Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Kennlinie
einer Breitband-Lambda-Sonde.
Zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine ist üblicherweise
ein Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt der Brennkraftmaschine
angeordnet. Stromauf dieses Katalysators ist
eine Breitband-Lambda-Sonde vorgesehen, deren abgegebenes Signal
abhängig von dem im Abgas enthaltenen Restsauerstoffanteil
bzw. von Kohlenmonoxid und Wasserstoff (CO, H2) ist. Bei
Kraftstoffüberschuß (fettes Gemisch) ist das Signal vorwiegend
von CO und H2, bei Luftüberschuß (mageres Gemisch) vom
Restsauerstoffanteil abhängig.
Eine Breitband-Lambda-Sonde liefert in einem weiten Lambda-Bereich
(0,7 bis 4) ein eindeutiges, monoton steigendes Signal.
Dieses Signal wird mittels einer Kennlinie in einem
Steuergerät in einen Lambda-Wert umgewandelt. Die Regelung
der Brennkraftmaschine erfolgt so, daß die Lambda-Sonde einen
Lambda=1 zugeordneten Wert anzeigt. Da ein Drei-Wege-Katalysator
in einem Bereich des Rohabgases um Lambda=1 optimale
katalytische Eigenschaften zeigt, sollte der vorbestimmte
Mittelwert bzw. der Lambda=1 zugeordnete Signalpegel dann
auch tatsächlich Lambda=1 entsprechen; d.h. die Kennlinie muß
die korrekte Zuordnung von Signal und Lambda-Wert enthalten.
Die dynamischen und statischen Eigenschaften der Lambda-Sonde
stromauf des Drei-Wege-Katalysators werden jedoch durch Umgebungsbedingungen
(z.B. Feuchte), Alterung und Vergiftung verändert.
Dadurch verschiebt sich die Lage des Lambda=1 entsprechenden
Signalpegels der Sonde. Um dies zu korrigieren,
ist es nach dem Stand der Technik bekannt, stromab des Drei-Wege-Katalysators
eine weitere Lambda-Sonde anzuordnen, die
als Monitorsonde zur Überwachung der katalytischen Umwandlung
eingesetzt wird und eine Feinregulierung des Gemisches ermöglicht.
Dazu wird die Umwandlung des Signals der Lambda-Sonde
zum Lambda-Wert korrigiert, so daß der für die Konvertierung
günstigste Lambda-Wert immer eingehalten werden kann. Dieses
Verfahren wird als Führungs- oder Trimmregelung bezeichnet.
Diese Korrektur entspricht somit einer Verschiebung der Kennlinie.
Jedoch kann die Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde
aufgrund Umgebungseinflüsse, Alterung oder einer gewissen
Bauteiletoleranz auch in ihrer Steigung von der im Steuergerät
abgelegten Kennlinie abweichen. Eine solche Abweichung
führt dazu, daß das Steuergerät bei Lambda-Werten ungleich 1
das Signal der Lambda-Sonde in einen fehlerhaften Lambda-Wert
umsetzt. Dieser durch eine falsche Kennliniensteigung verursachte
Fehler wird um so größer, je mehr der Lambda-Wert des
Abgases von Lambda=1 abweicht. Besonders bei Magerbetrieb der
Brennkraftmaschine kann dieser Fehler untolerierbare Größen
annehmen.
Zur Korrektur der Kennliniensteigung ist es in der
DE 198 42 425.6 der Anmelderin vorgesehen, in einer Schubabschaltungsphase
der Brennkraftmaschine den Signalpegel des
Signals der Lambda-Sonde dem der Umgebungsluft entsprechenden
Wert, d.h. 1/Lambda=0 zuzuordnen. Es zeigte sich jedoch, daß
das Signal der Breitband-Lambda-Sonde auch in Schubabschaltungsphasen
schwankt. Diese Signalschwankungen sind durch
Kohlenwasserstoffemissionen im Öl der Brennkraftmaschine verursacht,
gegen die die Lambda-Sonde eine Querempfindlichkeit
zeigt. Das Verfahren der DE 198 42 425.6 versucht, diese
Emissionen zu mindern, indem die Drosselklappe der Brennkraftmaschine
geöffnet wird, um den Unterdruck in den Zylindern,
der die Emissionen verstärkt, abzubauen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde
anzugeben, mit dem die Steigung der Kennlinie korrigiert
werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung
gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch die
Emissionen schwerflüchtiger Kohlenwasserstoffe, beispielsweise
des Öls der Brennkraftmaschine, das Signal der Lambda-Sonde
in der Schubabschaltung nicht sofort auf den der Umgebungsluft
entsprechenden Lambda-Wert springt. Stattdessen
steigt das Signal mit abnehmender Steigung auf diesen Wert
hin an.
Erfindungsgemäß wird nun diese Steigung des Signals der
Lambda-Sonde bei der Korrektur der Kennliniensteigung berücksichtigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einer Schubabschaltungsphase
gewartet, bis die Steigung des Signals der
Lambda-Sonde einen Schwellenwert unterschreitet und dann ein
erster Korrekturfaktor errechnet, der sich beispielsweise aus
dem Quotienten zwischen dem zeitlichen Mittelwert des Ist-Wertes
des Signals der Lambda-Sonde und einem Soll-Wert ergibt.
Aus der Steigung, die das Signal der Lambda-Sonde in
der Schubabschaltung während der Mittelwertbildung aufweist,
wird ein zweiter Korrekturfaktor bestimmt und mit dem ersten
Korrekturfaktor zu einem dritten Korrekturfaktor multipliziert.
Mit diesem dritten Korrekturfaktor kann dann die Steigung
der Kennlinie korrigiert werden. Alternativ ist es auch
möglich, jeden Meßwert des Signals der Lambda-Sonde mit dem
dritten Korrekturfaktor zu korrigieren.
Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß zum einen
die Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde besser korrigiert
werden kann und zum anderen kein Drosselklappeneingriff nötig
ist. Ein solcher Drosselklappeneingriff beeinflußt nämlich in
unerwünschter Weise das von der Brennkraftmaschine abgebbare
Schleppmoment.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
- Fig. 1
- ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit
Abgasreinigungssystem,
- Fig. 2
- den Signalverlauf einer neuwertigen Lambda-Sonde
sowie einer gealterten Breitband-Lambda-Sonde sowie
den Schwellenwert der Signalsteigung,
- Fig. 3
- den Zusammenhang zwischen Korrekturwert und
Steigung des Signals der Breitband-Lambda-Sonde
während der Schubabschaltung und
- Fign. 4a und 4b
- zwei unterschiedliche Darstellungen der
Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde.
Die Erfindung betrifft die Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine
mittels einer Abgasreinigungsanlage, wie sie
schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Es kann sich dabei um
eine gemischansaugende oder um eine direkteinspritzende
Brennkraftmaschine handeln. Der Betrieb der Brennkraftmaschine
10 der Fig. 1 wird von einem Betriebssteuergerät 8 gesteuert.
Die Brennkraftmaschine 10 saugt über ein Saugrohr 9 die
zur Verbrennung nötige Luft an. Im Saugrohr 9 ist eine Drosselklappe
11 angeordnet, die für die entsprechende Einstellung
der Luftmenge sorgt. Die Drosselklappe 11 wird über
nicht näher bezeichnete Leitungen vom Betriebssteuergerät 8
angesteuert. Alternativ wird die Luftmenge über entsprechend
betätigbare, z.B. elektromechanisch betriebene Ventile eingestellt.
Im Abgastrakt 4 der Brennkraftmaschine 10 befindet sich ein
Drei-Wege-Katalysator 6. Zusätzlich kann auch ein weiterer,
NOx-reduzierender Katalysator vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Diese beiden Katalysatoren können auch in einem Katalysator
integriert sein, so daß ein Katalysator 6 vorliegt,
der bei Lambda=1 Drei-Wege-Eigenschaften und im mageren Betrieb
der Brennkraftmaschine NOx-Speicherfähigkeit zeigt.
Zum Betrieb des Drei-Wege-Katalysators 6 ist stromauf davon
eine Breitband-Lambda-Sonde 5 vorgesehen, die ihre Meßwerte
über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Betriebssteuergerät
8 abgibt. Es werden dem Betriebssteuergerät 8 ferner
die Werte weiterer Meßaufnehmer, insbesondere für die Drehzahl,
Last, Katalysatortemperatur usw. zugeführt. Mit Hilfe
dieser Meßwerte steuert das Betriebssteuergerät 8 den Betrieb
der Brennkraftmaschine 10. Das Betriebssteuergerät 8 wandelt
das üblicherweise als Strom vorliegende Signal der Breitband-Lambda-Sonde
5 mittels einer Kennlinie in einen Lambda-Wert
um.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 erfolgt so, daß das den
Sauerstoffgehalt im Rohabgas anzeigende Signal der Lambda-Sonde
5 einem vorbestimmten Signalpegel entspricht. Bei einem
Drei-Wege-Katalysator ist das Lambda=1 im Abgas. Die stromab
des Katalysators 6 angeordnete Nachkat-Lambda-Sonde 7 mißt
den Lambda-Wert im Abgas stromab des Katalysators 6. Ihr Meßwert
wird dazu verwendet, den Lambda=1 zugeordneten Signalpegel
feinzujustieren. Dazu wird der Meßwert der Nachkat-Lambda-Sonde
7 an einen Trimmregler geleitet, der ein eigenständiges
Gerät, oder wie in der Fig. 1 dargestellt, im Betriebssteuergerät
8 integriert sein kann. Dieser Trimmregler
gleicht eine z.B. alterungsbedingte Verschiebung des mittels
der Kennlinie Lambda=1 zugeordneten Signalpegels der Lambda-Sonde
5 aus, so daß sichergestellt ist, daß die Brennkraftmaschine
1 vom Betriebssteuergerät 8 so geregelt wird, daß der
Lambda-Wert des Rohabgases im Abgastrakt 4 stromauf des Katalysators
6 dem gewünschten Lambda=1 entspricht.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, für diese Trimmregelung
das Signal einer Nachkat-Lambda-Sonde 7 zu verwenden.
Es ist aber auch bekannt, einen eine andere Substanzkonzentration
im Abgas erfassenden Meßaufnehmer dazu einzusetzen.
So beschreibt beispielsweise die Patentanmeldung
DE 198 19 461.7 der Anmelderin ein Verfahren, bei dem zur
Trimmregelung das Signal eines NOx-Meßaufnehmers stromab des
Katalysators 6 verwendet wird. Mit einer Trimmregelung kann
jedoch nur die Zuordnung des Signalpegels der Lambda-Sonde 5
zu Lambda=1 korrigiert werden.
Die Kennlinie einer Lambda-Sonde 5 ist in den Figuren 4a und
4b dargestellt. In Fig. 4a ist das Ausgangssignal Ip der
Breitband-Lambda-Sonde über dem Lambda-Wert λ aufgetragen. In
Fig. 4b erfolgt diese Auftragung über 1/λ. Eine Trimmregelung
bekannter Art ist in der Lage, eine Verschiebung der Kennlinie
zu bewirken, so daß die Zuordnung des Lambda=1 entsprechenden
Signalpegels der Lambda-Sonde korrekt ist. Eine veränderte
Steigung der Kennlinie kann dieses Verfahren nicht
ausgleichen, die Zuordnung für andere Lambda-Werte außerhalb
Lambda=1 ist falsch, wie die gestrichelte Kennlinie in Fig.
4b zeigt. Eine solche veränderte Steigung kann sich im Laufe
der Lebensdauer der Brennkraftmaschine 10 aus Alterungsgründen
ergeben. Auch ist es möglich, daß die Kennlinie einer
verbauten Lambda-Sonde 5 aufgrund gewisser Bauteiltoleranzen
oder Umgebungsdruck- oder Luftfeuchteeinflüssen von der Kennlinie
abweicht, die das Betriebssteuergerät 8 zugrundelegt,
wenn das Signal Ip der Lambda-Sonde 5 in einen Lambda-Wert
umgewandelt wird. In beiden Fällen wird der dabei entstehende
Fehler um so größer, je weiter der Lambda-Wert von Lambda=1
abweicht, was sich insbesondere bei Magerbetrieb der Brennkraftmaschine
10 negativ bemerkbar macht.
Um die Steigung der Kennlinie, wie sie auch in Fig. 4b dargestellt
ist, korrigieren zu können, wird deshalb das Signal Ip
der Lambda-Sonde 5 in einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine
10 erfaßt und ein Signalpegel bestimmt, der
1/Lambda=0 zugeordnet wird.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des Lambda-Sondensignals Ip während
einer solchen Schubabschaltung. Kurve 2 stellt den Soll-Wert
einer Lambda-Sonde bei einer Brennkraftmaschine dar, bei der
keine Kohlenwasserstoffemissionen in der Schubabschaltung
stattfinden. Wie zu sehen ist, stabilisiert sich nach 1 bis 2
Sekunden der Pumpstrom auf einem Niveau, das zur Zuordnung
des Signalpegels zu dem der Umgebungsluft entsprechenden Wert
(1/Lambda=0) tauglich ist.
Zur Bestimmung des Signalpegels kommen verschiedene Methoden
in Frage. Möglich sind u.a. Mittelwertbildung ab einer gewissen
Zeitdauer nach Beginn der Schubabschaltung oder eine Mittelung
des Lambda-Sondensignals Ip, die dann beginnt, wenn
die Steigung des Signals der Lambda-Sonde unter einen gewissen
Schwellenwert fällt. Dieser Schwellenwert, der ein Gradient
ist, ist als Kurve 3 in Fig. 2 eingetragen. In Fig. 2
fällt die Steigung des Signals der Lambda-Sonde 5 zum Zeitpunkt
t0 unter den Schwellenwert der Kurve 3. Zu t0 wird damit
begonnen, das Signal der Lambda-Sonde zu mitteln. Diese
Mittelung dauert beispielsweise 2 Sekunden und ist zum Zeitpunkt
t1 beendet. Der so erhaltene Mittelwert Ip_mess_schub
ist der Signalpegel, der dem der Umgebungsluft entsprechenden
Wert zugeordnet wird (1/Lambda=0). Im Beispiel der Fig. 1 ist
das ein Strom von etwa 4,2 mA.
Kurve 1 in Fig. 2 stellt dieselbe Lambda-Sonde wie bei Kurve
2, jedoch unter dem Einfluß von Kohlenwasserstoffemissionen
dar. Unterschreitet die Steigung des Signals Ip der Lambda-Sonde
5 nach Kurve 1 den Schwellenwert der Kurve 3, was etwa
auch zum Zeitpunkt t0 der Fall ist, so hat die Kurve 1 noch
kein Plateau erreicht, da störende Restgasquereinflüsse hochsiedender
Kohlenwasserstoffe zu einem langsamen Anstieg des
Lambda-Sondensignals Ip führen.
Unterschreitet die Steigung des Signals Ip den Schwellenwert,
der durch Kurve 3 bestimmt ist, wird nun zur Korrektur der
Lambda-Sondenkennlinie bzw. zur Bestimmung des Korrekturfaktors
wie folgt vorgegangen:
1. Aus einem Speicher wird ein Mittelwert Ip_nom entnommen,
der dem Signalpegel einer Lambda-Sonde ohne störende Quereinflüsse
bei Umgebungsluft (1/Lambda=0) entspricht. 2. Im Meßfenster, d.h. zwischen den Zeitpunkten t0 und t1
wird das Lambda-Sondensignal während der Schubabschaltung gemessen
und zu Ip_mess_schub gemittelt. Dieser Mittelwert beinhaltet
die Quereinflüssse von Restgasen und zusätzlich Änderungen,
die durch den aktuellen Zustand der Lambda-Sonde,
beispielsweise durch Alterung, Umgebungsdruck und Feuchteinflüsse
bedingt sind. 3. Ein erster Korrekturfaktor K1 wird aus dem Quotienten von
Ip_nom und Ip_mess_schub berechnet: K1 = Ip_nom/Ip_mess_schub. 4. Aus dem Lambda-Sondensignalpegel zu Beginn des Meßfensters
Ip0 = Ip(t0) und dem Lambda-Sondensignalpegel zu Ende des
Meßfensters Ip1 = Ip(t1) wird die Pumpstromdifferenz berechnet
und normiert: Ip_dif_rel = (Ip1 - Ip0)/Ip_nom. 5. Aus einer Kennlinie wird abhängig von Ip_dif_rel ein zweiter
Korrekturfaktor K2 entnommen. Die Einzelheiten dieser
Kennlinie werden später erläutert. 6. Der dritte Korrekturfaktor K3 wird durch Multiplikation
des ersten Korrekturfaktors K1 mit dem zweiten Korrekturfaktor
K2 berechnet: K3 = K1 * K2.
Mit diesem Korrekturfaktor K3 kann nun jeder Meßwert der
Lambda-Sonde 5 multipliziert werden. Dabei werden zwei unterschiedliche
Fehlerquellen berücksichtigt:
a) die Alterung der Lambda-Sonde sowie Einflüsse von Umgebungsdruck
und Feuchte und b) Quereinflüsse von Kohlenwasserstoffemissionen.
Die zur Bestimmung des Korrekturfaktors K2 verwendete Kennlinie
ist beispielhaft in Fig. 4 dargestellt. Jeder der eingetragenen
Meßpunkte wurde bei einem anderen Betriebszustand
einer Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand gewonnen. Auf
der x-Achse ist Ip_dif_rel aufgetragen, wie es oben definiert
wurde.
Auf der y-Achse ist der Korrekturfaktor K2 aufgetragen, der
wie folgt definiert ist: K2 = Ip_mess_schub/Ip_actu.
Dabei ist Ip_actu der Mittelwert des Signals einer Lambda-Sonde
bei Umgebungsluft mit Einflüssen durch Umgebungsdruck- und
Feuchtevariation, jedoch ohne Quereinflüsse durch Kohlenwasserstoffemissionen.
Die ebenfalls in Fig. 4 eingetragene
Regressionsgrade stellt die in der Kennlinie für den Korrekturfaktor
K2 hinterlegten Werte dar und zeigt, daß zwischen
dem Quotienten des quereinflußfreien Mittelwerts Ip_actu der
Lambda-Sonde und des während der Schubabschaltung im Meßfenster
ermittelten Mittelwerts Ip_mess_schub und der relativen
Pumpstromdifferenz Ip_dif_rel ein stetiger Zusammenhang besteht.
Durch Ausnutzung dieses Zusammenhangs kann das Kennfeld für
den Korrekturfaktor K2 hinterlegt werden. Damit ist es möglich,
im Betrieb der Brennkraftmaschine den durch Kohlenwasserstoff-Quereinflüsse
verursachten Fehler zu korrigieren.
Die oben aufgeführte Darstellung des Korrekturverfahrens kann
zur Veranschaulichung formelmäßig zusammengefaßt werden, indem
man die Definitionen für den Korrekturfaktor K1 und den
Korrekturfaktor K2 in die Formel für den Korrekturfaktor K3
einsetzt:
K3 = K1 * K2 = (Ip_nom/Ip_mess_schub) * (Ip_mess_schub/Ip_actu).
Durch Kürzen erhält man K3 = Ip_nom/Ip_actu. K3 ist also ein
Quotient aus einem Mittelwert eines quereinflußfreien Signals
einer neuwertigen Lambda-Sonde und einem Mittelwert eines
quereinflußfreien Signals einer gealterten Sonde mit Beeinflußung
durch Umgebungsdruck, Feuchte usf., jeweils bei
1/Lambda=0. Dies veranschaulicht, daß K3 der gewünschte Korrekturfaktor
ist, der das Signal der Lambda-Sonde hinsichtlich
der Alterungs-, Umgebungsdruck- und Feuchteeinflüsse
korrigiert, jedoch keinen störenden Quereinflüssen während
der zur Bestimmung des Signalpegels nötigen Messung unterworfen
ist.
Mit diesem Korrekturfaktor K3 kann nun entweder die in einem
Speicher im Betriebssteuergerät 8 hinterlegte Kennlinie für
die Lambda-Sonde 5 korrigiert werden oder alternativ jeder
Meßwert der Lambda-Sonde multipliziert werden, um die Korrektur
zu bewirken.
Zur besseren Güte des Verfahrens kann man diesen Korrekturfaktor
K3 auch adaptiv fortschreiben, wobei bei jeder Fortschreibung
geprüft werden kann, ob der neu ermittelte Korrekturfaktur
innerhalb eines Zulässigkeitsbereiches liegt.