JP2020118157A - プローブの作動準備ができていない場合に排気ガス成分のための触媒の貯蔵部の充填レベルを制御するための方法および制御器 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガス中の触媒の排気ガス成分貯蔵部の充填を制御する方法を提供する。【解決手段】排気ガス成分貯蔵部の実際の充填レベル（θ￣mod）を第１のシステムモデル（１００）によって決定し、触媒上流側で排気ガス流に突き出しており排気ガス成分の濃度を検出する第１の排気ガスプローブ（３２）の信号（λｉｎ、ｍｅａｓ）を、この第１排気ガスプローブの作動準備ができている場合に第１システムモデルに供給する。第１の制御ループ（２２、３２、１２８、１３０、１３２）のためのラムダ目標値（λｉｎ、ｓｅｔ）をラムダ目標値フィードフォワード制御によって設定し、第１排気ガスプローブの作動準備ができていない場合に、第１排気ガスプローブの信号の代替信号をシステムモデルに供給し、この代替信号を、ラムダ目標値の初期値としてラムダ目標値フィードフォワード制御に使用する。【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の、内燃機関の排気ガス中の触媒の排気ガス成分貯蔵部の充填を制御する方法に関する。装置の観点では、本発明は、装置の独立請求項の前提部分に記載の制御器に関する。

このような方法およびこのような制御器は、それぞれドイツ特許出願公開第１０３３９０６３号明細書により公知である。この公知の方法および制御器では、排気ガス成分貯蔵部の実際の充填レベルが第１のシステムモデルを用いて決定され、この第１のシステムモデルには、触媒の上流側で排気ガス流に突き出した第１の排気ガスプローブから、作動準備ができた場合に排気ガス成分の濃度を検出する信号が供給される。

ガソリンエンジンにおける空気−燃料混合物の不完全燃焼時には、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）に加えて、種々の燃焼生成物が放出され、これらの生成物のうちの炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）は法的に制限されている。自動車の現行の排気ガス限界値は、現在の技術水準によれば、触媒の排気ガス後処理によってしか満たすことができない。三元触媒を使用することによって、上記の有害物質成分を変換することができる。ＨＣ、ＣＯおよびＮＯ_ｘにおいて同時に高い変換率は、三元触媒において、化学量論的な作動点（ラムダ＝１）の周辺の狭いラムダ範囲、いわゆる「触媒ウィンドウ」においてしか達成されない。

この触媒ウィンドウ内で三元触媒を作動するために、今日のエンジン制御システムでは、一般に、三元触媒の前後に配置されたラムダプローブの信号に基づいたラムダ制御が使用されている。内燃機関の燃料／空気比の組成の尺度である空気比ラムダを制御するために、三元触媒の前方の排気ガスの酸素含有量が、そこに配置された前方の排気ガスプローブを用いて測定される。この測定値に応じて、制御部は、フィードフォワード制御機能によって、基本値として予め設定された燃料量または噴射パルス幅を補正する。

フィードフォワード制御の一部として、噴射される燃料量の基本値は、例えば内燃機関の回転速度および負荷に応じて予め設定される。さらに正確な制御のために、三元触媒の下流側の排気ガスの酸素濃度が、別の排気ガスプローブによって付加的に検出される。この後方の排気ガスプローブの信号はマスタ制御に使用され、マスタ制御は、排気ガスプローブの信号に基づいた三元触媒の前方におけるラムダ制御に重畳される。三元触媒の後方に配置される排気ガスプローブとしては、一般に、ラムダ＝１で極めて急峻な特性線を有し、したがって、ラムダ＝１を極めて正確に示すことができるジャンプ型ラムダプローブが使用される（自動車ハンドブック、第２３版、５２４ページ）。

一般にラムダ＝１からのわずかなずれしか補正せず、比較的緩やかに設計されているマスタ制御に加えて、現在のエンジン制御システムには、通常、ラムダ＝１からの大きいずれが生じた後に、ラムダ−フィードフォワード制御の形で触媒ウィンドウに再び迅速に到達するように作用する機能を設けており、これは、例えば、三元触媒に酸素が充填されているコースティングによるカットオフを伴うフェーズ後には重要である。これは、ＮＯ_ｘ変換に影響を及ぼす。

三元触媒の酸素貯蔵能のために、三元触媒の前方にリッチまたはリーンのラムダが設定された後に、三元触媒の後方にまだ数秒間にわたってラムダ＝１が存在することができる。酸素を一時的に貯蔵する三元触媒のこの特性は、三元触媒の前方におけるλ＝１からの短時間のずれを補償するために利用される。より長い時間にわたって三元触媒の前方で１に等しくないラムダが生じている場合には、ラムダ＞１（酸素過剰）で酸素充填レベルが酸素貯蔵能を超えるとすぐに、または三元触媒にラムダ＜１でもはや酸素が貯蔵されなくなるとすぐに、同じラムダが三元触媒の後方にも設定される。

この時点で、三元触媒の後方のジャンプ型ラムダプローブも触媒ウィンドウを離れていることを示す。しかしながら、この時点までは三元触媒の後方のラムダプローブの信号は差し迫った故障を示唆せず、したがって、この信号に基づいたマスタ制御の応答はしばしば遅すぎることがあり、故障の前に早期に燃料計量によって対応することができない。その結果、テールパイプのエミッションが増大する。したがって、現在の制御コンセプトは、三元触媒の後方のジャンプ型ラムダプローブの電圧に基づいて、触媒ウィンドウを離れたことが遅れてようやく検出されるという欠点を有する。

ラムダプローブの信号に基づいて三元触媒の後方で制御するための代替案は、三元触媒の平均的な酸素充填レベルを制御することである。この平均的な充填レベルは測定可能ではないが、しかしながら、冒頭で述べたドイツ特許出願公開第１０３３９０６３号明細書に記載の計算によってモデル化することができる。

しかしながら、三元触媒は、経時変化する経路パラメータを有する複雑な非線形の経路である。さらに、三元触媒のモデルのために測定またはモデル化された入力変数には、一般に不確実性が伴う。したがって、異なる運転状態（例えば、異なるエンジン運転点または異なる触媒劣化段階）における三元触媒の挙動を十分に正確に記述することができる一般的に有効な触媒モデルは、原則としてエンジン制御装置では利用できない。

ドイツ特許出願公開第１０３３９０６３号明細書

本発明は、方法の観点においては請求項１に記載の特徴によって、および装置の観点においては装置の独立請求項に記載の特徴によって、従来技術とは異なる。

本発明では、第１の制御ループのためのラムダ目標値は、ラムダ目標値のフィードフォワード制御によって設定し、第１の排気ガスプローブの作動準備ができていない場合には、第１排気ガスプローブの信号の代替信号をシステムモデルに供給し、この代替信号は、ラムダ目標値の初期値としてラムダ目標値のフィードフォワード制御で使用する。

三元触媒の前方に配置された排気ガスプローブの信号に基づいた三元触媒の充填レベルの調整は、触媒ウィンドウを間もなく離れることを、三元触媒の後方に配置された排気ガスプローブの信号に基づいたマスタ制御の場合よりも早期に検出することができ、これにより、空気−燃料混合気を早期に適切に補正することによって、触媒ウィンドウから離れることに対抗する措置をとることができる、という利点を有する。

これに関連して、本発明は、内燃機関の始動後に第１排気ガスプローブに故障が生じた場合に、触媒容積内に貯蔵された酸素量のフィードフォワード制御もしくは調整をさらに改善することが可能であり、これにより、触媒ウィンドウから離れることを早期に検出し防止する。本発明により、充填レベルのフィードフォワード制御および調整は、できるだけ早い適切な時点で起動する。起動は、特に、フィードフォワード制御および調整に必ずしも必要とされない排気ガスプローブの作動準備が整う前に行う。排気ガスプローブは、冷間始動の直後にはまだ作動準備ができていない。何故ならば、排気ガスプローブは、機能のための最低温度を有している必要があるが、この最低温度はシステムの冷間始動時にはまだ存在していないからである。同じことが触媒にも当てはまる。しかしながら、触媒は、通常、排気ガスプローブよりも早く作動準備温度に到達し、したがって、排気ガスが適切な組成を有する場合には排気ガス中の汚染物質を早期に変換することができる。したがって、充填の調整を開始するためにできるだけ早い有意義な時点は、例えば、触媒が作動準備温度に到達する時点である。第１排気ガスプローブの信号の代替信号に基づいて、特に三元触媒の充填物のモデルに基づいた調整のフィードフォワード制御を作動させることによって、本発明は、第１排気ガスプローブの作動準備が整う前に、触媒の充填を調節することを可能にする。

代替信号によるフィードフォワード制御の精度が、一般に、作動準備ができている第１排気ガスプローブの信号ほど高くない場合であっても、触媒は、フィードフォワード制御が起動されていない場合よりも良好にアクティブな触媒ウィンドウ内で動作することができる。これにより、その前方排気ガスプローブの作動準備ができていることを前提とする従来技術の場合よりも効果的な排気ガス浄化が早く開始する。これにより、内燃機関の始動後、および第１排気ガスプローブに故障が生じた場合に、テールパイプエミッションを低減することができる。さらに、本発明は、同時に、既存の制御概念よりもバランスのとれた充填レベル予備を提供し、動的外乱の場合に有利な効果を有する。これにより、エミッションを低減することができる。より厳しい法的な要求を三元触媒のより低いコストによって満たすことができる。

好ましい実施形態は、第１排気ガスプローブの信号の代替信号として、内燃機関の燃料／空気混合気組成物のフィードフォワード制御部からのラムダ信号を使用することを特徴とする。

このフィードフォワード制御のために、一般にエンジン制御部がラムダ信号を設定し、このラムダ信号は、吸入空気量および噴射される燃料量から生じるか、またはこれらの量を決定する。適切なフィードフォワード制御により、このラムダ信号は、第１排気ガスプローブの信号の良好な近似を表し、低温でも利用可能であるという利点を有する。

さらなる好ましい実施形態は、第１の制御ループのためのラムダ目標値を、ラムダ目標値フィードフォワード制御によって設定し、ラムダ目標値フィードフォワード制御が、第１システムモデルと同一の第２のシステムモデルによってラムダ目標値のための初期値を仮想充填レベルに変換し、この仮想充填レベルを、目標値発生器が出力した目標充填レベルの値と比較し、この比較結果が充填レベルの目標値と仮想充填レベルとの間の差が所定の範囲よりも大きいことを示した場合には、比較結果に応じてラムダ目標値を変化させ、比較結果が充填レベルの目標値と仮想充填レベルとの間に差がないことを示した場合には、ラムダ目標値を変化させないように設定されていること、を特徴とする。

所定の目標充填レベルからの実際充填レベルのずれを決定し、充填レベル制御によってラムダ目標値補正値として処理し、ラムダ目標値とラムダ目標値補正値との和を形成し、この和を、内燃機関の少なくとも１つの燃焼室への燃料計量に影響を及ぼす補正値を形成するために使用することも好ましい。

排気ガス成分が酸素であり、第１排気ガスプローブの信号をラムダ実際値として処理する第１の制御ループでラムダ制御を行い、ラムダ目標値を第２の制御ループで形成し、充填レベル制御ずれは、フィルタ処理された目標充填レベルの値からの、第１の触媒モデルによってモデル化された充填レベルのずれとして形成し、この充填レベル制御ずれは、ラムダ目標値補正値を形成する充填レベル制御アルゴリズムに供給し、このラムダ目標値補正値を、繰り返し変化させるラムダ目標値に加算し、このようにして計算した和がラムダ目標値を形成することも好ましい。

第１システムモデルが触媒モデルを含むことも好ましい。

この場合、システムモデルは、このシステムモデルでシミュレートする実物体にも作用する入力変数を、出力変数に結び付けるアルゴリズムであって、その計算された出力変数が実物体の出力変数にできるだけ正確に対応するようにするアルゴリズムとして理解される。この場合、実物体は、それら入力変数と出力変数との間にある物理的な距離全体である。

さらに好ましくは、第１の触媒モデルは、入力エミッションモデル、充填レベルモデル、およびエミッションモデルを有する。

別の好ましい実施形態は、第１の触媒モデルが部分モデルを有し、これらの部分モデルがそれぞれ実際の三元触媒の部分容積に割り当てられることを特徴とする。

さらに好ましくは、触媒モデルは出力ラムダモデルを有し、この出力ラムダモデルは、第１の触媒モデルを使って個々の排気ガス成分の計算された濃度を、触媒の下流に配置され排気ガスに露出されている第２の排気ガスプローブの信号と比較可能な信号に変換するように設定される。

さらなる好ましい実施形態は、エミッションモデルによって計算された信号を、このさらなる排気ガスプローブによって測定された信号と比較することを特徴とする。

この比較により、システムモデルに含まれる測定変数またはモデル変数の不正確さを補償することが可能になる。

所定の目標値が、三元触媒の最大酸素貯蔵容量の１０％〜５０％、特に２５％〜３５％であることが好ましい。

制御器の構成に関して、方法のいずれか１つの好ましい構成にしたがって方法のシーケンスを制御するように構成することが好ましい。

さらなる利点が、以下の説明および添付の図面から明らかである。

上述した特徴および以下にさらに説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれに示した組み合わせだけでなく、他の組み合わせで使用することもでき、また単独で使用することもできることは理解されたい。

本発明の実施形態を図面に示し、以下の説明に詳細に説明する。この場合、異なる図面における同じ符号は、それぞれ同じか、または少なくとも機能的に同様の要素を示す。

本発明の技術範囲として排気ガスシステムを備える内燃機関を示す概略図である。 システムモデルの機能ブロックを示す概略図である。 本発明による方法および制御器を示す機能ブロック図である。

以下では三元触媒の例を用い、貯蔵すべき排気ガス成分として酸素について本発明を説明する。しかしながら、本発明は、窒素酸化物および炭化水素などの他の種類の触媒および排気ガス成分にも適用可能である。以下では、簡略化のために三元触媒を有する排気ガスシステムに基づいている。本発明は、複数の触媒を有する排気ガスシステムにも適用可能である。この場合、以下に説明する前方および後方のゾーンは、いくつかの触媒に延在しいているか、もしくは異なる触媒中に設けていてもよい。

詳細には、図１は、空気供給システム１２と、排気ガスシステム１４と、制御器１６とを有する内燃機関１０を示す。空気供給システム１２は、空気質量計１８と、空気質量計１８の下流側に配置された絞り弁ユニット１９の絞り弁とを備える。空気供給システム１２を介して内燃機関１０に流入する空気は、内燃機関１０の燃焼室２０内で燃料と混合され、この燃料は、噴射弁２２を介して燃焼室２０内に直接に噴射される。本発明は、直接噴射式の内燃機関に制限されず、吸気管噴射またはガスによって運転される内燃機関に使用することもできる。得られた燃焼室充填物は、点火装置２４、例えば点火プラグよって点火され燃焼する。回転角センサ２５は、内燃機関１０のシャフトの回転角を検出し、制御器１６が、シャフトの所定の角度位置で点火をトリガすることを可能にする。燃焼により生じる排気ガスは、排気ガスシステム１４を通って排出される。

排気ガスシステム１４は触媒２６を備えている。触媒２６は、例えば、周知のように、３つの排気ガス成分である窒素酸化物、炭化水素および一酸化炭素を３つの反応経路で変換し、酸素を貯蔵する作用を有する三元触媒である。酸素を貯蔵する作用に基づいて、酸素は排気ガス成分の一部なので、触媒は排気ガス成分貯蔵部を有する。図示の例では、三元触媒２６は、第１のゾーン２６．１および第２のゾーン２６．２を有する。両方のゾーンには排気ガス２８が貫流する。前方の第１のゾーン２６．１は、三元触媒２６の前方範囲にわたって流れ方向に延在する。後方の第２のゾーン２６．２は、三元触媒２６の後方範囲にわたって第１のゾーン２６．１の下流側に延在する。もちろん、前方ゾーン２６．１の前方および後方ゾーン２６．２の後方、ならびに２つのゾーンの間にさらなるゾーンがあってもよく、このゾーンのためにも同様に必要に応じてそれぞれの充填レベルを計算モデルによってモデル化する。

三元触媒２６の上流側には、排気ガス２８にさらされる前方排気プローブ３２を三元触媒２６の直前に配置している。三元触媒２６の下流側には、同様に排気ガス２８にさらされる後方排気ガスプローブ３４を三元触媒２６の直後に配置している。前方排気ガスプローブ３２は、好ましくは、広範囲の空気周波数にわたって空気比λの測定を可能にする広帯域ラムダプローブである。後方排気ガスプローブ３４は、好ましくは、いわゆる「ジャンプ型ラムダプローブ」である。この排気プローブ３４の信号は急激に変化するので、空気比λ＝１を特に正確に測定することができる。Bosch, Automotive Handbook, 23rd Edition, page524を参照されたい。

図示の実施形態では、排気ガス２８にさらされる温度センサ３６を、排気ガス２８と熱的に接触した状態で三元触媒２６に配置しており、三元触媒２６の温度を検出する。

制御器１６は、空気質量計１８、回転角センサ２５、前方排気プローブ３２、後方排気プローブ３４および温度センサ３６の信号を処理し、これらの信号に基づいて絞り弁の角度位置を調整し、点火装置２４によって点火をトリガし、噴射弁２２によって燃料を噴射するための制御信号を生成する。代替的また付加的に、制御器１６は、上述のアクチュエータを制御するための、さらなるもしくは他のセンサの信号、または、例えば、アクセルペダル位置を検出する運転者要求送信器４０の信号などの、さらなるもしくは他のアクチュエータを制御するための信号も処理する。燃料供給を遮断するコースティング運転は、例えばアクセルペダルを解放することによってトリガされる。これらの機能および以下でさらに説明する機能は、内燃機関１０の作動時に制御器１６で実行されるエンジン制御プログラム１６．１によって実施される。

本願では、システムモデル１００、触媒モデル１０２、反転した触媒モデル（図３参照）、および出力ラムダモデル１０６を参照する。これらのモデルは、それぞれ制御器１６で実施もしくは計算されるアルゴリズム、特に連立方程式であり、これらは、計算モデルによってシミュレートされる実物体にも影響を及ぼす入力変数を、出力変数に結び付けることにより、アルゴリズムによって計算されるそれら出力変数が、実物体の出力変数にできるだけ正確に対応するようにする。

図２は、システムモデル１００の機能ブロック図を示す。システムモデル１００は、触媒モデル１０２と出力ラムダモデル１０６とからなっている。触媒モデル１０２は、入力エミッションモデル１０８と、充填レベル／出力エミッションモデル１１０とを含む。さらに、触媒モデル１０２は、触媒２６の平均的な充填レベルθ￣modを計算するためのアルゴリズム１１２を有する。

入力エミッションモデル１０８は、入力変数として、三元触媒２６の前方に配置された排気ガスプローブ３２の信号λin,measを、次の充填レベル／出力ミッションモデル１１０に必要な入力変数ωin,modに変換するように構成されている。例えば、三元触媒２６の前方でラムダをＯ_２、ＣＯ、Ｈ_２およびＨＣの濃度に変換することが有利である。

入力エミッションモデル１０８によって計算された変数ωin,modおよび必要に応じて付加的な入力変数（例えば排気ガス温度または触媒温度、排気ガス質量流量、および三元触媒２６の現在の最大酸素貯蔵能力）を用いて、充填レベル／出力エミッションモデル１１０において、三元触媒２６の充填レベルθ￣modおよび三元触媒２６の出力部での個々の排気ガス成分の濃度ωout,modをモデル化する。

充填および排出プロセスをより現実的に再現できるように、三元触媒２６は、好ましくは、アルゴリズムによって、排気ガス２８の流れ方向に互いに前後に配置された複数のゾーン２６．１，２６．２または部分容積に概念的に分割し、反応速度論を用いて、これらのゾーン２６．１，２６．２のそれぞれについて個々の排気ガス成分の濃度を決定する。これらの濃度をそれぞれ個々のゾーン２６．１，２６．２の充填レベルに変換し、好ましくは、現在の最大酸素貯蔵能力に正規化した酸素充填レベルに変換することができる。

個々のまたは全てのゾーン２６．１，２６．２の充填レベルは、適切な重み付けで組み合わせて、三元触媒２６の状態を反映する全充填レベルにすることができる。例えば、最も単純な場合には、全てのゾーン２６．１，２６．２の充填レベルは全て等しく重み付けし、したがって、平均的な充填レベルを決定することができる。しかし、適切な重み付けにより、三元触媒２６の後方の現在の排気ガス組成に関して三元触媒２６の出力部における比較的小さいゾーン２６．２の充填レベルが重要であること、その一方で、三元触媒２６の出力部におけるこの小さいゾーン２６．２の充填レベルの変化に関しては、その前方のゾーン２６．１の充填レベルおよび充填レベルの変化が重要であることを、考慮することもできる。簡単にするために、以下では平均的な酸素充填レベルを想定している。

出力ラムダモデル１０６のアルゴリズムは、触媒モデル１０２によって計算された触媒２６の出力部における個々の排気ガス成分の濃度ωout,modを、システムモデル１００の適合のために、信号λout,modに変換し、これは、触媒２６の後方に配置された排気ガスプローブ３４の信号λout,measと比較することができる。好ましくは、ラムダは三元触媒２６の後方でモデル化される。出力ラムダモデル１０６は、目標酸素充填レベルに基づくフィードフォワード制御のためには必要不可欠ではない。

したがって、経路モデル１００は、一方では、触媒２６が触媒ウィンドウ内に確実に位置する目標充填レベルに調整されるように、触媒２６の少なくとも１つの平均的な充填レベルθ￣modをモデル化する役割を果たす。他方では、経路モデル１００は、触媒２６の後方に配置された排気ガスプローブ３４のモデル化された信号λout,modを供給する。後方排気ガスプローブ３４のこのモデル化された信号λout,modを、経路モデル１００の適合のためにどのように有利に使用するかを、以下に詳細に説明する。この適合は、システムモデルの入力変数、特に触媒の前方のラムダプローブの信号に付随する不確実性を補償するために行う。フィードフォワード制御および場合によっては制御器パラメータも適合させる。

図３は、本発明による方法および制御器の例示的な実施形態の機能ブロック図を示す。図３は、特に、第１の排気ガスプローブ３２のための作動準備検出部２００と、機能ブロック間の接続を開閉する種々のスイッチ２１０、２２０、２３０、２４０と、スイッチ２１０、２２０、２３０、２４０を同時に操作する信号経路２５０とを示している。これらのスイッチ２１０、２２０、２３０および２４０は、機能の起動および停止を表し、したがって、物理的に実装したスイッチとして実現しなくてもよい。

以下の説明は、まず、スイッチ２１０が第１の排気ガスプローブ３２とシステムモデル１００との間の接続を閉じ、スイッチ２２０がブロック１４０をブロック３２′に接続し、スイッチ２３０がブロック３２′をブロック１００′および結合部１２６に接続し、スイッチ２４０が開いている、という状態に関する。この状態は、第１排気ガスプローブ３２の作動準備が整った場合に生じる。

図３は、第１排気ガスプローブ３２の作動準備ができていない場合に生じる代替のスイッチング状態を示す。このように第１排気ガスプローブが作動していない場合には、作動準備検出部２００はスイッチ２１０、２２０、２３０および２４０を作動し、スイッチ２１０がシステムモデル１００を第１排気ガスプローブ３２から切り離し、代替信号送信器２５０に接続し、スイッチ２２０がブロック１４０の出力部をラムダ実際値センサブロック３２′に接続し、スイッチ２３０がラムダ実際値センサブロック３２′をシステムモデル１００′および結合部１２６から切り離し、スイッチ２４０が代替信号発生器２５０′をシステムモデル１００′および結合部１２６に接続する。

第１排気ガスプローブ３２の作動準備検出部２００は、例えば、温度に依存する内部抵抗および／または第１排気ガスプローブ３２によって生成される信号を評価する。このために、作動準備検出部２００は、接続部２６０を介して第１の排気ガスプローブ３２に接続されている。

図３は、システムモデル１００の出力ラムダモデル１０６によってモデル化した後部排気ガスプローブ３４の信号λout,modを、後部排気ガスプローブ３４の実際の出力信号λout,measとどのように比較するのかを詳細に示す。このために、２つの信号λout,modおよびλout,measが適合ブロック１１４に供給される。適合ブロック１１４は、２つの信号λout,modおよびλout,measを互いに比較する。例えば、三元触媒２６の後方に配置された排気ガスプローブ３４としてのジャンプ型ラムダプローブは、いつ三元触媒２６が酸素で完全に満たされたのか、またはいつ酸素が完全に空になったのかを明確に示す。このことを使用することにより、リーン相またはリッチ相の後に、モデル化した酸素レベルを実際の酸素レベルと一致させるか、もしくはモデル化したラムダ値λout,modを、三元触媒２６の後方で測定されたラムダλout,measと一致させることができ、また異なっている場合にシステムモデル１００を適合させることができる。この適合は、例えば、適合ブロック１１４が、破線で示した適合経路１１６を介してシステムモデル１００のアルゴリズムのパラメータを連続的に変更することにより行い、これを、三元触媒２６から流出する排気ガスについてモデル化したラムダ値λout,modが測定したラムダ値λout,measに対応するまで行う。

これにより、システムモデル１００に含まれる測定変数またはモデル変数の不正確さを補償する。モデル化したラムダ値λout,modが測定したラムダ値λout,measに対応するということから、システムモデル１００もしくは第１の触媒モデル１０２でモデル化した充填レベルθ￣modが、搭載手段によっては測定できない三元触媒２６の充填レベルに対応すると結論付けることもできる。次に、第１触媒モデル１０２のアルゴリズムからの数学的変換により生じる、第１触媒モデル１０２に対して反転した第２の触媒モデル１０４が、このモデル化したシステムの挙動を正しく記述している、とさらに推論することができる。

このことは、反転第２触媒モデルとして実現されるフィードフォワード制御部１０４によって、ラムダ目標値を計算するために使用することができる。このために、反転第２触媒モデル１０４には、オプションのフィルタリング１２０によってフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値が入力変数として供給される。フィルタリング１２０は、被制御システムが全体として追従することができる反転第２触媒モデル１０４の入力変数の変化のみを許可する目的で行われる。まだフィルタ処理されていない目標値θ￣setは、制御ユニット１６のメモリ１１８から読み出す。このために、メモリ１１８は、好ましくは、内燃機関１０の現在の運転パラメータでアドレス指定する。それら運転パラメータは、例えば、速度センサ２５によって検出された速度と、空気質量計１８によって検出された内燃機関１０の負荷とであるが、必ずしもそうである必要はない。

フィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値は、反転第２触媒モデル１０４によって処理して、基本ラムダ目標値ＢＬＳＷを形成する。この処理と並行して、システムモデル１００もしくは第１触媒モデル１０２でモデル化した充填レベルθ￣modの、フィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値からのずれとして、充填レベル制御ずれＦＳＲＡを結合部１２２において形成する。この充填レベル制御ずれＦＳＲＡは充填レベル制御アルゴリズム１２４に供給し、充填レベル制御アルゴリズム１２４は、その充填レベル制御差ＦＳＲＡからラムダ目標値補正値ＬＳＫＷを形成する。このラムダ目標値補正値ＬＳＫＷは、結合部１２６において、反転システムモデル１０４によって計算した基本ラムダ目標値ＢＬＳＷに加算する。

このようにして形成された和は、従来のラムダ制御のラムダ目標値λin,setとしての役割を果たすことができる。このラムダ目標値λin,setから、第１排気ガスプローブ３２が作動準備できているという条件で、第１排気ガスプローブ３２によって供給されるラムダ実際値λin,measを結合部１２８において減算する。このようにして形成された制御差ＲＡは、従来の制御アルゴリズム１３０によって操作量ＳＧへ変換し、この操作量ＳＧは、結合部１３２において、例えば乗算的に、内燃機関１０の運転パラメータの関数として予め定められた噴射パルス幅tinjの基本値ＢＷに関連付ける。この基本値ＢＷは、制御器１６のメモリ１３４に記憶してある。運転パラメータは、この場合にも、好ましくは内燃機関１０の負荷および回転速度であるが、必ずしもそうでなくてもよい。上記積から生ずる噴射パルス幅tinjを使って、噴射弁２２を介して燃料を内燃機関１０の燃焼室２０内に噴射する。

このようにして、第２の制御ループで行う触媒２６の酸素充填レベルの制御を、第１の制御ループで行う従来のラムダ制御に重ね合わせる。ここで、システムモデル１００もしくは第１触媒モデル１０２を用いてモデル化した平均酸素充填レベルθ￣modを、例えば、リーンおよびリッチが出現する可能性を最小限に抑え、これにより最小限の排出をもたらす目標値θ￣set,fltに調整する。基本ラムダ目標値ＢＬＳＷは、反転第２システムモデル１０４によって形成されるので、モデル化した平均酸素充填レベルθ￣modが、予めフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltと同じである場合には、充填レベル制御の制御差はゼロになる。充填レベル制御アルゴリズム１２４は、そうでない場合にのみ介入する。いわば充填レベル制御のフィードフォワード制御として作用するこの基本ラムダ目標値の形成は、第１触媒モデル１０２の反転の第２触媒モデル１０４として実現しているので、このフィードフォワード制御は、第１触媒モデル１０２の適合と同様に、三元触媒２６の後方に配置された第２排気ガスプローブ３４の信号λin,measに基づいて、適合させることができる。このことは、図３に、反転システムモデル１０４に至る適合経路１１６の分岐によって示されている。

このようにシステムモデルを反転してフィードフォワード制御を実施することは、システムモデルを用いてモデル化した触媒の実際の充填レベルが、フィルタ処理された充填レベル目標値θ￣set,fltまたはフィルタ処理されていない充填レベル目標値θ￣setからずれている場合にのみ、充填レベル制御アルゴリズム１２４が介入すればよいという利点を有する。システムモデル１００は、触媒の前方の入力ラムダを触媒の平均酸素レベルに変換するが、反転システムモデル１０４として実施されるフィードフォワード制御は、平均目標酸素充填レベルを触媒の前方の対応する目標ラムダに変換する。

反転システムモデルとして実施するフィードフォワード制御１０４は、解析的に存在する要素、すなわち連立方程式の形式で存在し、システムモデル１００に対して反転した要素でもよい。しかしながら、触媒コンバータは、時間変化するシステムパラメータを有する複雑な非線形系であって、時間変化システムパラメータは、通常、非線形連立微分方程式によってしか表すことができない。このことは、一般に、反転システムモデルとして実施するフィードフォワード制御１０４のための連立方程式を解析的に解くことはできないことを意味する。

これらの可解性の問題は、フィードフォワード制御部１０４が、解析的な反転システムモデルに置き換えられるのではなく、既知であるとみなされる触媒２６のための第１システムモデル１００に基づく数値的に反転した計算モデルに置き換えられる、ということによって回避される。フィードフォワード制御部１０４は、第２システムモデル１００′を有し、このシステムモデルの連立方程式は、第１システムモデル１００の連立方程式と同じであるが、異なる入力変数が供給される。

本発明は、以下の考察に基づいている。ラムダ実際値センサブロック３２′では、フィードフォワード制御部１３６の第２システムモデル１００′に対する初期入力変数として仮想ラムダ値λin,fictiousを設定する。第１排気ガスプローブ３２が作動する準備ができている場合には、この値は、例えば、第１排気ガスプローブ３２からの電流信号である。第２のシステムモデル１００′では、この入力変数は、触媒２６の平均酸素充填レベルの仮想値θ￣set,fictiousをもたらす。結合部１３８において、仮想平均充填レベルθ￣set,fictiousと、オプションのフィルタリング１２０によってフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltまたはフィルタ処理されていない目標充填レベルθ￣setの値との差を計算する。両方の値θ￣set,fictiousおよびθ￣set,flt（またはθ￣set）が同じである場合には、差はゼロである。これは、所定の仮想ラムダ値λin,fictiousが、目標酸素充填レベルに到達するためにフィードフォワード制御されなければならないラムダ目標値ＢＬＳＷに正確に対応することを意味する。しきい値ブロック１４０では、仮想平均充填レベルθ￣set,fictiousと、オプションのフィルタリング１２０によってフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値またはフィルタ処理されていない目標充填レベルθ￣setの値との差を、所定のしきい値と比較する。差の大きさが十分に小さく、しきい値の大きさの選択によって調節可能である場合には、しきい値ブロック１４０は、この状況を表す信号をラムダ実際値センサブロック３２′に送る。この信号に応答して、ラムダ実際値センサブロック３２′は、適切であると認識したその出力信号λin,fictiousを保持し、この信号を基本ラムダ目標値ＢＬＳＷとして結合部１２６に送る。

仮想平均充填レベルθ￣set,fictiousと、オプションのフィルタリング１２０によってフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値またはフィルタ処理されていない目標充填レベルθ￣setの値との差がしきい値よりも大きい場合には、このことは、所定の仮想ラムダ値λin,fictiousが、理想の基本ラムダ目標値ＢＬＳＷにまだ対応しておらず、目標酸素充填レベルに達するためにフィードフォワード制御されなければならない、ということを意味する。そのとき、しきい値ブロック１４０では、仮想平均充填レベルθ￣set,fictiousと、オプションのフィルタリング１２０によってフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値またはフィルタ処理されていない目標充填レベルθ￣setの値との差が、所定のしきい値を超える。この場合、しきい値ブロック１４０は、この状況を表す信号をラムダ実際値センサブロック３２′に送る。この信号に応答して、ラムダ実際値センサブロック３２′は、適切でないと識別したその出力信号λin,fictiousを繰り返し変化させ始め、この繰り返し変化する出力信号λin,fictiousを、特に第２システムモデル１００′に送る。次に、第１システムモデル１００に対してこの第２システムモデル１００′は、第１システムモデル１００と同一のパラメータおよび最初は同一の状態変数を用いて、可変の入力ラムダλin,fictiousによって繰り返し、これを、第２システムモデル１００′によって計算した充填レベルθ￣set,fictiousとフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値またはフィルタ処理されていない目標充填レベルθ￣setの値との差が、必要とされるフィードフォワード制御の精度を達成するのに十分小さくなるまで行う。必要な精度は、ブロック１４０におけるしきい値を選択することによって調節可能である。このようにして求められた入力ラムダλin,fictiousの値は、第１の制御ループのための基本ラムダ目標値ＢＬＳＷとして使用する。この差分形成は、仮想平均充填レベルθ￣set,fictiousと、オプションのフィルタリング１２０によってフィルタ処理された目標充填レベルθ￣set,fltの値またはフィルタ処理されていない目標充填レベルθ￣setの値との比較の一実施形態を表すにすぎない。比較は、例えば、商を求めることによって行うこともできる。

この手順の利点は、順方向のシステムモデル１００もしくは１００′のための連立方程式のみをもう一度解く必要があるが、しかしながら、高い計算コストをかけてしか解くことができないかもしくは解くことができない図３の反転システムモデル１０４のための連立方程式を解く必要がないことである。

制御器１６における計算コストを最小限に抑えるために、好ましくは、入力ラムダλin,fictiousの繰り返し制限を定めて、繰り返しが行われる領域を決定する。好ましくは、これらの繰り返し制限は、実際の動作条件の関数として定める。例えば、予想される目標ラムダＢＬＳＷの周辺のできるだけ小さい区間でのみ繰り返しを行うことが有利である。さらに、繰り返し制限を定める場合に、充填レベル制御１２４の介入と、目標ラムダＢＬＳＷに対する他の機能の介入とを考慮に入れることが有利である。

解くべき連立方程式は、その区間内で、二分法または挟み撃ち法（Regula Falsi）などの包含法によって繰り返し解く。挟み撃ち法などの包含法は一般に知られている。包含法は、反復近似値を提供するだけでなく、これらの反復近似値を両側から制限することによって優れている。これにより、適切な基本ラムダ目標値ＢＬＳＷを決定するための計算コストを著しく限定する。

排気システム２６、排気プローブ３２、３４、空気質量計１８、回転角度センサ２５および噴射弁２２を除き、図４に示す全ての要素は、本発明による制御器１６の構成要素である。メモリ１１８、１３４を除き、図４の他のすべての要素は、エンジン制御プログラム１６．１の一部であり、これは、制御器１６に記憶されていて、制御器１６で実行される。

要素２２、３２、１２８、１３０、１３２は第１の制御ループを形成しており、この第１制御ループでは、第１排気ガスプローブ３２の信号をラムダ実際値λin,measとして処理するラムダ制御を行う。第１制御ループのラムダ目標値λin,setは、要素２２、３２、１００、１２２、１２４、１２６、１２８、１３２を有する第２の制御ループにおいて形成される。

第１排気ガスプローブの作動準備ができていない場合には、作動準備検出部２００は、第１排気ガスプローブ３２の信号の関数として行われるラムダ目標値の形成をオフに切り換え、代替信号の関数としてラムダ目標値の形成をオンに切り換える。

図３は、この変更を、作動準備検出部２００がスイッチ２１０、２２０、２３０、２４０を図３に示すスイッチ位置に切り換えることによってラムダ目標値を形成する場合において示している。ブロック２５０は、代替信号発生器を示す。この代替信号は、好ましくは、吸入空気量と、およびこの吸入空気量に対して混合気フィードフォワード制御に割り当てられた燃料量との実際値から生じるラムダ信号である。このようなラムダ信号は、混合気フィードフォワード制御のための目標値としてエンジン制御部に提供されているか、またはエンジン制御部において利用可能なデータから生成することができる。このラムダ信号は、一般に、センサ１８および２５によって供給される吸入空気量および回転速度の関数として生成される。ラムダ目標値は、上記代替信号の関数として、図３に示すスイッチ２１０、２２０、２３０および２４０のスイッチ位置で生成される。スイッチ２１０の図示のスイッチ位置では、第１排気ガスプローブ３２の信号の代わりに代替信号が、代替信号発生器２５０′からシステムモデル１００に供給される。一実施形態では、代替信号発生器２５０′は、実際値センサブロック３２′の動作モードと類似の動作をし、すなわち、特に実際値センサブロック３２′と同じ方法で繰り返す。代替的な実施形態では、代替信号発生器２５０′は繰り返しをしない。このことは、代替信号発生器２５０′がアクティブである期間が、一般に、まだ前部排気ガスプローブの作動準備ができていない始動後の短い期間に制限されるので、妥当である。

Claims (14)

1. 内燃機関（１０）の排気ガス中の触媒（２６）の排気ガス成分貯蔵部の充填を制御する方法であって、排気ガス成分貯蔵部の実際の充填レベル（θ￣mod）を第１のシステムモデル（１００）によって決定し、触媒（２６）の上流側で排気ガス流に突き出しており排気ガス成分の濃度を検出する第１の排気ガスプローブ（３２）の信号（λin,meas）を、第１排気ガスプローブ（３２）の作動準備ができている場合に第１システムモデル（１００）に供給する、方法において、
   第１の制御ループ（２２、３２、１２８、１３０、１３２）のためのラムダ目標値（λin,set）をラムダ目標値フィードフォワード制御によって設定し、第１排気ガスプローブ（３２）の作動準備ができていない場合に、第１排気ガスプローブ（３２）の信号の代替信号を前記システムモデル（１００）に供給し、この代替信号を、ラムダ目標値（λin,set）の初期値としてラムダ目標値フィードフォワード制御に使用すること、を特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記第１排気ガスプローブ（３２）の信号の代替信号として、内燃機関の燃料／空気混合気組成物のフィードフォワード制御部からのラムダ信号を使用する、方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   前記第１の制御ループ（２２、３２、１２８、１３０、１３２）のための前記ラムダ目標値（λin,set）をラムダ目標値フィードフォワード制御によって設定し、第１システムモデル（１００）と同一の第２システムモデル（１００′）によってラムダ目標値のための初期値を仮想充填レベル（θ￣set,fictious）に変換し、仮想充填レベル（θ￣set,fictious）を目標値発生器（１１８，１２０）によって出力された目標充填レベル（θ￣set,flt）の値と比較し、前記充填レベル目標値と前記仮想充填レベルとの間の差が所定の範囲よりも大きいことを比較結果が示した場合には、比較結果に応じてラムダ目標値を繰り返し変更し、比較結果が前記充填レベル目標値と仮想充填レベル（θ￣set,fictious）との間に差がないことを示した場合にはラムダ目標値を変更しないように、ラムダ目標値フィードフォワード制御を設定する、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   所定の前記目標充填レベル（θ￣set,flt）からの実際の前記充填レベル（θ￣mod）のずれを決定し、充填レベル制御（１２４）によってラムダ目標値補正値として処理し、ラムダ目標値とラムダ目標値補正値との和を形成し、該和を、前記内燃機関（１０）の少なくとも１つの燃焼室（２０）への燃料計量に影響を及ぼす補正値を形成するために使用する、方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、
   排気ガス成分が酸素であり、前記第１排気ガスプローブ（３２）の前記信号（λin,meas）をラムダ実際値として処理するラムダ制御を第１制御ループ（２２、３２、１２８、１３０、１３２）で行い、前記ラムダ目標値（λin,set）を第２制御ループ（２２、３２、１００、１２２、１２４、１２６、１２８、１３２、２２）で形成し、充填レベル制御ずれを、フィルタ処理された目標充填レベル（θ￣set,flt）の値からの、第１の触媒モデル（１００）によってモデル化された充填レベルθ￣modのずれとして形成し、この充填レベル制御ずれを、ラムダ目標値補正値を形成する充填レベル制御アルゴリズム（１２４）に供給し、該ラムダ目標値補正値を、必要に応じて繰り返し変更されるラムダ目標値に加算し、このようにして計算された和をラムダ目標値（λin,set）とする、方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記第１システムモデル（１００）が触媒モデル（１０２）を含む、方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記触媒モデル（１０２）が、入力エミッションモデル（１０８）と、充填レベルおよびエミッションモデル（１１０）とを有する、方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記触媒モデル（１０２）が部分モデルを有し、これらの部分モデルをそれぞれ実際の触媒（２６）の部分容積に割り当てる、方法。
9. 請求項７または８に記載の方法において、
   前記触媒モデル（１０２）が出力ラムダモデル（１０６）を有し、該出力ラムダモデルが、第１の触媒モデル（１０２）を使用して、個々の排気ガス成分の計算された濃度を、触媒の下流（２６）に配置され排気ガスに露出されている第２排気ガスプローブ（３４）の信号と比較可能な信号に変換するように設定された方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    前記出力ラムダモデル（１０６）によって計算された信号を、前記第２排気ガスプローブ（３４）によって測定された信号と比較する、方法。
11. 請求項９に記載の方法において、
    三元触媒（２６）から流出した排気ガスのためにモデル化されたラムダ値（λout,mod）が、前記排気ガス中で測定されたラムダ値（λout,meas）に対応するまで、前記システムモデル（１００）のパラメータを連続的に変化させる、方法。
12. 請求項３に記載の方法において、
    充填レベルの目標値が、触媒（２６）の最大酸素貯蔵容量の１０％〜５０％、特に２５％〜３５％である、方法。
13. 制御器（１６）であって、内燃機関（１０）の排気ガス中の触媒（２６）の排気ガス成分貯蔵部の充填を制御するように構成され、排気ガス成分貯蔵部の実際の充填レベル（θ￣modを第１システムモデル（１００）によって決定し、第１システムモデル（１００）に、触媒（２６）の上流側で排気ガス流に突き出しており排気ガス成分の濃度を検出する第１排気ガスプローブ（３２）の信号（λin,meas）を、第１排気ガスプローブ（３２）の作動準備ができている場合に処理するように構成された、制御器（１６）において、
    該制御器が、第１の制御ループ（２２、３２、１２８、１３０、１３２）のためのラムダ目標値をラムダ目標値フィードフォワード制御によって設定し、第１排気ガスプローブ（３２）の作動準備ができていない場合に、第１排気ガスプローブ（３２）の信号の代替信号を前記システムモデル（１００）に供給し、基本ラムダ目標値の初期値としてラムダ目標値フィードフォワード制御に使用するように構成されたこと、を特徴とする制御器（１６）。
14. 請求項１３に記載の制御器（１６）において、
    請求項２から１２までのいずれか１項に記載の方法のプロセスを制御するように構成された制御器（１６）。

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