DE4219899A1

DE4219899A1 - Regelvorrichtung zum regeln des luft/brennstoff-gemisches bei einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4219899A1
Application number: DE4219899A
Authority: DE
Inventors: Douglas Ray Hamburg
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: GB2257545B; DE4219899C2; GB9212780D0; JPH05180042A; GB2257545A; US5115639A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung zum Regeln des Luft/Brennstoff-Gemisches bei einer Brennkraft maschine gemäß der durch den Oberbegriff des Patentan spruches 1 angegebenen Gattung.

Es ist allgemein bekannt, daß der Wirkungsgrad eines Kataly sators, der bei einem Kraftfahrzeug in das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine eingegliedert ist, von dem Mischungs verhältnis der Luft mit dem Brennstoff abhängt. Wenn das Mischungsverhältnis bei dem stöchiometrischen Verhältnis in einem engen Bereich gehalten wird, dann ist der Konvertie rungswirkungsgrad des Katalysators sowohl für die Oxydations- wie auch für die Reduktionskonvertierungen hoch. Das stöchio metrische Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis ist definiert als das Verhältnis, bei welchem Luft und Brennstoff anteilig in solchen Mengen in dem Gemisch enthalten sind, daß beide Anteile bei der Verbrennung vollständig verbraucht werden. Das Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis LAMBDA ist anderer seits definiert als die Gewichtsmenge der Luft geteilt durch die Gewichtsmenge des Brennstoffs über den stöchio metrischen Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis. Der Sinn und der Zweck jedes Regelsystems, das sich mit der veränder lichen Beeinflussung des Mischungsverhältnisses der Luft mit dem Brennstoff bei einer Brennkraftmaschine zum Zwecke der Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen befaßt, ist allgemein darin zu sehen, das Luft/Brennstoff-Ge misch in dem engen Bereich des Mischungsverhältnisses zu halten, das unter dem Begriff "Konvertierungsfenster" bekannt ist.

Mit der Anordnung nur eines einzigen, auf die Sauerstoff konzentration der Auspuffgase ansprechenden Sensors strom aufwärts von einem in ein Auspuffsystem einer Brennkraft maschine eingegliederten Katalysators wird für derartige Regelsystems eine ohne weiteres akzeptable Ansprechzeit erhalten, jedoch ergibt diese Verwendung nur eines einzigen Sensors als Folge seiner relativ schnellen Verschmutzung und seiner raschen Alterung eine unerwünschte Kurzzeitdauer des Regelsystems, das daher auch ungeeignet ist, das Luft/Brenn stoff-Mischungsverhältnis über eine längere Zeit innerhalb des vorerwähnten Konvertierungsfensters zu halten. Wenn ein einziger Sensor für die Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase andererseits an einer Stelle stromabwärts von dem Katalysator vorgesehen wird, dann wird damit zwar ein wesentlich stabileres Verhalten des Regelsystems erzielt, so daß auch die Einhaltung eines engeren Konvertierungsfen sters möglich ist, jedoch wird in diesem Fall eine sehr lange Ansprechzeit erhalten, die unter praktischen Erwägun gen überhaupt nicht akzeptabel ist. Für ein einsatzfähiges Regelsystem zum Regeln des Luft/Brennstoffgemisches bei einer Brennkraftmaschine sollten daher auf alle Fälle zwei Sensoren mit einer Anordnung stromaufwärts und stromabwärts von dem Katalysator verwendet werden, um damit einerseits von der kürzeren Ansprechzeit eines stromaufwärts angeordne ten Sensors und andererseits von der größeren Genauigkeit eines stromabwärts angeordneten Sensors Gebrauch zu machen.

Aus den US 39 39 654 und 40 27 477 sind Regelvorrichtun gen bekannt, bei welchen solche stromaufwärts und stromab wärts von einem Katalysator angeordneten Sensoren mit zwei Regelsystemen oder Regelschleifen ausgebildet sind. Die eine Regelschleife ist dabei mit dem stromaufwärts angeord neten einen Sensor und einem Proportionalregler oder einem Proportionalvoreilregler ausgebildet. Die andere Regel schleife schließt den stromabwärts angeordneten zweiten Sensor und einen Dual-Integratorregler ein. Bei dieser Ausbildung einer Regelvorrichtung können für die beiden Regelsysteme oder Regelschleifen nicht gleichzeitig Integral- oder Proportional- und Integralregler benutzt werden, da eine solche Regelvorrichtung ursächlich instabil ist und auch nicht durch eine Kalibrierung stabil gemacht werden kann. Die bekannten Regelvorrichtungen dieser Ausbildung haben daher den Nachteil einer nur geringen Genauigkeit, die bei der den stromaufwärts angeordneten einen Sensor einbeziehenden einen Regelschleife mit dem Proportionalreg ler zu suchen ist. Die Regelgenauigkeit dieser gekannten Regelvorrichtungen muß dabei in solchen Fällen sogar völlig unannehmbar erscheinen, wo die zweite Regelschleife nicht arbeitet, was immer dann der Fall ist, solange beim Warm laufen der Brennkraftmaschine der stromabwärts von dem Katalysator angeordnete zweite Sensor noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Aus den US 48 31 838 und 48 40 027 sind Regelvorrichtun gen mit ebenfalls zwei Sensoren in einer Anordnung stromauf wärts und stromabwärts von einem Katalysator bekannt, bei welchen eine mit dem ersten Sensor ausgebildete Regel schleife auch einen Proportional-Integral-(PI)Regler ein schließt. Dabei können kalibrierfähige Parameter des PI-Reglers in Bezug auf den Ausgang des stromabwärts angeordne ten zweiten Sensors modifiziert werden, wobei es sich bei den modifizierten Parametern um eine Sprungmenge und eine Integrationsmenge handelt. Auch eine Zeitverzögerung und eine Referenzspannung können dabei als weitere Parameter modifiziert werden, wobei die Modifizierung ebenfalls wieder auf den Ausgang des zweiten Sensors bezogen ist. Bei anderen Ausführungsformen dieser bekannten Regelvorrichtun gen wird mit dem Ausgang des zweiten Sensors eine zweite Korrekturmenge für das Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis erzeugt, wobei diese Korrekturmenge als ein Multiplikator bei der Berechnung der Brennstoffhauptmenge eingesetzt wird. In beiden Fällen, in welchen also bei diesen bekannten Regelvorrichtungen mit einer durch den zweiten Sensor eingeführten Korrektur gearbeitet wird, wird damit aber ein Grenzzyklus mit einer sehr niedrigen Frequenz einem Grenz zyklus mit relativ hoher Frequenz überlagert, der in diesem Fall von der Regelschleife des stromaufwärts angeordneten ersten Sensors erzeugt wird. Aus dieser Überlagerung der beiden unterschiedlichen Grenzzyklen wird daher eine für die Regelcharakteristik unerwünschte Misch- oder Überlage rungsfrequenz erhalten, wobei als weiterer Nachteil noch hinzukommt, daß die anfängliche Ansprechzeit des zweiten Sensors derart verzögert ist, daß in das gesamte Regelsystem noch sehr aufwendige Sondervorkehrungen eingegliedert sind, um diesen Nachteil auszuschalten. Die bekannten Regelvor richtungen mit zwei Sensoren sind daher aus diesen Gründen nicht akzeptabel.

Es sind daneben auch noch Regelvorrichtungen mit zwei Sensoren bekannt, bei denen eine Kaskadenregelung einer solchen Ausbildung realisiert ist, daß ein Ausgang des stromabwärts angeordneten zweiten Sensors einem Summierer zusammen mit einem Referenzsignal zugeleitet wird. Der Ausgang des Summierers wird einem ersten PI-Regler zugelei tet. Ein Ausgang von dem stromaufwärts angeordneten ersten Sensor wird einem Summierer und einer Referenzschaltung zugeleitet, welche den Ausgang des ersten PI-Reglers bildet. Der Ausgang des zweiten Summierers wird einem zweiten PI-Regler zugeleitet, der dann ein Rückkoppelungssignal erzeugt, mit welchem das Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis geregelt wird. Bei einer anderen und damit unmittelbar vergleichbaren Regelvorrichtung sind ebenfalls zwei Summierer verwendet, die dabei jeweils mit einem Referenzsignal beliefert werden. Der Ausgang des ersten PI-Reglers wird dabei aber nicht dem zweiten Summierer angeliefert, sondern er steuert statt dessen die Parameter des zweiten PI-Reglers. Diese Technik ist als sog. parametrische Steuerung bekannt, weil damit die Parameter des zweiten Reglers durch den Ausgang des ersten Reglers gesteuert werden. Auch die Regelvorrichtungen dieser Ausbildungen arbeiten relativ langsam, wobei für die parametrische Steuerung noch angegeben werden kann, daß bei einem Wechsel eines Parameters, wie bspw. der Sprungmenge oder der Integrationsmenge, oder bei einer Kontrollfunktion es selbst mehrere Minuten in Anspruch nehmen kann, bis endlich die gewechselte Wirkung bemerkt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung der angegebenen Gattung derart auszu bilden, daß damit bei Verwendung nur eines einzigen PI-Reglers eine viel raschere Ansprechzeit erhalten wird, wobei der PI-Regler Eingänge aufweisen soll, die einen Anschluß an die beiden Sensoren stromaufwärts und stromab wärts von dem Katalysator haben.

Bei der zur Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß ausgebildeten Regelvor richtung wird durch den Hochpaßfilter, der an den stromauf wärts von dem Katalysator angeordneten ersten Sensor ange schlossen ist, ein Realzeitdifferenzierer in das Regelsystem eingegliedert, durch dessen Anschluß an den PI-Regler über den mit dem zweiten Sensor verknüpften Summierer die vor stehend diskutierten Nachteile der bekannten Regelvorrich tungen vermieden werden und somit eine Regelvorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die eine kurze Ansprechzeit ergibt und das Luft/Brennstoff-Gemisch innerhalb des engeren Bereichs eines Konvertierungsfensters selbst während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine voll befriedigend regelt, wenn also einer der beiden Sensoren oder selbst beide Sensoren noch nicht ihre Betriebstemperaturen erreicht haben sollten.

Mit den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung gekenn zeichnet, bei welcher im übrigen für die Bereitstellung von zwei Grundausführungsformen den beiden Sensoren entweder jeweils ein Komparator für einen Vergleich des Ausgangs des betreffenden Sensors mit einer jeweiligen Bezugsspannung oder ein Komparator und ein Begrenzer nachgeschaltet sein können, wobei aber in beiden Fällen ein übereinstimmendes Arbeitsergebnis erhalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regelvorrich tung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemadarstellung der gesamten Regelvor richtung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Regelsystems bei der Regelvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Grafik zur Darstellung der Kennlinie des Spannungsausgangs eines auf die Sauerstoffkonzen tration der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine ansprechenden Sensors in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis,

Fig. 4 ein Fließdiagramm zur Darstellung der einzelnen Stufen bei der Berechnung der an die Brennkraft maschine zu liefernden Brennstoffmenge,

Fig. 5 ein Fließdiagramm zur Darstellung der verschiedenen Stufen bei der Berechnung einer Korrekturmenge für das Luft/Brennstoff-Gemisch bei der Regelvorrichtung mit dem Regelsystem der Ausbildung gemäß Fig. 2,

Fig. 6 eine Grafik zur Darstellung des Spannungsausgangs eines Begrenzers in Abhängigkeit von dem sich verändernden Ausgang eines auf die Sauerstoffkonzen tration der Auspuffgase ansprechenden Sensors, wobei ein solcher Begrenzer für eine Abwandlung des Regelsystems der Fig. 2 vorgesehen ist,

Fig. 7 ein Fließdiagramm entsprechend der Darstellung in Fig. 5, wobei aber anstelle eines zweiten Kompara tors ein Begrenzer mit der in Fig. 6 gezeigten Kennlinie dem zweiten Sensor nachgeschaltet ist,

Fig. 8 eine Schemadarstellung eines Regelkreises der erfindungsgemäßen Ausbildung und

Fig. 9 grafische Darstellungen der Kennlinien der Ausgänge des ersten Sensors, des zweiten Sensors und des PI-Reglers bei der Regelvorrichtung mit dem Regel system in der Ausbildung gemäß Fig. 2.

In der Schemadarstellung gemäß Fig. 1 ist ein Mikrocomputer 100 gezeigt, mit welchem das Luft/Brennstoff-Gemisch ge steuert wird, das einer Brennkraftmaschine 102 zugeleitet wird. Der Mikrocomputer 100 umfaßt einen Zentralrechner (CPU) 104, einen Nurlesespeicher (ROM) 106, mit welchem eine Hauptroutine und weitere Routinen gespeichert werden, so bspw. die Routine für die Brennstoffversorgung, Kali brierungskonstanten, Tabellen usw., einen Direktzugriffs speicher (RAM) 108 und eine herkömmliche Eingang/Ausgang- Schnittstelle (IO) 110. Die Schnittstelle 110 ist mit Analog/Digital-Wandlern (A/D) sowie Digital/Analog-Wandlern (D/A) versehen, um verschiedene Analogeingänge und Digital eingänge bzw. verschiedene Analogausgänge und Digitalaus gänge zu wandeln.

Der Mikrocomputer 100 umfaßt weiterhin alle auf diesem Gebiet herkömmlichen Bauelemente, wie bspw. einen Taktgeber und eine Einrichtung zur Erzeugung von verschiedenen Takt signalen, Zahler, Treiber u. dgl. Der Mikrocomputer 100 steuert das Luft/Brennstoff-Gemisch durch eine Erregung von Einspritztreibern 112 in Abhängigkeit von verschiedenen gemessenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 102. Der Mikrocomputer 100 kann die Eingangsparameter auslesen und Berechnungen von Steuersignalen innerhalb einer festen Abfragefrequenz DELTAT von bspw. 20 msec durchführen. Wenn der Mikrocomputer 100 für eine Betriebsweise mit einer veränderlichen Abfragefrequenz ausgebildet ist, dann kann ein Zeitgeber vorgesehen sein, der die Zeitmessung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frequenzen durchführt und die gemessene Frequenzzeit der Abfragefrequenz DELTAT zuordnet.

Die Brennkraftmaschine 102 ist für das vorliegende Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung als ein vierzylindriger Benzin motor sowie vier Einspritzdüsen 114, 116, 118 und 120 berücksichtigt, die an eine Brennstoff-Verteilerschiene 121 angeschlossen sind. Jede Einspritzdüse wird elektronisch durch Signale aktiviert, die von den Treibern 112 erhalten werden. Die Einspritzdüsen sind in herkömmlicher Weise in die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 102 eingebaut, die andererseits einen Anschluß an ein gemeinsames Auspuff system 122 aufweisen, in welchem ein herkömmlicher Dreiwege katalysator 124 angeordnet ist. Durch den Katalysator 124 werden die Schadstoffe CO, HC und NOx aus den Auspuffgasen entfernt, deren Sauerstoffkonzentration stromaufwärts von dem Katalysator durch einen ersten Sensor 128 und stromab wärts von dem Katalysator durch einen in dem Auspuffrohr 126 angeordneten zweiten Sensor 130 erfaßt wird. Die beiden Sensoren 128 und 130 erzeugen Ausgangsspannungen EGO1 und EGO2, die an die A/D-Wandler der I/O-Schnittstelle 110 übermittelt werden.

Die Ansaugluft 132 wird der Brennkraftmaschine 102 über ein Ansaugrohr 134 zugeführt, in welchem einlaßseitig eine Drosselklappe 136 angeordnet ist, deren veränderliche Positionen durch einen Sensor 138 zur Erzeugung von ent sprechend veränderlichen Signalen TP erfaßt werden. Das Ansaugrohr 134 ist einlaßseitig außerdem mit einem weiteren Sensor 140 versehen, mit welchem der zuströmende Luftmasse fluß MAF erfaßt wird, und mit einem Sensor 142, mit welcher die Temperatur TA der zuströmenden Luft gemessen wird. Schließlich ist noch mit dem Zylinderblock der Brennkraft maschine 102 ein Sensor 144 verbunden, mit welchem die Temperatur TW des Kühlwassers gemessen wird, und letztlich ist noch ein Sensor 146 vorhanden, mit welchem der veränder liche Kurbelwinkel CA an der Kurbelwelle der Maschine ermittelt wird. In diesem Zusammenhang versteht sich, daß anstelle des Sensors 140 zur Erfassung des Luftmasseflusses MAF auch ein Sensor vorgesehen sein kann, mit welchem der in dem Ansaugrohr 134 vorherrschende Saugdruck MAP ermittelt wird. Es versteht sich weiterhin, daß gegebenenfalls auch noch weitere veränderliche Betriebsparameter der Brennkraft maschine erfaßt werden können, wobei alle diese Parameter letztlich über die I/O-Schnittstelle 110 dem Mikrocomputer 100 zugeführt werden, um durch dessen Zentralrechner 106 verarbeitet zu werden.

Die beiden Sensoren 128 und 130 sind zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Gemisches unter Mitwirkung des Mikrocompu ters 100 in einer Regelschleife zusammengefaßt, deren Ausbildung in Fig. 2 näher gezeigt ist. Bei dieser Regel schleife werden zunächst die an der I/O-Schnittstelle 110 erhaltenen Ausgangsspannungen VEGO1 und VEGO2 der beiden Sensoren 128 und 130 je einem Komparator 200 und 202 zuge führt. Jeder Komparator ist mit einer Bezugsspannung REF1 bzw. REF2 gespeist, wobei diese Bezugsspannungen unter Hinweis auf die Kennlinie der Fig. 3 das stöchiometrische Mischungsverhältnis angeben. Jeder Komparator 200, 202 erzeugt somit einen Ausgang COMP1 bzw. COMP2, deren Absolut werte gleich sind, die aber im Vorzeichen in Abhängigkeit davon wechseln, auf welcher Seite des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses die betreffenden Ausgangsspannungen VEGO1 und VEGO2 der beiden Sensoren 128 und 130 liegen. Der Ausgang COMP1 des Komparators 200 wird durch einen Korrektur block 204 in der bevorzugten Ausbildung eines Hochpaßfil ters modifiziert, der für das vorliegende Ausführungsbei spiel der Erfindung ein Filter erster Ordnung ist. Für die Regelvorrichtung können jedoch auch Hochpaßfilter einer höheren Ordnung verwendet werden.

Der Hochpaßfilter 204 ist in der allgemeinen Regeltechnik als ein sog. Realzeitdifferenzierer bekannt, der nach der folgenden Gleichung (1) arbeitet:

T_d * d(DIF)/dt + DIF = d(COMP1)/dt (1)

wobei:

DIF = Ausgang des Hochpaßfilters;
T_d = Zeitkonstante des Filters als Kalibrierungsparameter des Regelsystems;
d(. . .)/dt = erste Ableitung des betreffenden Ausgangs.

Aus der vorstehenden Gleichung (1) ist die folgende Differenzgleichung ableitbar, die für die digitalen Berechnungen eines Mikrocomputers gelten:

DIF(i) = (1-DELTAT/T_d) * DIF(i-1) + (COMP1(i) - COMP1(i-1))

wobei:

DELTAT = Abfragefrequenz des Mikrocomputers;
(i) und (i-1) = aktuelle und vorhergehende Ergebnisse von Berechnungen oder Messungen.

Der Ausgang COMP2 des zweiten Komparators 202 ist mit einem Verstärkerblock 206 verbunden, der eine Verstärkerkonstante K ergibt, so daß der Ausgang des Komparators 202 den Wert K*COMP2 erhält. Die Ausgänge der beiden Komparatoren 200 und 202 werden zusammen mit einem Vorspannungssignal BIAS durch einen nachgeschalteten Summierer 208 summiert. Das Vorspannungssignal BIAS wird dabei nur für Kalibrierungs zwecke bereitgestellt, um die Bezugsspannung REF2 zu modi fizieren, falls dies erwünscht sein sollte. Der Ausgang SUM des Summierers 208 ergibt sich damit nach der folgenden Gleichung (2):

SUM = DIF + K * COMP2 + BIAS (2)

Der Ausgang des Summierers 208 wird einem PI-Regler 210 zugeleitet, der eine Berechnung gemäß der folgenden Gleichung (3) durchführt:

d(LAMCOR)/dt = H * d(SUM)/dt + G * SUM (3)

wobei:

LAMCOR = Ausgang des PI-Reglers, mit welchem eine Korrekturmenge für das Luft/Brennstoff- Gemisch berücksichtigt wird;
H und G = Sprungmenge und Integrationsmenge des PI-Reglers als Kalibrierungsparameter des Regelsystems.

Die Differenzgleichung, die für die digitalen Berechnungen eines Mikrocomputers geeignet ist, wird aus der vorstehenden Gleichung (3) abgeleitet und sieht in der einfachsten Form wie folgt aus:

LAMCOR(i) = LAMCOR(i-1) + H * (SUM(i)-SUM(i-1) + G * DELTAT * SUM(i-1)

Die Darstellung der Differentialgleichungen (1) und (3) in der Form von Differenzgleichungen kann in verschiedener Form ausgeführt werden. Die Kalibrierungsparameter H, G, K und Td des Regelsystems können als eine Funktion der Dreh zahl/Belastungstabellen 214 modifiziert werden. Es versteht sich, daß anstelle der Verwendung eines Mikrocomputers das Regelsystem auch mit analogen Einrichtungen realisiert werden kann, was später noch kurz erläutert wird.

Dem PI-Regler 210 ist ein Berechnungsblock 212 nachgeschal tet, mit welchem somit das Steuersignal für die Treiber 112 unter Berücksichtigung der Korrekturmenge LAMCOR berechnet wird. Dabei versteht sich, daß die Berechnungen durch den Mikrocomputer 100 für jeden einzelnen Zylinder der Brenn kraftmaschine 102 respektive für jede einzelne Einspritzdüse durchgeführt werden, wobei das Muster dieser Berechnungen jetzt anhand des Fließdiagramms der Fig. 4 näher erläutert wird.

Zum Beginn jeder Berechnung und damit zum Beginn jeder Abfragefrequenz werden in einer Anfangsstufe 400 die einzel nen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ausgelesen. Es werden dann die Drehzahl und die Belastung der Maschine berechnet, wobei dafür in herkömmlicher Weise die Meßwerte für den Kurbelwinkel CA und den Luftmassefluß MAF berück sichtigt werden. Bei dieser Berechnung in der nächsten Stufe 402 wird somit ein für die Einspritzung vorgesehener Brennstoffgrundwert FB durch eine offene Regelschleife ermittelt, bei welcher auf eine Drehzahl/Belastungs-Tabelle des ROM-Speichers 106 durch Interpolation zurückgegriffen wird, wobei dieser Rückgriff dann in einer folgenden Stufe 404 zur Berechnung einer Brennstoffkorrekturmenge FCOR führt, die bspw. auf die Aufwärmtemperaturen TA der Ansaug luft und auf die Temperatur TW des Kühlwassers, auf die Batteriespannung u. dgl. zurückbezogen sein kann.

Nachdem diese Berechnung einer Brennstoffkorrekturmenge FCOR abgeschlossen ist, wird in einer folgenden Stufe 406 überprüft, ob der zu dem Katalysator 124 stromaufwärts angeordnete erste Sensor 128 bereits aufgewärmt ist, um mit einer Regelschleife zu beginnen. Bei dieser Überprüfung kann bspw. das Erreichen eines bestimmten Grenzwertes der Temperatur TW des Kühlwassers, die Temperatur TA der Ansaug luft, der Schaltpunkt des Sensors, der Zeitverlauf seit dem Start u. dgl. untersucht werden. Auch kann bei dieser Über prüfung berücksichtigt werden, daß bei manchen Brennkraft maschinen ein Betrieb mit einer weit geöffneten Drossel klappe oder mit einem erweiterten Leerlaufbereich eine Regelung mit einer offenen Regelschleife selbst dann noch durchgeführt wird, wenn die Bedingungen für eine geschlosse ne Regelschleife bereits erfüllt sind. Wenn somit in dieser Stufe 406 festgestellt wird, daß die Erfordernisse zur Durchführung einer Regelschleife vorliegen, dann wird in einer nächsten Stufe 408 die Korrekturmenge LAMCOR für das Luft/Brennstoff-Gemisch berechnet. Wird keine Regelschleife gefordert, dann wird andererseits in einer Stufe 410 die Korrekturmenge LAMCOR mit der Wertziffer 1 belegt. Die Berechnung der Korrekturmenge LAMCOR in der Stufe 408 wird später noch näher erläutert. Im jetzigen Zusammenhang reicht der Hinweis aus, daß nachfolgend auf eine Stufe 412 übergewechselt wird, in welcher dann die endgültige Brenn stoffmenge FPW berechnet wird, für deren Steuerung somit in einer Stufe 414 die Steuersignale für die Treiber 112 erzeugt werden. Die Berechnung dieser endgültigen Brennstoff menge FPW wird dabei gemäß der folgenden Gleichung durchge führt:

FPW = FB * FCOR * LAMCOR

Sobald die Treiber 112 mit dem in der Stufe 412 bereitge stellten Steuersignal betätigt worden sind, wird die Berech nungsroutine in einer nachfolgenden Stufe 416 wieder zurück auf die Hauptroutine gebracht.

Die Berechnung der Korrekturmenge LAMCOR für das Luft/Brenn stoff-Gemisch in der Stufe 408 wird nach dem Muster durchge führt, welches durch das Fließdiagramm der Fig. 5 veran schaulicht ist. Die Stufen 504, 506 und 508 sind dabei auf den ersten Komparator 200 bezogen, dessen Ausgang COMP1 in der Stufe 510 in dem RAM-Speicher 108 gespeichert wird, um damit für die nächste Abfragefrequenz zur Verfügung zu stehen. In der Stufe 512 wird der Ausgang des Hochpaßfil ters 204 unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung (1) berechnet. Der Ausgang des Hochpaßfilters wird dann in einer folgenden Stufe 514 dahin überprüft, ob der stromab wärts zu dem Katalysator 124 angeordnete zweite Sensor 130 bereits aufgewärmt ist, um mit einer zweiten Regelschleife zu beginnen. Die Bedingungen für diese Regelschleife können gleich oder unterschiedlich zu den Bedingungen sein, die in der Stufe 406 für die Regelschleife des ersten Sensors 128 angegeben wurden. Wenn nun diese Bedingungen für die Durch führung einer Regelschleife erfüllt sind, dann wird in den folgenden Stufen 516, 518 und 520 der Ausgang COMP2 des zweiten Komparators 202 berechnet. In der folgenden Stufe 522 wird dann noch die Berechnung für den Summierer 208 in Übereinstimmung mit der oben angegebenen Gleichung (2) durchgeführt, so daß der berechnete Wert für den Ausgang SUM des Summierers dann in einer Stufe 524 ebenfalls in den RAM-Speicher 108 übernommen werden kann, um für eine nächste Abfragefrequenz zur Verfügung zu stehen. In einer Stufe 526 wird schließlich noch die Berechnung gemäß der Gleichung (3) durchgeführt, wobei dafür der PI-Regler 210 zuständig ist, nach dessen Einschaltung diese Routine dann in einer ab schließenden Stufe 530 zurück auf die Stufe 412 der Berech nung der für den Betrieb der Maschine gewünschten Brennstoff menge FPW eingestellt wird. An dieser Stelle wäre noch nachzutragen, daß wenn bei der Überprüfung in der Stufe 514 festgestellt wird, daß auf die Durchführung einer Regel schleife an dem zweiten Sensor 130 verzichtet werden kann, dann in einer Stufe 528 der Ausgang COMP2 des zweiten Komparators 202 mit der Wertziffer 0 belegt wird und der Ausgang DIF des Hochpaßfilters 204 eine Gleichsetzung erfährt mit dem Ausgang COMP1 des ersten Komparators 200. Beim Überwechseln auf die Stufe 522 ist danach wieder die Regelschleife erhalten, in welche die beiden Sensoren eingeschaltet sind.

Für eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung kann anstelle des zweiten Komparators 202 auch ein Begrenzer 202′ verwendet sein, dessen Kennlinie in Fig. 6 verdeutlicht ist. Ein solcher Begrenzer ergibt in der Nähe der Bezugsspannung VREF eine Verstärkung mit dem Wert 1, und seine oberen und unteren Grenzen liegen syme trisch zu dieser Bezugsspannung und gehen nicht über die Grenzwerte V_min und V_max der minimalen und maximalen Aus gangsspannungen VEGO der Sensoren hinaus. Wenn ein solcher Begrenzer 202′ anstelle des zweiten Komparators 202 verwen det wird, dann wird die Berechnung der Korrekturmenge LAMCOR für das Luft/Brennstoff-Gemisch entsprechend dem Muster durchgeführt, das durch das Fließdiagramm der Fig. 7 verdeutlicht ist und in diesem Zusammenhang lediglich mit dem Hinweis erläutert werden muß, daß in der Stufe 716 die Berechnung des Ausganges LIM des Begrenzers durchgeführt wird, sofern in der vorhergehenden Stufe 714 auf die Durch führung einer Regelschleife somit unter Einbeziehung des Begrenzers 202′ erkannt wird.

Im Zusammenhang mit der vorstehenden Beschreibung ist noch davon auszugehen, daß während unterschiedlicher Betriebs arten der Brennkraftmaschine und insbesondere während unterschiedlicher Drehzahlen und Belastungen die Kalibrie rungsparameter des Regelsystems auch neue Einstellungen erfordern können, um eine optimale Regelung zu erhalten. Diese veränderlichen Parameter sind somit insbesondere die Sprungmenge H und die Integrationsmenge G des PI-Reglers 210, die Zeitkonstante T_d des Hochpaßfilters 204, der Verstär kungsfaktor K des Verstärkers 206 und die Vorspannung BIAS an dem Summierer 208. Um für alle diese Parameter oder eine beliebige Unterkombination davon eine neue Kalibrierung zu erhalten, können in die Fließdiagramme der Fig. 5 und 7 noch entsprechende Funktionen oder Tabellen eingegliedert werden, so bspw. die Tabelle 214, mit welcher in Fig. 2 eine Berücksichtigung der Drehzahl und der Belastung der Brennkraftmaschine ausgewiesen ist. Es versteht sich auch, daß zum Schutz des Regelsystems vor Auswirkungen einer zu häufigen Schaltung der Sensoren auch besondere Vorkehrungen getroffen sein können, so bspw. die Eingliederung von Zeitverzögerungen oder von Tiefpaßfiltern.

In Fig. 8 ist noch ein bevorzugter Schaltungskreis für die Steuerlogik gezeigt, die bei der in Fig. 2 gezeigten Regel schleife mit den Elementen 200, 202, 204, 206, 208 und 210 realisiert wird. Die Ausgangsspannung VEGO1 des ersten Sensors 128 wird, nachdem sie eine Konditionierung und auch eine mögliche Formung durch einen Tiefpaßfilter erfahren hat, dem Eingang eines ersten Komparators 200 in der Aus bildung eines Operationsverstärkers 250 zugeleitet, bei welchem somit die Bezugsspannung REF1 an einem zweiten Eingang aus einer Spannungsquelle V in Form einer über ein Widerstandsnetzwerk beeinflußten Regelspannung angeliefert wird. Gleichartig wird die Ausgangsspannung VEGO2 des zweiten Sensors 130 an einen Operationsverstärker 252 gemeinsam mit der zweiten Bezugsspannung REF2 angeliefert. Der Ausgang COMP1 des ersten Komparators 200 ist an den Hochpaßfilter 204 angeschlossen, der mit verschiedenen Widerständen R254, R258 und R260, einem Kondensator C256 und einem Operationsverstärker 262 ausgebildet ist. Bei dem Operationsverstärker 262 wird eine Bezugsspannung V1 auf einen Wert eingestellt, der etwa in der Mitte zwischen den tiefen und hohen Spannungsausgängen des Verstärkers 250 liegt, sodaß der Verstärker 262 mit einer Spannungsquelle einer einzigen Polarität betrieben werden kann. Die Bezugs spannungen V2 für einen Operationsverstärker 274 des Summie rers 208 und V3 für einen Operationsverstärker 284 des PI-Reglers 210 sind im übrigen für denselben Zweck vorgesehen, wobei für den Summierer 208 noch gezeigt ist, daß bei ihm der Ausgang DIF des Hochpaßfilters 204, bei welchem die Reihenschaltung des Widerstandes R254 und des Kondensators C256 die Einhaltung der Zeitkonstanten T_d gemäß der Glei chung (1) ergibt, über einen Widerstand R264 dem einen Eingang des Verstärkers 274 zugeleitet wird gemeinsam mit dem Ausgang COMP2 des zweiten Komparators 202 und dem Vorspannungssignal BIAS, die im übrigen mittels zweier weiterer Widerstände R266 und R268 geformt werden. Auch die an den zweiten Eingang des Verstärkers 274 angelieferte Bezugsspannung V2 wird mit einem Widerstand R272 beeinflußt. Ähnlich wie bei dem Verstärker 262 des Hochpaßfilters 204 ist im übrigen auch bei dem Verstärker 274 des Summierers 208 noch ein Rückkoppelungswiderstand R270 vorgesehen, und ein solcher Rückkoppelungswiderstand R278 findet sich auch bei dem Verstärker 284 des PI-Reglers 210, wobei dort aber eine Reihenschaltung mit einem Kondensator C280 realisiert ist. Bei dem Hochpaßfilter 208 bestimmt der Widerstand R266 den Verstärkungsfaktor K des Verstärkers 206. Anderer seits bestimmen bei dem PI-Regler 210 das Verhältnis des Rückkoppelungswiderstandes R278 zu einem dem einen Eingang des Verstärkers 284 vorgeschalteten Widerstand R276 die Sprungmenge H des PI-Reglers und das Produkt aus dem Wider stand R276 und dem Kondensator C280 dessen Integrations menge G, die beide bei der Berechnung der Korrekturmenge LAMCOR für das Luft/Brennstoff-Gemisch gemäß der oben angegebenen Gleichung (3) berücksichtigt werden.

In Fig. 9 sind schließlich noch die typischen Kennlinien gezeigt, die bei einem Regelsystem mit zwei Sensoren in Erscheinung treten. Die in Fig. 9A gezeigte Kennlinie verdeutlicht den typischen Verlauf der Ausgangsspannung EGO1 des stromaufwärts zu dem Katalysator 124 angeordneten ersten Sensors 128, die Kennlinie der Fig. 9B veranschau licht den Verlauf des Spannungsausgangs EGO2 des zweiten Sensors 130 und die Kennlinie der Fig. 9C veranschaulicht schließlich den Verlauf des Spannungsausgangs LAMCOR, der an dem PI-Regler 210 erhalten wird. Aus der Kennlinie der Fig. 9A ist ersichtlich, daß hier durch den ersten Sensor 128 ein typischer Begrenzungszyklus bereitgestellt wird, dessen Frequenz hauptsächlich durch Parameter des zu dem Katalysator 124 stromaufwärts gelegenen Bereichs des Regel systems bestimmt wird und daher sehr nahe derjenigen eines Regelsystems liegt, das nur mit einem einzigen, stromauf wärts zu dem Katalysator angeordneten Sensor ausgebildet ist. Der stromabwärts zu dem Katalysator angeordnete zweite Sensor liefert andererseits eine Kennlinie, mit welcher die Kennlinie des ersten Sensors nach unten verschoben wird, sodaß der Begrenzungszyklus um seine Bezugsspannung REF1 herum nicht symmetrisch wird. Gleichzeitig wird der Ausgang des zweiten Sensors um dessen Bezugsspannung REF2 herum zentriert. Für den Ausgang PI-Reglers ergeben sich schließ lich zwei Sprungmengen H, wobei die mit der Ziff. 1 bezeich nete eine Sprungmenge zu einem Zeitpunkt erscheint, wenn der Ausgang des ersten Sensors seine Bezugsspannung REF1 kreuzt, während die mit der Ziff. 2 bezeichnete andere Sprungmenge zu einem Zeitpunkt erscheint, wenn der Ausgang des zweiten Sensors seine Bezugsspannung REF2 kreuzt.

Claims

1. Regelvorrichtung zum Regeln des Luft/Brennstoff-Gemisches bei einer Brennkraftmaschine, in deren Auspuffsystem ein Katalysator mit je einem stromaufwärts und stromabwärts angeordneten ersten und zweiten Sensor vorgesehen ist, welche mit einer Eingliederung in eine Regelschleife des für eine veränderliche Beeinflussung des Mischungsver hältnisses der Luft mit dem Brennstoff ausgebildeten Regelsystems der Regelvorrichtung auf die Sauerstoffkon zentration der Auspuffgase ansprechen, dadurch gekennzeichnet, daß der zu dem Katalysator (124) stromaufwärts angeordnete erste Sensor (128) über einen Hochpaßfilter (204) und der zu dem Katalysator (124) stromabwärts angeordnete zweite Sensor (130) an einen mit einem Vorspannungssignal (BIAS) gespeisten Summierer (208) angeschlossen sind, dessen Ausgang über einen Proportional-Integral-(PI)Regler (210) mit einem Rechner (212) verbunden ist, welcher die an die Brennkraftmaschine (102) zu liefernde Brennstoff menge (FPW) berechnet.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaß filter (204) durch einen von dem Luft/Brennstoff-Misch ungsverhältnis stromaufwärts von dem Katalysator (124) abhängigen, mit dem Ausgang des ersten Sensors (128) verbundenen ersten Komparator (200) gesteuert ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu dem Katalysator (124) stromabwärts angeordnete zweite Sensor (130) über einen Verstärker (206) an den Summierer (208) angeschlossen ist.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (206) durch einen von dem Luft/Brennstoff-Mischungsver hältnis stromabwärts von dem Katalysator (124) abhängigen, mit dem Ausgang des zweiten Sensors (130) verbundenen zweiten Komparator (202) gesteuert ist.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (206) durch einen von dem Luft/Brennstoff-Mischungsver hältnis stromabwärts von dem Katalysator (124) abhängigen, mit dem Ausgang des zweiten Sensors (130) verbundenen Begrenzers (202′) gesteuert ist.

6. Regelvorrichtung wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den PI-Regler (210) in einer ersten Stufe (402) ein von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (102), wie dem Kurbelwinkel (CA), dem Luftmassefluß (MAF) sowie der daraus berechneten Maschinenbelastung, der Maschinendreh zahl u. dgl., und von dem Ausgang des Summierers (208) abhängiger Rückkoppelungsparameter (FB) für einen maß geblichen Brennstoff-Grundwert berechnet und mit diesem Rückkoppelungsparameter (FB) in einer zweiten Stufe (404) ein Brennstoff-Korrekturparameter (FCOR) gebildet wird, um in einer dritten Stufe (406) zu bestimmen, ob eine Regelschleife durchgeführt werden soll und damit in einer anschließenden Stufe (408) ein Korrekturfaktor (LAMCOR) für das Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis zu berechnen ist oder auf die Durchführung der Regelschleife verzichtet werden kann und damit ein solcher Korrekur faktor (LAMCOR) in einer anschließenden Stufe (410) mit einer Wertziffer 1 belegt wird, so daß mit den für den Rückkoppelungsparameter (FB), den Brennstoff-Korrektur parameter (FCOR) und den Korrekturfaktor (LAMCOR) er mittelten Werten die für die Brennkraftmaschine (102) gewünschte Brennstoffmenge (FPW) berechnet werden kann. (Fließdiagramm der Fig. 4)

7. Regelvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung des Korrekturfaktors (LAMCOR) für das Luft/Brenn stoff-Mischungsverhältnis in einer ersten Stufe (504) bestimmt wird, ob der Ausgang (VEGO1) des ersten Sensors (128) größer ist als eine erste Bezugsspannung (REF1) oder nicht, um den Ausgang (COMP1) des ersten Komparators (200) entweder mit der Wertziffer 1 oder mit der Wertziffer -1 für eine Übernahme in einen Speicher (510) zu belegen, unter dessen Zugriff in einer nächsten Stufe (512) der Ausgang (DIF) des Hochpaßfilters (204) berechnet wird, um damit in einer folgenden Stufe (514) festzulegen, ob eine mit dem zweiten Sensor (130) ausge bildete Regelschleife durchgeführt werden muß oder nicht, so daß bei einer Durchführung der Regelschleife in einer anschließenden Stufe (516) bestimmt werden kann, ob der Ausgang (VEGO2) des zweiten Sensors (130) größer ist als eine zweite Bezugsspannung (REF2) oder nicht und als Folge davon der Ausgang (COMP2) des zweiten Kompara tors (200) entweder mit der Wertziffer 1 oder mit der Wertziffer -1 belegt wird, oder daß bei einem Verzicht auf die Durchführung einer solchen besonderen Regel schleife in einer ebenfalls anschließenden Stufe (528) der Ausgang (COMP2) des zweiten Komparators (202) mit der Wertziffer 0 und der Ausgang (DIF) des Hochpaß filters (204) mit dem Ausgang (COMP1) des ersten Kompara tors (200) gleichgesetzt wird, sodaß in einer abschließen den Stufe (722) die zur Lieferung an den PI-Regler (210) bestimmte Summe (Sum) durch den Summierer (208) berechnet werden kann, die gleich der Summe aus dem Ausgang (DIF) des Hochpaßfilters (204), einem Produkt einer Konstanten (K) mit dem Ausgang (COMP2) des zweiten Komparators (202) und der Vorspannung (BIAS) ist. (Fließdiagramm der Fig. 5)

8. Regelvorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung des Korrekturfaktors (LAMCOR) für das Luft/Brenn stoff-Mischungsverhältnis in einer ersten Stufe (704) bestimmt wird, ob der Ausgang (VEGO1) des ersten Sensors (128) größer ist als eine erste Bezugsspannung (REF1) oder nicht, um den Ausgang (COMP1) des ersten Komparators (200) entweder mit der Wertziffer 1 oder mit der Wert ziffer -1 für eine Übernahme in einen Speicher (710) zu belegen, unter dessen Zugriff in einer nächsten Stufe (712) der Ausgang (DIF) des Hochpaßfilters (204) berech net wird, um damit in einer folgenden Stufe (714) fest zulegen, ob eine besondere Regelschleife unter Einbe ziehung des zweiten Sensors (130) erforderlich ist oder nicht, so daß bei einer Durchführung der Regelschleife in einer anschließenden Stufe (716) der Ausgang (LIM) des Begrenzers (202′) berechnet werden kann oder bei einem Verzicht auf die Durchführung einer solchen besonderen Regelschleife in einer ebenfalls anschließenden Stufe (728) der Ausgang (LIM) des Begrenzers auf die Wert ziffer 0 eingestellt und der Ausgang (DIF) des Hochpaß filters (204) mit dem Ausgang (COMP1) des ersten Kompara tors (200) gleichgesetzt werden kann, um in einer ab schließenden Stufe (722) eine zur Lieferung an den PI-Regler (210) bestimmte Summe (Sum) durch den Summierer (208) zu berechnen, die gleich der Summe aus dem Ausgang (DIF) des Hochpaßfilters (204), einem Produkt einer Konstanten (K) mit dem Ausgang (LIM) des Begrenzers (202′) und der Vorspannung (BIAS) ist. (Fließdiagramm der Fig. 7).