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DE69306084T2 - Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses in einer Innenbrennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses in einer Innenbrennkraftmaschine

Info

Publication number
DE69306084T2
DE69306084T2 DE69306084T DE69306084T DE69306084T2 DE 69306084 T2 DE69306084 T2 DE 69306084T2 DE 69306084 T DE69306084 T DE 69306084T DE 69306084 T DE69306084 T DE 69306084T DE 69306084 T2 DE69306084 T2 DE 69306084T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
air
fuel ratio
engine
catalyst
exhaust
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
DE69306084T
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Thomas Raymond Culbertson
Judith Mecham Curran
Douglas Ray Hamburg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Werke GmbH
Original Assignee
Ford Werke GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Werke GmbH filed Critical Ford Werke GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of DE69306084T2 publication Critical patent/DE69306084T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
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    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14Introducing closed-loop corrections
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    • F02D41/1439Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F02D41/1441Plural sensors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1477Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation circuit or part of it,(e.g. comparator, PI regulator, output)
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/1438Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
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    • F02D41/1488Inhibiting the regulation
    • F02D41/1489Replacing of the control value by a constant

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Description

  • Diese Erfindung betrifft eine elektronische Motorsteuerung eines Verbrennungsmotors.
  • Bekanntlich regelt man das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) von Verbrennungsmotoren durch Verwendung von Abgassauerstoffsensoren, die sich im Abgasstrom des Motors befinden, und durch ein elektronisches Steuerungsmodul, das mit dem Abgassensor gekoppelt ist. Aufgrund der Ansprechzeit dieses Systems und solcher Komponenten wie Katalysatoren in der Auspuffleitung treten gelegentlich unregelmäßige niederfrequente Schwingungen bei Rückkopplung mit den hinter dem Katalysator befindlichen EGO-Sensoren auf. Es wäre wünschenswert, solche unregelmäßigen niederfrequenten Schwingungen zu beseitigen.
  • Bekanntlich gibt es für Motoren, bei denen sich hinter dem Katalysator Abgassauerstoff-(EGO-)Sensoren befinden, Rückkopplungssysteme für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, um eine genauere Regelung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses bezüglich des Katalysatorfensters zu erreichen. Der Grund ist in den Abb. 1A und 1B veranschaulicht, die den Wirkungsgrad des Katalysators bzw. die Ausgabespannung des EGO-Sensors gegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für Sensoren zeigt, die sich sowohl vor als auch hinter einem typischen Katalysator befinden. Wie diese Abbildung zeigt, fällt der Umschaltpunkt des EGO-Sensors vor dem Katalysator nicht genau mit dem Katalysatorfenster zusammen, während für den Umschaltpunkt des EGO-Sensors hinter dem Katalysator dies im allgemeinen der Fall ist.
  • Leider treten bei Regelkreissystemen für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, bei denen Rückkopplung von einem EGO-Sensor hinter dem Katalysator eingesetzt wird, unter bestimmten Betriebsbedingungen häufig unregelmäßige niederfrequente Schwingungen auf. Zwei Beispiele hierfür sind in den Abb. 2A und 2B gezeigt, die Graphen der Ausgabespannung des hinter dem Katalysator befindlichen EGO- Sensors gegen die Zeit wiedergeben, die erhalten wurden, wenn der Motor bei Steuerung durch einen Regelkreis für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wurde, wobei eine herkömmliche Integralrückkopplung mit niedriger Verstärkung von dem hinter dem Katalysator befindlichen EGO-Sensor verwendet wurde. In Abb. 2A zeigt die Ausgabespannung des EGO-Sensors eine unregelmäßige niederfrequente Schwingung von ungefähr 0.024 Hertz, während die Sensorausgabespannung in Abb. 2B eine wohldefinierte Schwingung von etwa 0.015 Hertz aufweist. Solche niederfrequenten Schwingungen sind etwas unvorhersehbar und treten bei bestimmten Kombinationen von Katalysatoren und EGO-Sensoren auf, jedoch nicht bei allen. Diese niederfrequenten Schwingungen sind sowohl hinsichtlich der Emissionen (weil sie eine Verringerung des Wirkungsgrades des Katalysators verursachen) als auch hinsichtlich der Katalysatorüberwachung (weil sie fehlerhafte Anzeigen durch das Katalysatorüberwachungssystem verursachen können) unerwünscht. Dies sind einige der Probleme, die diese Erfindung beseitigt.
  • GB-A-2023885 offenbart ein Regelkreissystem zur Regelung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses eines Verbrennungsmotors, das einen Regler mit offenem Regelkreis für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einschließt, der eine Rückkopplungskorrektur besitzt, die auf sein Regelsignal mit der Basispulsbreite angewandt wird, wobei die Rückkopplungskorrektur auf dem binären Kippen der Ausgabe eines Sauerstoffsensors basiert, der einen im wesentlichen stöchiometrischen Zustand im Abgas des Verbrennungsmotors erfaßt, und durch einen Integralregler ausgeführt wird, der auf das Umschalten des Abgassensors reagiert, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei einem Zustand des Sensors anzuheben und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei dem anderen Zustand zu senken, wobei die vom Integralregler ausgeführte Grenzzyklusschwingung durch Vergrößerung des Einflusses und der Verstärkung des Reglers als Funktion des Abstandes verändert wird, den das System von einem Bezugspunkt hat, so daß es auf transiente Zustände schnell und glatt reagiert.
  • US-A-4625698 offenbart einen Regler mit geschlossenem Regelkreis für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Verbrennungsmotor, bei dem ein Proportionalterm auf einem schnellen, gefilterten Signal für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis und ein Integralterm auf einem langsamen, gefilterten Signal für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis basiert sowie auf der Größe der Abweichung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses außerhalb einer toten Zone und den fetten und mageren Zuständen des schnellen und des langsamen Signals für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
  • US-A-4251990 offenbart ein Regelungssystem für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, umfassend einen ersten Detektor für die Sauerstoffkonzentration, der sich auf der Eintrittsseite eines Dreiwegekatalysators befindet, um das Abgas im Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors zu reinigen, einen zweiten Detektor für die Sauerstoffkonzentration, der sich auf der Austrittsseite des Dreiwegekatalysators befindet, einen Diskriminator zur Erfassung und Unterscheidung eines speziellen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors als Antwort auf ein Signal, das Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors wie etwa die Menge eingeführter Luft und die Fahrzeuggeschwindigkeit darstellt, sowie einen Wechselschaltkreis, dem die Signale vom ersten und zweiten Sauerstoffkonzentrationsdetektor aufgeprägt werden. Der Wechselschaltkreis erzeugt als Antwort auf das Ausgabesignal des Diskriminators das Detektionssignal des zweiten Sauerstoffkonzentrationsdetektors selektiv nur dann, wenn der Diskriminator einen vorgegebenen Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfaßt, und das Detektionssignal des ersten Sauerstoffkonzentrationsdetektors, wenn sich der Verbrennungsmotor in anderen Betriebszuständen befindet.
  • US-A-4878472 offenbart ein Verfahren zur Regelung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses eines Gemisches, das einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, das auf einer Rückkopplung als Antwort auf ein Ausgabesignal eines Sauerstoffsensors beruht, der sich im Auspuffsystem des Motors befindet, um die Konzentration eines Bestandteiles der Motorabgase zu messen, um ein normalerweise schwankendes Ausgabesignal, das die Konzentration anzeigt, als Ausgabesignal zu erzeugen. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird mit Hilfe zumindest entweder eines Proportionalreglers, der einen ersten Korrekturwert einsetzt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu berichtigen, wenn das Ausgabesignal von der fetten Seite auf die magere Seite eines vorgegebenen Bezugswertes wechselt oder umgekehrt, auf einen gewünschten Wert gebracht, und ein zweiter Integralregler setzt einen zweiten Korrekturwert ein, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis immer dann zu korrigieren, wenn eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, solange das Ausgabesignal auf der mageren Seite oder auf der fetten Seite in Bezug auf einen vorgegebenen Bezugswert verharrt. Die Korrekturgröße wird als Antwort auf die Veränderungsrate des Ausgabesignals des Sauerstoffsensors bestimmt. Der zweite Korrekturwert muß mit Hilfe der Korrekturgröße vergrößert oder verkleinert werden, je nachdem, ob das Ausgabesignal auf der mageren Seite oder auf der fetten Seite verharrt.
  • JP-A-6079132 offenbart einen Regler für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, der in einem Fehlerverstärker eine Abweichung zwischen dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis gewinnt. Dann werden eine Ausgabe, die proportional zu dieser Abweichung ist, und eine Ausgabe, die durch Zeitintegration dieser Abweichung erzeugt wurde, in einem Summierer/Verstärker addiert. Danach wird dessen Ausgabe durch einen Pulsbreitenglied in eine Pulsbreite umgewandelt und an ein Magnetventil gegeben, um durch dieses Magnetventil einem Motor Kraftstoff zuzuführen. Hier wird in der Vorstufe eines Proportionalverstärkers zur Erzeugung einer Ausgabe, die dieser Abweichung proportional ist, ein Operationsverstärker verwendet, der eine solche Kennlinie besitzt, daß er bei einer Abweichung über den vorgegebenen Wert eine proportionale Ausgabe erzeugt, für eine Abweichung unter den vorgegebenen Wert jedoch keine Ausgabe erzeugt.
  • JP-A-58445 offenbart die Erfindung eines Kraftstoffreglers für einen Motor, in dem eine überschüssige Luftzufuhrrate so geregelt wird, daß das Abgas durch einen Sensor gemessen wird und das Signal in den Regler eingespeist wird, und daß ferner dessen Ausgabesignal mit einem Signal für den Luftstrom verglichen wird, um eine Proportional-Integral-Regelung der Einspritzpulsbreite durchzuführen. Bei konstanten Proportional- und Integrationswerten sowie konstantem Verhältnis I/To verändert sich hier die Zeitdauer T des Einspritzpulses bei einer Änderung des Drehzahlsignals und des Signals. Bei dieser Veränderung werden die Werte P, I bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Einlaßluftmenge, etwa bei Leerlauf, stark vergrößert; wenn aber die Grenzzyklusamplitude von I den Bereich des Reinigungsfensters in einem Dreiwegekatalysators übersteigt, werden die Werte für P und I/To so geregelt, daß sie im Zustand des Leerlaufs abnehmen.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, der durch ein elektronisches Motorsteuersystem geregelt wird und einen Abgassauerstoffsensor (EGO) besitzt, der sich im Abgasstrom des Motors befindet, wobei dieses Verfahren den Schritt der Verwendung unterschiedlicher Strategien zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einschließt, je nachdem, ob der Abgassauerstoffsensor gesättigt ist oder einen fetten oder mageren Zustand erfaßt oder in einem linearen Bereich betrieben wird, wobei das Verfahren ferner einschließt: (a) Die Verwendung eines linear ansteigenden Rückkopplungssignales für die Verdünnung des Gemisches, falls die Ausgabespannung des Abgassauerstoffsensors einen fetten Zustand anzeigt, um das Luft/Kraftstoff-Gemisch des Motors im Laufe der Zeit zu verdünnen und eine Anstiegsrate für die Verdünnung zu bestimmen, indem die Anstiegsrate vergrößert wird, bis sich eine Grenzzyklusschwingung ergibt, und sie dann verringert wird, und (b) die Verwendung eines linear ansteigenden Rückkopplungssignales für die Anreicherung des Gemisches, falls die Ausgabespannung des Abgassauerstoffsensors einen mageren Zustand anzeigt, um das Luft/Kraftstoff- Gemisch des Motors im Laufe der Zeit anzureichern und eine Anstiegsrate für die Anreicherung zu bestimmen, indem diese Anstiegsrate vergrößert wird, bis sich eine Grenzzyklusschwingung ergibt, und sie dann verringert wird.
  • Ein Aufbau in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung verhindert, daß in Rückkopplungssystemen für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die dem Katalysator nachgeschaltet sind, niederfrequente Schwingungen auftreten, wie sie oben beschrieben wurden.
  • Zeigt die Ausgabespannung des EGO-Sensors einen fetten Zustand an (zum Beispiel Vout > 0.7 Volt), steigt das Rückkopplungssignal linear so an, daß im Laufe der Zeit eine allmähliche Verdünnung des Luft/Kraftstoff-Gemisches des Motors entsteht. Zeigt die Ausgabespannung des EGO-Sensors einen mageren Zustand an (zum Beispiel Vout < 0.15 Volt), steigt das Rückkopplungssignal linear so an, daß im Laufe der Zeit eine allmähliche Anreicherung des Luft/Kraftstoff- Gemisches des Motors entsteht. Liegt die Ausgabespannung des EGO-Sensors zwischen den Werten für fett und mager, ist das Rückkopplungssignal proportional zur Differenz zwischen der Ausgabe des EGO-Sensors und einem geeigneten Bezugswert, etwa 0.45 Volt.
  • Um Abweichungen durch Verschiebung vom Gleichgewichtszustand zu verringern, kann es zusätzlich vorteilhaft sein, einen kleinen Teil an Integrationsrückkopplung in die Proportionalrückkopplung einzuschließen, wenn sich der EGO-Sensor zwischen den Grenzen für fett und mager befindet. In manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, das Rückkopplungssignal einzufrieren, wenn sich der EGO-Sensor zwischen den Grenzen für fett und mager befindet, wodurch eine tote Zone erzeugt wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen weiter beschrieben werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
  • Abb. 1A und 1B graphische Darstellungen der Umwandlungsleistung des Dreiwegekatalysators bzw. der Ausgabespannung eines Abgassauerstoffsensors jeweils gegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis sind;
  • Abb. 2A und 2B Graphen der Spannung des dem Katalysator nachgeschalteten Abgassauerstoffsensors gegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf Zeitbasis sind;
  • Abb. 3A und 3B graphische Darstellungen der Spannung des dem Katalysator nachgeschalteten Abgassauerstoffsensors gegen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für einen reinen Integralregler bzw. einen Dreizustands-Rückkopplungsregler sind;
  • Abb. 4 ein Blockdiagramm eines Rückkopplungssystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung ist;
  • Abb. 5A, 5B und 5C graphische Darstellungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors, der EGO-Sensorausgabe und des Rückkopplungsregelsignals bezüglich der Zeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung sind; und
  • Abb. 6A, 6B und 6C graphische Darstellungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors, der EGO-Sensorausgabe und des Rückkopplungsregelsignals bezüglich der Zeit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung sind. Wird ein Verbrennungsmotor auf der fetten Seite eines Katalysatorfensters (d.h. mit fettem Gemisch laut Anzeige des dem Katalysator nachgeschalteten EGO- Sensor) betrieben, so ist die Ausgabe des EGO-Sensors im wesentlichen bei einer "hohen" Ausgabespannung gesättigt und liefert keine sinnvollen Informationen darüber, wie fett die Zusammensetzung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors ist (siehe Abb. 1A und 1B). In diesem Fall besteht die Rückkopplungsstrategie darin, einfach das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors zurück in Richtung auf die stöchiometrische Zusammensetzung zu steigern, bis die Ausgabespannung des Sensors beginnt, in den mageren Zustand umzukehren. Da der Katalysator die Abgase, die ihn durchströmen, zeitlich beträchtlich verzögert, muß die Rate, mit der das Rückkopplungssignal das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors in die stöchiometrische Zusammensetzung zwingt, auf einen sehr niedrigen Wert beschränkt werden. Dies ist notwendig, damit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis die stöchiometrische Zusammensetzung nicht schneller durchläuft, als der EGO- Sensor zu messen und folglich innerhalb des Fensters des Katalysators zu halten in der Lage ist.
  • Besitzt zum Beispiel der nicht gesättigte (oder lineare) Bereich der EGO- Sensorkennlinie eine Breite von 0.05 auf der Achse des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses, und wenn die Zeitverzögerung durch Motor und Katalysator 10 Sekunden beträgt, wäre so die maximale Anstiegsrate des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses 0.05/10 = 0.005 pro Sekunde. Dieser Wert gewährleistet, daß der Sensor in der Lage ist, eine Veränderung im Luft/Kraftstoff-Verhältnis einzuleiten, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den nicht gesättigten Bereich des Sensors eingetreten ist, und im folgenden die Auswirkung der Veränderung zu messen, bevor das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bewirkt hat, daß der Sensor den anderen Sättigungswert erreicht. Die Anstiegsrate des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann automatisch angepaßt werden, um die schnellstmögliche Rückkopplungskorrektur zu liefern, ohne einen instabilen Systembetrieb hervorzurufen. Diese automatische Regelung der Rate könnte verwirklicht werden, indem man die Anstiegsrate des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses periodisch steigert, bis das System in einem wohldefinierten Grenzzyklus zu schwingen beginnt, und die Anstiegsrate dann um einen geeigneten Wert verringert. Beim Einsatz der Erfindung vor Katalysatoren wird die zeitliche Verzögerung durch den Motor eine Funktion von Drehzahl (und Drehmoment) sein. Der optimale Wert für die Anstiegsrate wird daher eine Funktion von Motordrehzahl (und -drehmoment) sein, und er wird in einer geeigneten Tabelle im Motorsteuercomputer enthalten sein.
  • Wird der Motor nun mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben, das sich im Katalysatorfenster befindet (d.h. im nicht gesättigten Bereich der EGO- Sensorkennlinie), so wird sich die Ausgabespannung des EGO-Sensors in etwa linear auf das Luft/Kraftstoff-Verhältnis beziehen, wie dies der in Abb. 1B gezeigte Graph für den dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensor nahelegt. Da die Ausgabespannung des EGO-Sensors in diesem Fall Informationen darüber liefert, wie weit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors von der stöchiometrischen Zusammensetzung entfernt ist, besteht die Vorgehensweise darin, ein Signal rückzukoppeln, das proportional zur Differenz zwischen der Ausgabe des EGO- Sensors und einer geeigneten Bezugsspannung, etwa 0.45 Volt, ist. Da der Katalysator unabhängig von der Art und Weise der Rückkopplung eine beträchtliche zeitliche Verzögerung bewirkt, muß der Wert der proportionalen Rückkopplungsverstärkung auf einem niedrigen Wert gehalten werden, so daß das Rückkopplungssystem nicht instabil wird und schwingt. Die Verstärkung sollte groß genug sein, um eventuelle Störungen im Luft/Kraftstoff-Verhältnis so schnell wie möglich zu korrigieren, ohne Schwingungen hervorzurufen. Bei einiger Anwendungen, in denen die Notwendigkeit der Bereitstellung von Schwingungen von besonderer Bedeutung ist, könnte die Verstärkung auf Null reduziert werden, so daß der lineare Bereich im wesentlichen eine tote Zone wird.
  • Es könnte wünschenswert sein, in diesem linearen Betriebsbereich dem Proportional-Rückkopplungssignal einen kleinen Teil an Integralrückkopplung hinzuzufügen, um jegliche eventuell auftretende Abweichung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses durch Verschiebung vom Gleichgewichtszustand zu beseitigen. Der Wert für die Verstärkung, der für diese Integralrückkopplung verwendet wird, würde so gewählt werden, daß er hoch genug ist, um Abweichungen im Gleichgewichtszustand zu beseitigen, aber nicht so hoch, daß er instabilen (d.h. schwingenden) Betrieb verursacht. Ferner kann es vorteilhaft sein, das untere Ende des linearen Bereiches der Ausgabespannung des EGO-Sensors zu "kappen", indem die Umschaltspannung für den mageren Betriebszustand (zum Beispiel von 0.15 Volt auf 0.5 Volt) und auch die Bezugsspannung (zum Beispiel von 0.45 Volt auf 0.6 Volt) erhöht werden. Dies geschieht, um eine leichte Verschiebung des wirksamen, linearen Bereiches des EGO-Sensors in die fette Richtung zu bewirken und die Fähigkeit des Rückkopplungsregelungssystems des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses zu verbessern, einen optimalen Wirkungsgrad des Katalysators bereitzustellen. Einige Motor/Leistungsmesser-Studien haben gezeigt, daß der höchste Wirkungsgrad der gleichzeitigen Konversion von KW, CO und NOx dann auftritt, wenn die Regelspannung des dem Katalysator nachgeschalteten Sensors bei etwa 0.6 Volt liegt. Die tatsächliche Regelspannung ist eine Funktion der Betriebstemperatur des EGO-Sensors.
  • Wird der Motor auf der mageren Seite des Katalysatorfensters (d.h. mit magerem Gemisch laut Anzeige des dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensors) betrieben, so ist die Ausgabe des EGO-Sensors im wesentlichen bei einer niedrigen Ausgabespannung gesättigt und liefert keine sinnvollen Informationen darüber, wie mager das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors ist (siehe Abb. 1B). In diesem Fall besteht die Rückkopplungsstrategie darin, einfach das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors zurück in Richtung auf die stöchiometrische Zusammensetzung zu steigern, bis die Ausgabespannung des Sensors beginnt, in den fetten Zustand zu kippen. Dies ist die gleiche Vorgehensweise, die verwendet wurde, als der Motor auf der fetten Seite des Katalysatorfensters betrieben wurde, mit der Ausnahme, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors nun in Richtung fett statt mager gesteigert wird.
  • Wie vorher erörtert, muß die Rate, mit der das Rückkopplungssignal das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors in die stöchiometrische Zusammensetzung zwingt, auf einen sehr niedrigen Wert beschränkt werden, damit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis die stöchiometrische Zusammensetzung nicht schneller durchläuft, als sie der EGO-Sensor messen und folglich innerhalb des Fensters des Katalysators halten kann. Ebenso könnte die Anstiegsrate des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses des Rückkopplungssignals wie vorstehend erörtert automatisch angepaßt werden, um die schnellstmögliche Rückkopplungskorrektur zu liefern, ohne Systemschwingungen hervorzurufen. Beim Einsatz der Erfindung vor Katalysatoren wird der optimale Wert für die Anstiegsrate eine Funktion von Motordrehzahl (und -drehmoment) sein, und er wird in einer geeigneten Tabelle im Motorsteuercomputer enthalten sein.
  • In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dieser Erfindung kann bei einem System mit einer dem Katalysator vor- und nachgeschalteten Rückkopplung des Luft/Kraftstoffverhältnisses ein Dreizustands-Regelungsverfahren verwendet werden, um ungleichmäßige Schwingungen zu beseitigen. Ein Beispiel für die Fähigkeit der Erfindung, niederfrequente Schwingungen zu beseitigen, ist in den Abb. 3A und 3B dargestellt, die die Ausgabespannungen des dem Katalysator nachgeschalteten EGO-Sensors gegen die Zeit für einen reinen Integral- Rückkopplungsregler für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, der dem Katalysator nachgeschaltet ist (Abb. 3A), und für diesen Dreizustandsregler (Abb. 3B) wiedergeben. Wie die Abbildungen zeigen, wird die niederfrequente Schwingung, die mit reiner Integralrückkopplung auftritt, bei Einsatz einer Dreizustandsrückkopplung beseitigt. Eine Ausführungsform dieser Erfindung kann auch verwendet werden, um den Betrieb gewisser Katalysatorüberwachungsverfahren zu verbessern. Das dem Katalysator nachgeschaltete Dreizustands-Rückkopplungssystem für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis kann zum Beispiel verwendet werden, um das Katalysatorüberwachungsverfahren zu verbessern, indem es eine gleichmäßigere Kennlinie für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gegen die Zeit liefert.
  • Bezug nehmend auf Abb. 4, besitzt ein Motor 41 eine Auspuffleitung, die mit dem Katalysator 42 verbunden ist. Ein dem Katalysator vorgeschalteter EGO-Sensor 43 befindet sich auf der Eintrittsseite des Katalysators 42, und ein dem Katalysator nachgeschalteter EGO-Sensor 44 befindet sich auf der Austrittsseite des Katalysators 42. Ein dem Katalysator nachgeschalteter Rückkopplungsregler 46 empfängt ein Signal von Sensor 44 und liefert ein Anpassungssignal für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an einen dem Katalysator vorgeschalteten Rückkopplungsregler 45, der auch ein Signal von Sensor 43 empfängt. Die Ausgabe des Rückkopplungsreglers 45 wird an einen Kraftstoffhauptregler 47 gegeben, der dem Motor 41 ein Kraftstoffregelsignal liefert.
  • Wie in Abb. 4 gezeigt, kann ein dem Katalysator vorgeschalteter Dreizustandsregler für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einem dem Katalysator nachgeschalteten Dreizustandsregler für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis vereinigt werden, um die Fähigkeiten der dem Katalysator vorgeschalteten Rückkopplungsschleife zur Hochfrequenzkorrektur zu verwirklichen. Der dem Katalysator nachgeschaltete Rückkopplungsregler 46 für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis dient zum Feinabgleich des dem Katalysator vorgeschalteten Dreizustands-Rückkopplungsreglers 45 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Der Feinabgleich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bewirkt, daß der dem Katalysator nachgeschaltete EGO-Sensor 44 im Zustand der stöchiometrischen Zusammensetzung gehalten wird, indem er den "dc"-Wert der dem Katalysator vorgeschalteten Rückkopplungsschleife passend verändert. Es sei bemerkt, daß der jeweilige Feinabgleich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf verschiedenen Wegen erreicht werden kann. Zum Beispiel kann das Rückkopplungssignal von dem Rückkopplungsregler 46 für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, der dem Katalysator nachgeschaltet ist, verwendet werden, um den Umschaltpunkt des dem Katalysator vorgeschalteten EGO-Sensors 43 zu verändern. Wahlweise kann das Rückkopplungssignal von dem Rückkopplungsregler 46 für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis, der dem Katalysator nachgeschaltet ist, verwendet werden, um die Relativwerte der Raten für die Integration von oben nach unten und/oder des Zurücksetzens des dem Katalysator vorgeschalteten Reglers 45 zu verändern.
  • Das Dreizustands-Regelungsverfahren kann zur Regelung jeder Rückkopplungsschleife für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingesetzt werden, bei der ein EGO-Sensor verwendet wird. Als solches kann es direkt in der dem Katalysator vorgeschalteten Rückkopplungsschleife wie auch in der dem Katalysator nachgeschalteten Rückkopplungsschleife eingesetzt werden. Die Verwendung des Dreizustands-Regelungsverfahrens in der dem Katalysator vorgeschalteten Rückkopplungsschleife kann den Grenzzyklus-Betriebsmodus ersetzen, der normalerweise mit einer dem Katalysator vorgeschalteten Rückkopplungsschleife verbunden ist.
  • Um genauer zu erklären, wie die Erfindung wirkt, betrachte man den in Abb. 1B gezeigten fetten, linearen und mageren Bereich. Darüber hinaus nehme man unter Bezug auf Abb. 5 an, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors anfangs eine fette Zusammensetzung aufweise und daß die Rückkopplungsschleife für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei t=t&sub1; geschlossen sei. Da der EGO-Sensor anfangs ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfaßt, ist seine Ausgabe etwa gleich 0.8 Volt, und der Rückkopplungsregler für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird daher das Luft/Kraftstoff-Verhältnis allmählich magerer machen. Erreicht das Luft/Kraftstoff- Verhältnis des Motors den linearen Bereich des EGO-Sensors, so wird der Rückkopplungsregler aus einem einfachen Anstiegsmodus in einen proportionalen (oder proportionalen plus integralen) Rückkopplungsmodus umschalten. Wenn dies geschieht (bei t=t&sub2;), bewegt der Regler das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors auf einen vorprogrammierten Sollwert (zum Beispiel 14.7). Angenommen, es gäbe keine weiteren Veränderungen, so würde das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors in diesem Zustand verbleiben. Idealisierte Wellenformen des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses des Motors, der EGO-Sensorausgabe und des Rückkopplungsregelsignals für dieses Beispiel sind in den Abbildungen 5A, 5B und 5C als Funktion der Zeit gezeigt.
  • Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors anfangs eine magere und keine fette Zusammensetzung aufweist, erfaßt der EGO-Sensor anfangs ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis und seine Ausgabe wäre etwa gleich 0.1 Volt. In diesem Fall würde der Rückkopplungsregler das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei geschlossener Rückkopplungsschleife allmählich fetter machen, bis das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors den linearen Bereich des EGO-Sensors erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird der Rückkopplungsregler aus einem einfachen Anstiegsmodus in einen proportionalen (oder proportionalen plus integralen Rückkopplungsmodus umschalten, und der Regler wird das Luft/Kraftstoff- Verhältnis des Motors auf einen vorprogrammierten Sollwert bewegen. Angenommen, es gäbe keine weiteren Veränderungen, so würde das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors in diesem Zustand verbleiben. Idealisierte Wellenformen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors, der EGO- Sensorausgabe und des Rückkopplungsregelsignals für dieses Beispiel sind in den Abbildungen 6A, 6B und 6C als Funktion der Zeit gezeigt.
  • Es sei angemerkt, daß die Zeitskalen in den Abbildungen 5 und 6 nicht festgelegt sind. Dies ist deshalb so, weil die tatsächlichen Zeiten davon abhängen, ob sich das Rückkopplungssystem vor oder hinter dem Katalysator befindet, wobei die Erfindung in beiden Fällen einsetzbar ist. Der Klarheit halber ist in den verschiedenen Kurven in den Abbildungen 5 und 6 kein Signalrauschen gezeigt.

Claims (8)

1. Ein Verfahren zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors, der durch ein elektronisches Motorsteuersystem geregelt wird und einen Abgassauerstoff-(EGO-)Sensor (43, 44) besitzt, der im Abgasstrom des Motors angeordnet ist, wobei dieses Verfahren den Schritt des Verwendens unterschiedlicher Strategien der Rückkopplungsregelung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses einschließt, je nachdem, ob der Abgassauerstoffsensor (43, 44) gesättigt ist, einen fetten oder einen mageren Zustand anzeigt oder in einem linearen Bereich betrieben wird, wobei das Verfahren ferner einschließt: (a) Die Verwendung eines linear ansteigenden Rückkopplungssignales für die Verdünnung des Gemisches, falls die Ausgabespannung des Abgassauerstoffsensors einen fetten Zustand anzeigt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors im Laufe der Zeit mager zu machen, und der Bestimmung einer Anstiegsrate für die Verdünnung, indem die Anstiegsrate vergrößert wird, bis sich eine Grenzzyklusschwingung einstellt, und sie dann verringert wird, und (b) die Verwendung eines linear ansteigenden Rückkopplungssignales für die Anreicherung des Gemisches, falls die Ausgabespannung des Abgassauerstoffsensors einen mageren Zustand anzeigt, um das Luft/Kraftstoff- Verhältnis des Motors im Laufe der Zeit fett zu machen, und der Bestimmung einer Anstiegsrate für die Anreicherung, indem diese Anstiegsrate vergrößert wird, bis sich eine Grenzzyklusschwingung ergibt, und sie dann verringert wird.
2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt der Verwendung eines Rückkopplungssignals umfaßt, das eine Funktion der Differenz zwischen der Ausgabe des EGO-Sensors und einer geeigneten Bezugsspannung ist, wenn sich die Spannung des Abgassauerstoffsensors zwischen den Sättigungsgrenzwerten für die fette und die magere Zusammensetzung befindet.
3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin diese Funktion der Differenz eine Proportional-Funktion ist.
4. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin diese Funktion der Differenz eine Proportional-Integral-Funktion ist.
5. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfaßt, der das Rückkopplungssignal invariant macht, so daß sich eine tote Zone für die Rückkopplung ergibt, wenn sich die Spannung des Abgassauerstoffsensors zwischen den Sättigungsgrenzwerten für die fette und die magere Zusammensetzung befindet.
6. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte einschließt:
Der Bereitstellung eines Katalysators im Motorabgasstrom;
der Bereitstellung eines eintrittsseitigen Abgassauerstoffsensors, der sich auf der Eintrittsseite des Katalysators befindet; und
der Verwendung einer Ausgabe des eintrittsseitigen Abgassauerstoffsensors als Eingabe in das Rückkopplungsregelungsverfahren für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis.
7. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte einschließt:
Der Bereitstellung eines Katalysators im Motorabgasstrom;
der Bereitstellung eines austrittsseitigen Abgassauerstoffsensors, der sich auf der Austrittsseite des Katalysators befindet; und
der Verwendung einer Ausgabe des austrittsseitigen Abgassauerstoffsensors als Eingabe in das Rückkopplungsregelungsverfahren für das Luft/Kraftstoff- Verhältnis.
8. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte einschließt:
Der Bereitstellung eines Katalysators im Motorabgasstrom;
der Bereitstellung eines austrittsseitigen und eines eintrittsseitigen Abgassauerstoffsensors, die sich auf der Austrittsseite bzw. der Eintrittsseite des Katalysators befinden; und
der Verwendung der Ausgaben sowohl des austrittsseitigen wie auch des eintrittsseitigen Abgassauerstoffsensors als Eingaben in das Rückkopplungsregelungsverfahren für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
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