DE10206675C1 - Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelug - Google Patents
Verfahren zur Zwangsanregung bei einer LambdaregelugInfo
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Abstract
Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine, bei der Frequenz und Zwangsanregung abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bestimmt werden, um erhöhte Abgasemissionen zu vermeiden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsanregung einer
Lambdaregelung, mit dem ein Fehler bei einer Lambdasonde er
kannt wird.
Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer
Lambdasonde bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird eine
stromaufwärts eines Katalysators angeordnete Lambdasonde di
agnostiziert. Die zu diagnostizierende Lambdasonde besitzt
eine in ihrem Ausgangssignal stetige Charakteristik. Zur Di
agnose der Lambdasonde wird zu einem Lambda-Sollwert eine pe
riodische Zwangsanregung mit vorgegebener Frequenz und Ampli
tude überlagert. Ein Modell des Lambdaregelungskreises bildet
dessen Streckenverhalten ab, wobei einer der Modellparameter
die Sensorverzögerungszeit darstellt. Aus den Amplitudenver
stärkungen, die sich für Modell und System bei der Zwangsan
regung ergeben, werden die Modellwerte, insbesondere der Mo
dellwert für die Sensorverzögerungszeit adaptiert. Die Lamb
dasonde wird hierbei als defekt erkannt, wenn der Wert für
die Änderung des Modellparameters einen vorgegebenen Schwel
lenwert überschreitet. Dies bedeutet, dass bei einer zu star
ken Adaption der Sensorverzögerungszeit eine Störung der
Lambdasonde erkannt wird. Auf diese Weise kann kontinuierlich
die Funktionsweise der Lambdasonde in dem Lambdareglungskreis
überprüft werden.
Neben dem vorstehenden spezifischen Einsatz der Zwangsanre
gung kann diese vorrangig zur Steigerung des Wirkungsgrades
eines Dreiwegekatalysators eingesetzt werden, wie beispiels
weise in DE 43 44 892 C2 beschrieben. Hierbei wird für die
lineare Lambdaregelung der stöchiometrische Sollwert für die
Luftzahl mit einer Zwangsanregung beaufschlagt. Die Abwei
chung von dem stöchiometrischen Sollwert besitzen abwechselnd
eine Mager- und Fettverschiebung. Bei der Magerverschiebung
wird der Sauerstoffspeicher des Katalysators gefüllt, es wird
O2 eingelagert, während bei der Fettverschiebung der Kataly
sator wieder geleert wird. Dieser Füll- und Leervorgang ist
abhängig von der Sollwertverschiebung (Amplitude der Zwangs
anregung) und der Dauer der Verschiebung. Es ist bekannt, die
Zwangsanregung in einem zeitbasierten Ansatz mit gleicher
Amplitude und gleicher Dauer für Fett- und Mageranregung
durchzuführen.
In der DE 197 44 410 C2 ist ein Verfahren zur Überwachung der
Laufruheregelung eines Verbrennungsmotors beschrieben. Die
Laufruhe wird mit wenigstens einer über eine Regeleinrichtung
regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhal
tens geregelt. Hierzu werden Messsignale, die wenigstens ei
ner Temperatur am Katalysator entsprechen aufgenommen und
ausgewertet. Die Auswertung erfolgt durch Vergleich mit einem
Referenzwert der Temperatur für die Überwachung der Laufruhe.
Der Referenzwert wird mittels eines funktionalen Zusammenhan
ges abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbren
nungsmotors variiert. Die Stellgröße wird abgeleitet von Sig
nalen zweier Abgassensoren, von denen je einer stromaufwärts
und je einer stromabwärts des Katalysators angeordnet ist.
Hierzu sind die beiden Abgassensoren mit einer Messwerterfas
sung und Auswertungseinheit verbunden. In dieser werden neben
der Verarbeitung der üblichen Messsignale der Sensoren auch
die Innenwiderstände bestimmt und verarbeitet und mit einem
festgelegten Schwellenwert verglichen. Daraus wird eine
Stellgröße abgeleitet und einem Stellglied zugeführt. Eine
Zwangsanregung der Lambdaregelung ist in dieser Druckschrift
nicht angesprochen.
Als nachteilig an der bisherigen rein last- und drehzahlab
hängigen Zwangsanregung, auch als forced stimulation bezeich
net, hat sich herausgestellt, dass durch die Änderung der
Lambda-Sollwerte es zu einer erhöhten Abgasemission kommt,
dies insbesondere bei Katalysatoren, die über längere Zeit
benutzt worden sind, oder bei Katalysatoren mit geringer E
delmetallbeladung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Zwangsanregung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine
bereitzustellen, das sich nicht nachteilig auf die Abgasemis
sion auswirkt und über weite Betriebsbereiche eine gute Ab
gaskonvertierung sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den
Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 erfolgt die Auswahl der Werte für Amplitude
und Frequenz der Zwangsanregung abhängig von einer Betriebs
temperatur der Brennkraftmaschine. Dieser Lösung der erfin
dungsgemäßen Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die
bekannte Zwangsanregung für einige Betriebszustände zu einer
schlechten Konvertierung der Abgase führt. Indem Amplitude
und Frequenz der Zwangsanregung an die Betriebstemperatur an
gepasst sind, werden erfindungsgemäß auch im Niedriglast- und
Leerlaufbereich sowie nach einem Kaltstart erhöhte Abgasemis
sionswerte vermieden. Bevorzugt hängen die Werte für Amplitu
de und/oder Frequenz der Zwangsanregung von der Betriebstem
peratur des Kühlwassers ab (Anspruch 2). Bisher ist es üb
lich, dass die Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung sich
auf eine Kühlwassertemperatur von 85°C beziehen. Weicht die
Temperatur des Kühlwassers hiervon ab, ergeben sich deutlich
andere Konvertierungsraten für den Katalysator und mithin ein
anderes Verhalten des geschlossenen Lambdaregelkreises. Um
eine wirkungsvolle Zwangsanregung in dem Lambdaregelkreis
durchzuführen, ohne eine zusätzliche Erhöhung der Abgasemis
sion zu erzielen, werden Frequenz und Amplitude an den geän
derten Lambdaregelkreis angepasst.
Die Werte für Amplitude und/oder Frequenz können auch abhän
gig von der Temperatur des Zylinderkopfs (Anspruch 3) und/
oder der Öltemperatur (Anspruch 4) für die Zwangsanregung be
stimmt werden. Bevorzugt werden neben der Betriebstemperatur
auch die Luftmasse und die Drehzahl vorbestimmter Temperatur
werte berücksichtigt (Anspruch 5).
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Zwangsanregung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit
Abgassystem,
Fig. 2 Verlauf einer Zwangsanregung nach dem Stand der
Technik,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Zwangsanregung und
Fig. 4 Berechnung von Frequenz und Amplitudensollwerten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zwangsanregung wird nach
folgend anhand von Fig. 1 näher erläutert. Eine schematisch
dargestellte Brennkraftmaschine 10 saugt über einen Ansaug
trakt 12 in Pfeilrichtung Luft an. Die aus der Brennkraftma
schine 10 ausgetretene Luft wird über einen Abgastrakt 14 in
einen Dreiwegekatalysator 16 geleitet. Stromaufwärts von dem
Katalysator 16 ist eine erste Sauerstoffsonde 18 vorgesehen,
deren Ausgangssignal stetig von der Luftzahl Lambda in dem
Abgasstrom abhängt. Die Sauerstoffsensoren werden auch als
Lambdasonden bezeichnet. Stromabwärts von dem Katalysator 16
ist eine zweite Lambdasonde 20 angeordnet, die den Katalysa
torwirkungsgrad überprüft und als eine lineare Sonde oder ei
ne sogenannte Sprungsonde ausgebildet sein kann.
Die Signale der Lambdasonden 18 und 20 werden an eine Lambda
regelungseinrichtung 22 weitergeleitet, die aus den beiden
gelieferten Signalen auf den Wirkungsgrad des Katalysators 16
und damit auf die Konvertierung der Abgase schließt.
Die Lambdaregelungseinrichtung bestimmt einen Lambda-Sollwert
als Stellgröße und gibt diesen an eine Motorsteuerung 24 wei
ter. Ferner kann die Lambdaregelungseinrichtung ein Modell
für das Verhalten der Regelungsstrecke besitzen. Das Modell
beinhaltet, als einen Modellparameter die Sensorverzögerungs
zeit. Wie aus DE 195 16 239 C2 bekannt, hat die Übertragungs
funktion der Lambdaregelstrecke ein Verhalten wie das Hinter
einanderschalten zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung
und einem Totzeitglied. Um eine möglichst geringe Änderung
der Abgasemission bei der Zwangsanregung zu erhalten, werden
Frequenz und Amplitude abhängig von Drehzahl und Last sowie
der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine festgelegt.
In Fig. 2 ist der Lambda-Sollwert über die Zeit dargestellt.
Der Lambda-Sollwert schwankt bei der bekannten Zwangsanregung
um einen Mittelwert 26, bei dem stöchiometrische Verbrennung
erfolgt. Die Zwangsanregung kann in einen fetten Teil 28 und
einen mageren Teil 30 unterteilt werden. Die Amplituden 32
und 34 der jeweiligen Anregung sind gleich groß. Ebenso be
sitzen die magere und die fette Halbwelle 28 bzw. 30 die
gleiche Dauer 36 bzw. 38.
Fig. 3 zeigt beispielhaft die Lambda-Sollwerte bei der erfin
dungsgemäßen Zwangsanregung. Der Lambda-Sollwert ist hierbei
zu 0,998 vorgegeben, um die Gefahr von NOx-Durchbrüchen zu
verringern. Die erfindungsgemäße Zwangsanregung besitzt eine
magere Halbwelle 40, mit einer Dauer tmager 42 und eine Ampli
tude Amager 44.
An die magere Halbwelle 40 schließt sich eine fette Halbwelle
46 an. Die fette Halbwelle 46 besitzt eine Dauer tfett 48 und
eine Amplitude Afett 50. Bei der erfindungsgemäßen Zwangsanre
gung können die vier die Zwangsanregung charakterisierenden
Parameter: tmager, Amager, tfett, Afett unabhängig voneinander ge
wählt werden.
Die Bestimmung der Parameter wird an einem Blockschaltbild zu
Fig. 4 verdeutlicht. Ein erstes Kennfeld 52 bestimmt abhängig
von Drehzahl und Last die Werte für eine erste Frequenz und
eine erste Amplitude. Die Frequenz ist als inverse Perioden
dauer definiert, wobei die Periodendauer der Zeitabschnitt
einer definierten Abgaspaketfolge von mageren und fetten Ab
gaspaketen ist, die sich bei stationären Betriebsbedingungen
(d. h. bei gleicher Abgasmenge pro Zeit und gleiche Abgaszu
sammensetzung) regelmäßig wiederholt. Unter Mager-/Fett-
Amplitude werden die Lambdawerte von einzelnen Abgaspaketen
der Abgaspaketfolge verstanden. Das Kennfeld 52 bestimmt Fre
quenz und Amplitude für eine erste Temperatur T1. Das Kenn
feld 54 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für
eine zweite Frequenz und eine zweite Amplitude. Die Tupel aus
Frequenz und Amplitude werden an eine Berechnungseinheit 56
weitergeleitet. Die Berechnungseinheit 56 bestimmt abhängig
von dem Istwert 58 für die Betriebstemperatur durch eine li
neare oder eine nicht lineare Interpolation das Tupel von
Sollwerten für Frequenz und Amplitude 60.
Die in Fig. 4 gezeigte Berechnungsweise kann ebenfalls durch
ein dreidimensionales Kennfeld ersetzt werden.
Besondere Vorzüge zeigt das erfindungsgemäße Verfahren der
betriebstemperaturabhängigen Zwangsanregung auch im Zusammen
hang bei einem sogenannten elektronischen Thermomanagement,
bei dem die Betriebstemperatur des Motors mit dem Ziel eines
geringen Kraftstoffverbrauchs und guter Abgaswerte gezielt
variiert wird. Die Wirkungsweise des Thermomanagements wird
durch eine gezielte Anpassung der Zwangsregelung an die Be
triebstemperatur unterstützt.
Der Grenzwert, mit dem die Änderung des Modellparameters ge
wählt wird, hängt in einer bevorzugten Ausgestaltung eben
falls von der Betriebstemperatur ab. Zusätzlich kann der
Grenzwert von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschi
ne abhängen.
Für die Zwangsanregung können eine Rechteckschwingung oder
eine sinusförmige Schwingung eingesetzt werden. Ebenfalls ist
es möglich eine Zwangsanregung mit einer sägezahnförmigen
Schwingung oder einem anderem Anregungsmuster vorzusehen. Die
sägezahnförmige Schwingung ist durch Amplitude, Frequenz und
Anstiegszeit gekennzeichnet. Auch die Anstiegszeit kann bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren abhängig von der Betriebstem
peratur gewählt werden.
Claims (6)
1. Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung bei
einer Brennkraftmaschine, das die folgenden Verfahrens
schritte aufweist:
- - zu einem Lambda-Sollwert wird eine Zwangsanregung mit mindestens einer Frequenz und einer Amplitude überlagert, die einen mageren und einen fetten Ab schnitt besitzt,
- - die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung werden abhängig von einer Betriebs temperatur der Brennkraftmaschine bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsan
regung abhängig von der Betriebstemperatur des Kühlwas
sers bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der
Zwangsanregung zusätzlich abhängig von der Betriebstem
peratur des Zylinderkopfes bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Fre
quenz der Zwangsanregung zusätzlich anhängig von der Be
triebstemperatur des Öls bestimmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Fre
quenz der Zwangsanregung abhängig von der Luftmasse und
der Drehzahl bei vorbestimmten Temperaturen bestimmt
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
ein erstes Kennfeld (52) für eine erste Temperatur ab
hängig von Last und Drehzahl erste Sollwerte für Fre
quenz und Amplitude bestimmt und ein zweites Kennfeld
(54) für eine zweite Temperatur abhängig von Last und
Drehzahl zweite Sollwerte für Frequenz und Amplitude be
stimmt und eine Vergleichseinrichtung (56) abhängig von
der Betriebstemperatur (58) den Sollwerte für die vor
liegende Betriebstemperatur interpoliert oder extrapo
liert.
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