DE102005038492A1

DE102005038492A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Offsetbestimmung eines berechneten oder gemessenen Lambdawertes

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Publication number: DE102005038492A1
Application number: DE102005038492A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. Hahn
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2005-08-13
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-14
Also published as: DE102005038492B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Offsets (DELTA) eines Lambdawertes stromauf eines in einem Abgaskanal (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysators (18), wobei der Lambdawert berechnet und mittels einer stromauf des Katalysators (18) angeordneten ersten Lambdasonde (20) gemessen wird, mit den Schritten DOLLAR A (a) Registrierung von Zeitpunkten, an denen ein Sensorsignal (U¶lambda¶) einer zweiten, dem Katalysator (18) nachgeschalteten Lambdasonde (22) einen Sollwert entsprechend Lambda = 1 kreuzt, DOLLAR A (b) Bestimmung einer in den Katalysator (18) eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m¶O2,ein¶) über die Dauer mindestens einer durch die Zeitpunkte begrenzten Magerphase und einer aus dem Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m¶O2,aus¶) über die Dauer mindestens einer durch die Zeitpunkte begrenzten Fettphase in Abhängigkeit des berechneten oder gemessenen Lambdawertes stromauf des Katalysators (18) und DOLLAR A (c) Bestimmung des Offsets (DELTA) für den berechneten oder gemessenen Lambdawert in Abhängigkeit von einem Korrektur-Sauerstoffmassenstrom, welcher aus einer Differenz der eingetragenen Sauerstoffmasse (m¶O2,ein¶) und der ausgetragenen Sauerstoffmasse (m¶O2,aus¶) sowie einem Zeitintervall der Bestimmung der kumulierten Sauerstoffmassen (m¶O2,ein¶, m¶O2,aus¶) ermittelt wird. DOLLAR A Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Offsets (DELTA) des berechneten oder gemessenen Lambdawertes stromauf eines ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Offsets einer in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Lambdasonde sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Nach heutigem Stand der Technik werden zur Sicherstellung einer größtmöglichen Schadstoffkonvertierung Lambdasonden in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, die ein vom Sauerstoffgehalt des Abgases abhängiges Signal erzeugen. Mit Hilfe geeigneter Regler wird in Abhängigkeit dieser Signale das Luft-Kraftstoffverhältnis des Motors und damit des Abgases so geregelt, dass ein Abgaskatalysator in seinem optimalen Konvertierungsbereich arbeitet.
Es sind unterschiedliche Konfigurationen mit unterschiedlicher Anzahl und Art der eingesetzten Lambdasonden und Katalysatoren bekannt. Ein typischer Aufbau beinhaltet beispielsweise eine erste, motornahe Breitband-Lambdasonde, die über einen weiten Lambdabereich ein proportionales Spannungssignal liefert, sowie einen stromab dieser Breitband-Lambdasonde angeordneten Katalysator, beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator. Eine zweite, stromab des Katalysators angeordnete Sprungantwort-Lambdasonde weist eine steile Spannungsänderung in der Nähe eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses mit λ = 1 auf. In einer solchen Konfiguration kann eine Lambdavorregelung durch die erste Lambdasonde und eine Feinregelung durch die zweite Sonde erfolgen. Hierfür existiert typischerweise für das Sondensignal stromab des Katalysators ein Soll-Spannungswert, der beispielsweise über einen PI-Regler eingeregelt wird. In der Praxis geschieht dies üblicherweise so, dass das Signal um diesen Sollwert herum pendelt. Liegt das Signal über dem Sollwert, so kennzeichnet dies ein zu fettes Gemisch, und es wird über den Regler eine Gemischabmagerung angefordert. Umgekehrt wird eine Gemischanfettung angefordert, wenn das Signal unterhalb des Sollwertes liegt.

Lambdasonden, insbesondere Breitbandlambdasonden, unterliegen alterungsbedingten Veränderungen hinsichtlich ihrer Ausgabesignale und können sogar vollkommen untauglich werden. Um fehlerhafte Sonden erkennen zu können, umfassen heutige Systeme Algorithmen zur Prüfung der elektrischen Anschlüsse, beispielsweise zur Erkennung von Kurzschlüssen in den Kabelführungen. Ferner sind Programme zur Überprüfung der Signalplausibilität der Sondensignale bekannt (zum Beispiel US 4,751,907 ; US 5,845624 ), um die Sonden zu kalibrieren, insbesondere ihren Offset, das heißt die Verschiebung ihrer Lambdakennlinie in y-Dimension, zu bestimmen und zu adaptieren und gegebenenfalls eine Fehlermeldung zur Anzeige einer defekten Sonde zu generieren.

Die Durchführung derartiger Plausibilitätsprüfungen erfolgt gemäß bekannten Verfahren unter genau definierten Randbedingungen. Um auszuschließen, dass aufgrund dynamischer Betriebszustände oder Streuungen unbegründet Sondenfehler erkannt werden, muss das Fehlverhalten bis zur Zulassung einer Fehleranzeige mehrfach bestätigt werden. Zusätzlich müssen noch verschiedene Freigabebedingungen eingehalten werden. Insbesondere für Plausibilitätsprüfungen, die auf Signalen einer stromab eines Katalysators eingebauten Lambdasonde basieren, sind in der Regel zeitliche Entkopplungen vorgesehen. Hierbei sollen Pufferwirkungen, die Katalysatoren auf die Abgaszusammensetzung haben, insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit zur Ein- und Ausspeicherung von Sauerstoff, ausgeschlossen werden.

Um einen Offset einer vor einem Katalysator angeordneten Sonde mit Hilfe einer stromab des Katalysators angeordneten Sonde zu bestimmen, ist daher notwendig, (neben Einhaltung anderer Kriterien) eine festgelegte Abgasmassenmenge durchsetzen zu lassen, ehe das Signal einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde abzugreifen. Erst dann kann nämlich angenommen werden, dass der Katalysator in seinem optimalen Konvertierungsbereich eingeregelt und äquilibriert ist und die Sonde hinter dem Katalysator auf ihrem Regelungssollwert steht. Wenn die hintere Sonde im stationären Fall exakt ihren Sollwert eingeregelt hat, zeigt die vordere Lambdasonde per Definition genau λ = 1 an. Weicht das Sondensignal der hinteren Sonde jedoch vom Sollwert ab, so wird diese Abweichung als Offset der vorderen Sonde verwendet. Gegebenenfalls wird der so festgestellte Offset mit definierten Schwellenwerten verglichen und bei Überschreitung ein Wartungssignal erzeugt. Auf diese Weise wird der Offset der vorderen Lambdasonde über die Auswertung des Signals der hinteren Sonde bestimmt.

Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass relativ viel Zeit in annähernd konstantem Fahrbetrieb bis zur Freigabe der Offset-Bestimmung benötigt wird. Ferner wirken sich instationäre Betriebszustände, die niemals ganz auszuschließen sind, verändernd auf den Sauerstoffgehalt des Katalysators und damit auf das Signal der hinteren Sonde aus, so dass die Gefahr besteht, dass Abweichungen vom Sollwert als Offset der vorderen Sonde erkannt werden, obwohl kein solcher existiert. Dies wiederum kann sich nachfolgend als emissionsverschlechternd auswirken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Offsetbestimmung eines Lambdawertes stromauf eines Katalysators mittels eines Signals einer stromab des Katalysators angeordneten Lambdasonde bereitzustellen, das mit hoher Zuverlässigkeit auch im instationären Fahrbetrieb angewandt werden kann. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Offsets Δ eines Lambdawertes stromauf eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysators, wobei der Lambdawert berechnet oder mittels einer stromauf des Katalysators angeordneten ersten Lambdasonde gemessen wird, umfasst die Schritte:
Registrierung von Zeitpunkten, an denen ein Sensorsignal einer zweiten, dem Katalysator nachgeschalteten Lambdasonde einen Sollwert entsprechend Lambda=1 kreuzt,
Bestimmung einer in den Katalysator eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse m_02,ein über die Dauer mindestens einer, durch die Zeitpunkte begrenzten Magerphase und einer aus dem Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse m_O2,aus über die Dauer mindestens einer, durch die Zeitpunkte begrenzten Fettphase in Abhängigkeit des berechneten oder gemessenen Lambdawertes stromauf des Katalysators und
Bestimmung des Offsets Δ für den berechneten oder gemessenen Lambdawert in Abhängigkeit von einem Korrektur-Sauerstoffmassenstrom, welcher aus einer Differenz der eingetragenen Sauerstoffmasse m_02,ein und der ausgetragenen Sauerstoffmasse m_O2,aus sowie einem Zeitintervall der Bestimmung der kumulierten Sauerstoffmassen ermittelt wird.

Der Lambdawert stromauf des Katalysators, dessen Offset erfindungsgemäß bestimmt werden soll, kann entweder mittels geeigneter, dem Fachmann bekannter Modelle rechnerisch ermittelt werden, wobei der Lambdawert in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einer Luft-Kraftstoff-Vorsteuerung, modelliert wird.

Andererseits kann es sich aber auch um einen, mit einer stromauf des Katalysators angeordneten ersten Lambdasonde, insbesondere einer Breitbandlambdasonde, gemessenen Lambdawert handeln. In diesem Fall wird somit der Offset eines gemessenen Lambdasondensignals bestimmt. Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit dem Signal einer dem Katalysator vorgeschalteten Lambdasonde erläutert. Die Merkmale gelten jedoch ohne Einschränkung für einen modellierten Lambdawert entsprechend.

Insbesondere erfolgt zunächst eine Auswertung der berechneten Ein- und Austragsmengen an Sauerstoff in beziehungsweise aus den Katalysator, eine Bestimmung eines mittleren Korrektur-Sauerstoffmassenstroms aus der Differenz der Ein- und Austragsmengen und mit diesem eine Bestimmung einer mittleren Lambdaabweichung, welche dem gesuchten Offset entspricht. Die erfinderische Verfahrensweise nutzt die Tatsache, dass – aufgrund einer gleichbleibenden Sauerstoffspeicherkapazität – des Katalysators bis zu den Zeitpunkten, an denen mageres beziehungsweise fettes Abgas laut der zweiten Sonde durch den Katalysator bricht, die bis dahin in den Katalysator während einer Magerphase eingetragene Gesamtsauerstoffmasse (O₂-Magermasse m_02,ein) gleich der in der anschließenden Fettphase aus dem Katalysator ausgetragene Gesamtsauerstoffmasse (O₂-Fettmasse m_O2,aus) sein muss. Werden dabei die O₂-Magermasse und O₂-Fettmasse anhand des Signals der ersten Lambdasonde rechnerisch bestimmt und stellt sich heraus, dass eine Differenz zwischen den so ermittelten Mager- und Fettmassen besteht, so ist dies auf einen Offset der ersten Sonde zurückzuführen, welcher aus dieser Differenz berechnet werden kann. Besitzt die vordere Sonde keine Offsetverschiebung ihres Signals oder ist dieser vollständig korrigiert, so müssen die gemessenen O₂-Mager- und Fettmassen bis zum jeweiligen Kreuzen des Sollwertes der hinteren Sonde identisch sein. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ermöglicht, in einer einzigen Fahrt selbst unter dynamischer Fahrweise den Offsetwert mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der in den Katalysator eingetragenen sowie der ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse bei jedem Kreuzen des Sollwertes des Sensorsignals der zweiten, stromab des Katalysators angeordneten Lambdasonde. Dabei wird bei jedem Kreuzen des Sollwertes festgehalten, wie viel Sauerstoff seit dem letzten Kreuzen des Sollwertes ein- beziehungsweise ausgetragen wurde. In Abhängigkeit von der Art der gerade durchgeführten Lambdaregelung der Verbrennungskraftmaschine kann diese Berechnung der Sauerstoffmassen auf zwei Arten erfolgen.

1. Unter Verwendung des Signals der vorderen Lambdasonde

Gemäß dieser Ausführungsvariante erfolgt die Bestimmung der während einer Magerphase (λ > 1) in den Katalysator eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (O₂-Magermasse) sowie die während einer Fettphase (λ < 1) aus dem Katalysator ausgetragene kumulierte Sauerstoffmasse (O₂-Fettmasse) in unmittelbarer Abhängigkeit des Lambdasignals der ersten Lambdasonde. Um aus dem gemessenen Lambdawert einen Sauerstoffmassenstrom zu berechnen, ist die Berücksichtigung des aktuellen Abgasmassenstroms notwendig. Dann kann der Sauerstoffmassenstrom beispielsweise gemäß Formel 1 erfolgen, worin ṁ_O2 der Sauerstoffmassenstrom, ṁ_Abgas der Abgasmassenstrom und λ der aktuell mit der vorderen Lambdasonde gemessene Lambdawert bedeutet. ṁO2 = (1 – 1λ )·ṁAbgas·64 (1)

2. Unter Verwendung eines Stelleingriffs der hinteren Lambdasonde

Gemäß dieser Ausführung erfolgt die Lambdaregelung der Verbrennungskraftmaschine mittels der zweiten Lambdasonde, indem bei einem Über- oder Unterschreiten des vorgenannten Sollwertes das Luft-Kraftstoffgemisch der Verbrennungskraftmaschine entsprechend einem Stelleingriff, das heißt einer angeforderten Lambdaabweichung, welche dem Lambdasollwert aufaddiert wird, in Richtung mager beziehungsweise fett verschoben wird. In diesem Fall kann der Sauerstoffmassenstrom beispielsweise gemäß Formel 2 ermittelt werden, worin Δλ der Stelleingriff der zweiten Lambdasonde bedeutet und ṁ_O2 und ṁ_Abgas die oben angegebene Bedeutung haben. ṁO2 = Δλ·ṁAbgas·64 (2)

Ist die hintere Regelung inaktiv – dies ist der Fall, wenn der Lambda-Sollwert ungleich 1 ist, beispielsweise in einer Schubphase – so kann ersatzweise auf die Berechnungsform gemäß Formel 1 umgeschaltet werden.

Die Berechnung der Sauerstoffmassenströme entsprechend Formel 1 oder 2 wird für magere Soll-Lambdawerte (λ > 1) und fette Soll-Lambdawerte (λ < 1), das heißt bei Unter- sowie Überschreitung des Sollwertes der zweiten Lambdasonde, separat durchgeführt, um jeweils einen Wert für den O₂-Magermassenstrom und O₂-Fettmassenstrom zu erhalten. Durch Integration der Massenströme über die Zeit werden die entsprechenden kumulierten Werte für die eingetragene Gesamtsauerstoffmasse (O₂-Magermasse) sowie die ausgetragene Gesamtsauerstoffmasse (O₂-Fettmasse) erhalten. Im Ergebnis wird getrennt aufsummiert, welche Gesamtmenge Sauerstoff jeweils durchgesetzt wurde, wenn das Sondensignal hinter dem Katalysator oberhalb beziehungsweise unterhalb des Sollwertes entsprechend λ ≈ 1 sich befand.

Ferner wird, wenn die Integration einen Berechnungsschritt durchführt, auch ein Zeitzähler entsprechend hochgezählt. Vorzugsweise wird bei jedem Kreuzen des Sollwertes für das Sensorsignal der zweiten Lambdasonde die Bestimmung der eingetragenen Sauerstoffmasse und der ausgetragenen Sauerstoffmasse durchgeführt. Gleichfalls wird bei jedem Kreuzen die Sauerstoffintegration neu gestartet. Beim nächsten Kreuzen des Sollwertes wird dann festgehalten, welche Sauerstoffmenge bis zu diesem erneuten Kreuzen ein- beziehungsweise ausgetragen wurde. Die Integration und die Zeitmessung werden bevorzugt angehalten, wenn der Sauerstoffinhalt des Katalysators seine Ober- oder Untergrenze erreicht, beispielsweise in einer Schubabschaltungsphase, bei der ausschließlich Luft durchgesetzt wird und der Katalysator vollständig mit Sauerstoff gefüllt wird. Dabei kann auch der Integratorwert neu initialisiert werden.

Da, um eine Differenz zwischen der eingetragenen und der ausgetragenen Sauerstoffmasse bilden zu können, mindestens jeweils eine Mager- und mindestens eine Fettphase vergangen sein muss, ist vorgesehen, die Differenzbildung bei jedem zweiten Kreuzen des Sollwertes der hinteren Lambdasonde durchzuführen oder bei einem Vielfachen hiervon, das heißt bei jedem vierten, sechsten, achten usw. Kreuzen.

Im realen Fahrbetrieb ist nicht nur das Lambdasignal (das heißt die Sauerstoffkonzentration im Abgas) zeitlich variabel, sondern auch der Abgasmassenstrom. Aus diesem Grund kann aus der Differenz der beiden Sauerstoffmassen nicht direkt auf den Offsetwert des Lambdasignals geschlossen werden. Daher ist bevorzugt vorgesehen, aus der Differenz der eingetragenen und der ausgetragenen Sauerstoffmasse zunächst einen mittleren Korrektur-Sauerstoffmassenstrom zu bestimmen. Hierfür wird die Differenz zwischen O₂-Fett- und O₂-Magermasse durch die Gesamtzeit der Integrationsintervalle dividiert. Auch hier wird sinnvollerweise ein Wert für den Korrektur-Sauerstoffmassenstrom nur bei jedem zweiten Kreuzen des Sollwertes des Sondensignals bestimmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird für die Ermittlung des Korrektur-Sauerstoffmassenstroms eine Mindestzeit und/oder eine Mindestmenge durchgesetzten Sauerstoff und/oder eine Mindestanzahl von Signalkreuzereignissen vorgegeben, welche überschritten sein muss, bevor aus den ermittelten Sauerstoffmassen ein Offsetmassenstrom berechnet wird. Auf diese Weise wird das Verfahren unabhängiger von dynamischen Streuungen und damit genauer.

Nach der Bestimmung des Korrektur-Sauerstoffmassenstroms kann nun der Offset der vorderen Lambdasonde berechnet werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird angenommen, dass der Lambdaoffset Δ immer gleichbleibend oder zumindest annähernd konstant ist unabhängig von dem Massenstrom. Ferner wird angenommen, dass sich der Abgasmassenstrom nach der Bestimmung des Korrektur-Sauerstoffmassenstroms nicht in wesentlich anderen Bereichen bewegt. Umgekehrt kann die Berechnung des Offsets unterbunden werden, wenn offensichtlich eine solche Abweichung des Abgasmassenstroms vorliegt. Die Berechnung des Offsets Δ des Lambdasignals der vorderen Sonde kann dann beispielsweise gemäß Formel 14 erfolgen oder – bei Lambdaregelung mittels Stelleingriff der hinteren Lambdasonde – gemäß Formel 15. Hierin bedeuten λ der aktuell mit der vorderen Lambdasonde gemessene Lambdawert, ṁ_Abgas der aktuell vorliegende Abgasmassenstrom und C der berechnete Korrektur-Sauerstoffmassenstrom. Die Herleitung der Formel 14 wird im Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den oben beschriebenen Aufbau auf sowie einen Kalibrieralgorithmus zur Durchführung der vorbeschriebenen Verfahrensschritte, der vorzugsweise in digitaler Form in einem Motorsteuergerät hinterlegt ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasanlage und
2 zeitliche Verläufe des (a) Abgaslambdas vor Katalysator, (b) des Lambdasondensignals hinter Katalysator, (c) kumulierte Sauerstoffein- bzw. -ausspeichermasse während einzelner Mager- bzw. Fettintervalle, (d) und (e) kumulierte Sauerstoffein- bzw. -ausspeichermasse während mehrerer Mager- bzw. Fettintervalle.
1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine 10, die ein Otto- oder Dieselmotor sein kann, mit nachgeschalteter Abgasanlage. Die Verbrennungskraftmaschine 10 wird über ein Ansaugrohr 12 mit Luft versorgt. Im Ansaugrohr 12 befindet sich eine Drosselklappe 14, welche eine Steuerung des Luft-Massenstroms erlaubt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 verfügt ferner über eine hier nicht dargestellte Kraftstoffzuführung, die eine Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung umfasst.
Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugtes Abgas wird über einen Abgaskanal 16 geleitet, welcher einen Abgaskatalysator 18, der beispielsweise ein 3-Wege-Katalysator sein kann, beherbergt. Optional können dem Katalysator 18 weitere Katalysatoren nachgeschaltet sein. Im Abgaskanal 16 ist ferner in einer motornahen Position stromauf des Katalysators 18 eine erste Lambdasonde 20 angeordnet, die beispielsweise eine Breitbandlambdasonde ist. Breitbandlambdasonden weisen über weite Lambdabereiche ein dem Sauerstoffgehalt des Abgases proportionales Spannungssignal auf, was sie für die Lambdaregelung auch im stark mageren Bereich bei λ > 1 befähigt. Eine zweite Lambdasonde 22 ist dem Katalysator 18 nachgeschaltet. Bei dieser handelt es sich typischerweise um eine Sprungantwortlambdasonde, die im Bereich um λ = 1 eine steile Spannungskennlinie aufweist, wodurch sie eine besonders genaue Lambdaregelung im stöchiometrischen Bereich ermöglicht.
Die Sondensignale der Lambdasonden 20, 22 gehen in eine Motorsteuerung 24 ein, welche in Abhängigkeit von ihnen eine Luft-Kraftstoffregelung vornimmt. Insbesondere beeinflusst die Motorsteuerung 24 den Luft-Massenstrom über Stellung der Drosselklappe 14 und/oder eine zugeführte Kraftstoffmenge über Beeinflussung der Kraftstoffzuführung. Die Motorsteuerung 24 beinhaltet unter anderem einen Kalibrieralgorithmus 26, welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Offsets der vorderen Lambdasonde 20 ausführt. Dieses wird nachfolgend näher beschrieben.
In 2(a) zeigen die Linien 100 und 102 typische Verläufe des mit der vorderen Lambdasonde 20 gemessenen Lambdasignals. Dabei stellt die Kurve 100 das Signal einer vollständig Offset-korrigierten Lambdasonde dar (beziehungsweise den wahren Lambdaverlauf), während die Kurve 102 den um einen Offset Δ in λ-Dimension verschobenen Verlauf darstellt. Während die Flächen der Kurve 100 ohne Offset jeweils unterhalb λ = 1 (Fettphasen) gleich sind mit den Flächen oberhalb von λ = 1 (Magerphasen), ist bei 102 eine deutliche Verschiebung zugunsten der Magerseite zu erkennen. Somit setzt sich das Signal λ der Lambdasonde mit Offset (Verlauf 102) aus einem dem wahren Lambdawert entsprechenden Basislambda λ_b + dem Offset Δ zusammen. (Diese Darstellung ist hier für eine bessere Verständlichkeit gewählt. In der Praxis wird sich ein Offset im vorderen Lambda in unterschiedlichen Zeiten Δt auswirken, da üblicherweise mit einem Lambdaverlauf gemäß Kurve 100 geregelt wird.)
In 2(b) ist der Verlauf des Sensorsignals U_λ der stromab des Katalysators 18 angeordneten Lambdasonde 22 dargestellt. Dabei entsprechen Signalwerte oberhalb des dem λ = 1 entsprechenden Sollwertes einer fetten Abgasatmosphäre (λ < 1) und Werte unterhalb des Sollwertes mageren Abgaszusammensetzungen (λ > 1). Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Luft-Kraftstoffregelung der Verbrennungskraftmaschine 10 anhand des Signals U_λ der Lambdasonde 22. Hierbei wird bei einem Unterschreiten des Sollwertes, das heißt bei einem Durchbruch mageren Abgases durch den Katalysator 18, das Luft-Kraftstoffgemisch der Verbrennungskraftmaschine 10 in Richtung fett verschoben. Umgekehrt wird bei einem Überschreiten des Sollwertes, also dem Durchbruch fetten Abgases durch den Katalysator 18, das Luft-Kraftstoffgemisch in Richtung mager verschoben. Dabei wird jeweils ein Stelleingriff Δλ mit entsprechendem Vorzeichen dem Lambdasollwert zuaddiert. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Zeitpunkte registriert, an denen das Sensorsignal U_λ den einem Lambdawert von 1 entsprechenden Sollwert kreuzt, also über- oder unterschreitet.
Diese Zeitpunkte sind in der vorliegenden Darstellung mit t0 bis t4 gekennzeichnet. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren beginnt bei jedem Kreuzen des Sollwertes, das heißt zu den Zeitpunkten t0, t1, t2, t3 und t4, die Bestimmung der in den Katalysator 18 eingetragenen Sauerstoffmassen beziehungsweise der ausgetragenen Sauerstoffmassen gemäß dem Lambdasignal der vorderen Lambdasonde 20 (Kurve 100 bzw. 102). Hierfür werden beginnend mit dem Überschreiten des Sollwertes der hinteren Lambdasonde 22 (Kurve 104) bei t0 in Abhängigkeit von dem Lambdasignal der vorderen Lambdasonde 20 (Kurve 100 bzw. 102) gemäß Formel 1a der eingetragene Sauerstoffmassenstrom berechnet und bis zum Unterschreiten des Sollwertes zum Zeitpunkt t1 integriert. Ab dem Zeitpunkt t1, das heißt bei Lambdawerten < 1 startet eine separate Berechnung des ausgetragenen Sauerstoffmassenstroms gemäß Formel 1b. In den Formeln 1a und 1b hat der Abgasmassenstrom ṁ_Abgas die Einheit kg/h und der Sauerstoffmassenstrom ṁ_O2 mg/s. ṁ02,ein = (1 – 1λ )·ṁAbgas·64 für λ > 1 (1a) ṁO2,aus = (1 – 1λ )·ṁAbgas·64 für λ < 1 (1b)
Da im vorliegenden Fall die Luft-Kraftstoffregelung mittels der hinteren Lambdasonde 22 erfolgt, kann hier alternativ die Berechnung der Sauerstoffmassenströme auch über den Stelleingriff Δ λ der hinteren Lambdasonde 22 gemäß den Formeln 2a und 2b erfolgen. ṁ02,ein = Δλ·ṁAbgas·64 für λ > 1 (2a) ṁO2,aus = Δλ·ṁAbgas·64 für λ < 1 (2b)
Gemäß Formel 3 werden durch Integration der auf die eine oder andere Weise berechneten Massenströme über die durch die entsprechenden Kreuzungszeitpunkte begrenzten Zeitintervalle die kumulierte eingetragene Sauerstoffmasse m_02,ein (O₂-Magermasse) sowie die kumulierte ausgetragene Sauerstoffmasse m_O2,aus (O₂-Fettmasse) erhalten. Diese sind in Abbildung 2(c) dargestellt, wobei die Verläufe 106, 108 dem Ergebnis bei einer Offsetkorrigierten Lambdasonde (Kurve 100) entsprechen und die Kurven 110 und 112 die Mager- beziehungsweise Fettmassen gemäß bei nicht Offset-korrigiertem Lambdaverlauf 102. Während die Beträge 106 und 108 identisch sind, weichen bei vorhandenem Offset die O₂-Magermasse und die O₂-Fettmasse signifikant voneinander ab.
2(d) und (e) zeigen die Verläufe der Sauerstoffmager- und Fettmassen gemäß 2(c), wenn diese über mehrere Intervalle integriert werden. Dabei ist während einer Fettphase der Wert für die O₂-Magermasse m_02,ein jeweils konstant und steigt nur während der Magerphasen an (Kurven 114, 118). Entsprechend ist der Wert für die O₂-Fettmasse m_O2,aus während der Magerphasen konstant und wächst nur in Fettphasen an (Kurven 116, 120). Bei jedem zweiten Kreuzen oder einem Vielfachen hiervon des Sollwertes des Sondensignals der hinteren Sonde 22 wird gemäß Formel 4 ein Korrektur-Sauerstoffmassenstrom Δṁ_O2 aus der Differenz der kumulierten O₂-Fettmasse und der kumulierten O₂-Magermasse dividiert durch die Gesamtzeit Δt der Integrationsdauer bestimmt. In 2 ergibt sich somit Δt beispielsweise zum Zeitpunkt t2 zu t2-t0 oder zum Zeitpunkt t4 zu t4-t0.
Aus dem so ermittelten Korrektur-O₂-Massenstrom wird nun der Offset Δ der vorderen Lambdasonde 20 berechnet, wobei vorausgesetzt wird, dass sich der Abgasmassenstrom im folgenden Berechnungszeitraum nicht erheblich unterscheidet und der Lambdaoffset Δ weitgehend unabhängig vom Abgasmassenstrom ist, so dass die Betrachtung eines Bemittelten Berechnungsschrittes zulässig wird. Die Berechnung des Offsets erfolgt gemäß Gleichung 14 für jeden Zeitschritt gemäß der folgenden Herleitung. λ = λb + Δ (5) (1 – 1λ )·ṁAbgas·64 = ṁO2 = A (6)
Aus (5) und (6) folgt:
Aus (9) und (7) folgt:
Aus (10) und (5) folgt:
Wird die Sauerstoffmenge nicht unmittelbar über das Lambdasignal ermittelt, sondern mittels Stelleingriff Δλ der hinteren Lambdasonde 22, so vereinfacht sich die Berechnung des Offsets mit geringem Fehler gemäß Formel 15.
Zur Minimierung des Einflusses dynamischer Schwankungen ist bevorzugt vorgesehen, den so bestimmten Offset Δ der einzelnen Teilschritte aufzusummieren und mit Hilfe der gleichzeitig festgehaltenen Summationszeit einen Mittelwert zu bestimmen. Eine Auswertung dieses Mittelwertes sollte vorzugsweise dann stattfinden, wenn die Summationszeit eine festgelegte Mindestzeit überschritten hat und/oder eine gleichzeitig ermittelte Menge an Abgas eine festgelegte Mindestmenge überschritten hat. Dieser Mittelwert entspricht dem Offset Δ der vorderen Lambdasonde gemäß 2(a).
Der Offset kann neben seinem eigentlichen Einsatz zur Korrektur des gemessenen Lambdasignals auch verwendet werden, um ein Wartungssignal zu erzeugen, wenn der Offset einen festgelegten Schwellenwert überschreitet. Er kann ferner einen herkömmlichen Adaptionswert für den Offset (dies ist in der Regel der I-Anteil des zweiten Lambdaregelkreises hinter dem Katalysator) ergänzen, indem er beispielsweise hinzuaddiert wird.

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Ansaugrohr
14: Drosselklappe
16: Abgaskanal
18: Katalysator
20: erste Lambdasonde
22: zweite Lambdasonde
24: Motorsteuerung
26: Kalibrieralgorithmus
Δ: Offset
Δṁ_O2: Korrektur-Sauerstoffmassenstrom
λ: Lambda, aktuell gemessen
λ_b: Basislambda
Δλ: Stelleingriff
m_02,ein: kumulierte eingetragene Sauerstoffmasse, O₂-Magermasse
m_O2,aus: kumulierte ausgetragene Sauerstoffmasse, O₂-Fettmasse
ṁ_02,ein: eingetragener Sauerstoffmassenstrom
ṁ_O2,aus: ausgetragener Sauerstoffmassenstrom
ṁ_Abgas: Abgasmassenstrom
U_λ: Sensorsignal
A: berechnete Sauerstoffmasse
D: Differenzsauerstoffmasse

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Offsets (Δ) eines Lambdawertes stromauf eines in einem Abgaskanal (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysators (18), wobei der Lambdawert berechnet oder mittels einer stromauf des Katalysators (18) angeordneten ersten Lambdasonde (20) gemessen wird, mit den Schritten (a) Registrierung von Zeitpunkten, an denen ein Sensorsignal (U_λ) einer zweiten, dem Katalysator (18) nachgeschalteten Lambdasonde (22) einen Sollwert entsprechend Lambda = 1 kreuzt, (b) Bestimmung einer in den Katalysator (18) eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_02,ein) über die Dauer mindestens einer, durch die Zeitpunkte begrenzten Magerphase und einer aus dem Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_O2,aus) über die Dauer mindestens einer, durch die Zeitpunkte begrenzten Fettphase in Abhängigkeit des berechneten oder gemessenen Lambdawertes stromauf des Katalysators (18) und (c) Bestimmung des Offsets (Δ) für den berechneten oder gemessenen Lambdawert in Abhängigkeit von einem Korrektur-Sauerstoffmassenstrom, welcher aus einer Differenz der eingetragenen Sauerstoffmasse (m_02,ein) und der ausgetragenen Sauerstoffmasse (m_O2,aus) sowie einem Zeitintervall der Bestimmung der kumulierten Sauerstoffmassen (m_02,ein, m_O2,aus) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luft-Kraftstoffregelung der Verbrennungskraftmaschine (10) mittels der ersten Lambdasonde (22) durchgeführt wird und die Bestimmung der in den Katalysator (18) eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_02,ein) und der aus den Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_O2,aus) in unmittelbarer Abhängigkeit des Signals der ersten Lambdasonde (20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luft-Kraftstoffregelung der Verbrennungskraftmaschine (10) mittels der zweiten Lambdasonde (22) durchgeführt wird, indem bei einem Über- oder Unterschreiten des Sollwertes das Luft-Kraftstoffgemisch der Verbrennungskraftmaschine (10) entsprechend einem Stelleingriff (Δλ) der zweiten Lambdasonde (22) in Richtung mager beziehungsweise Richtung fett verschoben wird, und die Bestimmung der in den Katalysator (18) eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_02,ein) und der aus den Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_O2,aus) in Abhängigkeit eines Stelleingriffs (Δλ) der zweiten Lambdasonde (22) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der in den Katalysator (18) eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_02,ein) und der aus den Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_O2,aus) bei jedem Kreuzen des Sollwerts des Sensorsignals (U_λ) der zweiten Lambdasonde (22) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Differenz der eingetragenen Sauerstoffmasse (m_02,ein) und der ausgetragenen Sauerstoffmasse (m_O2,aus) sowie des Offsets (Δ) bei jedem zweiten Kreuzen des Sollwerts des Sensorsignals (Uλ) der zweiten Lambdasonde (22) durchgeführt wird oder bei einem Vielfachen hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall der Bestimmung der kumulierten Sauerstoffmassen (m_02,ein, m_O2,aus) festgehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromauf des Katalysators (18) angeordnete Lambdasonde (20) eine Breitbandlambdasonde ist.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Offsets (Δ) eines Lambdawertes stromauf eines in einem Abgaskanal (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Katalysators (18), wobei der Lambdawert berechnet oder mittels einer stromauf des Katalysators (18) angeordneten ersten Lambdasonde (20) gemessen wird, umfassend einen Kalibrieralgorithmus (26) zur Ausführung der Schritte: (a) Registrierung von Zeitpunkten, an denen ein Sensorsignal (Uλ) einer zweiten, dem Katalysator (18) nachgeschalteten Lambdasonde (22) einen Sollwert entsprechend Lambda = 1 kreuzt, (b) Bestimmung einer in den Katalysator (18) eingetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_02,ein) über die Dauer mindestens einer, durch die Zeitpunkte begrenzten Magerphase und einer aus dem Katalysator ausgetragenen kumulierten Sauerstoffmasse (m_O2,aus) über die Dauer mindestens einer, durch die Zeitpunkte begrenzten Fettphase in Abhängigkeit des berechneten oder gemessenen Lambdawertes stromauf des Katalysators (18) und (c) Bestimmung des Offsets (Δ) für den berechneten oder gemessenen Lambdawert in Abhängigkeit von einem Korrektur-Sauerstoffmassenstrom, welcher aus einer Differenz der eingetragenen Sauerstoffmasse (m_O2,ein) und der ausgetragenen Sauerstoffmasse (m_O2,aus) sowie einem Zeitintervall der Bestimmung der kumulierten Sauerstoffmassen (m_02,ein, m_O2,aus) ermittelt wird.