DE102004055231B3

DE102004055231B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004055231B3
Application number: DE102004055231A
Authority: DE
Inventors: Paul Rodatz; Gerd Dr. Rösel; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: US7673443B2; US20070295000A1; WO2006053802A1; KR20070089937A

Abstract

Verfahren zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine (20) mit einem Katalysator (34) im Abgastrakt (32) und mindestens einer Lambda-Sonde (36), die innerhalb des Katalysators (34) angeordnet ist. Bei dieser Anordnung der upstream-Sonde (36) treten Signalverzögerungen auf, die die Geschwindigkeit des Lambda-Reglers reduzieren. Zum Ausgleich liegen die Messsignale der ersten Lambda-Sonde (36) an einer Lambda-Auswerteeinheit (38) an, die eine Verzögerung der Messsignale korrigiert, und DOLLAR A das korrigierte Lambda-Sondensignal liegt an einer Einheit (30) zur Lambda-Regelung an. Beide Lambda-Sonden sind mit einer Einheit zur Lambda-Regelung verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine, bei der mindestens eine Lambda-Sonde vorgesehen ist, die nach einem Katalysatorvolumen angeordnet ist.
Für die Einhaltung der heute gültigen Emissionsgrenzen ist eine katalytische Nachbehandlung des Abgases erforderlich. Die Charakterisierung der Gemischzusammensetzung aus Kraftstoff und Luft erfolgt über die so genannte Luftzahl Lambda, die das Verhältnis des aktuellen Luft-Kraftstoffgemischs bei der Verbrennung im Zylinder angibt. Zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas sind unterschiedliche Lambda-Sonden bekannt. Diese lassen sich grob in binäre und lineare Lambda-Sonden unterteilen. Die binäre Lambda-Sonde besitzt bei λ = 1 einen Sprung in der Ausgangsspannung. Bei der linearen Lambda-Sonde sind Abweichungen von λ = 1 proportional zu dem Ausgangssignal.
Unabhängig davon, welche Art von Lambda-Sonde eingesetzt wird, besteht die Standardkonfiguration für eine Lambda-Regelung aus einem Vor-Kat-Sensor, einem Katalysator und eventuell einem Nach-Kat-Sensor. Vor- und Nach-Kat-Sensoren werden auch als O2-upstream-Sensor bzw. als O2-downstream-Sensor bezeichnet.
Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass Sensor und Katalysator getrennt voneinander in den Abgastrakt einzubauen sind.

WO 02/075138 A1 offenbart ein Verfahren zum Aufheizen eines in Strömungsrichtung nachgeordneten Katalysators bei einem Abgasanlagensystem eines Verbrennungsmotors. Die Abgasanlage umfasst einen Dreiwegekatalysator, eine diesem Dreiwegekatalysator vorgeordnete Breitband-Lambda-Sonde und eine diesem Dreiwegekatalysator nachgeordnete Lambda-Sonde. Das offenbarte Verfahren dient dem Aufheizen eines weiteren in Strömungsrichtung nachgeordneten Katalysators, dem ebenfalls eine Lambda-Sonde nachgeschaltet ist.

DE 38 31 289 A1 offenbart ein System zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeleiteten brennbaren Gemischs. Dies wird mit Hilfe eines Sauerstoffsensors erzielt, der in einem Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Im Gegensatz zum obigen Stand der Technik verwendet dieses System keinen Katalysator in Kombination mit dem genannten Sauerstoffsensor.

EP-A-1 336 728 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines Verbrennungsprozesses. Innerhalb eines Abgassystems der Brennkraftmaschine befindet sich ein Katalysator, in dem eine binäre Sonde angeordnet ist. Das von der binären Sonde gelieferte Spannungssignal wird mit Hilfe eines Zweipunktreglers und eines Vorsteuerkennfelds derart verarbeitet, dass auf ein mageres Gemisch mit einem anfettenden Faktor reagiert wird. Analog magert diese Verarbeitung bei Sauerstoffmangel durch Ausgabe eines entsprechenden Faktors ab.

DE 199 19 427 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde. Diese Lambda-Sonde dient dem Einsatz in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine, indem sie sowohl vor als auch hinter einem Katalysator angeordnet ist. Zur Korrektur der Kennlinie der Lambda-Sonde wird in einer Schubabschaltungsphase ein Signalpegel des Signals der Lambda-Sonde bestimmt und ausgewertet.

DE 38 41 685 C2 offenbart ebenfalls ein Verfahren zur Erkennung des Zustands von Katalysatoren. Zu diesem Zweck werden zwei Lambda-Sonden in Abgasströmungsrichtung innerhalb eines Katalysators nebeneinander angeordnet. In Abhängigkeit von den Kraftstoff-Luft-Verhältnissen im Katalysator liefern beide Sonden zeitlich zueinander versetzte Signale, die innerhalb einer Auswerteeinheit verarbeitet werden. Die Phasenverschiebung zwischen den Sondensignalen dient als Maß für den Aktivitätszustand und damit auch für die Alterung des Katalysators. Es ist ein Nachteil dieser Vorrichtung, dass mindestens zwei Lambda-Sonden im Katalysator angeordnet sein müssen und zudem mindestens zwei Signale ausgewertet werden müssen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambda-Regelung bereitzustellen, das bzw. die für eine verbesserte Anordnung von Lambda-Sensor und Katalysator eine große Regelgenauigkeit und eine hinreichende Regelgeschwindigkeit für den Lambda-Wert liefert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine verwendet eine Signalauswerteeinheit für Messsignale einer ersten Lambda-Sonde, die, bezogen auf die Strömungsrichtung der Abgase, stromaufwärts im Abgastrakt angeordnet ist. Diese erste Lambda-Sonde ist im Gegensatz zu bekannten Vor-Kat-Sonden nicht vor dem Katalysator angeordnet, sondern in dem Katalysator, sodass sie sich stromabwärts von einem Teilvolumen des Katalysators befindet. Die Messsignale der ersten Lambda-Sonde liegen an der Signalauswerteeinheit an, die eine Verzögerung der Messsignale durch das Teilvolumen des Katalysators korrigiert. Das korrigierte Messsignal der Lambda-Sonde liegt dann an einer Lambda-Regelung an. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine in dem Katalysator angeordnete upstream-Sonde eine erhebliche Signalverzögerung gegenüber dem Verlauf einer Vor-Kat-Sonde aufweist. Eine solche Signalverzögerung besteht nicht nur aus einem rein zeitlichen Hinterherlaufen der Messsignale, sondern kann auch in den Signalverlauf eingreifen. Ein solches upstream-Sondensignal reduzierte bisher deutlich die Geschwindigkeit der Lambda-Regelung und zwar ungefähr um die Dauer einer weiter unten erläuterten Plateau-Phase. Erst das korrigierte Messsignal für die upstream-Lambda-Sonde erlaubt eine noch zuverlässige Lambda-Regelung. Die Signalauswerteeinheit erlaubt somit, eine erste Lambda-Sonde zu verwenden, die im Katalysator angeordnet ist und somit die Anordnung von Katalysator und Sonde zu vereinfachen.

Bevorzugt wertet die Signalauswerteeinheit den zeitlichen Verlauf der Signaländerung der Messsignale zusammen mit dem Wert der Messsignale selbst aus. Diesem Ansatz zur Signalaus wertung liegt die Überlegung zugrunde, dass, wenn eine stromaufwärts von dem Katalysator angeordnete Messsonde ihren Sättigungswert erreicht hat, also deren Ausgangssignale ein Plateau besitzen, dann erreichen auch die Signalwerte einer in dem Katalysator angeordneten Lambda-Sonde einen Plateauwert. Mithin kann also eine abnehmende Änderung der Signalwerte dazu herangezogen werden, einen Zeitpunkt zu bestimmen, in dem eine Vor-Kat-Sonde bereits ihren Sättigungswert erreicht hat. Dieser Signalwert wird von der Signalauswerteeinheit an die Lambda-Regelung weitergeleitet, sodass bei dieser keine Verzögerung auftritt.

Bevorzugt wertet die Signalauswerteeinheit den Gradienten der Messsignale aus, um den Zeitpunkt zu bestimmen, in dem der Gradient auf einen vorbestimmten Wert abflacht. Dieser Zeitpunkt wird von der Signalauswerteeinheit als Zeitpunkt für den λ = 1-Durchgang einer stromaufwärts von dem Katalysator angeordneten Sonde an die Lambda-Regelung weitergeleitet.

Die technische Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus Anspruch 4 gelöst.

Die Vorrichtung besitzt einen im Abgastrakt angeordneten Katalysator, eine erste Lambda-Sonde, die innerhalb des Katalysators angeordnet ist, vorzugsweise eine zweite Lambda-Sonde, die stromabwärts von der ersten Lambda-Sonde angeordnet ist, und eine Signalauswerteeinheit, die eine Verzögerung der Signale der ersten Lambda-Sonde korrigiert und die korrigierten Signale an eine Einheit zur Lambda-Regelung anlegt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zweite Lambda-Sonde ebenfalls in dem Katalysator, möglichst weit stromabwärts angeordnet. Alternativ kann die zweite Lambda-Sonde auch außerhalb von dem Katalysator angeordnet sein. Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Signalauswerteeinheit kann sowohl bei einer binären Lambda-Sonde, als auch bei einer linearen Lambda-Sonde als erste Lambda-Sonde arbeiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht von zwei Signalverläufen über der Zeit und
2 eine schematische Ansicht einer Lambda-Regelung mit einer ersten Lambda-Sonde in dem Katalysator.
Die Erfindung betrifft eine Lambda-Regelung für eine Konfiguration von Lambda-Sonde und Katalysator, bei der die Lambda-Sonde ausschließlich nach einem Katalysatorvolumen angeordnet ist. Für die Regelsonde, also die stromaufwärts liegende Lambda-Sonde, handelt es sich somit um einen so genannten Lambda-Sensor-Katalysator. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Erhöhung der Regelgeschwindigkeit der Lambda-Regelung für die in dem Katalysator angeordnete Regelsonde erzielt. Dies wird durch eine Signalauswertung erreicht, die die durch das Katalysatorvolumen bedingte Verzögerung der Messsignale ganz oder zumindest teilweise aufhebt und damit das Regelverhalten der Lambda-Regelung gegenüber dem unkompensierten Ansatz deutlich beschleunigt. Der Einfluss des Teilkatalysatorvolumens, das stromaufwärts der Regelsonde liegt und somit deren Messergebnisse beeinflusst, wird durch die Korrektur der Verzögerung soweit eliminiert, dass die Regelgeschwindigkeit einer bekannten Lambda-Regelung erreicht wird.
1 zeigt den typischen Messverlauf von Sondensignalen beispielsweise bei einer binären Lambda-Regelung. Die durchgezogene Linie 10 entspricht einem Signal VLS_UP einer binären O2-Sonde vor dem Katalysatorvolumen. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Signal sich sprunghaft auf einen neuen Wert hin ändert. Gestrichelt dargestellt ist der Signalverlauf 12 einer binären O2-Sonde, die innerhalb des Katalysators angeordnet ist und somit nach einem Teilvolumen von dem Katalysator. Deutlich zu erkennen ist auch, dass dieser Signalverlauf erheblich gegenüber dem Signalverlauf 10 verzögert ist. Beispielsmessungen haben bezogen auf den Durchgang durch den 450mV-Punkt eine Verzögerung von bis zu 600 ms ergeben. Die genaue Analyse der Signale 12 hat jedoch gezeigt, dass das Signal 12 ein mit 14 gekennzeichnetes Plateau erreicht, das ungefähr zeitgleich mit dem Plateau 18 der Vor-Kat-Sonde erreicht wird. Diese Erkenntnis führt dazu, dass die Signaländerung im Signal VLS_POST 12 bis zum Plateau 14 ausgewertet wird und dadurch eine Verzögerung der Lambda-Regelung vermieden wird. Dies erfolgt, indem bevorzugt die Änderungsunterschiede, also beispielsweise die erste zeitliche Ableitung, der Signale VLS_POST zusätzlich zum Absolutwert der Signale durch die Signalauswerteeinheit ausgewertet werden.
Dieses Verfahren ist auch für lineare Regelsonden anwendbar, wobei hier noch höhere Signalgradienten als bei der binären Sonde beobachtet werden, was die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren gleicht sowohl für lineare als auch für binäre Lambda-Sonden die durch den Einsatz der Lambda-Sonde in dem Katalysator entstehenden Nachteile in der Signalgeschwindigkeit nahezu vollständig aus, da sich durch die korrigierte Signalauswertung der Lambda-Signale eine nahezu unveränderte Regelgeschwindigkeit gegenüber der herkömmlichen Anwendung einer Sonde vor einem Katalysator ergibt. Damit können die Vorteile des Lambda-Sensor-Katalysators genutzt werden und gleichzeitig eine Performance wie bei der Standard-Konfiguration aus O2-upstream-Sensor, Katalysator und gegebenenfalls O2-downstream-Sensor erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Katalysatorauslegung und die Edelmetallbeladung beibehalten und eine Vergrößerung des Katalysators zur Erhöhung der Regelgeschwindigkeit vermieden werden.
2 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Lambdaregelvorrichtung. Eine Brennkraftmaschine ist schematisch mit 20 bezeichnet. Der Brennkraftmaschine wird über den Ansaugtrakt 22 Luft zugeführt. Kraftstoff wird über die Leitung 24 und die Einspritzventile 26 den einzelnen Zylindern (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 20 zugeführt. Bekanntermaßen misst ein Luftmassensensor 28 die einströmende Luftmasse und leitet den gemessenen Wert an ein Steuergerät 30 zur Lambda-Regelung weiter. Die Abgase aus der Brennkraftmaschine 20 gelangen über den Abgastrakt 32 in den Katalysator 34. Der Katalysator 34 besitzt eine Lambda-Sonde 36, die in dem Katalysator 34 angeordnet ist. Die Lambda-Sonde 36 leitet die gemessenen Signale an eine Signalauswerteeinheit 38 weiter, von wo aus sie an dem Steuergerät 30 anliegen. Stromabwärts von dem Katalysator 34 ist eine zweite Lambda-Sonde 40 vorgesehen, deren Signale ebenfalls an dem Steuergerät 30 anliegen. In der Regel dienen die Signale der zweiten Lambda-Sonde zum Ausgleich von Vergiftungs- und Alterungserscheinungen an der ersten Lambda-Sonde, daher ist die zweite Lambda-Sonde für die Erfindung nicht notwendig. Das Steuergerät 30 erzeugt zylinderspezifische Signale 44 zur Ansteuerung 42 der Brennkraftmaschine.

Claims

Verfahren zur Lambda-Regelung bei einer Brennkraftmaschine (20) mit einem Katalysator (34) im Abgastrakt, ohne eine Vor-Kat-Sonde stromaufwärts vom Katalysator und mit mindestens einer ersten Lambda-Sonde (36), die innerhalb des Katalysators angeordnet und mit einer Einheit (30) zur Lambda-Regelung (30) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Anlegen von Messsignalen der ersten Lambda-Sonde (36) an eine Lambda-Auswerteeinheit (38), b) Korrigieren einer Verzögerung der Messsignale gegen über einem Signalverlauf einer hypothetischen Vor-Kat-Sonde durch die Lambda-Auswerteeinheit (38), und c) Anlegen des korrigierten Lambda-Sondensignals an die Einheit (30) zur Lambda-Regelung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Signaländerung der Messsignale durch die Signalauswerteeinheit (38) zusammen mit dem Messsignal ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinheit (38) den Anstieg der Messsignale auswertet und beim Erreichen eines vorbestimmten Änderungswerts ein Signal an die Lambda-Regelung anlegt, das dieser einen vorbestimmten Wert eines vor dem Katalysator angeordneten Lambda-Sensors anzeigt.
Vorrichtung zur Lambda-Regelung für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Merkmalen – einem im Abgastrakt angeordneten Katalysator (34), – einer ersten Lambda-Sonde (36), die innerhalb des Katalysators angeordnet ist, und ohne eine Vor-Kat-Sonde stromaufwärts vom Katalysator – einer Signalauswerteeinheit (38), mit der eine Verzögerung der Signale der ersten Lambda-Sonde (36) korrigierbar und die korrigierten Signale an eine Einheit (30) zur Lambda-Regelung anlegbar sind, und ferner dass die erste Sonde eine lineare Lambda-Sonde ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Lambda-Sonde (40) stromabwärts von der ersten Lambda-Sonde (36) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lambda-Sonde (40) ebenfalls innerhalb des Katalysators (34) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lambda-Sonde (40) außerhalb von dem Katalysator (34) angeordnet ist.