DE19545694A1

DE19545694A1 - Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19545694A1
Application number: DE19545694A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Staufenberg; Peter Olejnik
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: DE19545694C2; US5836153A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Ver hältnisses einer Brennkraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Kata lysator angeordnet ist, einem Regler zugeführt wird und der Regler eine Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt und daß dem Regler ein weiteres Signal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer zweiten, dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird.

Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaska nal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, so genannte Lambdasonden bekannt, die z. B. nach dem Prinzip der Ionen leitung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruck differenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauer stoffpartialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Span nungssprung ausweist.

Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausgewertet, welcher wiederum über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.

Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminderung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftma schinen angestrebt.

Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet ist, wird das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alte rungserscheinungen unterliegt.

Trotz dieser überlagerten Regelung können die Alterungserscheinungen der ersten Lambdasonde nicht ausreichend korrigiert werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine genaue und anpassungsfähige Regelung ermöglicht, so daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Sinne einer Verminderung der Abgas emission weiter verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem Ausgangs signal der zweiten Lambdasonde in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Um schlagens des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde eine Haltezeit gewonnen wird, wodurch das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der die erste Lambdasonde enthaltenden Regelstrecke eine Stellgröße überlagert wird, welche von der tatsächlich andauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde abhängig ist.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird aus dem Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde und einem Sollwert eine Differenz gebildet, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Lambdasonde vorzeichen bezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.

Vorteilhafterweise entspricht der Sollwert annähernd dem Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde.

Zur Betriebspunkteinstellung wird die aus dem Signal der zweiten Lambda sonde gewonnene Zeit in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine korrigiert und der Regelstrecke zugeführt, in dem die Kraftstoffeinspritzung angepaßt wird.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine

Fig. 2 Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ-Faktor)

Fig. 3 Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde

Fig. 4 Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonden mit dynamischem Verhalten

Fig. 5 schematischer Signalverlauf der Regelkreise der Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator.

Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt. Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt. Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Er fassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Kata lysator 2 eine weitere Lambdasonde 6 vorgesehen. Die Lambdasonden 5 und 6 messen den jeweiligen Lambdawert des Abgases vor und hinter dem Katalysator 2. Beide von den Lambdasonden 5 und 6 gelieferten Signale werden an einen Regler mit PI-Charakteristik 8 geführt, der gewöhnlich in einem nicht weiter dargestellten Steuergerät im Kraftfahrzeug angeordnet ist.

Aus diesen Signalen bildet der Regler 8 mit Hilfe von Sollwerten ein Stell signal, welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird.

Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung, welche zusammen mit der angesaugten Luftmasse (Luftmassenmesser 7) einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.

Jede Lambdasonde liefert über dem das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch repräsentierenden λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Je nachdem welcher Typ von Lambdasonde für die Regelung verwendet wird, können entweder der Widerstand oder die Spannung über dem λ-Faktor betrachtet werden.

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.

Ist die Sonde aktiv, so weist sie eine Signalspannung auf, welche außerhalb des Bereiches (ULSU, ULSO) liegt. Während des Mager-Ausschlages liefert die Lambdasonde ein minimales Ausgangssignal das unterhalb von ULSU liegt. Während des Fett-Ausschlages wird ein maximales Spannungssignal oberhalb von ULSO in einem Bereich von 600-800 mV gemessen. Dieser maximale Wert unterliegt aufgrund von Herstellungstoleranzen und Alte rungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sonden korrekturfaktor korrigiert werden.

Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kom pensieren, ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambda sonde 6 hinter dem Katalysator 2 enthält und welcher in Fig. 3 näher er läutert ist.

Die Regelstrecke 11 enthält, wie in Fig. 1 dargestellt, die Einspritzventile 4, den Motor 1, den Katalysator 2, die Lambdasonde 5 sowie die Lamdasonde 6. Der Regler 8 wertet sowohl den 1. Regelkreis der Lambdasonde 5 als auch den zweiten Regelkreis der Lambdasonde 6 aus und erzeugt im Er gebnis das oben beschriebene Stellsignal.

Die im Abgaskanal hinter dem Katalysator 2 angeordnete Lambdasonde 6 liefert einen Lambdawert in Form einer Signalspannung. Zu Beginn jedes Regelzyklusses wird überprüft, ob die Sonde aktiv ist. Dies geschieht da durch, daß festgestellt wird, ob sich diese Signalspannung außerhalb eines Spannungsbereiches (ULSU, ULSO) befindet. Ist dies der Fall, wird der von der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U_6IST an einen Summierpunkt 12 mit einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeicherten Sollwertes 13 verglichen. Dieser Sollwert U_6SOLL wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Kata lysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signumzähler 14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a inkrementiert um 1, wenn der Istwert U_6IST größer ist als der Sollwert U_6SOLL. Er dekrementiert um 1, wenn der Istwert U_6IST kleiner als der Sollwert U_6SOLL ist. Sind beide Werte gleich, wird der Zählerstand nicht verändert.

Der Zähler 14 wird bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordne ten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.

An einem ersten Multiplizierpunkt 15 wird der Zählwert mit einer Proportio nalitätskonstanten im Wert von (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der ersten Lambdasonde multipliziert, wodurch eine absolute Haltezeit TH_roh bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit TH_roh wird in einem zweiten Multiplizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher in einem abgespeicherten Kennfeld 17 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl n des Motors abgelegt ist. Die so gewonnene Haltezeit TH wird als Regelgröße dem Regler 8 zur Anpassung der Regelstrecke 11 zugeführt.

Die Haltezeit TH verzögert den P-Sprung des Reglers 8.

Um ein dynamisches Verfahren zu realisieren, wird bei dem Vergleich von Sollwert U_6SOLL und Istwert U_6IST der zweiten Lambdasonde 6 am Summen punkt 12 in Abhängigkeit eines als Schwellwert 19 definierten Differenzbe trages 20 festgelegt ob eine erste oder eine zweite Proportionalitätskon stante dem ersten Multiplizierpunkt 15 zugeführt wird (Fig. 4). Ist der Diffe renzbetrag zwischen Soll- und Istwert der zweiten Lambdasonde 6 kleiner als der Schwellwert 19 wird eine erste Proportionalitätskonstante AK1 ausge wählt, welche eine kleinere Haltezeit TH_roh einstellt. Ist der Differenzbetrag größer als der Schwellwert 19, wird eine zweite Proportionalitätskonstante AK2 zugeführt, durch welche eine größere Haltezeit TH_roh realisiert wird. Auf grund dieser Haltezeiten nähert sich der Istwert mehr oder weniger langsam dem Sollwert an. Anstelle der Proportionalitätskonstanten AK1 und AK2 ist auch ein Kennfeld denkbar.

Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die Regelstrecke 11 in Fig. 5 dargestellt.

Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.

Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Fig. 5a) zeigen die zeit liche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten Lambdasondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kurven (schraffierte Fläche in Fig. 5a) die zeitliche Änderung des Lambda regelfaktors, unter Einfluß des Regelkreises der hinter dem Katalysator an geordneten Lambdasonde darstellen.

Diese Darstellung soll keinen geschlossenen Regelkreis verdeutlichen, sondern dient lediglich zur Verdeutlichung der Wirkung der Haltezeit TH auf den ersten Regelkreis.

Die Haltezeit TH ist vorzeichenbehaftet, wobei positive Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem mager/fett-Sondenumschlag und negative Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem fett/mager-Sondenumschlages der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde verzögern.

In Fig. 5b ist weiterhin das digitalisierte Signal angezeigt welches von der ersten Lambdasonde an den Reglereingang gegeben wird. Aus dem Ver gleich der Kurven I und II geht hervor, daß unter Einfluß des zweiten Regel kreises sich die Impulsdauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde verlängert. Dies hat zur Folge, daß die Gemischanfettung hinter dem Kata lysator unter Einwirkung des zweiten λ-Regelkreises kontinuierlich zunimmt (Fig. 5c).

Die Ergebnisse des beschriebenen Verfahrens werden im nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeichert und finden in den darauffolgen den Regelzyklen Berücksichtigung.

Wie bereits erwähnt, unterliegt das maximale Spannungssignal einer Lambdasonde gewissen Streuungen die durch einen Sondenkorrekturfaktor korrigiert werden.

Der Sondenkorrekturfaktor für die dem Katalysator nachgeordnete Lambda sonde 6 wird folgendermaßen bestimmt.

Nach dem Start des Verbrennungsmotors wird der Katalysator mit einem überfetteten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt, was eine Nachverbrennung im Katalysator zufolge hat. Die auf diese Weise im Katalysator erzeugte Temperatur liegt unter der Betriebstemperatur des Katalysators, welche normalerweise bei 200°C bis 300°C liegt. Der Katalysator weist somit eine stark eingeschränkte O₂-Speicherfähigkeit auf. Voraussetzung für die Bestimmung des Sondenkorrekturfaktors ist, daß kein Regelkreis aktiv ist.

Die Meßzeit T_MAX umfaßt ca. 2 Min und muß vor Erreichen der Betriebs temperatur des Katalysators abgeschlossen sein.

Während der Meßzeit T_MAX wird die Sondenspannung ULS6 der hinter dem Katalysator 2 angeordneten Lambdasonde 6 mehrmals in zeitlich gleich mäßigen Abständen gemessen.

Die Meßwerte ULS6_n werden gemittelt und der Mittelwert LS6_Mit wird in einem Speicher abgelegt.

Der Mittelwert LS6_Mit wird durch eine applizierbare Konstante LS_MAX dividiert.

Diese applizierbare Konstante entspricht dem maximalen Signalwert (Fett-Spannungswert) einer Referenz-Sonde.

Der so ermittelte Quotient entspricht dem Sondenkorrekturfaktor SL6_KOR

Dieser Sondenkorrekturfaktors LS6_KOR wird zur Bestimmung des korrigierten Sollwertes U_SOLLKOR für die hinter dem Katalysator angeordnete Lambda sonde 6 genutzt:

LS6_SOLLKOR = U6_SOLL × LS6_KOR.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brenn kraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Katalysator angeordnet ist, einem Regler zugeführt wird und der Regler eine Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt und daß dem Regler ein weiteres Signal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer zweiten dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird, dadurch ge kennzeichnet, daß aus dem Ausgangssignal der zweiten Sauerstoff meßsonde in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Umschlagens des Ausgangs signals der ersten Sauerstoffmeßsonde eine Haltezeit gewonnen wird, durch welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus gangssignal des Reglers verzögert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde mit einem Sollwert ver glichen wird, wobei eine Differenz gebildet wird, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen auf integiert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll wert annähernd dem Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambda sonde beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde darstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich von Soll- und Istwert der zweiten Lambdasonde in Abhängigkeit von einem aus Soll- und Istwert gebildeten Differenzbetrag festgelegt wird, ob die erste oder eine zweite Proportionalitätskonstante zur Bestimmung der Haltezeit genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des dem Regler zuzuführenden Signals abhängig ist von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine.