DE4118575C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Lambdareglerparameters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des jeweils aktuellen Wertes mindestens eines Regelparameters für eine Lambdaregelung abhängig vom jeweils aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors, an dem die Lambdaregelung eingesetzt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genannten Zweck sind in DE 30 39 436 A1 beschrieben. Die Vorrichtung weist minde­ stens ein Kennfeld für die Werte eines Regelparameters auf, das über Werte vorgegebener Betriebsgrößen, typischerweise Drehzahl und Last, adressierbar ist. Dadurch lassen sich Re­ gelfrequenz und/oder Regellage an den jeweils aktuellen Be­ triebszustand des geregelten Motors so anpassen, daß sich ein besonders geringer Schadgasausstoß aus dem Motor bzw. aus einem auf diesen folgenden Katalysator ergibt.

Es ist offensichtlich, daß Werte von Regelparametern, die zu minimalem Schadgasausstoß führen, nicht nur vom aktuellen Betriebszustand des Motors abhängen, sondern auch von der Vorgeschichte des Erreichens dieses Betriebszustandes. Wird z. B. ein Betriebszustand mit hoher Motorleistung und damit höher Motortemperatur ausgehend von sehr niederer Leistung erreicht, ist wegen der Abhängigkeit der Schadgaszusammen­ setzung von der Verbrennungstemperatur ein anderer zeitli­ cher Verlauf des Schadgasausstoßes aus dem Motor nach An­ fangswert und Zeitkonstante zu erwarten, als wenn derselbe Betriebszustand ausgehend von einem solchen sehr ähnlicher Leistung erreicht wird. Von der Verbrennungstemperatur hängt auch die Abgastemperatur ab, die wiederum die Katalysator­ temperatur bestimmt. Diese Temperatur hat Einfluß auf die Konvertierungseigenschaften des Katalysators. In der bekann­ ten Vorrichtung sind die in einem jeweiligen Kennfeld abge­ speicherten Werte so appliziert, daß sie für typische, vor­ ausgesetzte Betriebsabläufe in der Summe zu minimalem Schad­ gasausstoß aus dem Katalysator führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, die ein noch weiteres Absenken des Schadgasausstoßes ermöglichen.

Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß, also bei einem Verfahren zum Bestimmen des jeweils ak­ tuellen Wertes mindestens eines Regelparameters für eine Lambdaregelung, welcher zur Fett- oder Magerverschiebung dient, abhängig vom jeweils aktuellen Betriebszustand des geregelten Verbrennungsmotors ist dadurch gelöst, daß

• - für den betreffenden Regelparameter ein Grundwert abhängig vom aktuellen Wert mindestens einer vorgegebenen Betriebs­ größe bestimmt wird, wie er für eine Regelung mit minimalem Schadgasausstoß bei stationärem Betrieb des Motors gilt,
• - und dieser Grundwert bei Betriebszustandsänderungen des Motors mit einem zeitlich abklingenden Übergangswert modifi­ ziert wird (Anspruch 1).

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß sowohl für stationären wie auch für instationären Betrieb jeweils optimierte Werte für einen betreffenden Regelparameter zur Verfügung stehen. Es ist offensichtlich, daß diese Vorgehensweise zu besonders geringem Schadgasausstoß führt, da der jeweils aktuelle Wert des betreffenden Regelparameters nicht mehr nur vom aktuel­ len Betriebszustand des geregelten Motors, sondern auch von Betriebszustandsänderungen abhängt. Im wesentlich häufigeren stationären Betrieb können die unmittelbar für diesen Be­ trieb optimierten Werte aus dem Grundwert-Kennfeld verwendet werden. Mit diesen Werten läßt sich im Stationärbetrieb ge­ ringerer Schadgasausstoß erzielen als mit den in einem her­ kömmlichen Regelparameter-Kennfeld abgelegten Werten, die auf minimalen Schadgasausstoß gemittelt über stationäre und instationäre Betriebsweisen optimiert waren.

Im einfachsten Ausführungsfall weist der zu einem jeweiligen Grundwert hinzuaddierte Übergangswert einen festen Anfangs­ wert auf, und er klingt mit einer fest vorgegebenen Zeitkon­ stanten ab. Vorteilhafter ist es, den Anfangswert und/oder die Zeitkonstante abhängig von Werten von Betriebsgrößen zu ändern.

Vorteilhafterweise wird der Anfangswert der Übergangsgröße auf mindestens eine von zwei Arten an den jeweiligen Be­ triebszustand des Motors angepaßt. Die eine Art ist die, den Anfangswert aus einem über Werte von Betriebsgrößen adres­ sierten Kennfeld auszulesen. Die andere Art ist die, den An­ fangswert über den Wert oder den Änderungswert einer vorge­ gebenen Betriebsgröße zu verändern. So kann z. B. bei klei­ nen Drehzahlen und Lasten oder niederen Leistungen ein nie­ derer Anfangswert aus einem Kennfeld und bei hohen Drehzah­ len und Lasten oder hohen Leistungen ein hoher Wert ausge­ lesen werden. Der jeweils ausgelesene Wert kann dann noch mit Hilfe eines ermittelten Leistungs- oder Laständerungs­ wertes bezogen auf einen Referenzwert erhöht oder erniedrigt werden. Dadurch ergibt sich ein besonders flexibles Verfah­ ren für die jeweils optimale Wahl des aktuellen Wertes eines Regelparameters.

Ferner wird die Erfindungsaufgabe vorrichtungsgemäß, also bei einer Vorrichtung zum Bestimmen des jeweils aktuellen Wertes mindestens eines Regelparameters für eine Lambdaregelung, welcher zur Fett- oder Magerverschiebung dient, abhängig vom jeweils aktuellen Betriebszustand des geregelten Verbrennungsmotors ist, dadurch gelöst, daß folgende Funktions­ mittel vorgesehen sind:

• - ein Kennfeld für Grundwerte des betreffenden Regelparame­ ters, das über Werte von Betriebsgrößen adressierbar ist und Werte des Parameters enthält, die für eine Regelung mit mi­ nimalem Schadgasausstoß bei stationärem Betrieb des Motors appliziert wurden,
• - und eine Modifiziereinrichtung zum Modifizieren eines je­ weiligen aus dem Grundwert-Kennfeld ausgelesenen Wertes mit einem zeitlich abklingenden Übergangswert im Fall von Be­ triebszustandsänderungen (Anspruch 7).

Vorteilhafterweise enthält die Modifiziereinrichtung ein Kennfeld für Anfangswerte der Übergangsgröße, das über Werte von Betriebsgrößen adressierbar ist (Anspruch 8).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Blockfunktionsdiagramm zum Erläutern eines Verfah­ rens und einer Vorrichtung zum Bestimmen des jeweils aktuel­ len Wertes des P-Wertes einer Zweipunkt-Lambdaregelung ab­ hängig von jeweils aktuellen Werten von Drehzahl und Luft­ massenstrom eines Verbrennungsmotors;

Fig. 2: Diagramm zum Veranschaulichen des zeitlichen Ver­ laufs des P-Wertes, wie er sich beim Anwenden eines Verfah­ rens bzw. einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei einer Betriebs­ zustandsänderung eines Verbrennungsmotors ergibt; und

Fig. 3: Blockfunktionsdiagramm entsprechend dem von Fig. 1 jedoch für eine vereinfachte Ausführungsform.

Das Blockdiagramm von Fig. 1 dient sowohl zum Veranschauli­ chen einer Vorrichtung wie auch eines Verfahrens zum Bestim­ men des jeweils aktuellen P-Werts für die (nicht dargestell­ te) Lambdaregelung eines (nicht dargestellten) Verbrennungs­ motors. Die einzelnen Blöcke können als Funktionseinrichtun­ gen einer Vorrichtung betrachtet werden. In der Praxis sind die Funktionseinrichtungen durch einen entsprechend program­ mierten Mikrocomputer realisiert. Beachtet man zusätzlich die Richtungspfeile an Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Blöcken, ist aus Fig. 1 das von der Vorrichtung ausgeübte Verfahren ersichtlich.

Für Fig. 1 ist vorausgesetzt, daß eine Zweipunkt-Lambdare­ gelung vorliegt, die mit P-Werten arbeitet, deren Größe un­ ter anderem davon abhängt, ob ein P-Sprung in Richtung Mager oder in Richtung Fett auszuführen ist. Demgemäß werden zwei P-Werte ausgegeben, nämlich ein Wert P_Mager für Sprünge in Richtung Mager und ein Wert P_Fett für Sprünge in Richtung Fett. Die erstgenannten Werte werden von einem Kennfeld 10 abhängig von jeweils aktuellen Werten der Drehzahl n und des Luftmassenstroms LMS zum Verbrennungsmotor ausgegeben. Die letztgenannten Werte gibt dagegen eine Vorrichtung 11 aus, die ebenfalls mit jeweils aktuellen Werten der Drehzahl und des Luftmassenstroms versorgt wird.

Die Vorrichtung 11 zum Ausgeben der P-Werte P_Fett weist ein Stationärwertkennfeld 12 für Stationärwerte P_STAT_FETT und ein Anfangswertkennfeld 13 für Werte P_ADD_ANF einer Über­ gangsgröße auf, die zu einem jeweils aktuellen Wert von P_STAT_FETT in einem Additionsglied 14 hinzuaddiert wird, wie sie adressierbar über Drehzahl n und Last L = LMS/n vom Stationärwertkennfeld 12 ausgegeben werden. Die Übergangs­ werte werden dadurch aus den aus dem Anfangswertkennfeld 13 ausgelesenen Werten P_ADD_ANF gebildet, daß letzterer in einem ersten Multiplizierglied 15.1 mit einem Faktor F mul­ tipliziert werden und der so jeweils gebildete modifizierte Anfangswert in einem Übergangsglied 16 ein zeitliches Ab­ klingverhalten erfährt. Der Faktor F hängt von der Lei­ stungsänderung ab und wird mit Hilfe der Änderung des Luft­ massenstroms ΔLMS während einer vorgegebenen Zeitspanne Δt, eines Referenzfaktors F_0 und einer Referenzänderung (ΔLMS/­ Δt_0 zu F = F_0 × {(ΔLMS/Δt)/(ΔLMS/Δt)_0} berechnet. Die genannten Maßnahmen werden von einer Differenziereinrichtung 17 einer zweiten Multipliziereinrichtung 15.2 und der ge­ nannten Multipliziereinrichtung 15.1 ausgeführt, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die Zeitkonstante τ des Übergangsgliedes 16 wird in einem Quotientenbildungsglied 18 aus dem Luft­ massenstrom LMS, einer Referenzzeitkonstanten τ_0 und einem Referenzluftmassenstrom LMS_0 zu τ = τ_0 (LMS_0/LMS) berech­ net.

Der von den genannten Funktionsgruppen ausgeführte Verfah­ rensablauf wird nun mit Hilfe eines Beispiels unter Bezug­ nahme auf Fig. 2 erläutert.

Vor einem Zeitpunkt T1 werde der genannte Motor bei relativ niedriger Leistung über eine längere Zeitspanne stationär betrieben. Als Wert P_FETT wird dann ein Wert P_STAT1 von z. B. 3% bezogen auf den Wert der Regleramplitude von der Vorrichtung 11 für den genannten P-Wert ausgegeben. Der gleichzeitig vom Kennfeld 10 für Werte P_MAGER ausgegebene Wert ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Er wird beim Ausfüh­ rungsbeispiel mit keinem Übergangsverhalten versehen, son­ dern unmittelbar so verwendet, wie er aus dem Kennfeld 10 ausgelesen wird.

Zum genannten Zeitpunkt T1 finde eine Leistungserhöhung statt, die für Stationärbetrieb bei der neuen Leistung einen optimierten Wert der Größe P_STAT2 von 5% der Reglerampli­ tude für die Größe P_FETT zur Folge habe. Dieser Wert P_STAT2 wird aus dem Stationärwertkennfeld 12 adressierbar über die zum neuen Betriebszustand gehörigen Werte von Dreh­ zahl n und Last L ausgelesen. Gleichzeitig gibt das Anfangs­ wertkennfeld 13 den zum neuen Betriebszustand gehörigen Anfangswert P_ADD_ANF für die oben genannte Übergangsgröße aus. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat dieser Wert eine Größe von 5% (wiederum, wie auch im fol­ genden, auf den aktuellen Wert der regelnden Einspritzzeit bezogen). Dieser Wert wurde für eine bestimmte Leistungs­ erhöhung optimiert, die proportional zum Referenzwert (ΔLMS/Δt)_0 ist. Die aktuellen, zu ΔLMS/Δt proportionale Leistungsänderung, wie sie im Differenzierglied 17 fest­ gestellt wird, sei um den Faktor 1,4 größer als der genannte Referenzwert. Der Referenzfaktor F_0 habe den Wert 1. Dann hat der Faktor F im Beispielsfall den Wert 1,4, so daß der tatsächliche Wert der Übergangsgröße 1,4 × 5% = 7% ist. Der Gesamtwert für P_FETT direkt nach der Leistungsänderung ist somit P_STAT2 + F × P_ADD_ANF = 5% + 7% = 12%. Dieser Wert klingt ab dem Zeitpunkt T1 mit der Zeitkonstanten τ ab. Zu einem Zeitpunkt T3 wird im wesentlichen der Wert von P_STAT2 erreicht. Findet dann zu einem späteren Zeitpunkt wiederum eine Leistungserhöhung statt, ergibt sich ein ähn­ liches Bild wie um den Zeitpunkt T1.

Findet eine neue Leistungserhöhung statt, bevor der aus der alten Erhöhung gewonnene Übergangswert abgeklungen ist, stellt sich die Frage, welcher Wert der anschließend gelten­ de sein soll, nämlich derjenige, der aktuell aus der vorigen Lasterhöhung noch vorliegt, oder derjenige, der gerade aus der neuen Leistungserhöhung berechnet wurde. Beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel wird jeweils der höhere Wert gewählt, was in einer vor dem Übergangsglied 16 angeordneten Maximalwert-Bestimmungseinrichtung 19 erfolgt, die den je­ weils aktuellen Wert F × P_ADD_ANF wie auch den Ausgangswert vom Übergangsglied 16 als Eingangswerte erhält. Immer dann, wenn sich der Maximalwert unter diesen zwei Werten ändert, gibt die Bestimmungseinrichtung 19 den neuen Wert an das Übergangsglied 16 als Anfangswert für einen neu abklingenden Übergangswert aus.

In Fig. 2 ist zum Vergleich mit dem Verlauf von P_FETT gemäß der Erfindung noch gestrichelt der Verlauf gemäß der her­ kömmlichen Vorgehensweise eingetragen. Gemäß dieser wird bis zum Zeitpunkt T1 ein Wert von 6% der Regleramplitude und ab dem Zeitpunkt T1 konstant ein solcher von 9% verwendet. Im Stationärbetrieb werden dadurch größere Regelschwingungen mit stärkerer Verlagerung in Richtung Fett erhalten, als sie eigentlich für geringstmöglichen Schadgasausstoß im Statio­ närbetrieb erforderlich sind. In einer Übergangszeitspanne zwischen dem genannten Zeitpunkt T1 und einem folgenden Zeitpunkt T2 ist dagegen der herkömmliche konstant gehaltene Wert für P_FETT geringer als der Summenwert gemäß der Erfin­ dung. In dieser Übergangszeitspanne kann mit dem herkömmli­ chen konstanten Wert nicht ausreichend schnell und weit­ gehend reagiert werden, um den Schadgasausstoß während der Übergangsphase möglichst niedrig zu halten.

Beim Ausführungsbeispiel wird der Wert für P_MAGER unmittel­ bar aus dem zugehörigen Kennfeld 10 übernommen, und der Wert für P_FETT wird gegenüber dem aus dem Stationärwertkennfeld 12 ausgelesenen Wert nur bei Leistungserhöhungen verändert. Die letztgenannte Auswahl erfolgt dadurch, daß das Diffe­ renzierglied 17 bei negativen Werten von ΔLMS/Δt den Wert Null ausgibt. Dies bewirkt, daß bei Leistungsverringerungen kein neues Berechnen des Werts der Übergangsgröße erfolgt. Es hat sich gezeigt, daß das vorübergehende Ändern minde­ stens eines Regelparameters bei Leistungserhöhungen in sol­ cher Richtung, daß die Regelung schneller arbeitet und sich die Regellage in Richtung Fett verschiebt, ausreicht, um fast minimalen Schadgasausstoß zu erzielen. Weitere Maßnah­ men, wie das Vorsehen von Übergangsverhalten bei der Größe P_MAGER oder bei Leistungsverringerungen führen nur zu geringfügigen weiteren Verbesserungen.

Sehr zufriedenstellende Ergebnisse wurden sogar mit einer vereinfachten Ausführungsform erzielt, wie sie nun anhand von Fig. 3 näher erläutert wird. Als Kennfelder sind nur noch das Kennfeld 10 für Werte P_Mager und das Stationär­ wertkennfeld 12 für Werte P_STAT_FETT vorhanden. Das Diffe­ renzierglied 17 gibt nun sein Ausgangssignal an eine Ab­ tast/Halte-Schaltung (S/H) 20. Das Ausgangssignal derselben wird zeitlich mit Hilfe eines Übergangsgliedes 21 erster Ordnung und eines ersten Additionsgliedes 14.1 abgeregelt. Dieses abklingende Signal wird in einem zweiten Additions­ glied 14.2 zu dem aktuell vom Stationärwertkennfeld 12 aus­ gegebenen Wert P_STAT_FETT addiert, wodurch der Wert P_FETT erhalten wird.

Bei dieser vereinfachten Ausführungsform ist die Amplitude des zeitlich abklingenden Signals immer nur vom Ausmaß einer Änderung aber nicht vom Betriebspunkt beim Auftreten der Änderung abhängig. Die Zeitkonstante für den Abklingvorgang ist fest vorgegeben. Bei jeder neuen Änderung wird der ab­ klingende Wert unabhängig vom vorigen noch abklingenden Wert neu berechnet.

Die Ausführungsbeispiele betreffen das zeitliche Ändern des Wertes von P-Sprüngen in Richtung Fett. Es können aber auch beliebige andere Regelparameter verändert werden, wie ein­ seitige Integrationsgeschwindigkeiten, Schaltpunkte (Regel­ schwellen) im Fall eines Zweipunkt-Reglers, einseitige Ver­ stärkungsfaktoren, Integratorstopzeiten oder der Sollwert bei stetiger Regelung. Im Fall der eben genannten stetigen Regelung entfällt das Kennfeld 10 für P_Mager und das Stat­ ionärwertkennfeld 12 enthält nicht mehr Werte für den Stat­ ionärfall von P_Fett, sondern Sollwerte für den Stationär­ fall.

Findet eine neue Leistungsänderung statt, bevor die Auswir­ kungen der vorangehenden abgeklungen sind, kann die Ent­ scheidung, mit welchem Wert der Übergangsgröße fortgefahren wird, auch auf andere Weise getroffen werden, als sie oben anhand der Funktionsweise der Maximalwert-Bestimmungsein­ richtung 19 erläutert ist, falls sie überhaupt getroffen werden soll. Außerdem ist es möglich, die Zeitkonstante nicht unmittelbar mit Hilfe des neuen Luftmassenstroms zu berechnen, sondern auch z. H. den alten Wert aufrechtzuer­ halten, was insbesondere dann sinnvoll sein kann, wenn außer auf Leistungserhöhungen auch auf Leistungserniedrigungen reagiert wird. Die jeweils optimale Vorgehensweise hängt stark vom Dynamikverhalten des geregelten Motors und auch eines zugehörigen Katalysators ab. So kann der Wert der Zeitkonstanten z. B. auch an die jeweils aktuelle Tempera­ turänderungsgeschwindigkeit eines Katalysators gekoppelt sein.

Die Adressierung der Kennfelder muß nicht notwendigerweise über die jeweils aktuellen Werte von Drehzahl n und Last L (berechnet zu LMS/n) erfolgen, sondern es kann auch über an­ dere Werte adressiert werden, z. B. nur über den Saugrohr­ druck.

Wesentlich ist allein, daß mindestens ein Regelparameter als Summe aus einem für stationären Betrieb optimierten Grund­ wert und einem nach Betriebszustandsänderungen des geregel­ ten Motors abklingenden Übergangswert berechnet wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bestimmen des jeweils aktuellen Wertes mindestens eines Regelparameters für eine Lambdaregelung, welcher zur Fett- oder Magerverschiebung dient, abhängig vom jeweils aktuellen Betriebszustand des geregelten Verbren­ nungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. für den betreffenden Regelparameter ein Grundwert abhängig vom aktuellen Wert mindestens einer vorgegebenen Betriebs­ größe bestimmt wird, wie er für eine Regelung mit minimalem Schadgasausstoß bei stationärem Betrieb des Motors gilt.
• 2. und dieser Grundwert bei Betriebszustandsänderungen des Motors mit einem zeitlich abklingenden Übergangswert modifi­ ziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung mit dem Übergangswert nur bei Änderungen einer Betriebsgröße in einer Richtung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswert der Übergangsgröße von Werten von Betriebsgrößen zu Beginn der Betriebszustandsän­ derung abhängt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anfangswert der Übergangsgröße von der Änderung des Wertes einer Betriebsgröße innerhalb einer kur­ zen vorgegebenen Zeitspanne abhängt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitkonstante für das Abklingen des Übergangswertes in inverser Weise vom Luftmassenstrom in den Motor abhängt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grundwert, der mit dem zeitlich ab­ klingenden Übergangswert modifiziert wird, bei einer steti­ gen Lambdaregelung der Sollwert ist.

7. Vorrichtung (11) zum Bestimmen des jeweils aktuellen Wertes mindestens eines Regelparameters für eine Lambdarege­ lung, welcher zur Fett- oder Magerverschiebung dient, ab­ hängig vom jeweils aktuellen Betriebszustand des geregelten Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch

• 1. ein Kennfeld (12) für Grundwerte des betreffenden Regel­ parameters, das über Werte von Betriebsgrößen adressierbar ist und Werte des Parameters enthält, die für eine Regelung mit minimalem Schadgasausstoß bei stationärem Betrieb des Motors appliziert wurden,
• 2. und eine Modifiziereinrichtung (13-19) zum Modifizieren eines jeweiligen aus dem Grundwert-Kennfeld ausgelesenen Wertes mit einem zeitlich abklingenden Übergangswert im Fall von Betriebszustandsänderungen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifiziereinrichtung (13-19) ein Kennfeld (13) für Anfangswerte der Übergangsgröße aufweist, das über Werte von Betriebsgrößen adressierbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifiziereinrichtung (13-19) eine Einrichtung (17) zum Erfassen der Leistungsänderung des Mo­ tors und eine Einrichtung (15.1, 15.2, 16) zum Beeinflussen des Anfangswertes der Übergangsgröße abhängig von der erfaß­ ten Leistungsänderung aufweist.