EP1336743B1 - Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung - Google Patents

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EP1336743B1
EP1336743B1 EP20030002403 EP03002403A EP1336743B1 EP 1336743 B1 EP1336743 B1 EP 1336743B1 EP 20030002403 EP20030002403 EP 20030002403 EP 03002403 A EP03002403 A EP 03002403A EP 1336743 B1 EP1336743 B1 EP 1336743B1
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EP
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lambda
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amplitude
gas packets
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Dietmar Ellmer
Thorsten Lauer
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Siemens AG
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Definitions

  • the present invention relates to a method for the forced excitation of a lambda control for an internal combustion engine with a catalytic converter, upstream and downstream of this arranged lambda probes and a control device.
  • a method for the diagnosis of a steady lambda probe is known.
  • the desired value for the lambda control is impressed by periodic forced excitations and the distance behavior of the lambda control circuit is simulated by means of a model.
  • the amplitude amplification of model and system are compared with each other and adapted depending on the result of the comparison of the model parameters. If the change of the model parameter is above a threshold value, then the lambda probe is classified as defective.
  • the superimposed amplitude is symmetrical to the lambda setpoint and rich and lean surfaces balance each other out.
  • optimum conversion is predetermined at a signal value of the lambda probe arranged downstream of a catalyst depending on the operating point. Since the conversion of the catalyst is dependent on its history, it may come in the control to a slow drifting of the conversion rate, without this being indicated by the signal value of the downstream catalyst.
  • the invention has for its object to provide a forced excitation, which reliably avoids a deterioration of the exhaust gas conversion with simple means.
  • the inventive method is based on a so-called fine metering of the exhaust gas composition.
  • a lambda setpoint is superimposed on a first amplitude for a first number of exhaust gas packets and at least two different second amplitude values for a second number of exhaust gas packets on a forced start.
  • the control device determines one of the second amplitude values and an associated portion of the second exhaust gas packets such that the signal values of the downstream lambda probe change on the basis of these exhaust gas packets. Preference is given to a reversal of Signal values achieved. With the help of the forced excitation, a good optimization of the exhaust gases is achieved in the method according to the invention.
  • a targeted influencing of the signal values located downstream of the lambda probe located downstream of the catalytic converter is achieved by the additional second amplitude value.
  • the direction reversal of the signal values is preferably carried out by adding or removing rich or lean exhaust gas packets.
  • An operating point-dependent reversal of direction is effected, which is repeated at regular or irregular time intervals.
  • the control device By varying the number of lean exhaust gas packages, the control device retains the freedom to determine the number and the lambda values of the remaining forced excitation in accordance with the load and speed as a function of the operating point.
  • the lambda value determined via the first number and the second number of exhaust gas packets corresponds to the lambda desired value.
  • both second amplitude values are preferably lean.
  • the first and second number of exhaust gas packages is a multiple of the number of cylinders, which are provided in an exhaust line with a catalyst.
  • the signal values of the downstream catalytic converter are averaged over the first and the second number of exhaust gas packets. For the thus averaged signal values, it is checked whether a reversal of direction the signal values are achieved by one of the second amplitude values.
  • FIG. 1 shows the amplitudes of the forced excitation according to an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 plots the course of the DELTA_LAMBDA_ VALUES, which are added to a lambda setpoint value. The excitation amplitude is plotted against time in milliseconds.
  • Curve 10 shows the course of the amplitude values in the conventional forced excitation. Curve 10 has approximately a sinusoidal profile, in which the fat / lean amplitudes pass over rising or falling edges.
  • the known forcible excitation has an excitation amplitude of about 0.030 and a period of about 850 ms.
  • the amplitude profile according to the method according to the invention is shown by way of example in curve 12.
  • the amplitudes 16 and 18 are given for the lean excitation.
  • the amplitude value 18 is greater, ie the resulting lambda is leaner than in the amplitude value 16.
  • a third amplitude value 22 is subtracted from the lambda desired value.
  • the lambda setpoint is less fat than one of the two amplitude values 16 and 18.
  • the duration of the excitation 14 and 20 are approximately the same length in the illustrated embodiment.
  • the sequence of the three amplitude values 16, 18 and 22 is repeated, the duration of the amplitude values 16 and 18 varying.
  • the duration of the lean amplitude 18 is shortened in the three consecutive periods.
  • the duration of the amplitude values 18 is determined while observing the post-cat probe signal. As a result, an effective conversion by the catalyst is possible without the so-called “falling asleep" of the catalyst or an oxygen breakthrough occurs.
  • Input values 24 and 26 are the current values for the speed and load.
  • the input values 24 and 26 are applied to the calculation modules 28 and 30, respectively.
  • module 28 calculates the value for the first lean excitation amplitude 16 (IP_DE_LAMB_SP_AFL).
  • the second calculation module 30 calculates the value for the excitation amplitude 22 in the phase of the rich lambda values (IP_DE_LAMB_SP_AFR).
  • the module 32 calculates the value for the second lean amplitude 18 (IP_DELTA_LAMB_AFL_COR).
  • the second lean amplitude calculation depends on the output of an exhaust control device 34.
  • the output signals of the units 28, 30, 32 are applied to a switch 36.
  • the switch 36 switches depending on the output signal of the exhaust gas control device 34 of the applied input signals as lambda output signal 38 on.
  • the signal value of the signal values 40 of the lambda probe is located downstream of the catalytic converter, the so-called post-cat signal.
  • the number of segments in which the amplitude value 18 should be present is determined in a module 42 (IP_SEG_NR_AFL_COR).
  • IP_SEG_NR_AFL_COR When specifying the Semgentzeit 44 an even multiple of the number of cylinders or a cylinder bank is selected.
  • the constants for the number of lean segments (C_SEG_NR_AFL) and the rich segments (C_SEG_NR_AFR) are also applied to the exhaust gas control device 34.
  • the sum of the segment numbers determines the frequency of the compulsory stimulation, whereby the duration may be different with rich and lean amplitude.
  • the evolution of the catalyst signal 40 is monitored.
  • the monitoring takes place, for example, to determine whether deviations occur in the catalyst signal 40 over several periods.
  • the catalyst signal 40 may be monitored for a threshold.
  • the output of the monitoring unit 46 is applied to the exhaust gas control device 34, so that in case of deviation in the catalyst signal 40, the control device 34 can switch the three amplitude values accordingly.
  • the output signal 48 of the exhaust gas control device 34 is in addition to the module 32, so that the determination of the amplitude value 18 can be made depending on the catalyst signal 40.
  • VLS_DOWN post-Kat probe signal level
  • An optimum for the conversion is in a control due to the signal values of the downstream catalyst depending on the history of the Katbeladung, so-called memory effect.
  • memory effect After very rich loading, for example, there is the possibility that signal values of the catalytic converter may lead to emission deteriorations which do not occur under normal operating conditions. With this effect, sudden NOx breakthroughs can occur.
  • a purely operating point-dependent constant value regulation for the lambda values neither this memory effect is taken into account, nor can a slow drifting of the conversion rates be taken into account.
  • the signal of the downstream catalyst is stimulated regularly. If, for example, the signal value of the downstream catalyst decreases from one evaluation cycle to the next, the oxygen content in the exhaust gas is reduced. If increasing changes occur between the evaluation cycles, the oxygen content in the exhaust gas is increased. If, over a number of steps, the change in the downstream lambda probe values is less than zero, then when a predetermined number is exceeded, a reversal of the signal values is predetermined and implemented by a changed exhaust gas composition. If this increase in the level has taken place, the signal values are subsequently further reduced in the same way until a predefined minimum value is reached. This minimum value is exceeded by targeted Abgasfeindostechnik up and down and brought back into phase to prevent drifting of the signal values.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, stromaufwärts sowie stromabwärts von diesem angeordneten Lambdasonden und einer Regeleinrichtung.
  • Neue Richtlinien zur Abgasreduzierung machen einen erhöhten Aufwand bei der Abgasreinigung notwendig. In dem Artikel von Cornelius et al. "The Role of Oxygen Storage in NO Conversion in Automotive Catalysts" wird beschrieben, daß durch eine Zwangsanregung eine bessere Abgaskonvertierung erzielt wird. Bei der Zwangsanregung wird einem Lambda-Sollwert eine Fett/Mageramplitude überlagert. Die bekannte Zwangsanregung ist symmetrisch zu einem Lambda-Sollwert.
  • Aus DE 43 44 892 C2 ist eine Steuerung des Luft/Kraftstoff-Gemisches bekannt, die unabhängig vom Betriebszustand zwangsweise zwischen angereicherten und mageren Zuständen oszilliert, um die Reinigungseffizienz des Katalysators zu erhöhen.
  • Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer stetigen Lambdasonde bekannt. Bei dem Verfahren wird der Sollwert für die Lambdaregelung durch periodische Zwangsanregungen aufgeprägt und das Streckenverhalten des Lambdaregelungskreises mittels eines Modells nachgebildet. Die Amplitudenverstärkung von Modell und System werden miteinander verglichen und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs der Modellparameter adaptiert. Liegt die Änderung des Modellparameters oberhalb eines Schwellwerts, so wird die Lambdasonde als defekt eingestuft. Die überlagerte Amplitude ist symmetrisch zum Lambda-Sollwert und Fett- sowie Magerflächen gleichen sich aus.
  • Aus DE 195 16 239 ist ein Verfahren zur Parametrisierung einer Lambdaregelungseinrichtung bekannt. Ansatz für die Parametrisierung ist, daß die Übertragungsfunktion der Lambdaregelstrecke als eine Hintereinanderschaltung zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung und eines Totzeitgliedes im Lamdaregelkreis dargestellt werden kann. Der Luftzahlmittelwert wird über einen PID-Regler geregelt. Die Bestimmung der Streckenparameter erfolgt hierbei abhängig von einem Sondenausgangsignal einer linearen Lambdasonde.
  • Bei einer Lambdaregelung wird im Allgemeinen angenommen, daß eine optimale Konvertierung bei einem Signalwert der stromabwärts von einem Katalysator angeordneten Lambdasonde abhängig vom Betriebspunkt vorbestimmt ist. Da die Konvertierung des Katalysators von dessen Vorgeschichte abhängig ist, kann es bei der Regelung zu einem langsamen Wegdriften der Konvertierungrate kommen, ohne daß dies durch den Signalwert des stromabwärts liegenden Katalysators angezeigt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zwangsanregung bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln zuverlässig eine Verschlechterung der Abgaskonvertierung vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer sogenannten Feindosierung der Abgaszusammensetzung aus. Hierfür werden einem Lambda-Sollwert bei einer Zwangsanregung für eine erste Anzahl von Abgaspaketen eine erste Amplitude und für eine zweite Anzahl von Abgaspaketen mindestens zwei unterschiedliche zweite Amplitudenwerte überlagert. Die Regeleinrichtung bestimmt einen der zweiten Amplitudenwerte und einen zugehörigen Anteil der zweiten Abgaspakete derart, daß die Signalwerte der stromabwärts liegenden Lambdasonde sich aufgrund dieser Abgaspakete ändern. Bevorzugt wird eine Umkehrung der Signalwerte erzielt. Mit Hilfe der Zwangsanregung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gute Optimierung der Abgase erreicht. Gleichzeitig wird durch den zusätzlichen zweiten Amplitudenwert ein gezieltes Beeinflussen der Signalwerte stromabwärts von dem Katalysator liegenden Lambdasonde erreicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine gezielte Stimulation der stromabwärts von dem Katalysator liegenden Lambdasonde, die ein schleichendes Wegdriften der Konvertierungsrate verhindert.
  • Die Richtungsumkehr der Signalwerte erfolgt bevorzugt durch Hinzunahme oder Wegnahme von fett oder mageren Abgaspaketen. Es wird eine betriebspunktabhängige Richtungsumkehr herbeigeführt, die sich in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholen. Indem die Anzahl der mageren Abgaspakete variiert wird, verbleibt der Steuereinrichtung die Freiheit, die Anzahl und die Lambdawerte der übrigen Zwangsanregung entsprechend last- und drehzahlabhängig vom Betriebspunkt zu bestimmen.
  • Der über die erste Anzahl und die zweite Anzahl der Abgaspakete ermittelte Lambdawert, entspricht dem Lambda-Sollwert. Bevorzugt sind hierbei beide zweiten Amplitudenwerte mager.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erste und zweite Anzahl der Abgaspakete ein Vielfaches der Zylinderzahl, die in einem Abgasstrang mit einem Katalysator vorgesehen sind. Der Vorteil liegt darin, daß Zylinderungleichheiten in den Lambdawerten und den der Abgaszusammensetzung über die Periodendauer herausgemittelt werden.
  • Um die Genauigkeit bei der Zwangsanregung und der Konvertierung noch weiter zu steigern, werden die Signalwerte des stromabwärts liegenden Katalysators über die erste und die zweite Anzahl von Abgaspaketen gemittelt. Für die so gemittelten Signalwerte wird überprüft, ob eine Richtungsumkehr der Signalwerte durch eine der zweiten Amplitudenwerte erzielt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:
    • Fig. 1:
    die Amplitudenwerte für die Zwangsanregung und
    Fig. 2:
    ein schematisches Ablaufbild zur Bestimmung der Amplitudenwerte.
  • Fig. 1 zeigt die Amplituden der Zwangsanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 1 ist der Verlauf der DELTA_LAMBDA_WERTE aufgetragen, die zu einem Lambda-Sollwert hinzuaddiert werden. Die Anregungsamplitude ist gegen die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Kurve 10 zeigt den Verlauf der Amplitudenwerte bei der herkömmlichen Zwangsanregung. Kurve 10 besitzt ungefähr einen sinusförmigen Verlauf, bei dem die Fett/Mager-Amplituden über steigende bzw. fallende Flanken übergehen. In dem dargestellten Beispiel besitzt die bekannte Zwangsanregung eine Anregungsamplitude von ungefähr 0,030 und eine Periodendauer ungefähr 850 ms.
  • Der Amplitudenverlauf nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist beispielhaft in Kurve 12 dargestellt. In einem ersten Zeitabschnitt 14 werden die Amplituden 16 und 18 für die magere Anregung vorgegeben. Alternativ zur Verwendung zweier unterschiedlichen Amplitudenwerte können auch unterschiedliche Anzahlen von Abgaspaketen eingesetzt werden. In dem dargestellten Beispiel ist der Amplitudenwert 18 größer, d.h. das resultierende Lambda ist magerer als bei dem Amplitudenwert 16. In dem sich anschließenden Zeitabschnitt 20 wird ein dritter Amplitudenwert 22 von dem Lambda-Sollwert subtrahiert. Der Lambda-Sollwert ist hierbei weniger fett als einer der beiden Amplitudenwerte 16 und 18. Die Dauer der Anregung 14 und 20 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ungefähr gleich lang.
  • Die Abfolge der drei Amplitudenwerte 16, 18 und 22 wiederholt sich, wobei die Dauer der Amplitudenwerte 16 und 18 variiert. In dem dargestellten Beispiel wird die Dauer der mageren Amplitude 18 in den drei aufeinanderfolgenden Perioden verkürzt.
  • Die Dauer der Amplitudenwerte 18 wird unter Beobachtung des Nach-Kat-Sondensignals bestimmt. Hierdurch wird eine wirkungsvolle Konvertierung durch den Katalysator möglich, ohne daß das sogenannte "Einschlafen" des Katalysators oder ein Sauerstoffdurchbruch auftritt.
  • Fig. 2 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild die Verfahrensschritte zur Bestimmung der Anregungsamplitude. Als Eingangsgrößen 24 und 26 liegen die aktuellen Werte für die Drehzahl und Last an. Die Eingangswerte 24 und 26 liegen jeweils an den Berechnungsmodulen 28 und 30 an. Hierbei berechnet Modul 28 den Wert für die erste magere Anregungsamplitude 16 (IP_DE_LAMB_SP_AFL). Das zweite Berechnungsmodul 30 berechnet den Wert für die Anregungsamplitude 22 in der Phase der fetten Lambdawerte (IP_DE_LAMB_SP_AFR). Das Modul 32 berechnet den Wert für die zweite magere Amplitude 18 (IP_DELTA_LAMB_AFL_COR). Zusätzlich zu der Abhängigkeit von Last und Drehzahl hängt die Berechnung der zweiten mageren Amplitude von dem Ausgangssignal einer Abgassteuereinrichtung 34 ab.
  • Die Ausgangssignale der Einheiten 28, 30, 32 liegen an einem Schalter 36 an. Der Schalter 36 schaltet abhängig von dem Ausgangssignal der Abgassteuereinrichtung 34 eines der anliegenden Eingangssignale als Lambdaausgangssignal 38 weiter.
  • Als weitere Eingangsgröße für die Zwangsanregung liegt der Signalwert der Signalwerte 40 der Lambdasonde stromabwärts von dem Katalysator an, das sogenannte Nach-Kat-Signal. Abhängig von der Eingangsgröße 40 wird in einem Modul 42 die Anzahl der Segmente bestimmt, in denen der Amplitudenwert 18 anliegen soll (IP_SEG_NR_AFL_COR). Bei der Vorgabe der Semgentzeit 44 wird ein gradzahliges Vielfaches der Zylinderzahl bzw. einer Zylinderbank gewählt. An der Abgassteuereinrichtung 34 liegen ferner die Konstanten für die Anzahl der mageren Segmente (C_SEG_NR_AFL) und der fetten Segmente (C_SEG_NR_AFR) an. Die Summe der Segmentzahlen bestimmt die Frequenz der Zwangsanregung, wobei die Dauer mit fetter und magerer Amplitude unterschiedlich sein kann.
  • In dem Modell 46 wird die Entwicklung des Katalysatorsignals 40 überwacht. Die Überwachung erfolgt beispielsweise dahingehend, ob Abweichungen in den Katalysatorsignal 40 über mehrere Perioden auftreten. Ebenfalls kann das Katalysatorsignal 40 auf einen Schwellwert hin überwacht werden. Die Ausgangsgröße der Überwachungseinheit 46 liegt an der Abgassteuereinrichtung 34 an, so daß bei Abweichung im Katalysatorsignal 40 die Steuereinrichtung 34 die drei Amplitudenwerte entsprechend schalten kann.
  • Das Ausgangssignal 48 der Abgassteuereinrichtung 34 liegt zusätzlich an dem Modul 32 an, so daß die Bestimmung des Amplitudenwertes 18 abhängig von dem Katalysatorsignal 40 erfolgen kann.
  • Beispielsweise steigt nach einem Durchfetten aufgrund einer Beschleunigung der Nach-Kat-Sondensignalpegel (VLS_DOWN) an. Ein Optimum für die Konvertierung ist bei einer Regelung aufgrund der Signalwerte des stromabwärts liegenden Katalysators abhängig von der Vorgeschichte der Katbeladung, sogenannter Memory-Effekt. Nach sehr fetter Beladung besteht beispielsweise die Möglichkeit, daß bei Signalwerten des Katalysators es zu Emissionsverschlechterungen kommt, die bei normalen Betriebszuständen nicht auftreten. Bei diesem Effekt können schlagartige NOx-Durchbrüche auftreten können. Bei einer rein Betriebspunkt abhängigen Konstantwert-Regelung für die Lambdawerte, wird weder dieser Memory-Effekt berücksichtigt, noch kann einem langsamen Wegdriften der Konvertierungsraten Rechnung getragen werden. Mit der erfindungsgemäßen Zwangsdosierung, bei der eine Feindosierung der Abgaszusammensetzung erfolgt, wird das Signal des stromabwärts liegenden Katalysators regelmäßig stimuliert. Sinkt beispielsweise von einem Auswertezyklus zum nächsten der Signalwert des stromabwärts liegenden Katalysators, so wird der Sauerstoffgehalt im Abgas reduziert. Treten zwischen den Auswertezyklen steigende Änderungen auf, so wird der Sauerstoffanteil im Abgas erhöht. Ist über eine Anzahl von Schritten die Änderung der stromabwärts liegenden Lambdasondenwerte kleiner als Null, so wird bei überschreiten einer vorbestimmten Anzahl eine Umkehr der Signalwerte durch eine geänderte Abgaszusammensetzung vorgegeben und umgesetzt. Ist dieses Ansteigen des Pegels erfolgt, werden nachfolgend die Signalwerte in gleicher Art weitergesenkt, bis ein vorgegebener Minimalwert erreicht wird. Dieser Minimalwert wird durch gezielte Abgasfeindosierung nach oben und nach unten überschritten und wieder in Phase gebracht, um ein Wegdriften der Signalwerte zu vermeiden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, einem stromaufwärts und stromabwärts von diesem angeordneten Lambdasonde und einer Regeleinrichtung, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
    - einem Lambda-Sollwert wird für eine erste Anzahl von Abgaspaketen ein erster Amplitudenwert (22) und für eine zweite Anzahl von Abgaspaketen mindestens einen zweiten Amplitudenwert (16) überlagert,
    - die Regeleinrichtung bestimmt eine der zweiten Amplitudenwerte (18) und einen Anteil der zweiten Abgaspakete derart, daß die Signalwerte der stromabwärts liegenden Lambdasonde sich aufgrund dieser Abgaspakete ändern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei unterschiedliche zweite Amplitudenwerte (16, 18) vorgesehen sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine betriebsabhängige, sich wiederholende Richtungsumkehr der Signalwerte der stromabwärts angeordneten Lambdasonde durch die Abgaspakete mit dem einem der zwei Amplitudenwerte erzielt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsumkehr der Signalwerte durch Hinzunahme oder Wegnahme von fetten oder mageren Abgaspaketen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lambdawerte gemittelt über die ersten und zweite Anzahl von Abgaspaketen einem Lambda-Sollwert entsprechen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsamplituden (16, 18) der zweiten Anzahl der Abgaspakete mager sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der ersten und zweiten Abgaspakete ein Vielfaches der Zylinderzahl sind, die in einem Abgasstrang unter Verwendung eines zugehörigen Katalysators vorgesehen sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte der stromabwärts von dem Katalysator angeordneten Lambdasonde über die Anzahl der ersten und zweiten Abgaspakete gemittelt werden.
EP20030002403 2002-02-15 2003-02-04 Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung Expired - Fee Related EP1336743B1 (de)

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