DE69728325T2

DE69728325T2 - Steuersystem für das Luft/Kraftstoffverhältnis einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69728325T2
Application number: DE69728325T
Authority: DE
Inventors: Toru 4-1 Kitamura; Hiroshi 4-1 Kitagawa; Shusuke 4-1 Akazaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: EP0816658A2; JP3765617B2; EP0816658A3; US6073073A; JPH109019A; EP0816658B1; DE69728325D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystem für einen Verbrennungsmotor, das einen adaptiven Regler aufweist, der einen Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten berechnet, um die dem Motor zuzuführende Kraftstoffmenge derart zu korrigieren, dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis zu einem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis konvergiert.
Herkömmlich ist es bekannt, einen Luft/Kraftstoffverhältnissensor in einem Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors zu installieren, das einen Katalysator (katalytischen Wandler) aufweist, der an dem Motorauspuff vorgesehen ist. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor erfasst das Luft/Kraftstoffverhältnis des Motorauspuffs und dient zum Regeln der dem Motor zugeführten Kraftstoffmenge (der Kraftstoffeinspritzmenge) in geschlossener Schleife, so dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis zu einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis konvergiert, da die Reinigungseffizienz des Katalysators bei oder um dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis herum maximal wird.
Der Anmelder hat in der offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 7(1995)-247886, von der die EP-A-0671554 ein Mitglied der Patentfamilie ist, ein Steuersystem beschrieben, das einen adaptiven Regler verwendet, in dem eine Basis-Kraftstoffmenge (Basis-Kraftstoffeinspritzmenge) berechnet wurde a) durch Abfrage von vorab aufgestellten Kennfelddaten unter Verwendung von Motorparametern, die den Motorbetrieb, wie etwa die Motordrehzahl anzeigen, und b) durch Korrektur der Basis-Kraftstoffmenge unter Verwendung eines Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten, der durch den adaptiven Regler berechnet wurde. Insbesondere war der adaptive Regler konfiguriert, um das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis (als KACT bezeichnet) als die Regelgröße y sowie das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis (als KCMD) als den Sollwert r aufzunehmen, und den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten (als KSTR bezeichnet) als Ausgabe u so zu berechnen, dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT gleich dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis Insbesondere wurde, wie in 14 dargestellt, der adaptive Regler durch eine Regelvorschrift definiert, die in einer Rekursions- oder Rekurrenzformel ausgedrückt war, und hatte einen Adaptationsmechanismus, der adaptive Parameter (Systemparameter oder Reglerparameter)) ^(k) schätzt, ausgedrückt als Vektor (Transponiervektor), der die dynamischen Eigenschaften des geregelten Objekts oder Geräts (des Motors) geschätzt oder identifiziert hat. Auf der Basis der geschätzten adaptiven Parameter ^(k) berechnete der adaptive Regler den Rückkopplungs-Korrekturkoeffzienten KSTR(k). Wie gezeigt, umfassen die adaptiven Parameter ^ Elemente von b0, r1, r2, r3 und s0, wenn die Totzeit (oder Verzögerungszeit) d des Systems als 3 angenommen wird (3. Ordnung).
Darüber hinaus ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 3 (1991)-185244 vorgeschlagen worden, sowohl einen Breitband-Luft/Kraftstoffverhäitnissensor (manchmal als Universalsensor bezeichnet, der das Luft/Kraftstoffverhältnis im Bereich von mager zu fett erfasst) an einer Stelle stromauf des Katalysators anzuordnen und einen O₂-Sensor an einer Stelle stromab des Katalysators in dem Motorauspuff anzuordnen, um das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis innerhalb eines Bereichs (des sogenannten Katalysatorfensters) in Antwort auf die Ausgabe des O₂-Sensors zu korrigieren oder zu bestimmen, um hierdurch die Katalysatorreinigungseffizienz zu maximieren. Die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge wurde dann in Antwort auf das korrigierte Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis und die Ausgabe des Breitband-Luft/Kraftstoffverhältnissensors geregelt. In der offenbarten Technik wurde von dem geregelten Objekt ein Modell erstellt, und es wurde ein Optimalregler gebaut, um die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge zu regeln.
In Bezug auf das oben erwähnte Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystem, das zuvor vom Anmelder vorgeschlagen worden ist, haben die Erfinder die Reaktion des Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT(k) an einem echten Motor geprüft, wobei das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') stufenweise geändert wurde, während die Motorparameter unverändert gehalten wurden (d. h. bei der Motordreh zahl von 2800 UpM unter einem Krümmerunterdruck von – 150 mmHg). Im Gegensatz zu dem, was erwartet wurde, stellte sich heraus, dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') nicht überschoss, wie in 15(a) dargestellt. Die 15(b) bis 15(f) zeigen die Antwort der Elemente der adaptiven Parameter ^ zu dieser Zeit.
Hier bedeutet "k" die Abtastnummer in einer zeitdiskreten Serie, genauer gesagt, einem Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelzyklus, und "KCMD(k – d')" bedeutet das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis entsprechend dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k), jedoch um die Totzeit d' vor der Zeit k gelegen. Die Totzeit wird allgemein als d ausgedrückt und spezifisch als d' ausgedrückt. Angemerkt werden sollte hier, dass zur einfachen Berechnung das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis und das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis in der gesamten Beschreibung beide als äquivalentes Verhältnis ausgedrückt sind, d. h. als Mst/M = 1/λ,wobei Mst ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis ist; M A/F ist (A ist gleich Luftmassenflussrate; F ist Kraftstoffmassenflussrate); und λ ein Luftüberschussfaktor ist. In den in 15(a) gezeigten Testergebnissen wurde das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis von 0,98 bis 1,02 verändert und in Bezug auf das äquivalente Verältnis auf 1,0 zentriert.
Wie aus den Figuren klar ist, veränderten sich alle Elemente in Bezug auf die Zeit, außer für b0. Da bei der Berechnung der adaptiven Parameter das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD als der Sollwert r verwendet wurde, bewirkte die Änderung des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses eine Fluktuation der adaptiven Parameter.
Wenn somit der in den adaptiven Regler eingegebene Sollwert häufig verändert wurde, wirkte dies als Störung, wodurch die berechneten adaptiven Parameter fluktuierten. Da die adaptiven Parameter bei der Berechnung des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten verwendet werden, wäre der berechnete Rückkopplungs- Korrekturkoeffizient nicht frei von der Fluktuation der adaptiven Parameter. Dies würde die Luft/Kraftstoffverhältnisregelung verschlechtern und die Stabilität des adaptiven Reglers verringern.
Das Obige ist ein Beispiel. Das Problem tritt in ähnlicher Weise auf, wenn das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis verändert oder in Antwort auf die Betriebsbedingungen des Fahrzeugs gestört wird (wie etwa Motorlast, Motordrehzahl und Motorkühlmitteltemperatur etc.) oder wenn das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis innerhalb des Katalysatorfensters wiederholt wird, und zwar in Antwort auf die Ausgabe des stromab des Katalysators installierten O₂-Sensors, um die Katalysatorreinigungseffizienz zu maximieren, wie in der obigen Druckschrift vorgeschlagen wurde (3-185244).
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, das obige Problem zu lösen und ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystem für einen Verbrennungsmotor anzugeben, das einen adaptiven Regler mit einem Adaptationsmechanismus zum Schätzen der adaptiven Parameter aufweist, der einen Korrekturkoeffzienten zum Korrigieren der Kraftstoffzufuhrmenge auf der Basis der adaptiven Parameter berechnet, worin, auch wenn das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis häufig verändert oder korrigiert wird, der adaptive Regler so konfiguriert ist, dass er frei von der Änderung des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses ist und stabil arbeitet, um hierdurch eine stabile Luft/Kraftstoffverhältnisregelung zu gewährleisten und die Stabilität des adaptiven Reglers zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein System zum Steuern/Regeln eines Luft/Kraftstoffverhältnisses eines Verbrennungsmotors angegeben, umfassend: ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsmittel zum Erfassen eines Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT von dem Motor erzeugter Abgase zumindest auf der Basis einer Ausgabe eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors, der in einem Auspuffsystem des Motors angeordnet ist; ein Motorbetriebszustand-Erfassungsmittel zum Erfassen von Motorbetriebszuständen, einschließlich zumindest Motordrehzahl und Motorlast; ein Basis-Kraftstoffzufuhrmengen-Berechnungsmittel zum Berechnen einer dem Motor zuzuführenden Basis-Kraftstoffzufuhrmenge auf der Basis zumindest der erfassten Motorbetriebszustände; ein Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten-Berechnungsmittel, das mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsmittel betriebsmäßig gekoppelt ist und einen adaptiven Regler, der als Eingaben einen Sollwert r und eine Regelgröße y empfängt, sowie einen Adaptationsmechanismus, der adaptive Parameter schätzt, aufweist, wobei das Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten-Berechnungsmittel einen Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR als Ausgabe u auf der Basis zumindest der adaptiven Parameter berechnet, um die von dem Basis-Kraftstoffzufuhrmengen-Berechnungsmittel berechnete Basis-Kraftstoffzufuhrmenge derart zu korrigieren, dass die Regelgröße y zu dem Sollwert r konvergiert; ein Ausgabe-Kraftstoffmengen-Bestimmungsmittel, das betriebsmäßig mit dem Basis-Kraftstoffmengen-Berechnungsmittel und dem Rückkoppoungs-Korrekturkoeffizienten-Berechnungsmittel gekoppelt ist, um die von dem Basis-Kraftstoffmengen-Berechnungsmittel berechnete Basis-Kraftstoffzufuhrmenge mit dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR zu korrigieren, um eine Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge zu bestimmen; und ein Kraftstoffzufuhrmittel, das betriebsmäßig mit dem Ausgabe-Kraftstoffmengen-Bestimmungsmittel gekoppelt ist, um dem Motor die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge zuzuführen.
In dem System ist ein Regelgrößen-Bestimmungsmitel vorgesehen zum Bestimmen der Regelgröße y auf der Basis des erfassten Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT und eines Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD derart, dass der Sollwert r ein vorbestimmter Wert ist.
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen weitergehend ersichtlich, worin:
1 ist eine schematische Gesamtansicht, die ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystem eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das die Details einer in 1 dargestellten Steuereinheit zeigt;
3 ist eine Grafik, die die Ausgabecharakteristik eines in 1 dargestellten O₂-Sensors zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des in 1 dargestellten Systems zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm, das ähnlich den Betrieb des Systems funktionell zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines adaptiven Reglers zeigt, der in 5 als "STR-Regler" dargestellt ist;
7 ist ein Flussdiagramm, das die Unterroutine der Berechnung des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD und eines Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten KCMDM zeigt, worauf sich das Flussdiagramm von 4 bezieht;
8 ist eine Grafik, die die Charakteristik eines Basiswerts KBS des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD zeigt, auf das sich das Flussdiagram von 7 bezieht und das zuvor als Kennfelddaten aufgestellt ist;
9 ist eine Grafik, die die Charakteristik eines Korrekturkoeffizienten KETC zum Einstellen des Ladegrads der Ansaugluft zeigt, worauf sich das Flussdiagramm von 7 bezieht;
10 ist ein Flussdiagramm, das die Unterroutine zur Berechnung eines Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB zeigt, auf das sich das Flussdiagramm von 4 bezieht;
11 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zur Berechnung des Koeffizienten KFB im Detail zeigt, worauf sich das Flussdiagramm von 10 bezieht;
12(a) bis 12(f) sind Grafiken, die Simulationsdaten zeigen, die an einem echten Motor durchgeführt wurden, um den Betrieb des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zu verifizieren;
13 ist eine Ansicht ähnlich 5, zeigt jedoch das System gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
14 ist eine Ansicht ähnlich 6, zeigt jedoch die Konfiguration eines adaptiven Reglers in einem Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystem, das vom Anmelder zuvor vorgeschlagen wurde;
15(a) bis 15(f) sind Ansichten ähnlich den 12(a) bis (f), zeigen jedoch Simulationsdaten, die durchgeführt wurden, um den Betrieb des in 14 dargestellten Systems zu verifizieren.
Nun werden Ausführungen der Erfindung, die nur als Beispiele angegeben sind, in Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine schematische Gesamtansicht einer Luft/Kraftstoffverhältnisregelung für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Bezugszahl 10 in dieser Figur bezeichnet einen Reihen-Vierzylinder-(Mehrzylinder)-Verbrennungsmotor mit oben liegender Nockenwelle (OHC). Luft, die in eine Luftansaugleitung 12 durch einen an deren fernem Ende angebrachten Luftfilter 14 angesaugt wird, wird jedem der ersten bis vierten Zylinder durch einen Ausgleichsbehälter 18, einen Ansaugkrümmer 20 und zwei Einlassventile (nicht gezeigt) zugeführt, während die Luftströmung durch ein Drosselventil 16 eingestellt wird. Ein Kraftstoffeinspritzventil (Kraftstoffeinspritzmittel) 22 ist in der Nähe der Einlassventile jedes Zylinders installiert und dient zum Einspritzen oder Zuführen von Kraftstoff in den Zylinder. Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich mit der Ansaugluft zur Bildung eines Luft/Kraftstoffgemischs, das in dem zugeordneten Zylinder durch eine Zündkerze (nicht gezeigt) in der Zündfolge Zylinder #1, #3, #4 und #2 gezündet wird. Die resultierende Verbrennung des Luft/Kraftstoffgemischs treibt einen Kolben (nicht gezeigt) nach unten.
Das durch die Verbrennung erzeugte Abgas wird durch zwei Auslassventile (nicht gezeigt) in einen Auspuffkrümmer 24 abgegeben, von wo es durch ein Auspuffrohr 26 zu einem ersten Katalysator (katalytischen Drei-Wege-Wandler) 28 und einem zweiten Katalysator (ebenfalls einem katalytischen Drei-Wege-Wandler) 30 strömt, wo schädliche Komponenten daraus entfernt werden, bevor es nach außen abgegeben wird. Obwohl mit einem Gaspedal (nicht gezeigt) nicht mechanisch gekoppelt, wird das Drosselventil 16 durch einen Schrittmotor M auf einen gewünschten Öffnungsgrad gesteuert. Zusätzlich wird das Drosselventil 16 von einem Bypass 32 umgangen, der in der Nähe des Luftansaugrohrs 12 vorgesehen ist.
Der Motor 10 ist mit einem Abgasrückführ-(AGR)-Mechanismus 100 ausgestattet, der ein Abgasrückführrohr 121 enthält, um das Abgas zu dem Luftansaugsystem rückzuführen, sowie einen Behälterspülmechanismus 200, der erlaubt, dass Kraftstoffdampf von einem Kraftstofftank 36 zu dem Luftansaugsystem fließt. Da jedoch der Kern der Erfindung nicht in diesen Mechanismen liegt, wird keine weitere Erläuterung angegeben.
Der Motor ist auch mit einem variablen Ventilsteuermechanismus 300 ausgestattet (in der Figur als V/T bezeichnet). Wie zum Beispiel in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 2 (1990)-275043 beschrieben, schaltet der variable Ventilsteuermechanismus 300 die Öffnungs/Schließzeit und den Hubbetrag der Einlass- und/oder Auslassventile zwischen zwei Typen von Steuercharakteristiken um, nämlich einer Charakteristik für niedere Motordrehzahl LoV/T und einer anderen Charakteristik für hohe Motordrehzahl HiV/T, in Antwort auf die Motordrehzahl und den Krümmerdruck. Da jedoch der Betrieb dieses Mechanis mus gut bekannt ist, wird er hier nicht weiter beschrieben. Unter den verschiedenen Wegen des Umschaltens zwischen den zwei Charakteristiken gibt es einen, um eines der zwei Einlassventile zu deaktivieren.
Der Motor 10 von 1 ist in seinem Zündverteiler (nicht gezeigt) mit einem Kurbelsensor 40 versehen, welcher erzeugt a) ein Zylinderidentifizierungssignal bei einem bestimmten Kurbelwinkel eines bestimmten Zylinders unter den vier Zylindern, b) ein Referenzkurbelwinkelsignal an einem vorbestimmten Kurbelwinkel jedes Zylinders und c) ein Einheitskurbelwinkelsignal einmal pro Einheitskurbelwinkel, wie etwa bei 15 Grad Kurbelwinkel. Der Motor 10 ist ferner mit einem Drosselstellungssensor 42 versehen, der ein Signal erzeugt, das den Öffnungsgrad des Drosselventils 16 anzeigt, sowie einem Krümmerabsolutdrucksensor 44, der ein Signal erzeugt, das den Druck, als Absolutdruck, in dem Ansaugkanal oder Krümmer stromab des Drosselventils 16 anzeigt.
Zusätzlich enthält der Motor 10 an geeigneten Stellen einen Atmosphärendrucksensor 46, der ein Signal erzeugt, das den Atmosphärendruck an der Stelle anzeigt, wo sich der Motor befindet, einen Ansauglufttemperatursensor 48, der ein Signal erzeugt, das die Temperatur der Ansaugluft anzeigt, einen Motorkühlmitteltemperatursensor 50, der ein Signal erzeugt, das die Temperatur des Motorkühlmittels anzeigt, sowie einen Ventilsteuer-(V/T)-Sensor 52 (in 1 nicht gezeigt), der auf der Basis des Öldrucks in dem Öldruckkreis des Mechanismus 300 ein Signal erzeugt, das anzeigt, welche Steuercharakteristik von dem variablen Ventilsteuermechanismus 300 gewählt ist.
Darüber hinaus ist der vorgenannte Breitband-Luft/Kraftstoffverhältnissensor 54 am Zusammenfluss oder Sammelpunkt des Motorauspuffs stromab des Auspuffkrümmers 24 und stromauf des ersten Katalystors 28 vorgesehen, wo er ein Signal erzeugt, das sie Sauerstoffkonzentration des Abgases an dem Zusammenflusspunkt anzeigt. Ein O₂-Sensor 56 ist an einer Stelle stromab des Sensors 54 und des ersten Katalysators 28 vorgesehen und erzeugt ein Signal, das die Sauerstoffkonzentration anzeigt. Der erste Katalysator 28 hat ein Volumen von angenähert 1 Liter oder dortherum, und der zweite Katalysator hat ein Volumen von angenähert 1,7 Liter. Die ersten und zweiten Katalystoren können so konfiguriert sein, dass ein erstes Bett und ein zweites Bett in einer einzigen Einheit untergebracht sind und der O₂-Sensor 56 dazwischen aufgenommen ist.
Dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 54 folgt ein Filter 58, während dem O₂-Sensor 56 ein Filter 60 folgt. Die Ausgaben der Sensoren und Filter werden zu einer Steuereinheit 34 geschickt.
Details der Steuereinheit 34 sind im Blockdiagramm von 2 gezeigt. Die Ausgabe des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 54 wird in eine erste Erfassungsschaltung 62 eingegeben, wo sie einem geeigneten Linearisierungsprozess unterzogen wird, um eine Ausgabe zu erzeugen, die sich linear mit der Sauerstoffkonzentration des Abgases über einen breiten Bereich verändert, der sich mager zu fett erstreckt. (Der Sensor ist in der Figur als "LAF-Sensor" bezeichnet und wird im Rest der Beschreibung so genannt.) Die Ausgabe des O₂-Sensors 56 wird in eine zweite Erfassungsschaltung 64 eingegeben, die ein Signal erzeugt, welches anzeigt, dass die Sauerstoffkonzentration fetter oder magerer als das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist, wie in 3 gezeigt.
Die Ausgabe der ersten Erfassungsschaltung 62 wird durch einen Multiplexer 66 und einen A/D-Wandler 68 einem Mikrocomputer zugeführt. Der Mikrocomputer enthält einen CPU-Kern 70, ein ROM (Festwertspeicher) 72 und ein RAM (Direktzugriffspeicher) 74. Die Ausgabe der ersten Erfassungsschaltung 62 wird einmal pro vorbestimmtem Kurbelwinkel (z. B. 15 Grad) A/D-gewandelt und aufeinander folgend in Puffern des RAM 74 gespeichert. Ähnlich werden die Ausgabe der zweiten Erfassungsschaltung 64 und andere analoge Ausgaben des Drosselstellungssensors 42 etc. in den Mikrocomputer durch den Multiplexer 66 und den A/D-Wandler 68 eingegeben und in dem RAM 74 gespeichert.
Die Ausgaben des Kurbelwinkelsensors 40 werden durch einen Wellenformer 76 geformt und werden dann in den Mikrocomputer über einen Zähler 78 eingegeben, wo die Einheitskurbelwinkelsignale gezählt werden, um die Motordrehzahl Ne zu bestimmen. In dem Mikrocomputer berechnet der CPU-Kern 70 die dem Motor zuzuführende Kraftstoffmenge (Kraftstoffeinspritzmenge) in später beschriebener Weise gemäß in dem ROM 72 gespeicherten Anweisungen, und treibt eine der betreffenden Kraftstoffeinspritzdüsen 22 über eine Treiberschaltung 82 an. Der CPU-Kern 70 berechnet verschiedene Stellgrößen a) für ein Solenoidventil (EACV) 90 zum Öffnen und Schließen des Bypasses 32, das die dem Motor zuzuführende Sekundärluftmenge regelt; b) für das Solenoidventil 122, das die Abgasrückführmenge regelt; und c) für das Solenoidventil 225, das die Behälterspülmenge regelt, und treibt die Ventile durch Treiberschaltungen 84, 86, 88 an.
4 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Jedoch wird vor der Erläuterung des Flussdiagramms der Betrieb des Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystems zuerst in Bezug auf 5 und 6 erläutert. 5 ist ein Blockdiagramm des Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystems, und 6 ist eine ähnliche Ansicht, die eine ungezeichnete Konfiguration der Darstellung von 5 ist, mit Hinweis auf den adaptiven Regler (STR-Regler; in 5 als "STR" bezeichnet) und des Adaptationsmechanismus.
Wie in 5 dargestellt, ist das System mit dem adaptiven Regler versehen, der als selbstabstimmender Regler "STR" konfiguriert ist, der die Ausgabe des LAF-Sensors 54 durch die Filter 58 und 92 empfängt. Die Ausgabe des O₂-Sensors 56, als "VO₂M" gezeigt, wird in einen Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturblock eingegeben (in der Figur als "KCMD-Korrektur" gezeigt), wo das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD eingegeben und auf der Basis eines Fehlers zwischen der O₂-Ausgabe "VO₂M" und deren Sollwert "VrefM" korrigiert wird (in 3 gezeigt, jedoch in 5 weggelassen), und dann ein Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizient KCMDM (später erläutert) erhalten wird.
Andererseits wird eine Basis-Kraftstoffzufuhrmenge (Basis-Kraftstoffeinspritzmenge) TIM-F(k) bestimmt oder berechnet, indem Kennfelddaten (deren Charakteristik nicht gezeigt ist) unter Verwendung geeigneter Motorparameter, wie etwa der Motordrehzahl und der Motorlast, abgefragt werden und mit dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten KCMDM und einem Korrekturkoeffizienten KTOTAL multipliziert werden (dem Produkt anderer Korrekturkoeffizienten, einschließlich jenen für die AGR-Korrektur und die Behälterspülkorrektur). In der Figur wird anstelle eines Additionsvorzeichens das "x" verwendet, was Multiplikation bedeutet. Die Kraftstoffzufuhrmenge, die somit durch Multiplikation korrigiert ist, ist Tcyl(k), was die Kraftstoffzufuhrmenge anzeigt, die von dem Motor benötigt wird. Diese Bestimmung der Kraftstoffzufuhrmenge durch Kennfelddatenabfrage kann als "Berechnung der Kraftstoffzufuhrmenge in einem vorwärts gekoppelten System" bezeichnet werden.
Wie später erläutert wird, berechnen der adaptive Regler STR und ein PID-(proportionaler, integraler und differentieller)-Regler, in der Figur als "PID" gezeigt, Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten, genannt "KSTR" und "KLAF" (allgemein genannt "KFB") auf der Basis des erfassten Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT(k) und des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD(k – d') gemäß der adaptiven Regelvorschrift oder der PID-Regelvorschrift. Einer der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten wird durch einen Schalter (als "Schalter" gezeigt) in Antwort auf den Betriebszustand des Motors 10 ausgewählt. Die erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge Tcyl wird dann mit dem gewählten Koeffizienten multipliziert, um eine Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge zu bestimmen, Tout genannt. Die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge wird dann einer Kraftstoffanhaftungskorrektur unterzogen, um die am Ansaugkrümmer anhaftende Kraftstoffmenge zu kompensieren, und die korrigierte Kraftstoffzufuhrmenge namens "Tout-F" wird schließlich einem der Zylinder des Motors 10 zugeführt.
Somit wird das Luft/Kraftstoffverhältnis auf der Basis der Ausgabe des LAF-Sensors 54 rückkoppelnd auf das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis geregelt. Eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Feinregelung (nachfolgend als "MIDO₂"-Regelung bezeichnet) wird im Bereich des Katalysatorfensters ausgeführt. Um die Katalysatorreinigungseffizienz in der MIDO₂-Regelung zu verbessern, ist es notwendig, das dem Katalysator zugeführte Luft/Kraftstoffverhältnis auf das Soll-Luft/Kraftstoffver hältnis in einer kürzestmöglichen Zeit zu konvergieren, nachdem sich die O₂-Sensorausgabe in die entgegengesetzte Richtung gedreht hat (d. h. etwa von fett zu mager). Wenn jedoch die Kraftstoffzufuhrmenge bestimmt wird, indem der Wert TIM-F aus vorab aufgestellten Kennfelddaten abgefragt wird und nur durch den Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten KCMDM korrigiert wird, dann würde das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis nachteilig zu einem Wert gleich einem geglätteten erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT. Um dieses Problem zu lösen, wird dementsprechend das System so konfiguriert, dass die Kraftstoffzufuhrmenge mit dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR multipliziert wird, der durch den adaptiven Regler STR erzeugt wird, der das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD derart dynamisch kompensiert, dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT rasch zu dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD konvergiert, um hierdurch die Katalysatorreinigungseffizienz zu verbessern.
Zur Erläuterung der Filter ist die dargestellte Konfiguration als mehrfach auferlegtes Regelsystem aufgebaut, worin eine Mehrzahl von Rückkopplungsschleifen parallel vorgesehen ist und alle gemeinsam die Ausgabe des einzigen LAF-Sensors 54 verwenden. Daher werden die Frequenzcharakteristika der Filter entsprechend der Art der Regelung bestimmt. Insbesondere ist der Filter 58 als Tiefpassfilter konfiguriert, dessen Sperrfrequenz 500 Hz beträgt, der Filter 92 ist als Tiefpassfilter konfiguriert, der eine Sperrfrequenz von 4 Hz aufweist, und der Filter 93 sollte einem Filter ähnlich sein, der eine Sperrfrequenz gleich oder größer als jene des Filters 92 aufweist. Der mit dem O₂-Sensor verbundene Filter 60 ist ein Tiefpassfilter, der eine Sperrfrequenz von 1600 Hz oder dortherum aufweist.
Nun wird der Betrieb des Systems in Bezug auf das in 4 gezeigte Flussdiagramm erläutert.
Das Programm startet bei S10, worin die Motorparameter gelesen werden, die den Betriebszustand des Motors, wie etwa die Motordrehzahl Ne und den Krümmerabsolutdruck Pb anzeigen. Dann geht das Programm zu Schritt S12, worin das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD und der Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizient KCMDM berechnet werden.
7 ist ein Flussdiagramm, das die Unterroutine zur Berechnung von KCMD und KCMDM zeigt.
Das Programm beginnt bei S200, worin ein Basiswert namens KBS des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD aus Kennfelddaten (deren Charakteristik in 8 dargestellt ist) unter Verwendung der Motordrehzahl Ne und des Krümmerabsolutdrucks Pb als Adressdaten abgefragt werden. Ähnliche Kennfelddaten sind für den Motorleerlauf und für die Magerverbrennungssteuerung vorbereitet, obwohl keines der Charakteristika dargestellt ist.
Dann geht das Programm zu Schritt S202, worin unter Bezugnahme auf einen Timerwert bestimmt wird, ob eine Magerverbrennungssteuerung nach Motorstart in Betrieb ist. Der variable Steuermechanismus 300 in dem System gestattet, dass ein Einlassventil für eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Start des Motors ruht, um die Magerverbrennungssteuerung auszuführen, in der das Luft/Kraftstoffverhältnis auf magerer als der stöchiometrische Wert gestellt ist, so dass ein fetteres Luft/Kraftstoffgemisch für die Dauer zugeführt wird, während der der Katalysator noch nicht aktiviert worden ist. Somit wird verhindert, dass die KW-Emission zunimmt. Aus dieem Grund wird ein Timerwert benutzt, um zu bestimmen, ob er innerhalb der Zeitdauer für die Magerverbrennungssteuerung liegt, und auf der Basis des Bestimmungsergebnisses wird ein Magerverbrennungs-Korrekturkoeffizient bestimmt, wie etwa 0,89, wenn er innerhalb dieser Zeitdauer liegt, und falls nicht, 1,0.
Dann geht das Programm zu Schritt S204 weiter, worin bestimmt wird, ob das Drosselventil 16 vollständig geöffnet ist (Vollgas), und auf der Basis des Ergebnisses wird ein Vollgas-Anreicherungs-Korrekturkoeffizient berechnet. Dann geht das Programm zu Schritt S206, worin bestimmt wird, ob die Motorkühlmitteltemperatur TW höher als ein Referenzwert ist, und auf der Basis des Ergebnisses wird ein Zunahme-Korrekturkoeffizient KTWOT berechnet. Der Wert KTWOT enthält einen Korrekturkoeffizienten, um eine Beschädigung des Motors durch hohe Motorkühlmitteltemperatur zu verhindern. Der Vollgas-Anreicherungs-Korrekturkoeffi zient und der Wert KTWOT werden z. B. auf 1,1 gesetzt, wenn die Anreicherung erforderlich ist, wohingegen sie auf 1,0 gesetzt werden, wenn die Anreicherung nicht erforderlich ist.
Dann geht das Programm zu Schritt S208 weiter, worin der Basiswert KBS mit den gerade bestimmten Korrekturkoeffizienten multipliziert wird, um das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k) zu erhalten. Gleichzeitig wird ein Fensterwert (als DKCMD-OFFSET bezeichnet) für die Luft/Kraftstoffverhältnis-Feinregelung in einem Bereich gesetzt, in dem die O₂-Sensorausgabe eine lineare Charakteristik in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses hat, wie in 3 mit den unterbrochenen Linien dargestellt. Dann wird der Wert DKCMD-OFFSET zu dem Basiswert KBS addiert. Genauer gesagt, wird das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k) wie folgt bestimmt. KCMD(k) = KBS(x Korrekturkoeffizienten) + DKCMD-OFFSET.
Wenn die in S204 und S206 berechneten Korrekturkoeffizienten von 1,0 abweichen, kann die Korrektur durch den Fensterwert DKCMD-OFFSET weggelassen werden, da der Motor auf ein fettes Luft/Kraftstoffverhältnis geregelt wird.
Dann geht das Programm zu Schritt S210, worin das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k) in einen vorbestimmten Bereich eingegrenzt wird, wenn er eine Obergrenze oder eine Untergrenze überschreitet. In Schritt S212 wird bestimmt, ob das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k) 1,0 oder dortherum beträgt. Wenn das Ergebnis positiv ist, geht das Programm zu S214, worin bestimmt wird, ob der O₂-Sensor 56 aktiviert worden ist. Dies erfolgt in einer Unterroutine (nicht gezeigt), indem die Änderungsrate der O₂-Sensorausgangsspannung VO₂M erfasst wird. Dann geht das Programm zu S216, worin ein Wert DKCMD für die MIDO₂-Steuerung berechnet wird. Der Zweck dieses Prozesses ist es, das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k), das von dem stromauf des ersten Katalysators 28 angeordneten LAF-Sensor 24 zugeführt wird, auf der Basis der Ausgabe des O₂-Sensors 56 zu korrigieren, der stromab des Katalysators 28 angeordnet ist. Genauer gesagt, erfolgt dies durch Vergleich einer vorbestimmten Referenz spannung VrefM (in 3 dargestellt) und der O₂-Sensorausgangsspannung VO₂M, um einen Fehler dazwischen zu berechnen, und durch Berechnung des Werts DKCMD auf der Basis dieses Fehlers unter Verwendung einer PID-Regelvorschrift. Die Referenzspannung VrefM wird auf der Basis des Atmosphärendrucks Pa, der Motorkühlmitteltemperatur TW, des Abgasvolumens (das aus der Motordrehzahl Ne und dem Krümmerabsolutdruck Pb geschätzt werden kann) und einigen ähnlichen Motorparametern bestimmt.
Der vorgenannte Fensterwert DKCMD-OFFSET ist ein Versatzwert, so dass die ersten und zweiten Katalysatoren 28, 30 die maximale Reinigungswirkung erreichen. Da der Versatzwert durch die Eigenschaft oder Charakteristik eines Katalysators unterschiedlich ist, sollte der Wert unter Berücksichtigung der Eigenschaft oder Charakteristik des ersten Katalysators 28 bestimmt werden. Da zusätzlich der Wert mit der Alterung des Katalysators variiert, wird der Wert in einer lernenden Steuerungsart berechnet, indem die berechneten Werte unter Verwendung eines Gewichts W aufgemittelt werden, wie folgt: DKCMD-OFFSET(k) = W × DKCMD + (1 – W) × DKCMD-OFFSET(k – 1).
Mit dieser Anordnung wird das Luft/Kraftstoffverhältnis in Rückkopplung auf das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis derart geregelt, dass die Katalysatorreinigungswirkung maximal wird, ohne durch die Alterung des Katalysators beeinflusst zu werden. Die Lernregelung kann separat in Motorbetriebsbereichen ausgeführt werden, die durch die Motorbetriebszustände, wie etwa die Motordrehzahl Ne und den Krümmerabsolutdruck Pb definiert sind.
Als Nächstes geht das Programm zu S218, worin der berechnete Wert DKCMD(k) zu dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k) addiert wird, um das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis zu aktualisieren. Bei S220 wird der Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KCMDM(k) berechnet, indem das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis mit einem Korrekturkoeffizienten KETC multipliziert wird. Dies erfolgt insbesondere durch Abfrage des Korrekturkoeffizienten KETC von einer Tabelle (deren Charakteristik in 9 gezeigt ist), unter Verwendung des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD(k) als Adressdaten. Da der Ladegrad der Ansaugluft mit der Verdampfungswärme variiert, trägt diese Korrektur dazu bei, den Ladegrad zu kompensieren. Der Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KCMDM(k) wird somit erhalten, indem das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis durch die Ladegradkorrektur justiert wird.
Wenn andererseits das Ergebnis von der Bestimmung in S212 negativ ist, springt das Programm zu Schritt S220, da dies bedeutet, dass das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis stark von dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis abweicht, wie etwa unter Magerverbrennungssteuerung, und da keine MIDO₂-Regelung erforderlich ist.
Dann geht das Programm zu S222, worin der Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizient KCMDM(k) ähnlich in einen vorbestimmten Bereich eingegrenzt wird, wenn er eine Obergrenze oder Untergrenze überschreitet.
Zurück zum Flussdiagramm von 4. Das Programm geht zu S14 weiter, worin geprüft wird, ob der Motor angelassen wird, und falls nicht, geht zu S16 weiter, worin geprüft wird, ob die Kraftstoffzufuhrsperre gesperrt ist. Die Kraftstoffsperre wird unter einem bestimmten Motorbetriebszustand implementiert, wie etwa dann, wenn das Drosselventil 16 vollständig geschlossen ist und die Motordrehzahl höher als eine vorbestimmte Drehzahl ist. Die Kraftstoffzufuhr wird unter dieser Bedingung gestoppt, und das Luft/Kraftstoffverhältnis wird in offenschleifiger Weise gesteuert.
Wenn S16 bestimmt, dass die Kraftstoffsperre nicht in Betrieb ist, geht das Programm zu S18 weiter, worin die Basis-Kraftstoffzufuhrmenge TiM-F durch Abfragen der Kennfelddaten unter Verwendung der erfassten Motordrehzahl Ne und des Krümmerabsolutdrucks Pb als Adressdaten abgefragt wird, wie zuvor erwähnt. Angemerkt werden sollte, dass, wie der Anmelder in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 8 (1996)-42800 vorgeschlagen hat, der durch Kennfeldabfrage erhaltene Wert mit einem Verhältnis multipliziert werden kann, das aus der effektiven Öffnungsfläche des Drosselventils 16 bestimmt ist, um die Kraftstoffzufuhrmenge akkurat zu bestimmen, die der Ansaugluftmenge entsprechen würde, die durch das Drosselventil 16 hindurchtritt, wie folgt:
TiM-F = Kennfeldabfragewert × (tatsächliche effektive Drosselöffnungsfläche/effektive Drosselöffnungsfläche, die auf der Basis des Krümmerabsolutdrucks Pa und des Verzögerungswerts θTH-D erster Ordnung der Drosselöffnung erhalten ist).
Dann geht das Programm zu S20, worin die Basis-Kraftstoffzufuhrmenge TiM-F mit dem allgemeinen Korrekturkoeffizienten KTOTAL und dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten KCMDM(k) multipliziert wird, um die erforderliche Kraftstoffzufuhrmenge Tcyl(k) zu bestimmen. Bei S22 wird der LAF-Sensor 54 geprüft, um zu bestimmen, ob er aktiviert worden ist. Dies erfolgt in ähnlicher Weise, wie oben in Bezug auf S214 in 7 erläutert, durch Berechnung einer Differenz zwischen der Sensorausgangsspannung und ihrem zentrierten Wert, um die Differenz mit einem vorgeschriebenen Wert (z. B. 0,4 V) zu vergleichen. Wenn die Differenz kleiner als der vorgeschriebene Wert ist, wird bestimmt, dass die LAF-Sensoraktivierung abgeschlossen worden ist.
Wenn S22 bestimmt, dass der LAF-Sensor aktiviert worden ist, geht das Programm zu S24, worin bestimmt wird, dass sich der Motorbetrieb innerhalb eines rückkoppelnden Regelbereichs befindet. Dies erfolgt in einer Unterroutine (nicht gezeigt). Wenn der Motor der Volllastanreicherung unterliegt, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, oder wenn sich der Motorbetrieb zum Beispiel aufgrund der Einleitung der Abgasrückführung scharf geändert hat, wird die Luft/Kraftstoffverhältnissteuerung in der offenschleifigen Weise implementiert.
Wenn das Ergebnis in S24 positiv ist, geht das Programm zu S26 weiter, worin die LAF-Sensorausgabe gelesen wird. Dann wird in S28 das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) bestimmt. Bei S30 wird das Verhältnis zwischen dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) und dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') berechnet. Das Verhältns wird als die Regelgröße y(k) verwendet, die in den adaptiven Regler einzugeben ist (und den später erläuterten PID-Regler).
Hier sollte angemerkt werden, dass die Regelgröße normalerweise so angewendet wird, dass sie einen Wert bedeutet, der von dem Gerät ausgegeben wird und unmittelbar in den Regler eingegeben wird. Jedoch wird in dieser Beschreibung der geregelte Wert so angewendet, dass er einen Wert bedeutet, der in den Regler eingegeben wird, da der Wert nicht allein aus der Geräteausgabe gebildet ist.
Zum leichteren Verständnis des Prozesses in S30 wird hier der adaptive Regler (STR-Regler) in Bezug auf 6 erläutert.
Wie dargestellt, umfasst der adaptive Regler im Einzelnen den STR-Regler (selbstabstimmenden Regler) und den Adaptationsmechanismus, der die adaptiven Parameter (manchmal "Reglerparameter" oder "Systemparameter" genannt) ^, ausgedrückt in einem Vektor (Koeffizientenvektor, wobei "^" geschätzte Werte bedeutet), schätztlidentifiziert. Auf der Basis der adaptiven Parameter ^ berechnet der STR-Regler den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) mittels einer Rekursionsformel, wie dargestellt. Der STR-Regler empfängt die adaptiven Parameter und berechnet den Korrekturkoeffizienten derart, dass die Regelgröße gleich dem Sollwert wird, so dass er als Rückkopplungskompensator wirkt.
Eine Schätz-(Identifikations)- oder Adaptationsvorschrift (Algorithmus), der für die adaptive Regelung zur Verfügung steht, ist jene, die von I. D. Landau et al vorgeschlagen wurde. in der von I. D. Landau et al vorgeschlagenen Adaptationsvorschrift wird das adaptive Regelsystem in ein äquivalentes Rückkopplungsregelsystem transformiert, das aus einem linearen Block und einem nicht-linearen Block besteht. Die Schätzvorschrift wird bestimmt, um die Systemstabilität sicherzustellen, so dass der nicht-lineare Block den Popov'schen Integralungleichungen am Eingang und Ausgang genügt und der lineare Block eine vollständige positive reale Komponente ist. In anderen Worten, die Stabilität der Adaptationsvorschrift, die in einer Rekursions- oder Rekurrenzformel ausgedrückt ist, wird zumindest unter Verwendung der Lyapunov'schen Theorie oder der Popov'schen Hyperstabilitätstheorie gewährleistet.
Diese Methode ist zum Beispiel beschrieben in Computrol (Corona Publishing Co., Ltd.) Nr. 27, Seiten 28–41; Automatic Control Handbook (Ohm Publishing Co., Ltd), Seiten 703–707; "A Survey of Model Reference Adaptive Techniques – Theory and Applications" von I. D. Landau in Automatica, Ausgabe 10, Seiten 353– 379, 1974; "Unification of Discrete Time Explicit Model Reference Adaptive Control Designs" von I. D. Landau et al, in Automatica, Ausgabe 17, Nr. 4, Seiten 593–691, 1981; und "Combining Model Reference Adaptive Controllers and Stochastic Self-tuning Regulators" von I. D. Landau in Automatica, Ausgabe 18, Nr. 1, Seiten 77–84, 1982.
In dem in 6 dargestellten adaptiven Regler wird der Adaptations-(oder Identifikations)-Algorithmus von I. D. Landau et al angewndet. Wenn in dem Algorithmus das Polynom des Nenners und des Zählers der Transfertunktion B(Z^–1)/A(Z^–1) des geregelten Objekts in zeitdiskreten Serien wie in den folgenden Gleichungen 1 und 2 definiert wird, sind die adaptiven Parameter ^(k), die durch den Adaptationsmechanismus geschätzt oder identifiziert sind, wie in Gleichung 3 in einem Vektor gezeigt (Transponiervektor). Der in den Adaptationsmechanismus eingegebene Zwischenwert ζ(k) ist so, wie in Gleichung 4 gezeigt. Hier wird als Beispiel ein Gerät hergenommen, in dem m = 1, n = 1 und d = 3, d. h. das Gerätemodell wird in der Form eines linearen Systems mit 3 Totzeit-Steuerzyklen angegeben. A(Z–1) = 1 + a1z–1 + ··· + anz–n Gl. 1 B(Z–1) = b0 + b1z–1 + ··· + bmz–m Gl. 2
Oben umfassen die adaptiven Parameter ^ die Elemente einer skalaren Größe b ^ ₀ ^–1(k), die den Verstärkungsgrad bestimmt, ein Element B ^ _R(Z^–1,k), das durch die Stellgröße ausgedrückt wird, und ein Element S ^(Z^–1,k). Diese Elemente sind als Gleichungen 5 bis 7 unten ausgedrückt. b ^0 –1(k) = 1/b0 Gl. 5
Der Adaptationsmechanismus schätzt oder identifiziert diese Elemente und schickt die adaptiven Parameter ^ (in Gleichung 3 gezeigt) zu dem STR-Regler. Insbesondere berechnet der Adaptationsmechanismus die adaptiven Parameter ^ unter Verwendung der Stellgröße u(i), die in das geregelte Objekt (das Gerät) eingegeben wird, und die Regelgröße y(j), die von dem geregelten Objekt ausgegeben wird, so dass der Fehler zwischen dem Sollwert und der Regelgröße null wird. (Hier enthalten i, j vergangene Werte.) Insbesondere werden die adaptiven Parameter ^ gemäß einer Gleichung berechnet, die unten in Gleichung 8 gezeigt ist. θ ^(k) = ^(k – 1) + Γ(k – 1)ζ(K – d)e*(k) Gl. 8
In Gleichung 8 ist Γ(k) eine Verstärkungsmatrix, die die eine Quadratmatrix der (m + n + d)ten Ordnung ist, und bestimmt die Schätz/Identifikationsgeschwindigkeit der adaptiven Parameter ^, und e*(k) ist ein Fehlersignal, das den verallgemeinerten Schätz/Identifikationsfehler angibt, d. h. ein Schätzfehlersignal der adaptiven Parameter. Sie sind in Rekursionsformeln ausgedrückt, wie sie in Gleichungen 9 und 10 gezeigt sind.
wobei 0 < λ1(k) ≤ 1,0 < λ2(k) < 2, Γ(0) > 0 Gl. 9
Oben ist D(z – 1) in Gleichung 10 ein Polynom, das vom Konstrukeur definiert ist, und ist in dieser Ausführung auf 1,0 gesetzt.
Unter den Verstärkungsalgorithmen wird durch Auswahl von λ1(k), λ2(k) in Gleichung 9 einer ausgewählt. Genauer gesagt, wenn λ1(k) = 1 und λ2(k) = λ(0 < λ < 2), gibt den Algorithmus allmählich abnehmender Verstärkung an (Methode der kleinsten Quadrate, wenn λ = 1); λ1(k) = λ1(0 < λ1 < 1) und λ2(k) = λ2(0 < λ2 < λ) gibt den Algorithmus variabler Verstärkung an (Methode der gewichteten kleinsten Quadrate, wenn λ2 = 1). Wenn man λ1(k)/λ2(k) = σ definiert und λ3(k) als Gleichung 11 ausdrückt, erhält man den Algorithmus mit konstant verfolgender Verstärkung, wenn λ1(k) gleich λ3 gemacht wird.
Oben ist trΓ(0) eine Bahn des Anfangswerts von Γ. Wenn darüber hinaus λ1(k) = 1, λ2(k) = 0, erhält man den Algorithmus mit konstanter Verstärkung. In diesem Fall wird, wie aus Gleichung 9 klar wird, Γ(k) zu Γ(k – 1), Γ(k) ist auf Γ fixiert. Alle diese Verstärkungsalgorithmen sind in dem zeitveränderlichen Gerät wirksam, welches das erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuer/Regelsystem enthält.
Somit beschreibt der adaptive Regler das dynamische Verhalten des geregelten Objekts (Motors), ist insbesondere ein Regler, der in einer Rekursionsformel ausgedrückt ist, der das dynamische Verhalten des geregelten Objekts kompensiert, und ist insbesondere ein adaptiver Regler, der in seinem Eingang einen Adaptationsmechanismus aufweist, der in einer Rekursionsformel ausgedrückt ist.
Der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KSTR(k) wird gemäß einer Gleichung berechnet, wie in Gleichung 12 gezeigt ist.
In der Anordnung, die in 14 dargestellt ist und vom Anmelder früher vorgeschlagen wurde, wird das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD als der Sollwert r des STR-Reglers verwendet, und der STR-Regler arbeitet, zusammen mit dem Adaptationsmechanismus so, um den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) derart zu berechnen, dass das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD gleich dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT in dem Abgas wird, das in dem Motorauspufferzeugt wird. Im Ergebnis hat, wie in Bezug auf 15 erläutert wurde, die Konfiguration einen Nachteil darin, dass dann, wenn sich das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis häufig ändert, dies als Störung wirkt, so dass die adaptiven Parameter ^ fluktuieren.
Zur Lösung des Problems wird in der erfindungsgemäßen Konfiguration, wie in den 5 und 6 dargestellt, das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) am Knoten 300 (der "Schrägstrich" in dem Knoten gibt eine Division an) durch das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') dividiert, um das Verhältnis KACT(k)/ KCMD(k – d') zwischen dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) und dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') zu erhalten, das dann als Eingabe (Regelgröße) y(k) in den adaptiven Regler eingegeben wird. Andererseits wird der Sollwert r des adaptiven Reglers auf einen vorbestimmten Wert gesetzt, insbesondere auf einen Festwert von 1,0. Insbsondere wird, auf der Basis des erfassten Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT und des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD die Eingabe y(k) des adaptiven Reglers als der vorbestimmte Wert 1,0 (KACT(k)/KCMD(k – d')) bestimmt, und der vorbestimmte Wert 1,0 wird als der Sollwert r des adaptiven Reglers bestimmt. Angemerkt werden sollte, dass dann, wenn die Konfiguration so verändert wird, die Gleichungen 4 und 12 in die Gleichungen 13 und 14 umgeschrieben werden.
Daher arbeitet der adaptive Regler so, dass der Sollwert r und die Regelgröße y gleich werden, d. h. 1,0 = KACT/KCMD, falls transformiert, KCMD = KACT. Das Obige wird das Gleiche, wenn die Regelgröße y als das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT – das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD (oder KCMD – KACT) bestimmt wird, und der Sollwert r auf 0 gesetzt wird, da 1 = KACT – KCMD, so dass KACT = KCMD, wenn transformiert. Allgemein gesagt, werden in dem adaptiven Regler, der in den 5 und 6 gezeigt ist, die Regelgröße y und der Sollwert r derart bestimmt, dass das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis und das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis einander gleich werden. Angemerkt werden sollte, dass hier der Sollwert strikt 1,0 oder 0 ist, aber auch einen Wert dortherum einnehmen kann.
Die 12(a) bis 12(f) stellen das Ergebnis eines Tests dar, der für die in den 5 und 6 gezeigte Konfiguration an einem echten Motor unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wurde, wie sie in Bezug auf 15 zuvor erläutert wurden. Insbesondere stellen die Figuren die Reaktion des erfassten Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT(k) dar, wenn das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') stufenweise in der Dauer von 2,5 Sekunden geändert wurde, während die Motorparameter gehalten wurden, d. h. die Motordrehzahl bei 2800 UpM und dem Krümmerdruck unter –150 mmHg (ausgedrückt als Unterdruck).
Wie in 12(a) dargestellt, ist verifiziert worden, dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') treu folgte, ohne überzuschießen. Die 12(b) bis (f) zeigen die Antwort der Elemente der adaptiven Parameter, und, wie aus den Figuren ersichtlich, veränderten sich alle Elemente um einen geringen Betrag. Da der Sollwert r sehr wenig fluktuiert, waren die adaptiven Parameter stabil.
Mit der obigen Anordnung wird es möglich, einen stabilen Korrekturkoeffizienten zu erhalten, wenn man den Koeffizienten mittels der adaptiven Parameter berechnet. Die mittels des Korrekturkoeffizienten zu berechnende Kraftstoffzufuhrmenge wird dementsprechend stabil. Damit die Stellgröße nicht fluktuiert, wird die Luft/Kraftstoffverhältnisregelung verbessert, so dass kein Pendeln auftritt. Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass die Werte der adaptiven Parameter stabil sind, dass die Berechnung des Adaptationsmechanismus stabil ist. Die Robustheit des adaptiven Reglers ist somit verbessert.
In dem System, das in den 5 und 6 gezeigt ist, ist zusätzlich zu dem STR-Regler ein herkömmlicher PID-(proportionaler, integraler und differentieller)-Regler vorgesehen, um einen anderen Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KLAF unter Verwendung der PID-Regelvorschrift zu berechnen. Über den Schalter wird einer der Korrekturkoeffizienten KSTR und KLAF ausgewählt oder umgeschaltet.
Wenn nämlich der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient unter Verwendung moderner Regeltheorie, wie etwa der adaptiven Regelvorschrift bestimmt wird, dann könnte, da die Regelreaktion relativ stark ist, die Regelgröße unter einigen Motorbetriebszuständen fluktuieren oder oszillieren, zum Beispiel bei der Wiederaufnahme der Kraftstoffzufuhr, nachdem sie unterbrochen worden ist, wodurch die Regelstabilität sinkt. Aus diesem Grund wird der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient unter Verwendung entweder der adaptiven Regelvorschrift oder der PID-Regelvorschrift berechnet und wird in Antwort auf den Betriebszustand des Motors umgeschaltet. Da die unterschiedlichen Typen von Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten unterschiedliche Charakteristiken haben, könnte jedoch eine scharfe Pegeldifferenz zwischen den Koeffizienten auftreten. Das Umschalten zwischen den Koeffizienten neigt zur Destabilisierung der stabilen Regelgröße und zum Verringern der Regelstabilität. Das System ist daher so konfiguriert, dass es das Umschalten glättet, um kein Absinken der Regelstabilität hervorzurufen.
Zurück zur Erläuterung von 4. Das Programm geht zu S32 weiter, worin der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB (allgemeiner Name der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR und KLAF) berechnet wird.
10 ist ein Flussdiagramm, das die Unterroutine zur Berechnung von KFB zeigt.
Das Programm startet bei S300, worin geprüft wird, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis während des vorherigen Zyklus (vorherige Steuerung oder Rechenzyklus, genauer gesagt, an der vorausgehenden Routineaktivierungszeit) in offener Schleife gesteuert wurde. Wenn der vorherige Zyklus in einem Motorbetriebszustand wie etwa Kraftstoffsperre war, in dem das Luft/Kraftstoffverhältnis offenschleifig gesteuert wurde, ist das Ergebnis positiv und das Programm geht zu S302 weiter, worin ein Zählerwert C rückgesetzt oder auf null gelöscht wird. In S304 wird das Bit eines Flag FKSTR auf null rückgesetzt. In S306 wird der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB berechnet. Hier bezeichnet das Rücksetzen des Bit des Flag FKSTR auf 0 in S304, dass der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient durch die PID-Regelvorschrift zu bestimmen ist, wohingegen das Setzen des Bit des Flag FKSTR auf 1 angibt, dass der Motorbetrieb in dem STR-Regelbetriebsbereich ist, so dass der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient durch die adaptive Regelvorschrift zu bestimmen ist.
11 ist ein Flussdiagramm, das die Unterroutine für die Berechnung von KFB im Detail zeigt.
Das Programm startet in S400, worin geprüft wird, ob das Bit des Flag FKSTR auf 1 gesetzt ist, in anderen Worten, es wird bestimmt, ob der STR-Regelbetriebsbereich vorliegt. Da in S304 des Flussdiagramms von 10 dieses Flagbit auf 0 rückgesetzt wurde, ist das Ergebnis in diesem Schritt NEIN, und das Programm geht zu S402 weiter, worin geprüft wird, ob im vorherigen Regelzyklus das Flagbit auf 1 gesetzt worden ist, d. h. es wird bestätigt, ob der STR-Regelbetriebsbereich vorlag. Das Ergebnis ist hier natürlich NEIN, und das Programm geht zu S404 weiter, worin der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KLAF durch den PID-Regler mittels der PID-Regelvorschrift in der zuvor beschriebenen Weise berechnet wird.
Der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KLAF wird wie folgt berechnet.
Zuerst wird der Regelfehler DKAF(k) zwischen dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD(k – d') und dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) berechnet als: DKAF(k) = KCMD(k – d') – KACT(k)
Als Nächstes wird der Regelfehler DKAF(k) mit vorbestimmten Faktoren oder Koeffizienten KP, KI, KD multipliziert, um Variablen zu erhalten, d. h. den P-(Proportional)-Term KLAFP(k), den I-(Integral)-Term KLAFI(k) und den D-(derivativen oder differentiellen)-Term KLAFD(k) als: KLAFP(k) = DKAF(K) × KP KLAFI(k) = KLAFI(k – 1) + DKAF(k) × KI KLAFD(k) = (DKAF(k) – DKAF(k – 1)) × KD
Somit wird der P-Term berechnet, indem der Fehler mit dem Proportionalfaktor KP multipliziert wird, wird der I-Term berechnet, indem der Wert von KLAFI(k – 1) zu dem Produkt des Fehlers und dem Integralfaktor KI addiert wird, und wird der D-Term berechnet, indem die Differenz zwischen der gegenwärtigen Regeldifferenz und der vorhergehenden Regeldifferenz mit dem differentiellen Faktor KD multipliziert wird. Die Faktoren KP, KI und KD werden auf der Basis der Motordrehzahl und der Motorlast berechnet. Insbesondere werden sie durch Abfrage von Kennfelddaten unter Verwendung der Motordrehzahl Ne und dem Krümmerabsolutdruck Pb berechnet.
Schließlich werden die P-, I- und D-Terms aufsummiert, und die Summe wird als der gegenwärtige PID-Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KLAF(k) auf der Basis der PID-Regelvorschrift bestimmt als: KLAF(k) = KLAFP(k) + KLAFI(k) + KLAFD(k)
Hier sollte angemerkt werden, dass angenommen wird, dass der Versatz von 1,0 in dem I-Term KLAFI(k) enthalten ist, so dass der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient ein Multiplikationskoeffizient ist. Einfach gesagt, wird der I-Term KLAFI(k) als Anfangswert von 1,0 angegeben. Auch sollte angemerkt werden, dass dann, wenn der PID-Korrekturkoeffizient KLAF gewählt ist, der STR-Regler die adaptiven Parameter derart hält, dass der adaptive Korrekturkoeffizient KSTR 1,0 (Anfangswert) oder dortherum beträgt.
Zurück zur Erläuterung von 10. Das Programm geht zu S308 weiter, worin der PID-Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KLAF(k) als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB gewählt oder bestimmt wird.
Wenn sich in S300 herausstellt, dass in dem vorherigen Regelzyklus die Offenschleifensteuerung nicht wirksam war, geht das Program zu Schritt S310 weiter, worin die Differenz DKCMD zwischen KCMD(k – d') (dem Wert in dem früheren Steuerzykus, der um die Totzeit verzögert ist) und KCMD(k) (dem Wert in dem gegenwärtigen Regelzyklus) berechnet wird und mit einem Referenzwert DKCMDref verglichen wird. Wenn sich herausstellt, dass die Differenz DKCMD den Referenzwert DKCMDref überschreitet, geht das Programm zu S302 weiter, worin der PID-Korrekturkoeffizient KLAF mittels der PID-Regelvorschrift berechnet wird. Wenn nämlich die Änderung in dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis groß ist, könnte eine ähnliche Situation auftreten wie die, wenn die Kraftstoffsperre wiederaufgenommen wird. Insbesondere gibt, aufgrund der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsverzögerung und dgl., der erfasste Wert den wahren Wert wahrscheinlich wieder, so dass ähnlich die Regelgröße unstabil werden könnte.
Wenn sich andererseits in S310 herausstellt, dass die Differenz DKCMD gleich oder kleiner als der Referenzwert DKCMDref ist, geht das Programm zu S312 weiter, worin der Zählerwert C inkrementiert wird. In S314 wird bestimmt, ob die Motorkühlmitteltemperatur TW kleiner als ein vorgeschriebener Wert TWSTR-ON ist. Wenn sich herausstellt, dass die erfasste Motorkühlmitteltemperatur TW unter dem vorgeschriebenen Wert TWSTR-ON liegt, geht das Programm zu S304 weiter, so dass der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient unter Verwendung der PID-Regelvorschrift berechnet wird. Der Grund hierfür ist, dass die Verbrennung bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen unstabil ist, was es unmöglich macht, aufgrund von Fehlzündungen oder dgl. eine stabile Erfassung des Werts KACT zu erhalten. Obwohl nicht gezeigt, gilt aus dem gleichen Grund dasselbe dann, wenn die Kühlmitteltemperatur abnormal hoch ist.
Wenn sich in S314 herausstellt, dass die Motorkühlmitteltempeatur TW nicht niedriger als der vorgeschriebene Wert TWSTR-ON ist, geht das Programm zu S316 weiter, worin geprüft wird, ob die erfasste Motordrehzahl Ne bei oder über einem vorgeschriebenen Wert NESTRLMT liegt. Wenn sich in S316 herausstellt, dass die erfasste Motordrehzahl Ne bei oder über dem vorgeschriebenen Wert NESTRLMT liegt, geht das Programm zu S304 weiter, worin der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient mittels der PID-Regelvorschrift berechnet wird. Der Grund hierfür ist, dass während des Hochdrehzahlmotorbetriebs die Neigung besteht, dass keine ausreichende Zeit für die Berechnung mittels des STR-Reglers zur Verfügung steht, und darüber hinaus die Verbrennung unstabil ist.
Wenn sich in S316 herausstellt, dass die erfasste Motordrehzahl Ne unter dem vorgeschriebenen Wert NESTRLMT liegt, geht das Programm zu S318 weiter, worin eine Prüfung vorgenommen wird, um zu bestimmen, welche Ventilsteuercharakteristik in dem variablen Ventilsteuermechanismus 300 gewählt ist. Wenn die hohe motordrehzahlseitige Charakteristik HiV/T gewählt ist, geht das Programm zu S304 weiter, wo der PID-Regler verwendet wird. Der große Ventilüberschneidungsbetrag, der vorliegt, wenn die hohe motordrehzahlseitige Ventilsteuercharakteristik gewählt ist, neigt nämlich dazu, das Durchblasen von Ansaugluft zu verursachen (Entweichen von Ansaugluft durch das Auslassventil), in welchem Fall der erfasste Wert KACT wahrscheinlich nicht stabil ist.
Wenn S318 bestimmt, dass die niedermotordrehzahlseitige Charakteristik LoV/T gewählt ist (diese enthält den Zustand, worin eines der zwei Einlassventile ruht), geht das Programm zu S320 weiter, worin geprüft wird, ob der Motor leer läuft. Wenn das Ergebnis JA ist, geht das Programm zu S304, wo der PID-Regler verwendet wird. Der allgemein stabile Betriebszustand während des Leerlaufs erübrigt nämlich einen hohen Verstärkungsfaktor, wie etwa jenen, der gemäß der adaptiven Regelvorschrift berechnet ist.
Wenn S320 bestimmt, dass der Motor nicht leer läuft, geht das Programm zu S322 weiter, worin bestimmt wird, ob die Motorlast niedrig ist. Wenn das Ergebnis JA ist, geht das Programm zu S304 für den PID-Regler weiter. Der Grund hierfür ist, dass im niedrigen Motorlastbereich die Verbrennung nicht stabil ist.
Wenn S322 bestimmt, dass die Motorlast nicht niedrig ist, geht das Programm zu S324 weiter, worin der Zählerwert C mit einem vorgeschriebenen Wert, z. B. 5, verglichen wird. Solange sich herausstellt, dass der Zählerwert C bei oder unter dem vorgeschriebenen Wert liegt, geht das Programm zu S304 weiter, wo der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient mittels der PID-Regelvorschrift berechnet wird. Der Grund hierfür ist, dass aufgrund einer Verzögerung in der Wiederaufnahme der Kraftstoffzufuhr, bis der neu zugeführte Kraftstoff verbrannt worden ist und aufgrund der Erfassungsverzögerung die Regelgröße manchmal für eine Zeitdauer unstabil werden könnte.
Wenn andererseits S324 bestimmt, dass der Zählerwert C den vorgeschriebenen Wert überschreitet, nämlich 6 oder größer ist, geht das Programm zu S326 weiter, worin das Bit des Flag FKSTR auf 1 gesetzt wird. In S328 wird der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB gemäß der Unterroutine von 11 berechnet. In diesem Fall wird das Ergebnis der Prüfung in S400 der Unterroutine von 11 JA, und das Programm geht zu S406 weiter, worin eine Prüfung vorgenommen wird, ob das Bit des Flag FKSTR in dem vorhergehenden Steuerzyklus auf 0 rückgesetzt wurde oder nicht, d. h. ob im vorhergehenden Zyklus der Motorbetriebszustand in dem PID-Regelbetriebsbereich war oder nicht.
Wenn dies das erste Mal ist, dass der Zählerwert den vorgeschriebenen Wert überschritten hat, das Ergebnis JA ist, geht das Programm zu S408 weiter, in dem der erfasste Wert KACT(k) mit einem unteren Grenzwert a, z. B. 0,95 verglichen wird. Wenn sich herausstellt, dass der erfasste Wert gleich oder größer als der untere Grenzwert ist, geht das Programm zu S410 weiter, worin der erfasste Wert mit einem oberen Grenzwert b, von z. B. 1,05, verglichen wird. Wenn sich herausstellt, dass er gleich oder kleiner als der obere Grenzwert ist, geht das Programm durch S412 (später erläutert) zu S414 weiter, wo der adaptive Korrekturkoeffizient KSTR(k) mittels der STR-Regelvorschrift berechnet wird.
In anderen Worten, wenn S408 feststellt, dass der erfasste Wert unter dem unteren Grenzwert a liegt, oder S410 feststellt, dass der erfasste Wert den oberen Grenzwert b überschreitet, geht das Programm zu S404 weiter, worin der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient mittels der PID-Regelvorschrift berechnet wird. Genauer gesagt, es wird von der PID-Regelung zur STR-(adaptiven)-Regelung umgeschaltet, wenn der Motorbetriebszustand in dem STR-Regelbetriebsbereich ist und der erfasste Wert KACT 1 beträgt oder in der Nähe davon liegt. Dies ermöglicht ein glattes Umschalten von der PID-Regelung zur STR-(adaptiven)-Regelung.
Wenn S410 bestimmt, dass das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT(k) bei oder unter dem oberen Grenzwert b liegt, geht das Programm zu S412 weiter, worin, wie gezeigt, die vorgenannte skalare Größe b₀ (das die Verstärkung des STR-Reglers bestimmende Element) auf einen Wert gesetzt oder durch diesen ersetzt wird, der erhalten wird, indem derselbe durch KLAF(k – 1) dividiert wird (der Wert des PID-Korrekturkoeffizienten in dem vorherigen Regelzyklus). In S414 wird der durch den STR-Regler bestimmte Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KSTR(k) berechnet.
In anderen Worten, der STR-Regler berechnet grundlegend den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) gemäß der zuvor erläuterten Gleichung 12. Wenn das Ergebnis in S406 positiv ist und das Programm zu S5408 und den nachfolgenden Schritten weitergeht, bedeutet dies jedoch, dass der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient in dem vorherigen Regelzyklus mittels der PID-Regelung berechnet wurde. Wie zuvor in Bezug auf die Konfiguration von 6 erläutert, ist darüber hinaus der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KSTR auf 1,0 festgelegt, und der STR-Reglerbetrieb bleibt unterbrochen, wenn der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient mittels der PID-Regelvorschrift bestimmt wird. Wenn man dies in anderen Worten sagt, werden die adaptiven Parameter ^(k) im Vektor derart bestimmt, dass KSTR = 1,0. Wenn die Bestimmung des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR mittels der STR-Regelvorschrift wiederaufgenommen wird, wird daher die Regelgröße unstabil, wenn der Wert von KSTR stark von 1,0 abweicht.
Wenn in diesem Lichte die skalare Größe b₀ (einer der Reglerparameter, die durch den STR-Regler derart gehalten werden, dass der adaptive Korrekturkoeffizient KSTR auf 1,0 (Anfangswert) oder dortherum festliegt) durch den letzten PID-Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten dividiert wird, wie aus Gleichung 15 ersichtlich, dann wird, da der erste Term 1,0 ist, der zweite Term KLAF(k – 1) der gegenwärtige Korrekturkoeffizient KSTR(k), wenn die adaptiven Parameter so gehalten werden, dass KSTR = 1,0, wie gerade erwähnt:
Im Ergebnis kann das Umschalten von der PID-Regelung zur STR-Regelung glatter durchgeführt werden.
Wenn in der Unterroutine von 11 S402 bestimmt, dass im vorherigen Regelzyklus der Motorbetriebszustand in dem STR-Regelbetriebsbereich lag, geht das Programm zu S416 weiter, worin der Wert von KSTR(k – 1) (der adaptive Korrekturkoeffizient in dem vorherigen Regelzyklus) auf den Wert von KLAFI(k – 1) gesetzt oder durch diesen ersetzt wird (den I-Term des PID-Korrekturkoeffizienten in dem vorherigen Zyklus). Im Ergebnis wird, wenn KLAF(k) in S404 berechnet wird, der I-Term KLAFI davon: KLAFI(k) = KSTR(k – 1) + DKAF(k) × KIund der berechnete I-Term wird zu dem P-Term und dem D-Term addiert, um KLAF(k) zu erhalten.
Unter Verwendung des Werts von KSTR zur Bestimmung des Anfangswerts des PID-Korrekturkoeffizienten in der vorstehenden Weise kann die Differenz zwischen den Korrekturkoeffizienten KSTR(k – 1) und KLAF(k) klein gehalten werden, wenn von der STR-Regelung zur PID-Regelung umgeschaltet wird. Somit kann die Differenz zwischen den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten klein gehalten werden und kann der Übergang glattgängiger und durchgängiger erfolgen.
Wenn S400 in der Unterroutine von 11 bestimmt, dass der Motorbetriebszustand in dem STR-Regelbetriebsbereich liegt, und S406 bestimmt, dass auch im vorhergehenden Regelzyklus der Betriebszustand nicht in dem PID-Regelbetriebsbereich lag, geht das Programm zu S414, worin der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KSTR(k) durch den STR-Regler berechnet wird. Diese Berechnung erfolgt gemäß der zuvor erläuterten Gleichung 12.
Zurück zu 10. Das Programm geht zu S330 weiter, worin geprüft wird, ob der durch die Unterroutine von 11 berechnete Korrekturkoeffizient KSTR ist, und wenn er das ist, geht das Programm zu Schritt S332 weiter, worin die Differenz zwischen 1,0 und KSTR(k) berechnet wird und deren Absolutwert mit einem Schwellenwert KSTRref verglichen wird. Wilde Fluktuationen des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten bewirken plötzliche Änderungen in der Regelgröße und verschlechtern die Regelstabilität. Dementsprechend wird der Absolutwert der Differenz zwischen 1,0 und dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten mit dem Schwellenwert verglichen, und wenn er den Schwellenwert überschreitet, geht das Programm zu S304 weiter, worin ein neuer Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient mittels der PID-Regelvorschrift bestimmt wird. Wenn andererseits S332 bestimmt, dass der Absolutwert der Differenz zwischen 1,0 und dem berechneten Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) den Schwellenwert nicht überschreitet, geht das Programm zu S334 weiter, worin der durch den STR-Regler bestimmte Wert KSTR(k) als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB gesetzt wird. Wnn das Ergebnis in S330 NEIN ist, geht das Programm zu S336 weiter, worin das Bit des Flag FKSTR auf 0 rückgesetzt wird. In S338 wird der durch den PID-Regler bestimmte Wert KLAF(k) als der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient KFB gesetzt.
Zurück zum Flussdiagramm von 4. Das Programm geht zu S34 weiter, worin die erforderliche Kraftstoffzufuhrmenge Tcyl(k) mit dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KFB multipliziert und das Produkt zu einem Wert TTOTAL addiert wird, um die Ausgabe-Kraftstoffeinspritzmenge Tout(k) zu bestimmen. Der Wert TTOTAL ist der Gesamtwert verschiedener Korrekturen, wie etwa einer Korrektur zum Einstellen nach dem Atmosphärendruck, die durch Addition vorzunehmen ist, beinhaltet jedoch nicht die Totzeit der Kraftstoffeinspritzdüse 22 (die separat während der Ausgabe der Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge Tout(k) addiert wird).
Dann geht das Programm zu S36, worin die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge Tout (k) nach Kraftstoffanhaftung an der Wand des Ansaugkrümmers 22 korrigiert wird, um die nach der Kraftstoffanhaftung korrigierte Kraftstoffzufuhrmenge Tout-F(k) zu bestimmen. Da jedoch die Korrektur nach Kraftstoffanhaftung in der vom Anmelder vorgeschlagenen japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 7 (1995)-354,046 beschrieben ist und der Kern der Erfindung nicht in diesem Merkmal liegt, erfolgt hier keine detaillierte Beschreibung. Das Programm geht zu S38 weiter, worin die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge Tout-F(k) der Kraftstoffeinspritzdüse 22 als Stellgröße zugeführt wird.
Wenn S16 bestimmt, dass die Kraftstoffzufuhr unterbrochen ist, geht das Programm zu S40 weiter, worin die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge Tout-F(k) null gemacht wird. Wenn das Ergebnis in S22 oder S24 negativ ist, was bedeutet, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis offenschleifig gesteuert werden sollte, geht das Programm zu S42 weiter, in dem der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient 1,0 ist. In S34 wird die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge Tout(k) bestimmt. Wenn S14 bestimmt, dass der Motor angelassen wird, geht das Programm zu S44 weiter, worin die Kraftstoffzufuhrmenge beim Motoranlassen Ticr durch Abfrage von Kennfelddaten unter Verwendung der Motorkühlmitteltemperatur und eines ähnlichen Parameters bestimmt wird. In S46 wird die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge Tout(k) unter Verwendung des abgefragten Werts auf der Basis einer Gleichung beim Motoranlassen berechnet.
Da bei der obigen Anordnung die Regelgröße y auf der Basis des erfassten Werts KACT und des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD derart bestimmt wird, dass der Sollwert r ein vorbestimmter Wert ist, z. B. ein festgelegter oder konstanter Wert, wird es möglich, die Anzahl von Regelparametern oder Variablen zu senken. In dem in 14 dargestellten früheren System waren die zwei Eingaben, der Sollwert r (das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD) und die Regelgröße y (das erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis KACT) Variablen. Da die Ordnung der Regelung die 2. Ordnung war, resultierte dies in einer verschlechterten Regelung.
Andererseits ist in der Erfindung des vorliegenden Systems der Regelparameter nur auf eine Variable beschränkt, indem der Sollwert zu einem vorbestimmten oder festen Wert gemacht wird. In anderen Worten ist das System derart konfiguriert, dass das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis und der Sollwert des adaptiven Reglers separat und unabhängig gemacht werden, während der Sollwert r konstant gemacht wird. Im Ergebnis wird die Regelung auf eine este Ordnung abgesenkt und wird die Regelstabilität stark verbessert. Wenn mit der obigen Anordnung das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis in Antwort auf die Betriebszustände des Motors bestimmt wird, oder wenn das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis in dem Katalysatorfenster in Antwort auf die Ausgabe des O₂-Sensors leicht korrigiert wird, um die Katalysatorreinigungswirkung zu maximieren, fluktuieren die adaptiven Parameter sehr wenig. Der mittels der adaptiven Parameter berechnete Kraftstoffzufuhrmengen-Korrekturkoeffizient wird dementsprechend ein stabiler Wert, um zu ermöglichen, dass die Luft/Kraftstoffverhältnisregelung und die Stabilität des adaptiven Reglers verbessert wird.
Wenn darüber hinaus bei Abschluss der Offenschleifensteuerung z. B. bei der Rückkehr von der Kraftstoffsperre die geschlossen-schleifige Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses wiederaufgenommen wird, dann ist es unwahrscheinlich, dass die Regelstabilität schlechter wird, weil der Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient mittels der PID-Regelvorschrift für eine vorbestimmte Dauer bestimmt wird. Da andererseits die Dauer auf eine begrenzte Zeit gesetzt ist, ist es möglich, den Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten unter Verwendung der im STR-Regler berechneten adaptiven Vorschrift zu verwenden, um den Regelfehler zwischen den Soll- und erfassten Luft/Kraftstoffverhältnissen auf einmal zu beseitigen, um hierdurch die Regelkonvergenz zu verbessern.
Weil darüber hinaus das glatte Umschalten zwischen der adaptiven oder STR-Regelung und der PID-Regelung wirksam ist, gibt es keine Pegeldifferenz zwischen den Korrekturkoeffizienten, was in keiner plötzlichen Änderung in der Stellgröße resultiert. Es kommt zu keinem Oszillieren oder keiner Divergenz in der Regelgröße, und es wird effizient verhindert, dass die Regelstabilität schlechter wird.
Angemerkt werden sollte, dass es alternativ möglich ist, einen dritten Katalysator 94 an einer Stelle vorzusehen, die in 5 mit einer strichpunktierten Linie 400 gezeigt ist, und stromauf des LAF-Sensors 54. Der dritte Katalysator 94 kann bevorzugt ein Schnellstart-Katalysator sein, der in einer relativ kurzen Zeitdauer aktivierbar ist.
13 ist eine Ansicht ähnlich 5, zeigt jedoch die Konfiguration des Systems gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Wie in 13 dargstellt, ist ein zweiter O₂-Sensor 98 stromab des zweiten Katalysators 30 vorgesehen. Die Ausgabe des zweiten O₂-Sensors 98 wird, wie gezeigt, genutzt, um das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD zu korrigieren. Mit dieser Anordnung wird es möglich, das Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD optimaler zu korrigieren, um hierdurch die Luft/Kraftstoffverhältnisregelung effizienter zu verbessern.
Weil darüber hinaus das Luft/Kraftstoffverhältnis in dem Abgas, das schließlich in die Luft abgegeben wird, durch den zweiten O₂-Sensor 98 erfasst wird, wird die Emissionsregelung verbessert. Diese Konfiguration macht es auch möglich, zu überwachen, ob die stromaufwärtigen Katalysatoren schlechter geworden sind. Der zweite O₂-Sensor 98 kann als Ersatz des ersten O₂-Sensors 56 verwendet werden. Der mit dem zweiten O₂-Sensor 98 verbundene Filter 500 sollte bevorzugt ein Filter mit einer Sperrfrequenz von 1000 Hz sein.
Obwohl in den ersten und zweiten Ausführungen der O₂-Sensor als Abgassensor zum Korrigieren des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet wird, ist es alternativ möglich, den NOx-Sensor zu verwenden, der die NOx-Komponente in dem Abgas erfasst, oder einen CO-Sensor, der die CO-Komponente in dem Abgas erfasst, oder einen KW-Sensor, der die KW-Komponenten in dem Abgas erfasst. Der Grund hierfür ist, dass diese Sensoren ähnlich dem O₂-Sensor angewendet werden können, um das Soll-LufdKraftstoffverhältnis in Antwort auf die erfasste Komponente in dem Abgas zu korrigieren, um die Katalysatorreinigungs wirkung zu maximieren.
Es sollte auch angemerkt werden, dass, obwohl das System in den vorstehenden Ausführungen derart konfiguriert ist, dass der STR-Regler zur Berechnung des Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten vorgesehen ist und darüber hinaus der PID-Regler zum Berechnen des Koeffizienten mittels der PID-Regelvorschrift vorgesehen ist, die Konfiguration in der Erfindung nicht unabkömmlich ist und es ausreicht, wenn nur der STR-Regler vorhanden ist.
Ferner sollte angemerkt werden, dass, obwohl die Kraftstoffzufuhrmenge für die einzelnen Zylinder nicht mit Rückkopplung geregelt wird, es alternativ möglich ist, einen Beobachter vorzusehen, der das Luft/Kraftstoffverhältnis jedes Zylinders aus der Ausgabe eines einzigen LAF-Sensors und auf Basis der geschätzten Luft/Kraftstoffverhältnisse der einzelnen Zylinder schätzt, um die Korrekturkoeffizienten für die einzelnen Zylinder zu bestimmen, so dass die Abweichung in den jeweiligen Zylindern verringert wird, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis oder die Kraftstoffzufuhrmenge für die jeweiligen Zylinder separat geregelt wird, wie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 6(1994)-17681 beschrieben, die früher vom Anmelder vorgeschlagen wurde. Ferner sollte angemerkt werden, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis oder die Kraftstoffzufuhrmenge in jedem Zylinder geregelt werden kann, indem ein LAF-Sensor 54 für jeden Zylinder vorgesehen wird, um das Luft/Kraftstoffverhältnis jedes Zylinders zu erfassen.
Ferner sollte angemerkt werden, dass, obwohl in den vorstehenden Ausführungen das Drosselventil 16 durch einen Schrittmotor betätigt ist, es stattdessen auch mit dem Gaspedal mechanisch gekoppelt sein kann und in Antwort auf den Druck auf das Gaspedal direkt betätigt werden kann.
Ferner sollte angemerkt werden, dass, obwohl in den vorstehenden Ausführungen das Luft/Kraftstoffverhältnis in dem Äquivalenzverhältnis ausgedrückt ist, es stattdessen als das Luft/Kraftstoffverhältnis selbst bestimmt werden kann.
Ferner sollte angemerkt werden, dass, obwohl in den vorstehenden Ausführungen die Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten als zu multiplizierende Werte bestimmt werden, sie stattdessen auch als zu addierende Werte erhalten werden können.
Ferner sollte angemerkt werden, dass, obwohl der adaptive Regler vom STR-Typ verwendet wird, stattdessen der adaptive Regler als Modell-referenziertes, adaptives Regelsystem konfiguriert sein kann.

Claims

System zum Steuern/Regeln eines Luft/Kraftstoffverhältnisses eines Verbrennungsmotors, umfassend: ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsmittel (54) zum Erfassen eines Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT von dem Motor (10) erzeugter Abgase zumindest auf der Basis einer Ausgabe eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors (54), der in einem Auspuffsystem des Motors (10) angeordnet ist; ein Motorbetriebszustand-Erfassungsmittel zum Erfassen von Motorbetriebszuständen (S10), einschließlich zumindest Motordrehzahl (Ne) und Motorlast; ein Basis-Kraftstoffzufuhrmengen-Berechnungsmittel zum Berechnen einer dem Motor zuzuführenden Basis-Kraftstoffzufuhrmenge auf der Basis zumindest der erfassten Motorbetriebszustände; ein Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten-Berechnungsmittel, das mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsmittel betriebsmäßig gekoppelt ist und einen adaptiven Regler, der als Eingaben einen Sollwert r und eine Regelgröße y empfängt, sowie einen Adaptationsmechanismus, der adaptive Parameter (θ) schätzt, aufweist, wobei das Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten-Berechnungsmittel einen Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR als Ausgabe u auf der Basis zumindest der adaptiven Parameter berechnet, um die von dem Basis-Kraftstoffzufuhrmengen-Berechnungsmittel berechnete Basis-Kraftstoffzufuhrmenge derart zu korrigieren, dass die Regelgröße y zu dem Sollwert r konvergiert; ein Ausgabe-Kraftstoffmengen-Bestimmungsmittel, das betriebsmäßig mit dem Basis-Kraftstoffmengen-Berechnungsmittel und dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten-Berechnungsmittel gekoppelt ist, um die von dem Basis-Kraftstoffmengen-Berechnungsmittel berechnete Basis-Kraftstoffzufuhrmenge mit dem Rückkopplungs-Korrekturkoeffizienten KSTR zu korrigieren, um eine Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge zu bestimmen; und ein Kraftstoffzufuhrmittel (22), das betriebsmäßig mit dem Ausgabe-Kraftstoffmengen-Bestimmungsmittel gekoppelt ist, um dem Motor die Ausgabe-Kraftstoffzufuhrmenge zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass: das System enthält: ein Regelgrößenbestimmungsmittel zum Bestimmen der Regelgröße y auf der Basis des erfassten Luft/Kraftstoffverhältnisses KACT und eines Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD derart, dass der Sollwert r ein vorbestimmter Wert ist.
System nach Anspruch 1, das ferner enthält: einen Katalysator (28), der an dem Auspuffsystem des Motors (10) stromab des Luft/Kraftstoffverhältnissensors (54) angeordnet ist; einen zweiten Luft/Kraftstoffverhältnissensor (56), der an dem Auspuffsystem des Motors (10) stromab des Katalysators (28) angeordnet ist, um die Konzentration einer Komponente im vom Motor (10) erzeugten Abgas zu erfassen; und ein Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Bestimmungsmittel zum Bestimmen des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD auf der Basis zumindest einer Ausgabe des zweiten Luft/Kraftstoffverhältnissensors (56).
System nach Anspruch 1 oder 2, worin das Regelgrößenbestimmungsmittel die Regelgröße y als ein Verhältnis zwischen dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT und dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD derart bestimmt, dass der Sollwert r 1,0 ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, worin das Regelgrößenbestimmungsmittel die Regelgröße y als eine Differenz zwischen dem erfassten Luft/Kraftstoffverhältnis KACT und dem Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis KCMD derart bestimmt, dass der Sollwert r 0 ist.
System nach Anspruch 1, 2 und 3 oder den Ansprüchen 1, 2 und 4, worin das Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Bestimmungsmittel enthält: eine Basis-Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Bestimmung zum Bestimmen des Basiswerts KBS des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD auf der Basis zumindest der erfassten Motorbetriebszustände; ein Korrekturwert-Berechnungsmittel zum Berechnen eines Korrekturwerts zum Korrigieren des Basiswerts auf der Basis der Ausgabe des zweiten Luft/Kraftstoffverhältnissensors (56); und ein Soll-Luft/Kraftstoffverhältnis-Berechnungsmittel zum Berechnen des Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses KCMD auf der Basis zumindest des Basiswerts und des Korrekturwerts.