DE19839791A1 - Luft-Brennstoffverhältnisregelung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Luft-Brennstoffverhältnisregelung für eine Brennkraftmaschine zur Durchführung einer Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelung eines Luft-Brennstoffgemischs auf der Basis von Versuchsergebnissen eines erfaßten Luft-Brennstoff-Ver­ hältnisses mittels Luft-Brennstoff-Verhältnissensoren, die sowohl stromauf als auch stromab eines katalytischen Umsetzers angeordnet sind.

Ein bekanntes Luft-Brennstoffverhältnisregelungssystem für Brennkraftmaschinen führt eine Luft-Brennstoffverhältnisregelung (rückgekoppelte Regelung) des der Brennkraftmaschine zuzuführenden Luft-Brennstoffgemischs durch, wobei diese Regelung im wesentlichen auf einem Luft-Brennstoffverhältniserfassungsergebnis eines Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors (A/F-Sensor) basiert, der auf der stromaufliegenden Seite des katalytischen Umsetzers angeordnet ist. Die Komponenten des Systems wie die Luft-Brennstoffverhältnis­ sensoren und Einspritzventile unterliegen Änderungen in ihrer Arbeitskennlinie (Betriebscharakteristik), die während der Herstellung oder während der Verwendung im Verlauf der Zeit auftreten. Dies führt zu Fehlern bei der bekannten Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelung. Es wird daher vorgeschlagen, ein Zweisensorsystem (Dualsensorsystem) vorzusehen, das einen zusätzlichen Luft-Brennstoffverhältnissensor auf der stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers verwendet, so daß die Luft-Brennstoffverhältnisregelung auch auf der Basis des Luft-Brenn­ stoffverhältniserfassungsergebnisses des stromabliegenden Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors durchgeführt wird.

In einem derartigen Zweisensorsystem, wie es beispielsweise in der japanischen Patentschrift JP 2 518 254 offenbart ist, wird die Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelungsverstärkung in variabler Weise in Abhängigkeit von einem Parameter wie der Ansaugluftmenge, der Maschinendrehzahl oder dem Ansaugdruck, der eine Abgastransportverzögerung kennzeichnet, eingestellt. Da die Abgastransportverzögerung eine Verzögerung bei der Luft-Brenn­ stoffverhältniserfassung auf der stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers verursacht, wirkt sich dies nachteilig auf die Luft-Brennstoffverhältnisregelung aus. Bei dem vorstehend angegebenen Zweisensorsystem wird die Geschwindigkeit zur Veränderung der Regelungsverstärkung größer eingestellt, wenn die Abgastransportverzögerung größer wird. Obwohl das Zweisensorsystem den Regelungsfehler infolge der Abgastransportverzögerung vermindert, ist es jedoch zur Erzielung einer genauen Luft-Brenn­ stoffverhältnissteuerung nicht ausreichend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelung für eine Brennkraftmaschine derart auszugestalten, daß die Luft-Brennstoffverhältnisregelung im Sinne einer größeren Regelungsgenauigkeit verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich eines Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelungssystems gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich eines Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelungsverfahrens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine Verzögerung bei der Luft-Brennstoffverhältniserfassung an der stromabliegenden Seite eines katalytischen Umsetzers nicht nur durch eine Abgastransportverzögerung verursacht wird, sondern ebenfalls von anderen Parametern abhängig ist, die die katalytische Reaktion im katalytischen Umsetzer beeinflussen. Durch Experimente konnte bestätigt werden, daß eine Verzögerung infolge der katalytischen Reaktion im katalytischen Umsetzer bis zu mehreren Sekunden beträgt, während eine Verzögerung infolge des Abgastransports kürzer ist und lediglich einige hundert Millisekunden beträgt.

Erfindungsgemäß wird somit eine Ansprechgeschwindigkeit des Luft-Brenn­ stoffverhältnisses bei der stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers relativ zu einem Luft-Brennstoffverhältnis der stromaufliegenden Seite des katalytischen Umsetzers als Parameter erfaßt zur Angabe der katalytischen Reaktionsverzögerung im katalytischen Umsetzer, so daß eine Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelung beispielsweise durch Variieren einer Rückkopplungsverstärkung auf der Basis der erfaßten Ansprechgeschwindigkeit des Luft-Brennstoffverhältnisses korrigiert wird. Vorzugsweise wird die Regelungsverstärkung auf der Basis eines Erfassungsausgangssignals des stromabliegenden Luft-Brenn­ stoffverhältnisses bestimmt und mittels der erfaßten Ansprechgeschwindigkeit korrigiert. Weiter wird vorzugsweise die Rückkopplungsverstärkung auf der Basis der Luft- Brennstoffverhältnis-Rückkupplungsgeschwindigkeit variiert, die den Luft-Brennstoffverhältnisänderungen folgt.

Insbesondere wird die Ansprechgeschwindigkeit aus einem SV-Ver­ hältnis der Abgasströmungsmenge (Geschwindigkeit V) und dem Katalysatorvolumen (Raum S) geschätzt. Im einzelnen wird dabei die Regelungsverstärkung ferner auf der Basis einer Verschlechterungsrate des katalytischen Umsetzers korrigiert. Diese Verschlechterungsrate wird durch eine Integration von Änderungen der Regelungsverstärkung infolge des Ausgangssignals des Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors auf der stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers bestimmt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Luft-Brennstoffverhältnisregelungssystems für Brennkraftmaschinen gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Ausgangskennlinie eines Luft-Brennstoffverhältnissensors zur Verwendung in dem Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Ausgangskennlinie eines Sauerstoffsensors zur Verwendung in dem Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Brennstoffeinspritzsteuerungsprogramms zur Durchführung bei dem Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis-Einstellprogramms zur Durchführung in dem Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen einem SV-Verhältnis und einer Luft-Brenn­ stoffverhältnisansprechgeschwindigkeit,

Fig. 7 ein Datenkennfeld zur Verwendung in dem Ausführungsbeispiel zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem SV-Verhältnis, einer Katalysatorverschlechterungsrate und der Luft-Brennstoffverhältnisrückkopplungsgeschwindigkeit,

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Katalysatorverschlechterungsbestimmungsprogramms zur Durchführung in dem Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine graphische Darstellung ,zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem SV-Verhältnis und einem Koeffizienten KGA, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel berechnet wird, und

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem Wert CCAT, der Rückkupplungsgeschwindigkeit und der Katalysatorverschlechterungsrate.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 (nachstehend vereinfacht als Maschine bezeichnet) eine fremdgezündete Vierzylinder-Viertakt-Maschine. Innerhalb der Maschine 1 strömt Ansaugluft durch einen Luftreiniger 2, ein Ansaugrohr 3, eine Drosselklappe (Drosselventil) 4, einen Ausgleichsbehälter 5 und einen Ansaugkrümmer 6 von der stromaufliegenden Seite zur stromabliegenden Seite. Innerhalb jedes Ansaugkrümmers 6 wird die Ansaugluft mit Brennstoff gemischt, der mittels jedes Einspritzventils 7 eingespritzt wird zur Bildung eines Luft-Brennstoffgemischs mit einem vorbestimmten Luft-Brenn­ stoffverhältnis (A/F-Verhältnis), das jedem Zylinder zugeführt wird. Eine an jedem Zylinder der Maschine 1 angeordnete Zündkerze 8 wird mit einer hohen Spannung von einer Zündanlage (Zündschaltung, IG) 9 über einen Verteiler 10 versorgt. Mittels der hohen Spannung zündet die Zündkerze 8 das in jedem Zylinder befindliche Luft-Brenn­ stoffgemisch entsprechend geeigneter Zeitintervalle. Nach der Verbrennung durchströmt Abgas einen Abgaskrümmer 11 und ein Abgasrohr 12. Ein katalytischer Umsetzer (einschließlich eines Katalysators, Kat.) 13 umfaßt einen Dreiwegeumsetzer und ist im Abgasrohr 12 angeordnet zum Entfernen giftiger Komponenten (CO, NOx, Kohlenwasserstoffe, usw.) aus dem Abgas mittels einer katalytischen Reaktion, bevor das Abgas in die Atmosphäre geleitet wird.

Das Ansaugrohr 3 ist mit einem Ansauglufttemperatursensor 21 und einem Ansaugluftdrucksensor 22 ausgestattet. Der Ansauglufttemperatursensor 21 erfaßt die Temperatur Tam der Ansaugluft und der Ansaugluftdrucksensor 22 erfaßt den Druck PM der Ansaugluft stromab der Drosselklappe 4. Die Drosselklappe 4 ist mit einem Drosselsensor 23 ausgestattet zur Erfassung des Drosselöffnungswinkels TH der Drosselklappe 4. Der Drosselsensor 23 gibt ein analoges Signal zur Angabe des Drosselöffnungswinkels TH aus. Dabei ist der Drosselsensor 23 derart aufgebaut, daß er jeweils Erfassungssignale zur Angabe des geschlossenen oder vollständig geöffneten Zustands der Drosselklappe 4 ausgibt.

Der Zylinderblock der Maschine 1 umfaßt einen Kühlmitteltemperatursensor 24 zur Erfassung der Temperatur Thw des Kühlmittels (Kühlwasser) innerhalb der Maschine 1. Der Verteiler 10 umfaßt einen Drehzahlsensor 25 zur Erfassung der Drehzahl Ne der Maschine 1. Der Drehzahlsensor 25 gibt 24 Pulssignale während zweier Umdrehungen der Kurbelwelle der Maschine 1 oder 720° Kurbelwellenwinkel (CA) aus.

Ein Luft-Brennstoffverhältnissensor (stromaufliegende Sensor) 26 ist stromauf des katalytischen Umsetzers 13 und am Abgasrohr 12 angeordnet. Der Luft-Brennstoffverhältnissensor 26 gibt gemäß der Darstellung in Fig. 2 einen linearen Ausgangsstrom Ip aus, der sich linear mit dem Luft-Brennstoffverhältnis λ (Sauerstoffkonzentration oder Kohlenmonoxidkonzentration im Abgas der Maschine 1) über einen weiten Bereich des Luft-Brennstoffverhältnisses (λ = 0.8 bis 1.2) ändert. Der Luft-Brennstoffverhältnissensor 26 umfaßt einen Festelektrolyten aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂), der mit einer Diffusionswiderstandsschicht beschichtet ist. Ferner ist eine Heizeinrichtung 26a vorgesehen, zur Unterstützung der Aktivierung des Festelektrolyten.

Stromab des katalytischen Umsetzers 13 ist der stromab angeordnete Sauerstoffsensor (stromabliegender Sensor) 27 angeordnet. Der Sauerstoffsensor 27 umfaßt ebenfalls einen Festelektrolyten aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) zur Erzeugung der elektromotorischen Kraft. Der Sauerstoffsensor 27 gibt gemäß der Darstellung in Fig. 3 ein Spannungssignal Vox2 aus, das seine Ausgangsspannung schrittweise zwischen 1.0 V und 0 V in Abhängigkeit davon ändert, ob sich das Luft-Brennstoffverhältnis λ auf der fetten oder mageren Seite des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses (λ = 1) befindet.

Eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 30 dient zur Steuerung der Wirkungsweise der Maschine 1. Die elektronische Steuerungseinheit 30 ist vorgesehen zur Bildung einer logischen Operationsschaltung unter Verwendung von im wesentlichen einer Zentraleinheit CPU 31, einem Festwertspeicher (Nur-Lese-Speicher) ROM 32, einem Schreib/Lesespeicher RAM 33 und einem Sicherungsspeicher (backup-RAM) 34. Diese Schaltungsteile sind mit einer Eingangsschnittstelle (IP) 35 und einer Ausgangsschnittstelle (OP) 36 über einen Datenbus 37 verbunden. Die Eingangsschnittstelle 35 empfängt Erfassungssignale der verschiedenen Sensoren und gibt an der Ausgangsschnittstelle 36 Ausgangssteuerungssignale an verschiedene Betätigungsglieder wie die Zündanlage 9, die Einspritzventile 7 und die Heizeinrichtung 26a aus. Über die Eingangsschnittstelle 35 empfängt die elektronische Steuerungseinheit 30 verschiedene Daten wie die Ansauglufttemperatur Tam, den Ansaugluftdruck PM, den Drosselöffnungswinkel TH, die Kühlmitteltemperatur Thw, die Maschinendrehzahl Ne und die Luft- Brennstoffverhältnissignale λ und Vox2. Entsprechend dem Empfangen dieser Signale verarbeitet die elektronische Steuerungseinheit 30 das Brennstoffeinspritzsteuerungsprogramm zur Berechnung der Brennstoffeinspritzmenge TAU, der Zündzeitpunkte Ig und weiterer Steuerungsdaten. Die auf diese Weise berechneten Steuerungssignale werden über die Ausgangsschnittstelle 36 den Brennstoffeinspritzventilen 7 und der Zündanlage 9 zugeführt.

Die Zentraleinheit CPU 31 ist programmiert zur Durchführung des Brennstoffeinspritzsteuerungsprogramms von Fig. 4 zu jedem Brennstoffeinspritzzeitpunkt (d. h. alle 180° Kurbelwellenwinkel der Drehung der Kurbelwelle). Die Zentraleinheit CPU 31 liest zuerst die erfaßten Maschinenbetriebsbedingungen ein, wie beispielsweise die Werte Tam, TH, TM, Thw und Ne und berechnet eine Grundbrennstoffeinspritzmenge Tp in Schritt 102. Die Grundbrennstoffeinspritzmenge Tp kann berechnet werden unter Verwendung des im Festwertspeicher ROM 32 in Verbindung mit der erfaßten Maschinendrehzahl Ne und dem Ansaugluftdruck PM gespeicherten Brennstoffeinspritzmengenkennfelds. In Schritt 103 überprüft die Zentraleinheit CPU, ob die Rückkopplungsbedingung des Luft-Brennstoffverhältnisses λ erfüllt ist. Bekanntermaßen ist die Rückkopplungsbedingung dann erfüllt, wenn die Kühlmitteltemperatur Thw höher als eine vorbestimmte Temperatur ist, sich die Maschine 1 nicht in einem Hochlastzustand oder Hochgeschwindigkeitszustand befindet und der Luft-Brennstoff-Verhältnissensor 26 seinen aktivierten Zustand erreicht hat.

Ist die Rückkopplungsbedingung noch nicht erfüllt (NEIN), dann stellt die Zentraleinheit CPU 31 in Schritt 104 den Luft- Brennstoffverhältnis-Rückkopplungskorrekturkoeffizienten auf 1.0 zur Angabe einer offenen Steuerung (keine rückgekoppelte Steuerung bzw. Regelung). Ist die Rückkopplungsbedingung erfüllt (JA), dann stellt die Zentraleinheit CPU 31 in Schritt 200 ein Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis λTG für die Rückkopplungsregelung ein zur Regelung des Luft-Brennstoffverhältnisses λ auf das Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis λTG ein. Sodann stellt die Zentraleinheit CPU 31 in variabler Weise den Rückkopplungskorrekturwert FAF in Schritt 105 auf der Basis einer Differenz zwischen dem Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis λTG und dem tatsächlich erfaßten Luft-Brenn­ stoffverhältnis λ ein. Der Rückkopplungskorrekturwert FAF wird unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung (1) und (2) berechnet. Diese Berechnung des Rückkopplungskorrekturwerts FAF ist bekannt (beispielsweise aus der JP-1-110 853), so daß eine entsprechende Beschreibung dieser Berechnung nicht erforderlich ist.

FAF = K1×λ + K2×FAF1 + . . . + Kn+1×FAFn + Z1 . . . (1)

ZI = ZI1 + Ka×(λTG - λ) (2).

In den vorstehenden Gleichungen (1) und (2) ist λ ein konvertierter Wert des Grenzstroms des Luft-Brennstoffverhältnissensors 26 bezüglich des Luft-Brennstoffverhältnisses, sind K1 bis Kn+1 Luft-Brenn­ stoffverhältnisrückkopplungskonstanten (Verstärkung), und sind ZI und Ka integrale Ausdrücke. Die Indizes 1 bis n+1 sind Variablen zur Angabe der Nummer der Anzahl der Regelungen, die vorgenommen wurden seit dem Start der ersten Abtastung.

Nach dem Bestimmen des Werts FAF berechnet die Zentraleinheit CPU 31 in Schritt 106 eine Brennstoffeinspritzmenge TAU aus der Grundbrennstoffeinspritzmenge Tp, dem Luft-Brenn­ stoffverhältnisrückkopplungskorrekturwert FAF und andere Korrekturkoeffizienten FALL entsprechend der Kühlmitteltemperatur, der Klimaanlagenbelastung und dergleichen unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung (3).

TAU = Tp × FAF × FALL (3).

Nach der Berechnung der Brennstoffeinspritzmenge TAU gibt die Zentraleinheit CPU 31 die Brennstoffsteuerungssignale entsprechend dem berechneten Wert TAU an die Brennstoffeinspritzventile 7 aus zur Vervollständigung des Brennstoffeinspritzsteuerungsprogramms.

Das Soll-Luft-Brennstoffverhältnis λTG (Schritt 200 in Fig. 4) wird gemäß Fig. 5 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Vox2 des stromabliegenden Sauerstoffsensors 27 bestimmt. In diesem Ausführungsbeispiel wird insbesondere eine Änderung Δλ (Rückkopplungsgeschwindigkeit) zur Erneuerung des Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnisses λTG in variabler Weise in Abhängigkeit von einer Ansprechgeschwindigkeit des Luft-Brennstoffverhältnisses stromab des katalytischen Umsetzers relativ zum Luft-Brenn­ stoffverhältnis stromauf des katalytischen Umsetzers eingestellt (Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit des stromaufliegenden/stromabliegenden katalytischen Umsetzers). Hierbei wird die Ansprechgeschwindigkeit verwendet als ein Parameter zur Angabe der Katalysatorreaktionsverzögerung im katalytischen Umsetzer 13.

Gemäß Fig. 5 berechnet die Zentraleinheit CPU 31 zuerst in Schritt 201 ein SV-Verhältnis (Raum-Geschwindigkeits-Verhältnis) aus der Abgasmenge und der Katalysatorkapazität (Volumen) als Parameter, der die Stromauf/Stromab-Luft-Brenn­ stoffverhältnisansprechgeschwindigkeit repräsentiert. Das SV-Ver­ hältnis kann berechnet werden durch Dividieren der Abgasströmungsmenge (V), die sich von Zeit zu Zeit ändert, und durch eine feste Kapazität (Raum S) des katalytischen Umsetzers. Gemäß der Darstellung in Fig. 6 stehen das SV-Verhältnis und die Stromauf/Stromab-Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit zueinander in einem festen Verhältnis. Wird das SV-Verhältnis vergrößert, dann vergrößert sich ebenfalls die Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit. Übersteigt ferner das SV-Ver­ hältnis einen bestimmten Punkt A, dann vergrößert sich die Vergrößerungsrate der Luft-Brennstoffverhältnisansprech­ geschwindigkeit. Wird hierbei die Abgasströmungsmenge vergrößert und vergrößert sich im katalytischen Umsetzer 13 die Abgasreinigungsfähigkeit pro Zeiteinheit über einen vorbestimmten Pegel, dann durchläuft das Abgas den katalytischen Umsetzer 13 mit einer Reinigung durch die katalytische Reaktion, wodurch die Luft-Brenn­ stoffverhältnisansprechgeschwindigkeit bestimmt wird.

Die Abgasströmungsmenge ist im allgemeinen proportional zur Ansaugluftmenge der Maschine 1 und wird bestimmt durch die Drehzahl Ne der Maschine und den Ansaugluftdruck PM. Daher wird die Abgasströmungsmenge aus der Drehzahl Ne und dem Ansaugluftdruck PM im vorliegenden Ausführungsbeispiel berechnet. Die Abgasströmungsmenge kann jedoch auch auf andere Weise berechnet werden, beispielsweise unter Verwendung eines Strömungsmengenmessers in der Abgasanlage.

Sodann liest die Zentraleinheit CPU 31 in Schritt 202 eine Katalysatorverschlechterungsrate, die mittels eines Katalysatorverschlechterungsbestimmungsprogramms gemäß Fig. 8 bestimmt werden kann.

Die Zentraleinheit CPU 31 berechnet in Schritt 203 eine Änderung Δλ zur Verwendung bei der Erneuerung des Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnisses λ auf der Basis des berechneten SV-Ver­ hältnisses und der Katalysatorverschlechterungsrate. Die Änderung Δλ definiert eine Luft-Brennstoff­ verhältnisrückkopplungsgeschwindigkeit (FEEDBACK) für diesen Zeitpunkt und kann unter Verwendung des in Fig. 7 gezeigten Datenkennfelds bestimmt werden. Die Änderung Δλ wird größer eingestellt, wenn das SV-Verhältnis vergrößert wird oder sich die Verschlechterungsrate vergrößert. Hierbei ist die Δλ-Kennlinie, die sich mit dem SV-Verhältnis ändert, auf der Basis einer in Fig. 6 gezeigten Beziehung bestimmt.

Danach überprüft die Zentraleinheit CPU 31 auf der Basis der Ausgangsspannung Vox2 des stromabliegenden Sauerstoffsensors 27 in Schritt 204, ob das gegenwärtige Luft-Brennstoffverhältnis λ auf der fetten Seite oder der mageren Seite des Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnisses (λTG = 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel) liegt. Liegt das gegenwärtige Luft-Brenn­ stoffverhältnis auf der fetten Seite, dann addiert die Zentraleinheit CPU 31 die Änderung Δλ zum Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis λTG in Schritt 205, so daß das Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis λTG zur mageren Seite bezüglich des Brennstoffs versetzt wird. Ist das gegenwärtige Luft-Brennstoffverhältnis auf der mageren Seite, dann subtrahiert die Zentraleinheit CPU 31 die Änderung Δλ vom Soll-Luft-Brennstoffverhältnis λTG in Schritt 206, so daß das Soll-Luft-Brennstoffverhältnis λTG bezüglich des Brennstoffs zur fetteren Seite versetzt wird.

Die Katalysatorverschlechterung wird mittels des in Fig. 8 gezeigten Programms bestimmt, das in fest vorbestimmten Intervallen von beispielsweise 64 ms verarbeitet (durchgeführt) wird.

In diesem Programm überprüft die Zentraleinheit CPU 31 in Schritt 301, ob die Katalysatorverschlechterungsmarke FCAT gleich 1 ist oder nicht. Die Katalysatorverschlechterungsmarke FCAT dient zur Angabe, ob sich der Katalysator im katalytischen Umsetzer 13 bis zu einer tolerierbaren Grenze verschlechtert hat. Die Katalysatorverschlechterungsmarke FCAT weist den Anfangswert (Initialisierungswert) FCAT = 0 auf (wodurch angegeben ist, daß keine Verschlechterung bis zur tolerierbaren Grenze aufgetreten ist). Die Zentraleinheit CPU 31 überprüft in Schritt 302, ob die Maschine 1 der Luft-Brennstoffverhältnisregelung unterliegt (Luft-Brenn­ stoffverhältnisregegelungsbedingung). Wird in einer der Schritte 301 oder 302 die Antwort NEIN ermittelt, dann wird das Programm durch die Zentraleinheit CPU 31 beendet.

Ist die Antwort in beiden Schritten 301 und 302 demgegenüber JA, dann berechnet in Schritt 303 die Zentraleinheit CPU 31 einen Integrationswert CCAT von Δλ (FEEDBACK-Geschwindigkeit) in der nachfolgenden Weise.

CCATn = CCATn-1 + Δλ×KGA (4).

In der Gleichung (4) bezeichnen die Indizes n und n-1 jeweils einen gegenwärtigen Berechnungszyklus und einen vorhergehenden Berechnungszyklus. Der Wert KGA bezeichnet einen Koeffizienten, der in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen veränderlich ist. Beispielsweise wird dieser Wert auf einen kleineren Wert gesetzt, wenn das SV-Verhältnis (Abgasströmungsmenge/Katalysatorkapazität) gemäß der Darstellung in Fig. 9 größer ist. Durch eine Multiplikation des Koeffizienten KGA und Δλ wird die Änderung von Δλ infolge von Änderungen in der Ansprechgeschwindigkeit des stromabliegenden Sauerstoffsensors 27 vermindert, auch wenn sich die Ansprechgeschwindigkeit des Sauerstoffsensors 27 mit Änderungen in den Maschinenbetriebsbedingungen ebenfalls ändert.

Die Zentraleinheit CPU 31 vergrößert einen Zähler TCAT in Schritt 304 zur Angabe der abgelaufenen Zeit und überprüft im nachfolgenden Schritt 305, ob der Zähler TCAT einen Bezugswert KTCAT erreicht hat, der einer Zeit von etwa 10 Sekunden entspricht. Mit einer Bestimmung von NEIN in Schritt 305 beendet die Zentraleinheit CPU 31 das Programm.

Wird in Schritt 305 die Antwort JA bestimmt, dann bestimmt ferner die Zentraleinheit CPU 31 die Verschlechterungsrate in Schritt 306 auf der Basis des integrierten Werts CCAT. Insbesondere werden gemäß der Darstellung in Fig. 10 Verschlechterungskennlinien eingestellt, so daß die Katalysatorverschlechterungsrate ansteigt, wenn der integrierte Wert TCAT von Δλ vergrößert wird. Diese Verschlechterungskennlinien können in selektiver Weise auf der Basis des Werts von Δλ (Rückkopplungsgeschwindigkeit) verwendet werden. Die tolerierbare Grenze der Verschlechterung relativ zum integrierten Wert CCAT wird höher eingestellt, so daß der Verschlechterungsbestimmungspegel relativ zu den Änderungen von Δλ unverändert aufrechterhalten wird. Steigt der integrierte Wert CCAT extrem an, dann erreicht die Verschlechterungsrate die tolerierbare Grenze (schraffierter Bereich in Fig. 10).

Nach der Bestimmung der Katalysatorverschlechterung löscht die Zentraleinheit CPU 31 sowohl den integrierten Wert CCAT als auch den Zähler TCAT gemäß Schritt 307 auf den Wert 0. Nach diesem Löschen (Rücksetzen) werden die Werte CCAT und TCAT von 0 ausgehend inkremental integriert, so daß der vorstehend beschriebene Verschlechterungsbestimmungsablauf wiederholt werden kann.

In Schritt 308 überprüft die Zentraleinheit CPU, ob die in Schritt 306 bestimmte Katalysatorverschlechterungsrate die tolerierbare Grenze (den schraffierten Bereich in Fig. 10) überschritten hat. Die Zentraleinheit CPU 31 beendet das Programm, wenn in Schritt 308 die Bestimmung NEIN ermittelt wird. Wird jedoch demgegenüber die Bestimmung JA ermittelt, dann setzt die Zentraleinheit CPU 31 die Katalysatorverschlechterungsmarke FCAT auf 1 und schaltet ein Fehlfunktions-Anzeigelicht MIL ein.

Die gemäß der vorstehenden Beschreibung bestimmte Verschlechterungs­ rate wird in dem Soll-Luft-Brennstoffverhältniseinstellprogramm gemäß Fig. 5, und insbesondere in Schritt 202 verwendet, wobei für die Änderung Δλ zur Erneuerung des Sollwerts λTG die in Fig. 7 gezeigten Kennlinien verwendet werden.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel weist die folgenden Vorteile auf.

• (a) Die Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit stromab/stromauf des Katalysators wird auf der Basis des SV-Ver­ hältnisses zwischen der Katalysatorkapazität (S) und der Abgasströmungsmenge (V) bestimmt. Das Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis λTG (Rückkopplungsverstärkung) wird in Abhängigkeit von der Luft-Brennstoffverhältnisansprech­ geschwindigkeit der stromauf/stromabliegenden Katalysatoren verändert, wenn dieses auf der Basis des Erfassungsausgangssignals des stromabliegenden Sauerstoffsensors 27 eingestellt wurde. Daher kann das Soll-Luft-Brennstoffverhältnis λTG derart eingestellt werden, daß es Änderungen in dem tatsächlichen Luft-Brenn­ stoffverhältnis folgt. Auf diese Weise kann bei der Regelung in dem Zweisensorsystem unter Verwendung zweier Luft-Brenn­ stoffverhältnissensoren 26 und 27 die Genauigkeit vergrößert werden, indem Regelungsfehler beseitigt werden können, die durch eine Ansprechverzögerung auf der stromabliegenden Seite des Katalysators auftreten können.
• (b) Die Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit (Ansprechverzögerung) stromauf/stromab des Katalysators wird direkt zur Einstellung der Rückkopplungsverstärkung verwendet. Befindet sich die Abgasreinigungsfähigkeit des Katalysators in der Sättigung und vergrößert sich die Luft-Brenn­ stoffverhältnisansprechgeschwindigkeit in erheblichem Umfang beim Überschreiten der Grenze der Abgasreinigungsfähigkeit des Katalysators, dann kann die Regelung in angemessener Weise aufrecht erhalten werden, wobei derartige Rahmenbedingungen berücksichtigt werden.
• (c) Da die Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit stromauf/stromab des Katalysators aus dem SV-Verhältnis geschätzt wird, kann die Regelung mit Parametern durchgeführt werden, die sowohl die Abgastransportverzögerung als auch die Abgasreaktionsverzögerung im katalytischen Umsetzer 13 darstellen.
• (d) Die Verschlechterungsrate des Katalysators im katalytischen Umsetzer 13 wird bestimmt, und diese Verschlechterungsrate wird als Parameter verwendet zur Einstellung der Änderung Δλ (Rückkopplungsgeschwindigkeit). Auch wenn sich die Luft-Brenn­ stoffverhältnisansprechgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Verschlechterung des Katalysators verändert, kann hierbei die Regelung mit einer hohen Genauigkeit erzielt werden.
• (e) Die Änderung Δλ, die einer Änderung in der Rückkopplungsverstärkung entspricht, wird integriert oder akkumuliert, und die Katalysatorverschlechterungsrate wird auf einen höheren Wert bestimmt, wenn der integrierte Wert größer ist. Ferner wird die Katalysatorverschlechterung angezeigt, wenn die Katalysatorverschlechterungsrate die tolerierbare Grenze überschreitet. Dies stellt ein neues Verfahren dar zur Bestimmung der Katalysatorverschlechterungsrate, da es die Genauigkeit der Regelung bei einer Anwendung in einer Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelung verbessert.
• (f) Da der integrierte Wert CCAT der Änderung Δλ zur Bestimmung der Katalysatorverschlechterungsrate verwendet wird, können Fehler bei der Bestimmung der Katalysatorverschlechterungsrate auch dann vermindert werden, wenn sich die Maschinenbetriebsbedingungen zeitweilig ändern. Da ferner der Koeffizient KGA, der die Maschinenbetriebsbedingungen kennzeichnet, jedesmal dann multipliziert wird, wenn die Änderung Δλ integriert wird, kann der Fehler im integrierten Wert CAT mit geringerer Wahrscheinlichkeit infolge von Änderungen in den Maschinenbetriebsbedingungen gebildet werden.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Luft-Brenn­ stoffverhältnisregelung für eine Maschine kann in der nachfolgenden Weise abgewandelt werden.

Obwohl die Änderung Δλ, die der Rückkopplungsgeschwindigkeit entspricht, auf der Basis des SV-Verhältnisses und der Katalysatorverschlechterungsrate eingestellt wird, kann diese Änderung Δλ lediglich auf der Basis des SV-Verhältnisses eingestellt werden, wodurch das Katalysatorverschlechterungsbestimmungsprogramm entfallen kann.

Obwohl die Rückkopplungsverstärkung verändert wird durch Verändern des Soll-Luft-Brennstoffverhältnisses λTG, kann dieses verändert werden durch Verändern der Rückkopplungskonstanten K1 bis Kn+1 oder der Integrationskonstanten Ka, die in den Gleichungen (1) und (2) zur Berechnung des Rückkopplungskorrekturfaktors FAF jeweils verwendet werden.

Obwohl der Luft-Brennstoffverhältnissensor vom linearen Ausgangstyp und der Sauerstoffsensor auf der stromaufliegenden und stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers angeordnet sind, kann der lineare Luft-Brennstoffverhältnissensor durch einen weiteren Sauerstoffsensor ersetzt werden, und die Regelung kann durch eine Proportional-Integral-Regelung durchgeführt werden. In diesem Fall können der Proportionalregelungsbetrag, die Integrationskonstante und die Verzögerungszeit, die der Rückkopplungsverstärkung entsprechen, auf der Basis des SV-Ver­ hältnisses variabel eingestellt werden. Die Betrachtung der Katalysatorverschlechterung kann auf der Basis eines Parameters durchgeführt werden, der durch eine Integration des Proportionalbetrags, der Integrationskonstante oder der Verzögerungszeit berechnet wird.

Obwohl die Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit stromauf und stromab des Katalysators aus dem SV-Verhältnis berechnet wird, kann diese abgeschätzt werden auf der Basis einer Messung der Änderung im Luft-Brennstoffverhältnis der stromabliegenden Seite des Katalysators zu einen Zeitpunkt der Änderung im Luft-Brenn­ stoffverhältnis der stromaufliegenden Seite des Katalysators. Es ist ferner möglich, die Brennstoffeinspritzmenge während eines stabilen oder normalem Betriebs der Maschine 1 zu ändern und die Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit aus einer resultierenden Änderung im Luft-Brennstoffverhältnis der stromabliegenden Seite des Katalysators oder aus einer resultierenden Ansprechverzögerungszeit zu schätzen. Die derart geschätzte Luft-Brennstoffverhältnisansprechgeschwindigkeit kann zur Änderung der Rückkopplungsverstärkung verwendet werden.

Da sich der Katalysator progressiv in Richtung einer Verminderung der Speicherkapazität verschlechtert, reagiert der stromabliegende Sauerstoffsensor 27 schneller relativ zu dem Luft-Brenn­ stoffverhältnis auf der stromaufliegenden Seite des Katalysators. Daher kann die Katalysatorverschlechterung bestimmt werden aus der Anzahl der Wechsel des Ausgangssignals des stromabliegenden Sauerstoffsensors 27 zwischen dem fetten und mageren Bereich oder aus der Periode der Ausgangspegeländerung desselben. Ferner kann gemäß der Offenbarung in der JP-A-9-4438 die Katalysatorverschlechterungsrate bestimmt werden auf der Basis einer Wärmemenge, die erforderlich ist von einem Starten der Maschine 1 bis zu einer Aktivierung des Katalysators im katalytischen Umsetzer 13.

Die Luft-Brennstoffverhältnisregelung umfaßt somit einen Luft-Brenn­ stoffverhältnissensor 26 und einen Sauerstoffsensor 27, die jeweils an einer stromaufliegenden und stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers 13 angeordnet sind. Die Zentraleinheit CPU 31 führt eine Regelung eines Luft-Brennstoffverhältnisses, das mittels des Luft-Brennstoffverhältnissensors 26 ermittelt wird, im Hinblick auf ein Soll-Luft-Brennstoffverhältnis durch, wobei eine Rückkopplungsverstärkung in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 27 verändert wird. Die elektronische Steuereinheit CPU 31 schätzt ferner eine Luft-Brennstoffverhältnis­ ansprechgeschwindigkeit auf der Basis eines Verhältnisses zwischen einer Abgasströmungsmenge und einer Kapazität des Katalysators im katalytischen Umsetzer 13 und bestimmt eine Verschlechterungsrate des Katalysators. Die Zentraleinheit CPU 31 ändert ferner die Rückkopplungsverstärkung auf der Basis der geschätzten Ansprechgeschwindigkeit und der ermittelten Verschlechterungsrate.

Claims (10)

1. Luft-Brennstoffverhältnisregelungssystem für eine Maschine (1) mit einem katalytischen Umsetzer (13) zur Reinigung des Abgases, wobei das System umfaßt:
einen Stromauf-Luft-Brennstoffverhältnissensor (26), der an einer stromaufliegenden Seite des katalytischen Umsetzer (13) angeordnet ist,
einen Stromab-Luft-Brennstoffverhältnissensor (27), der an einer stromabliegenden Seite des katalytischen Umsetzers (13) angeordnet ist,
eine Regelungseinrichtung (30, 101 bis 106) zur Regelung eines Luft-Brennstoffverhältnisses eines Gemischs auf ein Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis auf der Basis eines mittels des Stromauf-Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors (26) erfaßten Luft-Brenn­ stoffverhältnisses, wobei eine Rückkopplungsverstärkung in Abhängigkeit von einem mittels des Stromab-Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors (27) ermittelten Luft-Brenn­ stoffverhältnisses eingestellt wird,
einer Ansprechgeschwindigkeiterfassungseinrichtung (30, 201) zur Erfassung einer Ansprechgeschwindigkeit des Luft-Brenn­ stoffverhältnisses der stromabliegenden Seite relativ zu dem Luft-Brennstoffverhältnis der stromaufliegenden Seite, und
einer Verstärkungsänderungseinrichtung (30, 203) zur Änderung der Rückkopplungsverstärkung auf der Basis der erfaßten Ansprechgeschwindigkeit.

2. Regelungssystem nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsänderungseinrichtung (30, 203) die Rückkopplungsverstärkung auf der Basis einer Rückkopplungsgeschwindigkeit ändert, die einer Änderung im Luft-Brenn­ stoffverhältnis folgt.

3. Regelungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansprechgeschwindigkeiterfassungseinrichtung (30, 201) die Ansprechgeschwindigkeit erfaßt durch eine Schätzung eines Verhältnisses (SV) zwischen einer Abgasströmungsmenge und einer Kapazität des katalytischen Umsetzers (13).

4. Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit:
einer Verschlechterungsbestimmungseinrichtung (30, 301 bis 310) zur Bestimmung einer Verschlechterungsrate des katalytischen Umsetzers (13), wobei
die Verstärkungsänderungseinrichtung (30, 203) die Rückkopplungsverstärkung auf der Basis der ermittelten Verschlechterungsrate ändert.

5. Regelungssystem nach Anspruch 4, wobei die Verschlechterungsbestimmungseinrichtung (30, 301 bis 310) umfaßt:
eine Integrationseinrichtung (30, 303) zur Integration eines Werts entsprechend einer Rückkopplungsverstärkungsänderung, die auf der Basis eines Ausgangssignals des Stromab-Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors (27) eingestellt ist, wobei
die Verschlechterungsrate vergrößert wird, wenn sich der integrierte Wert vergrößert.

6. Regelungssystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Verschlechterungsbestimmungseinrichtung (30, 301 bis 310) eine Anzeigeeinrichtung (MIL) aufweist zur Anzeige, daß sich der katalytische Umsetzer (13) auf eine tolerierbare Verschlechterungsgrenze verschlechtert hat.

7. Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verstärkungsänderungseinrichtung (30) das Soll-Luft-Brenn­ stoffverhältnis der Regelungseinrichtung (30, 101 bis 105) ändert.

8. Luft-Brennstoffverhältnisregelungsverfahren für eine Maschine (1) mit einem Luft-Brennstoffverhältnissensor (26) zur Erfassung eines Luft-Brennstoffverhältnisses, und einem katalytischen Umsetzer (13) zur Reinigung des Abgases, wobei das Regelungsverfahren umfaßt:
Durchführen einer Regelung (101 bis 105) zur Erzielung eines Soll-Luft-Brennstoffverhältnisses eines der Maschine (1) zuzuführenden Gemischs in Abhängigkeit von einem mittels des Luft-Brenn­ stoffverhältnissensors (26) erfaßten Luft-Brenn­ stoffverhältnisses,
Schätzen (201) eines Parameters zur Angabe einer Verzögerung in der Reaktion des Abgases im katalytischen Umsetzer (13), und
Korrigieren (303) der Regelung auf der Basis des geschätzten Parameters.

9. Regelungsverfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Abschätzung (201) den Parameter aus einem Verhältnis (SV) zwischen einer Abgasströmungsmenge (V) und einer Kapazität (S) des katalytischen Umsetzers (13) schätzt.

10. Regelungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, ferner mit dem Schritt:
Bestimmen (301 bis 310) einer Verschlechterungsrate des katalytischen Umsetzers (13), wobei
der Korrekturschritt (303) die Regelung auf der Basis der ermittelten Verschlechterungsrate korrigiert.