DE4140527C2 - Regelvorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Regelvorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis für einen Verbrennungsmotor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Verwendung in einem Verbren­ nungsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 4.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine derartige Regel-/Steuervorrichtung, mit der eine einzuspritzende Brennstoffmenge regelbar (bzw. steuerbar) 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 Regelungstheo­ rie (modern control theory) ist eine Regelvorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis so aufgebaut, daß ein dyna­ misches Modell eines Systems zur Regelung des Luft/Brenn­ stoff-Verhältnisses erzielt wird, indem ein auto-re­ gressives Modell angenähert wird, dessen Modellordnung 1 ist und eine Totzeit P beinhaltet (P = 0, 1, 2, . . .), wobei gleichzeitig Störungen mit in Betracht gezogen werden, wodurch ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerbetrag abhän­ gig von einer Zustandsvariablen-Quantität und einem optima­ len Rückkopplungsfaktor, welche auf der Grundlage des kon­ struierten dynamischen Modelles vorab bestimmt werden, festgelegt wird. Der optimale Rückkopplungsfaktor wird so bestimmt, daß Ansprechverhalten und Stabilität zueinander während den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen des Mo­ tors kompatibel sind.
Bei Regelungsvorrichtungen für das Luft/Brennstoff-Ver­ hältnis, welche auf der modernen Regelungstheorie basie­ ren, liegt jedoch ein Problem insofern vor, als zum Zeit­ punkt der Geschwindigkeits- oder Drehzahlrücknahme, bei dem der Druck in dem Ansaugrohr erheblich absinkt, die Verbren­ nung aufgrund einer Verringerung der Flammgeschwindigkeit unstabil wird, so daß ein leichter Fehlzündungs-Zustand entsteht, wodurch sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis ändert. In diesem Falle neigt die Regelvorrichtung dazu, auf die Variationen oder Schwankungen des Luft/Brenn­ stoff-Verhältnisses schnell anzusprechen, so daß ein Kor­ rekturkoeffizient für das Verhältnis stark schwankt und im Ergebnis den Variationen im Luft/Brennstoff-Verhältnis vor­ auseilt, so daß die Regelbarkeit (gegebenenfalls auch die Steuerbarkeit) insge­ samt zum Zeitpunkt einer Geschwindigkeitsrücknahme ver­ schlechtert wird. Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 6 der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht.
Die DE 26 47 517 zeigt eine Einrichtung zum Regeln der einer Brennkraftmaschine oder eines Motors für ein Fahrzeug zugeführten Brennstoffmenge mit einer Regelschaltung.
Hierbei stellt die Regelschaltung die zugeführte Brenn­ stoffmenge in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsgrößen ein. Ein zusätzlicher Abgassensorschaltkreis gibt in Abhän­ gigkeit von der Abgaszusammensetzung des Motors ein Rück­ kopplungssignal an die Regelschaltung zur Nachstellung der zugeführten Brennstoffmenge ab. Die Regelschaltung weist ferner eine Schubbetriebsdetektorschaltung zum Erkennen ei­ nes Schubbetriebs des Motors auf, wobei zu Beginn eines Schubbetriebs das tatsächliche Rückkopplungssignal, das zur Steuerung der Brennstoffmenge verwendet wird, in einer Si­ gnalspeichereinrichtung festgehalten wird (das Luft/Brenn­ stoff-Verhältnis wird festgehalten), solange bis der Schub­ betrieb beendet ist. Das bedeutet, die Regelschleife für die Brennstoffzufuhrmenge ist während des Schubbetriebs ge­ öffnet. Ferner wird die Brennstoffzufuhr abgeschaltet. Folglich wird vermieden, daß ein Korrekturkoeffizient in der rückgekoppelten Steuerung übermäßig groß wird, während die Brennstoffzufuhr abgeschaltet ist, was eine Beeinträch­ tigung bzw. Störung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur Folge hätte, wenn die Brennstoffzufuhr wieder gestartet wird.
Die Regelvorrichtung nach der DE 26 47 517 C2 basiert zwar somit nicht auf der modernen Steuerungs/Regelungs­ theorie, ist jedoch in der Lage, auf einen Zustand abneh­ mender Geschwindigkeit (Schubbetrieb) des Motors einzuge­ hen, indem das rückgekoppelte Signal des Luft/Brenn­ stoff-Verhältnisses eines Gemisches ausgesetzt wird (d. h. Öffnen des geschlossenen Regelkreises) und indem weiter die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird.
Die EP 312 835 A2, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, zeigt eine Regelvorrichtung für das Luft/Brenn­ stoff-Verhältnis zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, welche auf der Grundlage der modernen Regelungstheorie arbeitet. Ein tatsächliches Luft/Brennstoffverhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemisches, das dem Motor zugeführt wird, wird erfaßt. In einer Ein­ richtung, der das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis bereitgestellt wird, wird ein Steuergrößensignal berechnet, das wiederum an eine Brennstoffeinstellvorrichtung gesendet wird.
Die Brennstoffeinstellvorrichtung stellt das Verhältnis der Brennstoffzufuhrmenge für den Motor mittels eines Werts, der der tatsächlichen Zielsteuergröße entspricht, ein. Die Zielsteuergröße ist dabei so ausgelegt, daß das tatsächliche Luft/Brennstoffverhältnis bezüglich des Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnisses geregelt werden kann. Weiter­ hin ist ein Zustandsvariablen-Ausgabeabschnitt vorhanden, der mit einem Signal, das das tatsächliche Luft/Brennstoff- Verhältnis repräsentiert, und der Zielsteuergröße der Brennstoffeinstellvorrichtung gespeist wird. Der Zustands­ variablen-Ausgabeabschnitt erzeugt ein Signal basierend auf den Zustandsvariablen, die den internen Zustand des dynami­ schen Modells des Motors repräsentieren und sich im allge­ meinen aus dem tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis und der Steuergröße für die Brennstoffeinstellvorrichtung zu­ sammensetzen.
Zusammen mit dem Signal eines akkumulierten Differenz­ werts, das in einem Akkumulationsabschnitt erzeugt wird, wird das Signal des Zustandsvariablen-Ausgabeabschnitt in einen Berechnungsabschnitt zur Berechnung einer Steuergröße gespeist, der eine neue Zielsteuergröße auf der Grundlage von optimalen Rückkopplungsfaktoren, den Zustandsvariablen und des akkumulierten Differenzwerts berechnet. Hierbei hängen die optimalen Rückkopplungsfaktoren von Modellkon­ stanten in dem dynamischen Model ab und werden im Hinblick auf Stabilität eingestellt.
Die EP 312 835 A2 zeigt somit eine Regelvorrichtung auf der Grundlage der modernen Regelungstheorie, wo­ bei Rückkopplungsfaktoren im Hinblick auf Stabilität einge­ stellt werden. Jedoch tritt das Problem der Zunahme des Luft/Brennstoff-Verhältnisses während der Zeit der Ge­ schwindigkeitsabnahme nicht auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regel­ vorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Verwen­ dung in einem Verbrennungsmotor zu schaffen, welche in der Lage ist, das Luft/Brennstoff-Verhältnis korrekt zu regeln, indem die Zunahme der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Variation während des Zeitpunkts der Geschwindigkeitsrücknahme ver­ hindert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 bzw. 4 angegebenen Merkmale, wobei sich vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung aus den jeweiligen Unteransprüchen ergeben.
Allgemein gesagt, in der vorliegenden Erfindung wird der Rückkopplungsfaktor, der sich auf die rückgekoppelte Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Gemisches bezieht, verringert, wenn sich der Motor in einem Zustand abnehmender Drehzahl befindet (ungeachtet davon, ob die Brennstoffzufuhr unterbrochen ist oder nicht).
Die Verringerung des Rückkopplungsfaktors beugt hierbei dem Auftreten des folgenden Problems vor: in einem rückge­ koppelten Regelungssystem mit einem schnellen Ansprechver­ halten bzw. einer hohen Ansprechgeschwindigkeit verursacht dieses schnelle Ansprechverhalten größer werdende Variatio­ nen bezüglich des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, wenn der Rückkopplungsfaktor während des Zustand der Drehzahlabnahme nicht verringert wird, einem Zustand, bei dem die Verbren­ nung eines Gemisches dazu tendiert, unstabil zu werden, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis dazu tendiert, wesentlich zu variieren. In der vorliegenden Erfindung jedoch werden die Variationen bezüglich des Luft/Brennstoff-Verhältnisses da­ von abgehalten zuzunehmen, da der Rückkopplungsfaktor ver­ ringert wird, wenn der Motor verzögert wird.
Mit der Erfindung und deren Weiterbildung durch abhängige Ansprüche wird ferner erreicht, daß zu einer normalen Zeit das Luft/Brennstoff-Verhältnis abhängig von einem ersten opti­ malen Rückkopplungsfaktor gesteuert wird, der auf der Grundlage eines dynamischen Modelles vorhergesagt worden ist, um dem Ansprechverhalten entsprechende Gewichtung zu geben. Andererseits wird während des Zeitpunktes der Zurücknahme der Motordrehzahl die Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses abhängig von einem zweiten optimalen Rückkopplungsfaktor durchgeführt, dessen An­ sprechverhalten unterhalb demjenigen des ersten optimalen Rückkopplungsfaktors liegt oder aber die Luft/Brenn­ stoff-Verhältnis-Steuerung wird von der modernen Regelung auf die PI-Regelung umgeschaltet. Somit ist es möglich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis stabil an ein Ziel-Verhält­ nis hinzusteuern ungeachtet von Änderungen des Luft/Brenn­ stoff-Verhältnisses aufgrund von Fehlzündungen während der Rücknahme der Motordrehzahl.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
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. Dabei werden Begriffe laut ursprünglicher Offenbarung bei­ behalten, da sich deren Verständnis aus dem Gesamtzusammenhang ergibt und der Fachmann somit in der Lage ist, zu erkennen, was gegebenenfalls genormten Begriffen (vergl. z. B. DIN 19 226) bzw. verwendeten Begriffen der Ansprüche entsprechen würde.
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, 1% 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 λ0.
Eine elektronische Steuereinheit 20, welche als arithmeti­ sche und logische Recheneinheit arbeitet, umfaßt imn 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.
1) Modellieren des zu steuernden Objektes
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein autoregressi­ 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.
2) Verfahren zum Anzeigen der zustandsvariablen Quantität IX (IX zeigt die Vektorquantität an)
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)
3) Auslegung des Reglers
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 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 Blockdiagramm des erwähnten modellmäßig entworfenen 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.
4) Bestimmung des optimalen Rückkopplungsfaktors IK und der Integralkonstanten Ka
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 a 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) Anzeigeverfahren der zu­ standsvariablen Quantität, 3) Auslegung 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 einer 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, in dem 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 kein 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 bestimmt 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 Integralterm 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 212, 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 (5)

1. Regelvorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, mit:
einer Erkennungsvorrichtung (36, 37) zur Erkennung ei­ nes tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λ) eines dem Motor (10) zuzuführenden Gemisches;
einer Setzvorrichtung (20; 203, 212) zum Festsetzen eines Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λTG) des Motors (10);
einer Berechnungsvorrichtung (20) für eine gesteuerte Größe (FAF) zum Festsetzen (206) eines optimalen Rückkopp­ lungsfaktors (IK) auf der Grundlage eines vorherbestimmten dynamischen Modells des Motors (10) und zum Berechnen (210, 217) einer gesteuerten Größe (FAF) in Abhängigkeit mit dem vorherbestimmten optimalen Rückkopplungsfaktor (IK), so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis (λ) gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis (λTG) wird; und
einer Bestimmungsvorrichtung (20; 103) zum Bestimmen einer Brennstoffzufuhrmenge (TAU), die dem Motor auf der Grundlage der berechneten gesteuerten Größe (FAF) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung wei­ ter aufweist:
eine Erkennungsvorrichtung (30; 202) zum Erkennen ei­ nes Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors (10); und
eine Regelunterdrückungsvorrichtung (20; 215) zum Un­ terdrücken eines Regelansprechverhaltens der Berechnungs­ vorrichtung in Antwort auf die Erkennung des Zustandes ab­ nehmender Drehzahl des Motors, wobei die Regelunter­ drückungsvorrichtung eine Schaltvorrichtung (20; 215) für den Rückkopplungsfaktor (IK) aufweist, um den optimalen Rückkopplungsfaktor (IK) auf einen Rückkopplungsfaktor (IKDC) mit geringerem Ansprechverhalten umzuschalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bestimmungsvorrichtung (20; 103) die Brenn­ stoffzufuhrmenge (TAU) auf der Grundlage einer Grundzufuhr­ menge (Tp) des dem Motor zuzuführenden Brennstoffes und der gesteuerten Größe (FAF), die von der Berechnungsvorrichtung für die gesteuerte Größe berechnet worden ist, bestimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeich­ net durch eine Schaltvorrichtung (20; 310) zum Schalten des Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λTG) in einen mageren Zustand bezüglich eines theoretischen Luft/Brennstoff Ver­ hältnisses (λ0).
4. Regelvorrichtung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, mit:
einer Erkennungsvorrichtung (36, 37) zur Erkennung ei­ nes tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λ) eines dem Motor zuzuführenden Gemisches;
einer Setzvorrichtung (20; 203, 310) zum Festsetzen eines Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λTG) des Motors; und
einer ersten Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrich­ tung (20; 206) zum Festsetzen eines ersten optimalen Rück­ kopplungsfaktors (IKN) auf der Grundlage eines vorherbe­ stimmten dynamischen Modells des Motors und zum Berechnen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten (FAF) in Abhängigkeit von dem festgesetzten optimalen Rück­ kopplungsfaktor (IKN), so daß das momentane Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich dem Ziel-Luft/Brenn­ stoff-Verhältnis (λTG) wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung weiter aufweist:
eine Erkennungsvorrichtung (30; 202) zum Erkennen ei­ nes Zustandes der Drehzahlabnahme des Motors (10);
zweite Korrekturkoeffizient-Berechnungsvorrichtungen (20) zum Bestimmen eines zweiten optimalen Rückkopplungs­ faktors (IKDC) mit einem Ansprechverhalten geringer als dasjenige des ersten optimalen Rückkopplungqfaktors (IKN) auf der Grundlage des vorherbestimmten dynamischen Modells in Antwort auf eine Erkennung der Drehzahlabnahme des Mo­ tors (10) und zum Berechnen eines Luft/Brenn­ stoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten (FAF) in Abhängig­ keit von dem zweiten optimalen Rückkopplungsfaktor (IKDC), so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis (λ) gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis (λTG) wird; und eine Bestimmungsvorrichtung (20; 103) zum Bestimmen einer dem Motor (10) zuzuführenden Brennstoffmenge (TAU) auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Korrekturkoeffizien­ ten (FAF), der durch die ersten oder zweiten Korrektur­ koeffizient-Berechnungsvorrichtungen berechnet wurde.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung (20; 310) zum Schalten des Ziel- Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λTG) bezüglich eines theore­ tischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses (λ0) in den mageren Zustand, wenn der Drehzahlabnahme-Zustand des Motors (10) erkannt wird.
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