JP4116682B2 - 後置の酸素を蓄積可能な触媒を備えた内燃機関の燃空比の設定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は後置の酸素蓄積能力を有する触媒を備えた内燃機関の燃空比の設定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＣ、ＮＯｘおよびＣＯのような内燃機関の排気ガス中の有害成分を、内燃機関の排気ガス系統内に設けられた触媒により非毒性ガスに変換することは一般に既知である。いわゆる変換度に関しては、排気ガス中の酸素含有量が最適値の範囲内にあることが重要である。いわゆる三方触媒に対し、この最適値はλ＝１の燃料／空気混合物に対応する値の周りの狭い範囲内に存在する。この狭い範囲内に保持可能にするために、内燃機関の燃空比を内燃機関の排気ガス系統内に設けられた酸素センサにより制御することが一般的である。とくに移行範囲内で制御過程を加速するために、酸素センサの信号に基づく制御に加えて、内燃機関の運転特性変数に基づき、たとえば内燃機関に供給される空気量Ｑおよび回転速度ｎに基づいていわゆる予備制御値の決定が行われる。空気量Ｑの決定は、絞り弁の開き角度の決定により、または空気流量計の信号に基づいて、種々の方法で行うことができる。
【０００３】
Ｑおよびｎに基づいて決定された予備制御値は、酸素センサの信号により、最適燃料／空気混合物が決定されるように修正される。修正された信号により、内燃機関に燃料の最適量を供給するように燃料供給装置が操作される。これはたとえば、燃料噴射弁を噴射パルス幅ｔｉで操作することにより行うことができる。
【０００４】
さらに、燃料／空気混合物を制御するために、酸素センサとして２つのλセンサすなわち触媒の前の第１のλセンサおよび触媒の後の第２のλセンサが使用されている装置が既知である。第２のλセンサの信号が目標値と比較され、両方の値から得られた差が積分され、このようにして得られた値が第１のλセンサの信号に基づいて制御目標値を調節する。このような装置はたとえばドイツ特許公開第３８３７９８４号から既知である。さらに、今日の三方触媒がガス蓄積能力とくに酸素蓄積能力を有していることが知られている。これに関しては、米国特許第５２０７０５６号から、制御において触媒のガス蓄積能力を考慮することが既知である。この特許によれば、触媒の前のλの瞬間値が目標値に制御されるばかりでなく、触媒の後のセンサを用いた重ね合わせ制御により制御偏差の積分もまた目標値に制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料／空気混合物を設定するとき触媒のその時点における酸素の充填状態を考慮し、かつ酸素蓄積能力と劣化状態との密接な関係により、触媒の診断を可能にすることが本発明の課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本的な考え方は、触媒への酸素の引渡しが十分に行われるように、触媒の前で線形広域センサを用いてλの定常的な制御を行うことにある。言い換えると、制御の目的は、触媒の酸素充填量を目標値に保持することである。このために、触媒の前におけるλ制御に他の制御回路が重ね合わされ、この他の制御回路は、触媒の後に設けられたセンサの信号を評価することにより、触媒の前のセンサの信号に基づいて制御の目標値を修正する。この重ね合わせ制御は時間的に変化する触媒特性を正当に評価しなければならない。すなわち、制御のパラメータは触媒の劣化状態に追従されなければならない。このために、触媒の適切な蓄積モデルのモデルパラメータが、モデルを用いたパラメータ同定法により、触媒の後で測定された酸素信号からオンラインで求められる。これらのパラメータはその時点で適用可能な触媒特性に対する尺度を示し、これらの特性がオンラインで求められるので、触媒状態をきわめて迅速に決定することが可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
三方触媒は酸素蓄積器とみなされる。この考え方により、酸素蓄積器の充填および排出を説明する３つのパラメータを特性値として有する三方触媒の簡略モデルが形成される。反復マルコフパラメータ評価を用いて、触媒の上流側および下流側において測定されたλ値に基づきこれらの３つのパラメータをオンラインで同定化することができる。これらの３つのパラメータから触媒の相対酸素充填度を決定することができる。この相対酸素充填度は制御のために使用される。三方触媒はただ酸素蓄積器とみなされるので、三方触媒は数学的には制御の目的に対する制限積分器として示すことができる。これについては図１参照。上部限界はもはやこれ以上酸素を受け入れることができない満タンの三方触媒を示している。下部限界は酸化のための酸素をもはや放出することができない触媒状態を示している。酸素の引渡量ｍ＊Ｏ₂（ｔ）はその時点のλの量論比λ＝１からの偏差ΔλＶＫと排気ガス質量流量ｍ＊（ｔ）との積として計算することができる。この場合、排気ガス質量流量は吸気質量流量の動的修正により得ることができる。したがって、触媒の前の広域λセンサを使用することにより、触媒への酸素引渡量を定量化することができる。さらに、触媒の酸素受取能力は一般に触媒の酸素放出能力とは異なるものと想定される。このことは、制限積分器のモデルに対して２つの積分速度ＫＩＰ（ｔ）およびＫＩＮ（ｔ）が使用されなければならないことを意味する。この場合、ＫＩＰはΔλ（ｔ）が正であるときの蓄積過程において作動し、一方ＫＩＮはΔλが負であるときの放出過程において作動する。この場合、触媒の前のセンサにより測定されるΔλは、触媒モデルにおいて酸素蓄積過程の基礎となっているΔλとは加算オフセットＫλだけさらに異なっている。この関係が図１に示されている。この場合、結合点１には、触媒の前のセンサの信号の量論組成に対する値からの偏差Δλならびに加算オフセットＫλに対する値が供給される。両方の値の和が結合点２において排気ガス質量流量と乗算され、排気ガス質量流量は吸気内の酸素成分量に対応する係数０．２３で重み付けされている。制御偏差Δλの符号の関数としてスイッチ３により、制限積分器６に対する正の積分速度４または負の積分速度５のいずれかがあらかじめ選択される。このモデルの出力値ＲＯＬ（ｔ）は触媒内の相対酸素充填度に対応し、この相対酸素充填度は触媒のその時点の酸素蓄積容量ＯＳＣに対し相対的に蓄積された酸素質量と定義される。パラメータＫＩＰおよびＫＩＮは時間的に変化する。パラメータＫＩＰおよびＫＩＮは温度変化の関数として、また触媒の劣化による酸素蓄積容量ＯＳＣの変化の関数として変化する。後者の関数関係から、パラメータＫＩＰおよびＫＩＮは酸素蓄積容量の判定、したがって触媒の劣化状態の判定のために使用可能である。図１に示した下部積分限界は０にセットされ、一方上部積分限界は触媒の初期酸素蓄積容量ＣＫａｔにセットされている。これらの限界の選択は、パラメータＫＩＰおよびＫＩＮの初期値がほぼ１に近くなるように行われている。劣化された触媒に対しては、典型的には値は＞１となることが予想される。
【０００８】
はじめに記載のように、適応制御の目的は触媒内に所定の酸素充填度が設定されるように燃空比を設定することにある。この場合、好ましい実施態様においては約５０％の酸素充填度が設定される。この充填度においては充填度の三方触媒の制限までの間隔が最大となり、したがって触媒は上流側における燃空比λの変化を両方向（リッチ方向およびリーン方向）に最適に修正することができる。問題点は、触媒内の酸素充填度が直接測定できないことにある。測定可能な唯一の触媒出力信号は下流側に設けられたセンサの信号であり、この信号から次の情報だけは導くことができる。すなわち、ＥＬＬ＜ΔλＤＳ＜ＥＵＬであるとき、酸素充填度は上限と下限との間に存在している。ΔλＤＳ＞ＥＵＬのとき、酸素充填度は上限に存在している。ΔλＤＳ＜ＥＬＬのとき、酸素充填度は下限に存在している。この場合、ＥＵＬおよびＥＬＬは、酸素充填度が上限に到達したかないしは下限に到達したかを決定するためのしきい値である。ΔλＤＳは触媒の後ろで測定されたλの、量論比に対応する値１からの間隔である。相対酸素充填度を求めかつそれを５０％に保持するために、図２に提案されているような間接適応制御が使用可能である。
【０００９】
この装置において、ブロック２．１はエンジンに、ブロック２．２は三方触媒に、ブロック２．６は一次制御器に、ブロック２．３はパラメータ評価に、ブロック２．４は触媒モデルにそれぞれ対応し、ブロック２．５はパラメータ評価２．３からの入力値を制御器２．６に供給し、これらの値は制御器２．６において共に処理される。ブロック２．３内のパラメータはオンラインで行われる反復マルコフパラメータ評価ＲＭＥにより得られる。評価された相対酸素充填度ＲＯＬは、酸素蓄積モデルに対応する触媒モデルのブロック２．４において形成される。この線図内の制御変数すなわち相対酸素充填度ＲＯＬは評価された信号である。このことは、あらかじめ設定された制御線図を、一次制御器が測定された変数を直接処理する典型的な間接適応制御メカニズムとは区別している。この区別は次の問題点の原因となっている。すなわち、評価されたパラメータが真のパラメータから異なっているとき、三方触媒の真の酸素充填度は制御により限界に到達し、すなわち酸素が空の触媒または酸素が満タンの触媒となる。この問題点は、触媒の下流側に配置されたλセンサにより検出されるように、評価された相対充填度が真の限界値にセットされることにより解決される。
【００１０】
これにより、制御器のみでなくアルゴリズムもまたある程度パラメータの同定化のために作動される。パラメータ制御器の設計のために、図３に示すようなＨ無限法が使用されてもよい。この場合、三方触媒は純粋な積分器とみなされる。エンジンはＨ無限問題を解くために低域フィルタと時間遅れとの直列回路としてモデル化され、時間遅れは有限有理伝達関数により近似される。エンジンの制御変数はλ係数ΔＦλと仮定され、この場合、和１＋ΔＦλは修正係数に対応し、この修正係数を用いて燃料噴射時間が修正される。Ｈ無限問題に対しては重み付けされた２つの伝達関数ＷＥＳおよびＷＹＳが使用される。伝達関数を対応して選択するとき、次の制御法則が与えられる。
【数１】

【００１１】
図４に示すように、制御器ＣＳは図２から一次制御器２．６およびブロック２．４を使用して形成される。パラメータＫＩＰ、ＫＩＮおよびＫλは図２のパラメータ評価（ＲＭＥ）すなわちブロック２．３において反復により同定化される。反復ステップは、酸素充填度がその上限または下限を通過したことにより開始される。言い換えると、本発明の基本的な考え方は以下のようにも説明することができる。すなわち、まず排気ガス質量流量と、およびその時点のλの、量論比λ＝１からの偏差とから触媒への酸素引渡量が決定される。したがって、触媒の前の広域λセンサを使用することにより、触媒への酸素引渡量を定量することができる。さらにこれにより、触媒の前の制御の制御システムを線形伝達要素により表わすこと、したがって制御器設計のためのモデル付加値を介して、λ変動の迅速な制御および触媒への酸素引渡量の補充という両方の制御目的を同時に最適に達成することが可能となる。設計付加要素として、たとえばＨ無限法が使用され、このＨ無限法は図４から係数Ｇ１ないしＧ３を発生させる。触媒の前における制御は優先的にかつて同定化されたエンジンの伝達特性に基づいて同定化される。なぜならば、このモデルパラメータにはきわめてゆっくりした振動のみが与えられるからである。触媒蓄積特性のモデル化は蓄積容量に対する正規化された変数（積分器）および２つの流量定数ＫＩＮおよびＫＩＰを用いて行われ、ここで２つの流量定数ＫＩＮおよびＫＩＰはそれぞれ触媒への正の酸素引渡ないし負の酸素引渡を示している。モデルを完成させるために、モデル内でさらにオフセット定数Ｋλが考慮される。両方の流量定数ＫＩＮおよびＫＩＰならびにＫλは測定可能な信号λＶＫおよびλＨＫからパラメータ同定法により求めることができる。このために、適切な付加要素は、モデル予測のエラーの時間的に変化する重みを用いた最小二乗法の使用である（マルコフ評価）。したがって、この同定化アルゴリズムの反復形式化により、各付加ステップにおいて評価された値ＫＩＮ、ＫＩＰを更新することができる。この場合一方で、パラメータＫＩＮ、ＫＩＰおよびＫλは直接制御の目的に使用することができる。これらは触媒の前のセンサ信号の定常誤差の修正であり、また触媒モデルと結合したとき所定の触媒充填度を保持するための目標値データである。したがって、その時点に適応される触媒モデルのパラメータを使用することにより、各時点における制御がそれぞれの触媒状態に適応して最適に行われることになる。同時に、評価された流量定数ＫＩＮおよびＫＩＰの時間経過を評価することにより、触媒状態に関するデータを作成することが可能である。最も簡単な場合、このためにこの値のしきい値のモニタリングだけで十分である。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒の酸素蓄積モデルの簡略図である。
【図２】本発明による適応制御回路のブロック線図である。
【図３】制御器の特定実施態様図である。
【図４】制御器の他の特定実施態様図である。
【符号の説明】
１ 結合点（加算）
２ 結合点（乗算）
２．１ エンジン
２．２ 三方触媒
２．３ パラメータ評価
２．４ 触媒モデル（酸素蓄積モデル）
２．５ ＫＩＮ、ＫＩＰおよびＫλの供給ブロック
２．６ 一次制御器
３ スイッチ
４ 正の積分速度
５ 負の積分速度
６ 制限積分器
ＣＫａｔ 触媒の初期酸素蓄積能力
ＣＳ 制御器
ＥＬＬ ΔλＤＳの下限しきい値
ＥＵＬ ΔλＤＳの上限しきい値
ＫＩＮ 負の偏差の積分速度
ＫＩＰ 正の偏差の積分速度
Ｋλ オフセット定数（修正パラメータ）
ｍ＊Ｏ₂（ｔ） 触媒への酸素引渡量
ｍ＊（ｔ） 排気ガス質量流量
ＯＳＣ 触媒の酸素蓄積容量
ＲＭＥ 反復マルコフパラメータ評価
ＲＯＬ（ｔ） モデルの出力値（触媒の相対酸素充填度）
ＷＥＳ、ＷＹＳ 重み付けされた伝達関数
ΔＦλ λ係数
Δλ 触媒の前で測定された酸素含有量の量論混合物組成における酸素含有量の値からの偏差
ΔλＤＳ 触媒の後で測定されたλの、値１からの間隔
λＨＫ 触媒の後で測定された酸素成分量
λＶＫ 触媒の前で測定された酸素成分量

Claims (10)

1. 内燃機関の排気ガス中の酸素成分量が触媒の前後で測定されかつ燃空比の設定が調節される、後置の酸素を蓄積可能な触媒を備えた内燃機関の燃空比の設定方法において、
   触媒の酸素モデルと、触媒の前後で測定された内燃機関の排気ガス中の前記酸素成分量と、に基づいて、触媒のその時点の酸素充填度が求められること、
   触媒の後ろで測定された前記酸素成分量に基づいて、前記酸素モデルのパラメータが修正され、このパラメータの修正により、触媒の酸素モデルを更新することができること、
   触媒の酸素充填度に対する目標値が上限（ＥＵＬ）と下限（ＥＬＬ）の間に設定されること、および
   触媒の得られた実際の酸素充填度の関数として、前記燃空比が設定されること、
   を特徴とする方法。
2. 内燃機関の排気ガス中の酸素成分量が触媒の前で広域特性を有する排気ガスセンサにより測定されることを特徴とする請求項１の方法。
3. 触媒の蓄積特性がその時点における触媒への酸素引渡量に対する尺度の積分によりモデル化されることを特徴とする請求項２の方法。
4. 酸素引渡量に対する尺度として、触媒の前で測定されたその時点の酸素成分量の、量論混合物組成における酸素成分量の値からの偏差Δλと、排気ガス質量流量との積に比例する値が形成されることを特徴とする請求項３の方法。
5. 排気ガス質量流量が、測定された吸気質量流量から決定されることを特徴とする請求項４の方法。
6. 正の偏差Δλの積分および負の偏差Δλの積分が、それぞれ異なる積分速度パラメータＫＩＰ、ＫＩＮで行われること、および測定された偏差が積分の前にオフセットパラメータＫλを加えて修正されること、を特徴とする請求項４の方法。
7. パラメータＫＩＰ、ＫＩＮおよびＫλは、触媒の前後で測定された酸素成分量λＶＫおよびλＨＫからパラメータ同定法により求められることを特徴とする請求項６の方法。
8. パラメータの同定がモデル予想のエラーの時間的に変化する重みで重み付けした最小二乗法により得られることを特徴とする請求項７の方法。
9. 触媒の劣化状態に関するデータを得るために、評価されたパラメータＫＩＮ、ＫＩＰの時間経過を評価することを特徴とする請求項７または８の方法。
10. 触媒充填度に対する目標値は、触媒状態の関数として変化されることを特徴とする請求項９の方法。

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