DE4140527A1 - Steuervorrichtung fuer das luft/brennstoff-verhaeltnis zur verwendung in einem verbrennungsmotor - Google Patents
Steuervorrichtung fuer das luft/brennstoff-verhaeltnis zur verwendung in einem verbrennungsmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für das
Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Verwendung in einem Verbren
nungsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6
bzw. 8. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine
derartige Steuervorrichtung, mit der eine einzuspritzende
Brennstoffmenge so steuerbar oder regelbar ist, daß das
Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem Luft/Brennstoff-Gemisch
für einen Verbrennungsmotor gleich dem theoretischen
Luft/Brennstoff-Verhältnis wird.
Bei der sogenannten modernen Steuerungstheorie (modern con
trol theory) ist eine Steuervorrichtung für das
Luft/Brennstoff-Verhältnis so aufgebaut, daß ein dynamisches
Modell eines Systems zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Ver
hältnisses erzielt wird, indem ein auto-regressives Modell
angenähert wird, dessen Modellordnung 1 ist und eine Totzeit
P beinhaltet (P = 0, 1, 2, . . .), wobei gleichzeitig Störun
gen mit in Betracht gezogen werden, wodurch ein
Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerbetrag abhängig von einer
Zustandsvariablen-Quantität und einem optimalen Rückkopp
lungsfaktor, welche auf der Grundlage des konstruierten dy
namischen Modelles vorab bestimmt werden, festgelegt wird.
Der optimale Rückkopplungsfaktor wird so bestimmt, daß An
sprechverhalten und Stabilität zueinander während den unter
schiedlichsten Betriebsbedingungen des Motors kompatibel
sind, wie beispielsweise in der JP-OS 1-1 10 853 beschrieben.
Bei Steuervorrichtungen für das Luft/Brennstoff-Verhältnis,
welche auf der modernen Steuerungstheorie basieren, liegt
jedoch ein Problem insofern vor, als zum Zeitpunkt der Ge
schwindigkeits- oder Drehzahlrücknahme, bei dem der Druck in
dem Ansaugrohr erheblich absinkt, die Verbrennung aufgrund
von einer Verringerung der Flammgeschwindigkeit unstabil
wird, so daß ein leichter Fehlzündungs-Zustand entsteht, wo
durch sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis ändert. In diesem
Falle neigt die Steuervorrichtung dazu, auf die Variationen
oder Schwankungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses schnell
anzusprechen, so daß ein Korrekturkoeffizient FAF für das
Verhältnis starkt schwankt und im Ergebnis den Variationen
im Luft/Brennstoff-Verhältnis vorauseilt, so daß die Steuer
barkeit oder Regelbarkeit insgesamt zum Zeitpunkt einer Ge
schwindigkeitsrücknahme verschlechtert wird. Dieser Sachver
halt ist in der Fig. 6 der beiliegenden Zeichnung veran
schaulicht.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur
Verwendung in einem Verbrennungsmotor zu schaffen, welche in
der Lage ist, das Luft/Brennstoff-Verhältnis korrekt zu
steuern, indem das Voreilen der Luft/Brennstoff-Verhältnis-
Variation während des Zeitpunktes der Geschwindigkeitsrück
nahme verhindert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 bzw. 6 bzw. 8 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung er
geben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Eine Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor zeichnet sich ge
mäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung aus
durch mengengesteuerte Berechnungsvorrichtungen zum Festset
zen eines optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage
eines vorherbestimmten dynamischen Modelles des Motors und
zum Berechnen einer gesteuerten Mengeabhängigkeit von dem
vorherbestimmten optimalen Rückkopplungsfaktor, so daß das
tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel-
Luft/Brennstoff-Verhältnis wird; Bestimmungsvorrichtungen
zum Bestimmen einer Brennstoffzufuhrmenge an den Motor auf
der Grundlage der berechneten gesteuerten Menge; Erkennungs
vorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlredu
zierung des Motors; und Unterdrückungsvorrichtungen zum Un
terdrücken einer Steuerverantwortlichkeit der Berechnungs
vorrichtungen in Antwort auf die Erkennung des Zustandes ab
nehmender Drehzahl des Motors.
Vorzugsweise bestimmen die Bestimmungsvorrichtungen für die
Brennstoffzufuhrmenge diese Brennstoffzufuhrmenge auf der
Grundlage einer Grundzufuhrmenge von Brennstoff, welche dem
Motor zuzuführen ist und der geregelten oder gesteuerten
Menge, welche durch die Berechnungsvorrichtungen berechnet
worden ist und die Unterdrückungsvorrichtungen für die
Steuerung beinhalten Schaltvorrichtungen für den Rückkopp
lungsfaktor, um den optimalen Rückkopplungsfaktor auf einen
Rückkopplungsfaktor mit geringer Ansprech- oder Reaktions
zeit umzuschalten. Besonders bevorzugt beinhalten die Unter
drückungsvorrichtungen Steuer-Schaltvorrichtungen zum Schal
ten des Steuervorganges aufgrund der Berechnungsvorrichtun
gen in einen PI-Regelzustand und die Steuervorrichtungen be
inhalten weiterhin Schaltvorrichtungen für ein Ziel-
Luft/Brennstoff-Verhältnis, um dieses Zielverhältnis bezüg
lich eines theoretischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf
eine magere Seite umzuschalten.
Eine Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor zeichnet sich ge
mäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung aus
durch Erkennungsvorrichtungen zur Erkennung eines tatsächli
chen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zuzufüh
renden Gemisches; Setzvorrichtungen zum Festsetzen eines
Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Motors; erste Korrek
turkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Festsetzen eines
ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage ei
nes vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors und zum
Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffi
zienten in Abhängigkeit von dem festgesetzten optimalen
Rückkopplungsfaktor, so daß das momentane Luft/Brennstoff-
Verhältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der
Drehzahlreduzierung des Motors; zweite Korrekturkoeffizient-
Berechnungsvorrichtungen zum Bestimmen eines zweiten optima
len Rückkopplungsfaktors mit einer Verantwortlichkeit unter
derjenigen des ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der
Grundlage des vorherbestimmten dynamischen Modelles in Ant
wort auf eine Erkennung des Geschwindigkeitsabnahmezustandes
des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhält
nis-Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von dem zweiten
optimalen Rückkopplungsfaktor, so daß das tatsächliche
Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-
Verhältnis wird; und Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen
einer dem Motor zuzuführenden Brennstoffmenge auf der Grund
lage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffizienten, der durch
die ersten oder zweiten Korrekturkoeffizient-Berechnungsvor
richtungen berechnet wurde.
Eine Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor zeichnet sich ge
mäß eines dritten Aspektes der vorliegenden Erfindung aus
durch Erkennungsvorrichtungen zur Erkennung eines tatsächli
chen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zuzufüh
renden Gemisches; Setzvorrichtungen zum Festsetzen eines
Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Motors; ersten Kor
rekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Festsetzen
eines ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grund
lage eines vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors
und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrek
turkoeffizienten in Abhängigkeit von dem festgesetzten opti
malen Rückkopplungsfaktor, so daß das momentane
Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-
Verhältnis wird; Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines
Zustandes der Drehzahlreduzierung des Motors; zweite Korrek
turkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Bestimmen eines
Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten unter ei
ner PI-Steuerung in Abhängigkeit von dem Erkennen eines Zu
standes der Drehzahlreduzierung des Motors, so daß das
tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel-
Luft/Brennstoff-Verhältnis wird; und Bestimmungsvorrichtun
gen zum Bestimmen einer dem Motor zuzuführenden Brennstoff
menge auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffi
zienten, der durch die ersten oder zweiten Berechnungsvor
richtungen berechnet wurde.
Dies bedeutet, daß zu einer normalen Zeit das
Luft/Brennstoff-Verhältnis abhängig von einem ersten optima
len Rückkopplungsfaktor gesteuert wird, der auf der Grund
lage eines dynamischen Modelles vorhergesagt worden ist, um
dem Ansprechverhalten entsprechende Gewichtung zu geben. An
dererseits wird während des Zeitpunktes der Zurücknahme der
Motordrehzahl die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnis
ses abhängig von einem zweiten optimalen Rückkopplungsfaktor
durchgeführt, dessen Ansprechverhalten unterhalb demjenigen
des ersten optimalen Rückkopplungsfaktors liegt oder aber
die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung wird von der moder
nen Steuerung auf die PI-Steuerung umgeschaltet. Somit ist
es möglich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis stabil an ein
Ziel-Verhältnis hinzusteuern ungeachtet von Änderungen des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses aufgrund von Fehlzündungen
während der Rücknahme der Motordrehzahl.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der gesamten Anordnung einer
Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Ver
hältnis gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm der Luft/Brennstoff-Verhält
nis-Steuerung alleine;
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Steuervor
ganges gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung, wie in der er
sten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrektur berech
net wird;
Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeits
weise einer Steuervorrichtung für das
Luft/Brennstoff-Verhältnis gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 eine grafische Darstellung zur Beschreibung ei
ner bekannten Steuervorrichtung für das
Luft/Brennstoff-Verhältnis.
In der nachfolgenden Beschreibung wird "Steuervorrichtung
für das Luft/Brennstoff-Verhältnis" mit "Verhältnis-Steuer
vorrichtung" abgekürzt und "Luft/Brennstoff-" wird mit "Ge
misch-" abgekürzt.
Fig. 1 zeigt eine Verhältnis-Steuervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung
mit einem Verbrennungsmotor oder Motor allgemein, der in
Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. In Fig. 1 sei
der Motor 10 ein Vierzylinder-Viertaktmotor mit Zündkerzen
zündung und Ansaugluft wird von der stromaufwärtigen Seite
über einen Luftfilter 11, eine Ansaugleitung 12, eine Dros
selklappe 13, einen Ansaugtank oder eine Ansaugkammer 14 und
eine entsprechende Ansaugleitung-Verzweigungsanordnung 15
den jeweiligen Motorzylindern zugeführt. Weiterhin wird
Brennstoff oder Treibstoff von einem nicht dargestellten
Treibstofftank unter Druck gefördert und Einspritzventilen
16a, 16b, 16c und 16d zugeführt, welche in der Verzweigungs
anordnung 15 vorgesehen sind. Weiterhin ist an dem Motor 10
ein Verteiler 19 zur Verteilung eines Hochspannungsignales
von einem Zündschaltkreis 17 an Zündkerzenstecker 18a, 18b,
18c und 18d in den jeweiligen Zylindern, ein Drehzahlsensor
30 im Verteiler 19 zur Erfassung der Drehzahl Ne des Motors
10, ein Drosselsensor 31 zur Erfassung des Öffnungsgrades TH
der Drosselklappe 13, ein Ansaugdrucksensor 32 zur Erfassung
des Ansaugdruckes PM an der stromabwärtigen Seite der Dros
selklappe 13, ein Kühlwassertemperatursensor 33 zur Erfas
sung der Temperatur Thw des Kühlwasser des Motors 10 und ein
Ansaugluft-Temperatursensor 34 zur Erfassung der Ansaugluft
temperatur Tam vorgesehen. Der erwähnte Drehzahlsensor 30
ist so angeordnet, daß er einem Zahnkranz oder dergleichen
gegenüberliegt, der synchron mit einer Kurbelwelle des Mo
tors 10 dreht, so daß ein Impulssignal mit 24 Impulsen pro
zwei Umdrehungen des Motors 10, d. h. bei jedem 720° CA (CA
= crank angle = Kurbelwellenwinkel) proportional zur Dreh
zahl Ne ausgegeben wird. Der Drosselklappensensor 31 erzeugt
ein Analogsignal entsprechend dem Drosselklappenöffnungsgrad
TH und weiterhin ein Ein-Aus-Signal von einem Leerlaufschal
ter zur Erfassung der Tatsache, daß die Drosselklappe 13 im
wesentlichen den voll-geschlossen-Zustand einnimmt.
Weiterhin ist in einer Auslaß- oder Abgasleitung des Motors
10 ein Katalysator 38 zur Verringerung schädlicher Abgaskom
ponenten (beispielsweise CO, HC, NOx) vorgesehen. Auf der
stromaufwärtigen Seite des Katalysators 38 ist ein Sensor 36
für das Gemischverhältnis vorgesehen, der ein erster Sauer
stoffkonzentrations-Sensor ist zur Ausgabe eines linearen
Detektionssignales entsprechend dem Gemischverhältnis λ des
Gemisches, welches dem Motor 10 zugeführt wird und an der
stromabwärtigen Seite des Katalysators 38 ist ein O2-Sensor
37 vorgesehen, der ein zweiter Sauerstoff-Konzentrationssen
sor ist zur Ausgabe eines Detektionssignals, das anzeigt, ob
das Gemischverhältnis λ des dem Motor 10 zugeführten Gemi
sches in dem angereicherten oder dem abgemagerten Zustand
ist bezüglich eines theoretischen Gemischverhältnisses λo.
Eine elektronische Steuereinheit 20, welche als arithmeti
sche und logische Recheneinheit arbeitet, umfaßt im wesent
lichen in bekannter Weise eine CPU 21, ein ROM 22, ein RAM
23, ein back up-RAM 24 und dergleichen, welche untereinander
und mit einem Eingangsport 25 mittels eines Bus 27 verbunden
sind, um die Ausgangssignale der oben erwähnten Sensoren zu
empfangen und weiterhin mit einem Ausgangsport 26 zur Aus
gabe von Steuersignalen an Stellglieder. Die elektronische
Steuereinheit 20 empfängt Daten bezüglich des Ansaugdruckes
PM, der Ansauglufttemperatur Tam, des Drosselklappen-Öff
nungsgrades TH, der Kühlwassertemperatur Thw, des Gemisch
verhältnisses λ, der Drehzahl Ne und dergleichen über den
Eingangsport 25 und berechnet eine Brennstoffeinspritzmenge
TAU und ein Zündzeitverhalten oder einen Zündzeitpunkt 1g
auf der Grundlage der eingegebenen Daten, um Ausgangssteuer
signale über den Ausgangsport 26 an die Einspritzventile 16a
bis 16d bzw. den Zündschaltkreis 17 auszugeben.
Nachfolgend wird die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhält
nisses erläutert. Zur Durchführung dieser Steuerung wird
vorab die elektronische Steuereinheit 20 in geeigneter Art
und Weise ausgebildet oder ausgelegt. Die Auslegung der
elektronischen Steuereinheit 20 ist beispielsweise in der
eingangs erwähnten JP-OS 1-1 10 853 näher beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein auto-regressi
ves Modell mit sich bewegendem Durchschnitt (auto-regressive
moving-average model) mit der Modellordnung von 1 und einer
Totzeit P (P = 3) für das Modell des Systems zur Steuerung
des Gemischverhältnisses λ verwendet und die Annäherung wird
gemacht unter Inbetrachtziehung einer Störgröße d. Zunächst
kann das Modell des Systems unter Verwendung des auto-re
gressiven Modells mit beweglichem Durchschnitt zur Steuerung
des Gemischverhältnisses λ wie folgt angenähert werden:
λ(k) = a · λ(k-1) + b · FAF(k-3) (1)
wobei λ das Gemischverhältnis ist, FAF einen Gemischverhält
nis-Korrekturkoeffizienten darstellt, a und b Konstanten
sind und k eine Variable ist, welche die Anzahl von Zeiten
anzeigt, zu denen die Steuerung nach dem anfänglichen Ab
tastbeginn durchgeführt wird.
Wenn weiterhin die Störgröße d in Betracht gezogen wird,
kann das Modell dem Steuersystem wie folgt angenähert wer
den:
λ(k) = a · λ(k-1) + b · FAF(k-3) + d(k-1) (2)
Bezüglich des so angenäherten Modelles ist es einfach, die
Diskretisierung mit der Drehzahlperiode (360° CA) unter Ver
wendung der Sprungantwort durchzuführen, um die Konstanten a
und b zu bestimmen, d. h. um die Übergangsfunktion G des Sy
stems zur Steuerung des Mischungsverhältnisses λ zu erhal
ten.
Die obige Gleichung (2) läßt sich unter Verwendung der Zu
standsvariablen
IX (k) = [X₁(k), X₂(k), X₃(k), X₄(k)T]T (3)
neu schreiben, wobei T die transponierte Matrix darstellt:
X₁(K+1) = aX₁(K) + bX₂(K) + d(K) = λ(K+1)
X₂(K+1) = FAF(K-2)
X₃(K+1) = FAF(K-1)
X₄(K+1) = FAF(K) (5)
X₂(K+1) = FAF(K-2)
X₃(K+1) = FAF(K-1)
X₄(K+1) = FAF(K) (5)
Im Falle der Auslegung des Reglers im Sinne der obigen Glei
chung (3) und (4) ergibt sich der optimale Rückkopplungsfak
tor IK (wobei IK eine Vektorquantität ist) wie folgt:
Unter Verwendung von IK = [K₁, K₂, K₃, K₄] und der zustands variablen Quantität
Unter Verwendung von IK = [K₁, K₂, K₃, K₄] und der zustands variablen Quantität
IXT(k) = [λ(k), FAF(k-3), FAF(k-2), FAF(k-1)] (6)
FAF(k) = IK · IXT(k) = K₁ · λ(k) + K₂ · FAF(k-3) + K₃ · FAF(k-2) + K₄ · FAF(k-1) (7)
Weiterhin wird ein integraler Term Z₁(k) wie folgt hinzuad
diert, um den Fehler zu absorbieren:
FAF(k) = K₁ · λ(k) + K₂ · FAF(k-3) + K₃ · FAF(k-2) + K₄ · FAF(k-1) + Z₁(k) (8)
Somit ist es möglich, das Gemischverhältnis λ und den Kor
rekturkoeffizienten FAF zu erhalten.
Hierbei wird der integrale Term Z₁(k) auf der Grundlage der
Abweichung zwischen einem Ziel-Gemischverhältnis λTG und
dem tatsächlichen Gemischverhältnis λ(k) und einer ganzzah
ligen Konstanten Ka gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:
Z₁(k) = Z₁(k-1) + Ka · (λTG-λ(k)) (9)
Fig. 2 ist ein Blockdiagranm des erwähnten modell-designten
Systems zur Steuerung des Gemischverhältnisses λ. In Fig. 2
ist dargestellt, wie unter Verwendung der Z-1-Transformation
der Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizient FAF(k) aus FAF(k-
1) erhalten wird, während der vergangene Gemischverhältnis-
Korrekturkoeffizient (FAF(k-1) vorher in dem RAM 23 spei
chert und zum nächsten Steuerzeitpunkt ausgelesen wird. In
Fig. 2 ist der strichpunktiert eingerahmte Block P1 ein Ab
schnitt zur Bestimmung der Zustandsvariablen-Quantität IX(k)
in dem Zustand, in dem das Gemischverhältnis λ rückkopp
lungs-gesteuert auf das Ziel-Gemischverhältnis λTG wird,
ein Block P2 bedeutet einen Abschnitt (Sammelabschnitt) zum
Erhalten des integralen Terms Z1(k) und ein Block P3 stellt
einen Abschnitt dar zur Berechnung des vorliegenden Gemisch
verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF(k) auf der Grundlage
der zustandsvariablen Quantität IX(k) aus dem Block P1 und
dem integralen Term Z1(k) aus dem Block P2.
Der optimale Rückkopplungsfaktor IK und die Integralkon
stante Ka können beispielsweise durch Minimierung der Ziel
funktion J gemäß nachfolgender Gleichung festgesetzt werden:
J = Σ {Q(λ(k) - λTG)² + R(FAF(k) - FAF(k-1))²} (k = 0 to CO) (10)
Hier ist die Zielfunktion J zum Begrenzen der Variation des
Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF(k), um die Ab
weichung zwischen dem Gemischverhältnis λ(k) und dem Ziel-
Gemischverhältnis λTG zu minimieren und die Gewichtung der
Begrenzung bezüglich des Gemischverhältnis-Korrekturkoeffi
zienten FAF(k) kann abhängig von den Werten der Gewichtungs
parameter Q und R geändert werden. Demzufolge kann eine Si
mulation wiederholt durchgeführt werden, indem die Werte der
Gewichtungsparameter Q und R geändert werden, bis die opti
malen Steuercharakteristiken erhalten worden sind, so daß
der optimale Rückkopplungsfaktor IK und die Integralkon
stante Ka bestimmt worden sind.
Der optimale Rückkopplungsfaktor IK und die Integralkon
stante Ka hängen weiterhin von den Modellkonstanten a und b
ab. Um somit die Systemstabilität oder Robustheit gegenüber
Variationen, d. h. Parameterschwankungen des System zur
Steuerung des aktuellen Gemischverhältnisses λ sicherzustel
len, müssen der optimale Rückkopplungsfaktor IK und die In
tegralkonstante Ka so ausgelegt werden, daß ein Schätzwert
der Variationen der Modellkonstanten k und b herangezogen
wird. Die Simulation wird von daher durch Einbringen der
tatsächlich möglichen Variationen der Modellkonstanten a und
b durchgeführt, wodurch der optimale Rückkopplungsfaktor IK
und die Integralkonstante Ka so bestimmt werden können, daß
die Stabilität erfüllt ist.
Die Beschreibung bisher erfolgte anhand von 1) Modellieren
des zu steuernden Objektes, 2) Indikationsverfahren der zu
standsvariablen Quantität, 3) Design des Reglers und 4) Be
stimmung des optimalen Rückkopplungsfaktors und der Inte
gralkonstante; diese vier Faktoren sind jedoch vorab be
stimmt und die elektronische Steuereinheit 20 führt die
Steuerung auf der Grundlage der Ergebnisse, d. h. abhängig
von den obigen Gleichungen (7) und (8), durch.
Unter Bezugnahme auf die Flußdiagramme von Fig. 3 und 4 wird
nachfolgend die Gemischverhältnis-Steuerung oder -Regelung
näher erläutert. Fig. 3 zeigt den Ablauf zum Festsetzen ei
ner Brennstoffeinspritzmenge TAU, der synchron mit der Um
drehung (pro 360° CA) durchgeführt wird. Gemäß Fig. 3 be
ginnt der Programmablauf mit einem Schritt 101, in dem eine
Grund-Einspritzmenge Tp abhängig vom Ansaugdruck PM, der
Drehzahl Ne und dergleichen berechnet wird. In einem nach
folgenden Schritt 102 wird der Gemischverhältnis-Korrektur
koeffizient FAF so gesetzt, daß das Gemischverhältnis
gleich dem Ziel-Gemischverhältnis λTG wird, wie nachfolgend
noch näher erläutert werden wird. In einem weiteren Schritt
103 wird die Grund-Einspritzmenge Tp auf der Grundlage des
Korrekturkoeffizienten FAF und eines weiteren Korrekturkoef
fizienten FALL gemäß der nachfolgenden Gleichung korrigiert,
um eine Brennstoffeinspritzmenge TAU festzusetzen.
TAU = FAF × Tp × FALL (11)
Betriebssignale entsprechend der Brennstoffeinspritzmenge
TAU werden entsprechend festgesetzt und den Einspritzventi
len 16a bis 16d zugeführt.
In Fig. 4 ist ein Schritt 201 vorgesehen, in dem überprüft
wird, ob die Rückkopplungsbedingung des Brennstoffverhält
nisses λ erfüllt ist. Die Rückkopplungsbedingung bedeutet
hier, daß die Kühlwassertemperatur Thw oberhalb eines be
stimmten Wertes liegt, die Belastung nicht hoch ist, die
Drehzahl nicht hoch ist und dergleichen mehr. Wenn die Rück
kopplungsbedingung nicht erfüllt ist, wird ein Schritt 217
durchgeführt, indem der Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizi
ent FAF auf "1" gesetzt wird, gefolgt von einem Schritt 218,
in dem ein Entscheidungsflag F1 auf "1" gesetzt wird, wo
durch die Rückkopplungssteuerung nicht durchgeführt wird,
sondern die Brennstoffeinspritzmenge TAU mittels offener
Steuerung gesetzt wird. Wenn andererseits die Rückkopplungs
bedingung erfüllt ist, folgt ein Schritt 202, wo auf der
Grundlage von Änderungen des Ansaugdruckes, des Leerlauf
schalters oder dergleichen überprüft wird, ob der Motor 10
im Zustand der Geschwindigkeitsrücknahme oder im Zustand ab
sinkender Geschwindigkeit bzw. Drehzahl ist oder nicht. Wenn
der Geschwindigkeitsrücknahme-Zustand vorliegt, folgt ein
Schritt 203, um ein Ziel-Gemischverhältnis λTG zu setzen.
Das Ziel-Gemischverhältnis wird normalerweise auf "1" ge
setzt (theoretisches Gemischverhältnis) und auf die angerei
cherte Seite abhängig vom Betriebszustand gesetzt (zum Zeit
punkt der Beschleunigung).
In einem Schritt 204 wird nachfolgend überprüft, ob die vor
hergehende Rückkopplungsbedingung nicht erfüllt ist, so daß
die offene Steuerung durchgeführt wird, d. h., es wird über
prüft, ob das Entscheidungsflag F1, welches noch erläutert
werden wird, auf "1" gesetzt ist. Wenn dieses Entscheidungs
flag F1 auf "1" gesetzt ist, d. h., wenn zur vorhergehenden
Zeit die offene Steuerung durchgeführt worden ist, folgt ein
Schritt 206, um den optimalen Rückkopplungsfaktor auf ein
bestimmtes IKN(1 2, 3, 4, A) zu setzen, gefolgt von einem
Schritt 207, um ein Entscheidungsflag F2 durch den Rückkopp
lungsfaktor auf "0" zu setzen. Ein Schritt 208 wird durchge
führt, um den Anfangswert ZIIN des Integralterms gemäß der
nachfolgenden Gleichung zu berechnen:
ZIIN = 1 + K₂ + K₃ + K₄ - K₁ · λ(K) (12)
wobei λ(K) ein Gemischverhältnis ist.
Diese Gleichung (12) ist zum Erhalten von ZIIN durch Durch
führung der Invers-Berechnung einer FAF-Gleichung in einem
Schritt 210.
Hier wird der optimale Rückkopplungsfaktor IKN dadurch be
stimmt, daß der Verantwortung (responsibility) Gewichtung
hinzugefügt wird, indem Q/R der Zielfunktion J auf 1/10 ge
setzt wird. Da weiterhin ein optimaler Rückkopplungsfaktor
IKDC, der nachfolgend beschrieben werden wird, dadurch be
stimmt wird, daß Q/R der Zielfunktion Y auf 1/5 gesetzt
wird, ist der optimale Rückkopplungsfaktor IKDC in seiner
Verantwortlichkeit geringer als der optimale Rückkopplungs
faktor IKN.
In dem Fall, daß die Entscheidung im Schritt 204 ergibt, daß
die vorliegende Steuerung nicht die offene Steuerung ist, d.
h., wenn F1 = 0, folgt ein Schritt 205, in dem überprüft
wird, ob es nötig ist, den optimalen Rückkopplungsfaktor IK
zu schalten, d. h., es wird abhängig von dem Entscheidungs
flag F2 überprüft, ob der vorhergehende optimale Rückkopp
lungsfaktor IKN ist oder nicht. Wenn im Schritt 202 der Zu
stand der Geschwindigkeits- oder Drehzahlrücknahme entschie
den wird, und der optimale Rückkopplungsfaktor auf IKDC ge
setzt wird (F2 ist "1"), da der vorhandene optimale Rück
kopplungsfaktor auf IKN geschaltet werden muß, wird der
Schritt 206 durchgeführt, um den optimalen Rückkopplungsfak
tor auf IKN zu setzen, wonach der Schritt 207 ausgeführt
wird, um den Anfangswert ZIIN des Integralterms zu berech
nen, gefolgt von einem Schritt 209. Wenn weiterhin die Ent
scheidung im Schritt 205 so ist, daß die vorhergehende
Steuerung die Rückkopplungssteuerung ist und sowohl der vor
handene optimale Rückkopplungsfaktor als auch der vorherge
hende optimale Rückkopplungsfaktor IKN sind (F2 = 0), werden
die Schritte 206 bis 208 übersprungen, so daß dem Schritt
205 direkt der Schritt 209 folgt.
Im Schritt 209 wird der integrale Term ZI(K) gemäß der nach
folgenden Gleichung berechnet:
ZI(K) = ZI(K-1) + KA × (λ(K)-λTG) (13)
Nachfolgend wird ein Schritt 210 durchgeführt, in dem der
Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizient FAF abhängig von der
nachfolgenden Gleichung berechnet wird:
FAF(K) = ZI(K) + K₁ · λ(K)-K₃ · FAF(K-2) - K₄ · FAF(K-3) (14)
Danach folgt ein Schritt 211, in dem das Entscheidungsflag
F1 für die offene Steuerung auf "0" gesetzt wird und der
Programmablauf wird beendet.
Wenn andererseits im Schritt 202 die Entscheidung getroffen
wird, daß der Motor 10 im Zustand zurückgehender Geschwin
digkeit oder Drehzahl ist, geht das Programm zum Schritt
217, um ein Ziel-Gemischverhältnis λTG zu setzen. Zu dieser
Zeit wird das Ziel-Gemischverhältnis λTG bezüglich des
theoretischen Gemischverhältnisses (λ = 1) auf die magere
Seite gesetzt. Ein Schritt 213 wird dann durchgeführt, um zu
überprüfen (abhängig von dem Entscheidungsflag F1), ob die
Rückkopplungsbedingung nicht erfüllt ist, sondern zur vor
hergehenden Zeit die offene Steuerung durchgeführt wurde.
Wenn die Entscheidung hinsichtlich einer offenen Steuerung
gefällt worden ist (F1 = 1), folgt ein Schritt 215, in dem
der optimale Rückkopplungsfaktor auf IKDC (1, 2, 3, 4, A) ge
setzt wird. Hier wird IKDC auf einen Wert gesetzt, wodurch
die Ansprechgeschwindigkeit im Vergleich zu IKN geringer
ist.
In einem Schritt 216 wird das Entscheidungsflag F2 für den
Rückkopplungsfaktor auf "1" gesetzt und der Anfangswert des
Integralterms wird dann in dem oben erwähnten Schritt 208
gesetzt, gefolgt von den Schritten 209 und 210, um den Ge
mischverhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF zu berechnen.
Wenn andererseits die Entscheidung im Schritt 213 ist, daß
keine offene Steuerung stattfindet (F1 = 0), wird ein
Schritt 214 durchgeführt, um zu überprüfen (abhängig von dem
Entscheidungsflag F2), ob der vorhergehende optimale Rück
kopplungsfaktor IKDC ist. Wenn kein Geschwindigkeits- oder
Drehrücknahmezustand vorliegt und der vorliegende optimale
Rückkopplungsfaktor auf IKN gesetzt ist (F2 = 0), wird der
Schritt 215 durchgeführt, um den optimalen Rückkopplungsfak
tor auf IKDC umzuschalten und damit darauf festzusetzen. Da
nach wird im Schritt 216 das Entscheidungsflag F2 auf "1"
gesetzt und im Schritt 208 wird der Anfangswert des Inte
gralterms berechnet, gefolgt von den oben erwähnten Schrit
ten 209 und 210, um den Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizi
enten FAF zu berechnen. In dem Fall, in dem im Schritt 214
zur vorhergehenden Zeit der Geschwindigkeits- oder Drehzahl
rückgangzustand erfolgt und der optimale Rückkopplungsfaktor
auf IKDC gesetzt wird (F2 = 1), werden die Schritte 215, 216
und 208 übersprungen, um direkt die Schritte 209 und 210
durchzuführen, um den Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizien
ten FAF zu berechnen. Dann wird der Programmablauf beendet.
Unter Bezug auf Fig. 5 wird nachfolgend eine weitere Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei sich
die Berechnungsmethode des Gemischverhältnis-Korrekturkoef
fizienten FAF von der bereits beschriebenen ersten Ausfüh
rungsform unterscheidet. Das Berechnungsverfahren (Schritte
201 bis 211) des Gemischverhältnis-Korrekturkoeffizienten
FAF im Falle des Nichtvorliegens einer Geschwindigkeitsrück
nahme und der Nichterfüllung der Rückkopplungsbedingung ist
die gleiche wie in der ersten Ausführungsform, so daß eine
nochmalige Beschreibung hiervon nicht erfolgt. Wenn im Falle
der Geschwindigkeitsrücknahme die Entscheidung im Schritt
202 bejahend ist, folgt ein Schritt 310, um das Ziel-Ge
mischverhältnis λTG zu setzen. Hierbei wird das Ziel-Ge
mischverhältnis λTG bezüglich des theoretischen Gemischver
hältnisses auf die magere Seite gesetzt. Nachfolgend wird
ein Schritt 311 durchgeführt, um den Gemischverhältnis-Kor
rekturkoeffizienten FAF gemäß der nachfolgenden Gleichung
(sogenannte PI-Regelung) zu berechnen:
FAF(K) = 1 + Ki · (λ(K)-λTG) (15)
Hierbei ist λ(K) das Gemischverhältnis, Ki eine integrale
Konstante und λTG das Ziel-Gemischverhältnis.
Weiterhin wird in dem Fall, in dem die Rückkopplungsbedin
gung nicht erfüllt ist, der Gemischverhältnis-Korrekturkoef
fizient FAF wie in der oben beschriebenen ersten Ausfüh
rungsform auf 1 gesetzt. Die Einspritzmenge TAU wird dann
unter Verwendung des so berechneten Gemischverhältnis-Kor
rekturkoeffizienten FAF berechnet.
Claims (9)
1. Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, gekennzeich
net durch:
mengengesteuerte Berechnungsvorrichtungen zum Festset zen eines optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grund lage eines vorherbestimmten dynamischen Modelles des Motors und zum Berechnen einer gesteuerten Mengeabhän gigkeit von dem vorherbestimmten optimalen Rückkopp lungsfaktor, so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff- Verhältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen einer Brenn stoffzufuhrmenge an den Motor auf der Grundlage der be rechneten gesteuerten Menge;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors; und
Unterdrückungsvorrichtungen zum Unterdrücken einer Steuerverantwortlichkeit der Berechnungsvorrichtungen in Antwort auf die Erkennung des Zustandes abnehmender Drehzahl des Motors.
mengengesteuerte Berechnungsvorrichtungen zum Festset zen eines optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grund lage eines vorherbestimmten dynamischen Modelles des Motors und zum Berechnen einer gesteuerten Mengeabhän gigkeit von dem vorherbestimmten optimalen Rückkopp lungsfaktor, so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff- Verhältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen einer Brenn stoffzufuhrmenge an den Motor auf der Grundlage der be rechneten gesteuerten Menge;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors; und
Unterdrückungsvorrichtungen zum Unterdrücken einer Steuerverantwortlichkeit der Berechnungsvorrichtungen in Antwort auf die Erkennung des Zustandes abnehmender Drehzahl des Motors.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bestimmungsvorrichtungen die Brennstoffzufuhr
menge auf der Grundlage einer Grundzufuhrmenge des dem
Motor zuzuführenden Brennstoffes und der gesteuerten
Menge von den Berechnungsvorrichtungen bestimmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterdrückungsvorrichtungen Rückkopplungsfak
tor-Schaltvorrichtungen aufweisen zum Umschalten des
optimalen Rückkopplungsfaktors auf einen Rückkopplungs
faktor mit geringerer Verantwortlichkeit.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterdrückungsvorrichtungen Steuerschaltvor
richtungen aufweisen zum Schalten des Steuervorganges
aufgrund der Berechnungsvorrichtungen in einen PI-Steu
ervorgang.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet
durch Schaltvorrichtungen zum Schalten des Ziel-
Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf eine magere Seite be
züglich eines theoretischen Luft/Brennstoff-Verhältnis
ses.
6. Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, gekennzeich
net durch:
Erkennungsvorrichtungen zur Erkennung eines tatsächli chen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zu zuführenden Gemisches;
Setzvorrichtungen zum Festsetzen eines Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Motors;
erste Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Festsetzen eines ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage eines vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von dem festgesetzten optimalen Rückkopp lungsfaktor, so daß das momentane Luft/Brennstoff-Ver hältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors;
zweite Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Bestimmen eines zweiten optimalen Rückkopplungsfak tors mit einer Verantwortlichkeit unter derjenigen des ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage des vorherbestimmten dynamischen Modelles in Antwort auf eine Erkennung der Drehzahlabnahme des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrek turkoeffizienten in Abhängigkeit von dem zweiten opti malen Rückkopplungsfaktor, so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
und Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen einer dem Motor zuzuführenden Brennstoffmenge auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffizienten, der durch die ersten oder zweiten Korrekturkoeffizient-Berechnungs vorrichtungen berechnet wurde.
Erkennungsvorrichtungen zur Erkennung eines tatsächli chen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zu zuführenden Gemisches;
Setzvorrichtungen zum Festsetzen eines Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Motors;
erste Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Festsetzen eines ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage eines vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von dem festgesetzten optimalen Rückkopp lungsfaktor, so daß das momentane Luft/Brennstoff-Ver hältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors;
zweite Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Bestimmen eines zweiten optimalen Rückkopplungsfak tors mit einer Verantwortlichkeit unter derjenigen des ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage des vorherbestimmten dynamischen Modelles in Antwort auf eine Erkennung der Drehzahlabnahme des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrek turkoeffizienten in Abhängigkeit von dem zweiten opti malen Rückkopplungsfaktor, so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
und Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen einer dem Motor zuzuführenden Brennstoffmenge auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffizienten, der durch die ersten oder zweiten Korrekturkoeffizient-Berechnungs vorrichtungen berechnet wurde.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch
Schaltvorrichtungen zum Schalten des Ziel-
Luft/Brennstoff-Verhältnisses bezüglich eines theoreti
schen Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf die magere
Seite, wenn der Drehzahlabnahme-Zustand des Motors er
kannt wird.
8. Steuervorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, gekennzeich
net durch:
Erkennungsvorrichtungen zur Erkennung eines tatsächli chen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zu zuführenden Gemisches;
Setzvorrichtungen zum Festsetzen eines Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Motors;
erste Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Festsetzen eines ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage eines vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von dem festgesetzten optimalen Rückkopp lungsfaktor, so daß das momentane Luft/Brennstoff-Ver hältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors;
zweite Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Bestimmen eines Korrekturkoeffizienten unter einer PI-Steuerung in Antwort auf eine Erkennung des Dreh zahlabnahme-Zustandes des Motors, so daß das tatsächli che Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
und Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen einer dem Motor zuzuführenden Brennstoffmenge auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffizienten, der durch die ersten oder zweiten Korrekturkoeffizient-Berechnungs vorrichtungen berechnet wurde.
Erkennungsvorrichtungen zur Erkennung eines tatsächli chen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zu zuführenden Gemisches;
Setzvorrichtungen zum Festsetzen eines Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Motors;
erste Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Festsetzen eines ersten optimalen Rückkopplungsfaktors auf der Grundlage eines vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten in Abhängigkeit von dem festgesetzten optimalen Rückkopp lungsfaktor, so daß das momentane Luft/Brennstoff-Ver hältnis gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
Erkennungsvorrichtungen zum Erkennen eines Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors;
zweite Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen zum Bestimmen eines Korrekturkoeffizienten unter einer PI-Steuerung in Antwort auf eine Erkennung des Dreh zahlabnahme-Zustandes des Motors, so daß das tatsächli che Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnis wird;
und Bestimmungsvorrichtungen zum Bestimmen einer dem Motor zuzuführenden Brennstoffmenge auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffizienten, der durch die ersten oder zweiten Korrekturkoeffizient-Berechnungs vorrichtungen berechnet wurde.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch
Schaltvorrichtungen zum Schalten des Ziel-
Luft/Brennstoff-Verhältnisses bezüglich eines theoreti
schen Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf die magere
Seite, wenn der Drehzahlabnahme-Zustand des Motors er
kannt wird.
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