CN103958867B - 用于调节内燃机的空气－燃料比的方法和装置 - Google Patents

用于调节内燃机的空气－燃料比的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于调节内燃机(10)的空气－燃料比的方法以及调节装置，其中，通过以下方式确定内燃机(10)的排气的排气成分，即借助于排气探测器(22)探测与排气成分相关的实际探测器信号，并且借助于特性曲线或计算方法取决于该实际探测器信号确定排气成分，并且其中，将所获得的排气成分与理论值或阈值相比较，达到或超过该理论值或阈值触发对输送给内燃机(10)的空气－燃料比的影响，其中，为了考虑作用到实际探测器信号上的至少一个干扰参数而确定安全裕度(ΔS)，其应用到特性曲线或计算方法、实际探测器信号、或理论值或阈值上。设置成对至少一个干扰参数的当前精度和/或至少一个干扰参数对探测器信号的当前影响进行评估，并且取决于评估确定由至少一个干扰参数决定的安全裕度(ΔS)。

Description

用于调节内燃机的空气－燃料比的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于取决于内燃机的排气的成分调节内燃机的空气－燃料比的方法以及涉及相应设立的控制装置。
背景技术
已知取决于内燃机的排气的成分控制或调节内燃机，其中，相应的排气成分借助于合适的排气探测器来测量。尤其通过以下方式调节马达以其运行的空气－燃料比，即排气的氧含量借助于在排气部段中的λ探测器(Lambdasonde)来测量。该方法通常被称为λ调节(Lambdaregelung)。在此，λ探测器提供与排气的氧含量相关的实际探测器信号，其通常为探测器电压。该探测器信号借助于所储存的特性曲线或相应的计算方法换算成λ值(Lambdawert)并且将其用于调节。
然而，在实践中将探测器信号换算成λ值由此变得困难，即，探测器信号不仅与排气成分相关，而且还由附加的干扰因素影响，其引起特性曲线不是在所有条件下都是恒定的。例如，在阶跃式探测器的情况下已知探测器温度(即探测器的测量元件的温度)对换算方法或特性曲线的精度有影响。这尤其在富的(fette)λ范围中(即在λ值＜1时)起作用。此外，由于探测器的测量元件在运行时间上的不断老化得到特性曲线特征的改变。此外，不同的排气组成部分(例如铅、锰、磷或锌)可引起测量元件的累进的毒化并且由此引起特性曲线的变化。
从文献DE 100 36 129 A中已知平衡温度对探测器信号的影响。为了该目的，取决于探测器的内阻由储存的特性曲线确定探测器温度。在使用取决于当前探测器实际电压和之前确定的探测器温度描绘修正电压的三维的特性曲线族的情况下，之后确定当前修正电压，其与当前探测器实际电压相加，以便获得经修正的探测器电压。
文献DE 199 19 427 A说明了一种用于修正建造在排气催化器上游的宽频带λ探测器的特性曲线的方法，其中，在内燃机的推力切断阶段中评估λ探测器的传感器信号并且使用用于修正特性曲线的斜率的由此获得的信号电平。
从文献DE 10 2007 015 362 A中已知一种用于标定布置在催化器上游的阶跃式λ探测器的方法。为此，从由连接在下游的参考λ探测器提供的测量信号中获得修正信号并且用于阶跃式λ探测器的特性曲线匹配。
在所有已知方法中不利的是：修正还仅具有受限的精度且因此可留有经修正的特性曲线与准确的特性曲线的偏差。在现有技术中，这种情况通过以下方式来考虑，即，确定待调节的λ理论值或者λ阈值(该值的达到触发改变空气燃料混合物)与考虑不确定性的安全裕度。安全裕度通常如此测定，即还考虑特性曲线的可设想的最大的不准确性。
用于这种方法的典型示例是为了防止构件过热而进行的马达的加料(Anfettung)。在此，通过附加的燃料添加使内燃机温度和因此排气温度下降并且由此防止例如涡轮增压器或催化器的过热。用于构件保护的混合物加料通常在达到允许的极限温度(例如900℃)时进行，其中，通过附加的燃料添加调整例如0.9的目标λ值，其确保有效的冷却作用。如果在所使用的λ探测器中例如以带有2%的最大公差带进行计算，则传统地为马达预定0.88的λ限值，以便在所有的条件下都可靠地保持在λ为0.9的必需的极限之下。然而，由此在具有带有更小的公差偏差的λ探测器的多数马达中得到比实际情况应需要的更大的加料和因此更高的燃料消耗。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于调节内燃机的空气－燃料比的方法以及装置，在其中，根据实际需要确定用于排气成分的阈值(尤其λ阈值)的需要保持的安全裕度，且由此减小燃料消耗。
该目的通过用于调节内燃机的空气－燃料比的方法以及相应的调节装置来实现。
根据本发明的方法包括以下步骤：
－通过以下方式确定内燃机的排气的排气成分，即借助于排气探测器探测与排气成分相关的实际探测器信号，且借助于特性曲线或计算方法取决于实际探测器信号确定排气成分，其中所确定的排气成分具有λ值，
－将所确定的排气成分的λ值与理论值或阈值相比较，达到或超过该理论值或阈值触发对输送给内燃机的空气－燃料比的影响，
－为了考虑至少一个干扰参数而确定安全裕度，该至少一个干扰参数通过作用到实际探测器信号上而影响所确定的排气成分的λ值与准确的排气成分的λ值的偏差，该安全裕度确保准确的排气成分的λ值低于目标λ值，其中对至少一个干扰参数的当前精度和/或至少一个干扰参数对探测器信号的当前影响进行评估，并且取决于评估确定由至少一个干扰参数决定的安全裕度，
－将安全裕度应用到特性曲线或计算方法或实际探测器信号上，或者取决于所述目标λ值和安全裕度而为排气成分确定所述理论值或阈值。
在此，根据本发明，对至少一个干扰参数的当前精度和/或至少一个干扰参数对探测器信号的当前影响进行评估，并且取决于评估的结果确定由至少一个干扰参数决定的安全裕度。
当在现有技术中在最差情况场景的意义中因此始终恒定地而且在其最大可能的值的数额方面确定安全裕度时，根据本发明进行可变地确定安全裕度。这使得能够相对于实际上应遵守的目标值(例如理论值或阈值)如当前情况允许的那样最小地确定安全裕度。因此，该方法不仅允许理论值的调节的更高的精度，而且允许燃料节省。
优选地，在本发明的范围中评估的、作用到探测器信号上的干扰参数包括排气探测器的温度和/或排气探测器的老化和/或排气探测器的化学毒化。在现有技术中已知这些干扰参数对尤其λ探测器的探测器信号的影响。然而，如之前已经阐述的那样，对于这些干扰参数，根据本发明不是设定其最大可能的不确定性或者其对探测器信号的最大可能的影响，而是实际地评估该不确定性/影响。
根据本发明的一种优选的设计方案，为了评估至少一个干扰参数的当前精度，确定分散宽度(Streubreite)，干扰参数的在所经过的时间段中探测的值处在该分散宽度中。然后取决于分散宽度确定安全裕度，其中，要理解的是，安全裕度选择得越大，分散宽度越大。如果干扰参数例如为探测器的温度，则针对预定的所经过的时间段确定所探测的温度值与真正的值具有哪些变化。如果在过去显示出所获得的温度的仅很小的变化，则可将安全裕度相应确定得很小。
根据本发明的另一有利的设计方案，为了评估至少一个干扰参数的当前精度，确定自干扰参数的探测系统经历标定起经过的持续时间。然后取决于如此获得的持续时间确定安全裕度，其中，安全裕度随着渐增的持续时间而选择得更大，因为可起因于越来越不精确的干扰参数探测。以探测器温度作为干扰参数为例，这意味着检查温度探测的最后的标定经历了多长时间。如果例如根据文献DE 100 36 129 A通过探测器的测量元件的内阻进行温度探测，则获得何时进行了温度－内阻特性曲线的最后的标定。在此，安全裕度选择得越大，标定经历得越长。
就此而言，还可检查之前是否已经确定标定的必要性，然而其在至今尚未进行。在这种情况下，设定当前确定的干扰参数的很高的不确定性并且将安全裕度相应确定得很大。
根据方法的另一有利的设计方案，为了评估至少一个干扰参数对探测器信号的当前影响，确定当前探测的干扰参数的绝对数额并且取决于该绝对数额确定安全裕度。如果例如探测器的测量元件的内阻的绝对值位于这样的范围中，即，在该范围中温度确定可非常不精确，例如在阻值几乎为零的情况下，则以温度确定的相对很高的误差为出发点并且确定相应很高的安全裕度。
此外，根据方法的另一设计方案，取决于内燃机的运行点，尤其取决于马达转速和/或马达负载确定安全裕度。为了该目的可使用取决于转速和/或负载描述安全裕度的特性曲线族。以这种方式可考虑到在评估中不可量化的影响。
该方法可特别有利地与执行用于防止内燃机和/或排气设备的构件过热的混合物加料相结合地使用。在这种情况下，优选地根据该方法确定针对混合物加料而设置的λ预定值。就此而言，该方法使得能够尽可能贫地(mager)确定用于构件保护的λ预定值，即相对于目标值带有尽可能小的安全裕度，由此最小化为了构件保护而需使用的燃料过多消耗。
此外，根据本发明的方法还可有利地用在内燃机的λ调节的范围中，其中，待调节的λ理论值以根据本发明的方式来确定。在此，本发明实现特别精确的λ调节。
此外，本发明涉及一种用于调节内燃机的空气－燃料比的调节装置，其设定成用于实施根据上述说明的根据本发明的方法。
附图说明
下面在实施例中借助相关的附图进一步阐述本发明。其中：
图1显示了带有根据本发明的调节装置的内燃机，
图2显示了用于执行用来防止构件过热的混合物加料的方法过程的流程图，以及
图3针对不同的温度显示了阶跃式λ探测器的特性曲线。
具体实施方式
图1显示了内燃机10，其燃料供给通过燃料喷射设备12来进行。喷射设备12可为吸管喷射部或缸式直接喷射部。此外，内燃机10通过吸入管14供给燃烧用空气。如有可能，所输送的空气量可通过布置在吸入管14中的可控制的调整元件16(例如节流阀)来调节。
由内燃机10产生的排气通过排气通道18释放到环境中，其中，对环境重要的排气组成部分通过催化器20来转化。
在排气通道18中在靠近马达的位置处布置有排气探测器22，其尤其为λ探测器，典型地为阶跃式λ探测器。如有可能，可在催化器20下游布置有另一排气探测器24，其可同样为λ探测器－尤其宽频带λ探测器，或者为NOx传感器。排气探测器22和24的信号传输到马达控制部26处。未示出的传感器的其他的信号同样输入到马达控制部26中。马达控制部26取决于输入的信号以已知的方式操控内燃机10的不同的零件。尤其取决于在马达附近的λ探测器22的探测器信号UIst(探测器电压)调节待输送给内燃机的空气－燃料混合物，为此，马达控制部26调节可通过燃料喷射设备12输送的燃料量和/或可通过吸入设备14输送的空气量。马达控制部26包括调节装置28，其设定成实施用于调节内燃机10的空气－燃料比的根据本发明的方法。为了该目的，调节装置28包含呈计算机可读的形式的相应的算法以及合适的特性曲线和特性曲线族。
下面借助图2以用于执行防止构件过热的马达调节为例阐述本方法。
在图2中示出的方法基于这样的状态，在其中，构件(例如马达10或排气涡轮增压器或催化器20的进入阀或排出阀)的温度TM(见图1)超过允许的温度，并由此为了构件保护的目的要求执行混合物加料。
该方法始于步骤100，在此为了探测λ探测器22的温度的目的而读取探测器22的测量元件的内阻Ri。在紧接着的步骤102中将探测器22的探测器温度Ts确定为内阻Ri的函数。为了该目的，例如可动用取决于内阻Ri描述探测器温度Ts的特性曲线。例如从文献DE 10036 129 A1中已知用于获得探测器温度的这种方法。然而，显然还可在本发明的范围中使用用于获得探测器温度的其他方法。
在并行的(或紧接着的)方法进程中，读取λ探测器22的与排气成分相关的探测器信号UIst。紧接着在步骤112中取决于探测器信号UIst以及在步骤102中确定的探测器温度Ts确定排气成分，尤其实际λ值λIst。为了该目的，可动用所储存的特性曲线族，其取决于探测器信号UIst以及探测器温度Ts描述λ值λIst。图3示例性地显示了这种特性曲线族，在其中针对三种不同的探测器温度Ts示出了阶跃式λ探测器的特性曲线。可看出尤其对于富的λ值λIst＜1来说，探测器电压UIst极大地与温度相关。
根据本发明，在紧接着步骤102的步骤104中进行干扰参数探测器温度ΔTs的当前精度以及该干扰参数对探测器信号UIst的当前影响的评估。例如可在此确定在预定的经过的时间段上测得的电阻值δRi或从中导出的探测器温度δTs的分散宽度。上面已经阐述了在步骤104中进行的评估的其他的设计方案。取决于探测器温度的在步骤104中获得的分散宽度δTs，在紧接着的步骤106中确定安全裕度ΔS，其中，安全裕度ΔS选择得越大，探测器温度的分散宽度δTs越大。在此，例如可使用线性的关系。
然后，方法转入至步骤108，在此为了构件保护的目的确定用于混合物加料的λ预定值的理论值λSoll。尤其在步骤108中从为了构件保护而应遵守的λ目标预定值λZiel中减去之前获得的安全裕度ΔS。如果用于构件保护的目标预定值λZiel例如为0.9，并且已经在步骤106中获得0.02的安全裕度ΔS，则得到0.88的λ理论预定值λSoll。不同于上述说明的实施方案，要理解的是λ偏差ΔS还可为与λ目标预定值相乘的因数。
在现在紧接着的步骤114至120中根据在步骤108中获得的λ理论预定值λSoll调节待输送给内燃机10的空气－燃料混合物，如其在现有技术中普遍已知的那样。为了该目的，在步骤114中进行查询，在其中将在步骤112中获得的实际λ值λIst与在步骤108中确定的理论λ值λSoll相比较。尤其可在步骤114中检查是否差λIst－λSoll＞0。如果该查询为肯定的，即当前λ值大于(贫于)期望值，方法转至步骤116，在此将输送给内燃机10的燃料量mKS提高燃料量的预定的增量ΔKS，以便实现空气－燃料混合物的加料。否则，如果在步骤114中的查询为否定的，即实际λ值λIst小于(富于)理论λ值λSoll，则方法转至步骤118，在此将燃料量mKS降低相应的增量ΔKS，以便实现马达的贫化。在步骤120中根据在步骤116或118中获得的燃料量mKS进行将燃料输送给内燃机10。
然后，方法返回至步骤110，以便重新探测探测器信号UIst，在步骤112中取决于探测器信号UIst获得实际λ值λIst并且在步骤114中重新将实际λ值λIst与理论预定值λSoll相比较。在整个构件保护措施期间如此长地重复该循环直至构件温度TM已经达到允许的值。在图2中未示出用于检查构件温度TM的查询循环。
在此，可行的是然而不必要在每个过程中都执行步骤104至108，因为安全裕度ΔS和因此理论λ值λSoll的改变通常不是短期地变化。相反，在每次查询循环中刚好在用于构件保护的混合物加料情况下执行用于确定探测器温度Ts的步骤100和102是有意义的，因为在此可期待传感器的同样下降的温度。
在图2中示出的方法流程中将安全裕度ΔS用到目标λ值λZiel上，以便因此确定用于λ调节的理论λ值λSoll。然而，要理解的是不同于该示例还可将相应的安全裕度ΔS用到在步骤112中使用的特性曲线上，以便如此改造该特性曲线使得考虑到反映温度获得的不确定性的λ分散(Lambdastreuung)。备选地，还可设想如上述说明的那样获得在步骤112中获得的实际λ值λIst并且将安全裕度ΔS用到如此获得的实际λ值λIst上。所有这些变型方案被视为等价的。
在本发明的一种优选的设计方案中，附加地使得安全裕度ΔS取决于马达的当前理论λ值设定何种绝对值。由此可考虑到在影响的一定范围中获得一些干扰参数。例如，探测器温度Ts在富的λ值的情况下比在更贫的λ值的情况下明显更强地影响特性曲线特性(参见图3)。由此，在图2中的步骤106中应用的用于获得安全裕度ΔS的函数可如此考虑当前λ值，即，在λ值变小的情况下进行安全裕度ΔS的放大。
在借助图2显示出将探测器温度Ts考虑为在λ探测时的干扰参数时，这备选地或附加地还可针对λ探测器22的老化的干扰参数来进行。为了该目的，例如借助于连接在下游的在此用作参考探测器的λ探测器24(见图1)探测λ探测器22的老化。尤其可通过宽频带λ探测器24的信号获得与平均混合值的偏差，并且相应地修正λ探测器22的特性曲线。在现有技术中已知用于考虑这种老化效应和用于修正特性曲线的相应的方法。用于获得老化修正值的其他的方法同样可应用在本发明的范围中。
根据本发明，现在借助如此获得的老化修正值评估：尽管进行了特性曲线修正，在将探测器信号UIst换算成实际λ值λIst时哪种不精确性可产生排气探测器的老化。如果探测器22例如尚未完全老化并且在步骤112中使用的换算方法或特性曲线准确地被储存，则实际上在步骤112中确定的实际值与实际的λ值的偏差并未产生。因此不需要修正为了构件保护而需调节的目标λ值λZiel。由此可将安全裕度ΔS在步骤106中在极限情况下设为零。
与此相对，在λ探测器22老化和伴随地修正探测器特性曲线时产生老化修正值。现在，根据本发明例如由该修正值的数值评估：尽管进行了特性曲线修正，在获得的实际λ值中仍可留有何种公差。安全裕度ΔS与此相关，即确定用于构件保护的附加的必需的加料。
在另一设计方案中，考虑这样的影响，其不可明确地利用评估参数来量化，但仍然可干扰地影响λ确定。尤其可在此例如通过以下方式评估内燃机10的运行点的影响，即，取决于运行点由转速－负载特性曲线族获得附加的安全裕度。
因此，根据本发明的方法的特别的优点在于，对于不具有老化或者具有仅仅很少的老化的统计的多数探测器，以及对于在其处信号失真的干扰参数的影响很小的多个运行条件，实现燃料节省。这由此实现，即，不是总体考虑测量误差的完全的理论上可能的公差带，而是始终考虑恰恰所需的公差带。
参考标号列表
10 内燃机
12 燃料喷射设备
14 吸入设备
16 调整元件
18 排气通道
20 催化器
22 排气探测器/λ探测器
24 排气探测器
26 马达控制部
28 调节装置。

Claims (12)

1.一种用于调节内燃机(10)的空气－燃料比的方法，包括：
通过以下方式确定内燃机(10)的排气的排气成分，即借助于排气探测器(22)探测与排气成分相关的实际探测器信号，且借助于特性曲线或计算方法取决于实际探测器信号确定排气成分，其中所确定的排气成分具有λ值，
将所确定的排气成分的λ值与理论值或阈值相比较，达到或超过该理论值或阈值触发对输送给内燃机(10)的空气－燃料比的影响，
为了考虑至少一个干扰参数而确定安全裕度(ΔS)，该至少一个干扰参数通过作用到实际探测器信号上而影响所确定的排气成分的λ值与准确的排气成分的λ值的偏差，该安全裕度(ΔS)确保准确的排气成分的λ值低于目标λ值，其中对至少一个干扰参数的当前精度和/或至少一个干扰参数对探测器信号的当前影响进行评估，并且取决于评估确定由至少一个干扰参数决定的安全裕度(ΔS)，
将安全裕度(ΔS)应用到特性曲线或计算方法或实际探测器信号上，或者取决于所述目标λ值和安全裕度而为排气成分确定所述理论值或阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，干扰参数包括以下中的至少一个：排气探测器(22)的温度、排气探测器(22)的老化和排气探测器(22)的化学毒化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了评估至少一个干扰参数的当前精度，在经过的时间段中确定该干扰参数的所探测的值的分散宽度，并且取决于分散宽度确定安全裕度(ΔS)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了评估至少一个干扰参数的当前精度，确定自该干扰参数的探测系统经历标定起经过的持续时间，并且取决于该持续时间确定安全裕度(ΔS)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了评估至少一个干扰参数对探测器信号的当前影响，确定当前探测的干扰参数的绝对数额，并且取决于该绝对数额确定安全裕度(ΔS)。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述目标λ值为用于用来防止构件过热的混合物加料的λ预定值。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述目标λ值包括可在λ调节的范围中调节的λ预定值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进一步取决于内燃机(10)的运行点确定安全裕度(ΔS)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步取决于马达转速和/或马达负载确定安全裕度(ΔS)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，排气探测器(22)为λ探测器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，排气探测器(22)为阶跃式λ探测器。
12.一种用于调节内燃机(10)的空气－燃料比的调节装置(28)，其设定成用于实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
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