DE102008011833A1

DE102008011833A1 - Verfahren zum Steuern einer lambdageregelten Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008011833A1
Application number: DE102008011833A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. Hahn
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: DE102008011833B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses der Brennkraftmaschine, wobei die Abgasanlage einen Katalysator und wenigstens ein elektrisches Heizelement zum Aufheizen der Lambdasonde auf eine Betriebstemperatur aufweist und das Aufheizen dieses Heizelementes durch eine Heizelementsteuerung ausgeführt wird, wobei dem Heizelement von der Heizelementsteuerung wenigstens ein Regelparameter vorgegeben wird. Es ist vorgesehen, dass - die Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermittelt und einem repräsentativen Leistungswert zugeordnet wird, - eine Korrektur des wenigstens einen der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters ausgeführt wird, - wenigstens ein korrigierter Regelparameter von der Heizelementsteuerung zum geregelten Beheizen des Heizelementes verwendet wird, - die Temperatur des Messelementes der Lambdasonde erfasst oder ermittelt wird, - ein das Abgasgemisch repräsentierender Zustandswert unter Verwendung des Signals der Lambdasonde und der Temperatur des Messelementes der Lambdasonde bestimmt wird, - das Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis der Brennkraftmaschine anhand des das Abgasgemisch repräsentierenden Zustandswertes geregelt eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer Lambdasonde mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und eine Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine zum Steuern wenigstens einer Lambdasonde mit den im Oberbegriff des Anspruchs 12 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, dass zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben an die zulässigen Abgasemissionen eine hohe Wirksamkeit von Abgasreinigungsmaßnahmen notwendig ist. Eine dieser Maßnahmen ist eine möglichst genaue Einstellung der Abgaszusammensetzung dergestalt, dass ein im Abgassystem angeordneter Katalysator möglichst wirkungsvoll arbeiten kann. Um bei heutigen Drei-Wege-Katalysatoren eine hohe Schadstoff-Konvertierungsleistung zu erreichen, werden diese mit Abgas beaufschlagt, welches abwechselnd einen leichten Kraftstoff-Überschuss (fett) oder einen leichten Sauerstoffüberschuss (mager) aufweist. Nach Stand der Technik wird diese sogenannte Lambda-Modulation über eine vor dem Katalysator eingebaute Lambdasonde geregelt.
Darüber hinaus wird bei Erreichen maximal zulässiger Temperaturen im Abgassystem oder zum Erreichen einer höheren Motorleistung üblicherweise der Bereich des geregelten Betriebes verlassen und eine Anreicherung mit Kraftstoff vorgenommen.
Bei den eingesetzten Lambdasonden unterscheidet man im Wesentlichen zwei verschiedene Bauarten. Breitband-Lambdasonden sind in der Lage, auch bei Lambda ungleich 1 ein hinreichend genaues Signal zu liefern. Werden solche Sonden zur Regelung der Lambda-Modulation eingesetzt, so kann der gewünschte Überschuss an Kraftstoff oder Luft genau eingeregelt werden. Ein weiterer Vorteil von Breitband-Lambdasonden ist es, dass auch in Betriebszuständen mit Kraftstoff-Überschuss das Gemischverhältnis vergleichsweise genau eingeregelt werden kann.
Dagegen sind sogenannte Sprung-Lambdasonden nach dem Nernstprinzip preiswerter als Breitband-Lambdasonden, können jedoch nur im Bereich um Lambda = 1 mit hoher Genauigkeit messen. Aus diesem Grunde wertet die Lambda-Regelung nach dem Stand der Technik lediglich aus, ob sich das Sondensignal ober- oder unterhalb einer festgelegten Lambda = 1 äquivalenten Signalspannung befindet. Bei magerer oder fetter Abgaszusammensetzung ist das abgegebene Signal sehr flach und insbesondere bei Alterung der Lambdasonde mit Toleranzabweichungen behaftet. Die Lambda-Modulation wird nach dem Stand der Technik in diesen Bereichen gesteuert am Motor eingestellt, wodurch sich u. U. aufgrund einer ungenauen motorseitigen Vorsteuerung Werte ergeben, die von den Werten abweichen, welche für eine optimale Abgasreinigung benötigt werden. Auch die Betriebszustände mit Kraftstoff-Überschuss oder -Mangel werden aus diesen Gründen nach dem Stand der Technik nur gesteuert angefahren. Dabei wird bestenfalls der Zustand überwacht und zusätzlicher Kraftstoff hinzugegeben bzw. vermindert, wenn das Signal der Sprungsonde noch nicht oberhalb bzw. unterhalb der definierten Lambda = 1 äquivalenten Signalspannung ist. Da die Vorsteuerung der Gemischzusammensetzung ebenfalls toleranzbehaftet ist, kommt es in diesen Betriebszuständen in der Regel zu einem unnötig hohen Kraftstoffverbrauch. Um sicherzustellen, dass ein gewünschter Lambda-Wert von beispielsweise 0,96 bei allen möglichen Serienstreuungen auch sicher erreicht wird, muss nämlich unter Berücksichtigung der Vorsteuertoleranzen i. d. R. ein weit fetteres Lambda vorgesteuert werden. Werden beispielsweise die Toleranzen der Vorsteuerung auf bis zu 5% ermittelt, so muss dann bereits ein Lambda-Wert von 0,91 eingestellt werden, obwohl nur für einen kleinen Teil der Fahrzeuge dieser Toleranzabstand auch tatsächlich nötig ist, und somit fährt der überwiegende Teil der Fahrzeuge mit deutlich fetterem Lambda, was mit einem größeren Kraftstoffverbrauch und größerer Umweltbelastung gleichbedeutend ist. Bekannt ist ferner nach dem Stand der Technik, dass mittels einer Lambdasonde hinter dem Katalysator eine mittlere Lambda-Abweichung ermittelt wird, welche auf verschiedene Weise (zeitlich auf eine Periodendauer begrenzt oder als ein Offset-Lambdawert vorgegeben) in die vordere Lambdaregelung eingerechnet werden kann. Bekannt ist, mittels der Messvorrichtung hinter dem Katalysator systematische Gemischabweichungen zu quantifizieren und mit diesem Wert eine Kennlinie der Sprungsonde vor dem Katalysator anzupassen.
Die DE 10 2006 011 722 B3 offenbart ein Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Breitbandlambdasonde einer Brennkraftmaschine. Im Rahmen dieses Verfahrens wird der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den durch die Breitbandlambdasonde bestimmten Lambda-Wert erkannt und mithilfe eines Kompensationsmodells herausgerechnet. Zu diesem Zweck wird eine gemessene Luftfeuchtigkeit in die Kalibrierung der Breitbandlambdasonde während einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine einbezogen.
Laut DE 10 2005 059 794 B3 wird nach einem Sprung von einer Vorgabe eines fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Brennraum eines jeweiligen Zylinders einer Brennkraftmaschine zu einer Vorgabe eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf eine sich daraufhin einstellende Plateauphase eines Messsignals einer in einem Abgaskatalysator angeordneten Abgassonde detektiert und die Zeitdauer als Einlagerungszeitdauer ermittelt. Nach einem Sprung von einer Vorgabe eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Brennraum des jeweiligen Zylinders zu einer Vorgabe eines fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wird auf eine sich daraufhin einstellende Plateauphase des Messsignals detektiert und die Zeitdauer der Plateauphase als Auslagerungszeitdauer ermittelt. Abhängig von der Einlagerungszeitdauer und der Auslagerungszeitdauer wird eine Zuordnungsvorschrift zum Zuordnen des Messsignals zu einem erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis angepasst. Zum Kalibrieren der Abgassonde wird abhängig von einem Plateauwert des Messsignals während der Plateauphase die Zuordnungsvorschrift angepasst.
Es sind folgende Patentdokumente in den technologischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung gestellt worden: DE 10 2006 011 722 B3 , DE 103 60 775 A1 , DE 198 61 198 B4 , DE 43 04 966 A1 , DE 199 37 016 A1 , DE 10 2004 006 875 A1 , DE 103 39 062 A1 , DE 199 26 139 A1 und DE 10 2005 038 492 A1 .
Die DE 10 2004 025 244 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Bewerten der Elektrodeneigenschaften einer Lambdasonde, bei dem zum Messen ihres Innenwiderstandes unter Nutzung von in einem Referenzluftvolumen vorhandenem Sauerstoff die Sondenspannung in einem unbelasteten und in einem mit einem Lastwiderstand belasteten Zustand gemessen wird. Eine zuverlässige Messung der Elektrodengüte bei Lambdasonden mit gepumpter Referenz wird dadurch erreicht, dass bei einer Lambdasonde mit gepumpter Referenz über die Messzeit der Sauerstoffpartialdruck zum Messen der Sondenspannung aufrechterhalten wird, indem für die Messung das Referenzluftvolumen mit Sauerstoff aufgeladen wird.
DE 10312240 B4 offenbart ein System zum Schätzen der Abgastemperatur und Steuerung der Aufheizung eines Sauerstoffsensors in einem Fahrzeug, welches den Heizungsstrom erfasst und einen Kalmanfilter verwendet, um einen Abgastemperaturwert zu berechnen.
Die DE 19 629 552 C1 offenbart eine Vorrichtung zum Kompensieren der Temperaturdrift einer Abgassonde unter Verwendung des Temperatursignals eines in die Lambdasonde integrierten Temperaturfühlers und eines in einem Speicher der elektronischen Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine abgelegten Kennfeldes, das in Abhängigkeit der Sensortemperatur zugehörige Werte für das Ausgangssignal der Lambdasonde enthält. In Abhängigkeit von der durch das Auswerten des Kennfeldes erhaltenen Signalverschiebung wird die Heizleistung der Sondenbeheizungseinrichtung verändert, so dass ein vorgegebener Sollwert für die Arbeitstemperatur der Lambdasonde eingehalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit des Betriebs einer Lambdasonde in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zu erhöhen und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu senken, der auf eine zu ungenaue Lambdaregelung, die insbesondere bei Verwendung einer Lambda-Sprungsonde vorliegt, zurückzuführen ist, und die dadurch bedingte Umweltbelastung zu verringern.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Steuern einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Lambdasonde mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine aus. Die Abgasanlage weist einen Katalysator und wenigstens ein elektrisches Heizelement zum Aufheizen der Lambdasonde auf eine Betriebstemperatur auf, welches in wenigstens einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird und das Aufheizen dieses Heizelementes durch eine Heizelementsteuerung ausgeführt wird, wobei dem Heizelement von der Heizelementsteuerung wenigstens ein Regelparameter vorgegeben wird. Dabei wird ein Lambdasonden-Temperaturmodell zur Korrektur der Regelparameter verwendet.
Dadurch, dass

– in einem ersten Schritt die Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermittelt und einem repräsentativen Leistungswert zugeordnet wird,
– in einem zweiten Schritt eine Korrektur des wenigstens einen, der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters ausgeführt wird,
– in einem dritten Schritt wenigstens ein korrigierter Regelparameter von der Heizelementsteuerung zum geregelten Beheizen des Heizelementes verwendet wird,
– in einem vierten Schritt die Temperatur des Messelementes der Lambdasonde erfasst oder ermittelt wird,
– in einem fünften Schritt ein das Abgasgemisch repräsentierender Zustandswert unter Verwendung des Signals der Lambdasonde und der Temperatur des Messelementes der Lambdasonde bestimmt wird,
– in einem sechsten Schritt das Kraftstoff-Luftgemischverhältnis der Brennkraftmaschine anhand des das Abgasgemisch repräsentierenden Zustandswertes geregelt eingestellt wird, ist die Aufgabe der Erfindung gelöst.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird der im ersten Schritt zu ermittelnde repräsentative Leistungswert des Heizelementes durch eine Messung des Innenwiderstandes des Heizelementes mithilfe einer an das Heizelement angelegten vorbestimmten Messspannung anhand des gemessenen Messstroms als Kaltwiderstand ermittelt.
In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird der im ersten Schritt zu ermittelnde repräsentative Leistungswert des Heizelementes durch Erfassen seiner Aufheizgeschwindigkeit bei Zuführung einer definierten Energiemenge ausgeführt.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird die im zweiten Schritt ausgeführte Korrektur des wenigstens einen, der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters unter Berücksichtigung des repräsentativen Leistungswertes des Heizelementes vorgenommen.
In noch einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung erfolgt die im zweiten Schritt ausgeführte Korrektur des wenigstens einen, der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters mithilfe des Lambdasonden-Temperaturmodells, wobei das Lambdasonden-Temperaturmodell den repräsentativen Leistungswert des Heizelementes berücksichtigt.
Das im dritten Schritt ausgeführte geregelte Beheizen des Heizelementes wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in einem geschlossenen Regelkreis ausgeführt, in dem ein durch das Lambdasonden-Temperaturmodell bestimmter Temperaturwert der Lambdasonde oder ein Innenwiderstandswert der Lambdasonde als Ist-Wert verwendet wird.
Die im vierten Schritt erfasste oder ermittelte Temperatur der Lambdasonde erfolgt in einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung durch das Erfassen des Innenwiderstandswertes der Lambdasonde und/oder wird in dem Lambdasonden-Temperaturmodell ermittelt, welches den im ersten Schritt ermittelten repräsentativen Leistungswert des Heizelementes berücksichtigt.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Erfassen des Innenwiderstandswertes der Lambdasonde bei wenigstens einer definierten Randbedingung ausgeführt, welche aus einer nicht vollständigen Auflistung von Lambdasonden-Temperatur, Abgastemperatur und verschiedener Betriebszustände der Brennkraftmaschine ausgewählt sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die wenigstens eine definierte Randbedingung mit der in dem Lambdasonden-Temperaturmodell modellierten Lambdasonden-Temperatur verknüpft, wobei hierfür ein multiplikativer Faktor berechnet werden kann.
Die im fünften Schritt ausgeführte Bestimmung des das Abgasgemisch repräsentierenden Zustandswertes wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von dem Signal der Lambdasonde, einem korrigierten Signal der Lambdasonde und/oder der wie vorher beschrieben ermittelten Lambdasonden-Temperatur ausgeführt.
Der das Abgasgemisch repräsentierende Zustandswert kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in einen Lambda-Wert umgerechnet werden.
Nach einem zweiten Aspekt vorliegender Erfindung ist die Aufgabe der Erfindung mit Hilfe einer Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine zum Steuern wenigstens einer Lambdasonde in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem erreicht, in der die Verfahrensschritte nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen ausführbar sind.
Die vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen. Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen werden. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist zur Veranschaulichung vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006011722 B3 [0006, 0008]
- DE 102005059794 B3 [0007]
- DE 10360775 A1 [0008]
- DE 19861198 B4 [0008]
- DE 4304966 A1 [0008]
- DE 19937016 A1 [0008]
- DE 102004006875 A1 [0008]
- DE 10339062 A1 [0008]
- DE 19926139 A1 [0008]
- DE 102005038492 A1 [0008]
- DE 102004025244 A1 [0009]
- DE 10312240 B4 [0010]
- DE 19629552 C1 [0011]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Lambdasonde mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine, wobei die Abgasanlage einen Katalysator und wenigstens ein elektrisches Heizelement zum Aufheizen der Lambda-Sonde auf eine Betriebstemperatur aufweist, welches in wenigstens einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird, und das Aufheizen dieses Heizelementes durch eine Heizelementsteuerung ausgeführt wird, wobei dem Heizelement von der Heizelementsteuerung wenigstens ein Regelparameter vorgegeben wird, wobei ein Lambdasonden-Temperaturmodell zur Korrektur der Regelparameter verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt die Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermittelt und einem repräsentativen Leistungswert zugeordnet wird, – in einem zweiten Schritt eine Korrektur des wenigstens einen, der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters ausgeführt wird, – in einem dritten Schritt wenigstens ein korrigierter Regelparameter von der Heizelementsteuerung zum geregelten Beheizen des Heizelementes verwendet wird, – in einem vierten Schritt die Temperatur des Messelementes der Lambdasonde erfasst oder ermittelt wird, – in einem fünften Schritt ein das Abgasgemisch repräsentierender Zustandswert unter Verwendung des Signals der Lambdasonde und der Temperatur des Messelementes der Lambdasonde bestimmt wird, – in einem sechsten Schritt das Kraftstoff-Luftgemischverhältnis der Brennkraftmaschine anhand des das Abgasgemisch repräsentierenden Zustandswertes geregelt eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im ersten Schritt zu ermittelnde repräsentative Leistungswert des Heizelementes durch Messung des Innenwiderstandes des Heizelementes mithilfe einer an das Heizelement angelegten vorbestimmten Messspannung anhand des gemessenen Messstroms als Kaltwiderstand ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im ersten Schritt zu ermittelnde repräsentative Leistungswert des Heizelementes durch Erfassen seiner Aufheizgeschwindigkeit bei Zuführung einer definierten Energiemenge ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im zweiten Schritt ausgeführte Korrektur des wenigstens einen, der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters unter Berücksichtigung des repräsentativen Leistungswertes des Heizelementes vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im zweiten Schritt ausgeführte Korrektur des wenigstens einen, der Heizelementsteuerung vorgegebenen Regelparameters mithilfe des Lambdasonden-Temperaturmodells erfolgt, wobei das Lambdasonden-Temperaturmodell den repräsentativen Leistungswert des Heizelementes berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im dritten Schritt ausgeführte geregelte Beheizen des Heizelementes in einem geschlossenen Regelkreis ausgeführt wird, indem ein durch das Lambdasonden-Temperaturmodell bestimmter Temperaturwert der Lambdasonde oder ein Innenwiderstandswert der Lambdasonde als Ist-Wert verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im vierten Schritt erfasste oder ermittelte Temperatur der Lambdasonde durch das Erfassen des Innenwiderstandswertes der Lambdasonde erfolgt und/oder in dem Lambdasonden-Temperaturmodell ermittelt wird, welches den im ersten Schritt ermittelten repräsentativen Leistungswert des Heizelementes berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Innenwiderstandswertes der Lambdasonde bei wenigstens einer definierten Randbedingung ausgeführt wird, welche aus einer nicht vollständigen Auflistung von Lambdasonden-Temperatur, Abgastemperatur und verschiedener Betriebszustände der Brennkraftmaschine ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine definierte Randbedingung mit der in dem Lambdasonden-Temperaturmodell modellierten Lambdasonden-Temperatur verknüpft wird, wobei hierfür ein multiplikativer Faktor berechnet werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im fünften Schritt ausgeführte Bestimmung des das Abgasgemisch repräsentierenden Zustandswertes in Abhängigkeit von dem Signal der Lambdasonde, einem korrigierten Signal der Lambdasonde und/oder der ermittelten Lambdasonden-Temperatur ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der das Abgasgemisch repräsentierende Zustandswert in einen Lambda-Wert umgerechnet wird.
Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine zum Steuern wenigstens einer Lambda-Sonde in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem, dadurch gekennzeichnet, dass in der Motorsteuerung die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführbar sind.