DE3700401C2

DE3700401C2 -

Info

Publication number: DE3700401C2
Application number: DE3700401A
Authority: DE
Inventors: Toyoaki Nakagawa; Hiroshi Yokohama Jp Sanbuichi; Katsunori Yokosuka Jp Terasaka; Makoto Yokohama Jp Saito
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-01-10
Filing date: 1987-01-08
Publication date: 1989-05-11
Also published as: JPS62162746A; US5009210A; DE3700401A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gemischregelvorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Kraftfahr zeug-Brennkraftmaschine, die normalerweise mit einem mage ren Gemisch betrieben wird.

An Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge werden in jünge rer Zeit hohe Anforderungen hinsichtlich der Maschinen leistung und gleichzeitig hinsichtlich der Schadstoff emission und des Kraftstoffverbrauchs gestellt. Ein Ansatz zur Lösung des Problems, diese einander widersprechenden Anforderungen zu erfüllen, besteht darin, die Brennkraft maschine mit einem sehr mageren Luft/Brennstoffgemisch zu betreiben, wobei die Kraftstoffzufuhr sehr präzise ge steuert werden muß.

Beispiele derartiger Magermotoren werden in der US-PS 45 61 403 sowie in der japanischen Zeitschrift "Nainen Kikan", Band 23 Nr. 12 (1984) Seiten 33 bis 40 beschrieben. Diese Systeme weisen eine Gemischregelvorrichtung zur Regelung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses mit einem sauerstoffempfindlichen Festelektrolyten als Abgassensor zur Abtastung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses und einen Dreiwegekatalysator auf, der nicht nur die Oxidation von CO und HC, sondern auch die Reduktion von NO _x katalysiert. Das Ausgangssignal dieses Abgassensors ist innerhalb eines weiten Bereichs von Luft/Brennstoff-Verhältnissen, der von einem leicht unterstöchiometrischen Verhältnis bis zu einem stark überstöchiometrischen Verhältnis reicht, annähernd proportional zu dem tatsächlichen Luft/Brennstoff- Verhältnis, so daß der Sollwert für die rückgekoppelte Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einem weiten Bereich variiert werden kann. In einem typischen Beispiel beträgt der Sollwert für das Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem Regelsystem 21,5 während des Betriebs der Brennkraftmaschine im stationären Zustand, und der Sollwert ändert sich auf 22,5 bei mäßiger Beschleunigung, auf 15,5 im Leerlaufzustand und auf einen unterstöchiometrischen Wert im Bereich von etwa 12 bis 13 unter Vollast.

Die Verwendung eines sehr mageren Gemischs führt zu einer äußerst wirksamen Verringerung der Emission von NO_x auf einen Wert, der den derzeit geltenden Vorschriften ge nügt, obgleich der Dreiwegekatalysator kaum eine Reduk tion von NO_x bewirkt, wenn die Maschine entweder mit sehr magerem oder sehr fettem Gemisch betrieben wird. Bei abrupten Übergängen des Betriebszustands der Brenn kraftmaschine ist es jedoch nicht möglich, das gewünschte Leistungsverhalten der Maschine zu verwirklichen und gleichzeitig ein für die Verringerung der NO_x-Emission ausreichendes überstöchiometrisches Luft/Brennstoff-Ver hältnis aufrechtzuerhalten. Damit die Magerverbrennung auch bei abrupten Übergängen des Betriebszustands ohne Nachteile fortgesetzt werden kann, müßte die Genauig keit und Schnelligkeit der Regelung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses gegenüber dem Stand der Technik noch weiter verbessert werden. Bei abrupten Übergängen ist es daher üblich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis während des Über gangszustands der Brennkraftmaschine von einem über stöchiometrischen Wert auf einen unterstöchiometrischen Wert zu verschieben, so daß das gewünschte Leistungs- und Ansprechverhalten der Maschine erreicht wird. Dabei wird jedoch ein Anstieg der Emission von NO_x über die Toleranzgrenzen hinaus in Kauf genommen.

Aus der DE-OS 31 16 245 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses bekannt, bei der die Kennlinie des Abgassensors im Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses einen Sprung aufweist. Bei Laständerungen der Brennkraftmaschine wird von Regelung auf Steuerung des Gemisches mit einem festen Wert umgeschaltet.

In der nachveröffentlichten DE-OS 36 44 357 wird vorgeschlagen, nach Beendigung einer Kraftstoffabschaltung einen Übergangszustand zu erfassen, einen Sollwert für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu berechnen und diesen Sollwert für eine vorgegebene Zeitdauer entsprechend einer Abmagerung des Gemisches zu erhöhen.

Die beiden letztgenannten Druckschriften befassen sich jedoch nicht speziell mit der Gemischregelung für Magermotoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Brenn kraftmaschine, beispielsweise eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit einem Dreiwegekatalysator, die zumindest während vorgegebener stationärer Betriebszustände mit einem mageren Gemisch betrieben wird, eine Gemischregelvorrichtung der eingangs genannten Gattung anzugeben, durch die auch bei Übergangszuständen der Brennkraftmaschine das gewünschte Ansprechverhalten bei niedriger Emission von NO_x erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patent anspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß werden bestimmte Übergangszustände der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Übergang vom Betrieb mit konstanter Drehzahl auf rasche Beschleunigung, abgetastet, und der Sollwert für die Regelung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses wird während des Übergangszu stands auf einen im Hinblick auf die Wirkung des Drei wegekatalysators optimalen Wert geändert. Beim Beginn dieser Änderung wird die Luft- und/oder Brennstoffzufuhr derart gesteuert, daß die tatsächliche Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses vorübergehend noch über den durch die Änderung des Sollwertes bedingten Betrag hinausgeht.

Die erfindungsgemäße Gemischregelvorrichtung eignet sich besonders für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen. Im Normal betrieb wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis zumeist auf einen überstöchiometrischen Wert geregelt. Wenn im Betrieb der Brennkraftmaschine einer von mehreren in bestimmter Weise definierten Übergangszuständen, beispiels weise eine rasche Beschleunigung auftritt, so wird der Sollwert für das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf einen für den Betrieb des Dreiwegekatalysators optimalen Wert, typischerweise auf das stöchiometrische Verhältnis ( λ = 1) zurückgenommen. Durch diese Maßnahme wird das gewünschte Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine und die während des Übergangszustands erforderliche Leistungs abgabe gewährleistet, während die Zunahme von NO_x im Abgas durch die Wirkung des Dreiwegekatalysators beseitigt wird. Wenn jedoch der Sollwert für das Luft/Brennstoff-Ver hältnis direkt auf den stöchiometrischen Wert umgeschaltet wird, so besteht die Gefahr, daß die Umwandlung des NO_x durch den Dreiwegekatalysator während eines bestimmten Zeitintervalls nicht ausreichend ist, da sich die Wirkung des stöchiometrischen Verhältnisses an dem in der Abgas leitung angeordneten Katalysator erst mit einer gewissen Verzögerung bemerkbar macht. Dieses Problem wird erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Luft/Brennstoff-Verhält nis beim Beginn der Umschaltung auf das stöchiometrische Verhältnis während eines gewissen Zeitintervalls absicht lich über den stöchiometrischen Wert hinaus verstellt wird, so daß die oben erwähnte Verzögerung kompensiert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Gemischregelvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Brenn kraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Gemischregel vorrichtung;

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Programms für einen Mikrocomputer der erfindungsgemäßen Misch regelvorrichtung;

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines anderen Programms für den Mikrocomputer;

Fig. 5 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Ge mischregelvorrichtung bei der vorüber gehenden Verringerung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses in einem Übergangszustand der Brennkraftmaschine; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Art der Berechnung des Durchsatzes der Ansaugluftmenge für jeden einzelnen Zylin der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ge mischregelvorrichtung.

In Fig. 1 sind die funktionellen Beziehungen zwischen den wesentlichen Elementen eines erfindungsgemäßen Gemisch regelsystems dargestellt. Dieses Gemischregelsystem wird bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt, in deren Abgasleitung ein herkömmlicher Dreiwegekatalysator an geordnet ist. Die Regelvorrichtung umfaßt eine Abtast einrichtung 10 zur Abtastung des tatsächlichen Luft/ Brennstoff-Verhältnisses der Brennkraftmaschine, beispiels weise durch Abtastung der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine elektronische Regeleinrichtung 12 ermittelt anhand des von der Abtasteinrichtung 10 erzeugten Gemischsignals, das für das Luft/Brennstoff-Verhältnis repräsentativ ist, eine Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von einem Sollwert und liefert ein Kraftstoffzufuhr-Steuer signal, an eine elektromechanische Einrichtung 20 zur genauen Regelung des Verhältnisses der Luftzufuhr zu der Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine. Weiterhin um faßt die Gemischregelvorrichtung eine Last-Abtastein richtung 14 zur Abtastung der Last, mit der die Brenn kraftmaschine arbeitet, eine Übergangszustands-Abtast einrichtung 16 zur Ermittlung vorgegebener Übergangs zustände im Betrieb der Brennkraftmaschine und eine Soll wert-Einstelleinrichtung 18, die Informationssignale von der Last-Abtasteinrichtung 14 und der Übergangszustands- Abtasteinrichtung 16 aufnimmt und den Sollwert des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses normalerweise auf einen ersten Wert festlegt, der höher ist als das stöchiometrische Verhältnis, und den Sollwert auf einen zweiten Wert einstellt, der kleiner als der erste Wert und im Hin blick auf die Funktion des Dreiwegekatalysators optimiert ist, wenn die Signale der beiden Abtasteinrichtungen 14 und 16 weiterhin anzeigen, daß die Maschine in einem vor gegebenen Übergangszustand arbeitet. Der Sollwert wird in jedem Fall an die Regeleinrichtung 12 übermittelt.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Sollwert-Einstellein richtung 18 wird der Sollwert des Luft/Brennstoff-Verhält nisses nicht unmittelbar von dem ersten Wert auf den zweiten Wert geändert. Wenn die Eingangssignale das Auftreten eines vorgegebenen Übergangszustands anzeigen, wird der Sollwert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses un verzüglich auf einen dritten Wert eingestellt, der noch kleiner ist als der zuvor erwähnte zweite Wert, und der Sollwert wird für ein vorgegebenes Zeitintervall unter dem zweiten Wert gehalten. Alternativ ist die Regeleinrichtung 20 derart ausgelegt, daß sie das tat sächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis während des vor gegebenen Zeitintervalls unterhalb des zweiten Sollwertes hält, wenn sie von der Einstelleinrichtung 18 den Befehl zum Verändern des Sollwertes von dem ersten Wert auf den zweiten Wert erhält.

Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Kraftfahrzeug-Brennkraft maschine 30 mit einer Gemischregelvorrichtung, die die Kraftstoff-Einspritzmenge steuert. Ein Ansaugrohr 32 verläuft von einem Luftfilter 34 zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 30, und für jeden Zylinder ist ein elektromagnetisch betätigtes Kraftstoff-Einspritzventil 36 vorgesehen, das in einen als Einlaßkanal bezeichneten Abschnitt des Ansaugrohres 32 mündet. Jeder Zylinder der Brennkraftmaschine ist mit einer Zündkerze 38 versehen. Eine Abgasleitung 40 der Brennkraftmaschine weist in ihrem Mittelabschnitt einen katalytischen Konverter 42 auf, durch den das Abgas mit Hilfe eines herkömmlichen Drei wegekatalysators gereinigt wird. Der Dreiwegekatalysator entfaltet seine volle Wirksamkeit, wenn die Brennkraft maschine mit einem annähernd stöchiometrischen Luft/ Brennstoff-Gemisch arbeitet.

In dem Ansaugrohr 32 ist ein klappenförmiger Luftmengen messer 44 angeordnet, der ein für den Luftdurchsatz Q _a durch das Ansaugrohr 32 repräsentatives Signal erzeugt. Mit einer Drosselklappe 46 ist ein Drosselklappensensor 48 verbunden, der ein für den Öffnungsgrad T _v der Drossel klappe 46 repräsentatives Signal erzeugt. In der Wand des Ansaugrohres 32 ist ein Drucksensor 50 zur Abtastung des Ansaugluftdruckes in einem Abschnitt stromabwärts der Drosselklappe 46 angeordnet. In einem dicht an den Ein laßkanälen gelegenen Abschnitt des Ansaugrohres 32 ist eine sogenannte Verwirbelungsklappe 52 angeordnet. Mit Hilfe einer externen Antriebs-Druckdose 54 wird die Ver wirbelungsklappe 52 geöffnet und geschlossen, so daß ein Wirbel des Luft/Brennstoff-Gemisch gebildet wird, der sich durch die Einlaßkanäle in die Zylinder der Brennkraftmaschine fortpflanzt und zu einer verbesserten Verbrennung beiträgt. Ein Magnetventil 56 ist mit der An triebs-Druckdose 54 verbunden und steuert die Größe des der Druckdose 54 zugeführten Unterdruckes. Ein Kurbel winkelsensor 58 dient zur Erzeugung eines für die Dreh zahl N der Brennkraftmaschine repräsentativen Signals. Ein Temperaturfühler 60 ist im Kühlwassermantel der Brenn kraftmaschine angeordnet und erzeugt ein für die Kühlwas sertemperatur T _W repräsentatives Signal. Bei diesem Aus führungsbeispiel bilden der Luftmengenmesser 44 und der Kurbelwinkelsensor 58 die Last-Abtasteinrichtung, die in Fig. 1 mit 14 bezeichnet ist.

In der Wand der Abgasleitung 42 ist in einem Abschnitt stromaufwärts des katalytischen Konverters 42 ein Sauer stoffsensor 62 angeordnet, der zur Abschätzung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses in den Zylin dern der Brennkraftmaschine anhand der Sauerstoffkonzen tration im Abgas dient. Bei dem Sauerstoffsensor 62 kann es sich um einen der verschiedenen in jüngeren Zeit ent wickelten Sauerstoffsensoren handeln, die zumeist mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten arbeiten. Der Sauerstoffsensor 62 muß jedoch nicht nur bei einem annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis, sondern auch bei einem erheblich von dem stöchiometrischen Wert abweichenden Verhältnis benutzbar sein. Vorzugsweise sollte die Ausgangsspannung (oder der Ausgangsstrom) V _i des Sauerstoffsensors 62 innerhalb eines weiten Be reiches, der sowohl den unterstöchiometrischen als auch den überstöchiometrischen Bereich abdeckt, eine feste Beziehung zu dem tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Brennkraftmaschine aufweisen.

Die in Fig. 2 gezeigte Gemischregelvorrichtung weist eine Steuereinheit 70 auf, in welcher die Regeleinrichtung 12, die Sollwert-Einstelleinrichtung 18, der größte Teil der Übergangszustands-Abtasteinrichtung 16 und ein Teil der Gemisch-Abtasteinrichtung 10 gemäß Fig. 1 integriert sind. Bei dieser Steuereinheit 70 handelt es sich um einen Mikrocomputer, der eine Zentraleinheit 72, einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 74, einen Speicher mit wahl freiem Zugriff (RAM) 76 und eine Eingabe/Ausgabe-Schaltung 78 aufweist. In dem ROM-Speicher 74 sind Programme für die Operationen der Zentraleinheit 72 gespeichert. In dem RAM-Speicher 76 sind verschiedene Daten gespeichert, die bei den in der Zentraleinheit 72 ausgeführten Opera tionen benötigt werden. Einige dieser Daten sind in Form von Datenfeldern oder Tabellen gespeichert. Die Signale der oben erwähnten Sensoren 44, 48, 50, 58, 60 und 62 werden über die Eingabe/Ausgabe-Schaltung 78 eingegeben. Anhand der aus diesen Eingangssignalen abgeleiteten Informationen über die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine lie fert die Steuereinheit 70 ein Kraftstoff-Einspritzsignal S _i an die Einspritzventile 36, so daß das Luft/Brennstoff- Verhältnis auf den Sollwert eingestellt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Sollwert des Luft/Brennstoff- Verhältnisses normalerweise wesentlich höher als das stöchiometrische Verhältnis. Die Steuereinheit 70 lie fert im übrigen auch ein Wirbelklappen-Steuersignal S _v an das Magnetventil 56.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines der in dem ROM-Speicher 74 gespeicherten Programme. Dieses Programm wird in vor gegebenen Zeitintervallen von beispielsweise 5 ms wieder holt abgearbeitet um festzustellen, ob sich die Brenn kraftmaschine in einem vorgegebenen Übergangszustand befindet, in welchem der Sollwert des Luft/Brennstoff- Verhältnisses auf den für den Betrieb des Dreiwegekata lysators optimalen zweiten Wert verringert werden sollte.

In Schritt P 1 wird der Öffnungsgrad T _v der Drosselklappe gelesen. Im nachfolgenden Schritt P 2 wird eine Änderung Δ T _v des Drosselklappen-Öffnungsgrades T _v innerhalb eines vorgegebenen Einheits-Zeitintervalls berechnet. Wahlweise kann der Wert Δ T _v durch die Differenz zwischen den Werten T _v im laufenden Programmzyklus und im unmittelbar voraus gegangenen Programmzyklus gegeben sein. In Schritt P 3 wird die Differenz Δ T _v mit einem vorgegebenen Beschleu nigungs-Schwellenwert A verglichen, der größer ist als 0. Wenn Δ T _v größer ist als A, so wird in Schritt P 4 ein "Beschleunigung"-Flag KF gesetzt (KF = 1). Dies entspricht der Annahme, daß die Brennkraftmaschine 30 beschleunigt wird. Anschließend wird der Schritt P 5 ausgeführt. Wenn Δ T _v nicht größer ist als A, wird das "Beschleunigung"-Flag KF in Schritt P 6 zurückgesetzt (KF = 0), und das Programm wird bei Schritt P 5 fortgesetzt. Durch diese Maßnahmen wird eine einfache und sehr genaue Unterscheidung vor gegebener Beschleunigungsbedingungen von anderen Bedin gungen ermöglicht. Es ist jedoch auch möglich, die Be schleunigungsbedingungen durch andere Operationen, bei spielsweise durch Differenzieren des Wertes T _v und durch Vergleich des Differentials dT _v/dt mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu ermitteln.

In Schritt P 5 wird überprüft, ob die Drosselklappe 46 für eine Zeitspanne, die länger als ein vorgegebenes Zeitintervall t ₀ ist, aus der vollständig geschlossenen Stellung herausbewegt war. Der Grund besteht darin, daß, wenn die Drosselklappe aus ihrer vollständig geschlossenen Stellung herausbewegt wird, die Größe der erforderlichen Beschleunigung während einer bestimmten Zeitspanne größer ist als in den Fällen der Beschleunigung aus einem sta tionären Betriebszustand der Brennkraftmaschine heraus, so daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis verringert werden sollte. Wenn die tatsächliche Länge der Zeit T _c, die seit dem Herausbewegen der Drosselklappe aus der vollständig geschlossenen Stellung vergangen ist, kleiner ist als t₀, wird als nächstes der Schritt P 7 ausgeführt. In diesem Schritt wird überprüft, ob das "Beschleunigung"- Flag KF gesetzt ist (KF = 1). Wenn T _c nicht kürzer ist als t ₀, wird der Schritt P 8 durchgeführt. In diesem Schritt wird ein "Übergang"-Flag SF zurückgesetzt (SF = 0). Wenn das "Beschleunigung-Flag KF gesetzt war, wird der Schritt P 9 durchgeführt, und es wird angenommen, daß die Brennkraftmaschine in einem Beschleunigungszu stand ist, in welchem das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf den zuvor erwähnten zweiten Wert verringert werden sollte. In diesem Fall endet das Programm damit, daß in Schritt P 9 das "Übergang"-Flag SF gesetzt wird (SF = 1). Wenn in Schritt P 7 das "Beschleunigung"-Flag KF nicht gesetzt war, so wird der Schritt P 8 ausgeführt und das Programm endet, ohne daß das "Übergang"-Flag SF gesetzt wird.

Fig. 4 veranschaulicht ein in dem ROM-Speicher 74 ge speichertes Hauptprogramm für die Rückkopplungsregelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Dieses Programm wird synchron mit dem Umdrehungen der Brennkraftmaschine 30 wiederholt abgearbeitet.

In dem Anfangsschritt P 11 wird überprüft, ob das "Über gang"-Flag SF gesetzt ist. Wenn dieses Flag gesetzt ist (SF = 1) wird in Schritt P 12 die Zeitdauer T _p, die seit dem Setzen des Flags SF vergangen ist, mit einer vorgegebenen Zeitdauer T _s verglichen. Der Wert T _s wird entsprechend den Betriebsbedingungen der Brenn kraftmaschine bestimmt. Wenn T _p kleiner ist als T _s, so wird anschließend der Schritt P 13 ausgeführt. In diesem Schritt wird der Sollwert RT durch das Luft/ Brennstoff-Verhältnis auf den dritten Wert eingestellt, der kleiner ist als der im Hinblick auf die Wirkung des Dreiwegekatalysators optimierte zweite Wert. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem zweiten Soll wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (der durch R _c angegeben ist) um den stöchiometrischen Wert (λ = 1). Der in Schritt P 13 eingestellte Sollwert ist gegeben durch die folgende Gleichung:

RT = R _c + R _a (1)

wobei R _a ein vorgegebener negativer Wert ist.

Wenn die Zeitdauer T _p nicht kleiner ist als T _s, so wird im Anschluß an Schritt P 12 der Schritt P 14 ausgeführt, in welchem der Sollwert RT des Luft/Brennstoff-Verhält nisses den zweiten Wert R _c, d.h., den stöchiometrischen Wert eingestellt wird, ohne daß der Wert R _a abgezogen wird.

Wenn das "Übergang"-Flag SF in Schritt P 11 zurückgesetzt war (SF = 0) so wird im Anschluß an Schritt P 11 der Schritt P 15 ausgeführt, wo der Sollwert RT des Luft/Brenn stoff-Verhältnisses auf den ersten Wert R ₁ eingestellt wird. Bei dem ersten Wert R ₁ des Luft/Brennstoff-Verhält nisses handelt es sich um einen überstöchiometrischen Wert, der in Abhängigkeit von der Maschinenlast variabel sein kann. In diesem Fall ist die Beziehung zwischen der Maschinenlast und dem ersten Sollwert R ₁ in Form eines Datenfeldes oder einer Tabelle in dem RAM-Speicher 76 gespeichert, und der Schritt P 15 enthält einen Tabellen aufruf zur Ermittlung des optimalen Wertes anhand der von den lastabtastenden Sensoren 44 und 58 in Fig. 2 gelieferten Informationen.

Nachdem der Sollwert in Schritt P 13, P 14 oder P 15 einge stellt wurde, wird in Schritt P 16 anhand der nachfolgend wiedergegebenen Gleichung (2) eine optimale Kraftstoff- Einspritzmenge T _i berechnet, so daß das Luft/Brennstoff- Verhältnis auf den in der oben beschriebenen Weise er mittelten Sollwert eingeregelt wird. In dem Kraftstoff- Einspritzsignal S _i, das die Steuereinheit 70 an jedes ein zelne Einspritzventil 36 liefert, wird die Kraftstoff- Einspritzmenge T _i durch die Impulsbreite angegeben.

T _i = Q _A × R _T × C _f × M _f + T _a (2)

In der obigen Gleichung (2) bezeichnet Q _A die Ansaugluft menge für jeden einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine, C _f ist ein Korrekturfaktor durch den die Verdampfung eines Teils des Kraftstoffs und die Verflüssigung eines weiteren Teils des Kraftstoffs an den Wandoberflächen des Einlaß rohres kompensiert wird, M _f ist ein Rückkopplungs-Korrek turfaktor zur Beseitigung eventueller Abweichungen des abgetasteten Luft/Brennstoff-Verhältnisses von dem Soll wert und T _a ist ein additiver Korrekturwert zur Kompen sation einer Abweichung der tatsächlichen Dauer des Kraftstoff-Einspritzvorgangs von der Impulsbreite des Kraftstoff-Einspritzsignals.

Während des stationären Betriebs der Brennkraftmaschine wird die Luftmenge Q _A anhand des Ausgangssignals des Luftmengenmessers 24 mit einer Korrektur entsprechend der Temperatur der Ansaugluft verwendet. In einem Über gangszustand der Brennkraftmaschine werden weitere Korrek turen vorgenommen, auf der Grundlage des Öffnungsgrades T _v der Drosselklappe und des mit Hilfe des Sensors 50 gemessenen Ansaugluftdruckes P _a. Derartige feine Korrek turen müssen ausgeführt werden, damit man eine sehr genaue Information über die Luftmenge Q _A gewinnt, so daß bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine sehr genaue Regelung des Luft/Brennstoff-Verhält nisses oder der Kraftstoff-Einspritzmenge erreicht wird. Die Berechnung des Wertes Q _A wird am Ende dieser Be schreibung im einzelnen erläutert. Der Wert des Korrek turfaktors C _f wird bestimmt im Hinblick auf einige Be triebszustandsparameter der Brennkraftmaschine wie etwa die Größe der Beschleunigung der Verzögerung, die Tempe ratur des Kühlwassers, die Zeitspanne, die seit dem An lassen der Brennkraftmaschine vergangen ist, und der gleichen.

In Fig. 5 sind die oben beschriebenen Operationen der Steuereinheit 70 bei der Veränderung des Sollwertes RT des Luft/Brennstoff-Verhältnisses während eines Übergangs zustands der Brennkraftmaschine in einem Zeitdiagramm dargestellt. Wenn das "Beschleunigung"-Flag KF gesetzt ist und wenn die Zeitspanne T _c, die vergangen ist, seit dem die Drosselklappe die Schließstellung verlassen hat, kleiner ist als die vorgegebene Zeitspanne t₀, so wird entschieden, daß der Sollwert RT des Luft/Brennstoff-Ver hältnisses auf den für die Wirkung des Dreiwegekatalysa tors optimalen stöchiometrischen Wert R _c verringert wer den sollte. Es wird dann das "Übergang"-Flag SF gesetzt, und der Sollwert RT wird verringert. Zunächst wird der Sollwert RT auf einen Wert eingestellt, der um den Betrag R _a kleiner ist als der stöchiometrische Wert R _c. Nach Ablauf des Zeitintervalls T _s wird der Sollwert RT auf den stöchiometrischen Wert R _c eingestellt. Die anfäng liche Verringerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unter den stöchiometrischen Wert R _c, d. h., die über mäßige Kraftstoffanreicherung des Gemischs, hat die Wirkung, daß die Sauerstoffkonzentration des durch den katalytischen Konverter 42 strömenden Abgases schnell und in beträchtlichem Ausmaß verringert wird, so daß der Verbrauch des überschüssigen Sauerstoffs in dem Konverter 42 unterstützt wird. Im Ergebnis wird daher eine wirksame Umwandlung von No_x selbst in der Anfangs phase des Übergangs der Brennkraftmaschine vom statio nären Betrieb in den Beschleunigungsbetrieb erreicht. Wenn die Dauer der Zeitspanne T _c, während derer die Drosselklappe geöffnet ist, den Wert t ₀ erreicht, so wird das "Beschleunigung"-Flag KF zurückgesetzt, und infolgedessen wird das "Übergang"-Flag SF ebenfalls zurückgesetzt. Daraufhin wird der Sollwert RT des Luft/Brennstoff-Verhältnisses wieder auf den überstöchio metrischen ersten Wert R ₁ eingestellt.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde als Beispiel eines Übergangszustands, in welchem das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf einen im Hinblick auf die Wirkung des Dreiwegekatalysators optimalen Wert, beispielsweise auf den stöchiometrischen Wert eingestellt wird, ein Beschleunigungszustand be trachtet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt. Ein derartiges Umschalten des Sollwertes für das Luft/Brennstoff-Verhältnis wird auch unter bestimmten Verzögerungsbedingungen durchgeführt. Darüber hinaus muß der Sollwert nicht in jedem Fall von einem über stöchiometrischen Wert auf den stöchiometrischen Wert umgeschaltet werden. In speziellen Fällen, wie beispiels weise bei dem Übergang von einer hohen Beschleunigung zu einer Verzögerung, kann der Sollwert auch von einem unterstöchiometrischen Wert auf den stöchiometrischen Wert umgeschaltet werden. In diesem Fall wird der Soll wert vorübergehend, während eines vorgegebenen Zeitin tervalls (T _s in der vorstehenden Beschreibung) auf einen Wert eingestellt, der größer als der stöchiometrische Wert ist. Hierdurch wird eine Unterstützung des Abbaus brennbarer Gase, die sich während des Beschleunigungs vorgangs in dem katalytischen Konverter angesammelt haben, und somit eine Verringerung der Emission von NO_x erreicht.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Sollwert für das Luft/Brennstoff-Verhältnis verändert, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis durch Rückkopplungs regelung auf den für die Wirkung des Dreiwegekatalysators optimalen Wert einzustellen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt. In einer alternativen Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, vorüber gehend von Rückkopplungsregelung auf eine Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in offener Schleife umzu schalten. Wahlweise kann das Luft/Brennstoff-Verhältnis auch durch Steuerung der Ansaugluftmenge statt durch Steuerung der Kraftstoffzufuhr verändert werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein bevor zugtes Verfahren zur Berechnung des Luftdurchsatzes Q _A während des Beschleunigungsbetriebs der Maschine und somit zur Berechnung der Kraftstoff-Einspritzmenge T _i gemäß Gleichung (2) beschrieben.

Zum Zeitpunkt T ₀ beginnt die Bewegung der Drosselklappe aus der vollständig geschlossenen Stellung, so daß sich der Öffnungsgrad T _v der Drosselklappe von diesem Zeit punkt an ändert. Folglich ändert sich auch der mit Hilfe des Sensors 50 gemessene Ansaugluftdruck P _a. In Fig. 6 wird der Ansaugluftdruck P _a durch ein elektrisches Signal P _m repräsentiert, das durch Verarbeitung des Ausgangs signals des Sensors 50 gewonnen wurde. Das Luftdrucksignal P _m ändert sich aufgrund einer Schwingungsunterdrückungs funktion mit einer Zeitverzögerung t ₂. Die Kurve Q _A′ repräsentiert einen Ansaugluftdurchsatz für jeden ein zelnen Zylinder der Brennkraftmaschine, der anhand des Ausgangssignals des Luftmengenmessers 44 mit einer Korrektur entsprechend dem Wert des Signals P _m berechnet wurde. Die Änderung des Wertes Q _A′ beginnt mit einer Zeitverzögerung t ₁ (t ₁ < t ₂) nach dem Zeitpunkt T ₀. Die Kurve Q _A stellt den tatsächlichen Ansaugluftdurchsatz für jeden einzelnen Zylinder dar. Zwischen dem tatsäch lichen Ansaugluftdurchsatz Q _A und dem berechneten Durch satz Q _A′ besteht eine Differenz Δ Q _A, die durch das schraffierte Gebiet in Fig. 6 angegeben wird. Hieraus ergibt sich eine Ungenauigkeit bei der Erfassung des Ansaugluftdurchsatzes während eines Übergangszustands der Brennkraftmaschine. Eine solche Ungenauigkeit wird durch die folgenden Maßnahmen korrigiert.

Zunächst wird der Wert Q _A′ anhand der folgenden Gleichung (3) berechnet:

Q _A′ = P _m + αΔ P _a (3)

wobei α eine Funktion der Drehzahl N der Brennkraftma schine und Δ P _a eine Änderung des Ansaugluftdurches P _a während eines vorgegebenen Einheits-Zeitintervalls ist.

Die Gleichung (3) zur Berechnung des Wertes Q _A′ als Schätzwert für Q _A beruht auf der Überlegung, daß die Einströmung von Luft in jeden einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine auch noch nach Abschluß der Kraft stoffeinspritzung andauert.

Zur Korrektur der durch die schraffierte Fläche in Fig. 6 angegebenen Differenz Δ Q _A wird diese Differenz abge schätzt durch eine Berechnung anhand der folgenden Gleichung (4), wobei besonders der Öffnungsgrad T _v der Drosselklappe berücksichtigt wird, der sich zuerst zu ändern beginnt:

Δ Q _A = ( Δ T _v/N) × Q _AI (4)

wobei Q _AI der Luftdurchsatz (Q _A) in der Anfangsphase des Übergangs vom stationären Betrieb zum Beschleunigungsbe trieb der Brennkraftmaschine ist, die beispielsweise an hand der Änderung des Öffnungsgrades T _v der Drosselklappe bestimmt werden kann.

Die berechnete Differenz Δ Q _A wird zu dem anhand von Gleichung (3) aus den Ausgangssignalen der Sensoren be rechneten Wert Q _A′ addiert, da als tatsächlicher Wert für den Ansaugluftdurchsatz Q _A die Summe Q _A′ + Δ Q _A angesehen wird. In Fig. 6 stellt die Kurve Q _A das Ergebnis dieses Berechnungsvorgangs dar. Diese Kurve kann als exakte Wie dergabe des tatsächlichen Ansaugluftdurchsatzes betrachtet werden, da zwischen dem Öffnungsgrad T _v der Drosselklappe und der durch diese Kurve angegebenen Ansaugluftmenge Q _A eine sehr gute Korrelation besteht. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Abschätzung des Luftdurchsatzes Q _A und damit der von jedem einzelnen Zylinder der Brenn kraftmaschine aufgenommenen Luftmenge wesentlich verbessert. Diese verbesserte Genauigkeit läßt sich in gleicher Weise auch bei Verzögerungsvorgängen erreichen. Aufgrund der genauen Bestimmung des Luftdurchsatzes Q _A kann die Kraft stoff-Einspritzmenge T _i anhand von Gleichung (2) sehr genau bestimmt werden, so daß eine äußerst präzise Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erreicht wird.

Nach einer gewissen Zeit stimmt der durch Gleichung (3) angegebene Wert für den Luftdurchsatz Q _A′ mit P _m überein. Danach kann die tatsächliche Luftmenge Q _A für jeden Zylinder auf einfache Weise entweder anhand des Ausgangssignals des stromaufwärts der Drosselklappe angeordneten Luftmengen messers 44 oder anhand des Ausgangssignals des stromab wärts der Drosselklappe angeordneten Drucksensors (50) ermittelt werden, ohne daß die Differenz Δ Q _A berechnet werden muß.

Claims

1. Gemischregelvorrichtung zur Regelung des Luft/Brenn stoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine, die einen Dreiwegekatalysator (42) zur Abgasreinigung aufweist, mit

- einer Gemisch-Abtasteinrichtung (10) zur Abtastung der Ist-Werte des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das innerhalb eines weiten Bereichs von Luft/Brennstoff-Verhältnissen oberhalb und unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses annähernd proportional zu dem Istwert des Luft/Brenn stoff-Verhältnisses ist,
- einer Last-Abtasteinrichtung (14) zur Abtastung der Last, unter der die Brennkraftmaschine arbeitet, und
- einer Regeleinrichtung (12) zur Rückkopplungs-Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf der Grundlage der abgetasteten Istwerte, wobei die Regelungseinrichtung eine Sollwert-Einstelleinrichtung (18) zur Bestimmung des Sollwertes (RT) für das Luft/Brennstoff-Verhältnis anhand der von der Last-Abtasteinrichtung (14) gelieferten Informationen aufweist und der Sollwert zumindest während eines vorgegebenen stationären Betriebszustands (SF = 0) der Brennkraftmaschine auf einen ersten Wert (R₁) eingestellt wird, der von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis abweicht,

dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Übergangs-Abtasteinrichtung (18) zur Abtastung vorbestimmter Übergangszustände (SF = 1) der Brennkraftmaschine vorgesehen ist,
- daß die Sollwert-Einstelleinrichtung (18) den Sollwert auf einen zweiten Wert (R _c) umschaltet, der im Hinblick auf die Wirkung des Dreiwegekatalysators optimiert ist, solange einer der vorgegebenen Übergangszustände (SF = 1) abgetastet wird, und
- daß eine Moduliereinrichtung (P 12, P 13) vorgesehen ist, die die Luft- und/oder Kraftstoffzufuhr zu der Brennkraftmaschine derart steuert, daß das Luft/Brennstoff- Verhältnis beim Beginn der Umschaltung des Sollwertes für ein vorgegebenes Zeitintervall (T _s) derart verändert wird (entsprechend einem Sollwert R _c + R _a), daß es in bezug auf den ersten Wert (R ₁) in der entgegengesetzten Richtung von dem zweiten Wert (R _c) abweicht.

2. Gemischregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gemisch-Abtasteinrichtung (10) einen Sensor (62) zur Abtastung der Sauerstoffkonzen tration im Abgas der Brennkraftmaschine aufweist.

3. Gemischregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Last-Abtasteinrichtung (14) eine Luftmengen-Meßeinrichtung (44, 50) zur Bestimmung der Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine und einen Dreh zahlsensor (58) zur Abtastung der Drehzahl (N) der Brenn kraftmaschine aufweist.

4. Gemischregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Übergangszustands-Ab tasteinrichtung (16) einen Drosselklappensensor (48) zur Abtastung des Öffnungsgrads (T _v) der Drosselklappe und eine Einrichtung zur Bestimmung der Änderung ( Δ T _v) des Öffnungsgrads der Drosselklappe pro Zeiteinheit aufweist.

5. Gemischregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Wert (R _c) ein stöchiometrischer Wert ist.

6. Gemischregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens die Regeleinrich tung (12), ein Teil der Last-Abtasteinrichtung (14) und ein Teil der Übergangszustands-Abtasteinrichtung (16) in einen Mikrocomputer (70) integriert ist.