DE10328015A1 - Virtuelle Lambdasonde für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Michael KRÖGER
Jens Dr. Drückhammer
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (lambda¶VK¶) in einem Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einem dem Verbrennungsmotor (2) nachgeordneten Abgassystem (5), wobei ein Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (lambda¶VK¶) im Abgassystem (5) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters (AGR, m¶A¶, m¶K¶, m¶L¶, n, T¶M¶, lambda¶NK¶) des Antriebssystems (1) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, aufweisenden Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug.
  • Eine derartige Einrichtung ist aus dem Buch Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, insbesondere Seiten 117, 118 und 521 bis 525 bekannt. Eine derartige Einrichtung wird in bekannter Weise für eine sogenannte Lambda-Regelung eingesetzt. Für die Einhaltung der heute gültigen niedrigen Emissionsgrenzwerte der Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoff (HC) hat sich die katalytische Nachbehandlung des Abgases mit Hilfe eines geregelten Dreiwegekatalysators durchgesetzt. Für die vollständige Verbrennung von Kraftstoff ergibt sich ein Luftbedarf von ca. 14,7 kg Luft je 1 kg Kraftstoff. Zur Charakterisierung der Gemischzusammensetzung ist die Luftzahl λ (Lambda) definiert. Sie ist das Verhältnis des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Im wesentlichen werden beim Ottomotor zwei Regelkonzepte zur Abgasoptimierung angewandt, eine Regelung auf λ = 1 und eine Regelung auf λ > 1 (Magerregelung).
  • Bei einer Regelung auf λ = 1, die die höchste Effektivität der Schadstoffminimierung aufweist, wird der Motor in einem sehr engen Bereich λ = 1 ± 0,005 (Katalysatorfenster) betrieben. Diese Genauigkeit ist gemäß dem Buch Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, insbesondere Seite 522 nur durch eine präzise Regelung des Gemisches mit einer Lambda-Sonde als Sensor vor dem Katalysator zu erreichen. Mit einer zweiten Sonde hinter dem Katalysator lässt sich die Präzision gemäß dem Buch Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, insbesondere Seite 522 noch weiter steigern.
  • Der wesentliche Vorteil einer Magerregelung liegt in der Reduzierung des Kraftstoffverbrauches durch mageren Betrieb des Verbrennungsmotors. Der Erfolg dieses Regelkonzeptes hängt weitgehend von der Verfügbarkeit der Katalysatoren ab, die bei magerem Betrieb NOx reduzieren können.
  • Lambda-Sonden sind aus dem Buch Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4 in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. So ist z.B. eine Zirkon-Dioxid-Sonde (für die Regelung auf λ = 1) bekannt. Diese Sonde arbeitet nach dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit Festelektrolyt, dessen Keramik aus Zirkondioxid und Yttriumoxid besteht. Als nahezu reiner Sauerstoffionenleiter trennt dieses Mischoxid das Abgas und die Umgebungsluft. Ein Rückschluss auf den Lambda-Wert des Abgases über die Messung der Sauerstoffkonzentration ist nur möglich, wenn die katalytisch aktiven Elektroden ein thermodynamisches Gasgleichgewicht einstellen. In diesem Fall hat die Kennlinie dieser Sonde bei λ = 1 eine Sprungcharakteristik. Die beschriebene auch als "Sprungsonde" bezeichnete Zirkon-Dioxid-Sonde hat im mageren Bereich (λ nahe 1) nur eine beschränkte Anwendung gefunden. Spezielle Maßnahmen zum Stabilisieren der Sonde sowie der Einsatz eines leistungsstarken Heizers (etwa 18 W) erlauben den Einsatz bis ca. λ ≤ 1,5.
  • Zudem ist eine sogenannte resistive Sonde bekannt. Bei einer derartigen Sonde wird ausgenutzt, dass oxidische Halbleiter wie Titandioxid oder Strontiumtitanat wegen der Änderung der O2-Leerstellenkonzentration des Oxids ihre Volumenleitfähigkeit verändern.
  • Es ist weiterhin eine nach dem Grenzstromprinzip arbeitende Magersonde bekannt, die die Messung beliebiger Werte oberhalb von λ = 1 erlaubt. Bei Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung an zwei auf einer ZrO2-Keramik aufgebrachten Elektroden werden O2-Ionen von einer Kathode zu einer Anode gepumpt. Da eine Diffusionsbarriere das Nachfließen von O2-Molekülen aus dem Abgas zur Kathode behindert, wird oberhalb eines Schwellenwertes der Pumpspannung eine Stromsättigung erreicht. Der sich einstellende Grenzstrom ist näherungsweise proportional zur Sauerstoffkonzentration. Dieses Sondenprinzip lässt sich besonders bei Magerkonzepten anwenden.
  • Bei Mager-Mix-Konzepten, bei denen häufig ein Regelsollwort von λ = 1 erwünscht ist, eignet sich besonders eine sogenannte Breitbandsonde. Diese Sonde ist eine Kombination aus einer Magersonde nach dem Grenzstromprinzip und der Zirkon-Dioxid-Sonde (Nernst-Konzentrationszelle). Als Zweizellen-Sensor liefert sie in Verbindung mit einer Regelelektronik in einem weiten Lambda-Bereich (0,7 < λ < 4) ein eindeutiges, linear ansteigendes Signal. Die Pumpzelle und die Konzentrationszelle sind mit ZrO2 mit je zwei porösen Platinelektroden beschichtet und so angeordnet, dass dazwischen ein Messspalt von 10 bis 50 μm Höhe entsteht. Dieser Messspalt ist über eine Gaseinlassöffnung im Festelektrolyt mit der umgebenden Gasatmosphäre verbunden; er ist gleichzeitig die Diffusionsbarriere, die den Grenzstrom bestimmt. Eine elektronische Schaltung regelt die an der Pumpzelle anliegende Spannung so, dass die Zusammensetzung des Gases im Messspalt konstant bei λ = 1 liegt. Dies entspricht einer Spannung an der Konzentrationszelle von 450 mV. Bei magerem Abgas pumpt die Pumpzelle den Sauerstoff vom Messspalt nach außen. Bei fettem Abgas wird dagegen der Sauerstoff aus dem Abgas der Umgebung (durch Zersetzung von CO2 und H2O) in den Messspalt gepumpt und die Stromrichtung umgekehrt. Der Pumpstrom ist dabei proportional der Sauerstoffkonzentration bzw. dem Sauerstoffbedarf. Ein integrierter Heizer sorgt für die Betriebstemperatur von mindestens 600°C.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zur Abgasemission zu verbessern und/oder deren Kosten zu senken.
  • Vorgenannte Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und mit einem dem Verbrennungsmotor nachgeordneten Abgassystem gelöst, wobei ein Lambdaberechner zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgassystem in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters des Antriebssystems vorgesehen ist. Der Lambdaberechner kann daher als virtuelle Lambdasonde angesehen werden.
  • Der Ausdruck Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist im Sinne der Erfindung sowohl als Luft-Kraftstoff-Verhältnis (im eigentlichen Sinne) als auch als Synonym für die Luftzahl Lambda, also dem Verhältnis des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu verstehen.
  • Betriebsparameter des Antriebssystems im Sinne der Erfindung können der Ausgangswert einer (realen) Lambda-Sonde, insbesondere einer Breitbandsonde, eine Drehzahl des Verbrennungsmotors, eine Abgasrückführungsrate eines Abgasrückführungssystems, eine Masse von dem Verbrennungsmotor zugeführter Luft bzw. ein Massestrom von dem Verbrennungsmotor zugeführter Luft, eine Masse von dem Verbrennungsmotor zugeführtem Kraftstoff bzw. ein Massestrom von dem Verbrennungsmotor zugeführtem Kraftstoff, eine Temperatur des Verbrennungsmotors, eine Temperatur eines Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors, ein Massestrom eines mittels des Abgassystems abgeführten Abgasgemisches und/oder eine Temperatur des Abgasgemisches sein.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Lambdaberechner ein neuronales Netz auf, das in weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netz (LRGF) ist. Das Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netz weist vorteilhafterweise für alle lokalen Rückführungen Verstärkungen auf, die kleiner als 1 sind.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das neuronale Netz eine verdeckte Schicht mit zumindest vier Neuronen auf.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Lambdaberechner zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgassystem in Abhängigkeit von zumindest vier Betriebsparametern des Antriebssystems ausgebildet.
  • Vorgenannte Aufgabe wird zudem durch ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor zum Verbrennen eines Luft und einen Kraftstoff enthaltenden Gemisches und mit einem dem Verbrennungsmotor nachgeordneten Abgassystem zum Abführen eines durch Verbrennung eines Kraftstoffes bzw. eines Gemisches aus Luft und einem Kraftstoff entstehenden Abgasgemisches gelöst, wobei das Antriebssystem einen Lambdaberechner zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgassystem in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters des Antriebssystems aufweist.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebssystem einen Katalysator und eine hinter dem Katalysator angeordnete Lambdasonde zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hinter dem Katalysator auf, wobei der Lambdaberechner zur Bestimmung bzw. Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Katalysator in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hinter dem Katalysator ausgebildet ist.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebssystem einen Katalysator und eine vor dem Katalysator angeordnete Lambdasonde zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Katalysator auf, wobei der Lambdaberechner zur Bestimmung bzw. Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hinter dem Katalysator in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Katalysator ausgebildet ist.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebssystem einen Vorkatalysator, einen hinter dem Vorkatalysator angeordneten Hauptkatalysator und eine zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator angeordnete Lambdasonde auf, wobei der Lambdaberechner zur Bestimmung bzw. Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Vorkatalysator in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hinter dem Vorkatalysator ausgebildet ist.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebssystem eine Diagnoseeinrichtung zur Diagnose eines Katalysators, z.B. des Vorkatalysators oder des Hauptkatalysators, insbesondere des Vorkatalysators, auf. Die Diagnose erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit des mittels der Lambdasonde bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Die Diagnose erfolgt vorteilhafterweise zudem in Abhängigkeit des mittels des Lambdaberechners bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Die Diagnoseeinrichtung und der Lambdaberechner können auch in einem neuronalen Netz integriert sein.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Lambdaberechner zur Bestimmung bzw. Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit einer Drehzahl des Verbrennungsmotors ausgebildet.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebssystem ein Abgasrückführungssystem auf, wobei der Lambdaberechner zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit einer Abgasrückführungsrate des Abgasrückführungssystems ausgebildet ist.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Lambdaberechner zur Bestimmung bzw. Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit der Masse der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft bzw. in Abhängigkeit des, insbesondere relativen, Massestromes der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft ausgebildet. Ein relativer Massestrom der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft in Sinne der Erfindung kann der prozentuale Anteil von Luft in einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch sein.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Lambdaberechner zur Bestimmung bzw. Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit der Masse des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffes bzw. in Abhängigkeit des, insbesondere relativen, Massestromes des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffes ausgebildet. Ein relativer Massestrom des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffes in Sinne der Erfindung kann der prozentuale Anteil von Kraftstoff in einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch sein
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Lambdaberechner zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit der Temperatur des Verbrennungsmotors ausgebildet. Die Temperatur des Verbrennungsmotors im Sinne der Erfindung kann auch die Temperatur eines Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors umfassen.
  • Das mittels des Lambdaberechners bestimmte Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann für eine Lambdaregelung eingesetzt werden.
  • In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Lambdaberechner zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit eines Massestromes des Abgasgemisches ausgebildet.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel für ein Antriebssystem,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel für ein neuronales Netz als Lambdaberechner,
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein neuronales Netz als Lambdaberechner,
  • 4 ein Ausführungsbeispiel für ein Neuron eines neuronalen Netzes und
  • 5 ein Ausführungsbeispiel für ein neuronales Netz als Lambdaberechner und Diagnoseeinrichtung.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Antriebssystem 1. Das Antriebssystem 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 und ein nachgeordnetes Abgassystem 5 zum Abführen eines bei der Verbrennung eines Kraftstoffes entstehenden Abgasgemisches auf. Die Strömungsrichtung des abzuführenden Abgasgemisches ist durch den Pfeil 20 dargestellt. Das Abgassystem 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Vorkatalysator 6 und einen Nachkatalysator 7 auf, ohne dass die Erfindung auf eine derartige Ausführung beschränkt sein soll. Das Antriebssystem 1 weist zudem einen vor dem Verbrennungsmotor 2 angeordneten Luftmassensensor 3 zum Messen eines Massestromes mL von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführter Luft und eine ebenfalls vor dem Verbrennungsmotor 2 angeordnete Drosselklappe 4 auf.
  • In der vorliegenden beispielhaften Ausgestaltung ist hinter dem Vorkatalysator 6 eine Lambdasonde 8 angeordnet, die als Ausgangswert ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λNK hinter dem Vorkatalysator 6 liefert. Die Lambdasonde 8 kann als eine der einleitend genannten Lambdasonden aufgeführt sein, ist jedoch vorteilhafterweise eine Breibandsonde.
  • Das Antriebssystem 1 weist weiterhin ein Steuergerät 13 auf, auf dem eine Motorsteuerung 12 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 2, ein Lambdaberechner 10 und eine Diagnoseeinrichtung 11 implementiert sind. Selbstverständlich können die Motorsteuerung 12, der Lambdaberechner 10, die Diagnoseeinrichtung 11 und/oder Teile von ihnen auf separater Hardware implementiert sein.
  • Die Motorsteuerung 12 liefert dem Lambdaberechner 10 Werte für den Massestrom mL von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführter Luft, für eine Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2, für einen Massestrom mK von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführtem Kraftstoff und für eine Temperatur TM eines Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors 2.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Antriebssystem eine nicht dargestellte Abgasrückführung aufweist. In diesem Fall kann vorgesehen werden, dass die Motorsteuerung 12 dem Lambdaberechner 10 Werte einer Abgasrückführungsrate AGR des Abgasrückführungssystems liefert. Einzelheiten eines derartigen Abgasrückführungssystems können dem Buch Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 23. Auflage, Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, insbesondere Seiten 435, 501, 519 und 520 entnommen werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel errechnet der Lambdaberechner 10 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λVK vor dem Vorkatalysator 6 in Abhängigkeit des Massestromes mL von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführter Luft, der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2, des Massestromes mK von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführtem Kraftstoff, der Temperatur TM des Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors 2, der Abgasrückführungsrate AGR des Abgasrückführungssystems und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λNK hinter dem Vorkatalysator 6.
  • Die Diagnoseeinrichtung ermittelt in Angängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λN K hinter dem Vorkatalysator 6 und des von dem Lambdaberechner 10 ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λVK vor dem Vorkatalysator 6 einen Diagnosewert DVK für den Vorkatalysator 6. Der Diagnosewert DVK für den Vorkatalysator 6 kann z.B. ein Flag sein, der dann gesetzt wird, wenn der Vorkatalysator 6 als defekt diagnostiziert wird.
  • Der Lambdaberechner 10 ist vorteilhafterweise als neuronales Netz ausgebildet. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein derartiges neuronales Netz. Das neuronale Netz weist eine Eingangsschicht mit sechs Eingangsneuronen 30, 31, 32, 33, 34 und 35, eine verdeckte Schicht mit sieben Neuronen 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 sowie eine Ausgangsschicht mit einem Ausgangsneuron 50 auf. Jedes der Eingangsneuronen 30, 31, 32, 33, 34 und 35 ist mit jedem der Neuronen 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 der verdeckten Schicht verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nur die Verbindungen des Eingangsneurons 30 mit den Neuronen 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 der verdeckten Schicht dargestellt. Jedes der Neuronen 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46 der verdeckten Schicht ist mit dem Ausgangsneuron 50 verbunden.
  • Die Eingangsgrößen der Eingangsneuronen 30, 31, 32, 33, 34 bzw. 35 sind das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λNK hinter dem Vorkatalysator 6, die Abgasrückführungsrate AGR des Abgasrückführungssystems, der Massestrom mK von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführtem Kraftstoff, die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2, der Massestrom mL von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführter Luft bzw. die Temperatur TM des Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors 2. Die Ausgangsgröße des Ausgangsneurons 50 ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λVK vor dem Vorkatalysator 6.
  • 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein derartiges neuronales Netz. Das neuronale Netz weist eine Eingangsschicht mit sieben Eingangsneuronen 60, 61, 62, 63, 64, 65 und 66, eine verdeckte Schicht mit sieben Neuronen 70, 71, 72, 73, 74, 75 und 76 sowie eine Ausgangsschicht mit einem Ausgangsneuron 80 auf. Jedes der Eingangsneuronen 60, 61, 62, 63, 64, 65 und 66 ist mit jedem der Neuronen 70, 71, 72, 73, 74, 75 und 76 der verdeckten Schicht verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nur die Verbindungen des Eingangsneurons 60 mit den Neuronen 70, 71, 72, 73, 74, 75 und 76 der verdeckten Schicht dargestellt. Jedes der Neuronen 70, 71, 72, 73, 74, 75 und 76 der verdeckten Schicht ist mit dem Ausgangsneuron 80 verbunden.
  • Die Eingangsgrößen der Eingangsneuronen 60, 61, 62, 63, 64, 65 bzw. 66 sind das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λNK hinter dem Vorkatalysator 6, die Abgasrückführungsrate AGR des Abgasrückführungssystems, der Massestrom mK von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführtem Kraftstoff, die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2, der Massestrom mL von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführter Luft, die Temperatur TM des Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors 2 bzw. ein Massestrom mA eines mittels des Abgassystems 5 abgeführten Abgasgemisches. In diesem Fall ist der Massestrom mA des abgeführten Abgasgemisches als Eingangsgröße des Lambdaberechners 10 vorzusehen. Die Ausgangsgröße des Ausgangsneurons 80 ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λVK vor dem Vorkatalysator 6.
  • Alternative oder zusätzliche Eingangsgrößen der Eingangsneuronen 60, 61, 62, 63, 64, 65 und 66 können z.B. eine Temperatur des Verbrennungsmotors und/oder eine Temperatur des Abgasgemisches sein. Die Anzahl der Eingangsneuronen ist entsprechend anzupassen.
  • Die neuronalen Netze gemäß 2 und 3 sind in vorteilhafter Ausgestaltung dynamische oder rekurrente neuronale Netze. Derartige neuronale Netze besitzen eine Netzstruktur mit einer Zeitverzögerung bzw. einer Speicherung mindestens eines Zustandes, Ein- oder Ausgangswertes seiner Neuronen vorsieht. Für die Zeitverzögerung besitzt jedes Neuron in bestimmten Schichten eine individuelle Rückführung und verfügt somit über eine eingebaute Dynamik. Hierbei handelt es sich um sogenannte Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netze (LRGF). Diese Struktur ermöglicht eine Überprüfung des dynamischen Modellverhaltens hinsichtlich Stabilität mit Hilfe des folgenden Kriteriums: Ein neuronales Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netz ist global asymptotisch stabil, wenn die Verstärkungsfaktoren aller lokalen Rückführungen vom Betrag kleiner 1 sind. Dieses Stabilitätskriterium lässt sich somit in ein Lernverfahren integrieren, indem sichergestellt wird, dass alle Parameter bzw. Wichtungen in den lokalen Rückführungen vom Betrag kleiner 1 sind. Einzelheiten eines Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netzes können der DE 100 10 681 A1 entnommen werden.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Neuron 90 eines neuronalen Netzes gemäß 2 und 3. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 91 ein Neuron eines üblichen neuronalen Netzes und Bezugszeichen 92 einen als Verzögerungsglied eingesetzten Speicher mit einem Verstärkungsfaktor. Der Verstärkungsfaktor ist kleiner als 1.
  • Die Diagnoseeinrichtung 11 und der Lambdaberechner 10 können auch in einem neuronalen Netz integriert sein. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein derartiges neuronales Netz als Lambdaberechner und Diagnoseeinrichtung. Das neuronale Netz weist eine Eingangsschicht mit sieben Eingangsneuronen 100, 101, 102, 103, 104, 105 und 106, eine verdeckte Schicht mit sieben Neuronen 110, 111, 112, 113, 114, 115 und 116 sowie eine Ausgangsschicht mit zwei Ausgangsneuronen 120 und 121 auf. Jedes der Eingangsneuronen 100, 101, 102, 103, 104, 105 und 106 ist mit jedem der Neuronen 110, 111, 112, 113, 114, 115 und 116 der verdeckten Schicht verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nur die Verbindungen des Eingangsneurons 100 mit den Neuronen 110, 111, 112, 113, 114, 115 und 116 der verdeckten Schicht dargestellt. Jedes der Neuronen 110, 111, 112, 113, 114, 115 und 116 der verdeckten Schicht ist mit jedem der Ausgangsneuronen 120 und 121 verbunden.
  • Die Eingangsgrößen der Eingangsneuronen 100, 101, 102, 103, 104, 105 bzw. 106 sind das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λNK hinter dem Vorkatalysator 6, die Abgasrückführungsrate AGR des Abgasrückführungssystems, der Massestrom mK von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführtem Kraftstoff, die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2, der Massestrom mL von dem Verbrennungsmotor 2 zugeführter Luft, die Temperatur TM des Kühlmittels zum Kühlen des Verbrennungsmotors 2 bzw. ein Massestrom mA eines mittels des Abgassystems 5 abgeführten Abgasgemisches. Die Ausgangsgrößen der Ausgangsneuronen 120 bzw. 121 sind der Diagnosewert DVK für den Vorkatalysator 6 bzw. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λVK vor dem Vorkatalysator 6. Der Diagnosewert DVK für den Vorkatalysator 6 kann ebenfalls z.B. ein Flag sein, der dann gesetzt wird, wenn der Vorkatalysator 6 als defekt diagnostiziert wird.
  • Das neuronale Netz gemäß 5 ist in vorteilhafter Ausgestaltung ebenfalls ein Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netz.
    • 1
    Antriebssystem
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Luftmassensensor
    4
    Drosselklappe
    5
    Abgassystem
    6
    Vorkatalysator
    7
    Nachkatalysator
    8
    Lambdasonde
    10
    Lambdaberechner
    11
    Diagnoseeinrichtung
    12
    Motorsteuerung
    13
    Steuergerät
    20
    Pfeil (Strömungsrichtung eines abzuführenden Abgasgemisches)
    30, 31, 32, 33, 34,
    35, 60, 61, 62, 63
    64, 65, 66, 100, 101
    102, 103, 104, 105,
    106
    Eingangsneuron
    40, 41, 42, 43, 44,
    45, 46, 70, 71, 72,
    73, 74, 75, 76, 110,
    111, 112, 113, 114,
    115, 116
    Neuron einer verdeckten Schicht
    50, 80, 120, 121
    Ausgangsneuronen
    90
    Neuron
    91
    Neuron
    92
    Speicher
    AGR
    Abgasrückführungsrate eines Abgasrückführungssystems
    DVK
    Diagnosewert für einen Vorkatalysator
    mA
    Massestromes eines Abgasgemisches
    mK
    Massestrom von einem Verbrennungsmotor zugeführtem Kraftstoff
    mL
    Massestrom von einem Verbrennungsmotor zugeführter Luft
    n
    Drehzahl eines Verbrennungsmotors
    TM
    Temperatur eines Kühlmittels zum Kühlen eines Verbrennungs
    motors
    λVK
    Luft-Kraftstoff-Verhältnis vor einem Vorkatalysator
    λNK
    Luft-Kraftstoff-Verhältnis hinter einem Vorkatalysator

Claims (20)

  1. Einrichtung zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und mit einem dem Verbrennungsmotor (2) nachgeordneten Abgassystem (5), dadurch gekennzeichnet, dass ein Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) im Abgassystem (5) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters (AGR, mA, mK, mL, n, TM, λNK) des Antriebssystems (1) vorgesehen ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) eine neuronales Netz aufweist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das neuronale Netz ein Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netz ist.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Local-Recurrent-Global-Feedforward-Netz für alle lokalen Rückführungen Verstärkungen aufweist, die kleiner als 1 sind.
  5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das neuronale Netz eine verdeckte Schicht mit zumindest vier Neuronen (40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116) aufweist.
  6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgassystem (5) in Abhängigkeit von zumindest vier Betriebsparametern (AGR, mA, mK, mL, n, TM, λNK) des Antriebssystems (1) ausgebildet ist.
  7. Antriebssystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) zum Verbrennen eines Luft und einem Kraftstoff enthaltenden Gemisches und mit einem dem Verbrennungsmotor (2) nachgeordneten Abgassystem (5) zum Abführen eines durch die Verbrennung des Kraftstoffes entstehenden Abgasgemisches, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) einen Lambdaberechner (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) im Abgassystem (5) in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters (AGR, mA, mK, mL, n, TM, λNK) des Antriebssystems (1) aufweist.
  8. Antriebssystem (1) nach Anspruch 7, wobei das Antriebssystem (1) einen Katalysator (6, 7) und eine hinter dem Katalysator (6, 7) angeordnete Lambdasonde (8) zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λNK) hinter dem Katalysator (6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) vor dem Katalysator (6, 7) in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λNK) hinter dem Katalysator (6, 7) ausgebildet ist.
  9. Antriebssystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Antriebssystem (1) einen Katalysator (6, 7) und eine vor dem Katalysator (6, 7) angeordnete Lambdasonde zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Katalysator (6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hinter dem Katalysator (6, 7) in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vor dem Katalysator (6, 7) ausgebildet ist.
  10. Antriebssystem (1) nach Anspruch 7, wobei das Antriebssystem (1) einen Vorkatalysator (6), einen hinter dem Vorkatalysator (6) angeordneten Hauptkatalysator (7) und eine zwischen dem Vorkatalysator (6) und dem Hauptkatalysator (7) angeordnete Lambdasonde (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) vor dem Vorkatalysator (6) in Abhängigkeit des mittels der Lambdasonde (8) ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) hinter dem Vorkatalysator (6) ausgebildet ist.
  11. Antriebssystem (1) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eine Diagnoseeinrichtung (11) zur Diagnose eines Katalysators (6, 7) aufweist.
  12. Antriebssystem (1) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) eine Diagnoseeinrichtung (11) zur Diagnose eines Katalysators (6, 7) in Abhängigkeit des mittels der Lambdasonde (8) bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λNK) und in Abhängigkeit des mittels des Lambdaberechners (10) bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) aufweist.
  13. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit einer Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (2) ausgebildet ist.
  14. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das Antriebssystem (1) ein Abgasrückführungssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit einer Abgasrückführungsrate (AGR) des Abgasrückführungssystems ausgebildet ist.
  15. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit eines Massestromes (mL) von dem Verbrennungsmotor (2) zugeführter Luft ausgebildet ist.
  16. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit eines Massestromes (mK) von dem Verbrennungsmotor (2) zugeführtem Kraftstoff ausgebildet ist.
  17. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit der Temperatur (TM) des Verbrennungsmotors (2) ausgebildet ist.
  18. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit eines Massestromes (mA) des Abgasgemisches ausgebildet ist.
  19. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaberechner (10) zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (λVK) in Abhängigkeit einer Temperatur des Abgasgemisches ausgebildet ist.
  20. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 19 aufweist.
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