CH667133A5 - Verfahren zur optimierung des kraftstoff-luft-verhaeltnisses im instationaeren zustand bei einem verbrennungsmotor. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, enthalten in ihrem Abgas noch brennbare Bestandteile wie Kohlenmonoxyd und unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide. Um den Anteil dieser Bestandteile auf einen vom Gesetzgeber geforderten Minimalwert zu senken, müssen die Abgase weitgehend von diesen Stoffen befreit werden. Das bedeutet, dass die brennbaren Bestandteile möglichst vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxydiert und die Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden müssen.

Eine solche Umsetzung erfolgt dadurch, dass man die Abgase an Katalysatoren einer Nachbehandlung unterwirft. Voraussetzung für ein optimales Arbeiten des Katalysators ist jedoch, dass das im Motor verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch etwa dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft und Kraftstoff (X = 1) entspricht. Aus diesem Grund wird in den Weg des Abgases vor dem Katalysator ein elektrochemischer Messfühler (1-Sonde) eingebaut, der z.B. den Sauerstoffgehalt im Gas misst und über eine Regeleinrichtung, in der das von der Sonde abgegebene Signal verarbeitet wird, die richtige Einstellung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und damit auch weitgehend der Abgaszusammensetzung bewirkt. Derartige sogenannte X-Regelsysteme sind seit langem bekannt und arbeiten theoretisch auch zufriedenstellend. Es treten jedoch Alterungserscheinungen auf, die dazu führen, dass mit zunehmender Betriebsdauer kein optimales Gemisch mehr einregelbar ist und somit Fehlanpassungen auftreten.

Gemäss der deutschen Patentanmeldung P 3 413 760.2 lassen sich diese Fehlanpassungen korrigieren, indem hinter dem Katalysator eine weitere A.-Sonde eingebaut wird, deren gegenüber der X-Sonde vor dem Katalysator wesentlich geglättetes Signal eine einfache Feststellung und Korrektur des Arbeitspunktes der Regelung erlaubt. Die Korrektur erfolgt derart, dass bei der hinter dem Katalysator angebrachten X-Sonde Amplitude und Mittelwert des Ausgangssignals ermittelt werden und dass bei einem Abweichen des Mittelwertes von einem vorgegebenen Sollwert der Arbeitspunkt der Regelung solange geändert wird, bis diese Sonde ihren Sollwert wieder erreicht hat. Durch den Einsatz dieser Nachkatalysator-Sonde lassen sich insbesondere solche Regelfehler ausmerzen, die auf einer Alterung der eigentlichen, vor dem Katalysator befindlichen X-Sonde (Vorkata-lysatorsonde) oder des Kraftstoffzumesssystems beruhen oder die durch einen zu hohen Wasserstoffgehalt im Abgas, was zu einer Verschiebung der X-Kennlinie führt, hervorgerufen werden.

Obwohl die Regelung der Gemischbildung durch den Einsatz der Nachkatalysatorsonde auch über längere Zeit hinweg ausserordentlich zufriedenstellend arbeitet, zeigen sich doch, wie auch bei allen anderen 1-Sonden gesteuerten Regelungen Schwächen im instationären Betrieb, d.h., beim dynamischen Übergang von einem stationären Betriebszustand zu einem anderen z.B. bei Beschleunigungs- und Abbremsphasen. Das führt im praktischen Fahrbetrieb zu einer unerwünschten Verschlechterung der Abgaswerte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Regelver-fahren zur Optimierung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses im instationären Zustand bei einem Verbrennungsmotor, der mit jeweils einer X-Sonde vor und hinter dem Abgaskatalysator ausgerüstet ist, zu finden, wodurch auch bei instationärem Zustand eine Minimierung unerwünschter Abgasbestandteile erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Regelverfahren gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Abbildung näher erläutert. Es zeigen schematisch

Figur 1 die Signale der Vorkatalysatorsonde (Regelsonde) und der Nachkatalysatorsonde (Prüfsonde) bei ordnungsgemässem Kraftstoff-Luft-Verhältnis und

Figur 2 die Signale bei nicht ordnungsgemässem Kraftstoff-Luft-Verhältnis sowie

Figur 3 synoptisch die bei einer dynamischen Motorzu-standsänderung auftretenden Signale.

Die Regelsonde ist an eine vorzugsweise einen PI-Regler umfassende Auswerteschaltung angeschlossen. Bei laufender Regelung entsteht an der Regelsonde das in Figur 1 gezeigte Signal, das regelmässig von einem hohen zu einem niedrigen Wert schwingt. Diese regelmässige Schwingung steht aber an der Regelsonde auch in dem Fall an, wenn sich aus irgendeinem Grund der Arbeitspunkt der Regelung (Mittellage) verschoben hat. Der Regelvorgang verläuft dann zwar an sich noch ordnungsgemäss, jedoch entspricht das Ergebnis der Regelung nicht mehr dem gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnis, sondern ist in den fetten oder mageren Bereich verschoben.

An der in Strömungsrichtung hinter dem Katalysator liegenden Prüfsonde wird der Abgasstrom erneut gemessen. Bedingt durch den Umsatz der Abgase an dem Katalysator erzeugt die Prüfsonde, bei ordnungsgemässem Arbeiten der Abgasreinigungsanlage, ein zu dem Signal der Regelsonde deutlich unterschiedliches Signal. Die Amplitude des Signals der Prüfsonde ist wesentlich geringer - im Idealfall gleich Null - als die des Signals der Regelsonde und die mittlere Spannung des Signals der Prüfsonde entspricht dem tatsächlichen Restsauerstoffgehaltes des Abgases. In Figur 1 ist das Signal der Prüfsonde eingezeichnet, wobei mit A das Toleranzfeld angegeben ist, innerhalb dessen sich der Mittelwert der Prüfsondenspannung bewegen darf und mit B der Bereich bezeichnet ist, innerhalb dessen sich die Amplitude der Prüfsondenspannung bewegen muss. Figur 2 zeigt das

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Signal der Regelsonde sowie das zugehörige Signal der Prüfsonde bei verschobener Regelkennlinie der Regelsonde. Mit Hilfe der von der Prüfsonde zur Verfügung gestellten Signale können nun Zumesssignale zur ergänzenden Beeinflussung der Regelsonde gewonnen werden, wobei durch Beeinflussung des P-Sprunges der Regelung die Geschwindigkeit, mit der das Prüfsondensignal in den Bereich A geführt wird, be-einflusst werden und wobei das Integrator-Signal I die Frequenz der Regelgeschwindigkeit beeinflusst und damit die Optimierung der Konversionsrate des Katalysators ermöglicht. Das P-Signal (Proportionaleingriff) kann dabei sowohl in seiner Grösse beeinflusst werden, als auch insbesondere bei digitaler Arbeitsweise der Regelung durch Mehrfachausgabe eines konstanten P-Wertes erzeugt werden. Figur 3 zeigt nun das Signal der Prüfsonde im dynamischen Zustand bei einem Beschleunigungsvorgang. Der Beschleunigungsvorgang erfordert einen erhöhten Luftdurchsatz, was durch den Ausschlag einer Stauscheibe im Ansaugtrakt des Motors erkannt werden kann. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis verschiebt sich in diesem Beispiel in den fetten Bereich. Nach einer Verzögerungszeit (tvER.), die durch die Gaslaufzeit bedingt ist, verlässt das Prüfsondensignal den zulässigen Bereich A in Richtung fett und verbleibt ausserhalb dieses Bereichs für den Zeitraum T, um bei Vorliegen des neuen stationären Zustandes wieder in den Bereich A zurückzukehren, wobei natürlich vorausgesetzt wird, dass der Regelpunkt für den stationären Zustand als solchen ebenfalls mit Hilfe der Prüfsonde für den stationären Zustand auf X = 1 optimiert ist.

Die Optimierung geht nun davon aus, dass der zeitliche Verlauf der Fehlanpassung des gesteuerten Kraftstoff-Grundausführungssystems durch den Austritt des Prüfsondensignals aus dem erlaubten Bereich A und durch die Zeit T bis zu seinem anschliessenden Wiedereintritt hinreichend kontrolliert werden kann. Gelingt es, diese Zeit T zu verkleinern oder ganz verschwinden zu lassen, so kann dadurch die Schadstoffbelastung des Abgases im stationären Bereich erheblich eingeschränkt werden. Das ist aber nur dann möglich, wenn bereits bei Eintritt des instationären Zustandes die Grundregelung mit zusätzlichen Korrekturfaktoren versorgt wird, die der Fehlanpassung des Systems infolge des instationären Zustandes gezielt entgegenwirken. Da eine praktisch unendliche Vielzahl von Betriebspunkten im instationären Betrieb denkbar sind, werden je nah der gewünschten Feinheit der Anpassung repräsentative Motor-Betriebszustände ausgewählt, für die diese Korrekturgrössen ermittelt werden sollen. Diese vorgegebenen Motorbetriebs-zustände werden in einem Kennfeld elektronisch gespeichert. Im allgemeinen reicht es aus, wenn zwei bis fünf dynamische Betriebszustände gespeichert werden, wobei die Zustände zweckmässigerweise durch Drehzahl- und Luftdurchsatz Bereiche (z.B. Stellung der Drosselklappe) charakterisiert werden. Die Optimierung geht nun davon aus, dass jedes Mal, wenn ein bestimmter vorgegebener dynamischer Motor-Betriebszustand bzw. -zustandsbereich erreicht wird, die Korrekturparameter für die Korrektur der Grundeinstellung in Richtung auf ein korrektes Kraftstoff-

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Luft-Verhältnis gespeichert werden und gleichzeitig die Zeit gespeichert wird, die das Signal der Prüfsonde benötigt, um wieder in den korrekten Bereich zu gelangen. Erreicht der Motor bei einem anderen Beschleunigungsvorgang wieder den gleichen vorgegebenen Motor-Betriebszustand, so wird der gespeicherte Korrekturwert in Richtung auf das korrekte Kraftstoff-Luft-Verhältnis variiert und die Zeit gemessen, die nunmehr benötigt wird, bis das Prüfsondensignal sich wieder normalisiert hat. Ist diese Zeit kürzer als die ursprünglich gespeicherte Zeit, so wird das neue Korrektursignal anstelle des ersten gespeichert. Durch Wiederholung dieser Vorgänge bei jedem erneuten Vorliegen des neuen Motor-Betriebszustandes bzw. Zustandbereiches werden die Korrekturwerte iterativ so weit optimiert, bis die Zeit, in der das Prüfsondensignal ausserhalb des gewünschten Bereiches liegt, ein Minimum wird oder günstigstenfalls gleich Null wird. Figur 3 zeigt die bei einer dynamischen Motorzustandsänderung auftretenden Signale.

Ausgelöst durch den Beschleunigungsvorgang verschiebt sich die Zusammensetzung des Abgases in den fetten Bereich, was sich nach einer Verzögerungszeit, die auf der Gaslaufzeit von der Stauscheibe bis zur Prüfsonde beruht, durch einen Anstieg des Prüfsondensignals bemerkbar macht. Aus dem Integratorsignal ergibt sich, dass bereits ein Gegensignal durch Mehrfachausgabe des P-Regelanteils bei Eintritt in den vorgegebenen Motorbetriebszustand erfolgt ist, was zeigt, dass dieser Motor-Betriebszustand bereits mehrmals vorgelegen hat. Das Vorliegen der betreffenden Betriebszustandsänderung wurde aufgrund der Massenträgheitseigenschaft des Motors erkannt, welche dadurch charakterisiert ist, dass eine entsprechende Stauscheibenänderung bei gleichzeitig momentan gleichbleibender Drehzahl vorliegt.

Aufgrund dieser momentanen Motordrehzahl ist gleichzeitig die entsprechende Gaslaufzeit bekannt und es kann ein Zeitfenster Wer vorgegeben werden, innerhalb dessen die Regelung das entsprechende Gegensignal ausgibt. Sobald nach Ablauf von tvER die Prüfsonde den Bereich A verlässt, wird die Zeit T gemessen und anschliessend als Kriterium für die Qualität der eingeleiteten Gegenmassnahme bewertet, indem mit der jeweiligen Gegenmassnahme für den Bestwert Tmin verglichen wird. Der auf diese Weise gewonnene neue Korrekturfaktor wird abgespeichert. Im allgemeinen reicht es für eine genügend genaue und schadstoffarme Regelung aus, wenn zwei bis fünf Motorbetriebszustände bzw. -zustandsbereiche ausgewählt werden. Es bleibt jedoch unbenommen, die Regelung durch Speicherung einer grösseren Anzahl von Motor-Betriebszuständen noch zu verfeinern. Im praktischen Fahrbetrieb ist es dann nach einer bestimmten Einfahrzeit, in der sich die Regelung selbstlernend optimiert, möglich, auch in Beschleunigungsphasen bzw. Verzögerungsphasen praktisch ein schadstofffreies Abgas zu erzeugen, da bei Eintritt in den bestimmten Betriebszustand jeweils sofort die optimalen Korrekturfaktoren vorliegen, mit denen die Grundkorrektur für den stationären Bereich korrigiert werden muss.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

667 133 PATENTANSPRÜCHE

1. Regelverfahren zur Optimierung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses im instationären Zustand bei einem Verbrennungsmotor, der mit jeweils einer X-Sonde vor und hinter dem Abgaskatalysator ausgerüstet ist und wobei mittels einer /.-Sonde das Vorliegen eines nicht gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses erkannt und das Verhältnis entsprechend korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass für bestimmte, vorgegebene Motor-Betriebszustände im instationären Bereich die Korrekturgrössen für die Regelung sowie die Zeit, in der die hinter dem Katalysator liegende A.-Sonde ein inkorrektes Kraftstoff-Luft-Verhältnis anzeigt, gespeichert werden, bei erneutem Vorliegen des gleichen Motor-Betriebs-zustandes auf die gespeicherten Korrekturgrössen zurückgegriffen wird und diese in Richtung des korrekten ^.-Wertes variiert werden, die nunmehr erhaltene Zeit mit der gespeicherten Zeit verglichen und bei einer Verkürzung der Zeit die neuen Korrekturgrössen sowie die neue Zeit gespeichert wird und durch Wiederholung dieser Vorgänge bei erneutem Vorliegen des gleichen Motor-Betriebszustands die Korrekturwerte iterativ soweit korrigiert werden, bis die Zeit ein Minimum erreicht.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennungeines Motor-Betriebszustands-bereichs die Drehzahl des Motors und die Luftmasse gemessen wird.

3. Regel verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmasse über den Ausschlag einer im Ansaugtrakt befindlichen Stauscheibe gemessen wird.