell läßt sich als Blockdiagramm ausdrücken, wie in Fig. 4 gezeigt, und die Zustandsgleichung hierfür läßt sich durch die folgende Gleichung (3) ausdrücken:
Wenn man ferner das am Zusammenflußabschnitt erfaßte Luft-Kraftstoff­ verhältnis mit y(k) bezeichnet, läßt sich die Ausgangsgleichung durch die folgende Gleichung (4) ausdrücken:
wobei C1, C2, C3 und C4 Wichtungskoeffizienten darstellen.
In Gleichung (4) läßt sich u(k) nicht überwachen, und daher kann ein auf Basis dieser Zustandsgleichung gestaltetes Überwachungselement die Überwachung von x(k) nicht durchführen. Unter der Annahme, daß ein Wert des vier OT-Signalimpulse zuvor erfaßten Luft-Kraftstoffverhältnisses (d. h. der unmittelbar vorhergehende Wert desselben Zylinders) einen Wert darstellt, der unter einem gleichmäßigem Betriebszustand der Maschine ohne drastische Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses erhalten wird, wird daher angenommen, daß x(k + 1) = x(k - 3), wodurch sich die Gleichung (4) in die folgende Gleichung (5) ändern läßt:
Es wurde empirisch abgesichert, daß das somit gesetzte Modell das Abgassystems eines Vierzylindermotors gut repräsentiert. Daher ist ein Problem, das bei der Abschätzung des Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoff­ verhältnisses aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis A/F am Zusammenfluß­ abschnitt des Abgassystems entsteht, gleich dem Problem mit einem üblichen Kalman-Filter zur Überwachung von x(k) durch die folgende Zustandsgleichung und Ausgangsgleichung (6). Wenn die Wichtungs­ matrizes Q, R durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt werden, läßt sich die Riccati-Gleichung zum Erhalt einer Verstärkungsgradmatrix K auflösen, die durch die folgende Gleichung (8) dargestellt ist:
X(k + 1) = AX(k) + Bu(k)
y(k) = CX(k) + Du(k)... (6)
wobei
Beim Modell der vorliegenden Ausführung wird u(k) nicht eingegeben, das einem üblichen Überwachungselement eingegeben wird, so daß das Überwachungselement der vorliegenden Ausführung derart aufgebaut ist, daß y(k) allein in dieses eingegeben wird, wie in Fig. 11 gezeigt, was durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt wird:
Daher läßt sich aus dem Kraftstoff-Luftverhältnis y(k) am Zusammenfluß­ abschnitt und dem Schätzwert (k) des zuvor erhaltenen Zylinder-für- Zylinder-Kraftstoff-Luftverhältnisses der Schätzwert (k + 1) desselben in der gegenwärtigen Schleife berechnen.
Wenn man die obige Gleichung (9) verwendet, um das Zylinder-für-Zylinder- Kraftstoff-Luftverhältnis (k + 1) zu berechnen, ersetzt das momentane Äquivalenzverhältnis KACT(k) das Kraftstoff-Luftverhältnis y(k) am Zusammenflußabschnitt. Jedoch enthält das momentane Äquivalenz­ verhältnis KACT(k) die Reaktionsverzögerung des LAF-Sensors 17, wohingegen der C (k)-Wert (gewichtete Summe von vier Zylinder-für- Zylinder-Kraftstoff-Luftverhältniswerten) diese Ansprechverzögerung nicht enthält. Wegen des Einflusses der Ansprechverzögerung des LAF-Sensors 17 läßt sich daher mit der Gleichung (9) das Zylinder-für-Zylinder-Kraftstoff- Luftverhältnis nicht genau schätzen. Besonders groß ist der Einfluß der Ansprechverzögerung auf die Genauigkeit der Schätzung bei hoher Motordrehzahlzahl NE, wenn die Zeitintervalle der Erzeugung von OT- Signalimpulsen kürzer sind.
Nach der vorliegenden Ausführung wird daher ein geschätzter Wert (k) des Kraftstoff-Luftverhältnisses am Zusammenflußabschnitt unter Ver­ wendung folgender Gleichung (10) berechnet, und der somit berechnete Wert (k) wird bei der folgenden Gleichung (11) verwendet, um hierdurch den Schätzwert (k + 1) des Zylinder-für-Zylinder-Kraftstoff-Luftverhält­ nisses zu berechnen:
(k) = DL (k - 1) + (1 - DL) C (k) (10)
(k + 1) = A (k) + K (y (k) - (k)) (11)
In der obigen Gleichung (10) ist DL ein Parameter, der einer Zeitkonstanten der Ansprechverzögerung des LAF-Sensor 17 entspricht. In den obigen Gleichungen (10) und (11) sollte ein Anfangsvektor des (k) Werts derart gesetzt werden, daß dessen Teilelemente ( (k - 3), (k - 2), (k - 1)) alle einen Vektor von 1,0 einnehmen, und in der Gleichung (10) wird ein Anfangswert des Schätzwerts (k - 1) auf 1,0 gesetzt.
Durch Verwendung dieser Gleichung (11), erhalten durch Ersatz von C (k) in der Gleichung (9) durch den die Ansprechverzögerung enthaltenden Schätzwert (k) des Kraftstoff-Luftverhältnisses am Zusammenfluß­ abschnitt, läßt sich die Ansprechverzögerung des LAF-Sensors kom­ pensieren, um hier das Zylinder-für-Zylinder Luft-Kraftstoffverhältnis genau abzuschätzen. In der folgenden Gleichung entsprechen die geschätzten Äquivalenzverhältniswerte KACT#1 (k) bis KACT#4(k) für die jeweiligen Zylinder dem (k) Wert.
Nun werden die Setzvorgänge der Verstärkungsgradmatrix K, des Wich­ tungskoeffizienten C und der Verzögerungszeitkonstante DL im Detail beschrieben.
Sobald der Wichtungskoeffizient C (C1, C2, C3, C4) gesetzt wurde, läßt sich die Verstärkungsgradmatrix K allgemein durch Lösen der Riccati- Gleichung bestimmen, wie oben erwähnt. Der Wert des Verstärkungsgrads zum Schätzen des Luft-Kraftstoffverhältnisses jedes Zylinders durch das Überwachungselement muß jedoch entsprechend dem Betriebszustand der Maschine geändert werden. Wenn beispielsweise die Motordrehzahl NE abnimmt und/oder der Einlaßrohrabsolutdruck PBA zunimmt, vermischen sich die von den einzelnen Zylindern abgegebenen Abgase nur wenig, so daß das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F am Zusammenflußabschnitt einen Wert einnimmt, der näher an dem Luft-Kraftstoffverhältnis von Abgasen liegt, die von dem Zylinder stammen, der der unmittelbar vorhergehenden letzten Verbrennung entspricht. Wenn daher die Motordrehzahl NE abnimmt und/oder der Einlaßrohrabsolutdruck PBA zunimmt, sollte der Verstärkungs­ grad auf einen kleineren Wert gesetzt werden, um hierdurch die Stabilität des Luft-Kraftstoffverhältnisses A/F am Zusammenflußabschnitt zu verbessern. Wenn umgekehrt die Motordrehzahl NE zunimmt und/oder der Einlaßrohrabsolutdruck PBA abnimmt, vermischen sich die von den Zylindern abgegebenen Abgase leichter, so daß das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F am Zusammenflußabschnitt durch das Luft-Kraftstoffverhältnis von Abgasen beeinflußt wird, die von dem Zylinder stammen, der der jeweils vorletzten Verbrennung entspricht, die vor dem unmittelbar zuvor gezünde­ ten Zylinder stattfand. Der Verstärkungsgrad sollte daher erhöht werden, um die Konvergenz (Nachführgeschwindigkeit) des Luft-Kraftstoffverhältnisses A/F zu verbessern. Wie aus Fig. 5B und Gleichung (9) ersichtlich, wird der Wert des Verstärkungsgrads zur Schätzung des Luft-Kraftstoffverhältnisses jedes Zylinders auf Basis des Wichtungskoeffizienten C und der Ver­ stärkungsgradmatrix K bestimmt. Daher sollten der Wichtungskoeffizient C und die Verstärkungsgradmatrix K entsprechend den Betriebszuständen der Maschine gesetzt werden.
In der vorliegenden Ausführung wird angenommen, daß zwei Zylinder, welche den frühesten und zweitfrühesten Verbrennungen entsprechen, das Luft-Kraftstoffverhältnis A/F am Zusammenflußabschnitt nicht beeinflussen, und demzufolge werden die entsprechenden Wichtungskoeffizienten C1 und C2 beide auf 0 gesetzt. Andererseits wird angenommen, daß der Zylinder, welcher der unmittelbar vorhergehenden, letzten Verbrennung entspricht, und der Zylinder, welcher der vorletzten Verbrennung entspricht, das Luft- Kraftstoffverhältnis A/F am Zusammenflußabschnitt beeinflussen, und demzufolge werden die jeweiligen Wichtungskoeffizienten C3 und C4 aus einer in Fig. 6A gezeigten C-Tabelle bestimmt, die entsprechend der Motordrehzahl NE und dem Einlaßrohrabsolutdruck PBA gesetzt ist. Ferner werden Elemente K1 bis K3 der Verstärkungsgradmatrix K aus in den Fig. 7A und 7C gezeigten K-Tabellen bestimmt, die entsprechend der Motordrehzahl NE und dem Einlaßrohrabsolutdruck PBA gesetzt sind. Das Element K4 wird in der Beziehung K4 = -K2 gesetzt. In den Fig. 7A bis 7C bezeichnen PBA1 und PBA2 beispielsweise 660 mmHg bzw. 260 mmHg, und es wird eine Interpolation durchgeführt, wenn der NE und/oder der PBA-Wert zwischen die vorbestimmten Werte fällt, um hierdurch die Wichtungskoeffizienten C3 und C4 sowie die Verstärkungsgradmatrix­ elemente K1 bis K4 zu berechnen. In der vorliegenden Ausführung werden der Wichtungskoeffizient C und die Verstärkungsgradmatrix K unter Verwendung der separaten Tabellen berechnet, was jedoch nicht ein­ schränkend ist. Alternativ könnte man nur den Wichtungskoeffizienten C auf Basis der C-Tabelle bestimmen, und könnte man die Verstärkungsgradmatrix K unter Verwendung der oben genannten Gleichung berechnen.
Die C-Tabelle wird derart gesetzt, daß der Wichtungskoeffizient C3 auf einen größeren Wert gesetzt wird, wenn der NE-Wert zunimmt und/oder der PBA-Wert abnimmt, wohingegen der Wichtungskoeffizient C4 auf einen kleineren Wert gesetzt wird, wenn der NE-Wert zunimmt und/oder der PBA- Wert abnimmt. Ferner sind die K-Tabellen derart gesetzt, daß die K1, K2 und K3-Werte alle größere Werte einnehmen, wenn der NE-Wert zunimmt und/oder der PBA-Wert abnimmt. Hierbei läßt sich der Verstärkungsgrad zum Schätzen des Luft-Kraftstoffverhältnisses jedes Zylinders durch das Überwachungselement auf einen kleineren Wert setzen, wenn die Motor­ drehzahl NE zunimmt und/oder der Einlaßrohrabsolutdruck PBA abnimmt. Andererseits läßt sich der Verstärkungsgrad auf einen größeren Wert setzen, wenn die Motordrehzahl NE abnimmt und/oder der Einlaßrohrabsolutdruck PBA zunimmt.
Die Verzögerungszeitkonstante DL wird, wie in Fig. 6B gezeigt, aus einer DL-Tabelle bestimmt, die entsprechend der Motordrehzahl NE und dem Einlaßrohrabsolutdruck FBA gesetzt wird. In der Figur bezeichnen PBA1 und PBA2 beispielsweise 660 mmHg bzw. 260 mmHg, und es wird eine Interpolation durchgeführt, wenn der NE- und/oder PBA-Wert zwischen die vorbestimmten Werte fällt. Die DL-Tabelle ist derart gesetzt, daß der DL- Wert einen größeren Wert einnimmt, wenn der NE-Wert zunimmt und/oder der PBA-Wert abnimmt. Es wurde empirisch abgesichert, daß sich die Ansprechverzögerung des LAF-Sensors 17 am besten kompensieren läßt, wenn die Zeitkonstante DL auf einen Wert gesetzt wird, der einer um angenähert 20% längeren Zeitdauer als die momentane Ansprechver­ zögerung entspricht.
Wie oben beschrieben, wird bei der vorliegenden Ausführung nicht nur der Wichtungskoeffizient C, sondern auch die Verstärkungsgradmatrix K entsprechend dem Betriebszustand der Maschine gesetzt. Infolgedessen lassen sich die Stabilität und Konvergenz (Annäherungsgeschwindigkeit) des Überwachungselements optimieren, um hierdurch die Schätzgenauigkeit des Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnisses zu verbessern, und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Maschine.
Nachfolgend wird die Berechnung des Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffi­ zienten KOBSV#N auf Basis des somit geschätzten Zylinder-für-Zylinder- Luft-Kraftstoffverhältnisses anhand Fig. 8 beschrieben.
Wie in der Gleichung (12) gezeigt, wird das momentane Äquivalenz­ verhältnis KACT, das dem Luft-Kraftstoffverhältnis A/F am Zusammenfluß­ abschnitt entspricht, durch den unmittelbar vorhergehenden Wert eines Durchschnittswerts des Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizienten KOBSV#N für alle Zylinder geteilt, um hierdurch einen gewünschten Wert KCMDOBSV(k) als ein Äquivalenzverhältnis zu berechnen, welches dem gewünschten Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht. Der Zylinder für-Zylinder- Korrekturkoeffizient KOBSV#1 für den #1-Zylinder wird durch die PID- Regelung derart berechnet, daß die Differenz DKACT#1 (k) (= KACT#1 (k) - KCMDOBSV(k)) zwischen dem gewünschten Wert KCMDOBSV8k) und dem geschätzten Äquivalenzverhältnis KACT#1 (k) für den #1-Zylinder gleich 0 wird:
Insbesondere werden ein Proportionalterm KOBSVP#1, ein Integralterm KOBSVI#1 sowie ein Differentialterm KOBSVD#1 zur Verwendung bei der PID-Regelung unter Verwendung der folgenden Gleichungen (13A), (13B) und (13C) berechnet, um hierdurch den Zylinder für-Zylinder-Korrekturkoeffi­ zienten KOBSV#1 unter Verwendung der folgenden Gleichung (14) zu berechnen:
KOBSVP#1(k) = KPOBSV × DKACT#1(K) ...(13A)
KOBSVI#1(k) = KIOBSV × DKACT#1(K) + KOBSVI#1(k - 1) ...(13B)
KOBSVD#1(k) = KDOBSV × (DKACT#1(K) - DKACT#1(k - 1)) ...(13C)
KOBSV#1(k) = KOBSVP#1(k) + KOBSVI#1(k) + KOBSVD#1(k) + 1.0 ...(14)
wobei KPOBSV, KIOBSV und KDOBSV einem Basisproportionalterm, einem Basisintegralterm bzw. einem Basisdifferentialterm entsprechen.
Die gleichen Berechnungen werden für die Zylinder #2 bis #4 durchgeführt, um für diese die Zylinder-für-Zylinder-Korrekturkoeffizienten KOBSV#2 bis KOBSV#4 zu erhalten.
Für diesen Regelvorgang wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des jedem Zylinder zugeführten Gemisches dem am Zusammenflußabschnitt des Abgassystems erfaßten Luft-Kraftstoffverhältnis angenähert (konvergiert). Weil das Luft-Kraftstoffverhältnis am Zusammenflußabschnitt an das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis durch Verwendung des PID-Korrektur­ koeffizienten KLAF angenähert wird, lassen sich die Luft-Kraftstoffverhält­ niswerte von allen Zylindern zugeführten Gemischen gegebenenfalls dem gewünschten Luft-Kraftstoffverhältnis annähern.
Ferner wird der erlernte Wert KOBSV#Nsty des Zylinder für-Zylinder- Korrekturkoeffizienten KOBSV#N für jeden Betriebsbereich der Maschine durch Verwendung der folgenden Gleichung (15) berechnet und in dem RAM gespeichert, das bei stehender Maschine durch eine Batterie derselben gestützt wird:
KOBSV#Nsty = Csty × KOBSV#N + (1 - Csty) × KOBSV#Nsty ...(15)
wobei Csty einen Wichtungskoeffizienten darstellt und KOBSV#Nsty an der rechten Seite den unmittelbar zuvor erlernten Wert.
Fig. 9 zeigt eine Unterroutine zur Berechnung des Zylinder für-Zylinder- Korrekturkoeffizienten KOBSV#N, der in Schritt S9 in Fig. 3 durchgeführt wird.
Zuerst wird in Schritt S331 bestimmt, ob eine Abmagerungsverschlechte­ rung des LAF-Sensors 17 erfaßt wurde, und wenn keine Abmagerungsver­ schlechterung erfaßt wurde, geht das Programm zu Schritt S336 weiter. Wenn andererseits eine Abmagerungsverschlechterung erfaßt wurde, wird in Schritt S332 bestimmt, ob das erwünschte Äquivalenzverhältnis KCMD gleich 1,0 ist oder nicht, d. h., ob das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis einnimmt oder nicht. Die Abmagerungsverschlechterung des LAF-Sensors bedeutet eine derartige Verschlechterung des LAF-Sensors, daß der Ausgang des LAF-Sensors um mehr als einen vorbestimmten Wert von einem richtigen Wert abweicht, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches tatsächlich auf ein magereres Luft-Kraftstoffverhältnis als den stöchiometrischen Wert geregelt wird. Wenn KCMD = 1,0 ist, geht das Programm zu Schritt S336 weiter, während wenn KCMD ≠ 1,0 ist, wird der Zylinder für-Zylinder-Korrekturko­ effizient KOBSV#N für alle Zylinder in einem Schritt S344 auf 1,0 gesetzt, was bedeutet, daß die Zylinder für-Zylinder (Rückkopplungs) Regelung nicht durchgeführt wird, wonach die vorliegende Routine endet.
Im Schritt S336 erfolgt die Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnis­ schätzung durch das oben beschriebene Überwachungselement. Dann wird in Schritt S337 bestimmt, ob ein Halte-Flag FKLAFHOLD "1" einnimmt, welches auf "1" gesetzt bedeutet, das der PID-Korrekturkoeffizient KLAF auf dem gegenwärtigen Wert gehalten werden sollte. Wenn FKLAFHOLD = 1 ist, wird das Programm sofort beendet.
Wenn im Schritt S337 FKLAFHOLD = 0 ist, wird in Schritt S338 bestimmt, ob das Rücksetzflag FKLRAFRESET "1 " ist oder nicht. Wenn FKLAFRESET = 0 ist, wird in Schritt S339 bestimmt, ob die Motordrehzahl NE höher als ein vorbestimmter Wert NOBSV (z. B. 3500 UPM) ist oder nicht. Wenn NE ≦ NOBSV ist, wird in Schritt S340 bestimmt, ob der Einlaßrohrabsolutdruck PBA höher als ein vorbestimmter oberer Grenzwert PBOBSVH (z. B. 650 mmHg) ist oder nicht. Wenn PBA ≦ PBOBSVH ist, wird eine PBOBSVL- Tabelle, die gemäß Fig. 11 entsprechend der Motordrehzahl NE gesetzt ist, abgefragt, um einen unteren Grenzwert PBOBSVL des PBA-Werts im Schritt S341 zu bestimmen, und dann wird in einem Schritt S342 bestimmt, ob der PBA-Wert unter dem unteren Grenzwert PBOBSVL liegt oder nicht.
Wenn eine der Antworten auf die Fragen der Schritte S338 bis S340 und S342 positiv ist (JA), geht das Programm zu Schritt S344 weiter, und daher wird die Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnisregelung nicht durchgeführt. Wenn andererseits die Antworten auf die Fragen der Schritte S338 bis S340 und S342 alle negativ sind (NEIN), was bedeutet, daß sich der Motor in einem Betriebsbereich befindet, der dem schraffierten Bereich in Fig. 11 entspricht, wird bestimmt, daß die Zylinder-für-Zylinder-Luft- Kraftstoffverhältnisregelung durchgeführt werden kann. Daher werden der Zylinder für-Zylinder-Korrekturkoeffizient KOBSV#N und dessen erlernter Wert KOBSV#Nsty in der oben beschriebenen Weise in Schritt S343 berechnet, wonach das vorliegende Programm endet.
Fig. 10 zeigt eine Unterroutine zum Schätzen des Zylinder-für-Zylinder- Luft-Kraftstoffverhältnisses, das in Schritt S336 in Fig. 9 durchgeführt wird.
Zuerst wird in Schritt D361 ein Rechenvorgang unter Verwendung des Überwachungselements (d. h. Schätzung des Zylinder-für-Zylinder-Luft- Kraftstoffverhältniswerts) für die Hochdrehzahlventilsteuerung durchgeführt, und im folgenden Schritt S362 wird ein Rechenvorgang unter Verwendung des Überwachungselements für die Niederdrehzahlventilsteuerung durch­ geführt. Dann wird in Schritt S363 bestimmt, ob die gegenwärtige Ventilsteuerung auf die Hochdrehzahlventilsteuerung gesetzt ist oder nicht. Wenn die gegenwärtige Ventilsteuerung auf die Hochdrehzahlventil­ steuerung gesetzt ist, wird in einem Schritt S364 ein Ergebnis des Rechenvorgangs des Überwachungselements für Hochdrehzahlventil­ steuerung gewählt, wohingegen, wenn die gegenwärtige Ventilsteuerung auf die Niederdrehzahlventilsteuerung gesetzt ist, in einem Schritt S465 ein Ergebnis des Rechenvorgangs des Überwachungselements für die Nieder­ drehzahlventilsteuerung gewählt wird.
Der Grund, warum die Rechenvorgänge des Überwachungselements für die Hochdrehzahlventilsteuerung und die Niederdrehzahlventilsteuerung erfolgen, bevor die gegenwärtige Ventilsteuerung bestimmt wird, ist, daß die Schätzung des Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnisses mehrmalige Rechenvorgänge erfordert, bevor die Schätzergebnisse angenähert oder konvergiert sind. Durch den obigen Schätzvorgang läßt sich die Schätzgenauigkeit des Zylinder-für-Zylinder-Luft-Kraftstoffverhältnisses unmittelbar nach dem Umschalten der Ventilsteuerung verbessern.
Ein System zum aufeinanderfolgenden Schätzen der Luft-Kraftstoffverhält­ nisse einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine enthält einen Luft- Kraftstoffverhältnissensor, der an einem Zusammenflußabschnitt im Abgassystem der Maschine angeordnet ist. Das Luft-Kraftstoffverhältnis eines jedem der Zylinder der Maschine zugeführten Gemisches wird auf Basis eines Ausgangs von dem Luft-Kraftstoffverhältnissensor geschätzt, und zwar unter Verwendung eines Überwachungselements zum Über­ wachen des internen Betriebszustands des Abgassystems auf Basis eines Modells, welches das Verhalten des Abgassystems repräsentiert. Ein Verstärkungsgrad zur Verwendung bei der Schätzung des Luft-Kraftstoff­ verhältnisses des jedem der Zylinder zugeführten Gemisches wird durch das Überwachungselement nach Maßgabe von Betriebszuständen der Maschine geschätzt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses eines einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1) zuzuführenden Gemischs, wobei die Regelvorrichtung ein an einem Zusammenflußabschnitt (16) eines Abgassystems (15) der Maschine anzuordnendes Luft-Kraftstoff­ verhältnis-Erfassungsmittel (17, 18) aufweist, sowie ein Luft-Kraft­ stoffverhältnis-Schätzmittel (5) zum zylinderweisen Schätzen des Luft-Kraftstoffverhältnisses eines jedem der Zylinder zugeführten Gemisches auf Basis einer Ausgabe von dem Luft-Kraftstoffverhält­ nis-Erfassungsmittel (17, 18) unter Verwendung eines eine Beobach­ tungsmatrix (K) aufweisenden Beobachtungselements zum Beobach­ ten eines internen Betriebszustands des Abgassystems (15) auf Basis eines ein Verhalten des Abgassystems (15) repräsentierenden Be­ obachtungsmodells, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzmittel (5) bei der Schätzung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des jedem der Zylinder zugeführten Gemisches vom Beobachtungselement verwendete Elemente (K1 ... K4) der Beobachtungsmatrix (K) nach Maßgabe von Betriebszustän­ den der Maschine (1) ändert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Einlaßsystem (2) aufweist und daß das Luft- Kraftstoffverhältnis-Schätzmittel (5) die bei der Schätzung des Luft- Kraftstoffverhältnisses des jedem der Zylinder zugeführten Gemisches vom Beobachtungselement verwendete Elemente (K1 ... K4) der Beobachtungsmatrix nach Maßgabe der Drehzahl (NE) der Maschine (1) und des Drucks (PBA) in dem Einlaßsystem (2) ändert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzmittel (5) die Elemente (K1, K2, K3) auf einen größeren Wert setzt, wenn die Drehzahl (NE) der Maschine (1) zunimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzmittel (5) die Elemente (K1, K2, K3) auf einen größeren Wert setzt, wenn der Druck (PBA) in dem Einlaßsystem (2) abnimmt.
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