KR20200081314A - 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내연기관(10)의 촉매 컨버터(26)의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨을 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법에서는 촉매 컨버터 모델(102)을 포함하는 시스템 모델(100)의 사용 하에 충전 레벨의 제어가 수행되고, 촉매 컨버터(26)의 출력측에 배치된 배기가스 프로브(34)의 신호들에 기반하는 적응을 통해, 충전 레벨의 제어에 영향을 미치는 측정값 또는 모델값의 불확실성이 보정된다. 이 방법은, 상기 적응이 복수의 경로(200, 210, 220)를 통해 수행되고, 이때 서로 상이한 경로에서는 출력측에 배치된 배기가스 프로브(34)의 서로 상이한 신호 영역들(260, 280, 300)의 신호가 처리되는 것을 특징으로 한다. 한 독립 청구항은 상기 방법을 수행하도록 구성된 제어 장치를 대상으로 한다.

Description

촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨을 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING A FILLING LEVEL OF AN EXHAUST GAS COMPONENT ACCUMULATOR OF A CATALYTIC CONVERTER}
본 발명은, 청구항 1의 전제부에 따라 내연기관의 배기가스 내 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 장치 측면에서 본 발명은 장치 독립항의 전제부에 따른 제어 장치에 관한 것이다.
배기가스 성분으로서의 산소와 관련한 상기 방법 및 상기 제어 장치는 동 출원인의 독일 공보 DE 196 06 652 B4호로부터 각각 공지되어 있다.
공지된 방법에서는, 촉매 컨버터 모델을 포함하는 시스템 모델의 사용 하에 충전 레벨의 제어가 수행된다. 충전 레벨의 제어에 영향을 미치는 측정값 또는 모델값의 불확실성은 촉매 컨버터의 출력측에 배치된 배기가스 프로부의 신호들에 기반하는 적응을 통해 보정된다. 제어 장치는 그러한 방법을 수행하도록 설계된다.
오토 엔진에서 공기/연료 혼합물의 불완전 연소 시, 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O) 이외에도 여러 연소 생성물이 배출되는데, 그 중 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NOx)는 법적으로 제한된다. 현재 종래 기술에 따르면, 자동차에 적용 가능한 배기가스 한계값은 배기가스의 촉매 후처리에 의해서만 준수될 수 있다. 삼원 촉매 컨버터를 사용하여, 언급한 유해 성분들이 변환될 수 있다.
HC, CO 및 NOx에 대해 동시에 높은 변환율은 삼원 촉매 컨버터의 경우 화학량론적 작동점(람다 = 1) 주변의 좁은 람다 범위, 이른바 변환 윈도우(conversion window)에서만 달성된다.
변환 윈도우 내에서 삼원 촉매 컨버터를 작동시키기 위해, 오늘날의 엔진 제어 시스템에서는 일반적으로 상기 삼원 촉매 컨버터의 상류 및 하류에 배치된 람다 프로브의 신호들에 기반한 람다 제어가 사용된다. 내연기관의 연료/공기비의 조성의 척도인 공기비 람다의 제어를 위해, 삼원 촉매 컨버터 상류에서 배기가스의 산소 함량이 그곳에 배치된 입력측 배기가스 프로브에 의해 측정된다. 이 측정값에 따라, 제어부가 파일럿 제어 기능에 의해 기본값의 형태로 사전 설정된 연료량 또는 분사 펄스 폭을 보정한다.
파일럿 제어의 범주에서는, 예를 들어 내연기관의 회전수 및 부하에 따라 분사될 연료량의 기본값이 사전 설정된다. 보다 정확한 제어를 위해, 추가로 삼원 촉매 컨버터 하류에서 배기가스의 산소 농도가 또 다른 배기가스 프로브에 의해 검출된다. 상기 출력측 배기가스 프로브의 신호는, 삼원 촉매 컨버터 상류에서 입력측 배기가스 프로브의 신호에 기반하는 람다 제어에 중첩되는 마스터 제어에 사용된다. 삼원 촉매 컨버터 하류에 배치된 배기가스 프로브로서 일반적으로, 람다 = 1일 때 매우 가파른 특성곡선을 가짐으로써 람다 = 1을 매우 정확하게 표시할 수 있는 이산 레벨 람다 프로브(discrete level lambda probe)가 이용된다[Kraftfahrtechnisches Taschenbuch(자동차 공학 포켓북) 23판, 524쪽].
일반적으로 람다 = 1과의 작은 편차만을 보정하고 비교적 서서히 진행되는 마스터 제어에 추가로, 현재의 엔진 제어 시스템에는 일반적으로, 람다 = 1과의 큰 편차에 따라 람다 파일럿 제어의 형태로, 변환 윈도우가 신속하게 다시 달성되게 하는 기능이 있으며, 이는 예컨대 삼원 촉매 컨버터가 산소로 포집되는 코스팅 비활성화 단계 이후에 중요하다. 산소 포집은 NOx 변환을 악화시킨다.
삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량으로 인해, 삼원 촉매 컨버터의 상류에서 농후 또는 희박 람다(rich or lean lambda)가 설정된 후에, 삼원 촉매 컨버터의 하류에서는 여전히 수 초에 걸쳐서 람다 = 1이 될 수 있다. 이처럼 산소를 일시적으로 저장하는 삼원 촉매 컨버터의 특성은, 삼원 촉매 컨버터의 상류에서 람다 = 1과의 단시간 편차를 보상하기 위해 이용된다. 삼원 촉매 컨버터의 상류에서 상대적으로 더 오랜 시간에 걸쳐 1이 아닌 람다가 존재한다면, 산소 충전 레벨이 람다 >1(산소 과량)일 때 산소 저장 용량을 상회하는 즉시, 또는 삼원 촉매 컨버터 내에서 람다 < 1일 때 산소가 더 이상 저장되지 않는 즉시, 삼원 촉매 컨버터의 하류에서도 동일한 람다가 설정된다.
이 시점에, 삼원 촉매 컨버터의 하류에서 이산 레벨 람다 프로브도 변환 윈도우의 이탈을 표시한다. 그러나 이 시점까지, 삼원 촉매 컨버터 하류의 람다 프로브의 신호는 임박한 파과(breakthrough)를 지시하지 않으며, 그로 인해 상기 신호를 기반으로 하는 마스터 제어는, 연료 계량 공급이 더 이상 파과 전 적시에 반응할 수 없을 정도로 늦게서야 반응하는 경우가 많다. 그 결과, 테일 파이프 배출량(tail pipe emission)이 증가한다. 그러므로 현재의 제어 컨셉은, 삼원 촉매 컨버터 하류에서 이산 레벨 람다 프로브의 전압에 따라 변환 윈도우의 이탈을 늦게서야 검출한다는 단점이 있다.
삼원 촉매 컨버터의 하류에 배치되는 람다 프로브의 신호를 기반으로 하는 삼원 촉매 컨버터의 제어에 대한 대안은 삼원 촉매 컨버터의 평균 산소 충전 레벨의 제어이다. 이 평균 충전 레벨은 측정될 수는 없지만, 도입부에 언급한 DE 196 06 652 B4호에 따라 계산을 통해 모델링될 수 있다.
그러나 삼원 촉매 컨버터는 시변 시스템 매개변수들을 갖는 복잡한 비선형 시스템이다. 더 나아가, 삼원 촉매 컨버터의 모델을 위해 측정되거나 모델링된 입력 변수들에는 통상 불확실성이 있다.
본 발명은, 그 방법 양태들과 관련하여 청구항 제1항의 특징부의 특징들에 의해, 그리고 그 장치 양태들과 관련하여 독립 장치 청구항의 특징부의 특징들에 의해, 도입부에 언급한 종래 기술과 구분된다.
제1항의 특징부의 특징들에 따르면, 적응이 복수의 경로를 통해 수행되며, 이때 서로 상이한 경로에서는 출력측에 배치된 배기가스 프로브의 서로 상이한 신호 영역들의 신호가 처리된다. 제어 장치는 이러한 방법을 실행하도록 설계된다.
제1항의 전제부의 특징들과 조합하여, 상기 특징부의 특징들에 의해, 시스템 모델 내로 유입되는 측정값 또는 모델값의 불확실성 및 상기 시스템 모델의 불확실성을 보상하는 다단계 적응이 구현된다.
다단계 적응은 상대적으로 더 작은 편차들의 더 정확한, 연속 처리되는 적응과, 더 큰 편차들의 불연속적인 신속한 보정을 결합한 것이다.
연속 적응 및 불연속 보정은, 배기가스 흐름 내에서 촉매 컨버터 하류에 위치하고 그에 따라 출력측에 배치된 배기가스 프로브의 상이한 신호 영역들의 신호값들에 기반하는데, 이 경우 상기 신호값들로부터 기본적으로 상이한 두 가지 정보가 유도된다. 본 발명은, 배기가스 조성 및 촉매 컨버터의 충전 레벨과 관련하여 상이한 신호 영역들의 신호들의 상이한 유의성(significance)을 고려할 수 있게 한다.
더 나아가, 연속 적응만 활성화되거나, 불연속 보정만 활성화되거나, 상기 두 방식 모두 함께 활성화되는 복수의 신호값 영역이 제공될 수 있다.
불연속 적응 시, 출력측 배기가스 프로브의 전압이 촉매 컨버터 하류의 농후 또는 희박 배기가스의 파과 및 그에 따라 너무 낮거나 너무 높은 실제 산소 충전 레벨을 지시하는 경우, 모델링된 충전 레벨이 실제 충전 레벨에 상응하게 보정된다. 이 보정은, 촉매 컨버터 하류의 람다 프로브의 전압의 반응을 평가할 수 있도록, 불연속적으로 수행된다. 상기 반응이 시스템 데드 타임 및 촉매 컨버터의 저장부 거동으로 인해 지연되어 수행되기 때문에, 제2 배기가스 프로브의 신호의 람다값이 촉매 컨버터의 실제 산소 충전 레벨의 추론을 허용하는 경우에 먼저 한 번 보정이 수행될 수 있다.
연속 적응 시, 촉매 컨버터 하류의 이산 레벨 람다 프로브의 람다 신호가 촉매 컨버터 하류의 모델링된 람다 신호와 비교된다. 이 비교로부터 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋이 도출될 수 있다. 람다 오프셋에 의해 예를 들어 파일럿 제어를 통해 구해진 람다 목표값이 수정된다.
기본적으로 촉매 컨버터의 충전 레벨의 모델 기반 제어는, 촉매 컨버터 윈도우(catalytic converter window)에서의 임박한 이탈이 촉매 컨버터의 하류에 배치된 배기가스 프로브의 신호를 기반으로 하는 마스터 제어에서보다 더 이른 시점에 검출될 수 있다는 장점이 있다. 그럼으로써, 촉매 컨버터 윈도우에서의 이탈이 공기/연료 혼합기의 적시의 목표한 보정을 통해 저지될 수 있다.
본 발명에 따른, 측정 불확실성 또는 모델 불확실성의 다단계 보상을 통해 모델 기반 제어의 내구성이 개선될 수 있다. 그 결과 배출량이 더욱 저감될 수 있다. 더 엄격한 법적 요건들은 촉매 컨버터의 더 적은 비용으로 충족될 수 있다. 결과적으로, 촉매 컨버터 윈도우에서의 이탈이 적시에 검출되어 방지되게 하는, 촉매 컨버터의 충전 레벨의 더 개선된 모델 기반 제어가 구현된다.
한 바람직한 구성에서는, 제1 적응 경로를 통해 제1 제어 회로의 파일럿 제어의 보정이 수행되고; 상기 제1 적응 경로를 통해, 촉매 컨버터 모델의 반전된 촉매컨버터 모델에 의해 파일럿 제어를 통해 계산되는, 촉매컨버터의 모델링된 충전 레벨이 촉매컨버터의 실제 충전 레벨에 맞추어 조정되며; 상기 실제 충전 레벨은 출력측 배기가스 프로브의 신호를 토대로 결정된다. 이는 파일럿 제어에서의 모델링된 충전 레벨의 불연속 보정(또는 재초기화)에 상응한다.
제2 경로를 통해, 촉매 컨버터 모델에 의해 계산된 충전 레벨이 실제 충전 레벨에 맞추어 조정되며, 상기 실제 충전 레벨은 출력측 배기가스 프로브의 신호를 토대로 결정된다. 이는 시스템 모델에서의 모델링된 충전 레벨의 불연속 보정(또는 재초기화)에 상응한다.
나아가, 상기 조정은 각각 불연속적으로 수행되는 것이 바람직하다.
또 다른 한 바람직한 구성에서는, 촉매 컨버터 모델에 의해 계산된 충전 레벨을 실제 충전 레벨에 맞춰 조정하는 작업이, 반전된 촉매 컨버터 모델에 의해 파일럿 제어를 통해 계산된 충전 레벨을 실제 충전 레벨에 맞춰 조정하는 작업과 함께 수행된다. 그렇지 않을 경우, 파일럿 제어가 시스템 모델의 반전으로서 설계되었기 때문에, 시스템 모델과 파일럿 제어의 모델링된 충전 레벨들의 모순(inconsistency)이 나타날 것이다.
불연속적으로 수행된 적응 과정들이 출력측 배기가스 프로브의 크고 작은 신호값들에 기반하는 것도 바람직하며, 이때 큰 신호값들과 작은 신호값들 사이에 놓인 평균된 신호값들의 영역에 의해 큰 신호값들의 영역이 작은 신호값들의 영역과 분리된다.
나아가, 제3 적응 경로를 통해, 파일럿 제어에 의해 구해진 람다 목표값이, 배기가스 성분 어큐뮬레이터와 관련하여 입력측 람다값과 출력측 배기가스 프로브의 신호의 출력측 신호값의 비교를 통해 도출되는 람다 오프셋에 의해 보정되는 것이 바람직하다.
또 다른 한 바람직한 구성에서, 출력측 신호값은 출력측 배기가스 프로브의 신호의 평균 신호값이며, 출력측 배기가스 프로브의 신호값이 평균 신호값의 영역 내에 놓이면, 제3 적응 경로를 통해 실시되는 보정이 연속으로 수행된다.
또한, 제3 적응 경로를 통해 실시되는 보정은 출력측 배기가스 프로브의 신호값이 작을 때에도 그리고 클 때에도 실시되는 것이 바람직하며, 이때 제3 적응 경로에서 실시되는 보정이 가중되며, 제3 적응 경로에서 구해진 보정값의 영향은 큰 신호값의 영역 내에서는 출력측 배기가스 프로브의 신호값들이 점차 커질수록 감소하고, 작은 신호값의 영역 내에서는 신호값들이 더 작아질수록 감소한다.
또한, 출력측 배기가스 프로브의 신호값들이 작을 때 그리고 클 때 제1 적응 경로를 통해 실시되는 불연속 충전 레벨 보정이 가중되는 것이 바람직하며, 이때 제1 적응 경로에서 구해진 보정값의 영향은 큰 신호값의 영역 내에서는 신호값들이 점차 커질수록 증가하고, 작은 신호값의 영역 내에서는 신호값들이 더 작아질수록 증가한다.
장치 양태와 관련해서는, 제어 장치가 본원 방법의 전술한 구성들 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또 다른 장점들은 본원 명세서 및 첨부한 도면들을 참조한다.
자명한 사실로서, 전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도, 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 도면들에 도시되며, 하기에 더 상세히 설명된다. 이 경우, 상이한 도면들에서 동일한 도면부호들은 각각 동일한 요소들, 또는 적어도 자신들의 기능에 따라 필적하는 요소들을 지칭한다. 도면들은 각각 개략적인 형태로 도시되어 있다.
도 1은 공기 공급 시스템, 배기가스 시스템, 및 제어 장치를 포함하는 내연기관을 도시한 도면이다.
도 2는 시스템 모델의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 방법 양태와 장치 양태가 모두 도시된 기능 블록도이다.
도 4는 가중 스케일에 대한 출력측 배기가스 프로브의 전압 범위를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 하기에서 삼원 촉매 컨버터의 예에서, 그리고 저장될 배기가스 성분으로서의 산소에 대해 기술된다. 그러나 본 발명은 다른 촉매 컨버터 유형들, 그리고 산화질소 및 탄화수소와 같은 다른 배기가스 성분들에도 그 의미에 부합하게 전용될 수 있다. 하기에서는 간소화 측면에서, 하나의 삼원 촉매 컨버터를 포함하는 배기가스 시스템이 가정된다. 본 발명은 복수의 촉매 컨버터를 포함하는 배기가스 시스템들에도 그 의미에 부합하게 전용될 수 있다. 이 경우, 하기에 기술되는 전방 및 후방 구역들(zone)은 복수의 촉매 컨버터에 걸쳐서 연장될 수 있거나, 상이한 촉매 컨버터들 내에 위치할 수 있다.
세부적으로 도 1에는, 공기 공급 시스템(12); 배기가스 시스템(14); 및 제어 장치(16);를 포함하는 내연기관(10)이 도시되어 있다. 공기 공급 시스템(12) 내에는 공기 유량계(18) 및 이 공기 유량계(18)의 하류에 배치된 스로틀 밸브 유닛(19)의 스로틀 밸브가 있다. 공기 공급 시스템(12)을 통해 내연기관(10) 내로 유입되는 공기는, 내연기관(10)의 연소실들(20) 내에서, 분사 밸브들(22)을 통해 연소실들(20) 내로 직접 분사되는 연료와 혼합된다. 본 발명은 직접 분사 방식 내연기관에만 한정되지 않으며, 흡기관 분사 방식 또는 가스 작동식 내연기관과 함께 사용될 수도 있다. 그에 기인하는 연소실 충전량은 점화 장치들(24), 예컨대 점화 플러그들에 의해 점화되고 연소된다. 회전각 센서(25)는 내연기관(10)의 샤프트의 회전 각도를 검출하며, 그럼으로써 제어 장치(16)로 하여금 샤프트의 기결정 각도 위치들에서의 점화를 트리거하도록 허용한다. 연소에 기인하는 배기가스는 배기가스 시스템(14)을 통해 배출된다.
배기가스 시스템(14)은 촉매 컨버터(26)를 포함한다. 촉매 컨버터(26)는 예컨대 공지된 바와 같이 3개의 반응 경로에서 3개의 배기가스 성분, 즉, 산화질소, 탄화수소 및 일산화탄소를 변환하고 산소를 저장하는 작용을 하는 삼원 촉매 컨버터이다. 산소 저장 작용 때문에, 그리고 산소가 배기가스 구성 성분이기 때문에, 촉매 컨버터는 배기가스 성분 어큐뮬레이터를 갖는다. 삼원 촉매 컨버터(26)는 도시된 예에서 제1 구역(26.1)과 제2 구역(26.2)을 갖는다. 두 구역 모두 배기가스(28)에 의해 관류된다. 전방의 제1 구역(26.1)은 유동 방향으로 삼원 촉매 컨버터(26)의 전방 영역에 걸쳐 연장된다. 후방의 제2 구역(26.2)은 제1 구역(26.1)의 하류에서 삼원 촉매 컨버터(26)의 후방 영역에 걸쳐 연장된다. 자명한 사실로서, 전방 구역(26.1)의 상류와 후방 구역(26.2)의 하류에, 그리고 두 구역 사이에도 추가 구역들이 놓이며, 이 추가 구역들에 대해서도 필요 시 마찬가지로 각각의 충전 레벨이 계산 모델에 의해 모델링된다.
삼원 촉매 컨버터(26)의 상류에서, 배기가스(28)에 노출되는 입력측 배기가스 프로브(32)는 삼원 촉매 컨버터(26) 직상류에 배치된다. 삼원 촉매 컨버터(26)의 하류에서, 마찬가지로 배기가스(28)에 노출되는 출력측 배기가스 프로브(34)는 삼원 촉매 컨버터(26) 직하류에 배치된다. 입력측 배기가스 프로브(32)는, 바람직하게는 넓은 공기비 범위에 걸쳐 공기비(λ)의 측정을 허용하는 광대역 람다 프로브이다. 출력측 배기가스 프로브(34)는 바람직하게, 상기 배기가스 프로브(34)의 신호가 공기비(λ = 1)에서 급격히 변화되기 때문에 상기 공기비(λ = 1)가 특히 정확하게 측정될 수 있게 하는 이른바 이산 레벨 람다 프로브이다. 보쉬 자동차 공학 포켓북, 23판, 524쪽 참조.
도시된 실시예에서, 배기가스(28)에 노출된 온도 센서(36)는 배기가스(28)와 열적으로 접촉하도록 삼원 촉매 컨버터(26)에 배치되며, 상기 온도 센서는 삼원 촉매 컨버터(26)의 온도를 검출한다.
제어 장치(16)는 공기 유량계(18), 회전각 센서(25), 입력측 배기가스 프로브(32), 출력측 배기가스 프로브(34) 및 온도 센서(36)의 신호들을 처리하며, 이 신호들을 토대로 스로틀 밸브의 각도 위치의 조정, 점화 장치(24)를 통한 점화의 트리거링, 및 분사 밸브들(22)을 통한 연료의 분사를 위한 제어 신호들을 형성한다. 그 대안으로 또는 보충안으로, 제어 장치(16)는 도시된 액추에이터들, 또는 추가의, 또는 다른 액추에이터들의 제어를 위한 다른 또는 추가의 센서들의 신호들, 예컨대 가속 페달 위치를 검출하는 운전자 요청 인코더(40)의 신호도 처리한다. 연료 공급을 차단하는 코스팅 모드는 예컨대 가속 페달에서 발을 떼는 동작을 통해 트리거된다. 이런 기능 및 하기에서 계속 설명될 기능들은 내연기관(10)의 작동 중에 제어 장치(16) 내에서 실행되는 엔진 제어 프로그램(16.1)을 통해 구현된다.
본 출원에서는 시스템 모델(100), 촉매 컨버터 모델(102), 출력 람다 모델(106, 도 2 참조) 및 반전된 촉매 컨버터 모델이 관련된다. 상기 모델들은 각각 알고리즘들, 특히 제어 장치(16) 내에서 실행되거나 계산되며, 계산된 출력 변수들이 실제 객체의 출력 변수들에 최대한 정확하게 상응하도록, 계산 모델에 의해 재현된 실제 객체에도 작용하는 입력 변수들을 출력 변수들과 관계시키는 연립방정식들이다.
도 2에는, 시스템 모델(100)의 기능 블록도가 도시되어 있다. 시스템 모델(100)은 촉매 컨버터 모델(102)과 출력 람다 모델(106)로 구성된다. 촉매 컨버터 모델(102)은 입력 이미션 모델(108)과 충전 레벨 및 출력 이미션 모델(110)을 포함한다. 더 나아가, 촉매 컨버터 모델(102)은 촉매 컨버터(26)의 평균 충전 레벨(
Figure pat00001
)의 계산을 위한 알고리즘(112)을 포함한다.
입력 이미션 모델(108)은, 입력 변수들로서 삼원 촉매 컨버터(26)의 상류에 배치된 배기가스 프로브(32)의 신호(
Figure pat00002
)를 후속 충전 레벨 및 출력 이미션 모델(110)을 위해 필요한 입력 변수들(
Figure pat00003
)로 변환하도록 구성된다. 예컨대 입력 이미션 모델(108)을 이용하여 삼원 촉매 컨버터(26) 상류에서의 O2, CO, H2 및 HC의 농도로 람다를 환산하는 것이 바람직하다.
입력 이미션 모델(108)에 의해 계산된 변수들(
Figure pat00004
) 및 경우에 따라 추가 입력 변수들[예: 배기가스 온도 또는 촉매 컨버터 온도, 배기가스 질량 유량, 및 삼원 촉매 컨버터(26)의 현재 최대 산소 저장 용량]을 사용하여, 충전 레벨 및 출력 이미션 모델(110)에서는 삼원 촉매 컨버터(26)의 충전 레벨(
Figure pat00005
), 및 삼원 촉매 컨버터(26) 배출구에서의 개별 배기가스 성분들의 농도들(
Figure pat00006
)이 모델링된다.
충전 및 배출 과정들을 더 사실적으로 맵핑할 수 있도록 하기 위해, 삼원 촉매 컨버터(26)는 바람직하게는 알고리즘을 통해, 이론적으로는, 배기가스(28)의 유동 방향으로 연이어 놓인 복수의 구역 또는 부분 체적부(26.1, 26.2)로 분할되며, 상기 구역들(26.1, 26.2) 각각에 대해 반응 운동학(reaction kinetics)의 도움으로 개별 배기가스 성분들의 농도가 결정된다. 이들 농도는 다시 각각 개별 구역들(26.1, 26.2)의 충전 레벨로, 바람직하게는 현재 최대 산소 저장 용량으로 정규화된 산소 충전 레벨로 환산될 수 있다.
개별 구역들 또는 모든 구역(26.1, 26.2)의 충전 레벨들은 적합한 가중에 의해, 삼원 촉매 컨버터(26)의 상태를 반영하는 총 충전 레벨로 통합될 수 있다. 예컨대 모든 구역(26.1, 26.2)의 충전 레벨들은 가장 간단하게는 모두 똑같이 가중되며, 그에 따라 평균 충전 레벨이 산출될 수 있다. 그러나 적합한 가중에 의해, 삼원 촉매 컨버터(26)의 하류에서의 순간적인 배기가스 조성에 대해 삼원 촉매 컨버터(26)의 배출구에서의 비교적 작은 구역(26.2) 내 충전 레벨이 결정적인 한편, 삼원 촉매 컨버터(26)의 배출구에서의 상기 작은 구역(26.2) 내 충전 레벨의 전개에 대해서는 그 상류에 위치하는 구역(26.1) 내 충전 레벨 및 이 충전 레벨의 전개가 결정적인 점도 고려될 수 있다. 단순화를 위해, 하기에서는 평균 산소 충전 레벨이 가정된다.
출력 람다 모델(106)의 알고리즘은, 시스템 모델(100)의 적응을 위해, 촉매 컨버터 모델(102)에 의해 계산된, 촉매 컨버터(26) 배출구에서의 개별 배기가스 성분들의 농도들(
Figure pat00007
)을, 촉매 컨버터(26)의 하류에 배치된 배기가스 프로브(34)의 신호(
Figure pat00008
)와 비교될 수 있는 신호(
Figure pat00009
)로 변환한다. 바람직하게는 삼원 촉매 컨버터(26) 하류의 람다가 모델링된다. 출력 람다 모델(106)이 목표 산소 충전 레벨에 기반하는 파일럿 제어를 위해 반드시 필요한 것은 아니다.
그에 따라, 시스템 모델(100)은 한편으로, 촉매 컨버터(26)가 확실하게 촉매 컨버터 윈도우 이내에 위치되는 (그리고 그럼으로써 산소를 흡수할 수도 있고 방출할 수도 있는) 목표 충전 레벨로 조정되는, 촉매 컨버터(26)의 하나 이상의 평균 충전 레벨(
Figure pat00010
)의 모델링을 위해 이용된다. 다른 한편으로, 시스템 모델(100)은, 촉매 컨버터(26)의 하류에 배치된 배기가스 프로브(34)의 모델링된 신호(
Figure pat00011
)를 제공한다. 계속하여 하기에서는, 출력측 배기가스 프로브(34)의 상기 모델링된 신호(
Figure pat00012
)가 어떻게 시스템 모델(100)의 적응을 위해 바람직하게 이용되는지가 더 상세하게 설명된다. 시스템 모델의 입력 변수들, 특히 촉매 컨버터 상류의 람다 프로브의 신호에 영향을 미치는 불확실성을 보상하기 위해 적응이 수행된다. 파일럿 제어도 마찬가지로 적응된다.
도 3에는 본 발명의 방법 양태 뿐만 아니라 장치 양태도 나타내는 기능 블록도가 도시되어 있다. 더 세부적으로, 도 3에는 출력 람다 모델(106)에 의해 출력측 배기가스 프로브(34)의 모델링된 신호(
Figure pat00013
) 및 출력측 배기가스 프로브(34)의 실제 출력 신호(
Figure pat00014
)가 적응 블록(114)에 공급되는 것이 도시되어 있다. 적응 블록(114)은 두 신호(
Figure pat00015
와
Figure pat00016
)를 서로 비교한다. 예컨대 배기가스 프로브(34)로서 삼원 촉매 컨버터(26)의 하류에 배치된 이산 레벨 람다 프로브는, 삼원 촉매 컨버터(26)가 언제 완전히 산소로 충전되는지, 또는 언제 산소가 완전히 배출되는지를 명확하게 지시한다.
이는, 희박 또는 농후 단계에 따라서, 모델링된 산소 충전 레벨을 실제 산소 충전 레벨과 일치시키거나, 모델링된 출력 람다(
Figure pat00017
)를 삼원 촉매 컨버터(26)의 하류에서 측정된 람다(
Figure pat00018
)와 일치시키고, 편차가 있는 경우에 시스템 모델(100)을 적응시키기 위해 이용될 수 있다.
적응 블록(114)으로부터 시작되는 제1 적응 경로(220)는 파일럿 제어(104)로 이어진다. 이러한 적응 경로(220)를 통해, 파일럿 제어(104)의 반전된 촉매 컨버터 모델 내에서 사용된 모델링된 충전 레벨이 실제 충전 레벨에 맞춰 조정된다. 이는 파일럿 제어(104) 내의 모델링된 충전 레벨의 불연속 보정 (또는 재초기화)에 상응한다.
적응 블록(114)으로부터 시작되는 제2 적응 경로(210)는 시스템 모델(100)로 이어진다. 제2 적응 경로(210)를 통해, 시스템 모델(100) 내에서 사용된 모델링된 충전 레벨이 실제 충전 레벨에 맞춰 조정된다. 이는 시스템 모델(100) 내의 모델링된 충전 레벨의 불연속 보정(또는 재초기화)에 상응한다.
불연속 보정의 상기 두 가지 개입은 바람직하게 항상 함께, 즉 동시에 실행되는데, 이는 파일럿 제어가 시스템 모델의 반전으로서 설계되기 때문이다. 그렇지 않으면, 시스템 모델(100)과 파일럿 제어(104)의 2개의 기능 블록들 내의 모델링된 충전 레벨들의 모순이 나타날 것이다.
이러한 개입들은 제1 적응 단계를 형성한다. 이러한 불연속적으로 실행되는 적응 과정들은 출력측 배기가스 프로브(34)의 큰 신호값 및 작은 신호값(그러나 평균 신호값은 아님)에 기초한다.
적응 블록(114)으로부터 시작되는 제3 적응 경로(200)는 파일럿 제어(104)로 이어진다. 제3 적응 경로(200)를 통해서는 출력측 배기가스 프로브(34)의 평균 신호값들에 기초하는 연속 적응이 수행된다. 이러한 평균 신호값들에서, 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호는 배기가스의 람다값을 정확하게 지시한다. 람다 제어 회로 내에, 입력측 배기가스 프로브(32)의 에러 또는 2개의 배기가스 프로브 사이에서 수행되는, 배기가스로의 누설 공기 공급에 의한 경우일 수 있는 오프셋(
Figure pat00019
)이 발생하면, 평균 신호값들의 영역 내에 놓이는 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호가 이러한 오프셋(
Figure pat00020
)을 예상값으로부터의 편차로서 지시한다. 이러한 편차는 블록(114) 내에서 예를 들어 예상값과 신호값 간의 편차로서 검출되고, 파일럿 제어(104) 내에서 람다 목표값에 가산된다. 이는 예를 들어, 람다 오프셋 값(
Figure pat00021
)이 임시 파일럿 제어 람다값에 가산됨으로써 수행될 수 있다.
적응 필요성은, 상기 두 값(신호값 및 예상값)이 서로 상이할 때, 특히 사전 결정된 임계값보다 더 큰 정도로 상이할 때 존재한다. 입력측 람다값을 위한 목표 람다값 및 검출된 목표 충전 레벨 궤적을, 적응 필요성에 대한 척도를 나타내는 람다 오프셋 값으로 보정하는 것이 바람직하다. 이러한 적응 필요성에 대한 척도는, 시스템 모델에 의해 모델링된 출력측 람다값과 측정된 출력측 람다값 사이의 차이로부터, 특히 람다 오프셋 값으로서의 그 편차로서 얻어진다.
입력측 람다값을 위한 목표 람다값의 보정을 통해서, 람다 제어는 람다 오프셋 값의 변화에 직접적으로 반응할 수 있다. 시스템 모델이 적응되기 때문에, 모델링된 평균 충전 레벨은 실제 충전 레벨로부터 벗어나지만, 목표 충전 레벨 목표값 궤적도 마찬가지로 적응되기 때문에 시스템 모델의 잘못 모델링된 충전 레벨을 따르게 되며, 그 결과 충전 레벨 제어기는 적응 이전 및 이후에 동일한 제어 편차를 제공한다. 충전 레벨 제어의 진동을 야기할 수도 있는 제어 편차의 급변이 이로 인해 방지된다.
람다 오프셋 값을 얻기 위해, 적응 필요성에 대한 척도, 즉, 모델링된 출력측 람다값과 측정된 출력측 람다값의 차를 적응 블록 내의 필터에 의해 평활화하는 것이 바람직하다. 상기 필터는 예를 들어 PT1 필터로서 형성될 수 있고, 예를 들어 상응하는 매개변수화된 특성맵으로부터 추출될 수 있는, 작동점에 따른 시간 상수를 포함할 수 있다. 선택적으로 상기 필터의 하류에는 장기간의 효과를 고려하기 위한 적분기가 연결될 수 있다. 진동하는 상태에서, 필터링된 신호는 정확하게 적응 필요성에 상응한다.
또한, 주행 사이클의 종료 시에 적응값을 저장하고, 바로 다음번 주행 사이클에서 상응하는 적응값을 출력값으로서 사용하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 선택 사항으로서 제4 적응 경로(230)도 존재한다. 제4 적응 경로는 적응 블록(114)에서부터, 입력측 배기가스 프로브(32)의 람다 실제값이 람다 오프셋 값에 가산되는 블록(240)으로 이어진다.
람다 레벨에서 연속적으로 수행되는 적응은 바람직하게, 람다 오프셋의 원인이 있는 지점에서 조만간 보정으로 이어진다. 일반적으로 이는 입력측 배기가스 프로브(32)에서의 경우일 것이다. 따라서, 입력측 배기가스 프로브(32)의 측정 신호(
Figure pat00022
)를 신호(
Figure pat00023
)로써 보정하는 것이 바람직하다. 도 3에서, 이는 블록(240)에서 수행된다. 이로 인해 파일럿 제어 및 블록(240)에서 이중 보정이 행해지지 않도록, 블록들(240)과 적응 블록(114) 사이의 핸드셰이크(handshake)가 바람직하다. 이러한 핸드셰이크는 예를 들어 핸드셰이크 경로(250)를 통해, 파일럿 제어(104)의 블록을 위한 보정 신호가, 블록(240)에서 입력측 배기가스 프로브(32)의 신호의 실제값과 연산되는 양만큼 감소되는 방식으로 수행된다. 이를 위해, 상기 두가지 보정 중 하나에는, 두가지 보정 중 다른 하나에 계수(1-x)가 곱해질 때, 예를 들어 0<x<1인 계수(x)가 곱해질 수 있다.
전체적으로, 다양한 적응 과정들을 통해, 시스템 모델(100) 내로 입력되는 측정값들 또는 모델값들의 부정확성이 보상된다. 모델링된 값(
Figure pat00024
)이 측정된 람다 값(
Figure pat00025
)에 상응하는 상황으로부터, 시스템 모델(100)에 의해 또는 제1 촉매 컨버터 모델(102)에 의해 모델링된 충전 레벨(
Figure pat00026
)도, 온보드 수단들(On-board means)에 의해 측정될 수 없는 삼원 촉매 컨버터(26)의 충전 레벨에 상응한다는 점이 추론될 수 있다. 이 경우, 파일럿 제어(104)의 일부를 형성하는, 제1 촉매 컨버터 모델(102)에 대해 반전된 제2 촉매 컨버터도 모델링된 구간의 거동을 올바르게 기술한다는 점도 추론될 수 있다.
이는, 파일럿 제어(104)의 일부를 형성하는 반전된 제2 촉매 컨버터 모델로 기본 람다 목표값을 계산하기 위해 이용될 수 있다. 이를 위해, 파일럿 제어(104)에는 선택적 필터링부(120)를 통해 필터링된 충전 레벨 목표값(
Figure pat00027
)이 입력 변수로서 공급된다. 필터링부(120)는, 제어 구간이 전체적으로 따를 수 있는, 파일럿 제어(104)의 입력 변수들의 변경만을 허용할 목적으로 수행된다. 이 경우, 아직 필터링되지 않은 목표값(
Figure pat00028
)은 제어 장치(16)의 메모리(118)에서 판독 출력된다. 이를 위해, 메모리(118)는 바람직하게 내연기관(10)의 현재 작동 특성값들로 어드레싱된다. 작동 특성값들은 예컨대, 반드시 그런 것은 아니지만, 회전수 센서(25)에 의해 검출된 내연기관(10)의 회전수, 및 공기 유량계(18)에 의해 검출된 내연기관(10)의 부하이다.
파일럿 제어 블록(104)에서는 한편으로 파일럿 제어 람다값이 기본 람다 목표값(BLSW)으로서 결정되고, 다른 한편으로 필터링된 충전 레벨 목표값에 따른 목표 충전 레벨 궤적(
Figure pat00029
)이 결정된다. 이런 결정에 병행하여, 연산부(122)에서는 충전 레벨 제어 편차(FSRA)가, 필터링된 충전 레벨 목표값(
Figure pat00030
) 또는 목표 충전 레벨 궤적(
Figure pat00031
)과, 시스템 모델(100) 또는 제1 촉매 컨버터 모델(102)에 의해 모델링된 충전 레벨(
Figure pat00032
)의 편차로서 계산된다. 상기 충전 레벨 제어 편차(FSRA)는 충전 레벨 제어 알고리즘(124)으로 공급되며, 이를 토대로 충전 레벨 제어 알고리즘은 람다 목표값 보정값(LSKW)을 계산한다. 상기 람다 목표값 보정값(LSKW)은 연산부(126) 내에서 파일럿 제어(104)에 의해 계산된 기본 람다 목표값(BLSW)에 가산된다.
상기와 같이 계산된 합은 종래 람다 제어의 목표값(
Figure pat00033
)으로서 이용될 수 있다. 상기 람다 목표값(
Figure pat00034
)에서 제1 배기가스 프로브(32)로부터 공급된 람다 실제 값(
Figure pat00035
)이 연산부(128)에서 감산된다. 이렇게 계산된 제어 편차(RA)는 통상의 제어 알고리즘(130)을 통해 설정 변수(SG)로 변환되며, 이 설정 변수는 연산부(132)에서 예컨대 내연기관(10)의 작동 매개변수들에 따라 기결정된 분사 펄스폭(tinj)의 기본값(BW)과 곱해진다. 기본값들(BW)은 제어 장치(16)의 메모리(134) 내에 저장된다. 작동 매개변수들은 여기서도 바람직하게는 내연기관(10)의 부하 및 회전수이지만, 강제적인 것은 아니다. 상기 곱에서 도출되는 분사 펄스폭(tinj)으로 분사 밸브들(22)이 제어된다.
이런 방식으로, 제1 제어 회로 내에서 수행되는 종래의 람다 제어에 제2 제어 회로 내에서 수행되는 촉매 컨버터(26)의 산소 충전 레벨의 제어가 중첩된다. 이 경우, 시스템 모델(100)에 의해 모델링된 평균 산소 충전 레벨(
Figure pat00036
)은 예컨대, 희박 모드 및 농후 모드에 따른 파과의 확률을 최소화하여 최소 배출을 유도하는 목표값(
Figure pat00037
)으로 조정된다. 이 경우, 파일럿 제어(104)의 반전된 제2 시스템 모델을 통한 기본 람다 목표값(BLSW)의 계산 때문에, 모델링된 평균 충전 레벨(
Figure pat00038
)이 사전 필터링된 목표 충전 레벨(
Figure pat00039
)과 동일하다면, 충전 레벨 제어의 제어 편차는 영(0)이 된다. 시스템 모델(100)의 반전으로서의 파일럿 제어(104)의 구현은, 시스템 모델에 의해 모델링된 촉매 컨버터의 실제 충전 레벨이, 필터링된 충전 레벨 목표값(
Figure pat00040
) 또는 필터링되지 않은 충전 레벨 목표값(
Figure pat00041
)과 상이한 경우에만 충전 레벨 제어 알고리즘(124)이 개입되면 된다는 장점을 갖는다.
시스템 모델(100)이 촉매 컨버터 상류의 입력 람다를 촉매 컨버터의 평균 산소 충전 레벨로 환산하는 동안, 반전된 시스템 모델로서 구현된 파일럿 제어(104)는 평균 목표 산소 충전 레벨을 촉매 컨버터 상류의 상응하는 목표 람다로 환산한다.
파일럿 제어(104)는 알려진 것으로 가정되는 촉매 컨버터(26)에 대한 제1 시스템 모델(100)에 기초하는 수치상 반전된 계산 모델을 포함한다. 파일럿 제어(104)는 특히, 제1 시스템 모델(100)의 연립 방정식과 동일하지만 다른 입력 변수들이 제공되는 연립 방정식을 갖는 제2 시스템 모델을 포함한다.
파일럿 제어(104)는 필터링된 충전 레벨 목표값에 따라 람다 제어를 위한 파일럿 제어 람다 값(BSLW) 및 목표 충전 레벨 궤적(
Figure pat00042
)을 제공한다. 필터링된 충전 레벨 목표값에 상응하는 파일럿 제어 람다 값(BSLW)을 계산하기 위해, 파일럿 제어 블록(104)은 시스템 모델(100)에 대해 반전된 시스템 모델, 즉, 필터링된 충전 레벨 목표값에 임시 파일럿 제어 람다값으로서 기본 람다 목표값(BLSW)을 할당하는 모델에 상응하는 계산 모델을 포함한다. BLSW가 적절히 선택될 때, 원하는 충전 레벨이 얻어진다.
이러한 처리 방식의 장점은, 순방향 시스템 모델(100 또는 100')을 위한 연립 방정식만 다시 한번 풀면 되고, 높은 계산 수고를 들여서만 풀 수 있거나 결코 풀 수 없는, 도 3의 파일럿 제어(104)의 역방향 시스템 모델을 위한 연립 방정식은 풀 필요가 없다는 것이다.
풀어야 할 연립 방정식은 예를 들어 이분법(bisection method) 또는 가중 분할(regula falsi)과 같은 포함(inclusion) 방법을 통해 반복적으로 푼다. 이 경우, 기본 람다 목표값이 반복적으로 변한다. 가중 분할과 같은 포함 방법들은 일반적으로 공지되어 있다. 이러한 포함 방법들은 반복적 근사값들을 공급할 뿐만 아니라, 이들을 양 측에서 제한하기도 한다는 특징이 있다. 이로 인해, 관련된 기본 람다 목표값(BLSW)의 결정을 위한 계산 수고가 뚜렷하게 제한된다.
제어 장치(16)에서의 계산 수고를 최소화하기 위해, 바람직하게는 반복이 실행되는 범위를 결정하는 반복 한계들이 설정된다. 바람직하게 이러한 반복 한계들은 현재 작동 조건들에 따라 설정된다. 예를 들어, 이러한 반복을 가능한 작은 인터벌 내에서만, 예상될 목표 람다(BLSW)만큼 실행하는 것이 바람직하다. 또한, 반복 한계들의 설정 시, 목표 람다(BLSW)에 대한 충전 레벨 제어(124)의 개입 및 여타의 기능들의 개입을 고려하는 것이 바람직하다.
배기가스 시스템(26), 배기가스 프로브들(32, 34), 공기 유량계(18), 회전각 센서(25) 및 분사 밸브들(22)을 제외하고, 도 4에 도시된 모든 요소들은 본 발명에 따른 제어 장치(16)의 구성요소들이다. 이때, 메모리들(118, 134)을 제외하고, 도 4에서 모든 나머지 요소들은, 제어 장치(16) 내에 저장되어 거기서 실행되는 엔진 제어 프로그램(16.1)의 부분들이다.
요소들(22, 32, 128, 130 및 132)은, 람다 실제값으로서 제1 배기가스 프로브(32)의 신호(
Figure pat00043
)가 처리되는 람다 제어가 실행되는 제1 제어 회로를 형성한다. 제1 제어 회로의 람다 목표값(
Figure pat00044
)은, 요소들(22, 32, 100, 122, 124, 126, 128, 132)을 포함하는 제2 제어 회로에서 계산된다.
다양한 적응 가능성들과 관련하여, 연속 적응이 하나 이상의 불연속 보정과 조합되는 것이 바람직하다. 이 경우, 촉매 컨버터 하류의 이산 레벨 람다 프로브의 전압 신호로부터 촉매 컨버터의 상태에 대한 근본적으로 상이한 두 가지 추론들이 도출될 수 있고, 이러한 추론들의 유효성은 전압 신호의 특정 전압 범위들에서만 각각 주어지고, 하나의 추론만 가능하거나, 또 다른 하나의 추론만 가능하거나, 또는 두 가지 추론이 동시에 가능한 전압 범위들이 존재한다는 사실이 활용된다. 범위들 간의 전환은 유동적이다.
촉매 컨버터(26) 하류의 출력측 배기가스 프로브(34)가 높은 전압 또는 낮은 전압을 확실히 지시하는 경우, 배기가스 프로브의 신호값은 촉매 컨버터의 현재 충전 레벨과 상관된다. 이는 특히, 신호값이 1의 범위 내 람다에 상응하지 않는 경우에 특히 해당한다. 이러한 경우, 촉매 컨버터는 농후 배기가스가 파과되거나 희박 배기가스가 파과될 정도로 산소가 제거되거나 산소로 충전된다. 이러한 경우들에서는, 신호값의 람다 정확도가 이 경우 온도 효과, 횡감도, 및 배기가스 프로브(34)로서의 이산 레벨 람다 프로브의 전압 람다 특성 곡선의 평탄한 특성에 의해 크게 저하되기 때문에, 배기가스 람다에 대한 판단이 일반적으로 불가능하다.
람다 = 1 주위의 좁은 범위에서, 출력측 배기가스 프로브(34)(이산 레벨 람다 프로브)의 신호값은 촉매 컨버터 하류의 배기가스 람다와 관련된다. 람다 정확도는 상기 범위 내에서 전압 람다 특성 곡선의 가파른 특성과 낮은 온도 종속성 및 횡감도에 의해 매우 높다. 이러한 경우에, 배기가스 구성 성분들의 환원 시에 발생하는 산소가 아직 저장될 수 있거나 배기가스 구성 성분들의 산화를 위해 필요한 산소가 아직 배출될 수 있는 한, 촉매 컨버터(26)는 비교적 큰 충전 레벨 범위 내에서 1의 배기가스 람다를 설정할 수 있기 때문에, 촉매 컨버터(26)의 현재 충전 레벨에 대한 판단이 일반적으로 불가능하다.
상기 범위들 간의 전환들에서, 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호값은 동시에, 각각 제한된 정확도에도 불구하고, 현재 충전 레벨 뿐만 아니라 촉매 컨버터 하류의 현재 배기가스 람다와도 상관된다.
그러므로, 일 실시예에서는 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호값/전압에 따라, 람다 정보의 사용 하에 연속 적응만이, 또는 충전 레벨 정보의 사용 하에 불연속 보정만이, 또는 상기 두가지 정보의 사용 하에 연속 적응뿐만 아니라 불연속 보정도 원하는 결과를 얻을 수 있는 복수의 범위들이 존재한다.
예를 들어, 출력측 배기가스 프로브(34)의 전압-신호값들의 하기 5가지 전압 범위들을 구분할 수 있다.
1) 매우 높은 전압-신호값들(예를 들어, 900mV 초과). 이 경우, 모델링된 산소 충전 레벨의, 매우 낮은 값으로의 불연속 보정이 수행된다. 연속 적응은 수행되지 않는다.
2) 높은 전압-신호값들(예를 들어, 900mV 내지 800mV): 이 경우, 모델링된 산소 충전 레벨의, 낮은 값으로의 불연속 보정이 수행되고, 이와 중첩되어 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋의 연속 적응이 수행된다.
3) 평균 전압-신호값들(예를 들어, 800mV 내지 600mV): 이 경우, 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋의 연속 적응이 수행된다. 불연속 적응은 수행되지 않는다.
4) 낮은 전압-신호값들(예를 들어, 600mV 내지 400mV): 이 경우, 모델링된 산소 충전 레벨의, 높은 값으로의 불연속 보정이 수행되고, 이와 중첩되어 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋의 연속 적응이 수행된다.
5) 매우 낮은 전압-신호값들(예를 들어, 400mV 미만): 이 경우, 모델링된 산소 충전 레벨의, 매우 높은 값으로의 불연속 보정이 수행된다. 연속 적응은 수행되지 않는다.
상기 수치들은 사용된 배기가스 프로브의 유형에 크게 좌우되며, 예시로서만 이해되어야 한다. 추가의 범위들이 보충될 수 있고, 범위들이 결합되거나 생략될 수 있음은 자명하다.
1), 2), 4) 및 5)의 범위들에서와 같은, 모델링된 충전 레벨의 불연속 보정은, 모델링된 충전 레벨과 목표값의 편차를 야기한다. 이는 추후에 조정된다. 이러한 편차는 충전 레벨 제어의 목표값의 방향으로 공기/연료 혼합물의 조절을 야기하고, 촉매 컨버터를 매우 신속하게 촉매 컨버터 윈도우의 방향이 되도록 한다. 즉, 상기 편차는 이미션 개선을 직접적으로 유도하고, 큰 측정 부정확성 또는 모델 부정확성을 신속하게 보상할 수 있다.
이러한 보정 단계 후에, 즉, 제어 편차가 보정에 의해 조정되자마자, 촉매 컨버터는 재차 촉매 컨버터 윈도우 내에 위치할 것이며, 제어에 의해 그곳에 유지될 것이다. 이는, 시스템 모델 내로 입력되는 측정값 또는 모델값의 불확실성과, 모델 부정확성이 충분히 작다는 것을 전제로 한다. 이러한 전제가 충족되지 않으면, 조정될 모델링된 충전 레벨이 실제 충전 레벨에 상응하지 않기 때문에, 소정의 시간 이후에 제어에도 불구하고 촉매 컨버터 윈도우에서 재차 이탈되게 되므로, 모델링된 충전 레벨의 새로운 보정이 요구된다.
1) 및 5)의 범위들에서 이러한 보정이 반복적으로 필요한 경우, 더 큰 측정 불확실성 또는 모델 불확실성이 전제되어야 한다. 이를 보상하는 동시에 보정의 추가 반복을 방지하기 위해, 1) 및 5)의 범위들에서는 제1 보정 단계 다음에 제2 보정 단계에 이르기까지 촉매 컨버터 내에 유입되거나 배출되는 산소량 및 제2 보정 단계에서 검출되는 충전 레벨에 대한 보정 요구량(
Figure pat00045
)으로부터, 예를 들어 하기 수학식에 따라서 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋(
Figure pat00046
)을 계산하고, 예를 들어 입력측 배기가스 프로브(32)의 신호값을 상응하게 보상하는 것이 바람직하다:
Figure pat00047
여기서,
Figure pat00048
는 두 개의 불연속 보정들 사이에서 촉매 컨버터(26) 내에 유입되거나 배출되는 산소량이고,
Figure pat00049
는 제2 보정 단계에서 검출된 충전 레벨에 대한 보정 요구량이다.
Figure pat00050
는 -1과 1 사이의 수이고, "OSC"는 촉매 컨버터의 최대 산소 저장 용량이다.
2) 및 4)의 범위들에는 전형적으로 더 작은 측정 부정확성 또는 모델 부정확성만이 존재하고, 이러한 부정확성은 이상적으로는 이미, 모델링된 산소 충전 레벨의 1회 보정을 통해 그리고 람다 오프셋(
Figure pat00051
)의 중첩된 연속 적응을 통해, 람다 프로브의 전압이 이후 3)의 범위에 놓일 정도로 보상될 수 있다.
이러한 경우가 발생하자마자, 작은 측정 불확실성 또는 모델 불확실성만 보상되면 된다고 전제될 수 있다. 이는 연속 적응을 통해 높은 정확도로 해결된다. 2) 및 4)의 범위들에서 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호의 람다 정확도가 더 낮기 때문에, 이러한 범위들에서 연속 적응에 의해 검출된 람다 오프셋(
Figure pat00052
)을, 3)의 범위에서보다 덜 강하게 가중하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 과잉 보정을 확실하게 방지하기 위해, 검출된 보정 요구량이 약화됨으로써, 2) 및 4)의 범위들에서 촉매 컨버터 하류의 람다 프로브의 신호의 충전 레벨 정보의 더 낮은 정확도를 고려하는 것이 바람직하다.
특히 바람직한 일 실시예에서는 촉매 컨버터 하류의 람다 프로브의 전압의 3개의 범위들만이 구분된다:
도 4에는, 출력측 배기가스 프로브(34)의 n개의 전압 범위에 대한 예로서, 가중 스케일에 대한 출력측 배기가스 프로브(34)의 3개의 전압 범위들이 도시되어 있다.
큰 신호값들의 제1 범위(260)는 예를 들어, 800mV를 초과하는 높은 프로브 전압-신호값을 특징으로 한다. 이러한 범위에서, 제1 단계에서는 모델링된 산소 충전 레벨의, 프로브 전압에 좌우되는 낮은 값으로의 신속한 불연속 보정이 실행된다. 또한, 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋의 더 느린 정확한 검출이 수행되며, 이때 연속 적응의 가중치는 프로브 전압이 증가함에 따라 감소하고, 불연속 적응의 가중치는 프로브 전압/신호값이 증가함에 따라 증가한다.
평균 신호값들의 제2 범위(280)는, 예를 들어 (람다 = 1 주변에서) 800mV 내지 600mV인 중간 프로브 전압/신호값을 특징으로 한다. 이러한 범위에서는 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋의 연속 적응만이 실행된다. 불연속 적응은 실행되지 않는다.
작은 신호값들의 제3 범위(300)는 예를 들어 600mV 미만인 낮은 프로브 전압/신호값을 특징으로 한다. 이러한 범위에서, 제1 단계에서는 모델링된 산소 충전 레벨의, 프로브 전압에 좌우되는 높은 값으로의 신속한 불연속 보정이 실행된다. 또한, 촉매 컨버터 상류의 람다와 촉매 컨버터 하류의 람다 사이의 람다 오프셋의 더 느린 정확한 검출이 실행되고, 연속 적응의 가중치는 프로브 전압이 감소함에 따라 감소하고 불연속 적응의 가중치는 프로브 전압이 감소함에 따라 증가한다.
제1 범위(260) 및 제3 범위(300) 내의 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호값의 감소된 람다 정확도와, 중간 프로브 전압에서의 출력측 배기가스 프로브(34)로서 이산 레벨 람다 프로브의 신호값의 충전 레벨 정보의 감소된 정확도는, 연속적인 람다 오프셋 적응 및 불연속적인 람다 오프셋 검출의 결과값들의 상이한 가중을 통해 고려된다.
잘못된 보정 또는 적응을 방지하기 위해, 개별 보정 및 적응은 적절한 작동 조건들이 존재할 때만 수행되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 언급된 모든 보정 및 적응은 배기가스측 배기가스 프로브(34)의 신호가 신뢰 가능할 때에만, 즉, 특히 이러한 배기가스 프로브(34)가 작동 준비가 되어 있는 경우에만 성공적으로 실행될 수 있음이 자명하다. 바람직하게, 개별 보정 및 적응을 위한 독립적인 턴 온(turn on) 조건들이 선택되며, 이러한 조건들은 잘못된 보정 또는 적응을 야기하지 않으면서, 각각의 보정 또는 적응이 가능한 자주 활성화될 수 있게 한다.
람다 오프셋 검출을 위한 2개 방법들의 본 발명에 따른 조합과, 촉매 컨버터의 상태에 대한 2개의 상이한 정보들의 사용과, 기초가 되는 측정 신호의 다양한 범위들에서의 상기 정보들의 신뢰성의 고려를 통해, 측정 부정확성 및 모델 부정확성이, 지금까지 요구된 정확도에 의한 것보다 더 신속하면서도 더 강건하게 보상될 수 있다.

Claims (12)

  1. 내연기관(10)의 촉매 컨버터(26)의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨을 제어하기 위한 방법으로서, 촉매 컨버터 모델(102)을 포함하는 시스템 모델(100)의 사용 하에 충전 레벨의 제어가 수행되고, 촉매 컨버터(26)의 출력측에 배치된 배기가스 프로브(34)의 신호들에 기반하는 적응을 통해, 충전 레벨의 제어에 영향을 미치는 측정값 또는 모델값의 불확실성이 보정되는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법에 있어서,
    상기 적응이 복수의 경로(210, 220, 230)를 통해 수행되며, 이때 서로 상이한 경로에서는 출력측에 배치된 배기가스 프로브(34)의 서로 상이한 신호 영역들(260, 280, 300)의 신호가 처리되는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 적응 경로(220)를 통해 제1 제어 회로(22, 32, 128, 130, 132)의 파일럿 제어(104)의 보정이 수행되고; 상기 제1 적응 경로(220)를 통해, 촉매 컨버터 모델(102)의 반전된 촉매 컨버터 모델에 의해 파일럿 제어(104)를 통해 계산되는, 촉매 컨버터(26)의 모델링된 충전 레벨이 촉매 컨버터(26)의 실제 충전 레벨에 맞추어 조정되며; 상기 실제 충전 레벨은 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호를 토대로 결정되는; 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제2 적응 경로(210)를 통해, 촉매 컨버터 모델(102)에 의해 계산된 충전 레벨이 실제 충전 레벨에 맞추어 조정되며, 상기 실제 충전 레벨은 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호를 토대로 결정되는; 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 조정은 각각 불연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 촉매 컨버터 모델(102)에 의해 계산된 충전 레벨을 실제 충전 레벨에 맞춰 조정하는 작업은, 반전된 촉매 컨버터 모델에 의해 파일럿 제어(104)를 통해 계산된 충전 레벨을 실제 충전 레벨에 맞춰 조정하는 작업과 함께 수행되는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 불연속적으로 수행된 적응 과정들은 출력측 배기가스 프로브(34)의 크고 작은 신호값들에 기반하고, 이때 큰 신호값들과 작은 신호값들 사이에 놓인 평균된 신호값들의 영역(280)에 의해 큰 신호값들의 영역(260)이 작은 신호값들의 영역(300)과 분리되는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 적응 경로(200)를 통해, 파일럿 제어(104)에 의해 구해진 람다 목표값(BLSW)이, 배기가스 성분 어큐뮬레이터와 관련하여 입력측 람다값과 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호의 출력측 신호값의 비교를 통해 도출되는 람다 오프셋에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 출력측 신호값은 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호의 평균 신호값이며, 출력측 배기가스 프로브의 신호값이 평균 신호값의 영역 내에 놓이면, 제3 적응 경로(200)를 통해 실시되는 보정이 연속으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  9. 제4항 및 제8항에 있어서, 제3 적응 경로(200)를 통해 실시되는 보정은 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호값이 작을 때에도 그리고 클 때에도 실시되고, 이때 제3 적응 경로(200)에서 실시되는 보정이 가중되며, 제3 적응 경로(200)에서 구해진 보정값의 영향은 큰 신호값의 영역 내에서는 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호값들이 점차 커질수록 감소하고, 작은 신호값의 영역 내에서는 신호값들이 더 작아질수록 감소하는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 출력측 배기가스 프로브(34)의 신호값들이 작을 때 그리고 클 때 제1 적응 경로(220)를 통해 실시되는 불연속 충전 레벨 보정이 가중되고, 제1 적응 경로(220)에서 구해진 보정값의 영향은 큰 신호값의 영역 내에서는 신호값들이 점차 커질수록 증가하고, 작은 신호값의 영역 내에서는 신호값들이 더 작아질수록 증가하는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨 제어 방법.
  11. 내연기관(10)의 촉매 컨버터(26)의 배기가스 성분 어큐뮬레이터의 충전 레벨을 제어하도록 구성된 제어 장치(16)로서, 상기 제어 장치는 촉매 컨버터 모델(102)을 포함하는 시스템 모델(100)의 사용 하에 충전 레벨을 제어하도록 구성되며, 상기 시스템 모델에서는 촉매 컨버터(26)의 출력측에 배치된 배기가스 프로브(34)의 신호들에 기반하는 적응을 통해, 충전 레벨의 제어에 영향을 미치는 측정값 또는 모델값의 불확실성이 보정되는, 제어 장치에 있어서,
    복수의 경로(200, 210, 220)에서 상기 적응을 수행하도록 구성되고, 서로 상이한 경로에서는 출력측에 배치된 배기가스 프로브(34)의 서로 상이한 신호 영역들(260, 280, 300)의 신호를 처리하는 것을 특징으로 하는 제어 장치(16).
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 장치는 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어 장치(16).
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