DE69407701T2

DE69407701T2 - Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Kalkulator für eine Bremskraftmaschine

Info

Publication number: DE69407701T2
Application number: DE69407701T
Authority: DE
Inventors: Shusuke Akazaki; Yusuke Hasegawa; Eisuke Kimura; Isao Komoriya; Yoichi Nishimura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1994-09-12
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: EP0643211A1; DE69407701D1; EP0643211B1; JPH0783097A; US5569847A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Luft-Kraftstoffverhältnis- Schätzeinrichtung für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine zum Schätzen des Luft-Kraftstoffverhältnisses aus einem Ausgang eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors mit hoher Genauigkeit.

Beschreibung vom Stand der Technik

Es ist übliche Praxis, einen Luft-Kraftstoffverhältnissensor am Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems einer Brennkraftmaschine anzubringen, um das Luft-Kraftstoffverhältnis an dieser Stelle zu erfassen. Ein System dieser Art ist beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Sho 59(1984)-101,562 beschrieben.
Abgesehen davon hat der Anmelder früher vorgeschlagen, ein Modell auszubilden, welches das Verhalten der Ansprechverzägerung der Sensorerfassung beschreibt und das Eingangs-Luft-Kraftstoffverhältnis eines der Maschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs aus dem Ausgang des am Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems angeordneten Luft-Kraftstoffverhältnissensors durch Korrektur gemäß der Ansprechverzögerung genau schätzt, und dann ein anderes Modell auszubilden, welches das Verhalten des Auspuffsystems beschreibt und welches das geschätzte, gemäß der Ansprechverzögerung korrigierte Lutt-Kraftstoffverhältnis am Zusammenflußpunkt in das Modell eingibt, und ein Überwachungselement zu konstruieren, um die Luft-Kraftstoffverhältnisse an den einzelnen Zylindern zu schätzen (EP-A-553 570). Der dort verwendete Sensor ist kein O&sub2;-Sensor, der einen invertierten Ausgang nur in der Nähe des stöchiometrischen Luft- Kraftstoffverhältnisses erzeugt, sondern ein Breitband-Luft-Kraftstoffverhältnissensor, der einen Erfassungsausgang erzeugt, der proportional zur Sauerstoffkonzentration des Abgases ist.
Weil das in dem Zylinder verbleibende verbrannte Gas durch den Kolben im Verlauf eines Auslaßhubs als das Abgas ausgeschwemmt wird, wird bei der Erfassung das Verhalten des Luft-Kraftstoffverhältnisses am Zusammenflußpunkt des Auspuffsystems der Mehrzylinderbrennkraftmaschine als synchron mit der Kurbelposition am oberen Totpunkt betrachtet. Das bedeutet, daß die Luft-Kraftstoffverhältnisabtastung durch den besagten Luft-Kraftstoffverhäitnissensor synchron mit der OT-Kurbelposition erfolgen sollte, d.h., daß die Abtastung nicht frei ist von den Kurbelwinkeln der Maschine. Weil sich jedoch das Abtastintervail mit der Motordrehzahl ändert, kann es manchmal schwierig sein, das Luft-Kraftstoffverhältnis genau zu schätzen, wenn man das Luft-Kraftstoffverhältnis unter Verwendung des besagten Modells abschätzt, welches das Verhalten der Ansprechverzögerung der Sensorerfassung beschreibt.
Ein Ziel der Erfindung ist es daher, das Problem zu überwinden und eine Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine anzugeben, mit der man unter Verwendung des besagten Modells die Sensorerfassungsverzägerung zum Schätzen des Luft-Kraftstoffverhältnisses korrigieren kann, wobei der Einfluß zumindest der Motordrehzahl gesenkt wird, um hierdurch die Erfassungsgenauigkeit des Luft-Kraftstoffverhältnisses zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine anzugeben, mit der man, unter Verwendung des das Verhalten des Auspuffsystems beschreibenden zweiten Modells und des Überwachungselements, die Luft-Kraftstoffverhältnisse an den einzelnen Zylindern auf Basis des gemäß der Ansprechverzägerung der Sensorerfassung korrigierten Luft-Kraftstoffverhältnisses mit hoher Genauigkeit schätzen kann.
Um diese Ziele zu realisieren, zeigt die vorliegende Erfindung eine Luft- Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung, die das Luft-Kraftstoffverhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft- und Kraftstoffgemisches aus einem synchron mit einer vorbestimmten Kurbeposition abgetasteten Ausgang eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors schätzt, umfassend:
ein erstes Mittel zum Annähern einer Erfassungsansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoffverhältnissensors als Zeitverzögerungssystem erster Ordnung zum Erzeugen einer Zustandsgleichung aus dem Zeitverzögerungssystem erster Ordnung;
ein zweites Mittel zum Diskretisieren der Zustandsgleichung für eine Periode Delta T zum Erhalt einer diskretisierten Zustandsgleichung;
ein drittes Mittel zum Berechnen einer Transferfunktion aus der diskretisierten Zustandsgleichung;
ein viertes Mittel zum Berechnen einer inversen Transferfunktion aus der Transferfunktion;
ein fünftes Mittel zum Bestimmen eines Korrekturkoeffizienten der inversen Transferfunktion und Multiplizieren der inversen Transferfunktion und des Korrekturkoeffizienten mit dem Ausgang des Luft-Kraftstoffverhältnissensors zum Schätzen eines Luft-Kraftstoffverhältnisses des der Maschine zugeführten Luft- und Kraftstoffgemisches. Die Verbesserung beinhaltet, daß das fünfte Mittel den Korrekturkoeffizienten bezüglich der Motordrehzahl bestimmt und bei oder unter einer vorbestimmten Motordrehzahl den Korrekturkoeffizienten auf Null setzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, worin:
Figur 1 ist eine schematische Gesamtansicht einer Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist Blockdiagramm mit Darstellung der Details einer in Figur 1 gezeigten Steuereinheit;
Figur 3 ist ein Flußdiagramm mit Darstellung des Betriebs der in Figur 1 gezeigten Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine;
Figur 4 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung eines Modells, welches das Erfassungsverhalten eines Luft-Kraftstoffverhältnisses gemäß einer früheren Anmeldung des Anmelders beschreibt;
Figur 5 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung des in Figur 4 gezeigten Modells, das in die zeitdiskreten Serien der Periode Delta T unterteilt ist;
Figur 6 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung einer Echtzeit-Luft- Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung auf Basis des Modells von Figur 5;
Figur 7 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung eines Modells, das das Verhalten des Auspuffsystems der Maschine nach der früheren Anmeldung des Anmelders beschreibt;
Figur 8 ist eine erläuternde Ansicht einer Simulation unter der Annahme, daß Kraftstoff drei Zylindern eines Vierzylindermotors zum Erhalt eines Luft-Kraftstoffverhältnisses von 14,7:1 und einem Zylinder zum Erhalt eines Luft-Kraftstoffverhältnisses von 12,0:1 zugeführt wird;
Figur 9 ist das Ergebnis der Simulation mit Darstellung des Ausgangs des Abgassystemmodells, welches das Luft-Kraftstoffverhältnis an einem Zusammenflußpunkt bezeichnet, wenn der Kraftstoff in der in Figur 8 gezeigten Weise zugeführt wird;
Figur 10 ist das Ergebnis der Simulation mit Darstellung des Ausgangs des Abgassystemmodells, das gemäß der Ansprechverzögerung der Sensorerfassung (Zeitverzögerung) korrigiert ist, im Gegensatz zum tatsächlichen Ausgang des Sensors;
Figur 11 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung der Konfiguration eines normalen Überwachungselements;
Figur 12 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung der Konfiguration des Überwachungselements, auf das in der früheren Anmeldung des Anmelders Bezug genommen wird;
Figur 13 ist ein erläuterndes Blockdiagramm mit Darstellung der Konfiguration mit Kombination des Modells von Figur 7 und des Überwachungselements von Figur 1 2;
Figur 14 ist ein Blockdiagramm mit Darstellung einer Luft-Kraftstoffverhältnisregelung, in der das Luft-Kraftstoffverhältnis durch einen P/D- Regler auf ein gewünschtes Verhältnis geregelt wird;
Figur 15 ist eine erläuternde Ansicht mit Darstellung der Kennlinie eines Korrekturkoeffizienten zur Verwendung in dem Flußdiagramm von Figur 3; und
Figur 16 ist eine erläuternde Ansicht mit Darstellung der Schätzung des Überwachungselements bei hoher Motordrehzahl im Gegensatz zu jener bei geringer Motordrehzahl.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Figur 1 ist eine Gesamtschemaansicht einer Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dieser Erfindung. Die Bezugszahl 10 in dieser Figur bezeichnet eine Vierzylinderbrennkraftmaschine. Luft, die durch einen am äußeren Ende einer Lufteinlaßpassage 12 angebrachten Luftfilter 14 angesaugt ist, wird durch einen Einlaßkrümmer 18 den ersten bis vierten Zylindern zugeführt, wobei deren Strömung durch ein Drosselventil 16 eingestellt wird. in der Nähe eines Einlaßventils (nicht gezeigt) jedes Zylinders ist eine Einspritzdüse 20 zum Einspritzen von Kraftstoff angebracht. Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich mit der Einlaßluft unter Bildung eines Luft-Kraftstoffgemisches, das in dem zugeordneten Zylinder durch eine Zündkerze (nicht gezeigt) gezündet wird. Die sich ergebende Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches treibt einen Kolben (nicht gezeigt) nach unten. Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas wird durch ein Auslaßventil (nicht gezeigt) in einen Auspuffkrümmer 22 abgegeben, von wo es durch ein Auspuffrohr 24 zu einem katalytischen Dreiwegewandler 26 geleitet wird, wo schädliche Bestandteile entfernt werden, bevor es nach außen abgegeben wird. Zusätzlich wird der Lufteinlaßweg 12 von einem Bypass 28 umgangen, der darin in der Nähe des Drosselventils 16 vorgesehen ist.
Ein Kurbewinkelsensor 34 zum Erfassen der Kolbenkurbelwinkel ist in einem Zündverteiler (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen, ein Drosselpositionssensor 36 ist vorgesehen, um den Öffnungsgrad des Drosselventils 16 zu erfassen, und ein Krümmerabsolutdrucksensor 38 ist vorgesehen, um den Druck der Einlaßluft stromab des Drosselventils 16 als Absolutdruck zu erfassen. Zusätzlich ist einem Zylinderblock (nicht gezeigt) ein Kühlwassertemperatursensor 39 vorgesehen, um die Temperatur eines Kühlwassermantels (nicht gezeigt) in dem Block zu erfassen. Ein Breitband- Luft-Kraftstoffverhältnissensor 40, der als Sauerstoffkonzentrationsdetektor ausgebildet ist, ist an einem Zusammenflußpunkt in dem Auspuffsystem zwischen dem Auspuffkrümmer 22 und dem katalytischen Dreiwegewandler 26 vorgesehen, wo er die Sauerstoffkonzentration des Abgases an dem Zusammenflußpunkt erfaßt und einen hierzu proportionalen Ausgang erzeugt. Die Ausgänge des Kurbelwinkelsensors 34 und der anderen Sensoren werden zu einer Steuereinheit 42 geleitet.
Details der Steuereinheit 42 sind im Blockdiagramm von Figur 2 gezeigt. Der Ausgang des Breitband-Luft-Kraftstoffverhältnissensors 40 wird von einer Erfassungsschaltung 46 der Steuereinheit 42 aufgenommen, wo er einem geeigneten Linearisierungsprozeß unterzogen wird, um ein Luft- Kraftstoffverhältnis (A/F) zu erhalten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es sich linear mit der Sauerstoffkonzentration des Abgases über einen breiten Bereich ändert, der von der mageren Seite bis zur fetten Seite hin reicht. Weil dieser Luft-Kraftstoffverhältnissensor im Detail in der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 3-1 69456 des Anmelders beschrieben ist (japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 4-369471, die in den Vereinigten Staaten unter der Nummer 07/878,596 eingereicht wurde) wird er hier nicht weiter erläutert. Anschließend wird in dieser Beschreibung der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor als LAF-Sensor (linearer A-durch-F-Sensor) bezeichnet. Der Ausgang der Erfassungsschaltung 46 wird durch einen A/D (Analogldigital)-Wandler 48 einem Mikrocomputer zugeführt, der eine CPU (zentrale Prozessoreinheit) 50, ein ROM (Nurlesespeicher) 52 und ein RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 54 aufweist, und wird in dem RAM 54 gespeichert.
In ähnlicher Weise werden die Analogausgänge des Drosselpositionssensors 36 ect. in den Mikrocomputer durch einen Pegelwandler 56, einen Multiplexer 58 und einen zweiten A/D-Wandler 60 eingegeben, während der Ausgang des Kurbelwinkelsensors 34 in einem Wellenformer 62 geformt wird und dessen Ausgangswert von einem Zähler 64 gezählt wird, wobei das Ergebnis der Zählung in den Mikrocomputer eingegeben wird. Gemäß in dem ROM 52 gespeicherten Befehlen verwendet die CPU 50 des Mikrocomputers die erfaßten Werte zur Berechnung einer manipulierten Variablen, treibt die Einspritzdüsen 20 der jeweiligen Zylinder über eine Treiberschaltung 66 an, um die Kraftstoffeinspritzung zu steuern, und treibt ein Solenoidventil 70 über eine zweite Treiberschaltung 68 an, um die Menge an Sekundärluft zu steuern, die durch den in Figur 1 gezeigten Bypass 28 fließt.
Der Betrieb des Systems ist im Flußdiagramm von Figur 3 gezeigt. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird jedoch zuerst das früher vorgeschlagene Modell zur Beschreibung des Verhaltens eines Abgassystems beschrieben.
Zur hochgenauen Trennung und Extraktion der Luft-Kraftstoffverhältnisse der einzelnen Zylinder aus dem Ausgang eines einzelnen LAF-Sensors ist es zunächst erforderlich, die Ansprechverzögerung der Erfassung (Verzögerungszeit) des LAF-Sensors genau festzustellen. Die Erfinder verwendeten daher eine Simulation zum Erhalt eines Modells dieser Verzögerung als Zeitverzögerungssystem erster Ordnung. Hierzu wurde das in Figur 4 gezeigte Modell aufgestellt. Wenn wir hier definieren LAF: LAF-Sensorausgang und A/F : Eingangs-Luft-Kraftstoffverhältnis, läßt sich die Zustandsgleichung schreiben als:
LÅF(t) = αLAF(t)-αA/F(t) ........... (1)
Wenn diese für eine Zeitperiode Delta T diskretisiert wird, erhalten wir
LAF(k+1) = αLAF(k)+(1-α)A/F(k) ..... (2)
Hier ist α ein Korrekturkoeffizient und ist definiert als:
α = 1+αΔT+(1/2!)α²ΔT²+(1/3!)α³ΔT³+(1/4!)α&sup4;ΔT&sup4;
Gleichung 2 ist als Blockdiagramm in Figur 5 dargestellt.
Daher läßt sich Gleichung 2 verwenden&sub1; um aus dem Sensorausgang das momentane Luft-Kraftstoffverhältnis zu erhalten. D.h., weil Gleichung 2 in Gleichung 3 umgeschrieben werden kann, läßt sich der Wert zum Zeitpunkt k-1 von dem Wert zum Zeitpunkt k zurückrechnen, wie in Gleichung 4 gezeigt.
A/F(k) = {LAF(k+1)-αLAF(k)}/(1-α) ..... (3)
A/F(k-1) = {LAF(k)-αLAF(k-1)}/(1-α) .... (4)
Insbesondere ergibt die Verwendung einer Z-Transformation zum Ausdrücken der Gleichung 2 als Transferfunktion die Gleichung 5, und eine Echtzeitabschätzung des Luft-Kraftstoffverhältniseingangs im vorhergehenden Zyklus läßt sich erhalten durch Multiplizieren des Sensorausgangs LAF des gegenwärtigen Zyklus mit der inversen Transferfunktion und dem Korrekturkoeffizienten α. Figur 6 ist ein Blockdiagramm der Echtzeit-Luft- Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung.
t(z) = (1-α)/(Z-α) ..... (5)
Nun wird das Verfahren zum Trennen und Extrahieren der Luft-Kraftstoffverhältnisse der einzelnen Zylinder auf Basis des in vorstehender Weise erhaltenen momentanen Luft-Kraftstoffverhältnisses erläutert. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis am Zusammenflußpunkt des Abgassystems als gewichteter Durchschnittswert angenommen wird, um die zeitliche Verteilung der Luft-Kraftstoffverhältnisse der einzelnen Zylinder wiederzuspiegeln, wird es möglich, das Luft-Kraftstoffverhältnis an dem Zusammenflußpunkt zum Zeitpunkt k gemäß Gleichung 6 auszudrücken. (Weil F (Kraftstoff) als die manipulierte Variable gewählt wurde, wird hier das Kraftstoff-Luftverhältnis F/A verwendet. Zum leichteren Verständnis wird jedoch das Luft-Kraftstoffverhältnis bei der Erläuterung insofern verwendet, als dessen Verwendung zu keinen Problemen führt. Der hierin verwendete Begriff "Luft-Kraftstoffverhältnis" (oder "Kraftstoff-Luftverhältnis") ist der momentane Wert, der gemäß der Ansprechverzögerungszeit korrigiert ist, die gemäß Gleichung 5 berechnet ist.)
[F/A](k) = C&sub1;[F/A#&sub1;]+C&sub2;[F/A#&sub3;] +C&sub3;CF/A#&sub4;]+C&sub4;[F/A#&sub2;]
[F/A](k+1) = C&sub1;[F/A#&sub3;]+C&sub2;[F/A#&sub4;] +C&sub3;CF/A#&sub2;]+C&sub4; [F/A#&sub1;]
[F/A](k+2) = C&sub1;[F/A#&sub4;]+C&sub2;[F/A#&sub2;] +C&sub3;[F/A#&sub1;]+C&sub4;[F/A#&sub3;]
... (6)
Insbesondere läßt sich das Luft-Kraftstoffverhältnis am Zusammenflußpunkt ausdrücken als die Summe der Produkte der bisherigen Zündvorgänge der jeweiligen Zylinder und der Wichtungen C (beispielsweise 40 % für den Zylinder, der zuletzt gezündet hat, 30 % für den davor gezündeten usw.). Dieses Modell läßt sich als Blockdiagramm ausdrücken, wie in Figur 7 gezeigt.
Dessen Zustandsgleichung läßt sich schreiben als
Wenn ferner das Luft-Kraftstoffverhältnis am Zusammenflußpunkt als y(k) definiert wird, läßt sich die Ausgangsgleichung schreiben als
Hier ist:
c&sub1;:0.25379, c&sub2;:0.46111, c&sub3;:0.10121, c&sub4;:0.18389
Weil u(k) in dieser Gleichung nicht überwacht werden kann, auch wenn aus der Gleichung ein Überwachungselement gebildet wird, ist es noch immer nicht mäglich, x(k) zu überwachen. Wenn man somit x(k + 1) = x(k-3) definiert, unter der Annahme eines stabilen Betriebszustands, in dem keine abrupte Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses von jenem 4 OTs zuvor stattfindet (d.h. von dem desselben Zylinders) erhält man Gleichung 9.
Nun werden die Simulationsergebnisse des in der vorstehenden Weise erhaltenen Modells beschrieben. Figur 8 betrifft den Fall, in dem Kraftstoff drei Zylindern einer Vierzylinderbrennkraftmaschine zum Erhalt eines Luft- Kraftstoffverhältnisses von 14,7 : 1 und einem Zylinder zum Erhalt eines Luft-Kraftstoffverhältnisses von 12,0 :1 zugeführt wird. Figur 9 zeigt das Luft-Kraftstoftverhältnis zu dieser Zeit am Zusammenflußpunkt, wie man es unter Verwendung des vorstehenden Modells erhält. Während Figur 9 zeigt, daß man einen gestuften Ausgang erhält, wenn die Ansprechverzägerung (Verzögerungszeit) des LAF-Sensors berücksichtigt wird, der Sensorausgang die geglätte Welle wird, die in Figur 10 als "gemäß Verzägerung korrigierter Ausgang des Modells" bezeichnet wird. Die als "momentane Ausgabe des Sensors" bezeichnete Kurve beruht auf der momentan beobachteten Ausgabe des LAF-Sensors unter den gleichen Bedingungen. Die sich hierbei ergebende enge Übereinstimmung des Modells verifiziert die Gültigkeit des Modells als ein Modell des Auspuffsystems einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine.
Somit reduziert sich das Problem auf das eines üblichen Kalman-Filters, in dem x(k) in der Zustandsgleichung, Gleichung 10, und der Ausgangsgleichung überwacht werden. Wenn die gewichteten Matrizes Q, R wie in Gleichung 11 bestimmt werden und die Riccati's-Gleichung aufgelöst wird, wird die Verstärkungsfaktormatrix K so, wie in Gleichung 12 gezeigt.
Hierbei ist:
Der Erhalt A-KC aus dieser Gleichung ergibt Gleichung 13.
Figur 11 zeigt die Konfiguration eines normalen Überwachungselements. Weil jedoch in dem vorliegenden Modell kein Eingang u(k) vorhanden ist, hat die Konfiguration lediglich y(k) als Eingang, wie in Figur 12 gezeigt. Dies ist in Gleichung 14 mathematisch ausgedrückt.
Die Systemmatrix des Überwachungselements, deren Eingang y(k) ist, nämlich der Kalman-Filter, ist
Wenn im vorliegenden Modell das Verhältnis das Element der gewichteten Verteilung R in der Riccati's-Gleichung zum Element von Q gleich 1 : 1 ist, ergibt sich die Systemmatrix S des Kalman-Filters als:
Figur 13 zeigt die Konfiguration, in der das besagte Modell und das Überwachungselement kombiniert sind. Weil dies im Detail in der früheren Anmeldung des Anmelders beschrieben wurde, wird hier eine weitere Erläuterung weggelassen.
Weil das Überwachungselement in der Lage ist, das Zylinder-für-Zylinder- Luft-Kraftstoffverhältnis (das Luft-Kraftstoffverhältnis jedes Zylinders) aus dem Luft-Kraftstoffverhältnis am Zusammenflußpunkt abzuschätzen, lassen sich die Luft-Kraftstoffverhältnisse der einzelnen Zylinder, wie in Figur 14 gezeigt, durch einen PID-Regler o.dgl. separat regeln.
Nun wieder zurück zur Erläuterung des Modells, welches das Verhalten der Erfassungs-Ansprechverzögerung des LAF-Sensors beschreibt, durch Annehmen der Verzögerung als Zeitverzögerungssystem erster Ordnung, durch Erhalt einer Zustandsgleichung, welche das Verhalten der Sensorerfassung beschreibt, durch deren Diskretisierung für die Zeitperiode Delta T zum Bestimmen ihrer Übertragungsfunktion und dann durch Erhalt ihrer inversen Transferfunktion und ihres Korrekturkoeffizienten α und deren Multiplikation mit dem Sensorausgang, wird es möglich, das Luft-Kraftstoffverhältnis des Eingangsluft-Kraftstoffgemischs mit Echtzeitbasis abzuschätzen.
Der Korrekturkoeffizient α ist abhängig vom Abtastintervall (Delta T), wie in Gleichung 2 gezeigt. Weil wie gesagt das Verhalten des Luft-Kraftstoffverhältnisses als synchron mit der OT-Kurbelposition betrachtet wird, wird daher die Abtastung in Abhängigkeit von den Kurbewinkeln durchgeführt. Demzufolge wird das Abtastintervall von der Motordrehzahl abhängig und ändert sich somit mit der Änderung der Motordrehzahl.
insbesondere wenn die Maschine mit relativer hoher Drehzahl dreht, liegt das geschätzte Luftkraftstoffverhältnis (A/F) (strichpunktiert dargestellt) nahe bei dem wahren Luft-Kraftstoffverhältnis (A/F) (mit durchgehender Linie dargestellt), weil sich, wie oben in Figur 1 6 gezeigt, eine relativ große Anzahl von Abtastdaten erhalten läßt.. Weil andererseits bei niedriger Motordrehzahl, wie etwa Leerlaufdrehzahl von weniger als z.B. 1000 UPM, die Anzahl der Abtastdaten geringer ist, liegt das geschätzte Luft-Kraftstoffverhältnis (strichpunktierte Linie) weit von dem wahren Wert (durchgehende Linie) weg, wie unten in Figur 16 gezeigt. Dasselbe gilt, wenn der Sensorausgang Rauschen enthält. Die Erfinder betrachten es daher als möglich, die Korrektur bei dieser niedrigen Motordrehzahl zu unterbrechen und stattdessen das Luft-Kraftstoffverhältnis unmittelbar aus den Abtastdaten zu schätzen, wie in der Figur mit der gestrichelten Linie mit "α=0" dargestellt. Die Erfindung beruht auf diesem Konzept.
Nun wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Systems anhand des Flußdiagramms von Figur 3 erläutert.
Das Programm beginnt im Schritt S10, worin die Motordrehzahl gelesen wird, und geht zu Schritt S12 weiter, worin der Korrekturkoeffizient α bestimmt wird durch Abfragen einer Nachschlagetabelle unter Verwendung der Motordrehzahl als Adreßdaten, und zu Schritt S14, worin das Eingangs- Luft-Kraftstoffverhältnis (im vorhergehenden Zyklus) unter Verwendung des Korrekturkoeffizienten α entsprechend Gleichung 4 geschätzt wird.
Figur 15 zeigt die Kennlinie des Korrekturkoeffizienten α. Wie dargestellt, ist der Korrekturkoeffizient α so festgelegt, daß er mit zunehmender Motordrehzahl Ne derart zunimmt, daß das Abtastintervall über angenähert den gesamten Motordrehzahlbereich konstant ist. An oder unter einer vorbestimmten Drehzahl wie etwa 1000 UPM während Leerlauf wird darüber hinaus der Korrekturkoeffizient α auf null gesetzt. Infolgedessen wird, wenn der Motor mit der vorbestimmten Drehzahl oder darunter läuft, α in Gleichung 4 durch 0 ersetzt und man erhält A/F(k-1)=LAF(k). Das heißt, daß das Eingangs-Luft-Kraftstoffverhältnis als der Wert geschätzt wird (in Figur 16 mit gestrichelter Linie mit "α=0" dargestellt), den die Steuereinheit 42 unmittelbar aus den Abtastdaten erkannt hat. Selbstverständlich wurde der Schätzwert nicht gemäß der Erfassungsverzögerung korrigiert und ist somit nicht gleich dem wahren Luft-Kraftstoffverhältnis (durchgehende Linie in Figur 16). Jedoch nimmt der Schätzfehler stark ab, wenn man ihn mit dem mit strichpunktierter Linie dargestellten Wert vergleicht, den man andernfalls durch Schätzung erhalten würde.
Mit dieser Anordnung wird es möglich, die Erfassungsgenauigkeit des Luft- Kraftstoffverhältnisses bei niedriger Motordrehzahl während Leerlauf zu verbessern. Weil ferner der Korrekturkoeffizient α vorab in einer Nachschlagetabelle vorbereitet ist, läßt sich somit die Berechnungszeit reduzieren, was die Schätzgenauigkeit bei hoher Motordrehzahl verbessert. Wenn ferner das geschätzte Luft-Kraftstoffverhältnis, das gemäß der Ansprechverzögerung der Sensorerfassung korrigiert ist, in das das Verhalten des Auspuffsystems beschreibende zweite Modell und das Überwachungselement eingegeben wird, lassen sich die Luft-Kraftstoffverhältnisse an den einzelnen Zylindern dementsprechend mit hoher Genauigkeit erhalten. Ferner wird es möglich, die Regelgenauigkeit zu verbessern, wenn die geschätzten Werte für eine Luft-Kraftstoffverhältnisregelung verwendet werden.
Anzumerken ist, daß die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt ist und stattdessen so konfiguriert sein kann, daß in dem Auspuffsystem Luft- Kraftstoffverhältnissensoren (LAF-Sensoren) angeordnet sind, deren Anzahl gleich der Anzahl der Zylinder ist, und daß man die Luft-Kraftstoffverhältnisse der einzelnen Zylinder auf Basis der Ausgänge der einzelnen Sensoren erfaßt.
Obwohl ferner die Ausführung anhand des Falles der Verwendung eines Breitband-Luft-Kraftstoffverhältnissensors (LAF-Sensor) als dem Luft- Kraftstoffverhältnissensor erläutert wurde, ist es alternativ möglich, das Luft-Kraftstoffverhältnis unter Verwendung eines O&sub2;-Sensors zu regeln.

Claims

1. Luft-Kraftstoffverhältnis-Schätzeinrichtung, die das Luft-Kraftstoffverhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft- und Kraftstoffgemisches aus einem synchron mit einer vorbestimmten Kurbelposition abgetasteten Ausgang eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors schätzt, umfassend:

ein erstes Mittel zum Annähern einer Erfassungsansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoffverhältnissensors als Zeitverzögerungssystem erster Ordnung zum Erzeugen einer Zustandsgleichung aus dem Zeitverzägerungssystem erster Ordnung;

ein zweites Mittel zum Diskretisieren der Zustandsgleichung für eine Periode Delta T zum Erhalt einer diskretisierten Zustandsgleichung;

ein drittes Mittel zum Berechnen einer Transferfunktion aus der diskretisierten Zustandsgleichung;

ein viertes Mittel zum Berechnen einer inversen Transferfunktion aus der Transferfunktion;

ein fünftes Mittel zum Bestimmen eines Korrekturkoeffizienten der inversen Transferfunktion und Multiplizieren der inversen Transferfunktion und des Korrekturkoeffizienten mit dem Ausgang des Luft-Kraftstoffverhältnissensors zum Schätzen eines Luft-Kraftstoffverhältnisses des der Maschine zugeführten Luft- und Kraftstoffgemisches;

dadurch gekennzeichnet, daß

das fünfte Mittel den Korrekturkoeffizienten bezüglich der Motordrehzahl bestimmt und bei oder unter einer vorbestimmten Motordrehzahl den Korrekturkoeffizienten auf Null setzt.

2. System nach Anspruch 1, in dem die Maschine eine Mehrzylindermaschine ist und der Luft-Kraftstoffverhältnissensor an einer Stelle zumindest entweder an oder stromab eines Zusammenflußpunkts des Auspuffsystems einer Mehrzahl der Zylinder der Maschine angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 2, ferner umfassend:

ein sechstes Mittel zum Ableiten eines Verhaltens des Auspuffsystems, in dem X(k) aus einer Zustandsgleichung und einer Ausgangsgleichung, in der ein Eingang U(k) Luft-Kraftstoffverhältnisse an jedem Zylinder bezeichnet und ein Ausgang Y(k) das geschätzte Luft- Kraftstoffverhältnis bezeichnet, überwacht wird als:

X(k+1)=kX(k) +BU(k)

Y(k)=CX(k) + DU(k)

wobei A, B, C und D Koeffizientenmatrizes sind,

ein siebtes Mittel zum Annehmen des Eingangs U(k) als vorbestimmte Werte zum Einrichten eines Überwachungselements, das durch eine Gleichung unter Verwendung des Ausgangs Y(k) als Eingang ausgedrückt ist, in dem eine Zustandsvariable X die Luft- Kraftstoffverhältnisse an jedem Zylinder bezeichnet als

X(k+1) = [A-KC]X(k)+KY(k)

wobei K eine Verstärkungsfaktormatrix ist und

ein achtes Mittel zum Bestimmen der Luft-Kraftstoffverhältnisse an jedem Zylinder aus der Zustandsvariablen X.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, in dem die vorbestimmte Motordrehzahl eine Leerlaufmotordrehzahl ist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, in dem der Korrekturkoeffizient mit zunehmender Motordrehzahl zunimmt.