DE4219134A1 - Luft/brennstoff-verhaeltnis-steuerungsgeraet fuer eine maschine - Google Patents

Luft/brennstoff-verhaeltnis-steuerungsgeraet fuer eine maschine

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DE4219134A1
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät zur Steuerung einer Brennstoffeinspritzmenge in der Weise, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis eines einer Maschine zuzuführenden Luft/Brennstoff-Gemisches ein theoretisches Luft/Brennstoff-Verhältnis annimmt; die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät, das in der Lage ist, das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit einem schnellen Ansprechverhalten (hohe Empfindlichkeit) unabhängig von einer Änderung des Abgasrückführungsverhältnisses zu steuern.
In Übereinstimmung mit der sogenannten modernen Steuerungstheorie ist ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät der gattungsgemäßen Art so ausgelegt, daß ein dynamisches Modell eines System zum Steuern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Maschine auf der Basis einer Approximation bzw. Annäherung an ein auto-regressives bzw. selbst-rückschreitendes Modell, das einen Grad von 1 und eine Totzeit P (P = 0, 1, 2, . . .) aufweist, sowie unter Berücksichtigung von Störungen konstruiert wird, um einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsbetrag auf der Basis einer Zustandsvariablen sowie einer optimalen, auf der Basis des dynamischen Modells vorherbestimmten Rückkopplungs-Verstärkung zu bestimmen. Die optimale Rückkopplungs-Verstärkung (Rückkopplungsfaktor) wird derart festgelegt, daß das Ansprechverhalten bzw. die Empfindlichkeit mit der Stabilität unter verschiedenen Betriebsbedingungen kompatibel bzw. verträglich ist, wie dies beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 1-1 10 853 offenbart ist. Um zu verhindern, daß sich das Ausgangssignal eines Sauerstoffsensors (O₂-Sensor) aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Verteilung des Abgas-Rückflusses zu den jeweiligen Zylindern der Maschine bezüglich der tatsächlichen Dichte zu einer fetten Seite hin verschiebt, um bei der Durchführung des Abgas-Rückflusses das Luft/Brennstoff-Verhältnis nicht zur mageren Seite hin zu steuern, wird darüber hinaus die Integrationskonstante oder der Überspringungsbetrag (skip amount) auf einen derartigen Wert geschaltet, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis dazu tendiert, auf die fette Seite zu gelangen, wie dies in der japanischen Offenlegungsschrift 2-55 849 erläutert ist (bei der die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung auf einer PI-Steuerung basiert). Bei einem derartigen, auf der modernen Steuerungstheorie basierenden Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät tritt jedoch das Problem auf, daß sich das dynamische Modell der Maschine in Abhängigkeit von dem Abgasrückführungsverhältnis (EGR-Rate) ändert. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 wird nämlich die Zeitkonstante (die Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (A/F) bezüglich der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten (FAF) im Falle des zurückfließenden Verbrennungsgases (EGR-ON) länger als in dem Fall, bei dem das Gas nicht zurückfließt (EGR-OFF), da ein Durchschnittswert gebildet wird zwischen der anhand der Einspritzmenge und der frisch angesaugten Luft festgelegten Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des dem Ansaugsystem zugeführten Verbrennungsgases. Wenn die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung daher auf der Basis der in Übereinstimmung mit dem gleichen Modell erzeugten Rückkopplungsverstärkung in Bereichen durchgeführt wird, die sich hinsichtlich ihres Abgasrückführungsverhältnisses voneinander unterscheiden, besteht folglich die Möglichkeit, daß sich die Leistungsfähigkeit der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung aufgrund eines Modellfehlers verschlechtert. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis darüber hinaus lediglich so gesteuert wird, daß es sich bei der Durchführung der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung in Übereinstimmung mit der modernen Steuerung zur fetten Seite hin neigt, wie dies bei dem vorstehenden erwähnten herkömmlichen Gerät der Fall ist, ist es unmöglich, die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung aufgrund der auf die Änderung des Abgasrückführungsverhältnisses zurückzuführenden Verzögerung der Empfindlichkeit zu verhindern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät zu schaffen, daß in der Lage ist, das Luft/Brennstoff-Verhältnis unabhängig von jeglichen Änderungen des Abgasrückführungsverhältnisses angemessen zu steuern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Erfindungsgemäß wird demzufolge ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät für eine Maschine vorgeschlagen, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: eine Einrichtung zum Erfassen eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches; eine Einrichtung zum Steuern einer Brennstoffzufuhrmenge für die Maschine; eine Einrichtung zum Zurückleiten eines aus einem Abgasrohr der Maschine ausströmenden Abgases zu einem Ansaugrohr derselben; eine Einrichtung zum Erfassen eines Ausmaßes der von der Abgas-Rückleitungseinrichtung herbeigeführten Zurückleitung des Abgases; eine Einrichtung zum Bestimmen einer gesteuerten Menge der von der Steuereinrichtung abgegebenen Brennstoffzufuhrmenge auf der Basis einer optimalen Rückkopplungs-Verstärkung, die auf der Basis eines dynamischen Modells der Maschine sowie des mittels der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfaßten Luft/Brennstoff-Verhältnisses eingestellt ist, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Maschine auf ein Ziel- bzw. Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis hin zu steuern; eine Einrichtung zum Einstellen einer Vielzahl von optimalen Rückkopplungs-Verstärkungen bzw. -Faktoren in Übereinstimmung mit dem Ausmaß des mittels der Abgas-Rückleitungsausmaß-Erfassungseinrichtung erfaßten Rückflusses; sowie eine Einrichtung zum Durchführen eines Schaltvorgangs zwischen der Vielzahl von Rückkopplungsfaktoren in Übereinstimmung mit dem mittels der Abgas-Rückleitungsausmaß-Erfassungseinrichtung erfaßten Ausmaß des Rückflusses.
Die Erfindung schlägt ferner ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät für eine mit einer Einrichtung zum Zurückleiten eines Abgases von einem Abgasrohr zu einem Einlaßrohr ausgerüstete Maschine vor, das folgende Einrichtungen aufweist: eine Einrichtung zum Erfassen eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines der Maschine zuzuführenden Luft/Brennstoff-Gemisches; eine Einrichtung zum Steuern einer Brennstoffzufuhrmenge für die Maschine; eine Einrichtung zum Erfassen eines Ausmaßes desjenigen Abgases, das zum Ansaugrohr zurückgeleitet wird; eine Einrichtung zum Einstellen einer Vielzahl von optimalen Rückkopplungsfaktoren auf der Basis eines dynamischen Modells eines Systems zum Steuern eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemisches der Maschine; eine Einrichtung zum Wählen eines unter einer Vielzahl von eingestellten optimalen Rückkopplungs-Faktoren in Übereinstimmung mit dem von der Abgas-Rückleitungsausmaß-Erfassungseinrichtung erfaßten Ausmaß des Abgases; und eine Einrichtung zum Bestimmen einer von der Steuereinrichtung gesteuerten Menge der Brennstoffzufuhr auf der Basis des von der Wählvorrichtung für den optimalen Rückkopplungs-Faktor gewählten optimalen Rückkopplungs-Faktors sowie des von Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfaßten Luft/Brennstoff-Verhältnisses, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Maschine auf ein Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis hin zu steuern.
Die Erfindung wird nachstehend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 anhand eines schematischen Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgeräts für eine Maschine;
Fig. 2 bis 4 Flußdiagramme zur Erläuterung eines Steuerungsablaufs, der von dem in Fig. 1 gezeigten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät durchgeführt wird;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Modells eines Systems zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches;
Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfassung eines Abgasrückführungsverhältnisses; und
Fig. 7 Kurvenverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise eines herkömmlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgeräts.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgeräts, das für eine mit 10 bezeichnete (Brennkraft-)Maschine verwendet wird. Bei der in Fig. 1 gezeigten Maschine 10 handelt es sich um einen 4-Zylinder-4-Takt-Ottomotor, bei dem die Ansaugluft über einen Luftreiniger bzw. einen Luftfilter 11, ein Ansaugrohr 12, eine Drosselklappe 13, einen Druckausgleichsbehälter 14 sowie über ein Ansaugluft-Verteilerrohr 15 jedem der Zylinder zugeführt wird. Ferner wird von einem (nicht gezeigten) Brennstofftank her unter Druck stehender Brennstoff bzw. Treibstoff über Brennstoff-Einspritzventile 16a bis 16d, welche im Ansaugluft-Verteilerrohr 15 vorgesehen sind, eingespritzt und zugeführt. Die Maschine 10 weist ferner einen Verteiler 19, der ein von einer Zündvorrichtung 17 erzeugtes elektrisches Hochspannungssignal auf Zündkerzen 18a bis 18d der jeweiligen Zylinder verteilt, einen im Verteiler 19 angeordneten Drehzahlsensor 30 zum Erfassen einer Drehzahl Ne der Maschine 10, einen Drosselklappensensor 31 zum Erfassen eines Öffnungsmaßes TH der Drosselklappe 13, einen Ansaugdrucksensor 32 zum Erfassen eines an einem stromab der Drosselklappe 13 befindlichen Bereichs herrschenden Ansaugdrucks PM, einen Wassertemperaturfühler 33 zum Erfassen einer Temperatur Thw des Kühlwassers der Maschine 10, sowie einen Ansaugluft-Temperaturfühler 34 auf, der zum Erfassen einer Temperatur Tam der Ansaugluft dient. Der Drehzahlsensor 30 ist in Gegenüberlage zu einem sich synchron mit einer Kurbelwelle der Maschine 10 drehenden Tellerrad derart angeordnet, daß ein Impulssignal erzeugt wird, welches 24 Impulse pro zwei Umdrehungen der Maschine 10, das heißt 720°CA (Kurbelwellenwinkel), im Verhältnis zur Drehzahl Ne der Maschine 10 enthält. Der Drosselklappensensor 31 gibt ein dem Drosselklappen-Öffnungsmaß TH entsprechendes Analogsignal sowie EIN-AUS-Signale aus einem Leerlaufschalter ab, mittels dem erfaßt wird, ob sich die Drosselklappe 13 im völlig geschlossenen Zustand befindet. In einem Abgasrohr bzw. Auspuff 35 der Maschine 10 ist ferner ein Rhodium-Katalysator 38 vorgesehen, der zur Verringerung der im von der Maschine 10 erzeugten Abgas enthaltenen schädlichen Komponenten (CO, HC, Nox und andere) dient. An einem stromauf des Rhodium-Katalysators 38 befindlichen Bereich ist ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor 36 vorgesehen, der einen ersten Sauerstoffdichtesensor darstellt und ein dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Maschine 10 zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches entsprechendes lineares Erfassungssignal abgibt, während an einem stromab des Rhodium-Katalysators 38 befindlichen Bereich ein O₂-Sensor vorgesehen ist, der einen zweiten Sauerstoffdichtesensor darstellt und ein Erfassungssignal abgibt, das Auskunft darüber gibt bzw. anzeigt, ob sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Maschine 10 zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches bezüglich des theoretischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf der fetten Seite oder der mageren Seite befindet.
Ein Abgasrückführungsrohr (EGR-Rohr) 40 dient dazu, das Abgas zum Ansaug-Luftverteilerrohr 15 zurückzuführen, wobei im Abgasrückführungsrohr 40 ein Abgasrückführungsventil (EGR-Ventil) 39 zum Einstellen der Menge des zurückzuführenden bzw. zurückzuleitenden Abgases vorgesehen ist. Das Abgasrückführungsventil 39 ist so eingerichtet, daß sein Öffnungsgrad bzw. Öffnungsmaß von einem Vakuum- bzw. Unterdruckmodulator 41 gesteuert wird, der in Übereinstimmung mit einem von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 20 erzeugten Steuersignal betrieben wird, um ein in Abhängigkeit vom Betriebszustand (beispielsweise dem Ansaugrohr-Druck und der Maschinendrehzahl) vorbestimmtes Abgasrückführungsverhältnis (EGR-Rate) herbeizuführen. Die elektronische Steuereinheit 20 dient im übrigen zur Durchführung verschiedener Steuerungen, wie zum Beispiel einer Zündzeitpunkt-Einstellung Ig, der Einstellung der Brennstoffeinspritzmenge usw. Die elektronische Steuereinheit 20 enthält eine Zentraleinheit bzw. CPU 21, einen Festwertspeicher bzw. ein ROM 22, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff bzw. RAM 23, ein Sicherheitskopie- bzw. Backup-RAM 24 sowie weitere Elemente, um ein Rechen- und Leitwerk (ALU) zu bilden; weiterhin sind ein Eingabekanal 25 zur Eingabe von Signalen aus den verschiedenen, vorstehend erwähnten Sensoren und ein Ausgabekanal 26 zur Ausgabe von Steuersignalen zu den jeweiligen Betätigungselementen vorhanden. Die genannten Funktionsblöcke der elektronischen Steuereinheit 20 sind über einen gemeinsamen Bus 27 miteinander verbunden.
Die elektronische Steuereinheit 20 nimmt über den Eingabekanal 25 den Ansaugdruck PM, die Temperatur Tam der Ansaugluft, den Öffnungsgrad TH der Drosselklappe, die Temperatur Thw des Kühlwassers, das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ, die Drehzahl Ne sowie weitere Werte auf, um auf der Basis dieser eingegebenen Daten die Brennstoffeinspritzmenge TAU, die jeweiligen Zündzeitpunkte Ig sowie das Abgasrückführungsverhältnis zu errechnen und um über den Ausgabekanal 26 entsprechendes Steuersignale den Brennstoffeinspritzventilen 26a bis 16d, der Zündvorrichtung 17 bzw. dem Unterdruck-Modulator 41 zuzuführen. Nachfolgend wird die in Übereinstimmung mit dem Öffnungsgrad des Abgasrückführungsventils 39 durchgeführte Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung näher erläutert. Zur Durchführung dieser Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung ist die elektronische Steuereinheit 20 im voraus in Übereinstimmung mit der folgenden Lehre ausgelegt, die beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 1-1 10 853 näher erläutert ist.
1) Modellierung des gesteuerten Objekts
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein auto-regressives bzw. selbst-rückschreitendes Durchschnittsmodell für ein Modell des Systems zum Steuern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses λ in der Maschine 10 verwendet, dessen Grad gleich 1 und dessen Totzeit P = 3 ist und das unter Berücksichtigung einer Störung d angenähert wird. Zunächst kann auf der Grundlage des auto-regressiven Bewegungsdurchschnittsmodells das Modell des Steuerungssystems für das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ mittels folgender Gleichung angenähert bzw. appoximiert werden:
(k) = a · λ (k-1)+b · FAF (k-3) (1)
In dieser Gleichung ist mit λ das Luft/Brennstoff-Verhältnis, mit FAF ein Korrekturkoeffizient des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, mit a und b jeweils eine Konstante und mit k eine Variable bezeichnet, welche die Anzahl der seit dem Start der ersten Abtastung gezählten Anzahl von Wiederholungen des Steuerungsablaufs angibt.
Wenn die Störung d berücksichtigt wird, kann das Steuerungssystem-Modell wie folgt approximiert werden:
(k) = a · λ (k-1)+b · FAF (k-3)+d (k-1) (2)
Unter Verwendung einer Stufenantwort (step response) ist es leicht möglich, die Konstanten a und b zu erhalten, indem eine diskrete Berechnung mit der Abtastung der Umdrehungsperiode (360°CA bzw. Kurbelwellenwinkel) bezüglich des auf diese Weise angenäherten Modells durchgeführt wird, das heißt, die Übertragungsfunktion G des Systems zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zu erhalten.
2) Verfahren zum Anzeigen einer Zustandsvariablen IX (IX repräsentiert eine Vektorgröße
Wenn die vorgenannte Gleichung (2) unter Verwendung der Zustandsvariablen IX(k) = [X₁(k), X₂(k), X₃(k), X₄(k)]T (wobei in dieser Gleichung (3) das Zeichen T eine transponierte Matrix repräsentiert) umgeschrieben wird, erhält man die folgende Gleichung:
Das heißt:
X₁(K+1) = aX₁(K)+bX₁(K)+d(K) = λ (K+1)
X₂(K+1) = FAF(K-2)
X₃(K+1) = FAF(K-1)
X₄(K+1) = FAF(K) (5)
3) Entwurf des Reglers
Beim Entwurf des Reglers anhand der Terme bzw. Glieder der vorstehenden Gleichungen (3) und (4) kann man bei Verwendung einer nachfolgend angegebenen optimalen Rückkopplungs-Verstärkung IK (Vektorgröße) und einer Zustandsvariablen IXT:
IK = [K1, K2, K3, K4] (6)
IXT(k) = [λ(k), FAF(k-3), FAF(k-2), FAF(k-1) (7)
folgende Gleichung erhalten:
FAF(k) = IK · IXT(k) = K₁ · λ (k)+K₂ · FAF(k-3)+K₃ · FAF(k-2)+K₄ (k-1) (8)
Weiterhin wird ein Integrationsterm ZI(k) zu der vorstehenden Gleichung (8) addiert, um folgende Gleichung zu erhalten, wodurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ und der Korrekturkoeffizient FAF erhalten werden:
FAF(k) = K₁ · λ (k)+K₂ · FAF(k-3)+K₃ · FAF(k-2)+K4 · (k-1)+ZI(k) (9)
Der Integrationsterm ZI(k) ist hier ein Wert, der von der Abweichung zwischen einem Ziel- bzw. einem Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis λTG und dem tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis λ (k) sowie von einer Integrationskonstante Ka bestimmt wird und in Übereinstimmung mit folgender Gleichung erhalten werden kann:
ZI(k) = ZI(k-1)+Ka (λTG-λ (k)) (10)
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, welches das gemäß vorstehender Beschreibung entworfene Steuerungssystem für das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ zeigt. Das System ist hier angegeben unter Verwendung einer Z-1-Umsetzung, um aus dem Korrekturkoeffizienten FAF(k-1) den Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF(k) zu erhalten. Der vorhergehende Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient FAF(k-1) wird zuvor im RAM 23 gespeichert und beim nächsten Steuerungszeitpunkt ausgelesen. In Fig. 5 bezeichnet ein mit einer strichpunktierten Linie umgebener Block P1 einen Abschnitt, der dazu dient, die Zustandsvariable IX(k) bei dem Zustand zu bestimmen, bei dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ (k) in einer Rückkopplungs-Steuerung auf das Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis λTG gebracht wird. Ein Block P2 bezeichnet einen Abschnitt (Akkumulations- bzw. Aufsummierungsabschnitt) zum Erhalten des Integrationsterms ZI(k), während ein Block P3 einen Abschnitt darstellt, der zur Berechnung des momentanen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF(k) auf der Basis der im Block P1 erhaltenen Zustandsvariablen IX(k) sowie des im Block P2 erhaltenen Integrationsterms ZI(k) dient.
4) Bestimmung der optimalen Rückkopplungs-Verstärkung IK und der Integrationskonstanten Ka
Die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK und die Integrationskonstante Ka können eingestellt bzw. erhalten werden, indem beispielsweise die durch folgende Gleichung ausgedrückte Auswertungsfunktion J minimiert wird:
J = Σ{Q(λ(k)-λTG)²+R (FAF(k)-FAF(k-1))²}(k = 0 bis ∞) (11)
Die Auswertungsfunktion J dient hier dazu, die Abweichung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis λ (k) und dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis λTG unter erzwungener Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF(k) zu minimieren. Die Gewichtung der Erzwingung bzw. des Abhängigkeitsverhältnisses des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF(k) kann durch Änderung der Werte der Gewichtungsparameter Q und R geändert werden. Folglich wird die Simulation unter Änderung der Gewichtungsparameter Q und R wiederholt durchgeführt, um optimale Steuerungscharakteristiken bzw. -eigenschaften zu erhalten, wodurch die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK und die Integrationskonstante Ka bestimmt werden.
Da die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK und die Integrationskonstante Ka von den Modellkonstanten a und b abhängen, müssen die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK und die Integrationskonstante Ka unter Vorwegnahme bzw. Voraussicht der Änderungen der Modellkonstanten a und b entworfen werden, um die Stabilität des Systems gegenüber der Änderung (Parameteränderung) des Systems zur Steuerung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses λ sicherzustellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem das Modell in Übereinstimmung mit dem Abgasrückführungsverhältnis geschaltet wird, wird beispielsweise in dem Fall, bei dem die Modellumschaltung unter der Bedingung ausgeführt wird, daß das Abgasrückführungsverhältnis um den Wert 15% herum schwankt, die Simulation unter den jeweiligen Betriebsbedingungen durchgeführt, indem die Änderung der Modellkonstanten a und b, die tatsächlich auftreten kann, addiert wird, wodurch die optimalen Rückkopplung-Verstärkungen IKEH und IKEL sowie die Integrationskonstante Ka festgelegt werden.
Obgleich der Schwerpunkt der vorstehenden Erläuterung auf die Abläufe 1) bis 4) gelegt wurde, führt die elektronische Steuereinheit 20 den Steuerungsablauf unter Verwendung der Ergebnisse, das heißt der Gleichungen (9) und (10) durch.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung bei diesem Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 näher erläutert. Fig. 2 ist hierbei ein Flußdiagramm, das einen Ablauf zum Einstellen der Brennstoffeinspritzmenge TAU zeigt, wobei dieser Ablauf synchron mit der Drehung (bei allen 360°CA) durchgeführt wird. Gemäß Fig. 2 startet dieser Steuerungsablauf mit einem Schritt 101, um unter Zugrundelegung des Ansaugdrucks PM, der Drehzahl Ne und anderen Werten eine grundlegende Brennstoffeinspritzmenge Tp zu berechnen; anschließend folgt ein Schritt 102, bei dem der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient FAF derart eingestellt wird, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ gleich dem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis λTGwird (was nachstehend noch näher erläutert wird). Anschließend folgt ein Schritt 103, um auf der Basis der grundlegenden Brennstoffeinspritzmenge Tp, des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF sowie eines unterschiedlichen Korrekturkoeffizienten FALL in Übereinstimmung mit folgender Gleichung eine Brennstoffeinspritzmenge TAU einzustellen:
TAU = FAF × Tp × FALL (12)
Jedes der auf diese Weise eingestellten, der Brennstoffeinspritzmenge TAU entsprechenden Betriebssignale wird jedem der Brennstoffeinspritzventile 16a bis 16d zugeführt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 und 4 gezeigten Flußdiagramme die dem Schritt 102 in Fig. 2 entsprechende Einstellung des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrektur-Koeffizienten FAF näher erläutert. Zunächst wird ein Schritt 201 ausgeführt, um zu prüfen, ob die Rückkopplungsbedingung für das Luft/Brennstoff-Verhältnis λ erfüllt ist. Diese Rückkopplungsbedingung liegt beispielsweise dann vor, wenn die Kühlwassertemperatur Thw über einen vorbestimmten Wert liegt und die Maschine sich nicht in einem Hochlast-Zustand oder einem Zustand hoher Drehzahl befindet. Wenn die genannte Bedingung nicht erfüllt ist, verzweigt der Ablauf zu einem Schritt 216, bei dem der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient FAF auf den Wert 1,0 eingestellt wird; anschließend wird zu einem Schritt 217 verzweigt, bei dem eine offene Steuerung anzeigende Entscheidungskennung F1 auf "1" eingestellt wird, worauf dieser Steuerungsablauf endet. Das heißt, die Brennstoffeinspritzmenge TAU wird in Übereinstimmung mit der offenen Steuerung im Schritt 103 der Fig. 2 ohne Durchführung der Rückkopplungsbedingung eingestellt. Wenn demgegenüber im Schritt 210 die Rückkopplungsbedingung erfüllt ist, verzweigt der Ablauf zu einem Schritt 202, um zu prüfen, ob das Abgasrückführungsverhältnis bzw. die Abgasrückführungsrate einen vorbestimmten Wert übersteigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Abgasrückführungsverhältnis gemäß der Darstellung in Fig. 6 in Übereinstimmung mit einer zweidimensionalen Karte der Maschinendrehzahl NE und dem Ansaugdruck PM bestimmt, wobei der Bereich, bei dem das Abgasrückführungsverhältnis über einem vorbestimmten Wert x (von beispielsweise 15%) liegt, einem in Fig. 6 mit einer gestrichelten Linie umrandeten Bereich entspricht. Folglich ist es möglich, auf der Basis des Ansaugdrucks PM und der Maschinendrehzahl NE zu prüfen, ob das Abgasrückführungsverhältnis den vorbestimmten Wert überschreitet. Wenn die Antwort hierauf im Schritt 202 "NEIN" ist, verzweigt der Ablauf zu einem Schritt 203, um zu prüfen, ob die vorhergehende Steuerung aufgrund der Nicht-Erfüllung der Rückkopplungsbedingung die offene Steuerung ist, das heißt um zu prüfen, ob die die offene Steuerung anzeigende Entscheidungskennung F1 gleich 1 ist. Falls die Kennung F1 = 1 ist, was anzeigt, daß die vorhergehende Steuerung eine offene Steuerung ist, werden in einem Folgeschritt 205 die optimale Rückkopplungs-Verstärkung und die Integrationskonstante auf vorbestimmte Werte IKEL (1, 2, 3, 4) und Ka eingestellt, worauf in einem Folgeschritt 206 eine Rückkopplungsverstärkungs-Entscheidungskennung F2 auf den Wert "0" eingestellt wird. Anschließend wird in einem Schritt 207 der Anfangswert ZI(K-1) des Integrationsterms in Übereinstimmung mit folgender Gleichung errechnet:
ZI(K-1) = FAF(K-1)-K₂ · FAF(K-1)-K₃ · FAF(K-2)-K₄ · FAF(k-3)-K₁ · λ (K) (13)
In dieser Gleichung ist mit λ (K) ein Luft/Brennstoff-Verhältnis bezeichnet.
Diese Gleichung (13) entspricht der inversen bzw. der umgekehrten Berechnung einer in einem Schritt 210 durchzuführenden Berechnung des Werts FAF. Die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IKEL wird hier durch Einstellung des Quotienten Q/R der Auswertungsfunktion J in der vorstehend erwähnten Gleichung (11) auf den Wert 1/5 in der Notation eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Modells bestimmt, dessen Totzeit gleich 3 rev und dessen Zeitkonstante gleich 4,5 rev ist. Weiterhin wird eine optimale Rückkopplungs-Verstärkung IKEH (die nachstehend noch näher erläutert wird) dadurch bestimmt, daß der Quotient Q/R der Auswertungsfunktion J auf den Wert 1/5 in der Schreibweise eines eine geringere Empfindlichkeit aufweisenden Luft/Brennstoff-Verhältnis-Modells eingestellt wird, dessen Totzeit gleich 3 rev und dessen Zeitkonstante gleich 6,5 rev beträgt.
Wenn die Antwort im Schritt 203 demgegenüber dahingehend lautet, daß die vorhergehende Steuerung keine offene Steuerung ist, das heißt, wenn F1 = 0, verzweigt der Ablauf zu einem Schritt 204, um in Übereinstimmung mit der Rückkopplungsverstärkungs-Entscheidungskennung F2 zu prüfen, ob die vorhergehende optimale Rückkopplungs-Verstärkung gleich IKEH ist, das heißt um zu prüfen, ob es erforderlich ist, die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK umzuschalten. Wenn F2 = 1 ist, was anzeigt, daß die vorhergehende optimale Rückkopplungs-Verstärkung auf den Wert IKEH eingestellt ist, und da es erforderlich ist, die momentane optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK auf den Wert IKEL umzuschalten, verzweigt der Ablauf zu einem Schritt 205, um die optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK auf den Wert IKEL einzustellen. Daraufhin erfolgt ein Schritt 206, bei dem die Kennung F2 zurückgesetzt wird; im Anschluß an einen Folgeschritt 207, bei dem der Anfangswert ZI(K-1) des Integrationsterms berechnet wird, wird zu einem Schritt 208 verzweigt.
Wenn die Entscheidung im Schritt 204 dahingehend lautet, daß es sich bei der vorhergehenden Steuerung um die Rückkopplungs-Steuerung handelt, so daß die vorhergehende optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK genauso wie die momentane optimale Rückkopplungs-Verstärkung IK den Wert IKEL hat (F2 = 0), verzweigt der Ablauf unmittelbar zum Schritt 208, ohne die Schritte 205 bis 207 durchzuführen. Der Schritt 208 dient dazu, das Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis λTG einzustellen. Das Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis λTG wird normalerweise auf den Wert 1 (theoretische Luft/Brennstoff-Verhältnis) eingestellt und in Übereinstimmung mit dem jeweiligen Betriebszustand, wie beispielsweise einem Beschleunigungszustand oder einem Hochlast-Zustand, zur fetten Seite hin eingestellt.
Nach Durchführung des Schritts 208 folgt ein Schritt 209, bei dem der Integrationsterm (ZI(K) in Übereinstimmung mit folgender Gleichung errechnet wird:
ZI(K) = ZI(K-1)+Ka · (λ(K)-λTG) (14)
Ferner wird der Schritt 210 durchgeführt, um den Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF in Übereinstimmung mit folgender Gleichung zu berechnen:
FAF(K) = ZI(K)+K1 · λ (K)+K2 · FAF(K-1)+K3 · FAF(K-2)+K4 · FAF(K-3) (15)
Weiterhin wird ein Schritt 218 durchgeführt, um die jeweiligen Variablen ZI(K), FAF(K-2), FAF(K-1) und FAF(K) in ZI(K-1), FAF(K-3), FAF(K-2), bzw. FAF(K-1) umzuschreiben, worauf in einem Folgeschritt 211 die die offene Steuerung anzeigende Entscheidungskennung F1 auf den Wert "0" eingestellt wird, worauf dieser Ablauf endet.
Wenn im Schritt 202 demgegenüber dahingehend wird, daß das momentane Abgasrückführungsverhältnis oberhalb des vorbestimmten Wertes x liegt, wird in einem Schritt 212 in Übereinstimmung mit der die offene Steuerung anzeigenden Entscheidungskennung F1 überprüft, ob es sich bei der vorhergehenden Steuerung aufgrund der Nicht-Erfüllung der Rückkopplungs-Bedingung um die offene Steuerung handelt. Wenn die Kennung F1 = 1 ist, was anzeigt, daß es sich bei der vorhergehenden Steuerung um die offene Steuerung handelt, folgt ein Schritt 214, um die optimale Rückkopplungs-Verstärkung und die Integrationskonstante auf den Wert IKEH (1, 2, 3, 4) bzw. den Wert Ka einzustellen. Wie vorstehend erläutert wurde, stellt IKEH hierbei einen Wert dar, der in Übereinstimmung mit dem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Modell für den Fall eingestellt worden ist, daß das Abgasrückführungsverhältnis den vorbestimmten Wert x überschreitet. Weiterhin wird ein Schritt 215 durchgeführt, um die Rückkopplungsverstärkungs-Entscheidungskennung F2 auf den Wert "1" einzustellen, worauf der Schritt 207 durchgeführt wird, um den Anfangswert des Integrationsterm einzustellen, worauf in den folgenden Schritten 209 und 210 der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient FAF errechnet wird.
Wenn im Schritt 212 entschieden wird, daß es sich bei der vorhergehenden Steuerung nicht um die offene Steuerung handelt, das heißt, wenn die Kennung F1 den Wert 0 hat, folgt ein Schritt 213, um in Übereinstimmung mit der Rückkopplungsverstärkungs-Entscheidungskennung F2 zu überprüfen, ob die vorhergehende Rückkopplungs-Verstärkung den Wert IKEH hat. Wenn die Antwort des Schritts 213 dahingehend lautet, daß das vorhergehende Abgasrückführungsverhältnis unterhalb des vorbestimmten Werts x liegt und die momentane optimale Rückkopplungs-Verstärkung auf den Wert IKEL eingestellt ist, das heißt, wenn die Kennung F2 = 0 ist, wird die optimale Rückkopplungs-Verstärkung im Folgeschritt 214 auf den Wert IKEH umgeschaltet. Daraufhin wird im Schritt 215 die Rückkopplungs-Verstärkungs-Entscheidungskennung F2 auf den Wert "1" eingestellt und im Schritt 207 der Anfangswert des Integrationsterm errechnet, worauf zur Berechnung des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF zu den Schritten 209 und 210 verzweigt wird. Wenn die Antwort im Schritt 213 demgegenüber dahingehend lautet, daß das vorhergehende Abgasrückführungsverhältnis ebenfalls den vorbestimmten Wert x überschreitet und die optimale Rückkopplungs-Verstärkung auf den Wert IKEH eingestellt ist, das heißt, wenn die Kennung F2 = 1 ist, verzweigt der Ablauf unmittelbar zu dem Schritt 208 und den diesem nachfolgenden Schritten, ohne daß die Schritte 214, 215 und 207 durchgeführt werden, wodurch dieser Ablauf nach der Berechnung des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten FAF endet.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Modellkonstanten (Rückkopplungs-Verstärkung und Integrationskonstante) in Übereinstimmung mit dem Abgasrückführungsverhältnis geschaltet werden oder da die Rückkopplungs-Verstärkung in Übereinstimmung mit jeder der Abgasrückführungsverhältnis-Bereiche bestimmt und die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung unter Verwendung der dem erfaßten Abgasrückführungsverhältnis entsprechenden Rückkopplungs-Verstärkung durchgeführt wird, ist es möglich, den auf die Änderung der durch die Änderung des Abgasrückführungsverhältnisses hervorgerufenen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Empfindlichkeit zurückzuführenden Modellfehler zu verringern, wodurch es möglich ist, das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit einer hohen Empfindlichkeit zum Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis hin zu steuern.
Obgleich bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Abgasrückführungsverhältnis auf der Basis der Maschinendrehzahl und des Ansaugdrucks erhalten wird, ist es gleichfalls möglich, das Abgasrückführungsverhältnis unmittelbar mittels eines Abgasrückführungs-Sensors zu erfassen. Obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Rückkopplungs-Verstärkungen in Übereinstimmung mit den zwei bezüglich des Abgasrückführungsverhältnisses von 15% dividierten Bereichen bestimmt werden, ist es weiterhin ebenfalls möglich, eine Vielzahl von Rückkopplungs-Verstärkungen zu bestimmen, die einer Vielzahl von Abgasrückführungsverhältnis-Bereichen (von beispielsweise fünf Bereichen) entsprechen, und einen Schaltvorgang zwischen der Vielzahl von Rückkopplungs-Verstärkungen durchzuführen.
Bezüglich weiterer, nicht näher erläuterter vorteilhafter Wirkungen und Merkmale der Erfindung wird ausdrücklich auf die Zeichnung Bezug genommen.

Claims (4)

1. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät für eine Maschine, mit:
einer Einrichtung zum Erfassen eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines der Maschine (10) zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches;
einer Einrichtung (16a-16d) zum Steuern einer der Maschine (10) zugeführten Brennstoffzufuhrmenge;
einer Einrichtung (40) zum Zurückführen des von einem Abgasrohr (35) der Maschine (10) abgegebenen Abgases zu einem Ansaugrohr (12) derselben;
einer Einrichtung zum Erfassen eines von der Abgas-Zurückführungseinrichtung herbeigeführten Ausmaßes der Zurückführung des Abgases;
einer Einrichtung (20) zum Bestimmen einer gesteuerten Menge der von der Steuereinrichtung zugeführten Brennstoffzufuhrmenge auf der Basis einer optimalen Rückkopplungs-Verstärkung, die auf der Basis eines dynamischen Modells der Maschine (10) und des mittels der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfaßten Luft/Brennstoff-Verhältnisses eingestellt wird, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Maschine (10) zu einem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis hin zu steuern;
einer Einrichtung zum Einstellen einer Vielzahl von optimalen Rückkopplungs-Verstärkungen in Übereinstimmung mit dem Ausmaß des mittels der Abgas-Zurückführungsmaß-Erfassungseinrichtung erfaßten Ausmaßes des Rückflusses einzustellen; und
einer Einrichtung zum Durchführen eines Schaltvorgangs zwischen der Vielzahl von Rückkopplungs-Verstärkungen in Übereinstimmung mit dem mittels der Abgas-Rückführungsausmaß-Erfassungseinrichtung erfaßten Ausmaß des Rückflusses.
2. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerungsgerät für eine Maschine, die mit einer Einrichtung zum Zurückführen eines Abgases von einem Abgasrohr zu einem Ansaugrohr ausgerüstet ist, wobei das Gerät aufweist;
eine Einrichtung zum Erfassen eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines der Maschine (10) zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches;
eine Einrichtung (16a-16d) zum Steuern einer der Maschine (10) zugeführten Brennstoffzufuhrmenge;
einer Einrichtung zum Erfassen eines Ausmaßes des zum Ansaugrohr (12) zurückgeführten Abgases;
eine Einrichtung zum Einstellen einer Vielzahl von optimalen Rückkopplungs-Verstärkungen auf der Basis eines dynamischen Modells eines Systems zum Steuern eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine (10) zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches;
eine Einrichtung (20) zum Auswählen einer unter der Vielzahl der eingestellten optimalen Rückkopplungs-Verstärkungen in Übereinstimmung mit dem mittels der Abgas-Rückführungsausmaß-Erfassungseinrichtung erfaßten Rückführungsausmaß des Abgases; und
eine Einrichtung zum Bestimmen einer gesteuerten Menge der Brennstoffzufuhr-Steuereinrichtung auf der Basis der von der Wähleinrichtung für die optimale Rückkopplungs-Verstärkung gewählten optimalen Rückkopplungs-Verstärkung und dem mittels der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfaßten Luft/Brennstoff-Verhältnis, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis für die Maschine (10) zu einem Ziel-Luft/Brennstoff-Verhältnis hin zu steuern.
3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Abgas-Rückführungsausmaß-Erfassungseinrichtung das Rückführungsausmaß des Abgases auf der Basis einer Drehzahl der Maschine (10) und eines Ansaugdrucks im Ansaugrohr (12) erfaßt.
4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Wähleinrichtung für die optimale Rückkopplungs-Verstärkung eine erste optimale Rückkopplungs-Verstärkung aus der Vielzahl der eingestellten optimalen Rückkopplungs-Verstärkungen wählt, wenn das von der Abgas-Rückführungsausmaß-Erfassungseinrichtung erfaßte Rückführungsausmaß des Abgases über einem vorbestimmten Wert liegt, und eine zweite optimale Rückkopplungs-Verstärkung aus der Vielzahl der eingestellten optimalen Rückkopplungs-Verstärkungen wählt, wenn das erfaßte Rückführungsausmaß unterhalb des vorbestimmten Wertes liegt.
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