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DE10142198A1 - Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors

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DE10142198A1
DE10142198A1 DE10142198A DE10142198A DE10142198A1 DE 10142198 A1 DE10142198 A1 DE 10142198A1 DE 10142198 A DE10142198 A DE 10142198A DE 10142198 A DE10142198 A DE 10142198A DE 10142198 A1 DE10142198 A1 DE 10142198A1
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air
internal combustion
combustion engine
nox
amount
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DE10142198A
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Hideaki Katashiba
Kazuhiko Kawajiri
Takashi Yonezawa
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Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, die in der Lage ist, die Menge des NOx-Ausstoßes innerhalb von kurzen Zeitperioden und unter Beibehaltung einer hohen Präzision abzuschätzen, und welche eine verbesserte Steuerbarkeit erzielt, ohne Erhöhung der Kosten, als Ergebnis der Tatsache, daß keine Zuordnungsdaten bzw. Kennfelddaten in einem ROM verwendet werden. Die Vorrichtung enthält ein NOx-Betriebsmittel 34A zur Abschätzung der Menge an NOx im Abgas aus einer theoretischen Formel und einer empirischen Formel, beruhend auf der Ansaugluftmenge Qa, der Ansauglufttemperatur To, dem Druck Pb, dem Luft-Treibstoff-Verhältnis lambda und der Abgasrückführungsrate beta, und ein Steuermittel zur Steuerung des NOx-Reinigungskatalysators 17 und/oder des Verbrennungszustands im Verbrennungsmotor, um die Menge des NOx-Ausstoßes zu verringern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung bzw. Regelung (im folgenden immer als Steuerung bezeichnet) eines Verbrennungsmotors, welcher einen NOx- Reinigungskatalysator zur Verringerung von NOx (Stickoxiden) im Abgas hat. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, die in der Lage ist, innerhalb von kurzen Zeitperioden die Menge an NOx- Ausstoß präzise abzuschätzen und eine verbesserte Steuerbarkeit zu verwirklichen, ohne Erhöhung der Kosten, welche sich ergeben, wenn ein Speicher mit großer Kapazität verwendet wird.
Vorrichtungen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren dieser Art sind in der Vergangenheit mit Mitteln zur Abschätzung der NOx- Menge ausgestattet worden, um die Menge an NOx abzuschätzen, die durch einen NOx-adsorbierenden Stoff adsorbiert wird, wie z. B. durch das Japanische Patent Nr. 2586739 gelehrt.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer konventionellen Vorrichtung zeigt, welche für einen Benzinmotor ausgelegt ist.
Der Einfachheit halber behandelt die Beschreibung nur einen Zylinder. Man beachte jedoch, dass der gleiche Aufbau auch bei mehreren Zylindern anwendbar ist.
In Fig. 3 enthält ein Verbrennungsmotor 1 einen Kolben 2, eine Verbrennungskammer 3, eine Zündkerze 4, ein Ansaugventil 5, eine Ansaugöffnung 6, ein Abgasventil 7 und eine Abgasöffnung 8.
Die Ansaugöffnung 6 ist mit einem Druckausgleichsbehälter 10 über ein entsprechendes Ansaugrohr verbunden, welches mit einem Treibstoff-Einspritzventil 11 ausgerüstet ist, zum Einspritzen von Treibstoff in die Ansaugöffnung 6.
Der Druckausgleichsbehälter 10 ist mit einem Luftfilter 13 über einen Ansaugdurchgang 12 verbunden, in welchem ein Drosselventil 14 angeordnet ist. Der Ansaugdurchgang 12 ist ferner mit einem Luftmassensensor (nicht abgebildet) ausgestattet, um die Menge der angesaugten Luft zu erfassen.
Andererseits ist die Abgasöffnung 8 über einen Abgaskrümmer 15 und ein Abgasrohr 16 mit einem Gehäuse 18 verbunden, in welchem ein NOx-absorbierendes Mittel 17 enthalten ist.
Das NOx-absorbierende Mittel 17 absorbiert NOx in dem Abgas und arbeitet als NOx-Reinigungskatalysator.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU; von englisch: electronic control unit) 30 umfasst einen Digitalcomputer, welcher einen ROM 32, RAM 33, eine CPU 34, ein Eingangsport 35 und ein Ausgangsport 36, welche über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind, enthält, sowie A/D-Wandler 37, 38, welche auf der Eingangsseite des Eingangsports 35 eingefügt sind, und Betätigungsschaltungen 39, welche auf der Ausgangsseite des Ausgangsports 36 eingefügt sind.
Ein Drucksensor 19 ist in dem Druckausgleichsbehälter 10 montiert, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche dem Absolutdruck im Druckausgleichsbehälter 10 proportional ist. Eine Ausgangsspannung des Drucksensors 19 wird dem Eingangsport 35 über den A/D-Wandler 37 zugeführt.
Ein Luft/Treibstoff-Verhältnissensor 25 ist auf dem Abgasrohr 16 montiert. Die Ausgangsspannung des Luft/Treibstoff- Verhältnis-Sensors 25 wird dem Eingangsport 35 über den A/D- Wandler 38 zugeführt.
Ferner ist ein bekanntes Abgasrückführungsrohr bzw. EGR-Rohr (nicht abgebildet) zwischen dem Abgasrohr 16 und dem Ansaugrohr 9 vorgesehen, um einen Teil des Abgases zurückzuführen. Das Abgasrückführungsrohr ist mit einem Abgasrückführungsventil ausgestattet, um die rückgeführte Abgasmenge einzustellen.
Ein Leerlaufschalter 20 ist an dem Drosselventil 14 angebracht, um den Leerlaufsöffnungsgrad des Drosselventils 14 zu erfassen. Ein Ausgangssignal des Leerlaufschalters 20 wird dem Eingansport 35 eingegeben. Auf ähnliche Weise wird ein Ausgangssignal (Motordrehzahl Ne) eines Drehzahlsensors 26 dem Eingangsport 35 zugeführt.
Der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung wird unten unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 kurz beschrieben. Der Steuervorgang der konventionellen Vorrichtung wird ausführlich in der oben erwähnten Patentveröffentlichung offenbart und wird im vorliegenden Dokument nicht beschrieben.
Die CPU 34 in der ECU 30 bildet ein Mittel zur Abschätzung der NOx-Menge, in Zusammenwirkung mit dem ROM 32 und dem RAM 33, und schätzt die Menge an NOx ab, welche durch das NOx- adsorbierende Mittel 17 adsorbiert wird.
Es ist schwierig die Menge des im NOx-adsorbierenden Mittel adsorbierten NOx direkt zu erfassen. Daher wird die Menge an NOx in dem aus dem Motor 1 ausgestoßenen Abgas herangezogen, um die Menge an NOx abzuschätzen, die von dem NOx-adsorbierenden Mittel 17 adsorbiert wurde.
Im Allgemeinen nimmt die Menge an Abgas, welche aus dem Motor 1 pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, mit der Motordrehzahl Ne zu.
Dementsprechend nimmt die Menge an NOx, welche aus dem Motor 1 pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, mit der Motordrehzahl Ne zu.
Ferner, wenn die Motorlast zunimmt (d. h. wenn der Absolutdruck PM im Druckausgleichsbehälter zunimmt), nimmt die Menge an Abgas, welche aus der Verbrennungskammer 3 ausgestoßen wird, zu, und die Verbrennungstemperatur wird erhöht. Während die Motorlast zunimmt (der Absolutdruck PM im Druckausgleichsbehälter 10 zunimmt), nimmt also die Menge an NOx, welche aus dem Motor 1 pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, zu.
Fig. 4 ist ein Schaubild, welches die Menge an NOx darstellt, die aus dem Motor 1 pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, wobei die experimentell gefundenen Werte mit dem Absolutdruck PM (Ordinate) im Druckausgleichsbehälter 10 und der Motordrehzahl Ne (Abszisse) in Beziehung gesetzt sind.
In Fig. 4 stellen die durchgezogenen Kurven gleiche Menge an NOx dar.
Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt die Menge an NOx, welche aus dem Motor 1 pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, mit einer Zunahme des Absolutdrucks PM im Druckausgleichsbehälter 10 und mit einer Zunahme der Motordrehzahl Ne zu.
Die in Fig. 4 gezeigten Mengen von NOx sind im Voraus im ROM 32 gespeichert worden, in der Form von Zuordnungs- bzw. Tabellendaten N11 bis Nij, welche in Fig. 5 gezeigt sind.
Die in Fig. 5 gezeigten Kennfeld- oder Zuordnungsdaten variieren abhängig von anderen, unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Wenn versucht wird, durch Verwendung des Kennfelds die Menge an NOx korrekt zu bestimmen, ist eine große Speicherkapazität erforderlich, was die Kosten erhöht.
Gemäß der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors werden die Daten, welche von dem Mittel zur Abschätzung der NOx-Menge in der ECU verwendet werden, als Zuordnungsdaten bzw. Kennfelddaten N11 bis Nij gespeichert, wie in Fig. 5 gezeigt. Daher müssen die Zuordnungsdaten für jeden Betriebszustand des Motors 1 gebildet werden, und in dem ROM 32 gespeichert werden, was einen großen Arbeits- und Zeitaufwand darstellt, welcher die Kosten erhöht.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das oben erwähnte Problem zu lösen, und die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors durch Abschätzung der Menge an NOx-Ausstoß innerhalb von kurzen Zeitperioden, unter Wahrung einer hohen Präzision und bei verbesserter Steuerbarkeit, ohne das Erfordernis große Mengen an Zuordnungsdaten bzw. Kennfelderdaten im ROM zu speichern, und somit ohne die Kosten zu erhöhen.
Eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung umfasst:
einen Luftstromsensor, der in einem Ansaugrohr des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, um die Menge an Ansaugluft zu erfassen;
ein Temperaturerfassungsmittel und Druckerfassungsmittel zur Erfassung der Temperatur und des Drucks der vom Verbrennungsmotor angesaugten Luft;
ein Luft/Treibstoffverhältnis-Detektormittel, das im Abgasrohr des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, um das Luft/Treibstoff- Verhältnis im Abgas zu erfassen;
ein Abgasrückführungsraten-Detektormittel zur Erfassung der Abgasrückführungsrate des in die Ansaugluft zurückgeführten Abgases;
einen NOx-Reinigungskatalysator, der im Abgasrohr des Verbrennungsmotors vorgesehen ist;
ein NOx-Betriebsmittel zur Abschätzung der Menge an NOx im Abgas aus einer theoretischen Formel und einer empirischen Formel, beruhend auf der Menge an Ansaugluft, der Temperatur und des Drucks der Ansaugluft, dem Luft/Treibstoff-Verhältnis und der Abgasrückführungsrate; und
ein Steuermittel bzw. eine Steuereinrichtung zur Steuerung des NOx-Reinigungskatalysators und/oder des Verbrennungszustands im Verbrennungsmotor, um die Menge des NOx-Ausstoßes zu verringern.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung enthalten die theoretische Formel und die empirische Formel vorzugsweise einen Korrekturkoeffizienten, welcher abhängig vom Modell des Verbrennungsmotors und/oder dem Verbrennungsmodus variiert.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung enthält der Verbrennungsmodus einen geschichteten Verbrennungsmodus und einen homogenen Verbrennungsmodus.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung schätzt das NOx-Betriebsmittel die Sauerstoffkonzentration, die Stickstoffkonzentration und die Temperatur des Verbrennungsgases in dem Verbrennungsmotor aus der theoretischen Formel und der empirischen Formel, und schätzt die Menge des NOx-Ausstoßes im Abgas auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration, der Stickstoffkonzentration und der Temperatur des Verbrennungsgases.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung steuert das Steuermittel das Luft/Treibstoff-Verhältnis um den NOx-Reinigungskatalysator zu steuern.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung steuert das Steuerungsmittel als Verbrennungszustand des Verbrennungsmotors die Treibstoffeinspritzmenge und/oder den Treibstoffeinspritz- Zeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Abgasrückführungsrate des Verbrennungsmotors.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung kann das Luft/Treibstoffverhältnis- Detektormittel enthalten:
einen Luft/Treibstoffverhältnis-Sensor, der im Abgasrohr vorgesehen ist, stromaufwärts vom NOx-Reinigungskatalysator, zur Erzeugung eines Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignals, welches von der Sauerstoffkonzentration im Abgas abhängt; und
ein Luft/Treibstoffverhältnis-Betriebsmittel zur Abschätzung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses auf der Grundlage des Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignals.
In der Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung kann das Luft/Treibstoffverhältnis- Detektormittel auch ein Luft/Treibstoffverhältnis- Betriebsmittel enthalten zur Abschätzung des Luft/Treibstoff- Verhältnisses aus der Treibstoffeinspritzmenge und aus der Ansaugluftmenge des Verbrennungsmotors.
Im folgenden werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ein Flussdiagramm ist, das den Abschätzungsverarbeitungsbetrieb und den Steuerungsbetrieb nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors darstellt;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Menge an NOx darstellt, welche durch einen allgemeinen Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit ausgestoßen wird; und
Fig. 5 ein Diagramm ist, das Zuordnungsdaten zeigt, welche die Menge an NOx-Ausstoß darstellen, unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung zur Steuerung des Verbrennungsmotors.
ERSTE AUSFÜHRUNG
Eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die gleichen Abschnitte, wie die oben in Fig. 3 beschriebenen durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, oder durch Hinzufügung von "A" am Ende der Ziffern, wobei diese Abschnitte aber nicht erneut ausführlich beschrieben werden.
Zur Vereinfachung des Diagramms werden die A/D-Wandler 37, 38 und die Betätigungsschaltungen 39 (siehe Fig. 3) in der ECU 30A hier nicht gezeigt.
In Fig. 1 ist ein Ansauglufttemperatur-Sensor 21 stromaufwärts vom Luftfilter 13 im Ansaugrohr vorgesehen, um die Temperatur To der Ansaugluft zu erfassen.
Ferner ist ein Luftflusssensor 22 stromabwärts des Luftfilters 13 im Ansaugrohr 9 vorgesehen, um die Flussmenge bzw. Flussgeschwindigkeit Qa der Ansaugluft zu erfassen.
Der Drucksensor 19 erfasst den Druck Pb im Ansaugrohr 9 als Druck der Ansaugluft, und arbeitet im wesentlichen als Ansaugluftdruck-Sensor.
Der Ansaugluftdruck Pb, die Ansauglufttemperatur To und die Ansaugluft-Flussmenge Qa werden zusammen mit dem Luft/Treibstoff-Verhältnis λ aus dem Luft/Treibstoffverhältnis- Sensor 25 dem Eingangsport 35 in der ECU 30A zugeführt, als Teil der verschiedenen Sensordaten, welche den Betriebszustand des Motors 1 wiedergeben.
Unter den verschiedenen Sensormitteln befindet sich weiterhin ein Abgasrückführungssensor zur Erfassung der Abgasrückführungsrate aus dem Öffnungsgrad β des Abgasrückführungsventils, welches die Abgasrückführungsmenge in dem Abgasrückführungsrohr (nicht abgebildet) einstellt. Die Abgasrückführungsrate, welche die Menge des in die Ansaugluft zurückgeführten Abgases darstellt, wird dem Eingansport 35 zugeführt.
Als weitere Betriebszustände werden nicht nur die Motordrehzahl Ne und der Gaspedal-Betätigungsgrad α dem Eingangsport 35 zugeführt, sondern auch die Ansaugluftmenge Qa aus dem Luftflusssensor.
Die CPU 34A in der ECU 30A enthält ein NOx-Betriebsmittel zur Abschätzung der Menge des NOx-Ausstoßes im Abgas, aus einer theoretischen Formel und einer empirischen Formel (welche später beschrieben werden), auf der Grundlage der Ansaugluftmenge Qa, der Ansauglufttemperatur To, dem Ansaugluftdruck Pb und abhängig von Luft/Treibstoff-Verhältnis λ und der Abgasrückführungsrate (dem Abgasrückführungs- Öffnungsgrad β).
Die CPU 34A enthält ein Steuermittel zur Steuerung des NOx- Reinigungskatalysators 17 und/oder des Verbrennungszustands im Motor 1, um somit die Menge des NOx-Ausstoßes zu verringern.
Hierbei enthalten die theoretische Formel und die empirische Formel einen Korrekturkoeffizienten, der im Voraus in dem ROM 32A gespeichert wurde, und welcher abhängig von dem Modell des Motors 1 und/oder dem Verbrennungsmodus variiert bzw. sich verändert.
Die Verbrennungsmodi können einen geschichteten Verbrennungsmodus enthalten, im Fall eines Motors mit Zylindereinspritzung, und einen homogenen Verbrennungsmodus bei der normalen stöchiometrischen Betriebssteuerung.
Das NOx-Betriebsmittel in der CPU 34A schätzt die Sauerstoffkonzentration, die Stickstoffkonzentration und die Temperatur des Verbrennungsgases in dem Motor 1 ab, aus der theoretischen Formel und der empirischen Formel, und schätzt die Menge des NOx-Ausstoßes im Abgas ab, beruhend auf der Sauerstoffkonzentration, der Stickstoffkonzentration und der Temperatur des Verbrennungsgases.
Das Steuerungsmittel in der CPU 34A steuert das Luft/Treibstoff-Verhältnis λ, um den NOx-Reinigungskatalysator 17 zu steuern.
Das Steuerungsmittel in der CPU 34A steuert ferner die Treibstoffeinspritzmenge und/oder den Treibstoffeinspritz- Zeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Abgasrückführungsrate des Motors 1, als Verbrennungszustände des Motors 1.
Wie gezeigt, wird das Luft/Treibstoffverhältnis-Detektormittel durch einen Luft/Treibstoffverhältnis-Sensor 25 gebildet, der im Abgasrohr 16 stromaufwärts vom NOx-Reinigungskatalysator 17 vorgesehen ist, und ein Sauerstoffkonzentrations- Erfassungssignal abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Abgas erzeugt, und durch ein Luft/Treibstoffverhältnis- Betriebsmittel in der CPU 34A, um das Luft/Treibstoff- Verhältnis A/F auf der Grundlage des Sauerstoffkonzentrations- Erfassungssignals abzuschätzen.
Ferner kann das Luft/Treibstoffverhältnis-Detektormittel durch ein Luft/Treibstoffverhältnis-Betriebsmittel in der CPU 34A gebildet werden, zur Abschätzung des Luft/Treibstoff- Verhältnisses A/F aus der Treibstoffeinspritzmenge und der Luftansaugmenge Qa des Motors 1.
Als nächstes wird unten der Betrieb zur Abschätzung der Menge des NOx-Ausstoßes nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche in Fig. 1 gezeigt ist, beschrieben.
Als erstes umfasst das durch den Motor 1 gebildete NOx (Stickoxid) hauptsächlich Zeldvich-NO (Stickstoff-Monoxid), wobei der Reaktionsmechanismus durch die folgenden Formeln (1) und (2) ausgedrückt wird:
N2 + O → NO + N (1)
N + O2 → NO + O (2)
Die Rate der No-Bildung auf der Grundlage der obigen Formeln (1) und (2) wird durch die folgenden Formeln (3) und (4) ausgedrückt:
In der Formel (3) sind [NO), [N2) und [O2] Konzentrationen von NO, N2 (Stickstoff) und O2 (Sauerstoff), und in der Formel (4) ist T eine Temperatur.
Der Verbrennungsreaktionsmechanismus im Motor 1 wird ausgedrückt durch die folgende Formel (5):
In der Formel (5) ist β eine Abgasrückführungsrate, und λ ist ein Luft/Treibstoff-Verhältnis.
Die Konzentrationen [N2] und [O2] (kmol/m3) von N2 und O2 werden ausgedrückt durch die folgenden Formeln (6) und (7):
In den Formeln (6) und (7) ist ε ein Verdichtungsverhältnis, P (Atmosphären) ist ein Ansaugdruckluft, und To (K) ist eine Ansauglufttemperatur.
Ferner wird die Stickstoffkonzentration [N2] ungefähr ausgedrückt durch die folgende Formel (8):
Aus den obigen Formeln (3), (4), (7) und (8) wird die Konzentration [NO) von NO, welche pro Takt (pro Verbrennung) ausgestoßen wird, durch die folgenden Formeln (9) und (10) ausgedrückt:
In den obigen Formeln (9) und (10) ist nE (U/min) eine Motordrehzahl Ne.
Hierbei, wenn die Menge an eingespritztem Treibstoff pro Takt als Gf (kg) bezeichnet wird, wird die Menge an NO Gno(kg), welche durch einen Vierzylindermotor pro Takt ausgestoßen wird, durch die folgenden Formeln (11) und (12) ausgedrückt:
Ferner wird die Gesamtmenge an NO GnoT (kg), welche pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, durch die folgenden Formeln (13) und (14) ausgedrückt:
In den Formeln (13) und (14) ist C ein Korrekturkoeffizient.
Als Temperatur T wird typischerweise eine maximale adiabatische Rahmentemperatur des Falles verwendet, bei dem es keinen Wärmeverlust gibt. Die Flammentemperatur T wird ausgedrückt durch die folgenden Formeln (15) und (17), unter Verwendung einer mittleren spezifischen Wärme bei konstantem Druck Cp, einer Ansauglufttemperatur To und einem polytropischen Index κ:
Cp: mittlere spezifische Wärme bei konstantem Druck (kcal/kg°C),
To: Ansauglufttemperatur (K),
κ: polyttroper Index.
Hierbei wird die mittlere spezifische Wärme bei konstantem Druck Cp durch die folgende Formel (18) ausgedrückt:
cp = 0.518-0.219(λ/15)+0.0521(λ/15)2 (18)
Dementsprechend wird die Flammentemperatur T durch die folgenden Formeln (19) und (20) ausgedrückt:
Wenn die Formel (20) in die Gleichung (14) eingesetzt wird, erhält man die folgende Formel (21):
Die Formel (21) kann weiter abgeschätzt werden, wie es durch die folgenden Formeln (22) bis (24) ausgedrückt wird:
GnoT = f(λ)g(β)h(ε)i(T0) × P3/2 × Gf × C (22)
= 14.7 × 1017
× (-1.839 × 10-7 + 4.2374 × 10-8 λ - 3.9847 × 10-9 λ2
+ 1.9701 × 10-10 λ3 - 5.415 × 10-12 λ4 + 7.8535 × 10-14 λ5 - 4.698 × 10-16 λ6)
× (1-14.27 β + 69.16 β2 - 110.97 β3)
× (1.693 - 0.004644T0 + 7.776 × 10-6T02)
× (-6.26 + 1.98ε) × P3/2 × Gf × C (23)
GnoT = f(λ)g(β)h(ε)i(T0) × P3/2 × Gf × C
= (-1.839 × 10-7 + 4.2374 × 10-8 λ - 3.9847 × 10-9 λ2
+ 1.9701 × 10-10 λ3 - 5.415 × 10-12 λ4 + 7.8535 × 10-14 λ5 - 4.698 × 10-16 λ6)
× (1-14.27 β + 69.16 β2 - 110.97 β3)
× (1.693 - 0.004644T0 + 7.776 × 10-6T02)
× (-6.26 + 1.98ε) × P3/2 × Gf × C0 (24)
In den Formeln (22) bis (24) sind C und C0 Korrekturkoeffizienten, welche abhängig von dem Modell des Motors 1 und dem Verbrennungsmodus (geschichtete Verbrennung, homogene Verbrennung) variieren.
Die Menge an NOx, welche pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, wird auf der Grundlage der Formeln (21), (23) oder (24) berechnet, aus dem somit erfassten Luft/Treibstoff-Verhältnis λ, der Abgasrückführungsrate β, dem Ansaugluftdruck Pb und der Ansauglufttemperatur To, und wird integriert, um die Gesamtmenge an NOx-Ausstoß QNT abzuschätzen, ausgedrückt durch die folgende Formeln (25) und (26):
QNT = ∫GnoTdt (25)
= ΣGnoTΔt (26)
Als nächstes wird die Prozedur zur Verarbeitung von NOx nach der ersten Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der Fig. 2 beschrieben.
In Fig. 2 werden zunächst die Betriebsbedingungen bzw. Betriebszustände (Gaspedal-Betätigungsgrad α, Abgasrückführungsrate β, Luft/Treibstoff-Verhältnis γ, Motordrehzahl Ne, Ansaugrohrdruck Pb, Ansaugluftmenge Qa, Ansauglufttemperatur To, usw.) des Motors 1 aus den verschiedenen Sensormitteln erfasst (Schritt S1).
Dann, abhängig von den Betriebsbedingungen, wird ein Solldrehmoment Tqo eingestellt (Schritt S2), ein Soll- Luft/Treibstoffverhältnis λo wird eingestellt (Schritt S3), und ein Soll-Abgasrückführungsöffnungsgrad βo wird eingestellt (Schritt S4).
Als nächstes werden die Konzentration [NO] an NOx (NO), die Sauerstoffkonzentration [O2] und Stickstoffkonzentration [N2] im Abgas des Motors 1 abgeschätzt, in Übereinstimmung mit den obigen Gleichungen (6) bis (10), und eine maximale adiabatische Flammentemperatur T, bei der Annahme, dass kein Wärmeverlust auftritt, wird als Temperatur des Verbrennungsgases abgeschätzt, in Übereinstimmung mit den Gleichungen (19) und (20) (Schritt S5).
Danach wird die Menge QNT des NOx-Ausstoßes im Abgas abgeschätzt, in Übereinstimmung mit den obigen Gleichungen (22) bis (26), auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration [O2], der Stickstoffkonzentration [N2] und der Verbrennungsgastemperatur T (Schritt S6), und das Luft/Treibstoff-Verhältnis λ wird gesteuert, und der NOx- Reinigungskatalysator wird gesteuert, um die Menge des NOx- Ausstoßes QNT zu reinigen (Schritt S7).
Durch die Verwendung der theoretischen Formel und der empirischen Formel beruhend auf dem Luft/Treibstoff-Verhältnis λ, der Abgasrückführungsrate β, dem Ansaugluftdruck Pb und Ansauglufttemperatur To aus verschiedenen Sensormitteln, wird es möglich, die Menge der NOx-Emission QNT innerhalb von kurzen Zeitperioden und mit hohen Präzision zu steuern, ohne Vergrößerung der Speicherkapazität.
Das bedeutet, dass es keine Notwendigkeit gibt, eine große Datenmenge zu erzeugen, um verschiedenen Betriebsmodi genüge zu tun, und die Einstellung kann bewirkt werden abhängig von dem Verbrennungsmodus (geschichtete Verbrennung, homogene Verbrennung) und unter Verwendung von mehreren Korrekturkoeffizienten (z. B. siehe C in Gleichung 23), entsprechend einer Veränderung im Modell des Motors 1. Somit kann der Steuervorgang abhängig von einzelnen Motoren 1 leicht durchgeführt werden, und innerhalb von kurzen Zeitperioden.
Daher wird der NOx-Reinigungskatalysator 17 wirksam gesteuert, abhängig von der Menge QNT des NOx-Ausstoßes, welche sehr genau innerhalb von kurzen Zeitperioden abgeschätzt wird, um dadurch die Menge des NOx-Ausstoßes QNT zu verringern.
Der NOx-Reinigungskatalysator 17 wurde oben abhängig von der Menge des NOx-Ausstoßes QNT gesteuert. Es ist jedoch auch möglich, die Verbrennungsbedingungs-Betriebsgrößen des Motors 1 zu steuern, um die Menge des NOx-Ausstoßes QNT zu verringern.
In diesem Fall enthalten die Verbrennungsbedingungs- Betriebsgrößen, welche von der ECU 30 gesteuert werden, die Treibstoffeinspritzmenge, den Treibstoffeinspritz-Zeitpunkt, den Zündzeitpunkt und die in Fig. 1 gezeigte Abgasrückführungsrate.
Ferner wurde ein Luft/Treibstoff-Verhältnissensor 25, der im Abgasrohr 15 stromaufwärts vom NOx-Reinigungskatalysator 17 vorgesehen war, als Luft/Treibstoffverhältnis-Detektormittel verwendet. Der Betrieb kann jedoch auch ausgeführt werden unter Verwendung der Ansaugluftmenge Qa aus dem Luftflusssensor 22, der im Ansaugrohr 9 vorgesehen ist, und der durch die ECU 30A gesteuerten Treibstoffeinspritzmenge.
In diesem Fall wird das Luft/Treibstoff-Verhältnis λ in der ECU 30A aus dem Luftflussraten-Erfassungswert Qa und der Treibstoffeinspritzmenge (Steuergröße der ECU 30A) abgeschätzt.
Ferner wurde ein NOx-adsorbierendes Mittel 17 als NOx- Reinigungskatalysator verwendet. Es ist jedoch auch möglich jeden anderen NOx-Reinigungskatalysator zu verwenden.
Beschriftung der Fig. 1
INTAKE AIR TEMP SENSOR = Ansauglufttemperatur-Sensor
INTAKE PIPE PRESSURE SENSOR = Ansaugrohr-Drucksensor
A/F-SENSOR = Luft/Treibstoff-Sensor
EGR-RATE = Abgasrückführungsrate
OPERATING CONDITIONS = Betriebsbedingungen
ENGINE ROTATONAL SPEED = Motordrehzahl
ACCEL. OPENING DEGREE = Gaspedal-Betätigungsgrad
FUEL INJECTION AMOUNT = Treibstoffeinspritzmenge
FUEL INJECTION TIMING = Treibstoffeinspritzzeitpunkt
IGNITION TIMING = Zündzeitpunkt
INPUT PORT = Eingangsport
OUTPUT PORT = Ausgangsport
Beschriftung der Fig. 2
START = Beginn
END = Ende
S1 = Erfasse Betriebsbedingungen α, β, λ, Ne, Pb, Qa, To
S2 = Solldrehmoment Tqo einstellen
S3 = Soll-Luft/Treibstoffverhältnis λo einstellen
S4 = Soll-Abgasrückführungsöffnungsgrad βo einstellen
S5 = Flammentemperatur T abschätzen
S6 = Menge des NOx-Ausstoßes QNT abschätzen
S7 = NOx-Reinigungskatalysator steuern
Beschriftung der Fig. 3
ROTATIONAL SPEED SENSOR = Drehzahlsensor
INPUT PORT = Eingangsport
OUTPUT PORT = Ausgangsport
Beschriftung der Fig. 4
LARGE = Groß
SMALL = Klein

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, umfassend:
einen Luftflusssensor (22), der in einem Ansaugrohr (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist, um die Menge an Ansaugluft (Qa) zu erfassen;
ein Temperaturdetektor-Mittel (21) und Druckdetektormittel (19) zur Erfassung der Temperatur (To) und des Drucks (Pb) der vom Verbrennungsmotor (1) angesaugten Luft;
ein Luft/Treibstoff-Verhältnis-Detektormittel, das im Abgasrohr (15) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist, zur Erfassung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses (λ) des Abgases;
ein Abgasrückführungsraten-Detektormittel zur Erfassung der Abgasrückführungsrate (β) des in die Ansaugluft zurückgeführten Abgases;
einen NOx-Reinigungskatalysator (17), der im Abgasrohr (17) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist;
ein NOx-Betriebsmittel (30A) zur Abschätzung der Menge an NOx (QNT) im Abgas, aus einer theoretischen Formel und einer empirischen Formel, beruhend auf der Menge der Ansaugluft (Qa), der Temperatur (To) und dem Druck (Pb) der Ansaugluft, dem Luft/Treibstoff-Verhältnis (λ) und der Abgasrückführungsrate (β); und
ein Steuermittel (30A) zur Steuerung des NOx- Reinigungskatalysators (17) und/oder des Verbrennungszustands in dem Verbrennungsmotor (1), um die Menge des NOx-Ausstoßes zu verringern.
2. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei die theoretische Formel und empirische Formel einen Korrekturkoeffizienten enthalten, welcher abhängig vom Modell des Verbrennungsmotors und/oder dem Verbrennungsmodus variiert.
3. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, wobei der Verbrennungsmodus einen geschichteten Verbrennungsmodus und einen homogenen Verbrennungsmodus enthält.
4. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das NOx-Betriebsmittel die Sauerstoffkonzentration, Stickstoffkonzentration und die Temperatur des Verbrennungsgases in dem Verbrennungsmotor aus der theoretischen Formel und der empirischen Formel abschätzt, und die Menge des NOx- Ausstoßes im Abgas beruhend auf der Sauerstoffkonzentration, Stickstoffkonzentration und der Temperatur des Verbrennungsgases abschätzt.
5. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuerungsmittel das Luft/Treibstoff-Verhältnis steuert, um den NOx- Reinigungskatalysator (17) zu steuern.
6. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuerungsmittel als Verbrennungszustand des Verbrennungsmotors die Treibstoffeinspritzmenge und/oder den Treibstoffeinspritz- Zeitpunkt und/oder den Zündzeitpunkt und/oder die Abgasrückführungsrate des Verbrennungsmotors steuert.
7. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Luft/Treibstoff- Verhältnis-Detektormittel enthält:
einen Luft/Treibstoff-Verhältnissensor (25), der im Abgasrohr stromaufwärts vom NOx-Reinigungskatalysator vorgesehen ist, zur Erzeugung eines Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignals abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Abgas; und
ein Luft/Treibstoff-Verhältnis-Betriebsmittel (30A) zur Abschätzung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses auf der Grundlage des Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignals.
8. Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Luft/Treibstoffverhältnis-Detektormittel ein Luft/Treibstoffverhältnis-Betriebsmittel (30A) enthält, um das Luft/Treibstoff-Verhältnis aus der Treibstoffeinspritzmenge und aus der Ansaugluftmenge des Verbrennungsmotors (1) abzuschätzen.
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