DE19516239A1 - Verfahren zur Parametrierung eines linearen Lambdareglers für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Parametrierung eines linearen Lambdareglers für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Parametrierung eines linearen Lambdareglers für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die Lambda-Regelung stellt in Verbindung mit dem Dreiwege-Ka­ talysator heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für Brennkraftmaschinen dar. Dabei liefert ein im Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators angeordneter Sauerstoffsensor, in der Regel als Lambda-Sonde bezeichnet, ein vom Sauerstoff­ gehalt im Abgas abhängiges Signal, das der Lambda-Regler der­ art weiterverarbeitet, daß das mittels einer Zumeßeinrich­ tung, wie Einspritzventile oder Vergaser den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luftgemisch eine nahezu vollständige Verbrennung (λ=1,00) ermöglicht.
Als Lambda-Sonden werden dabei sogenannte Sprungsonden einge­ setzt, deren Ausgangssignal sich sprunghaft sowohl beim Über­ gang von einem fetten zu einem mageren, als auch beim Über­ gang von einem mageren zu einem fetten Abgaszustand ändert. Solche Lambda-Sonden auf der Basis von Zirkonoxid oder Titan­ oxid weisen Ansprechzeiten von etwa 100 ms auf und erfassen deshalb den Sauerstoffgehalt im Gesamtabgas, das sich aus den einzelnen Abgaspaketen der einzelnen Zylinder der Brennkraft­ maschine zusammensetzt. Zur Lambdaregelung wird dabei übli­ cherweise ein Zweipunkt-Proportional-Integral-Regelalgo­ rithmus verwendet. Die Auswahl optimaler Reglerparameter zur Erzielung eines Grenzzyklus mit bestimmter Amplitude und Fre­ quenz erfolgt durch zeit intensive Applikation am Motorprüf­ stand.
Zur Gemischregelung in einer Brennkraftmaschine ist es be­ kannt, einen Sauerstoffsensor vorzusehen, der eine lineare Abhängigkeit seines Ausgangssignals von der Luftzahl λ und darüberhinaus eine geringe Ansprechzeit aufweist. (SAE Paper 940149 "Automatic Control of Cylinder by Cylinder Air-Fuel Mixture Using a Proportional Exhaust Gas Sensor" und SAE Paper 940376 "Individual Cylinder Air Fuel Ratio Feedback Control Using an Observer").
Solche lineare Lambdasonden sind beispielsweise auf der Basis von Strontiumtitanat (SrTiO3) in Dünnschichttechnologie auf­ gebaut (VDI Berichte 939, Düsseldorf 1992, "Vergleich der An­ sprechgeschwindigkeit von KFZ Abgassensoren zur schnellen Lambdamessung auf der Grundlage von ausgewählten Metalloxid­ dünnfilmen").
Der Einsatz von linearen Lambdasonden führt zum Übergang von der Zweipunkt-Lambdaregelung zur linearen Lambdaregelung. Wählt man einen Proportional-, Integral- und Differential- (PID)-Regelalgorithmus als linearen Lambdaregler, wird die Anzahl der Parameter so groß, daß deren Optimierung mit zeit­ lich vertretbarem Aufwand nicht mehr möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Parametrierung eines linearen Lambdareglers an­ zugeben, mit dem die Anzahl der zu applizierenden Größen bei optimaler Einstellung reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Un­ teransprüchen.
Zur Regelung des Luftzahlmittelwertes wird ein linearer Pro­ portional-Integral-Differentialregler (PID-Regler) verwendet. Die Regelstrecke läßt sich mit ausreichender Genauigkeit durch ein Totzeitglied und zwei Verzögerungsglieder erster Ordnung nachbilden. Mit Hilfe dieses Streckenmodells läßt sich eine Reglerstruktur entwerfen, deren Parameter von der Totzeit des Lambdaregelkreises, den Zeitkonstanten der Verzö­ gerungsglieder und der Drehzahl abhängig sind. Da diese Sy­ stemgrößen durch Messungen einfach zu ermitteln sind, läßt sich der Aufwand für die Applikation des Lambdareglers we­ sentlich reduzieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Lambdaregelungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine,
Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Sondensignal und Luftzahl einer linearen Lambdasonde,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Reglerstruktur.
Bei dem in der Fig. 1 in vereinfachter Form dargestellten Blockschaltbild sind nur diejenigen Teile gezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind.
Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine Brennkraftmaschine BKM mit einer Ansaugleitung 11 und einer Abgasleitung 12 bezeichnet. Ein in der Ansaugleitung 11 angeordneter Luftmassenmesser 13 mißt die von der Brennkraftmaschine 10 angesaugte Luftmasse und gibt ein entsprechendes Signal LM an eine elektronische Steuerungseinrichtung 14 ab. Der Luftmassenmesser 13 kann da­ bei als Hitzdraht- oder als Heißfilmluftmassenmesser reali­ siert sein.
In der Abgasleitung 12 ist stromaufwärts eines zum Konvertie­ ren der im Abgas der Brennkraftmaschine 10 enthaltenen Be­ standteile HC, CO und NOx dienenden Dreiwege-Katalysators 15 eine lineare Lambdasonde 16 eingefügt, die in Abhängigkeit vom Restsauerstoffgehalt im Abgas ein Ausgangssignal ULS ab­ gibt und das zur Auswertung und Umwandlung dieses Signals einer Lambdaregelungseinrichtung 17 zugeführt wird. Die Lambdaregelungseinrichtung 17 ist vorzugsweise in die elek­ tronische Steuerungseinrichtung 14 der Brennkraftmaschine 10 integriert. Solche elektronische Steuerungseinrichtungen für Brennkraftmaschinen, die neben der Kraftstoffeinspritzung und der Zündungsregelung noch eine Vielzahl weiterer Aufgaben bei der Steuerung der Brennkraftmaschine übernehmen, sind an sich bekannt, so daß im folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stehenden Aufbau und dessen Wir­ kungsweise eingegangen wird.
Kernstück der elektronischen Steuerungseinrichtung 14 ist ein Mikrocomputer, der nach einem festgelegten Programm die er­ forderlichen Funktionen steuert. Bei einer sogenannten luft­ massengeführten Steuerung der Brennkraftmaschine wird mit Hilfe der von den Sensoren (Luftmassenmesser 13 und Drehzahl­ sensor 18) gelieferten und in entsprechenden Schaltungen auf­ bereiteten Signale LM, N eine Grundeinspritzzeit TI_B berech­ net und diese mit Hilfe der Lambdaregelungseinrichtung und abhängig von weiteren Betriebsparametern, z. B. Druck und Tem­ peratur der Ansaugluft, Temperatur des Kühlmittels usw. kor­ rigiert. In der Fig. 1 sind die hierfür notwendigen Signale strichliert als Eingangsgrößen der elektronischen Steuerungs­ einrichtung 14 angedeutet.
Durch Einsatz der Lambdaregelung wird außerhalb bestimmter Sonderbetriebszustände der Brennkraftmaschine, die eine fette oder eine magere Gemischzusammensetzung erfordern, ein Kraft­ stoff-Luftgemisch eingestellt, das dem stöchiometrischen Ver­ hältnis (λ=1) entspricht. Der Kraftstoff KST wird mit Hilfe eines oder mehrerer Einspritzventile 19 der Ansaugluft zuge­ messen.
In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Sondenausgangssignales ULS einer linearen Lambdasonde von der Luftzahl λ darge­ stellt. In einem schmalen Bereich von 0,97 < λ < 1,03 ergibt sich ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Sondensignal ULS und Luftzahl λ. Im fetten und im mageren Luftzahlbereich zeigt die Sondenkennlinie ein Sättigungsverhalten. Das Son­ densignal wird mittels einer abgespeicherten Kennlinie bzw. eines eindimensionalen Kennfeldes KF1 in einen Lambda-Istwert LAM_IST umgerechnet.
Als Lambdaregler wird ein Proportional-, Integral- und Diffe­ rential- (PID)-Regler eingesetzt.
Die Übertragungsfunktion der Lambdaregelstrecke läßt sich durch Hintereinanderschaltung zweier Verzögerungsglieder er­ ster Ordnung und ein Totzeitglied darstellen.
Ein Verzögerungsglied erster Ordnung resultiert aus dem An­ sprechverhalten der Lambdasonde, welches durch eine Zeitkon­ stante T_SONDE beschrieben wird.
Das weitere Verzögerungsglied erster Ordnung ergibt sich aus der gleitenden Mittelwertbildung der Lambdameßwerte, dessen zeitliches Verhalten durch die Zeitkonstante T_GMW beschrie­ ben wird.
Die Totzeit T_TOTZ im Lambdaregelkreis setzt sich aus der Kraftstoffvorlagerungsdauer, der Dauer des Ansaug-, Verdich­ tungs-, Arbeits- und Ausschiebetaktes sowie der Gaslaufzeit des Abgases zusammen.
Für die Übertragungsfunktion der Regelstrecke GS(s) ergibt sich somit folgender Zusammenhang:
Die Werte für T_SONDE, T_GMW und T_TOTZ sind Größen, die rechnerisch oder meßtechnisch erfaßbar sind. Setzt man als Reglerübertragungsfunktion GR(s)
mit
KR = Reglerverstärkung
TR1, TR2 = Zeitkonstante des Reglers und wählt
TR1 = T_SONDE, TR2 = T_GMW,
so werden die Pole der Reglerstrecke kompensiert.
Für die Parameter eines gleichwertigen diskreten Proportio­ nal-Integral-Differential-Regelalgorithmus, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ergibt sich für den P-, I- und D-Anteil fol­ gender Zusammenhang:
Mit e(k) ist dabei allgemein als Eingangsgröße die Reglerab­ weichung, mit u(k) als Ausgangsgröße die Stellgröße bezeich­ net. Im Fall der Lambdaregelung ist die Eingangsgröße e(k) = LAM_DIF und die Ausgangsgröße u(k) = TI_LAM, d. h. der Ein­ griffin die Einspritzzeitberechnung.
Das Verhältnis P-, I- und D-Anteil ist also durch die System­ größen T_Sonde, T_GMW und TA bestimmt. Als einzige, durch Applikation zu bestimmende Größe bleibt der Faktor K, der als Funktion der Totzeit zu wählen ist.
Das beschriebene Verfahren ist ebenso auf einen PI-Regler an­ wendbar und die Berechnung der Reglerparameter wird nun an­ hand eines solchen PI-Reglers erläutert.
Der Proportionalanteil LAM_P und der Integrationsanteil LAM_I werden in Abhängigkeit vom Lambdamittelwert LAMMW_IST und dem Sollwert LAM_SOLL berechnet. Der Sollwert LAM_SOLL ist einem Kennfeld KF2 abhängig von der Last, beispielsweise von der Luftmasse LM und der Drehzahl N der Brennkraftmaschine abge­ legt.
Zur Berechnung des Lambdamittelwertes LAMMW_IST_ werden eine vorgebbare Anzahl Lambda-Meßwerte LAM_IST, beispielsweise 6 Meßwerte je Arbeitsspiel, entsprechend 2 Kurbelwellenum­ drehungen erfaßt und abgespeichert:
LAM_IST_i
n = Nummer des Meßwertes
LAM_SUM(n) = LAM_SUM(n-1) - LAM_IST(n-6) + LAM_IST(n)
LAMMW(n) = LAM SUM_ (n)/6
Die Eingangsgröße für den Lambdaregler ist die Regelab­ weichung LAM_DIF_ (n), die als Differenz zwischen dem lastab­ hängig aus dem Kennfeld KF2 entnommenen Sollwert LAM_SOLL(n) und dem Lambdamittelwert LLAMMW_IST(n) definiert ist:
LAM_DIF_ = LAM SOLL(n) - LAMMW_IST(n)
Die Lambdaregleranteile LAM_P und LLAM_I des Lambdareglers werden wie folgt berechnet:
LAM_P_ (n) = LAM_KPI_FAK(n)*P_FAK_LAM*(T_LS + TA) *LAM_DIF_ (n)
LAM_I_ (n) = LAM_I_ (n-I) + LAM_KPI_FAK(n)*I_FAK_LAM*2 * TN*LAM_DIF_(n)
mit:
LAM_KPI_FAK = Regelverstärkungsfaktor
P_FAK_LAM = Applizierbare Konstante
I_FAK_LAM = Applizierbare Konstante
T_LS = Applizierbare Zeitkonstante
TA = Abtastzeit.
Die Auswahl des Regelverstärkungsfaktors LAM_KPI_FAK erfolgt in Abhängigkeit einer Totzeit LAM_TOTZ im Lambdaregelkreis, welche sich aus der Kraftstoffvorlagerungsdauer, der Dauer des Ansaug-, Verdichtungs-,Arbeits- und Ausschiebetaktes so­ wie der Gaslauf zeit zur jeweiligen Lambdasonde zusammensetzt. Diese Totzeit LAM_TOTZ wird einem Kennfeld KF3 last-und dreh­ zahlabhängig entnommen.
Der Einfluß des Lambdareglers ergibt sich als Summe der Reg­ leranteile LAM_P und LAM_I:
LAM(n) = LAM_P(n) + LAM_I(n).
Dieser Wert des Reglerausganges wird vorzugsweise auf ± 25% der Basiseinspritzzeit begrenzt, d. h. -0.25 < LAM(n) < 0.25. Der Integralanteil kann zusätzlich auf ± 25% der Basisein­ spritzzeit begrenzt werden,
d. h. -0.25 < LAM_I(n) < 0.25.
Dadurch soll verhindert werden, daß die Einspritzzeit über ein gewisses Maß hinaus nicht über die Lambdaregelung beein­ flußt werden kann. Nötige Veränderungen der Einspritzzeit, die z. B. aufgrund eines Defektes nötig sind, werden dann durch Verändern anderer Parameter erreicht.
Bei der Berechnung der Einspritzzeit TI wird die Ausgangsgröße des Lambdareglers berücksichtigt:
TI = TI_B* . . . (1 + TI_LAM).

Claims (7)

1. Verfahren zur Parametrierung eines Lambdareglers einer Lambdaregelungseinrichtung mit einer Lambdasonde (16), dessen Ausgangssignal (ULS) zumindest teilweise eine lineare Abhän­ gigkeit von dem Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftma­ schine zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion der Lambdaregelstrecke (GS) durch Hintereinanderschaltung zweier Verzögerungsglieder 1. Ordnung und ein Totzeitglied im Lambdaregelkreis dargestellt wird, wobei
  • - das erste Verzögerungsglied das Ansprechverhalten der Lambdasonde beinhaltet,
  • - das zweite Verzögerungsglied eine gleitende Mittelwertbil­ dung der Lambdameßwerte beinhaltet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lambdaregler ein Proportional-Integral-Differential- (PID)-Regler eingesetzt wird, dessen P-, I-, D-Regleranteile bestimmt werden durch
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lambdaregler ein Proportional-Integral-(PI)-Regler einge­ setzt wird, dessen P-, I-Regleranteile in Abhängigkeit von einem Lambdamittelwert (LAMMW_IST) und einem Sollwert (LAM_SOLL) berechnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportional-Regleranteil bestimmt wird zu LAM_P(n) = LAM KPI_FAK(n) · P_FAK_LAM_GR · (T_LS + TN)und der Integral-Regleranteil bestimmt ist zuLAM_I(n) = LAM_I(n-1) + LAM_KPI_FAK(n) · I_FAK_LAM_GR · 2 · TN · LAM_DIF(n)mit:LAM_KPI_FAK = Regelverstärkungsfaktor
P_FAK_LAM_GR = Applizierbare Konstante
I_FAK_LAM_GR = Applizierbare Konstante
T_LS = Applizierbare Zeitkonstante [sec]
TN = Segmentdauer [sec].
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine (10) das Sensor­ signal (ULS1) mehrfach abgetastet wird,
  • - zu jedem Wert des Sensorsignals (ULS1, ULS2) der zugehörige Lambda-Istwert (LAM_IST(n)) anhand einer Kennlinie ermit­ telt wird,
  • - aus diesen Werten (LAM_IST(n)) ein Lambda-Mittelwert (LAMMW_IST(n)) gebildet wird und
  • - die Differenz (LAM_DIF(n)) zwischen einem von der Last der Brennkraftmaschine (10) abhängig vorgegebenen Lambda­ Sollwert (LAM_SOLL(n)) und dem Lambda-Mittelwert (LAMMW_IST(n)) als Eingangsgröße des Lambdareglers (14) herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärkungsfaktor (LAM_KPI_FAK) in Abhängigkeit einer Totzeit (LAM_TOTZ_GR) gewählt ist, der durch die Kraft­ stoffvorlagerungsdauer, der Dauer des Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Ausschiebetaktes sowie der Gaslaufzeit zum je­ weiligen Sauerstoffsensor bestimmt ist und einem Kennfeld last- und drehzahlabhängig entnommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Regler-Ausgangsgröße (LAM) und der Integral-Reg­ leranteil (LAM_I) des Lambdareglers auf ± 25% eines Grundein­ spritzsignals (TI_B) begrenzt wird.
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