CN103958868A - 用于运行内燃机的方法以及设定成用于实施该方法的控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法。根据该方法，将由内燃机产生的排气引导通过布置在排气通道中的三元催化器。λ探测器探测在三元催化器之前的用于排气λ的特征参数并且将其传输到带有集成的PI或PID调节器的马达控制器处。利用马达控制器的PI或PID调节器、通过预设理论值设定基本上化学计量学的排气λ，并且使排气λ以预定的周期性的理论值变化交替地朝贫的λ值和富的λ值的方向上偏转(λ调制)。在每次理论值变化开始时，直至时刻t2，预定预控的P分量与紧接的I分量，其中，借助于存储的表征对象时间特性的参数如此确定时刻t2，即，在该时刻t2，探测器信号或从中导出的参数必须已经达到预设理论值。从时刻t2起，针对可预定的时间段直至相应的理论值变化结束转换到这样的调节上，即，该调节基于在λ探测器的实际值和理论值之间的差或从中导出的参数。

Description

用于运行内燃机的方法以及设定成用于实施该方法的控制器
技术领域
本发明涉及用于运行内燃机的方法，其中，将由内燃机产生的排气引导通过布置在排气通道中的三元催化器(3-Wege-Katalysator)。
背景技术
在内燃机中可使用用于λ调节的方法，以便降低有害排气排放到环境中。为此，在内燃机的排气设备中可布置至少一个催化器。为了将催化器保持在最优的运行点中，必需借助于λ调节如此控制内燃机的混合物制备，使得至少在平均值方面得到尽可能处在1.0附近的所调节的λ值。为了产生测量信号，在内燃机的排气设备中可布置有λ探测器。
现有技术尤其应用以下说明的两种调节方法中的一种。
在图2中示出了一种调节方法，其例如通常应用在使用阶跃λ探测器的情况下。上方的曲线关于时间显示了探测器信号，而下方的曲线关于时间显示了调节器干涉。如果探测器信号与预定的阈限(例如450mV)相交，这在此相应于化学计量学的点(在此在时间t1、t2和t3时)，利用探测器改变调节器的方向。在调节时不继续使用或利用信号在相应的阈限之上或之下的走向，而是与此无关地预控地进行调整，通常通过确定的P分量和I分量进行调整，其又可取决于其他的参数，例如运行点。
在该方法中不利的是相对缓慢的调节速度，因为在调节阈限之上或之下将不继续考虑绝对的信号值，并且因此即使更大的混合偏差仅仅以事先确定的调节速度来修正。此外，不利的是转换频率相对很高并且基本上仅由直至探测器的对象运行时间(Streckenlaufzeit)和探测器无感时间确定。因此，不存在这样的可能性，即，限定地预定进入到下游的催化器中或从中排出的氧气，从而限制了催化器的转化效率。
在图3中示出了一种调节方法，例如其通常应用在使用带有即使在化学计量学的点之外也很精确的λ信号的探测器(即通常宽带λ探测器)的情况下(探测器信号的λ实际值：粗的深色曲线；在探测器处的λ理论值：细的深色曲线；调节器的调整参数：粗的浅色曲线；马达的λ理论值：细的矩形曲线)。调制通过改变λ理论值来调整。由在理论值和测得的实际值之间的差确定调节偏差，将其输送给合适的调节器(例如PID调节器)。如果不是将马达的理论值用于差额计算，而是在考虑到对象运行时间的情况下使马达的理论值的走向与探测器的位置相关并且将该值用作在探测器位置处的理论值，则发生考虑对象特性(Streckenverhalten)。
在该方法中有利的是：可精确地调整期望的λ值，并且调节器具有快速的调节速度。不利的是：当所存储的对象特性与实际的对象动态性不一致时，可出现调节器的过冲和燃料－空气混合物的更强烈的波动。例如，当探测器由于老化或毒化而在动态方面更迟缓时，则为这种情况。这在图4中示例性地进行了示出(探测器信号的λ实际值：粗的深色曲线；调节器的调整参数：粗的浅色曲线；马达的λ理论值：细的矩形曲线)。在此，探测器信号比在图3中的情况明显更迟缓。因此，在时刻t1，当探测器信号达到理论值时，调节器值已经显著改变并且结果在调节器中和在λ值方面出现过冲(时刻t2)，并且仅在一定的延迟的情况下才可稳定地调整理论值(时刻t3)。这对于下游的催化器的效率来说是不利的，也就是说导致提高的排放物，在燃料－空气比方面的更大的波动的情况下这还可引起马达的可感觉到的颤抖。
当由阶跃λ探测器的信号确定λ信号时，根据图3的调节器还具有其他的缺点。在图5中示出了阶跃λ探测器的典型的特性曲线。识别出有阶跃区域，即有很大的信号改变的区域，在该区域中λ=1。目前的探测器在该阶跃区域中比在纯富或纯贫的区域中动态反应更迟缓。因此，由阶跃探测器信号计算的λ信号在混合物在λ=1的区域中在富的排气和贫的排气之间变化时具有时间上的延迟。这在图4中可在时刻t4识别出。该特性还在这种调节器类型中在调节器值方面和因此在λ值方面导致过冲，如在时刻t5示出的那样，带有以上说明的缺点。备选地，调节参数可与在λ=1的点中的降低的动态性相匹配，然而，调节器那时在λ=1的区域之外的区域中可明显比其实际可能的情况更迟缓。
从文献DE 10 2006 049 656 A1中已经已知一种方案，即可如何将在图3中示出的方法的优点引导到带有在化学计量学的点之外的区域中在信号和实际的混合物成分之间的不准确的关系的探测器(即例如阶跃探测器)中，在其中根据现有技术应用在图2中示出的方法。在此说明了：当不仅超过或低于信号阈值而且附加地还超过或低于用于由探测器信号导出的参数的阈值时，如何在那时正好进行调节器方向的转换。由此可以一定的精度引起限定的到催化器中的氧气输入或从催化器的氧气排出，且由此提高催化器的转化效率。然而还是存在混合偏差的缓慢的调节的缺点。
发明内容
现有技术的所阐述的问题中的一个或多个可借助于根据本发明的用于运行内燃机的方法来消除或至少减少。根据该方法，将由内燃机产生的排气引导通过布置在排气通道中的三元催化器。λ探测器探测在三元催化器之前的用于排气λ的特征参数并且将其传输到带有集成的PI或PID调节器的马达控制器处。利用马达控制器的PI或PID调节器通过预设理论值设定基本上化学计量学的排气λ，并且使排气λ以预定的周期性的理论值变化交替地朝贫的λ值和富的λ值的方向上偏转(λ调制)。在每次理论值变化开始时，直至时刻t2，预定预控的P分量与紧接的I分量，其中，借助于存储的表征对象时间特性(Streckenzeitverhalten)的参数如此确定时刻t2，即，在时刻t2探测器信号或从中导出的参数必须已经达到预设理论值。从时刻t2起，针对可预定的时间段直至相应的理论值变化结束转换到这样的调节上，即，该调节基于在λ探测器的实际值和理论值之间的差或从中导出的参数。
本发明基于这样的知识：预控的调节器设定变换到(优选持续的)调节上随之带来两种不同的调节器类型的优点，而不必考虑两种调节器类型的所描述的缺点。
优选地，取决于理论值变化的理论幅度确定P分量的大小。然后可如此确定I分量，即，在时刻t2，探测器信号或从中导出的参数应达到理论值。
该方法的一种优选的变型方案设置成：为了确定λ探测器的反应时间，相比于在调节器转换之前的状态限定λ探测器的最小反应，并且作为反应时间探测自调节器转换起直至λ探测器的最小反应经过的时间。然而，优选地，如果由PI或PID调节器预定的理论值超过预定的最小参数，仅这时才确定反应时间。λ探测器的反应时间可分开地根据富－贫突变(fett-mager-Sprung)和贫－富突变(mager-fett-Sprung)来探测。
本发明的另一方面涉及用于控制内燃机的运行的控制器，其设定成用于实施根据本发明的方法。为了该目的，控制器可包含用于执行该方法的计算机可读取的控制算法。在一种有利的设计方案中，控制器为马达控制器的集成的组成部分。
由在从属权利要求中提及的其他特征或由随后的说明得到本发明的其他的优选的设计方案。
附图说明
下面借助附图以实施例来阐述本发明。其中：
图1显示了带有排气设备和三元催化器的内燃机的示意性的结构；
图2根据传统方法的第一变型方案显示了在三元催化器上游的排气λ以及调节器干涉的时间走向；
图3根据传统方法的第二变型方案显示了在三元催化器上游的排气λ以及调节器干涉的时间走向；
图4在对象参数不匹配的情况下根据图3显示了用于传统的方法的调节器的性能；
图5根据图3显示了用于传统的方法的阶跃λ探测器的特性曲线；
图6按照根据本发明的方法显示了在三元催化器上游的排气λ以及调节器干涉的时间走向；以及
图7按照根据本发明的方法显示了阶跃响应时间的确定。
具体实施方式
图1示意性地显示了带有下游的排气设备的内燃机10的结构。内燃机10可为火花点火式马达(奥托马达)。关于其燃料输送，内燃机可具有直喷式燃料输送部，即，利用内部的混合物形成来工作，或者具有燃料预喷射部并且由此利用外部的混合物形成来工作。此外，内燃机10可均匀地工作，其中，在气缸的整个燃烧室中在点火时刻存在均匀的空气－燃料混合物，或者在不均匀的模式(分层进料运行)中，在其中在点火时刻尤其在火花塞的区域中存在相对富的空气－燃料混合物，其在剩余的燃烧室中被非常贫的混合物包围。在本发明的范围中重要的是，内燃机10可以基本上化学计量学的空气－燃料混合物来运行，也就是说以带有近似或等于1的λ值的混合物来运行。
排气设备包括排气歧管，其将内燃机10的单个气缸的排气集聚到排气通道16中。在排气通道16中可存在不同的排气净化构件。在本发明的范围中重要的是布置在排气通道16中的三元催化器20。
三元催化器20具有包含在催化方面有效的成分(例如铂、铑和/或钯)的覆层，其被施加在多孔的催化载体(例如由Al2O3构成)上。此外，覆层包括储氧成分，例如二氧化铈(CeO2)和/或二氧化锆(ZrO2)，其确定三元催化器20的储氧性能(OSC，oxygen storage capacity)。在化学计量学的或稍微富的排气环境中，三元催化器20可将氮氧化物NOx还原成氮气N2和氧气O2。在化学计量学的或稍微贫的运行中将未燃烧的碳氢化合物HC和一氧化碳CO氧化成二氧化碳CO2和水H2O。在基本上化学计量学的排气环境中，即在λ为1或近似为1时，实际上完全进行该物质变化。这种类型的催化覆层在现有技术中从奥托马达的排气处理中是已知的并且是流行的。因此，三元催化器的构造和工作原理在现有技术中已经充分已知并且在此不需要进一步解释。
排气通道16可包含不同的传感器，尤其气体和温度传感器。在此示出了λ探测器26，其在排气通道16中布置在靠近马达的位置处。λ探测器26可设计为阶跃响应λ探测器或宽频带λ探测器，并且以已知的方式实现内燃机10的λ调节，为此其测量排气的氧含量。
由不同的传感器探测的信号，尤其利用λ探测器26测得的排气λ输入马达控制器28中。同样，内燃机10的不同的参数，尤其马达转速以及马达负载由马达控制器28读取。因此，实施到马达控制器28中的调节器取决于不同的信号调节内燃机10的运行，其中，其尤其如此调节燃料输送以及空气输送，即，输送所期望的燃料量和所期望的空气量，以便呈现出所期望的空气－燃料混合物(排气理论λ)。空气－燃料混合物取决于内燃机10的运行点(尤其马达转速以及马达负载)由特性曲线族来确定。
为了改进三元催化器20的净化作用，设置成使内燃机10连续地利用基本上化学计量学的平均的λ值来运行，其中，输送给内燃机10的空气－燃料比以预定的振荡频率和预定的振幅围绕平均的λ值周期性地交替地在贫的λ值和富的λ值的方向上偏转(所谓的λ调制)。在此，如此选择振荡频率和振幅使得三元催化器20几乎连续地再生。
在此，当前将内燃机10的连续的化学计量学的运行理解成其不是如在现有技术中那样通常在标准运行模式和再生运行模式之间来回切换，而是实际上在其整个运行范围中在带有λ振荡的所示出的化学计量学的运行中来运行。优选地，内燃机在存储在控制器28的运行特性曲线族中的所有的运行点的至少98%上都在所示出的化学计量学的运行中行驶，并且运行并未由于再生间隔中断。
此外，措辞三元催化器20的几乎连续的再生理解成其负载状态保持基本恒定并且尤其保持在尽可能低的水平上。这意味着，在时间平均方面在小的λ振荡的大小范围中的时间间隔期间未出现三元催化器20的增加的负载。优选地，未超过三元催化器20的最大负载的最高50%的极限。
此外，如此选择振荡频率和振幅，即，在三元催化的覆层22处存在未燃烧的碳氢化合物(HC)和/或一氧化碳(CO)和/或氮氧化物(NOx)的最小转化率，其中，该最小转化率可遵照法律规定的极限值。
在大多数情况下，振荡频率取决于内燃机10的当前运行点，尤其取决于马达负载和/或马达转速来确定。补充地还可取决于OSC来确定振幅。
实施到马达控制器28中的调节器取决于在马达控制器28处运行的不同信号相应地调节内燃机10的运行，以便呈现出期望的排气理论λ。
调节器在降低干扰影响的情况下自动地将一个或多个物理参数影响到预定的水平上。为此，调节器在调节回路中持续地将理论值的信号与调节参数的测得的和送回的实际值的信号相比较，并且从两个参数的差－调节偏差(调节差)－中确定调整参数，其如此影响调节对象(Regelstrecke)使得调节偏差最小化。因为单个调节回路元件具有时间特性，所以调节器必须放大调节偏差的值并且同时如此补偿对象的时间特性使得调节参数以期望的方式达到理论值。错误调整的调节器使得调节回路过于缓慢、导致大的调节偏差或调节参数的未减弱的振荡，且由此可能导致调节对象的破坏。通常，调节器根据持续的和非持续的性能来区分。带有P、PI、PD和PID性能的“标准调节器”属于最为已知的持续式调节器。
针对本发明的目的，优选使用带有比例、积分和微分性能的线性调节器(PID调节器)。PID调节器相应地包括P环节、I环节和D环节的部分。P环节致力于提供与调节偏差成比例的调整参数。I环节通过调节偏差的时间上的积分利用通过调整时间的加权作用于调整参数。D环节是微分器，其仅与带有P和/或I性能的调节器相结合地用作调节器。其不对调节偏差的大小作出反应，而是仅对其变化速度作出反应。
根据本发明，如在图6中示出的那样进行λ调制(探测器信号的λ实际值：粗的深色曲线；调节器的调整参数：粗的浅色曲线；λ理论值范围：浅色的矩形)。
在时刻t1进行调节器方向的转换。首先进行预控的P突变(用于达到理论值的P分量)。P突变的大小在此可与不同的参数相关。P突变尤其可与确定的理论幅度相关。在一种优选的设计方案中可在此确定应通过P突变表示确定的理论幅度的多大份额。附加地，可评估探测器信号或从中导出的参数(优选λ)与当前的或未来的时间值或时间范围的当前距离，并且附加地使P突变与该距离相关。因此，在一种特别优选的设计方案中确定必需的P突变的大小，以便从当前的λ实际值得到将来的理论值，其中，期望的理论值包含确定的分量，其从确定的理论幅度起与P突变相关联。
在时刻t1和t2之间以确定的I分量进一步调整调节器。从存储的数据中已知对象运行时间和探测器反应时间。因此，如此确定I分量，即，在时刻t2(在没有其他干扰影响的情况下)探测器信号或从中导出的参数(优选λ)预计地达到目标值或目标范围，其中，这意味着设定完全的所期望的理论幅度。由此，I分量不仅与对象特性参数相关，而且与振幅在P突变上确定的分量相关，因为现在必须通过I分量直至时刻t2调整在总振幅和用于P突变的振幅的确定的分量之间的差。
现在从时刻t2起从预控的调节器调节转换到这样的(持续的)调节上，其基于在探测器信号的实际值和理论值之间的差或从中导出的参数(优选λ)。
由此，该方法结合了预控和(持续的)调节的优点。用于表征对象特性而存储的数据例如可顾及到例如在图4中在时刻t4示出的性能。因此避免了过冲，并且不仅λ而且调节器值保持稳定。同时保持获得快速的调节速度和到催化器中限定的氧气输入或从中的限定的氧气排出，因为在经过对象反应时间之后切换到快速的调节器上，其参数可与可能的惯性无关地在探测器的λ=1的点中来确定。
此外，利用根据本发明的方法还可非常简单地且以高精度确定探测器的动态特性。因为调节器转换受控地通过P突变和I分量来进行，且在预控的调节的时间期间为了调节并未评估探测器信号，可考虑在图7中示出的突变响应时间以评估探测器动态特性(探测器信号的λ实际值：粗的深色曲线；调节器的调整参数：粗的浅色曲线；马达的λ理论值：细的矩形曲线；Δts：突变响应时间)。
在一种优选的设计方案中，取决于P突变的参数或直至在确定突变响应时间的时刻进行的混合物调整相比于在调节器转换之前的状态限定探测器的最小反应。这例如可为这样的信号变化，即，其相应于预控的混合物调整的20%至50%，优选30%。现在，作为突变响应时间得到自调节器突变起直至达到探测器的最小反应经过的时间。
在一种优选的设计方案中，作为用于确定探测器的最小反应的调节器转换的时刻，不是精确地考虑调节器转换的实际时刻，而是在考虑到已知的对象参数的情况下仅在可确定的更迟的时刻才确定探测器的对比值，该时刻处在调节器转换之后，但在变化的混合物到达探测器之前。由此可考虑到如有可能就在调节器转换之前在马达中已经发生的动态的混合物分散，且并未导致突变响应时间的歪曲。在另一优选的设计方案中，仅当预控的调节器调整具有至少一个可预定的最小参数时才确定有效的突变响应时间。
在另一优选的设计方案中，自调节器转换起在进过可预定的最小时间之后，而探测器未显示出确定的最小反应，还将当前的时间或替代参数同样作为有效的突变响应时间进行评估。由此，考虑到这样的情况，即，探测器信号由于误差而具有持续恒定的值，也就是说，永不可能达到最小反应并且因此不可确定突变响应时间。
可从所确定的突变响应时间中减去存储的对象无感时间，并且由此确定纯粹的探测器反应时间。当探测器反应时间或从中导出的参数超过所限定的阈值时，可将该探测器反应时间用于产生维护信号。在此，为了评估，可分开地根据富－贫突变和根据贫－富突变考虑探测器反应时间。
根据本发明的方法的另一优点在于：在动态特性变得越来越差的探测器中可容易地避免在图4中在时刻t1和t2说明的过冲，从而根据本发明的方法与至今已知的方法相比关于动态特性变得越来越差的探测器具有更高的稳定性和鲁棒性。
对于在动态特性方面仅仅稍微变差的探测器，为了确定在图6中的时刻t2(即转换到快速调节器上)，为对象运行时间参数增加一定的可靠性。这例如可通过相乘的和/或增加的值来实现。比起在快速传感器中实际上可行的情况，转换到快速调节器上于是稍微更迟地实现，然而仅当较慢地反应的传感器也达到信号目标值时才进行转换。
在另一设计方案中，如以上说明的那样确定的探测器反应时间用于匹配调节方法。为此，使用至少一个优选两个探测器反应时间中的较大者(即分开地根据富－贫突变或贫－富突变的反应时间)。优选地，由该探测器反应时间导出用于对象参数的合适的时间元素。在此，在考虑到所确定的探测器反应时间的情况下如此进行在图6中的时刻t2(即转换到快速调节器上)的确定，即，探测器信号或从中导出的参数(优选λ)在该时刻应已经达到理论值。
在另一优选的设计方案中，使随后激活的持续的调节的调节参数与探测器反应时间相匹配。尤其可因此针对动态性更差的探测器使调节器更慢并且可由此避免过冲。
参考标号列表
10 内燃机
16 排气通道
20 三元催化器
22 三元催化覆层
26 λ探测器
28 马达控制器
Δts突变响应时间。

Claims (7)

1. 一种用于运行内燃机(10)的方法，在其中，将由内燃机(10)产生的排气引导通过布置在排气通道(16)中的三元催化器(20)，并且λ探测器(26)探测在三元催化器(20)之前的用于排气λ的特征参数且将其传输到带有集成的PI或PID调节器的马达控制器(28)处，其中，利用马达控制器(28)的PI或PID调节器、通过预设理论值设定基本上化学计量学的排气λ，并且使排气λ以预定的周期性的理论值变化交替地朝贫的λ值和富的λ值的方向上偏转(λ调制)，这如此进行，即，在每次理论值变化开始时，直至时刻t2，预定预控的P分量与紧接的I分量，其中，借助于存储的表征对象时间特性的参数如此确定时刻t2，即，在时刻t2，探测器信号或从中导出的参数必须已经达到预设理论值，其特征在于，从时刻t2起，针对可预定的时间段直至相应的理论值变化结束转换到这样的调节上，即，该调节基于在λ探测器(26)的实际值和理论值之间的差或从中导出的参数。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定λ探测器(26)的反应时间，相比于在调节器转换之前的状态来限定λ探测器(26)的最小反应，并且作为反应时间探测从调节器转换起直至λ探测器(26)的最小反应经过的时间。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果由PI或PID调节器预定的理论值超过预定的最小参数，仅这时才确定反应时间。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，λ探测器(26)的反应时间分开地根据富－贫突变和贫－富突变来探测。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，P分量的大小取决于理论值变化的理论幅度来确定。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，如此确定I分量，即，在时刻t2，探测器信号或从中导出的参数已经达到理论值。
7. 一种用于控制内燃机(10)的运行的控制器(20)，其设定成用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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