DE102005029950B4

DE102005029950B4 - Lambda control in an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102005029950B4
Application number: DE102005029950.4A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hahn Hermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: DE102005029950A1

Abstract

Verfahren zur Lambdaregelung bei einem Verbrennungsmotor (3) mit zumindest einem in einer Abgasanlage (17) des Verbrennungsmotors (3) angeordneten Katalysator (19), wobei die Abgasanlage (17) einen vorderen Lambdaregelkreis (5) und einen hinteren Lambdaregelkreis (9) mit zumindest einem stromab des Katalysators (19) angeordneten hinteren Sauerstoffsensor (15) aufweist, und von dem hinteren Lambdaregelkreis (9) ein Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors (15) verarbeitet und eine Konvertierungskenngröße des Katalysators (19) ermittelt und der hintere Lambdaregelkreis (9) zusätzlich zu dem Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors (15) die ermittelte Konvertierungskenngröße verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Soll-Lambdawert des vorderen Lambdaregelkreis (5) wirkende Stellgröße in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors (15) und der Konvertierungskenngröße ermittelt und ausgegeben wird, wobei ein auf die Stellgröße des hinteren Lambdaregelkreises (9) wirkenden Regel-Parameter durch ein Kennfeld ermittelt wird, das das Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors (15) und die Konvertierungskenngröße als Eingangsgrößen verarbeitet.Method for lambda control in an internal combustion engine (3) having at least one catalytic converter (19) arranged in an exhaust system (17) of the internal combustion engine (3), the exhaust system (17) having a front lambda control loop (5) and a rear lambda control circuit (9) with at least a rear oxygen sensor (15) arranged downstream of the catalytic converter (19), and processing an output signal of the rear oxygen sensor (15) from the rear lambda control circuit (9) and determining a conversion characteristic of the catalytic converter (19) and the rear lambda control circuit (9) in addition to the output of the rear oxygen sensor (15) processes the determined conversion characteristic, characterized in that a manipulated variable acting on the desired lambda value of the front lambda control circuit (5) is determined and output in dependence on the output signal of the rear oxygen sensor (15) and the conversion parameter, where an on the manipulated variable of h is determined by a characteristic map which processes the output signal of the rear oxygen sensor (15) and the conversion characteristic as input variables.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lambdaregelung bei einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Lambdaregelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The invention relates to a method for lambda control in an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for lambda control according to the preamble of claim 7.

Verfahren und Vorrichtungen zur Lambdaregelung bei Verbrennungsmotoren werden eingesetzt, um die Emissionen schädlicher Abgase in die Umwelt zu reduzieren, falls in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors zumindest ein Katalysator angeordnet ist. Um beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator in einem optimalen Betriebspunkt zu halten, ist es notwendig, die Gemischaufbereitung des Verbrennungsmotors mit Hilfe einer Lambdaregelung so zu steuern, dass sich zumindest im Mittelwert ein geregelter Lambdawert ergibt, der möglichst nahe bei 1,0 liegt. Es ist bekannt, hierzu einen vorderen Lambdaregelkreis mit einem stromab des Verbrennungsmotors und stromauf des Katalysators angeordneten vorderen Sauerstoffsensor und einen hinteren Lambdaregelkreis mit zumindest einem stromab des Katalysators angeordneten hinteren Sauerstoffsensor vorzusehen. Nachteiliger Weise sind solche Systeme mehr oder weniger langsam reagierend, so dass es zu unerwünschten Emissionsdurchbrüchen kommen kann, bei denen der Katalysator sich kurzzeitig nicht im optimalen Betriebspunkt befindet. Es wurde daher versucht, die Regelqualität durch eine bessere Auswertung der Sondensignale zu optimieren. Die Druckschriften DE 102 25 937 A1 , DE 196 06 652 A1 und DE 103 39 063 A1 zeigen beispielhaft solche Systeme. Aus dem – Dokument DE 38 37 984 A1 geht hervor, dass in. diesem Zusammenhang mit einer Stellgröße auf den Soll-Lambdawert des vorderen Lambdakreises eingewirkt werden kann.Methods and apparatus for lambda control in internal combustion engines are used to reduce the emissions of harmful gases into the environment if at least one catalytic converter is arranged in the exhaust system of the internal combustion engine. In order, for example, to keep a 3-way catalytic converter at an optimal operating point, it is necessary to control the mixture preparation of the internal combustion engine with the aid of a lambda control in such a way that a controlled lambda value, which is as close as possible to 1.0, results, at least in the mean value. It is known to provide a front lambda control circuit with a front oxygen sensor arranged downstream of the combustion engine and upstream of the catalytic converter and a rear lambda control circuit with at least one rear oxygen sensor arranged downstream of the catalytic converter. Disadvantageously, such systems are more or less slowly reacting, so that undesirable emission breakthroughs can occur in which the catalyst is not at the optimum operating point for a short time. It was therefore attempted to optimize the control quality by a better evaluation of the probe signals. The pamphlets DE 102 25 937 A1 . DE 196 06 652 A1 and DE 103 39 063 A1 exemplify such systems. From the - document DE 38 37 984 A1 shows that in this context can be acted upon by a manipulated variable to the desired lambda value of the front lambda circuit.

Das von der Erfindung zu lösende Problem ist es, eine Lambdaregelung von Verbrennungsmotoren für eine möglichst gute Abgasreinigung, insbesondere mit möglichst geringen Emissionsdurchbrüchen, zu ermöglichen.The problem to be solved by the invention is to enable a lambda control of internal combustion engines for the best possible purification of exhaust gas, in particular with the lowest possible emission breakthroughs.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Konvertierungskenngröße des Katalysators ermittelt und der hintere Lambdaregelkreis zusätzlich zu dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors die ermittelte Konvertierungskenngröße verarbeitet. Die Stellgröße, also die zu Grunde liegenden Regelparameter, des hinteren Lambdaregelkreises wird/werden in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors und der Konvertierungskenngröße ermittelt. Die Stellgröße des hinteren Lambdaregelkreises wirkt auf den Soll-Lambda-Pfad des vorderen Lambdaregelkreises. Der vordere Lambdaregelkreis wird vorteilhafter Weise als solcher nicht verändert. Es besteht also die Möglichkeit, den Katalysator in seinem optimalen Betriebspunkt zu halten, ohne dabei darauf zu verzichten, mit Hilfe des vorderen Lambdaregelkreises schnell auf Abweichungen des Abgas-Lambdawertes vom Sollwert zu reagieren. Der vordere Regelkreis hat also die Aufgabe, den vorgegebenen Lambda-Sollwert an dem vorderen Sauerstoffsensor einzuregeln. Zielkonflikte durch sich überlagernde Stelleingriffe können nicht auftreten, da der hintere Lambdaregelkreis durch seinen Stelleingriff lediglich den Sollwert des vorderen Lambdaregelkreises beeinflusst. Die Information des Ausgangssignals des hinteren Sauerstoffsensors und der ermittelten Konvertierungskenngröße wird also lediglich im vorderen Lambdaregelkreis verarbeitet und wirkt daher nur indirekt über den Sollwert des vorderen Lambdaregelkreises auf die Gemischbildung des Verbrennungsmotors. Es ist daher möglich, die Lambdaregelung insgesamt klar zu strukturieren und frei von Zielkonflikten auszulegen.The object underlying the invention is achieved by a method having the features of claim 1. The method is characterized in that a conversion characteristic of the catalyst is determined and the rear lambda control loop processes the determined conversion characteristic in addition to the output signal of the oxygen sensor. The manipulated variable, ie the underlying control parameters, of the rear lambda control loop is / are determined as a function of the output signal of the rear oxygen sensor and the conversion characteristic. The manipulated variable of the rear lambda control loop acts on the desired lambda path of the front lambda control loop. The front lambda control loop is advantageously not changed as such. Thus, there is the possibility of keeping the catalyst at its optimum operating point, without renouncing to react quickly to deviations of the exhaust gas lambda value from the nominal value with the aid of the front lambda control loop. The front control loop thus has the task of regulating the given lambda setpoint value at the front oxygen sensor. Target conflicts due to superimposed control interventions can not occur because the rear lambda control loop only influences the setpoint value of the front lambda control loop by means of its control action. The information of the output signal of the rear oxygen sensor and the determined conversion characteristic is thus processed only in the front lambda control circuit and therefore acts only indirectly via the setpoint value of the front Lambdaregelkreises on the mixture formation of the internal combustion engine. It is therefore possible to clearly structure the lambda control as a whole and to interpret it without any conflicting goals.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen auf die Stellgröße des hinteren Regelkreises wirkenden Regel-Parameter durch ein Kennfeld zu ermitteln. Das Kennfeld verwendet das Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors und die Konvertierungskenngröße als Eingangsgrößen und ermittelt daraus den Regelparameter. Bei dem Regelparameter kann es sich beispielsweise um einen proportional Parameter und/oder einen Integral-Parameter handeln.According to the invention, it is provided to determine a control parameter acting on the manipulated variable of the rear control loop by means of a characteristic diagram. The map uses the output signal of the rear oxygen sensor and the conversion characteristic as input variables and uses this to determine the control parameter. The control parameter may be, for example, a proportional parameter and / or an integral parameter.

Bevorzugt ist auch möglich, den Regelparameter im hinteren Regelkreis abhängig von dem Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors zu ermitteln und diesen über einen von der Konvertierungskenngröße abhängigen Korrekturfaktor zu verändern.Preferably, it is also possible to determine the control parameter in the rear control loop as a function of the output signal of the rear oxygen sensor and to change it via a correction factor dependent on the conversion characteristic.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Konvertierungskenngröße durch ein hinterlegtes Modell zu ermitteln. Bevorzugt handelt es sich bei dem Modell um ein Sauerstoffmodell, dass beispielsweise durch eine Bilanzierung die aktuelle Sauerstoffbeladung des Katalysators ermittelt. Die Konvertierungskenngröße hängt vorzugsweise ab von der relativen Beladung des Katalysators mit einem die Konvertierungseigenschaften beeinflussenden Stoff, beispielsweise O2 und/oder NOx. Es kann erkannt werden, dass bei hohem Sauerstofffüllstand und einem Sondensignal des hinteren Sauerstoffsensors, das einem mageren Gemisch entspricht, eine starke Anfettung durchgeführt werden kann. Vorteilhafter Weise kann die Anfettung zurückgefahren werden, bevor es zu einem Emissionsdurchbruch kommen kann, sobald gemäß dem modellierten Füllstand, insbesondere dem Sauerstofffüllstand, eine optimaler Wert, beispielsweise 40–60%, erreicht ist. Dieser Wert kann vor dem Zeitpunkt einer möglichen Ermittlung des Emissionsdurchbruchs durch den hinteren Sauerstoffsensor erkannt werden. Die Anfettung wird also reduziert, obwohl das Sondensignal noch von seinem Sollwert abweicht. Mithin ist es durch die Modellierung möglich, die Regelung vorausschauend auszulegen und so die Regelqualität entscheidend zu verbessern.In a further preferred embodiment, it is provided to determine the conversion characteristic by a stored model. The model is preferably an oxygen model which, for example, determines the current oxygen loading of the catalyst by means of balancing. The conversion characteristic preferably depends on the relative loading of the catalyst with a substance influencing the conversion properties, for example O 2 and / or NO x. It can be seen that when the oxygen level is high and the rear oxygen sensor sensor signal corresponding to a lean mixture is rich, enrichment can be performed. Advantageously, the enrichment can be reduced before an emission breakthrough can occur as soon as an optimum value, for example 40-60%, has been reached in accordance with the modeled fill level, in particular the oxygen fill level. This value can be detected before the time of a possible determination of the emission breakthrough by the rear oxygen sensor. The enrichment is thus reduced, although the probe signal still deviates from its nominal value. Thus, modeling makes it possible to design the control system in a forward-looking manner and thus decisively improve the control quality.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die Plausibilität und/oder Genauigkeit der Ausgangsgröße des Modells zu überprüfen. Vorteilhaft kann die Konvertierungskenngröße nur dann verwendet werden, wenn diese hinreichend genau vorliegt. Falls die Prüfung unzureichende Genauigkeit und/oder unplausible Zustände ergibt kann ein Zustands-Bit gesetzt werden. Unplausible Zustände sind beispielsweise, wenn der berechnete Sauerstofffüllstand oberhalb einer vorgegebenen Schwelle, zum Beispiel 90 Prozent, aber das Signal des hinteren Sauerstoffsensors unterhalb einer vorgegebenen Schwelle, welche mageres Abgas anzeigt, zum Beispiel 150 mV, liegt oder wenn der berechnete Sauerstofffüllstand unterhalb einer vorgegebenen Schwelle, zum Beispiel 10 Prozent, aber das Signal des hinteren Sauerstoffsensors oberhalb einer vorgegebenen Schwelle, welche fettes Abgas anzeigt, zum Beispiel 750 mV, liegt. In einem solchen Fall, kann beispielsweise das Modell korrigiert und/oder zurückgesetzt werden. Ferner kann durch Abfrage des Bits zwischen jeweils dem Zustand des Systems angepassten Regel-Kennlinien umgeschaltet werden.In a further preferred embodiment, it is provided to check the plausibility and / or accuracy of the output of the model. Advantageously, the conversion characteristic can only be used if it is sufficiently accurate. If the test yields insufficient accuracy and / or implausible states, a status bit can be set. Unplausible conditions are, for example, when the calculated oxygen level is above a predetermined threshold, for example 90 percent, but the signal from the rear oxygen sensor is below a predetermined threshold indicating lean exhaust gas, for example 150 mV, or if the calculated oxygen level is below a predetermined threshold , for example, 10 percent, but the signal of the rear oxygen sensor is above a predetermined threshold, which indicates rich exhaust gas, for example, 750 mV. In such a case, for example, the model can be corrected and / or reset. Furthermore, it is possible to switch over by interrogating the bit between control characteristics adapted in each case to the state of the system.

Um Fehler zu vermeiden, ist es in diesem Fall auch möglich, den hinteren Lambdaregelkreises auf einen Betriebsmodus ohne Berücksichtigung des Sauerstoffmodells umzuschalten oder einen Ersatzwert als Eingangsgröße für den hinteren Lambdaregelkreis und zu verwenden. Der Proportional- und/oder Integralparameter des hinteren Lambdaregelkreises wird dann ausschließlich abhängig von einer Signaldifferenz des Signals des hinteren Sauerstoffsensors festgelegt. Möglicherweise kann der Ersatzwert auch abhängig vom aktuellen Befüllungszustand in einem Kennfeld hinterlegt werden. Gegebenenfalls kann der hintere Regelkreises teilweise, beispielsweise durch Abschalten einzelner Regel Parameter, oder gänzlich abgeschaltet werden. So ist es möglich, auch in Betriebszuständen, in denen die Sauerstoffmodellierung nicht optimale Ergebnisse liefern würde, eine möglichst hohe Regelqualität zu ermöglichen. Es kann ermittelt werden, unter welchen Bedingungen die Abweichungen zwischen Modell und dem Katalysatorverhalten besonders groß werden. Solche Zustände können insbesondere bei langem geregelten Motorbetrieb auftreten, bei denen keine vollständige Befüllung oder Entleerung des Katalysators stattfindet und dann möglicherweise Tiefenspeicherungseffekte und/oder Umlagerungseffekte im Katalysator auftreten. Beispielsweise können Abweichungen auch durch hohe Temperaturgradienten im Katalysator ausgelöst werden, da die Charakteristik der Sauerstoff-Ein- und Ausspeicherung stark temperaturabhängig ist. Durch die Veränderung der Regelung des hinteren Lambdaregelkreises, bis hin zur Abschaltung oder bei kaltem Motor, falls der hintere Sauerstoffsensor noch nicht betriebsbereit ist, kann mithin trotz der beschriebenen eigentlich nachteiligen Effekte eine optimale Regelqualität erzielt werden. Ferner ist es denkbar, in bestimmten Betriebszuständen die Regelparameter, beispielsweise den Proportional- und/oder Integral-Parameter, ausschließlich auf Grund der aktuellen Konvertierungskenngröße zu ermitteln.In order to avoid errors, it is also possible in this case to switch the rear lambda control loop to an operating mode without consideration of the oxygen model or to use a substitute value as an input variable for the rear lambda control loop and. The proportional and / or integral parameter of the rear lambda control loop is then determined exclusively as a function of a signal difference of the signal of the rear oxygen sensor. Possibly, the substitute value can also be stored in a map depending on the current filling state. If necessary, the rear control loop can be partly switched off, for example by switching off individual control parameters, or completely. So it is possible, even in operating conditions in which the oxygen modeling would not provide optimal results to allow the highest possible quality control. It can be determined under which conditions the deviations between the model and the catalyst behavior become particularly large. Such conditions may occur, in particular, during prolonged engine operation, in which there is no complete filling or emptying of the catalyst and then possibly deep storage effects and / or rearrangement effects in the catalyst occur. For example, deviations can also be triggered by high temperature gradients in the catalyst, since the characteristic of the oxygen injection and withdrawal is highly temperature-dependent. By changing the regulation of the rear lambda control loop, up to the shutdown or when the engine is cold, if the rear oxygen sensor is not yet ready for operation, an optimal control quality can thus be achieved despite the described actually disadvantageous effects. Furthermore, it is conceivable in certain operating states to determine the control parameters, for example the proportional and / or integral parameters, exclusively on the basis of the current conversion characteristic.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Vorteilhafter Weise ist der hintere Lambdaregelkreis zusätzlich zur Verarbeitung einer ermittelten Konvertierungskenngröße und zur Ermittlung einer Stellgröße in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors und der Konvertierungskenngröße ausgelegt. Dies ermöglicht es, eine höhere Regelgenauigkeit zu erzielen, da die Lambdaregelung durch die Berücksichtigung der zusätzlichen Konvertierungskenngröße im hinteren Lambdaregelkreis vorausschauend auf Störgrößen reagieren kann. Bevorzugt weist der Katalysator eine Speicherfähigkeit für zumindest einen Stoff, insbesondere Sauerstoff und/oder NOx, der die Konvertierungseigenschaften des Katalysators beeinflusst, auf. Die Beladung des Katalysators mit dem Stoff beeinflusst die Konvertierungskenngröße. Es ist also möglich die für eine gute Abgasreinigung signifikante Beladung des Katalysators bei der hinteren Regelung zu berücksichtigen. Zur Ermittlung der Konvertierungskenngröße kann ein Modell, insbesondere ein Sauerstoffmodell, hinterlegt sein, das bevorzugt zur Verarbeitung des Signals des vorderen und/oder hinteren Sauerstoffsensors ausgelegt ist.The object underlying the invention is further achieved by a device having the features of the independent device claim. Advantageously, the rear lambda control loop is additionally designed for processing a determined conversion characteristic and for determining a manipulated variable as a function of the output signal of the rear oxygen sensor and the conversion characteristic. This makes it possible to achieve a higher control accuracy, since the lambda control can react in a predictive manner to disturbance variables by taking into account the additional conversion characteristic in the rear lambda control loop. The catalyst preferably has a storage capacity for at least one substance, in particular oxygen and / or NOx, which influences the conversion properties of the catalyst. The loading of the catalyst with the substance influences the conversion characteristic. It is therefore possible to take into account the significant loading of the catalyst at the rear control for a good exhaust gas purification. To determine the conversion characteristic, a model, in particular an oxygen model, can be deposited, which is preferably designed for processing the signal of the front and / or rear oxygen sensor.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der dazugehörigen Beschreibung. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:Further advantages will be apparent from the remaining dependent claims, the drawings and the accompanying description. In the following an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing:

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Lambdaregelung bei einem Verbrennungsmotor mit einem vorderen und hinteren Lambdaregelkreis und einem Sauerstoffmodell, 1 shows a block diagram of a device for lambda control in an internal combustion engine with a front and rear lambda control loop and an oxygen model,

2 zeigt das prinzipielle Verhalten einer Lambdaregelung gemäß des Standes der Technik, und 2 shows the basic behavior of a lambda control according to the prior art, and

3 zeigt das prinzipielle Verhalten einer erfindungsgemäßen Lambdaregelung. 3 shows the basic behavior of a lambda control according to the invention.

Gleiche oder funktionsgleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The same or functionally identical parts are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Lambdaregelung bei einem Verbrennungsmotor 3. Signalverbindungen sowie deren Richtung sind durch Pfeile 4 gekennzeichnet. Die Vorrichtung 1 weist einen vorderen Regelkreis 5 mit einem vorderen Regler 7 und einen hinteren Regelkreises 9 mit einem hinteren Regler 11 auf. Der hintere Regler 11 ist eingangsseitig mit einer Modellierungseinheit 13 und einem hinteren Sauerstoffsensor 15 verbunden. Der hintere Sauerstoffsensor 15 befindet sich in einer Abgasanlage 17 des Verbrennungsmotors 3 stromab eines Katalysators 19. Stromab des Verbrennungsmotors 3 und stromauf des Katalysators 19 befindet sich in der Abgasanlage 17 ein vorderer Sauerstoffsensor 21. Bei den Sauerstoffsensoren 15, 21 kann es sich beispielsweise um Sprung- und/oder Breitbandsensoren handeln. In einer weiteren, jedoch in der 1 nicht dargestellten Ausführungsform ist kein Lambdasensor 21 im vorderen Lambdaregelkreis verbaut. Stattdessen wird ein modellierter Lambdawert zur Verfügung gestellt, welcher beispielsweise aus motorischen Größen wie Kraftstoffeinspritzmenge und Luftmenge sowie adaptierten Einstellwerten und/oder komplexeren Modellen ermittelt wird und anstelle eines gemessenen Lambdawertes verwendet wird. 1 shows a block diagram of a device 1 for lambda control in an internal combustion engine 3 , Signal connections and their direction are indicated by arrows 4 characterized. The device 1 has a front loop 5 with a front regulator 7 and a rear loop 9 with a rear regulator 11 on. The rear regulator 11 is input side with a modeling unit 13 and a rear oxygen sensor 15 connected. The rear oxygen sensor 15 is located in an exhaust system 17 of the internal combustion engine 3 downstream of a catalyst 19 , Downstream of the internal combustion engine 3 and upstream of the catalyst 19 is located in the exhaust system 17 a front oxygen sensor 21 , With the oxygen sensors 15 . 21 they may be, for example, jump and / or broadband sensors. In another, but in the 1 not shown embodiment is not a lambda sensor 21 installed in the front lambda control circuit. Instead, a modeled lambda value is provided which, for example, is determined from engine variables such as fuel injection quantity and air quantity as well as adapted setting values and / or more complex models and is used instead of a measured lambda value.

Die Vorrichtung 1 beziehungsweise der vordere Regelkreis 5 weist einen Sollwertpfad 23 mit einem Sollwerteingang 25 auf. In den Sollwertpfad 23 ist eine Additionsstelle 27 geschaltet. Die Additionsstelle 27 des Sollwertpfads 23 ist eingangsseitig dem Sollwerteingang 25 und dem hinteren Regler 11 zugeordnet. Mithin wird durch die Additionsstelle 27 die Stellgröße des hinteren Reglers 11 mit dem Sollwert der Lambdaregelung addiert. Ein Stelleingriff des hinteren Reglers 11 wirkt also ausschließlich über den Sollwertpfad 23 des vorderen Regelkreises 5 auf die Gemischbildung des Verbrennungsmotors 3 und damit auf den Lambdawert des Abgases des Verbrennungsmotors 3.The device 1 or the front loop 5 has a setpoint path 23 with a setpoint input 25 on. In the setpoint path 23 is an addition point 27 connected. The addition point 27 the setpoint path 23 on the input side is the setpoint input 25 and the rear regulator 11 assigned. Consequently, by the addition point 27 the manipulated variable of the rear regulator 11 added to the setpoint of the lambda control. A control action of the rear regulator 11 So acts exclusively on the setpoint path 23 of the front control loop 5 on the mixture formation of the internal combustion engine 3 and thus to the lambda value of the exhaust gas of the internal combustion engine 3 ,

Der vordere Regelkreis 5 arbeitet unabhängig, wird lediglich von der Stellgröße des hinteren Regelkreises 9 geführt und beinhaltet den Sollwertpfad 23, eine Subtraktionsstelle 29 zur Bildung der Regelabweichung aus dem über den Sollwertpfad 23 eingespeisten Sollwert und dem Ausgangssignal des vorderen Sauerstoffsensors 21, den vorderen Regler 7, den Verbrennungsmotor 3 sowie dessen Abgasanlage 17 mit dem vorderen Sauerstoffsensor 21. Der hintere Regelkreis 9 arbeitet als übergeordneter Regler und beinhaltet mithin den gesamten vorderen Regelkreis 5 und außerdem den Katalysator 19, den stromab davon befindlichen hinteren Sauerstoffsensor 19 sowie die Modellierungseinheit 13.The front loop 5 works independently, is only of the control value of the rear loop 9 and contains the setpoint path 23 , a subtraction point 29 to form the control deviation from the via the setpoint path 23 supplied setpoint and the output signal of the front oxygen sensor 21 , the front regulator 7 , the internal combustion engine 3 as well as its exhaust system 17 with the front oxygen sensor 21 , The rear loop 9 works as a higher-level controller and therefore includes the entire front control loop 5 and also the catalyst 19 , the downstream rear oxygen sensor 19 as well as the modeling unit 13 ,

Die Modellierungseinheit 13 ermittelt durch ein hinterlegtes Modell eine Konvertierungskenngröße als Eingangssignal für den hinteren Regler 11. Die Modellierungseinheit 13 ist eingangsseitig an den vorderen Sauerstoffsensor 21 angeschlossen. Bevorzugt beinhaltet die Modellierungseinheit 13 ein Sauerstoffmodell des Katalysators 19. Das Sauerstoffmodell kann beispielsweise durch Bilanzierung die aktuelle relative Beladung des Katalysators 19 mit Sauerstoff als Konvertierungskenngröße ermitteln. Bevorzugt kann jedoch die Modellierungseinheit 13 jede beliebige andere die Konvertierungseigenschaften des Katalysators 19 kennzeichnende Größe, beispielsweise die Beladung mit NOx, CO, etc., ermitteln. Optional weist die Modellierungseinheit 13 auch einen Eingang für das Signal des hinteren Sauerstoffsensors 15 auf, was durch einen gestrichelten Pfeil 31 dargestellt ist.The modeling unit 13 uses a stored model to determine a conversion parameter as the input signal for the rear controller 11 , The modeling unit 13 is on the input side to the front oxygen sensor 21 connected. Preferably, the modeling unit includes 13 an oxygen model of the catalyst 19 , The oxygen model can, for example, by balancing the current relative loading of the catalyst 19 determine with oxygen as the conversion parameter. However, the modeling unit may be preferred 13 any other the conversion properties of the catalyst 19 characterizing size, for example, the loading of NOx, CO, etc., determine. Optional assigns the modeling unit 13 also an input for the signal of the rear oxygen sensor 15 on, what by a dotted arrow 31 is shown.

Die 2 und 3 zeigen anhand von zwei Schaubildern 33 und 35 einen Vergleich des Regelverhaltens einer zum Stand der Technik gehörenden Lambdaregelung (2) und einer erfindungsgemäßen Lambdaregelung wie in 1 dargestellt, beispielsweise mit einem implementierten Sauerstoffmodell. Die Schaubilder weisen jeweils als X-Achse 37 eine Zeitskalierung auf. Bei der Zeitskalierung kann es sich beispielsweise um einen Zeitraum von 0 bis 4 Sekunden handeln. Außerdem weisen die Schaubilder 33 und 35 jeweils eine linke Y-Achse 39 mit einer Absolutskala und eine rechte Y Achse mit einer Relativskala in % auf. Bei der Absolutskala kann es sich beispielsweise um Signalwerte in Volt oder um den aktuellen Lambdawert handeln.The 2 and 3 show on the basis of two graphs 33 and 35 a comparison of the control behavior of a prior art lambda control ( 2 ) and a lambda control according to the invention as in 1 represented, for example, with an implemented oxygen model. The graphs show each as an X-axis 37 a time scale up. The time scale can be, for example, a period of 0 to 4 seconds. In addition, the graphs show 33 and 35 each a left Y-axis 39 with an absolute scale and a right Y axis with a relative scale in%. The absolute scale can be, for example, signal values in volts or the current lambda value.

Die Schaubilder 33 und 35 zeigen einen ersten Plot 43, der beispielsweise dem Ausgangssignal des hinteren Sauerstoffsensors 15 beziehungsweise der daraus abgeleiteten Regelabweichung entspricht, einen zweiten Plot 45, der den Lambdawert repräsentiert, einen dritten Plot 47, der den Sauerstofffüllstand in % angibt, einen vierten Plot 49, der eine Anfettung des Gemisches des Verbrennungsmotors 3 in % repräsentiert und einen fünften Plot 51, der eine Schadstoffkonzentration, beispielsweise die Konzentration von Kohlenwasserstoffen im Abgas des Verbrennungsmotors 3, repräsentiert.The graphs 33 and 35 show a first plot 43 for example, the output signal of the rear oxygen sensor 15 or the control deviation derived therefrom, a second plot 45 , which represents the lambda value, a third plot 47 representing the oxygen level in%, a fourth plot 49 , which enriches the mixture of the internal combustion engine 3 represented in% and a fifth plot 51 , the concentration of pollutants, for example the concentration of hydrocarbons in the exhaust gas of the internal combustion engine 3 , represented.

Die Schaubilder 33 und 35 zeigen jeweils einen Einschwingvorgang von einem Lambdawert >> 1 kommend (zweiter Plot 45). Dabei liegt jeweils ein hinterer Regler 11 mit einem Proportionalfaktor zu Grunde, wobei gemäß dem Schaubild 33 ein bekannter Regleransatz ohne die vorteilhafte Integration der Ausgangsgröße der Modellierungseinheit 13 in den Regelalgorithmus des hinteren Reglers 11 zu Grunde liegt. Im Folgenden wird zunächst der Einschwingvorgang gemäß dem Schaubild 33 der 2 beschrieben. Es ist zu erkennen, dass ohne die vorteilhafte Einbindung des Sauerstoffmodells aufgrund einer Veränderung des ersten Plots 43 ein proportional abhängiges invertiertes Signal entsprechend dem vierten Plot 49 generiert wird, das der Anfettung entspricht. Diese proportionale Abhängigkeit der Signale ist in dem Schaubild 33 durch einen Pfeil 53 angedeutet. Durch die Anfettung gemäß dem vierten Plot 49 kommt es durch Umsetzung von im Abgasstrom enthaltenen Kohlenwasserstoffen in dem Katalysator 19 zu einem erhöhten Verbrauch von Sauerstoff und mithin zu einem Abnehmen der Sauerstoffbeladung des Katalysators 19, wie durch den dritten Plot 47 ersichtlich. Sobald die aus der Sauerstoffbeladung des Katalysators 19 freigesetzten Sauerstoffreserven nicht mehr zu einer 100%igen Konvertierung der Kohlenwasserstoffe ausreichen, kommt es zu einem Emissionsdurchbruch, was durch einen steilen Anstieg des fünften Plots 51 an einem Durchbruchpunkt 55 bei einem Wert von ungefähr 2 auf der Zeitskalierung ablesbar ist.The graphs 33 and 35 each show a transient from a lambda value >> 1 coming (second plot 45 ). In each case, there is a rear controller 11 based on a proportional factor, according to the graph 33 a known controller approach without the advantageous integration of the output of the modeling unit 13 in the control algorithm of the rear regulator 11 underlying. The following is the initial transient process according to the graph 33 of the 2 described. It can be seen that without the beneficial involvement of the oxygen model due to a change in the first plot 43 a proportional dependent inverted signal corresponding to the fourth plot 49 is generated, which corresponds to the enrichment. This proportional dependence of the signals is in the graph 33 through an arrow 53 indicated. By the enrichment according to the fourth plot 49 it comes by reaction of hydrocarbons contained in the exhaust stream in the catalyst 19 to an increased consumption of oxygen and thus to a decrease in the oxygen loading of the catalyst 19 as by the third plot 47 seen. Once the from the oxygen loading of the catalyst 19 released oxygen reserves are no longer sufficient for a 100% conversion of the hydrocarbons, there is an emission breakthrough, resulting in a steep increase of the fifth plot 51 at a breakthrough point 55 is readable at a value of about 2 on the time scale.

Es ist zu erkennen, dass eine Reaktion auf den Emissionsdurchbruch erst zeitverzögert erfolgt, da zu dem Zeitpunkt des Emissionsdurchbruchs auf Grund von System-Totzeiten das Signal des hinteren Sauerstoffsensors 15 (erster Plot 43) noch einem mageren Gemisch entspricht und mithin der Proportional Parameter des Reglers 11 (vierter Plot 49) trotz des bereits erfolgten Emissionsdurchbruchs für eine gewisse Zeit eine Anfettung des Gemischs vornimmt. Erst wenn das Sondensignal des ersten Plots 43 ein fettes Gemisch indiziert, kann der Regler 11 dem Emissionsdurchbruch durch eine Entfettung des Gemischs (vierter Plot 49 zwischen 2 und 3 der Zeitskalierung) gegensteuern. Das Gegensteuern bewirkt ein Rückgang des Emissionsdurchbruchs, ein Ansteigen der Sauerstoffbeladung (dritter Plot 47), solange, bis der Emissionsdurchbruch beendet ist und das Sondensignal (erster Plot 43) ein stöchiometrisches Gemisch anzeigt.It can be seen that a response to the emission breakthrough takes place only after a time delay, because at the time of emission breakdown due to system dead times, the signal of the rear oxygen sensor 15 (first plot 43 ) still corresponds to a lean mixture and thus the proportional parameter of the controller 11 (fourth plot 49 ), despite the emission breakthrough that has already occurred, enriches the mixture for a certain time. Only when the probe signal of the first plot 43 indicates a rich mixture, the controller 11, the emission breakthrough by degreasing the mixture (fourth plot 49 between 2 and 3 of the time scale) counter. The countermeasure causes a decrease in the emission breakdown, an increase in oxygen loading (third plot 47 ), until the emission breakthrough is completed and the probe signal (first plot 43 ) indicates a stoichiometric mixture.

Im Gegensatz dazu, wie in 3 dargestellt, hängt bei dem erfindungsgemäßen Regleransatz der Proportional-Parameter des Reglers 11 nicht nur von dem Sondensignal sondern auch von dem Sauerstofffüllstand des Katalysators 19 ab. Diese zusätzliche Abhängigkeit ist durch einen Pfeil 57 ausgehend von dem dritten Plot 47 hin zu dem vierten Plot 49 angedeutet. Es ist zu erkennen, dass der Reglereingriff durch die zusätzliche Abhängigkeit nicht mehr proportional zum Sondensignal verläuft. Im vorliegenden Fall erfolgt auf Grund der abnehmenden Sauerstoffbeladung des Katalysators 19 eine deutliche Abschwächung der Anfettung (vierter Plot 49). Der Regler 11 kann also bereits deutlich früher auf den sich anbahnenden Emissionsdurchbruch reagieren. Besonders vorteilhaft ist, dass sich alle relevanten Größen quasi asymptotisch in den Gleichgewichtszustand bewegen. Ein Überschwingen, das mit einer Freisetzung von Emissionen in die Umwelt verbunden ist, kann im Idealfall vollständig vermieden werden. Außerdem ist zu erkennen, dass der Sauerstofffüllstand des Katalysators 19 bevorzugt auf 50% eingeregelt wird, was ebenfalls durch den Regler 11 geschehen kann.In contrast, as in 3 In the controller approach according to the invention, the proportional parameter of the controller is shown as being dependent on the regulator 11 not only from the probe signal but also from the oxygen level of the catalyst 19 from. This additional dependency is indicated by an arrow 57 starting from the third plot 47 to the fourth plot 49 indicated. It can be seen that the controller intervention is no longer proportional to the probe signal due to the additional dependency. In the present case, due to the decreasing oxygen loading of the catalyst 19 a marked weakening of enrichment (fourth plot 49 ). The regulator 11 Thus, it can react much earlier to the imminent emission breakthrough. It is particularly advantageous that all relevant variables move asymptotically into the equilibrium state. In the ideal case, overshoots associated with release of emissions into the environment can be completely avoided. It can also be seen that the oxygen level of the catalyst 19 preferably adjusted to 50%, which is also regulated by the regulator 11 can happen.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
33: Verbrennungsmotorinternal combustion engine
44: Pfeilarrow
55: vorderer Regelkreisfront control loop
77: vorderer Reglerfront regulator
99: hinterer Regelkreisrear control loop
1111: hinterer Reglerrear regulator
1313: Modellierungseinheitmodeling unit
1515: hinterer Sauerstoffsensorrear oxygen sensor
1717: Abgasanlageexhaust system
1919: Katalysatorcatalyst
2121: vorderer Sauerstoffsensorfront oxygen sensor
2323: SollwertpfadSetpoint path
2525: SollwerteingangSetpoint input
2727: Additionsstelleaddition site
2929: Subtraktionsstellesubtraction
3131: Pfeilarrow
3333: Schaubildgraph
3535: Schaubildgraph
3737: x-AchseX axis
3939: y-Achsey-axis
4141: y-Achsey-axis
4343: Plotplot
4545: Plotplot
4747: Plotplot
4949: Plotplot
5151: Plotplot
5353: Pfeilarrow
5555: DurchbruchspunktBreakthrough point
5757: Pfeilarrow

Claims

Method for lambda control in an internal combustion engine ( 3 ) with at least one in an exhaust system ( 17 ) of the internal combustion engine ( 3 ) arranged catalyst ( 19 ), the exhaust system ( 17 ) a front lambda control loop ( 5 ) and a rear lambda control loop ( 9 ) with at least one downstream of the catalyst ( 19 ) arranged rear oxygen sensor ( 15 ) and of the rear lambda control loop ( 9 ) one Output signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) and a conversion characteristic of the catalyst ( 19 ) and the rear lambda control loop ( 9 ) in addition to the output signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) processes the determined conversion characteristic, characterized in that one to the desired lambda value of the front lambda control loop ( 5 ) acting manipulated variable as a function of the output signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) and the conversion characteristic variable are determined and output, one being based on the manipulated variable of the rear lambda control loop ( 9 ) is determined by a characteristic map which determines the output signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) and the conversion parameter are processed as input variables.

Method according to claim 1, characterized by the following additional step: - Modifying the control parameter by a correction factor determined from the conversion parameter.

Method according to one of the preceding claims, characterized by the following additional step: determining the conversion parameter by a stored model, in particular oxygen model, for the loading of the catalyst ( 19 ) with a material influencing the conversion properties, in particular oxygen.

Method according to claim 3, characterized by the following additional steps: - checking the plausibility and / or accuracy of the output quantity of the model; wherein, based on the check, if applicable, at least one of the following steps is carried out: setting a status bit if the check results in insufficient accuracy and / or implausible states, correcting and / or resetting the model, switching the rear lambda loop ( 9 ) to an operating mode at least partially without taking into account the model, - switching off the rear lambda control loop ( 9 ), - determining a substitute value for the output size of the model.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the front lambda control loop with a downstream of the internal combustion engine ( 3 ) and upstream of the catalyst ( 19 ) arranged front oxygen sensor ( 21 ) is provided.

Method according to at least one of Claims 1 to 5, characterized in that a modeled lambda value is made available to the front lambda control loop.

Device for lambda control in an internal combustion engine ( 3 ) with at least one in an exhaust system ( 17 ) of the internal combustion engine ( 3 ) arranged catalyst ( 19 ), with a front lambda control loop ( 5 ) and with a rear lambda control loop ( 9 ), at least one downstream of the catalyst ( 19 ) arranged rear oxygen sensor ( 15 ), characterized in that the rear lambda control loop ( 9 ) in addition to processing a determined conversion characteristic and for determining a one to the desired lambda value of the front lambda control loop ( 5 ) acting manipulated variable as a function of the output signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) and the conversion characteristic, wherein one of the control variable of the rear lambda control loop ( 9 ) is determined by a characteristic map which determines the output signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) and the conversion parameter are processed as input variables.

Device for lambda control according to claim 7, characterized in that the catalyst ( 19 ) a storage capacity for at least one substance, in particular oxygen and / or NO x, which determines the conversion properties of the catalyst ( 19 ), wherein preferably the conversion characteristic of the loading of the catalyst ( 19 ) is dependent on the substance.

Device for lambda control according to one of claims 7 or 8, characterized in that for determining the conversion characteristic, a model, in particular an oxygen model, is deposited, which is for processing the signal of the front oxygen sensor ( 21 ) is designed.

Device for lambda control according to claim 9, characterized in that the model for processing the signal of the rear oxygen sensor ( 15 ) is designed.

Device for lambda control according to one of claims 9 or 10, characterized in that the model in at least one of the oxygen sensors ( 15 . 21 ) and the rear lambda control loop ( 9 ) associated modeling unit ( 13 ) is deposited.

Device for lambda control according to one of claims 7 to 11, characterized in that the manipulated variable of the rear lambda control loop ( 9 ) to a desired lambda path ( 23 ) of the front lambda control loop ( 5 ) acts.

Device according to at least one of Claims 7 to 12, characterized in that the front lambda control circuit has a downstream of the internal combustion engine ( 3 ) and upstream of the catalyst ( 19 ) arranged front oxygen sensor ( 21 ) having.