DE10202156A1

DE10202156A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10202156A1
Application number: DE2002102156
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Oliver Kirstein; Michael Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: DE10202156B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei in Abhängigkeit von der Abweichung eines gemessenen Lambda-Istwertes von einem vorbestimmten Lambda-Sollwert ein Lambdaregler-Signal ermittelt wird und dieses Lambdaregler-Signal eine vorgesteuerte Einspritzmenge einer Gemischvorsteuerung betriebspunktmäßig derart verändert, daß ein vorbestimmter Lambda-Sollwert eingehalten wird. Hierbei wird die Veränderung der Gemischvorsteuerung durch das Lambdaregler-Signal in Abhängigkeit von einem zuvor in demselben Betriebspunkt ermittelten Lambdaregler-Signal mit einem Korrekturwert ergänzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei in Abhängigkeit von der Abweichung eines gemessenen Lambda-Istwertes von einem vorbestimmten Lambda-Sollwert ein Lambdaregler-Signal ermittelt wird und dieses Lambdaregler-Signal eine vorgesteuerte Einspritzmenge einer Gemischvorsteuerung betriebspunktabhängig derart verändert, daß ein vorbestimmter Lambda-Sollwert eingehalten wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Sicherstellen von günstigen Verbrauchswerten und einer für die Abgasreinigung optimalen Abgaszusammensetzung ist bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge die möglichst genaue Einhaltung eines betriebspunktabhängig vorgegebenen Soll-Lambda-Wertes erforderlich. Herkömmlicherweise erfolgt dazu zunächst eine Gemischvorsteuerung, die abhängig vom gemessenen oder modellierten angesaugten Luftmassenstrom und/oder dem Saugrohrdruck sowie ggf. weiteren Parametern die einzuspritzende Kraftstoffmasse so bestimmt, daß der vorgegebene Soll-Lambdawert möglichst genau getroffen wird. Bei Ottomotoren ist es üblich, über zumindest eine dem Motor nachgeschaltete Lambdasonde Abweichungen zwischen der Soll-Lambda-Vorgabe und dem tatsächlich vorliegenden Lambda-Wert zu messen und bei Erkennen von Abweichungen eine entsprechende Korrektur durch Anpassung der Vorsteuerung der angesaugten Luftmasse oder der eingespritzten Kraftstoffmasse vorzunehmen. Denkbar, wenngleich nicht im Serieneinsatz, ist dieses Verfahren auch für Dieselmotoren. Zum Einsatz kommen Sprungantwort-Lambdasonden (zum Messen einer stöchiometrischen Abgaszusammensetzung) oder Breitband-Sonden, die gegenwärtig im Lambda-Fenster von ca. 0,7 bis ca. 1,5 mit guter Genauigkeit den tatsächlichen Lambda- Wert des Abgases abbilden können.

Es ist jedoch nachteilig, daß die Gemischvorsteuerung in der Applikationsphase eines Motors festgelegt wird und daß nachfolgend alle Ungenauigkeiten in der Applikation durch die Lambdaregelung ausgeglichen werden müssen. Während die stationäre Abstimmung zumeist mit guter Genauigkeit applizierbar ist, treten im dynamischen Betrieb größere Abweichungen auf, die wegen der Abgaslaufzeit vom Saugrohr bzw. Brennraum bis zur Abgaslambdasonde erst spät erkannt und ausgeregelt werden können. Ferner treten in der Massenfertigung von Motoren und Komponenten Exemplarstreuungen auf, die durch eine Standardapplikation der Gemischvorsteuerung nur unzureichend abgedeckt werden. Für einen weitgehenden Ausgleich stationärer Streuungen ist es bekannt, eine Gemischadaption vorzusehen, die eine Tendenz des Eingriffs des Lambdareglers beobachtet und ggf. die Gemischvorsteuerung pauschal, d. h. nicht betriebspunktabhängig und nicht betriebspunktänderungsabhängig in Richtung fett oder mager korrigiert. Mit dieser Maßnahme kann somit die Dynamikapplikation der Gemischvorsteuerung nicht optimiert werden.

Fig. 1 und 2 veranschaulichen graphisch einen Anfahrvorgang mit einer herkömmlichen Gemischvorsteuerung. Über eine Zeitachse 10 sind der Lambda-Wert (Graph 12), ein Eingriff des Lambdareglers (Graph 14) und eine vorgesteuerte Einspritzmenge (Graph 16) aufgetragen. Bei 18 beginnt der Anfahrvorgang. Beim Eingriff der Kupplung und resultierend schnellem Aufprägen einer Last magert das Abgas-Lambda 12 zunächst wegen einer nicht optimalen Gemischvorsteuerung um ca. 10% aus. Diese gemessene Abweichung zum Soll-Lambdawert von 1,00 verursacht einen Eingriff des Lambdareglers gemäß Graph 14. Nach einer Zeitspanne 20 von ca. 2,5 Sekunden wird der Soll-Lambdawert in einem Fenster von +/-1% wieder eingehalten. In dieser Zeit kann es jedoch insbesondere bei gealterten Katalysatorsystemen zu einem Schadstoffdurchbruch kommen. Bei einer Ausmagerung des Gemisches bricht vorwiegend NOx durch, bei einer Anfettung bricht vorwiegend HC und/oder CO durch. Bei Wiederholung dieses Anfahrvorganges beispielsweise zehnmal, wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird bei jedem dieser Vorgänge ein ähnlicher Lambdaverlauf (Graph 12) mit einem entsprechend heftigen Reglereingriff (Graph 14) auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gemischvorsteuerung im dynamischen Bereich zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Veränderung der Gemischvorsteuerung durch das Lambdaregler-Signal in Abhängigkeit von einem zuvor in demselben Betriebspunkt ermittelten Lambdaregler-Signal mit einem Korrekturwert ergänzt wird.

Dies hat den Vorteil, daß die Gemischvorsteuerung im dynamischen Betrieb durch betriebspunktabhängige und/oder betriebspunktänderungsabhängige Berücksichtigung des Lambdaregeleingriffs ergänzt ist, wodurch sich geringere Schadstoffdurchbrüche ergeben und das Katalysatorsystem kleiner und ggf. mit weniger Edelmetallgehalt ausgebildet werden kann.

Beispielsweise ist der Korrekturwert ein multiplikativer und/oder additiver Faktor.

Zweckmäßigerweise wird der Korrekturwert als ein Bruchteil eines Maximums der vorangegangenen Abweichung des gemessenen Lambda-Signals vom Lambda-Sollwert oder eines Verlaufs eines zuvor ermittelten Lambdaregler-Signals bestimmt und beträgt beispielsweise zwischen 0% und 100%, insbesondere 10% bis 70%, insbesondere 20% bis 30%, des Maximums der vorangegangen Abweichung des gemessenen Lambda- Signals vom Lambda-Sollwert.

Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Gemischvorsteuerung wird dem Korrekturwert zusätzlich ein von der Betriebspunktänderungsgeschwindigkeit abhängiger erster Faktor, beispielsweise als multiplikativer und/oder additiver Faktor, hinzugerechnet, welcher bevorzugt in Abhängigkeit von einer Drehzahländerung, einer Einspritzmengenvorsteueränderung und/oder einer Luftmassenstromänderung bestimmt wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dem Korrekturwert zusätzlich ein von Sondervorgängen, wie beispielsweise Gangwechsel, Schub und Wiedereinsetzen, Anfahren und oder Eingriff von Fahrdynamikhilfen abhängiger zweiter Faktor hinzugerechnet. Der zweite Faktor wird beispielsweise mittels eines vorbestimmten Korrekturalgorithmus berechnet.

Zweckmäßigerweise wird der Korrekturwert unter Berücksichtigung einer Abgaslaufzeit von einem Brennraum bis zu einer Lambdasonde und/oder einer Totzeit der Lambdasonde bestimmt.

Um bei Streuungen des Eingriffs einen Mittelwert zu erhalten, wird in vorteilhafter Weise der vorstehend beschriebene Korrekturwert gefiltert an die Gemischvorsteuerung weitergeleitet.

Einen reduzierten Rechenaufwand in einem Motorsteuergerät erzielt man dadurch, daß der Korrekturwert nur dann bestimmt wird, wenn die Abweichung des gemessenen Lambda-Signals vom Lambda-Sollwert einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

Zweckmäßigerweise verändert der Korrekturwert eine vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzmenge.

Beispielsweise ist die Brennkraftmaschine ein direkteinspritzender oder schichtladefähiger Ottomotor.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Korrekturwert nur dann bestimmt, wenn die Abgastemperatur vor einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysator für zumindest 10 Sekunden, insbesondere für zumindest 30 Sekunden, unterhalb eines Wertes von höchstens 330°C, insbesondere höchstens 300°C, liegt.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
Fig. 1 eine graphische Veranschaulichung eines Anfahrvorganges mit herkömmlicher Gemischvorsteuerung,
Fig. 2 eine graphische Veranschaulichung mehrerer aufeinanderfolgender Anfahrvorgänge mit herkömmlicher Gemischvorsteuerung,
Fig. 3 eine graphische Veranschaulichung zweier aufeinanderfolgender Anfahrvorgänge mit einer erfindungsgemäßen Gemischvorsteuerung und
Fig. 4 eine graphische Veranschaulichung mehrere aufeinanderfolgender Anfahrvorgänge mit einer erfindungsgemäßen Gemischvorsteuerung.
In Fig. 3 sind über eine Zeitachse 10 der Lambda-Wert (Graph 12), ein Eingriff des Lambdareglers (Graph 14) und eine vorgesteuerte Einspritzmenge (Graph 16) aufgetragen. Bei 18a beginnt der erste Anfahrvorgang und bei 18b beginnt der zweite Anfahrvorgang. Nach der Zeitspanne 20 von ca. 2,5 Sekunden hat der Lambdaregler wieder den Lambda-Sollwert eingestellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß aus dem Reglereingriff des Lambdareglers (Graph 14) beim ersten Anfahrvorgang 18a ein Korrekturwert 22 berechnet wird. Dieser bestimmt sich zu 20% des maximalen Reglereingriffs des Lambdareglers (Graph 14). Bei dem Reglereingriff während des zweiten Anfahrvorgang 18b wird dieser Korrekturwert 22 der Änderung der vorgesteuerten Kraftstoffeinspritzmenge (Graph 16) hinzugefügt, was mit Pfeil 24 angedeutet ist. Da sich im vorhergehenden Anfahrvorgang 18a ein maximaler Reglereingriff (Graph 14) von 10% ergab, wird dementsprechend die vorgesteuerte Einspritzmenge (Graph 16) beim zweiten Anfahrvorgang 18b zusätzlich zur Erhöhung gemäß Reglereingriff (Graph 14) um den Korrekturwert 22 von 2% erhöht. Im Ergebnis zeigt sich beim Lambda-Wert (Graph 12) während des zweiten Anfahrvorganges 18b ' eine um 0,02 geringere Ausmagerung, so daß auch ein dementsprechend geringerer Reglereingriff um 2%-Punkte des Lambdareglers (Graph 14) ausreicht.
Erfindungsgemäß setzt sich diese Korrektur der vorgesteuerten Einspritzmenge bei Eingriff des Lambdareglers in die vorgesteuerte Einspritzmenge in Abhängigkeit jeweils des vorhergehenden Lambdaregler-Signal 14 fort, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Mit zunehmender Zahl der aufeinander folgenden Anfahrvorgänge 18 verringert sich die Ausmagerung (Graph 12) und dementsprechend das Maximum des Lambdaregler-Signals (Graph 14). Etwa beim zehnten Anfahrvorgang hat sich ein Beharrungszustand der Gemischvorsteuerung (Graph 16) und des Lambdareglereingriffes (Graph 14) eingestellt, der wesentlich geringer ist als bei herkömmlicher Gemischvorsteuerung gemäß Fig. 2. Mit diesem durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Lambdaverlauf (Graph 12 in Fig. 4) werden geringere Schadstoffdurchbrüche erzielt. Zusätzlich ist eine Verkleinerung des Katalysatorsystems beispielsweise um 20% und/oder eine Absenkung des Edelmetallgehaltes der Katalysatoren beispielsweise um 20% möglich, wodurch sich dementsprechend geringere Herstellungskosten und Bauraumvorteile ergeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit jeder Eingriff des Lambdareglers (Graph 14) teilweise in der Gemischvorsteuerung bei nachfolgenden Eingriffen des Lambdareglers berücksichtigt. Kleiner werdende Eingriffe des Lambdareglers (Graph 14) führen zu geringeren Korrekturwerten 22, bis nahezu ein Beharrungszustand erreicht ist. Dazu wird der Eingriff des Lambdareglers, d. h. das Lambdaregler-Signal (Graph 14), beispielsweise mit einem multiplikativen und/oder additiven Faktor korreliert, der im Falle eines Eingriffs des Lambdareglers der Gemischvorsteuerung in diesem Betriebspunkt zugeschlagen wird. Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Gemischvorsteuerung wird ein multiplikativer und/oder additiver Faktor für die Betriebspunktänderungsgeschwindigkeit (gekennzeichnet durch Drehzahl- und/oder Einspritzmengenvorsteuerungs- und/oder Luftmassenstromänderung) zugeschlagen. Ebenso ist es vorteilhaft, daß Sondervorgänge, wie Gangwechsel, Schub und Wiedereinsetzen, Anfahren oder Eingriffe von Fahrdynamikhilfen über gesonderte Korrekturalgorithmen die Gemischvorsteuerung beeinflussen. Bei der Auswertung des Eingriffs des Lambdareglers wird zweckmäßigerweise eine Abgaslaufzeit von einem Brennraum bis zu einer Lambdasonde sowie eine sondeneigene Totzeit berücksichtigt, so daß der ermittelte Korrekturwert nicht dem aktuellen Arbeitsspiel, sondern einem der vorangegangenen Arbeitsspiele zugeordnet wird. Idealerweise wird der Reglereingriff (Graph 14) gefiltert an die Gemischvorsteuerung weiter geleitet. Damit wird sichergestellt, daß Streuungen des Reglereingriffs zwischen einzelnen, ähnlichen Vorgängen die Gemischvorsteuerung mit einem Mittelwert des Reglereingriffs beeinflussen. Überdies ist es vorteilhaft, Reglereingriffe (Graph 14) in die vorgesteuerte Einspritzmenge (Graph 16) nur dann bei der Gemischvorsteuerung zu berücksichtigen, wenn der Eingriff des Lambdareglers (Graph 14) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Damit kann der Rechenaufwand eines Motorsteuergerätes reduziert und eine Kostenminderung durch einen weniger leistungsfähigen Prozessor ermöglicht werden.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Fahrzeugen mit direkteinspritzenden oder schichtladefähigen Ottomotoren eingesetzt werden, denen zumindest ein Vorkatalysator und stromab zumindest ein NOx-Speicherkatalysator nachgeschaltet ist. Wegen der bei diesen Fahrzeugen gegenüber solchen mit konventionellen Saugrohreinspritzmotoren üblicherweise höheren HC-Rohemissionen und zugleich zumindest im Schichtbetrieb niedrigeren Abgastemperaturen sind die Anforderungen an die Konvertierungsleistung der Abgasreinigung besonders hoch. Da die Konvertierungsleistung von Katalysatoren mit sinkender Temperatur abnehmen kann, bietet das Verfahren besondere Vorteile, wenn die Abgastemperaturen vor einem zumindest ersten Vorkatalysator für zumindest 10 Sekunden, optimal für zumindest 30 Sekunden unterhalb eines Wertes von höchstens 330°C, optimal höchstens 300°C liegen. Insbesondere die in Abhängigkeit vom O₂-, HC- und CO-Massenstrom vor dem Katalysator und vom Abgasmassenstrom und von der Katalysatortemperatur maximal mögliche Konvertierungsrate bricht bei sehr niedrigen Katalysatortemperaturen mit steigendem HC-, CO- oder Abgasmassenstrom stärker ein als bei betriebswarmem Katalysator (Temp. im Kat > 400°C).

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei in Abhängigkeit von der Abweichung eines gemessenen Lambda-Istwertes von einem vorbestimmten Lambda-Sollwert ein Lambdaregler-Signal ermittelt wird und dieses Lambdaregler-Signal eine vorgesteuerte Einspritzmenge einer Gemischvorsteuerung betriebspunktabhängig derart verändert, daß ein vorbestimmter Lambda-Sollwert eingehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Gemischvorsteuerung durch das Lambdaregler-Signal in Abhängigkeit von einem zuvor in demselben Betriebspunkt ermittelten Lambdaregler-Signal mit einem Korrekturwert ergänzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert ein multiplikativer und/oder additiver Faktor ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert als ein Bruchteil eines Maximums oder eines Verlaufs eines zuvor ermittelten Lambdaregler-Signals bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruchteil zwischen 0% und 100%, insbesondere 10% bis 70%, insbesondere 20% bis 30%, des Maximums oder des Verlaufs des zuvor ermittelten Lambdaregler-Signals beträgt.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Korrekturwert zusätzlich ein von der Betriebspunktänderungsgeschwindigkeit abhängiger erster Faktor hinzugerechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Faktor in Abhängigkeit von einer Drehzahländerung, einer Einspritzmengenvorsteueränderung, einer Luftmassenstromänderung und/oder einer Fahrpedalstellungsänderung bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Faktor ein multiplikativer und/oder additiver Faktor ist.

8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Korrekturwert zusätzlich ein von Sondervorgängen abhängiger zweiter Faktor hinzugerechnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondervorgänge einen Gangwechsel, einen Schub und ein Wiedereinsetzen, ein Anfahren aus dem Stillstand und oder Eingriffe von Fahrdynamikhilfen umfassen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Faktor mittels eines vorbestimmten Korrekturalgorithmus bestimmt wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert unter Berücksichtigung einer Abgaslaufzeit von einem Brennraum bis zu einer Lambdasonde und/oder einer Totzeit der Lambdasonde bestimmt wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert gefiltert an die Gemischvorsteuerung weitergeleitet wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert nur dann bestimmt wird, wenn die Abweichung des gemessenen Lambda-Signals vom Lambda-Sollwert einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert eine vorgesteuerte Kraftstoffeinspritzmenge verändert.

15. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein direkteinspritzender oder schichtladefähiger Ottomotor ist.

16. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert nur dann bestimmt wird, wenn die Abgastemperatur vor einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysator für zumindest 10 Sekunden, insbesondere für zumindest 30 Sekunden, unterhalb eines Wertes von höchstens 330°C, insbesondere höchstens 300°C, liegt.