DE4344892A1 - Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoffverhältnisses einer Brennkraftmaschine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, in welcher das der Maschine zugeführte Luft/Kraftstoff-Verhältnis absichtlich gestört oder zwischen mageren und angereicherten Richtungen (Zuständen) oszilliert wird, um die Reinigungseffizienz eines in dem Auspuffsystem der Maschine angeordneten Katalysators zu verbessern. Dies ist als der Stör-Effekt (perturbation effect) bekannt.
Der Störeffekt ist in Veröffentlichungen oft beschrieben worden und ist ebenso wie das Phänomen des Speicherns von Sauerstoff in dem Katalysator, um eine optimale Reinigungseffizienz des Katalysators zu erreichen, eine bekannte Technik. Das Sauerstoffspeichern in dem Katalysator ist ein Phänomen, bei welchem der Katalysator Sauerstoff speichert, wenn das Luft/Kraftstoff-Gemisch angereichert ist, und diesen abgibt, wenn das Luft/Kraftstoff-Gemisch mager ist.
Der Störeffekt ist z. B. in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho 64(1989)-56,935 beschrieben worden. In der in dieser Veröffentlichung offenbarten bekannten Technik wird ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwangsweise zwischen den angereicherten und mageren Zuständen um das stöchiometrische Verhältnis oszilliert oder gestört, mit einer Wiederholungsrate (Frequenz) und einer Amplitude, die bezüglich der Maschinendrehzahl und der Maschinenlast bestimmt sind.
Beim Stand der Technik ist jedoch, wenn sich der Maschinenbetriebszustand kontinuierlich verändert, das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis entweder auf der mageren oder der angereicherten Seite festgelegt. Es wird daher unmöglich, den Zweck der Stör-Steuerung, die Reinigungseffizienz des Katalysators zu verbessern, zufriedenstellend zu erreichen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu beseitigen, und eine Einrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine vorzusehen, in welcher ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis der Maschine mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate und Amplitude zugeführt wird unabhängig davon, ob die Maschine in einem festen Betriebszustand oder einem Übergangsbetriebszustand ist oder nicht, mit anderen Worten, unabhängig von der Änderung der Drehzahl oder der Belastung der Maschine, um die Reinigungseffizienz des Katalysators ausreichend zu verbessern.
Ferner ist in dem in der Veröffentlichung offenbarten Stand der Technik ein einziger Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor an einem Zusammenflußpunkt(-ort) des Auspuffsystems einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine angeordnet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches zu erfassen, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird durch Rückkopplung auf einen gewünschten Wert gesteuert, so daß die Abweichung verringert wird. Das Auspuffgas ist an dem Zusammenflußpunkt jedoch ein Gemisch der Auspuffgase, die von den individuellen Zylindern ausgestoßen werden, und gibt daher nicht die jeweiligen Luft/Kraftstoff-Verhältnisse in den individuellen Zylindern wieder. Mit anderen Worten, bei diesem Stand der Technik wird die Stör-Steuerung nicht für die individuellen Zylinder der Maschine separat durchgeführt.
Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vorzusehen, in welcher das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die individuellen Zylinder separat gesteuert wird, um die Störung effektiver durchzuführen, wodurch die Reinigungseffizienz des Katalysators weiter verbessert wird.
Bei dem Stand der Technik wird ferner die Abweichung zwischen dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem erfaßten Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einem Anstiegsfaktor multipliziert, um einen Rückkopplungs-Korrekturfaktor zu erhalten. Als Ergebnis daraus wird es unmöglich, die Stör- Steuerung in einem Maschinenbetriebszustand erfolgreich durchzuführen, in dem die Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung in einer offenen Art und Weise durchgeführt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine vorzusehen, in welcher die Stör- Steuerung erfolgreich durchgeführt werden kann, selbst wenn die Maschine in einem Betriebszustand ist, in dem die Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung in einer offenen Steuerung durchgeführt wird.
Um die Aufgaben zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vor, bei welcher ein tatsächlich vorliegendes Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromaufwärts und/oder stromabwärts eines in dem Auspuffsystem der Maschine angeordneten Katalysators absichtlich in seiner Amplitude und/oder seiner Wiederholungsrate oszilliert wird. Die Einrichtung umfaßt erste Mittel zum Aufstellen einer Charakteristik eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses als periodische Funktion derart, daß das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis sich bezüglich einer vorbestimmten Amplitude und/oder Wiederholungsrate innerhalb einer vorbestimmten Periode verändert, zweite Mittel zum Abtasten der Charakteristik mit einem Zeitintervall, welches auf der Grundlage eines Zeitintervalls zwischen OT- Kurbelwinkelstellungen der Maschine (Oberer-Totpunkt- Kurbelwinkelstellung oder TDC-Kurbelwinkelstellung) bestimmt wird, dritte Mittel zum Bestimmen des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für jeden Zylinder aus den durch das Abtasten erhaltenen Daten, vierte Mittel zum Bestimmen einer Kraftstoffeinspritzmenge für jeden Zylinder aus dem für den jeweiligen Zylinder bestimmten gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnis sowie fünfte Mittel zum Zuführen eines Kraftstoffs zu jedem Zylinder in Antwort auf die bestimmte Kraftstoffeinspritzmenge.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Figuren augenscheinlich, in welchen:
Fig. 1 ein Gesamt-Blockdiagramm ist, welches eine Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung für eine Vier- Zylinder-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm ist, welches die Charakteristik eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zeigt, das als ein Stör-Korrekturfaktor KWAVE(n) bezüglich der Zeit definiert ist, welcher in der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung zu verwenden ist;
Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, welches ein Hauptprogramm einer Stör-Steuerung, die durch die in Fig. 1 dargestellte Steuereinrichtung durchgeführt wird, darstellt;
Fig. 4 ein Flußdiagramm ist, welches ein Unterprogramm zum Beurteilen der Verschlechterung eines Katalysators ist, auf welches in dem Flußdiagramm in Fig. 3 Bezug genommen wird;
Fig. 5 eine Ansicht ist, die die Charakteristik eines Koeffizienten KWAVE-Hz-AGED erklärt, auf den in dem Flußdiagramm der Fig. 4 Bezug genommen wird;
Fig. 6 eine Ansicht ist, die die Charakteristik des Koeffizienten KWAVE-Hz-AGED darstellt, auf den in Fig. 5 Bezug genommen wird;
Fig. 7 eine Ansicht ist, die die Charakteristik eines weiteren Koeffizienten KWAVE-GAIN-AGED zeigt, auf den im Flußdiagramm der Fig. 4 Bezug genommen wird;
Fig. 8 das Ergebnis einer Simulation ist, welches ein durch Abtasten der in Fig. 2 dargestellten Charakteristik mit einem OT-Intervall erhaltenes gewünschtes Luft/Kraftstoff- Verhältnis zeigt;
Fig. 9 das Ergebnis einer Simulation ist, welches gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnisse an den individuellen Zylindern zeigt, die durch Verteilen des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, welches in Fig. 8 dargestellt ist, auf die einzelnen Zylinder erhalten wird;
Fig. 10 das Ergebnis einer Simulation ist, welches eine Luft/Kraftstoff-Verhältnisausgabe zeigt (an einem Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems der Maschine), wenn die in Fig. 9. dargestellten Luft/Kraftstoff-Verhältnisse den individuellen Zylindern zugeführt werden;
Fig. 11 ein Flußdiagramm ist, welches ein Unterprogramm zum Identifizieren der Zylinder ist, auf das in dem Flußdiagramm in Fig. 3 Bezug genommen wird;
Fig. 12 das Ergebnis eines an einem Testmotor in einem gleichbleibenden Maschinenbetriebszustand durchgeführten Tests ist, wobei die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf 1,0 Hz und 1,84 A/F gesetzt waren;
Fig. 13 eine der Fig. 12 entsprechende Ansicht ist, wobei jedoch die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf 1,0 Hz und 0,69 A/F gesetzt waren;
Fig. 14 eine der Fig. 12 entsprechende Ansicht ist, wobei jedoch die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf 0,2 Hz und 0,69 A/F gesetzt waren;
Fig. 15 eine der Fig. 12 entsprechende Ansicht ist, welche jedoch Ergebnisse in einem Übergangs- Maschinenbetriebszustand zeigt, wobei die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses auf 1,0 Hz und 1,38 A/F gesetzt waren;
Fig. 16 eine der Fig. 12 entsprechende Ansicht ist, die jedoch Ergebnisse in einem anderen Übergangs- Maschinenebetriebszustand zeigt, wobei die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses auf 1,0 Hz und 0,69 A/F gesetzt waren;
Fig. 17 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht ist, welche jedoch eine Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 18 ein Blockdiagramm ist, welches ein Modell zeigt, das das Erfassungsverhalten des in Fig. 17 dargestellten Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors beschreibt;
Fig. 19 ein Blockdiagramm ist, welches das Modell der Fig. 18 diskretisiert (als Meßpunkte) in den diskreten Zeitabfolgen für die Periode Delta T zeigt;
Fig. 20 ein Blockdiagramm ist, welches ein auf dem Modell der Fig. 19 beruhendes Echtzeit-Abschätzglied zeigt;
Fig. 21 ein Blockdiagramm ist, welches ein Auspuffgasmodell zeigt, das das Verhalten eines Auspuffsystems der Maschine beschreibt;
Fig. 22 eine Simulation zeigt, welche das in Fig. 21 dargestellte Modell verwendet, mit der Annahme, daß Kraftstoff zu drei Zylindern der Vier-Zylinder-Maschine derart geleitet wird, daß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 : 1 erhalten wird, und zu einem Zylinder derart, daß ein Luft/Kraftstoffverhältnis von 12,0 : 1 erhalten wird;
Fig. 23 das Ergebnis einer Simulation ist, welche die Ausgabe des Auspuffgasmodells zeigt, die für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an einem Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems der Maschine bezeichnend ist, wobei der Kraftstoff in der in Fig. 22 dargestellten Art und Weise zugeführt wird;
Fig. 24 ein weiteres Ergebnis einer Simulation ist, welches die Ausgabe des Auspuffgasmodells zeigt, das bezüglich einer Sensorerfassungs-Ansprechverzögerung eingestellt ist, im Gegensatz zur tatsächlichen Ausgabe des Sensors;
Fig. 25 ein Blockdiagramm ist, das die Anordnung eines herkömmlichen Beobachtungselements zeigt;
Fig. 26 ein Blockdiagramm ist, das die Anordnung eines Beobachtungselements zeigt, das in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 27 ein Blockdiagramm ist, das die Anordnung des Auspuffgasmodells mit dem in Fig. 26 dargestellten Beobachtungselement zeigt;
Fig. 28 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht ist, welche jedoch eine Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 29 eine der Fig. 9 entsprechende Ansicht ist, welche jedoch das Ergebnis einer Simulation zeigt, die bei der Steuereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt worden ist;
Fig. 30 eine der Fig. 10 entsprechende Ansicht ist, welche das Ergebnis einer Simulation zeigt, die an der Steuereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt worden ist; und
Fig. 31 ein Flußdiagramm ist, welches eine Stör- Steuerung zeigt, die bei der in Fig. 28 dargestellten Steuereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Fig. 1 ist ein Gesamt-Blockdiagramm einer Luft/Kraftstoff- Verhältnissteuereinrichtung für eine Mehrzylinder- Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet in dieser Figur eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern. Luft, welche durch ein Lufteinlaßsystem (nicht dargestellt) angesaugt wird, wird zusammen mit Kraftstoff durch einen Einspritzer jedes Zylinders (nicht dargestellt) eingespritzt, und der eingespritzte Kraftstoff mischt sich mit der eingelassenen Luft, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu bilden, das den ersten bis vierten Zylindern zugeführt wird. Das Gemisch wird dort gezündet, um die Verbrennung zu bewirken, und das durch die Verbrennung erzeugte Auspuffgas wird einem Auspuffsystem zugeführt, in dem, bevor es in die Umgebung abgelassen wird, giftige Komponenten durch einen Drei-Wege-Katalysator 14 aus dem Abgas entfernt werden.
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 16, welcher als Sauerstoffkonzentrationsdetektor ausgebildet ist, ist in jeder Zweigleitung eines Auspuffleitungssystems 17 in dem Auspuffsystem angeordnet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Auspuffgases zu erfassen, welches sich über einen weiten Bereich, der sich von mager bis angereichert erstreckt, linear mit der Sauerstoffkonzentration des Auspuffgases verändert. Da dieser Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor in der älteren offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 4(1992)- 369,471 der Anmelderin im Detail beschrieben ist, welche Anmeldung ebenso in den Vereinigten Staaten am 05. Mai 1992 mit der Nummer 07/878,596 angemeldet worden ist, wird dieser hier nicht beschrieben. Nachfolgend wird in dieser Beschreibung der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 16 als der "LAF-Sensor" bezeichnet (dieser Name ist von seiner Charakteristik, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis linear erfaßt werden kann, abgeleitet).
Zusätzlich ist ein fünfter Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 16a an einem Zusammenflußpunkt stromabwärts des Auspuffleitungssystems 17 und stromaufwärts des Katalysators 14 angeordnet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Zusammenflußpunkt oder -ort des Auspuffsystems der Maschine 10 zu erfassen. Ferner ist ein Sauerstoffsensor 18 in dem Auspuffsystem an einem Ort stromabwärts des Katalysators 14 angeordnet, um eine Spannung abzugeben, um in Antwort auf den Sauerstoffgehalt in dem Auspuffgas von einem hohen Pegel auf einen niederen Pegel (oder umgekehrt) umzuschalten, wenn dieser das stöchiometrische Verhältnis kreuzt.
Eine elektronische Steuereinheit 20, welche im wesentlichen einen Mikrocomputer umfaßt, ist vorgesehen, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Maschine 10 zu steuern. Die Steuereinheit 20 erfaßt die Maschinendrehzahl (als "NE" bezeichnet), den Absolutdruck in dem Leitungssystem (als "PB" bezeichnet), die Maschinenkühlmitteltemperatur (als "TW" bezeichnet) und dgl. durch Sensoren (nicht dargestellt) und steuert die der Maschine zuzuführende Kraftstoffeinspritzmenge. Die Kraftstoffeinspritzmenge wird derart gesteuert, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis folgt, welches eine vorbestimmte Wiederholungsrate und Amplitude aufweist, wie nachfolgend beschrieben wird.
Nun wird die Stör-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis derart eingestellt, daß es sich bezüglich der Zeit mit der vorbestimmten Wiederholungsrate (1 Hz) und Amplitude verändert und ist durch einen Korrekturkoeffizienten KWAVE definiert. Das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist als eine periodische Funktion ausgedrückt, eine Sinusfunktion (sinusförmig) in dieser Ausführungsform. Die Periode des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses ist auf 1000 (Millisekunden) gesetzt, wie in der Figur gezeigt. Das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird mit einem Zeitintervall TWAVE abgetastet, welches auf der Grundlage eines Intervalls zwischen zwei benachbarten OT- (oberer Totpunkt)-Kurbelwinkelpositionen (nachfolgend als OT- Intervall ME bezeichnet) bestimmt ist, um das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen und somit eine Kraftstoffeinspritzmenge Tout in einer nachfolgend beschriebenen Art und Weise zu bestimmen.
Bei der Steuerung, wie sie in der Fig. 1 kurz dargestellt ist, wird die Kraftstoffeinspritzmenge Tout, welche als eine Periode, in welcher der Einspritzer 12 erregt ist, bezeichnet ist, für die individuellen Zylinder wie folgt berechnet. Der Wert ist als Tout(CYL) bezeichnet. In gleicher Weise bezeichnet ein Wert mit "(CYL)" den Wert für jeden individuellen Zylinder:
Tout(CYL) = TiM × KTOTAL × KCMDM(CYL) + TTOTAL + TV,
wobei gilt:
Tout(CYL) = Kraftstoffeinspritzmenge für einen vorgegebenen Zylinder;
TiM = Basiskraftstoffeinspritzmenge, welche durch Entnahme von Daten, die in einer Tabelle in einem Speicher der Steuereinheit 20 gespeichert sind, unter Verwendung der Maschinendrehzahl NE und des Leitungssystem-Absolutdruck PB als Adreßdaten erhalten wird;
KTOTAL = Korrekturkoeffizient für verschiedene Korrekturen, mit welchem multipliziert wird;
KCMDM(CYL) = Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient bei dem betroffenen Zylinder;
TTOTAL = Korrekturkoeffizient für verschiedene Korrekturen, welcher zu addieren ist; und
TV = Korrekturkoeffizient für die Batteriespannung, welcher zu addieren ist.
Der oben genannte Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Korrekturkoeffizient KCMDM(CYL) wird wie folgt berechnet:
KCMDM(CYL) = KCMD(CYL) × KETC,
wobei gilt:
KCDM(CYL) = gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem betroffenen Zylinder;
KETC = Korrekturkoeffizient für die Kraftstoffkühlung.
Der oben genannte gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnisfaktor KCMD(CYL) wird wie folgt berechnet:
KCMD(CYL) = KBS × KWAVE × KWOT,
wobei gilt:
KBS = Basiswert, welcher durch Entnahme von in einer Tabelle gespeicherten Daten unter Verwendung der Maschinendrehzahl NE und des Leitungssystem-Absolutdrucks PB als Adreßdaten erhalten wird;
KWAVE = der vorher erwähnte Stör-Korrekturkoeffizient, welcher in Fig. 2 dargestellt ist; und
KWOT = Korrekturkoeffizient zur Kraftabgabeerhöhung bei hoher Maschinenlast.
Die Details der Stör-Steuerung gemäß der Erfindung werden mit Bezug auf das in Fig. 3 gezeigte Flußdiagramm erklärt.
Das Programm beginnt bei S10, wo das OT-Intervall ME eingelesen wird, und schreitet zu S12, wo ein Zykluskorrekturkoeffizient KWAVE-HZ aus in einem Speicher der Steuereinheit 20 in einer Tabelle gespeicherten Daten unter Verwendung der erfaßten Maschinendrehzahl NE und des Leitungssystem-Absolutdrucks PB entnommen wird. Dann schreitet das Programm zu S14, wo ein Amplitudenkorrekturkoeffizient KWAVE-GAIN aus einem zweiten Satz von in gleicher Weise in dem Speicher gespeicherten Tabellendaten mit den gleichen Parametern entnommen wird, und zu S16, wo eine Verschlechterung des Katalysators beurteilt wird, um die entnommenen Koeffizienten KWAVE-HZ und KWAVE-GAIN zu korrigieren.
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches das Bestimmen des Ausmaßes der Verschlechterung des Katalysators zeigt. In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung mit dem LAF-Sensor 16a stromaufwärts des Katalysators 14 und dem Sauerstoffsensor 18 stromabwärts desselben, wird die Verschlechterung durch Vergleichen von Umschaltperioden der Sensorausgabe beurteilt (die abgelaufene Zeit zwischen erfolgreichen Umschaltvorgängen von einem hohen zu einem niederen Pegel oder umgekehrt). In dem Flußdiagramm ist der LAF-Sensor 16a als Sensor "F" bezeichnet und der Sauerstoffsensor 18 als Sensor "R".
Zunächst wird bei S100 in geeigneter Art und Weise überprüft, ob die Sensoren F, R aktiviert worden sind. Wenn das Ergebnis bestätigend ist, schreitet das Programm zu S100, wo die erfaßte Maschinenkühlmitteltemperatur TW mit einem Referenzwert TWREF verglichen wird, und wo dann, wenn gefunden wird, daß TW nicht kleiner ist als TWREF, d. h. daß die Verbrennung stabil ist, das Programm zu S104 fortschreitet, wo beurteilt wird, ob die Maschine in einem gleichbleibenden Betriebszustand ist. Wenn dem so ist, schreitet das Programm zu S106, wo ein Koeffizient KCAT-AGED (Koeffizient, der für das Verschlechterungsausmaß des Katalysators 14 bezeichnend ist) gemäß einer angegebenen Gleichung berechnet wird. In der Gleichung wird T-Hz-R durch ein Unterprogramm (nicht dargestellt) erhalten, indem eine Zeitperiode der Ausgabe des Sensors R von einem Zeitpunkt, an dem sich der Sensor auf einen hohen Pegel (oder niederen) bewegt, bis zu dem nächsten Zeitpunkt, an dem die Sensorausgabe auf den niederen (oder hohen) Pegel übergeht, gemessen wird. T-Hz-F wird in gleicher Weise durch ein anderes Unterprogramm (nicht dargestellt) erhalten, indem eine Zeitperiode der Ausgabe des Sensors F zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem die Sensorausgabe einen vorbestimmten Referenzwert in einer vorgegebenen Richtung kreuzt, und einem zweiten Zeitpunkt, in dem die Sensorausgabe den Referenzwert in der entgegengesetzten Richtung kreuzt, gemessen wird. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß anstelle der Periode T-Hz-F die Periode des in Fig. 2 dargestellten Koeffizienten TWAVE, d. h. 1000 (Millisekunden) verwendet werden kann. Der Wert KE in der Gleichung ist ein Korrekturkoeffizient, welcher derart gesetzt ist, daß er sich mit der Maschinendrehzahl NE verändert.
Es sollte hier ebenso darauf hingewiesen werden, daß beide Perioden T-Hz-R,L durch Gewichtung gemittelt sind, und daß die sich ergebenden Mittelwerte als die Perioden verwendet werden. Z.B. ist die gewichtete Mittelung für T-Hz-R bestimmt durch:
T-Hz-R = (T-Hz-R(n) × A) + (T-Hz-R(n-1) × (1-A)), (A < 1)
worin (n) den Wert des momentanen Berechnungszyklus bezeichnet, und (n-1) den Wert eines unmittelbar vorhergehenden Berechnungszyklus bezeichnet. Der somit erhaltene Koeffizient KCAT-AGED wird in einem Sicherungs-RAM- Abschnitt des Speichers der Steuereinheit 20 gespeichert.
Das Programm schreitet nun zu S108, wo ein Korrekturkoeffizient KWAVE-Hz-AGED durch Entnehmen aus einer in dem Speicher gespeicherten Tabelle erhalten wird, unter Verwendung des in S106 erhaltenen Koeffizienten KCAT-AGED als Adreßwert, und schreitet dann zu S110, wo der Koeffizient KWAVE-Hz-AGED mit dem Koeffizienten KWAVE-Hz multipliziert wird, um diesen zu korrigieren.
Fig. 5 und die nachfolgenden Figuren zeigen die Charakteristiken des Koeffizienten KWAVE-Hz-AGED. Wie aus Fig. 5 klar wird, kann man sagen, daß das Verschlechterungsausmaß des Katalysators zunimmt, wenn die Differenz zwischen den Perioden T-Hz-R,L der Sensoren R, L, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators 14 angeordnet sind, zunimmt. Mit anderen Worten kann man sagen, daß die Verschlechterung zunimmt, wenn der Koeffizient KCAT- AGED abnimmt. Wie in Fig. 6 dargestellt, wird dementsprechend der Korrekturkoeffizient KWAVE-Hz-AGED derart erhalten, daß dann, wenn die Verschlechterung des Katalysators zunimmt, die Wiederholungsrate des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses derart korrigiert wird, daß sie verringert wird (verzögert).
Das Programm schreitet dann zu S112, wo ein Korrekturkoeffizient KWAVE-GAIN-AGED für den Amplituden- Korrekturkoeffizienten KWAVE-GAIN in gleicher Weise aus einer Tabelle entnommen wird (deren Charakteristik in Fig. 7 gezeigt ist), und schreitet dann zu S114, wo der Faktor KWAVE- GAIN mit dem entnommenen Korrekturkoeffizienten KWAVE-GAIN- AGED multipliziert wird, um diesen zu korrigieren. Der Koeffizient wird aus dem gleichen Grund derart erhalten, daß die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verkleinert wird, wenn das Verschlechterungsausmaß des Katalysators zunimmt.
Wenn man nun zu dem Flußdiagramm der Fig. 3 zurückkehrt, schreitet das Programm zu S18, wo das Meß-Zeitintervall TWAVE(n) (in dem momentanen Berechnungszyklus) für die KWAVE- Tabellenentnahme berechnet wird. Dies wird, wie dargestellt, durch Multiplizieren des OT-Intervalls ME mit dem Zykluskoeffizienten KWAVE-Hz und Addieren des Produkts zu TWAVE(n-1) (dem Wert des unmittelbar vorhergehenden Berechnungszyklus) durchgeführt. Das Programm schreitet dann zu S20, wo der somit erhaltene Wert TWAVE(n) mit einem vorbestimmten Grenzwert TLMT (gleich der Periode 1000 [Millisekunden] in Fig. 2) verglichen wird. Wenn gefunden wird, daß der Wert TWAVE(n) größer oder gleich dem Grenzwert TLMT ist, schreitet das Programm zu Schritt S22, wo der Grenzwert TLMT von dem Wert TWAVE(n) subtrahiert wird, um diesen zu korrigieren. Durch diese Anordnung wird der Wert TWAVE(n) auf den oder auf kleiner als den vorbestimmten Grenzwert eingeschränkt. Somit wird der Stör- Korrekturkoeffizient in aufeinanderfolgenden Intervallen wie in Fig. 2 dargestellt bestimmt, und wenn das Intervall gleich der Periode ist, oder diese überschreitet, wird es auf den Anfang zurückgesetzt. Das Programm schreitet dann zu S24, wo der Stör-Korrekturkoeffizient KWAVE(n) in Abhängigkeit des Meßzeitintervalls TWAVE(n) entnommen wird, und zu einem Schritt S26, in dem der Stör-Korrekturkoeffizient KWAVE(n) mit den Amplituden-Korrekturkoeffizienten KWAVE-GAIN multipliziert wird, um diesen zu korrigieren.
Der Amplituden-Korrekturkoeffizient KWAVE-GAIN wird nachfolgend weiter erklärt. Die Fig. 8 bis 10 stellen das Ergebnis einer Simulation dar, in welcher das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus der Tabelle der Fig. 2 durch das OT-Intervall diskretisiert (gemessen) wurde und in Antwort auf das so erhaltene Luft/Kraftstoff-Verhältnis Kraftstoff zugeführt wurde. Fig. 8 zeigt die erhaltenen Abtastdaten und Fig. 9 stellt die durch Verteilen der erhaltenen Werte auf die vier Zylinder erhaltenen gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisse in den einzelnen Zylindern dar. Fig. 10 stellt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Auspuffzusammenflußpunkt dar, wobei der Kraftstoff in Antwort auf die für die vier Zylinder bestimmten gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisse zugeführt worden ist. Wie man in Fig. 10 erkennen kann, nimmt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Auspuffzusammenflußpunkt von dem in Fig. 8 dargestellten Anfangswert ab. Dies kommt daher, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Auspuffzusammenflußpunkt als ein Gemisch der Luft/Kraftstoff- Verhältnisse in den individuellen Zylindern betrachtet wird, und daher die Amplitude gemittelt wird. Da jedoch die Wiederholungsrate (Frequenz) die gleiche wie die des Anfangswerts in Fig. 8 war, ist angenommen worden, daß der Unterschied durch Erhöhen des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses durch einen Zunahmekoeffizienten eingestellt werden könnte.
Aus diesem Grund wird der Amplituden-Korrekturkoeffizient KWAVE-GAIN eingeführt. Da es jedoch als bevorzugt angesehen wird, das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis in Antwort auf die Änderung der Maschinenbetriebsparameter, wie z. B. die Maschinendrehzahl NE oder den Leitungssystemabsolutdruck PB (oder die Maschinenkühlmitteltemperatur TW) oder das Verschlechterungsausmaß des Katalysators, zu variieren, um den Stör-Effekt zu vergrößern, sind Vorkehrungen getroffen, daß die Amplitude ebenso in Anbetracht der Änderung der Maschinenbetriebszustände oder dgl. verändert wird. Der Zykluskorrekturkoeffizient KWAVE-Hz wird aus dem gleichen Grunde eingestellt. Um genauer zu werden, sind bei der Erfindung Vorkehrungen getroffen, daß unabhängig von den Maschinenbetriebsparametern, wie z. B. der Maschinendrehzahl NE und dem Leitungssystemabsolutdruck PB, das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Maschine mit einer konstanten Wiederholungsrate und einer konstanten Amplitude zugeführt werden kann. Zur gleichen Zeit werden die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses in Antwort auf Veränderungen der Maschinenbetriebsparameter, wie z. B. der Maschinendrehzahl NE oder dem Leitungssystemabsolutdruck PB, verändert.
In dem Flußdiagramm der Fig. 3 schreitet das Programm dann zu S28, wo der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient KCMDM(CYL) und die Kraftstoffeinspritzmenge Tout für die individuellen Zylinder in der oben beschriebenen Art und Weise berechnet werden. Ein in Fig. 1 dargestellter LAF-F/B- Abschnitt ist mit einem PID-Steuerelement (nicht dargestellt) versehen und berechnet einen F/B-Korrekturkoeffizienten KLF, welcher mit der bestimmten Kraftstoffeinspritzmenge Tout(CYL) multipliziert wird, so daß die Differenz zwischen dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis an jedem Zylinder, welches durch den LAF-Sensor erfaßt wird, abnimmt. Das Programm schreitet dann zu S30, wo die Zylinder identifiziert werden.
Fig. 11 ist ein Flußdiagramm, welches das Unterprogramm zum Identifizieren der Zylinder zeigt. Das Programm beginnt bei S200, wo eine Überprüfung durchgeführt wird, ob der erste Zylinder in einer vorbestimmten Kurbelwinkelstellung ist oder nicht. Wenn die Beurteilung zustimmend ist, schreitet das Programm zu S202, wo die Kraftstoffeinspritzmenge Tout(*1) für den ersten Zylinder ausgegeben wird. Wenn nicht, schreitet das Programm zu den Schritten S204 bis S212, in welchen die Kraftstoffeinspritzmengen für die jeweiligen Zylinder nacheinander in der Zündreihenfolge ausgegeben werden.
Die Fig. 12 bis 16 stellen die Ergebnisse eines Tests dar, welcher an einem Testmotor mit den gleichen Betriebseigenschaften wie diejenigen des in Fig. 1 offenbarten durchgeführt worden ist. Die Fig. 12 bis 14 stellen die Testergebnisse in einem gleichbleibenden Maschinenbetriebszustand dar, und die Fig. 15 und 16 stellen diejenigen in Übergangs-Maschinenbetriebszuständen dar. Bei dem gleichbleibenden Maschinenbetriebszustand in den Fig. 12 bis 14 waren die Maschinendrehzahl NE und der Leitungssystemabsolutdruck PB auf 1500 U/min bzw. 399 mbar (300 mmHg) festgelegt. Das gewünschte Luft/Kraftstoff- Verhältnis war auf 1,0 Hz Wiederholungsrate und 1,84 × A/F als Amplitude für die Fig. 12 gesetzt, auf 1,0 Hz und 0,69 × A/F für die Fig. 13, auf 0,2 Hz und 0,69 × A/F für die Fig. 14. Im Übergangs-Maschinenbetriebszustand der Fig. 15 ist der Leitungssystemabsolutdruck PB wie dargestellt verändert worden, wobei das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf 1,0 Hz Wiederholungsrate und 1,38 × A/F Amplitude gesetzt war. In Fig. 16 ist die Maschinendrehzahl NE von 1500 auf 3500 U/min verändert worden, wobei das gewünschte Luft/Kraftstoff- Verhältnis auf 1,0 Hz Wiederholungsrate und 0,69 × A/F Amplitude festgelegt war. Die Amplitude ist durch Multiplizieren mit dem Luftkraftstoffverhältnis ausgedrückt worden. Es ist aus den Figuren zu erkennen, daß die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse in dem Auspuffzusammenflußpunkt in ihrer Wiederholungsrate und Amplitude annähernd konstant waren, nicht nur in dem gleichbleibenden Maschinenbetriebszustand, sondern auch in den Übergangs- Maschinenbetriebszuständen.
Mit dieser Anordnung wird es möglich, die Wiederholungsrate und die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses konstant zu machen, unabhängig von den Änderungen der Maschinenbetriebszustände. Dies liegt insbesondere an der Tatsache, daß das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis (korrekter gesagt der Stör- Korrekturkoeffizient KWAVE) bezüglich der Zeit gesetzt ist und mit dem OT-Intervall abgetastet wird und somit frei ist von Änderungen der Maschinendrehzahl NE.
Bei dieser Anordnung ist es ferner leicht zu verstehen, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einer offenen Steuerungsweise gesteuert wird, wenn die Maschine gestartet wird oder vollkommen gedrosselt ist.
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, welches die Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Steuereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
In der zweiten Ausführungsform ist lediglich ein LAF-Sensor 16 an dem Zusammenflußpunkt (-ort) des Auspuffsystems stromabwärts des Auspuffleitungssystems 17 angeordnet, und die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse der individuellen Zylinder werden aus der Sensorausgabe unter Verwendung eines nachfolgend erklärten Auspuffgasmodells geschätzt. Da dies jedoch bereits in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Hei 5(1993)- 180,044 der Anmelderin, die ebenso in den Vereinigten Staaten am 24. Dezember 1992 mit der Nummer 07/997,769 eingereicht worden ist, und der entsprechenden Europäischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 0553570, erklärt worden ist, wird es hier nur kurz erklärt. Auf diese Anmeldungen wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Für eine hochgenaue Aufteilung und Extraktion der Luft/Kraftstoff-Verhältnisse der individuellen Zylinder aus der Ausgabe des einzigen LAF-Sensors 16 ist es zunächst erforderlich, genau die Erfassungsansprechverzögerung des LAF- Sensors 16 festzustellen. Diese Verzögerung wird als eine Verzögerung erster Ordnung angenommen, und daher wird ein in Fig. 18 dargestelltes Modell aufgestellt. Hier kann, wenn LAF als die LAF-Sensorausgabe definiert ist und A/F als Eingangs- Luft/Kraftstoff-Verhältnis definiert ist, die Zustandsgleichung geschrieben werden als:
LÅF(t) = αLAF(t)-αA/F(t) (1).
Wenn die Zustandsgleichung für diskrete Zeitabfolgen für die Periode Delta T diskretisiert wird, erhält man:
Dabei ist
Die Gleichung (2) ist als ein Blockdiagramm in Fig. 19 wiedergegeben.
Daher kann die Gleichung (2) dazu verwendet werden, das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus der Sensorausgabe zu erhalten. D.h., da die Gleichung (2) als Gleichung (3) umgeschrieben werden kann, kann der Wert zur Zeit k-1 aus dem Wert zur Zeit K zurückgerechnet werden, wie durch die Gleichung (4) gezeigt.
Insbesondere ergibt die Verwendung einer Z-Transformation, um die Gleichung (2) als Transferfunktion auszudrücken, die Gleichung (5), und eine Echtzeitabschätzung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem vorgehenden Zyklus kann somit durch Multiplizieren der Sensorausgabe LAF des momentanen Zyklus mit seiner inversen Transferfunktion erhalten werden. Fig. 20 ist ein Blockdiagramm des Echtzeit- Abschätzglieds.
Die Separation und Extraktion der Luft/Kraftstoff-Verhältnisse der individuellen Zylinder unter Verwendung des in der vorhergehenden Art und Weise abgeschätzten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses wird nun beschrieben.
Wie in der älteren Anmeldung bereits beschrieben, wird angenommen, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems ein Mittelwert ist, der gewichtet ist, um die zeitabhängigen Beiträge der Luft/Kraftstoff-Verhältnisse der individuellen Zylinder wiederzugeben. Dies macht es möglich, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis am Zusammenflußpunkt zur Zeit K in der Art und Weise der Gleichung (6) auszudrücken. Da F (Kraftstoff) als die gesteuerte Variable in dem Auspuffgasmodell ausgewählt worden ist, wird in der Figur der Ausdruck Kraftstoff/Luft-Verhältnis F/A anstelle des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F verwendet. Zum leichteren Verständnis wird jedoch der Ausdruck "Luft/Kraftstoff- Verhältnis" nachfolgend beibehalten mit Ausnahme dann, wenn die Verwendung des Ausdrucks Verwirrung hervorrufen könnte. Hier bezeichnet *n in der Gleichung die Zylinderzahl und die Zündfolge der Zylinder ist als 1, 3, 4, 2 festgelegt. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (richtig das Kraftstoff/Luft- Verhältnis (F/A)) ist der durch Korrektur bezüglich der Ansprechverzögerung erhaltene Schätzwert.
Insbesondere kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Zusammenflußpunkt als die Summe der Produkte der vergangenen Zündentwicklungen der jeweiligen Zylinder mit den Gewichtsfaktoren C zusammengesetzt werden (z. B. 40% für den Zylinder, der unmittelbar vorher gezündet hat, 30% für den vorhergehenden usw.). Das Modell ist als Blockdiagramm in Fig. 21 gezeigt (nachfolgend als das "Auspuffgasmodell" bezeichnet). Die Zustandsgleichung des Auspuffgasmodells kann geschrieben werden als:
Wenn ferner das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Zusammenflußpunkt als y(k) definiert ist, kann die Ausgabegleichung ferner geschrieben werden als:
Dabei ist
C₁ = 0.25379, C₂ = 0.46111, C₃ = 0.10121, C₄ = 0.18389.
Da u(k) in dieser Gleichung nicht beobachtet werden kann, ist es immer noch nicht möglich, x(k) zu beobachten, selbst wenn ein Beobachtungselement aus der Gleichung gebildet wird. Wenn man jedoch mit der Annahme eines stabilen Betriebszustandes, in welchem es keine abrupte Veränderung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses von 4 OT vorher (d. h. von demselben Zylinder) gibt, festlegt, daß x(k+1) = x(k-3), erhält man die Gleichung (9).
Das Ergebnis einer Simulation für das in der vorangegangenen Art und Weise erhaltene Auspuffgasmodell wird nun angegeben.
Fig. 22 zeigt ein Beispiel der Simulation, in welcher drei Zylindern der Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine Kraftstoff derart zugeführt wurde, daß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 : 1 erhalten wurde, und einem Zylinder Kraftstoff derart, daß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 12,0 : 1 erhalten wurde. Fig. 23 ist ein Ergebnis der Simulation, welches das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu dieser Zeit an dem Zusammenflußpunkt zeigt, wobei das Ergebnis unter Verwendung des vorher genannten Auspuffgasmodells erhalten wurde. Während Fig. 23 zeigt, daß eine stufenartige Ausgabe erhalten wird, wird, wenn die vorher genannte Ansprechverzögerung des LAF- Sensors in Betracht gezogen wird, die Sensorausgabe zu einer geglätteten Welle, welche als "bezüglich der Verzögerung eingestellte Modellausgabe" in Fig. 24 bezeichnet ist. Das gute Übereinstimmen der Wellenformen der Modellausgabe und der tatsächlichen Sensorausgabe bestätigt die Zulässigkeit des Auspuffgasmodells als ein Modell des Auspuffgassystems einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine.
Somit wird das Problem auf das eines herkömmlichen Kalmanfilters reduziert, in welchem X(k) in der Zustandsgleichung und der Ausgabegleichung, welche in Gleichung (10) gezeigt sind, beobachtet wird. Wenn die Gewichtungsmatrizen Q, R als die Gleichung (11) definiert sind, und wenn die Riccati-Gleichung gelöst wird, ergibt sich die Zunahmematrix K wie in Gleichung (12) dargestellt.
Dabei ist:
Durch Erhalten von A-KC daraus ergibt sich die Gleichung (13).
Fig. 25 zeigt die Anordnung eines herkömmlichen Beobachtungselements. Da es jedoch in dem vorliegenden Modell keine Eingabe u(k) gibt, hat die Anordnung lediglich y(k) als eine Eingabe, wie in Fig. 26 dargestellt. Dies ist mathematisch durch die Gleichung (14) ausgedrückt.
Die Systemmatrix S des Beobachtungselements, dessen Eingabe y(k) ist, nämlich des Kalman-Filters, ist:
Bei dem vorliegenden Modell ist, wenn das Verhältnis des Elements der Gewichtszumessung R in der Riccati-Gleichung zu dem Element Q ist wie 1 : 1, die Systemmatrix F des Kalmanfilters gegeben als:
Fig. 27 zeigt das somit erhaltene Luft/Kraftstoff- Abschätzglied. Es ist nun möglich, die Luft/Kraftstoff- Verhältnisse in den individuellen Zylindern aus dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Auspuffzusammenflußpunkt abzuschätzen.
In der zweiten Ausführungsform werden die somit abgeschätzten Luft/Kraftstoff-Verhältnisse an den jeweiligen Zylindern in Rückkopplung auf das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der gleichen Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform gesteuert. Mit Ausnahme der Tatsache, daß die Anzahl an LAF- Sensoren 16 auf einen verringert ist, sind die Anordnung und die Vorteile der zweiten Ausführungsform im wesentlichen die gleichen, wie bei der ersten Ausführungsform.
Fig. 28 ist ein Blockdiagramm, welches eine Luft/Kraftstoff- Steuereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorangehenden Ausführungsformen darin, daß das Auspuffgasmodell zum Verteilen des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf die individuellen Zylinder verwendet wird. Fig. 29 und 30 zeigen die Ergebnisse einer Simulation. Fig. 29 stellt die gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisse an den individuellen Zylindern dar, welche durch Eingeben des in Fig. 8 dargestellten gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in das Auspuffgasmodell (Beobachtungselement) erhalten werden, um das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis an den individuellen Zylindern abzuschätzen. Fig. 30 stellt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an dem Auspuffzusammenflußpunkt dar, wenn Kraftstoff in Antwort auf die so abgeschätzten gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisse zugeführt wird. Man erkennt in Fig. 30, daß das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit der annähernd gleichen Wiederholungsrate und Amplitude, wie diejenigen des Anfangswertes erhalten worden ist. D.h. die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses hat in der dritten Ausführungsform nicht abgenommen, wie es in der ersten Ausführungsform der Fall war.
Fig. 31 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb der Steuereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
Das Programm beginnt bei S10 und es werden die gleichen Prozeduren wie diejenigen in der ersten Ausführungsform durchgeführt, bis das Programm S26 erreicht, wobei die Schritte S14 bis S24 in der Figur nicht dargestellt sind. Das Programm schreitet dann zu S300, wo der Stör- Korrekturkoeffizient KWAVE(n) in die Systemmatrix S des Beobachtungselements eingegeben wird. Der sich daraus ergebende Wert wird als KWAVE-OBSV bezeichnet. Das Programm schreitet dann zu S302, wo der so erhaltene Wert KWAVE-OBSV in den Stör-Korrekturkoeffizient KWAVE(n) umbenannt wird, schreitet dann zu S304, wo der Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Korrekturkoeffizient KCMD(CYL) und die Kraftstoffeinspritzmenge Tout(CYL) in gleicher Weise wie in der ersten Ausführungsform berechnet werden, und dann zu S306, wo die Zylinder identifiziert werden und die Kraftstoffeinspritzmenge Tout(CYL) zu dem betroffenen Zylinder abgegeben wird.
Die dritte Ausführungsform gleicht bezüglich der Ausgestaltung und der Vorteile den vorangehenden Ausführungsformen, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nicht korrigiert werden muß.
Bei der dritten Ausführungsform wird das Auspuffgasmodell ebenso dazu verwendet, die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse an den individuellen Zylindern abzuschätzen, wie in Fig. 28 dargestellt. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß es alternativ möglich ist, einen LAF-Sensor 16 für jeden Zylinder vorzusehen. Insbesondere ist es alternativ möglich, das Modell nur für das Verteilen des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf die jeweiligen Zylinder zu verwenden, leicht modifiziert in eine Luft/Kraftstoff- Steuereinrichtung mit offener Steuerung.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß, obwohl eine Sinusfunktion als ein Beispiel der periodischen Funktion verwendet wird, es alternativ möglich ist, wie in Fig. 1 dargestellt, andere Wellen, wie z. B. eine Rechteckwelle, eine Dreieckwelle oder dgl. zu verwenden.
Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, daß, obwohl das Ausmaß der Verschlechterung des Katalysators durch Vergleichen der Umschaltperioden der Ausgaben der Sensoren beurteilt wird, die stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators angeordnet sind, die Offenbarung der Erfindung nicht auf dieses Verfahren eingeschränkt ist, und es alternativ möglich ist, anstelle dessen jedes andere Verfahren zu verwenden.
Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, daß, obwohl der Sauerstoffsensor 18 an dem Ort stromabwärts des Katalysators verwendet wird, es alternativ möglich ist, den LAF-Sensor anstelle des Sauerstoffsensors zu verwenden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Vier- Zylinder-Brennkraftmaschine. Bei der Einrichtung wird ein tatsächlich vorliegendes Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromaufwärts oder/und stromabwärts eines Katalysators, welcher in einem Auspuffsystem der Maschine angeordnet ist, absichtlich bezüglich seiner Amplitude und/oder seiner Wiederholungsrate oszilliert. Eine Charakteristik eines gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wird als periodische Funktion bezüglich der Zeit aufgestellt, so daß das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis sich mit einer vorbestimmten Amplitude oder/und Wiederholungsrate innerhalb einer vorbestimmten Periode verändert. Die Charakteristik kann mit einem Zeitintervall abgetastet werden, das auf der Grundlage eines Zeitintervalls zwischen OT-Kurbelwinkelstellungen der Maschine bestimmt wird. Das gewünschte Luft/Kraftstoff- Verhältnis für jeden Zylinder wird dann aus den durch Abtasten erhaltenen Daten bestimmt, und eine Luft/Kraftstoff-Menge für jeden Zylinder wird aus den gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnissen der den jeweiligen Zylinder bestimmt. Der Kraftstoff wird dann jedem Zylinder in Antwort auf die bestimmte Kraftstoffeinspritzmenge zugeführt. Ein tatsächlich vorliegendes Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird bei jedem Zylinder erfaßt oder abgeschätzt und in Rückkopplung auf das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Steuern eines Luft/Kraftstoff- Verhältnisses einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (10) derart, daß ein tatsächlich vorliegendes Luft/Kraftstoff- Verhältnis (A/F) stromaufwärts oder/und stromabwärts eines Katalysators (14), welcher in einem Auspuffsystem der Maschine (10) angeordnet ist, absichtlich in seiner Amplitude oder/und seiner Wiederholungsrate oszilliert wird, umfassend:
  • - erste Mittel (in 20) zum Aufstellen einer Charakteristik eines gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses (KWAVE) als periodische Funktion derart, daß das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis (KWAVE) sich in einer vorbestimmten Amplitude oder/und Wiederholungsrate innerhalb einer vorbestimmten Periode verändert,
  • - zweite Mittel (in 20) zum Abtasten der Charakteristik mit einem Zeitintervall (TWAVE), welches auf der Grundlage eines Zeitintervalls (ME) zwischen OT- Kurbelwinkelstellungen der Maschine (10) bestimmt ist,
  • - dritte Mittel (in 20) zum Bestimmen eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (KCMD(CYL)) für jeden Zylinder (*n) aus den durch das Abtasten erhaltenen Daten,
  • - vierte Mittel (in 20) zum Bestimmen einer Kraftstoffeinspritzmenge (Tout(CYL)) für jeden Zylinder (*n) aus dem für den jeweiligen Zylinder (*n) bestimmten gewünschten Luft/Kraftstoffverhältnis (KCMD(CYL)), und
  • - fünfte Mittel (in 20) zum Zuführen von Kraftstoff zu jedem Zylinder (*n) in Antwort auf die bestimmte Kraftstoffeinspritzmenge (Tout(CYL)).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Mittel (in 20) einen Koeffizienten (KWAVE-GAIN) mit dem für jeden Zylinder (*n) bestimmten gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis (KCMD(CYL)) multiplizieren, um die Amplitude des gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (KCMD(CYL)) einzustellen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Mittel (in 20) umfassen:
  • - sechste Mittel (in 20) zum Annehmen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (F/A(n)) an einem Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems der Maschine (10) als einen Mittelwert, der aus einer Summe von mit einem vorbestimmten Wert (C) gewichteten Produkten der vergangenen Zündentwicklungen jedes Zylinders (*n) gebildet ist, und zum Aufstellen eines Modells unter Verwendung von Luft/Kraftstoffverhältnissen (F/A (*n)) jedes Zylinders als Zustandsvariablen;
  • - siebte Mittel (in 20) zum Erhalten einer Zustandsgleichung bezüglich der Zustandsvariablen, und
  • - ein Beobachtungselement (S), das die zustandsvariablen beobachtet, und daß die dritten Mittel (in 20) die durch das Abtasten erhaltenen Daten in das Beobachtungselement (S) eingeben und das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis (KCMD(CYL)) jedes Zylinders (*n) auf der Grundlage einer Ausgabe des Beobachtungselements (S) bestimmen.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Mittel (in 20) die Amplitude oder/und die Wiederholungsrate des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses (KCMD(CYL)) in Antwort auf einen Maschinenbetriebsparameter (NE, PB) variieren.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenbetriebsparameter (NE, PB) die Maschinendrehzahl (NE) oder/und die Maschinenlast (PB) umfaßt.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Mittel (in 20) die Amplitude oder/und die Wiederholungsrate des gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses (KCMD(CYL)) in Antwort auf ein Ausmaß der Verschlechterung des Katalysators (14) verändern.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Mittel (in 20) das tatsächlich vorliegende Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) für jeden Zylinder (*n) bestimmen, und daß die dritten Mittel (in 20) das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis (KCMD(CYL)) für jeden Zylinder (*n) derart bestimmen, daß eine Abweichung von dem bestimmten tatsächlich vorliegenden Luft/Kraftstoff- Verhältnis (A/F) abnimmt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor (16) für jeden Zylinder (*n) vorgesehen ist, und daß die dritten Mittel (in 20) das tatsächlich vorliegende Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) für jeden Zylinder (*n) aus einer Ausgabe des entsprechenden Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors (16) bestimmen.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend:
  • - einen an einem Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems vorgesehenen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor (16);
  • - achte Mittel (in 20) zum Annehmen eines ausgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (F/A(n)), welches das tatsächlich vorliegende Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) an dem Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems der Maschine (10) angibt, als einen Mittelwert, welcher aus einer Summe von mit einem vorbestimmten Wert (C) gewichteten Produkten der vergangenen Zündentwicklungen jedes Zylinders (*n) gebildet ist, und zum Aufstellen eines Modells unter Verwendung von Luft/Kraftstoff- Verhältnissen (F/A(*n)) jedes Zylinders als Zustandsvariablen,
  • - neunte Mittel (in 20) zum Erhalten einer Zustandsgleichung bezüglich der Zustandsvariablen, und
  • - ein Beobachtungselement (5), das die Zustandsvariablen beobachtet, wobei die dritten Mittel (in 20) das tatsächlich vorliegende Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) jedes Zylinders (*n) auf der Grundlage einer Ausgabe von dem Beobachtungselement (S) bestimmen.
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