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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
einer ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis
beeinflussenden Stellgröße eines Reglers
einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einem Abgastrakt,
in dem ein Abgaskatalysator und eine in dem Abgaskatalysator befindliche
Abgassonde angeordnet sind. Insbesondere ist der Regler ein Lambda-Regler.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen
von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind,
machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen beim Betrieb der
Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann
zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden,
die während
der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zum andern sind in Brennkraftmaschinen
Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen,
die während
des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen
Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu
diesem Zweck werden Katalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid,
Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe umwandeln. Sowohl
das gezielte Beeinflussen des Erzeugens der Schadstoffemissionen
während
der Verbrennung als auch das Umwandeln der Schadstoffkomponenten
mit einem hohen Wirkungsgrad durch einen Abgaskatalysator setzen
ein sehr präzise
eingestelltes Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem jeweiligen Zylinder
voraus.
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Aufgrund
strenger gesetzlicher Vorschriften müssen Testzyklen über ausgedehnte
Betriebsbereiche absolviert werden, in denen zur Einhaltung der vorgeschriebenen
Eckgrenzwerte nahezu kein Ausstoß der relevanten Schadstoffemissionen
erfolgen darf. Dies erfordert eine bestmögliche Konvertierung der Schadstoffemissionsbestandteile.
Kurzfristige Abweichungen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in den jeweiligen Zylindern vor der Verbrennung, werden von den
Katalysatoren in der Regel gepuffert, mit der Folge, dass keine
relevanten Schadstoffemissionsverschlechterungen auftreten, obwohl
die Abgaszusammensetzung mehrerer Abgaspakete gegebenenfalls abweicht
von der eigentlich vorgegebenen Schadstoffemissionszusammensetzung.
Abhängig von
einer Sauerstoffspeicherkapazität,
die auch als Oxygen Storage Capacity (OSC) bezeichnet ist, können bereits
geringe Abweichungen des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses in dem jeweiligen
Zylinder vor der Verbrennung von einem vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu
Durchbrüchen
von Schadstoffemissionen stromabwärts des Katalysators führen.
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Aus
dem Fachbuch, "Handbuch
Verbrennungsmotor",
Herausgeber Richard von Basshuysen, Fred Schäfer, 2, Auflage, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft
mbH, Juni 2004, Seiten 559-561, ist eine Lambdaregelung bekannt
mit einer linearen Lambdasonde, die stromaufwärts eines Abgaskatalysators
angeordnet ist, und einer binären
Lambdasonde, die stromabwärts
des Abgaskatalysators angeordnet ist. Ein Lambdasollwert wird mittels
eines Filters gefiltert, das Gaslaufzeiten und das Sensorverhalten
berücksichtigt.
Der so gefilterte Lambdasollwert ist die Regelgröße eines PII2D-Lambdareglers, dessen
Stellgröße eine
Einspritzmengenkorrektur ist.
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Aus
der DE 10 2004 004 291 B3 ist es bekannt eine Abgassonde in einem
Abgastrakt einer Brennkraftmaschine stromaufwärts eines Katalysators anzuordnen.
Abhängig
von einem von der Abgassonde erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird
ein mittleres Luft/Kraftstoff-Verhältnis zylindersegmentsynchron
ermittelt und als Regelgröße einem
Lambda-Regler zugeführt,
dessen Führungsgröße ein für alle Zylinder
der Brennkraftmaschine vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
Die Stellgröße des Lambda-Reglers
ist ein Lambda-Regelfaktor,
der zum Korrigieren einer zuzumessenden Kraftstoffmasse eingesetzt
wird.
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Aus
der
DE 101 03 772
C2 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Dreiwegekatalysators
bekannt, der eine Sauerstoff speichernde Komponente enthält, die
einen minimalen und einen maximalen Füllgrad für Sauerstoff aufweist, und
der in dem Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Ein dem
Verbrennungsmotor zugeführtes
Luft/Kraftstoff-Gemisch wird mit Hilfe eines Sauerstoffsensors geregelt,
der vor dem Katalysator in dem Abgastrakt angeordnet ist. Ein möglicher
Durchbruch von magerem oder fettem Abgas durch den Katalysator kann mit
einem zweiten Sauerstoffsensor ermittelt werden, der hinter dem
Katalysator in dem Abgastrakt angeordnet ist. Zur Überprüfung des
momentanen Füllgrads
des Katalysators wird der Füllgrad
kurzzeitig durch einen Magerpuls oder einen Fettpuls erhöht oder
erniedrigt, was zur Folge hat, dass das Luft/Kraftstoff-Gemisch
kurzzeitig abgemagert beziehungsweise angefettet wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ermitteln einer ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis beeinflussenden Stellgröße eines
Reglers einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das bzw. die es ermöglichen,
Schadstoffemissionen sehr wirkungsvoll zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende
Vorrichtung zum Ermitteln einer ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis beeinflussenden
Stellgröße eines
Reglers einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine hat mindestens
einen Zylinder, einen Abgastrakt, in dem ein Abgaskatalysator und
eine Abgassonde angeordnet sind, wobei die Abgassonde insbesondere
eine lineare Lambda-Sonde ist. Zylindersegmentsynchron werden folgende
Schritte abgearbeitet. Als Zylindersegment ist derjenige Kurbelwellenwinkelbereich
innerhalb eines Arbeitsspiels einer Brennkraftmaschine bezeichnet,
während
dessen das jeweils erzeugte Drehmoment je einem Zylinder zuzuordnen
ist. Der Kurbelwellenwinkelbereich, den ein Zylindersegment einnimmt,
beträgt
den gesamten Kurbelwellenwinkel eines Arbeitsspiels geteilt durch
die Anzahl der Zylinder. So beträgt
der Kurbelwellenwinkelbereich, den ein Zylindersegment einnimmt,
bei einer Viertaktbrennkraftmaschine 720° Kurbelwellenwinkel geteilt durch
die Anzahl der Zylinder.
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Ein
anspruchsgemäßes "aktuell erfasstes Luft/Kraftstoff-Verhältnis" in dem Brennraum
des Zylinders, und zwar vor der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches,
wird abhängig
von einem Messsignal der Abgassonde ermittelt. Wenn das aktuell
erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis
entweder einen oberen Schwellenwert überschreitet oder einen unteren Schwellenwert
unterschreitet, wird eine Fehlgröße ermittelt,
die repräsentativ
ist für
eine Kraftstoff-Fehlmenge für
den dem aktuell erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordneten Arbeitszyklus
des jeweiligen Zylinders bezogen auf ein dem zugeordneten Arbeitszyklus
des jeweiligen Zylinders zugeordnetes vorgegebenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
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Ein
aktuell vorgegebenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Brennraum des
Zylinders, und zwar vor der Verbrennung, wird abhängig von
mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine
ermittelt und für
mindestens einen Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders und/oder
mindestens eines weiteren Zylinders angepasst abhängig von
der Fehlgröße. Betriebsgrößen können in
diesem Zusammenhang beliebige Messgrößen oder auch von diesen abgeleitete
Größen der
Brennkraftmaschine umfassen ohne jedoch das Messsignal der Abgassonde
und von diesem abgeleitete Größen.
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Die
Stellgröße des Reglers
wird ermittelt abhängig
von dem aktuell vorgegebenen und dem aktuell erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis in
dem Brennraum des Zylinders.
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Das
zylindersegmentsynchrone Durchführen der
Schritte hat zur Folge, dass in jedem Zylindersegment die Schritte
abgearbeitet werden.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Emissionsdurchbruch
besonders leicht in einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten
kann, wenn nur das Luft/Kraftstoff-Verhältnis korrigiert wird, da in
dem insta tionären
Betrieb sich die von den jeweiligen Zylindern angesaugte Luftmasse
gegebenenfalls sehr schnell ändert,
aber aufgrund von Gaslaufzeiten und Verzögerungszeiten der Abgassonde
die Regelung mittels des Reglers Totzeit behaftet ist und so im
Instationärbetrieb
ohne weitere Maßnahmen
leicht die Sauerstoffspeicherkapazität des Abgaskatalysators über- oder unterschritten
wird. Durch das Anpassen des aktuell vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
abhängig
von der Fehlgröße kann
einfach die Fehlgröße auch
bei einer sich ändernden
Luftmasse in dem Zylinder sehr wirksam und schnell kompensiert werden
und so wirkungsvoll einem Unterschreiten oder Überschreiten der Sauerstoffspeicherkapazität des Abgaskatalysators
entgegengewirkt werden. Dies ermöglicht
wiederum eine besonders kompakte Ausbildung eines, insbesondere
motornah angeordneten, Abgaskatalysators mit gegebenenfalls entsprechend
verringerter Sauerstoffspeicherkapazität.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Fehlgröße die Kraftstoff-Fehlmenge. Dies
hat den Vorteil, dass sie besonders einfach zu ermitteln ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Fehlgröße abhängig von
einer Luftmasse ermittelt, die dem Arbeitszyklus des jeweiligen
Zylinders zugeordnet ist, dem das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet
ist. Sie wird ferner abhängig
von dem vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ermittelt, das dem Arbeitszyklus
des jeweiligen Zylinders (Z1-Z4) zugeordnet ist, dem das aktuell
erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LAM_AV[i])
zugeordnet ist. Ferner wird sie auch abhängig von dem aktuell erfassten
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
ermittelt. Auf diese Weise kann die Fehlgröße zum einen sehr präzise und
zum anderen un ter Nutzung von in der regelmäßig ohnehin ermittelten Größen berechnet
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Luftmasse,
die im Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders zugeordnet ist, den
das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet ist, durch
Filtern ermittelter Luftmassen mittels eines Filters ermittelt,
das Gaslaufzeiten modelliert. Dies ermöglicht ein präzises Ermitteln
der Luftmasse.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Luftmasse,
die dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders zugeordnet ist, dem
das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet ist, aus einem
Schieberegister ausgelesen, in das jeweilige pro Arbeitszyklus der
jeweiligen Zylinder ermittelte Luftmassen eingespeichert werden
und dann abhängig
von der Gaslaufzeit wieder ausgelesen werden. Damit ergibt sich
ein besonders einfaches Verfahren.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird das vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das
dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders zugeordnet ist, dem das
aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet ist, aus einem
weiteren Schieberegister ausgelesen, in das jeweilige pro Arbeitszyklus
der jeweiligen Zylinder vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse
eingespeichert werden und dann abhängig von der Gaslaufzeit wieder
ausgelesen werden. Dies ist besonders einfach.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der obere
und/oder untere Schwellenwert abhängig von dem vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ermittelt, das
dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders zugeordnet ist, dem das
aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet ist. So kann
eine besonders präzise
Ermittlung des unteren und/oder oberen Schwellenwertes durchgeführt werden
und so der untere und/oder obere Schwellenwert geeignet ge wählt werden
um eine besonders hohe Regelgüte
zu erreichen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine,
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2 ein
Blockdiagramm eines ersten relevanten Teils einer Steuervorrichtung
der Brennkraftmaschine gemäß 1 und
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3 ein
Blockdiagramm eines zweiten relevanten Teils der Steuervorrichtung
der Brennkraftmaschine gemäß 1.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1,
einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen
Abgas trakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise
eine Drosselklappe 5, ferner einen Sammler 6 und
ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Z1 über einen
Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst
ferner eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit
dem Kolben 11 des Zylinders Z1 gekoppelt ist.
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Der
Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 12 und
einem Gasauslassventil 13.
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Der
Zylinderkopf 3 umfasst ferner ein Einspritzventil 18 und
eine Zündkerze 19.
Alternativ kann das Einspritzventil 18 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet
sein.
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In
dem Abgastrakt ist ein Abgaskatalysator angeordnet, der als Dreiwegekatalysator 21 ausgebildet
ist. Ferner ist in dem Abgastrakt ein weiterer Abgaskatalysator
bevorzugt angeordnet, der als NOx-Katalysator 23 ausgebildet
ist.
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Eine
Steuervorrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet
sind, die verschiedene Messgrößen erfassen
und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln.
Die Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der
Messgrößen Stellgrößen, die
dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder
mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann
auch als Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine bezeichnet
werden.
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Die
Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, welcher eine
Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28,
welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst,
ein erster Temperatursensor 32, welcher eine Ansauglufttemperatur
erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, welcher einen Saugrohrdruck
in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher
einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl zugeordnet
wird.
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Ferner
ist eine erste Abgassonde 42 vorgesehen, die stromaufwärts des
Dreiwegekatalysators in dem Abgastrakt oder in dem Dreiwegekatalysator 21 angeordnet
ist und die einen Restsau erstoffgehalt des Abgases erfasst und deren
Messsignal MS1 charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem
Brennraum des Zylinders Z1 und stromaufwärts der ersten Abgassonde 42 vor
der Oxidation des Kraftstoffs, im folgenden bezeichnet als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in
den Zylindern Z1-Z4. Die erste Abgassonde 42 kann so in
dem Dreiwegekatalysator 21 angeordnet sein, dass sich ein
Teil des Katalysatorvolumens stromaufwärts der ersten Abgassonde 42 befindet.
Ferner ist eine zweite Abgassonde 43 vorgesehen, die stromabwärts des
Dreiwegekatalysators 21 angeordnet ist und die einen Restsauerstoffgehalt
des Abgases erfasst und deren Messsignal charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in
dem Brennraum des Zylinders Z1 und stromaufwärts der zweiten Abgassonde 43 vor der
Oxidation des Kraftstoffs, im folgenden bezeichnet als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stromabwärts des
Abgaskatalysators.
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Die
erste Abgassonde 42 ist bevorzugt eine lineare Lambdasonde.
Die zweite Abgassonde 43 ist eine binäre Lambdasonde. Sie kann jedoch
auch eine lineare Lambdasonde sein.
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Je
nach Ausführungsform
der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren
vorhanden sein oder es können
auch zusätzliche
Sensoren vorhanden sein.
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Die
Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die
Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das
Einspritzventil 18 oder die Zündkerze 19.
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Neben
dem Zylinder Z1 sind bevorzugt auch noch weitere Zylinder Z2 bis
Z4 vorgesehen, denen dann auch entsprechende Stellglieder und ggf.
Sensoren zugeordnet sind.
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Ein
Blockdiagramm eines für
die Erfindung relevanten Teils der Steuervorrichtung 25 ist
in der 2 dargestellt. Ein vorgegebenes Roh-Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP_RAW
kann in einer besonders einfachen Ausgestaltung fest vorgegeben
sein. Es wird jedoch bevorzugt beispielsweise abhängig von
dem aktuellen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, wie einem Homogen-
oder einem Schichtbetrieb und/oder abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
ermittelt. Betriebsgrößen umfassen
Messgrößen und
von diesen abgeleitete Größen, bevorzugt
jedoch nicht das Messsignal der ersten Abgassonde 42 und
von diesem abgeleitete Größen.
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In
einem Block B1 wird eine Zwangsanregung ermittelt und in der ersten
Summierstelle S1 mit dem vorgegebenen Roh-Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP_RAW summiert.
Die Zwangsanregung ist bevorzugt ein rechteckförmiges Signal, das um einen neutralen
Wert oszilliert. Ferner ist ein Korrekturwert COR eine Eingangsgröße des Blocks
B1, der anhand der 3 näher erläutert ist. Abhängig von
dem Wert des Korrekturwertes wird entweder die Amplitude der positiven
Halbwelle der Zwangsanregung bezogen auf den neutralen Wert angepasst
oder die Amplitude der negativen Halbwelle der Zwangsanregung bezogen
auf den neutralen Wert angepasst oder ggf. ein Offset in Bezug auf
den neutralen Wert der Zwangsanregung eingestellt.
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Die
Ausgangsgröße der Summierstelle
ist dann ein vorgegebenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP in den Brennräumen der
Zylinder Z1 bis Z4. Das vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP ist
einem Block B2 zugeführt,
der eine Vorsteuerung beinhaltet und einen Lambdavorsteuerfaktor LAM_FAC_PC
abhängig
von dem vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP erzeugt. Ein Platzhalter
i bezeichnet einen aktuelles Zeit fenster, bevorzugt ein aktuelles
Zylindersegment. LAM_SP[i] ist somit das aktuell vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
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In
einem Block B4 ist ein Filter ausgebildet, mittels dessen das vorgegebene
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
LAM_SP gefiltert wird und so ein vorgegebenes gefiltertes Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP_FIL erzeugt
wird.
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Ein
Block B6 ist vorgesehen, dessen Eingangsgrößen eine Drehzahl N und/oder
eine Last LOAD sind. Die Last kann beispielsweise repräsentiert
sein durch den Saugrohrdruck oder auch den Luftmassenstrom MAF.
Block B6 ist dazu ausgebildet abhängig von der Drehzahl N und/oder
der Last LOAD eine Totzeit T_T zu ermitteln. Dazu kann beispielsweise
in dem Block B6 ein Kennfeld gespeichert sein und die Totzeit T_T
mittels Kennfeldinterpolation ermittelt werden.
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Ferner
ist ein Block B8 vorgesehen, dessen Eingangsgrößen die Drehzahl N und/oder
die Last LOAD sind. Der Block B8 ist ausgebildet zum Ermitteln einer
Verzögerungszeit
T_V abhängig
von seinen Eingangsgrößen und
zwar bevorzugt mittels Kennfeldinterpolation über ein in dem Block B8 abgelegtes
Kennfeld.
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Die
Kennfelder sind bevorzugt vorab durch Versuche oder Simulationen
ermittelt. Die Totzeit T_T und auch die Verzögerungszeit T_V sind charakteristisch
für eine
Gaslaufzeit, die zwischen einem für das Zumessen von Kraftstoff
relevanten Zeitpunkt bis zu einem korrelierenden Messsignal an der
ersten Abgassonde vergeht. Bevorzugt sind die Totzeit T_T und/oder
die Verzögerungszeit
T_V Eingangsgrößen des
Blocks B4 und somit des Filters.
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Das
Filter umfasst bevorzugt ein Padé-Filter. Darüber hinaus
umfasst der Block B4 bevorzugt auch ein Tiefpassfilter, das insbesondere
das Verhalten der ersten Abgassonde 42 approximiert abhängig von
der Verzögerungszeit
T_V.
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In
einem Block B10 ist ein Trimmregler ausgebildet, der bevorzugt als
PI-Regler ausgebildet ist. Dem Trimmregler wird das Messsignal MS2
der zweiten Abgassonde 43 zugeführt. Seine Stellgröße ist ein
Verschiebungswert für
ein durch die erste Abgassonde 42 erfasstes Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV in
den Brennräumen
der Zylinder Z1 bis Z4, welches abhängig von dem Messsignal MS1
der ersten Abgassonde 42 ermittelt wird. In der zweiten
Summierstelle S2 wird die Summe des erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
LAM_AV und dem Verschiebungswert ermittelt und so ein korrigiertes
erfasstes Luft/Kraftstoff-Verhältnis
LAM_AV_COR ermittelt. LAM_AV[i] bezeichnet entsprechend das aktuell
erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Abhängig von
dem vorgegebenen gefilterten Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP_FIL
und dem korrigierten erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV_COR
wird in einer dritten Summierstelle S3 durch Bilden einer Differenz eine
Regeldifferenz D_LAM ermittelt, die Eingangsgröße des Block B12 ist. In dem
Block B12 ist ein Lambda-Regler ausgebildet und zwar bevorzugt als PII2D-Regler. Die Stellgröße des Lambda-Reglers des Blocks
B12 ist ein Lambdaregelfaktor LAM_FAC_FB.
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Ferner
ist ein Block B14 vorgesehen, in dem abhängig von der Last LOAD und
dem vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP eine zuzumessende
Kraftstoffmasse MFF ermittelt wird. Bevorzugt ist die Last in diesem
Fall eine in den jeweiligen Brennraum des jeweiligen Zylinders Z1-Z4
einströmende Luftmasse
pro Arbeitsspiel. In der Multiplizierstelle M1 wird ei ne korrigierte
zuzumessende Kraftstoffmasse MFF_COR durch Bilden des Produkts der
zuzumessenden Kraftstoffmasse MFF, des Lambdavorsteuerfaktors LAM_FAC_PC
und des Lambdaregelfaktors LAM_FAC_FB ermittelt. Das Einspritzventil 18 wird
dann entsprechend zum Zumessen der korrigierten zuzumessenden Kraftstoffmasse
MFF_COR angesteuert.
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Der
Lambdaregelfaktor LAM_FAC_FB kann beispielsweise auch zu Diagnosezwecken
eingesetzt werden.
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Den
im Folgenden erläuterten
Blöcken
B16 bis B32 (in 3) aber auch den Blöcken B1
bis B14 werden bevorzugt zylindersegmentsynchron neue Eingangswerte
zugeführt,
was dann zu der Ausgabe entsprechender neuer Ausgangswerte der Blöcke führt.
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Ein
Platzhalter n repräsentiert
bevorzugt die Gaslaufzeit und zwar repräsentiert durch eine Anzahl von
Zylindersegmenten.
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Eine
Eingangsgröße eines
Blocks B16 ist das aktuell vorgegebene Luft/Kraftstoffverhältnis LAM_SP[i].
Der Block B16 umfasst bevorzugt ein Schieberegister, in dem die
Werte des erfassten Luft/Kraftstoffverhältnisses zwischengespeichert werden.
Ferner ist ein Block B18 vorgesehen, in dem abhängig von der Drehzahl N der
Wert des Platzhalters n ermittelt wird, der so die Gaslaufzeit repräsentiert.
Dazu kann in dem Block B18 ein geeignetes physikalisches Modell
der Gaslaufzeiten vorgesehen sein. Der Platzhalter n wird dann zum
Auslesen eines vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses LAM_SP[i-n], das dem
Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders Z1-Z4 zugeordnet ist, dem
das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i] zugeordnet
ist.
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Ferner
ist ein Block B20 vorgesehen, dem als Eingangsgröße eine aktuelle Luftmasse
MAF[i] als Eingangsgröße zugeführt wird
und der ebenfalls einen Zwischenspeicher aufweist zum Zwischenspeichern
der jeweils zugeführten
Werte der Luftmasse MAF. Ausgangsseitig des Blocks B20 wird aus
dem Zwischenspeicher des Blocks B20 eine Luftmasse MAF[i-n] ausgelesen,
die dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders Z1-Z4 zugeordnet
ist, dem das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i]
zugeordnet ist. Die Zwischenspeicher sind bevorzugt als Schieberegister
ausgebildet.
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Ein
Block B22 ist dazu ausgebildet eine Differenz des vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
LAM_SP[i-n], das dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders Z1-Z4
zugeordnet ist, dem das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i]
zugeordnet ist, und dem aktuell erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i]
zu ermitteln. Der Block B22 ist ferner dazu ausgebildet abhängig von
der Differenz und der Luftmasse MAF[i-n], die dem Arbeitszyklus
des jeweiligen Zylinders Z1-Z4
zugeordnet ist, dem das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i]
zugeordnet ist, eine aktuelle Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR[i] zu
ermitteln. Dies kann beispielsweise durch Division der Luftmasse MAF[i-n]
durch die Differenz unter Berücksichtigung des
Stöchiometriefaktors
erfolgen. Die aktuelle Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR[i] repräsentiert
somit diejenige Kraftstoff-Fehlmenge, die entweder zuviel oder zu
wenig zugemessen wurde und zwar in dem Arbeitszyklus des jeweiligen
Zylinders, der entsprechend der Gaslaufzeit n Zylindersegmente zurückliegt.
Alternativ zu den Zwischenspeichern können in den Blöcken B16
und/oder B20 auch jeweils Allpass-Filter vorgesehen sein, die eine
Filterung der Eingangsgrößen entsprechend
der Gaslaufzeiten vornehmen.
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Dazu
können
diese Filter bevorzugt als Padé-Filter
ausgebildet sein.
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Ein
Block B24 ist vorgesehen, dessen Eingangsgröße das vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnisse
LAM_SP[i-n], das dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders Z1-Z4
zugeordnet ist, dem das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i]
zugeordnet ist. Abhängig
von der Eingangsgröße des Blocks
B24 wird in dem Block B24 ein oberer Schwellenwert THD_HI ermittelt
und zwar vorzugsweise mittels einer fest vorgegebenen Berechnungsvorschrift, wie
beispielsweise einem Hinzuaddieren eines vorgegebenen Wertes zu
der Eingangsgröße oder
auch beispielsweise über
eine Kennlinie.
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In
einem Block B26 ist die Eingangsgröße ebenfalls das vorgegebene
Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP[i-n],
das dem Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders Z1-Z4 zugeordnet
ist, dem das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_AV[i]
zugeordnet ist. Der Block B26 ist analog dem Block B24 ausgebildet
zum Ermitteln eines unteren Schwellenwertes THD_LO mittels einer
vorgegebenen Berechnungsvorschrift, wie beispielsweise einem Subtrahieren
eines vorgegebenen Wertes von der Eingangsgröße des Blocks B26. Die oberen
und/oder unteren Schwellenwerte THD_HI, THD_LO können auch fest vorgegeben sein.
Sie sind durch Versuche oder Simulationen geeignet ermittelt und
können
beispielsweise um drei bis vier Prozent von dem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
abweichende Werte einnehmen.
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Ein
Block B28 ist dazu ausgebildet, zu überprüfen, ob das aktuell erfasste
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
LAM_AV[i] entweder den oberen Schwellenwert THD_HI überschreitet
oder den unteren Schwellenwert THD_LO unterschreitet. Ist eine dieser
Be dingungen erfüllt,
so wird am Ausgang des Blocks B28 ein Schaltsignal erzeugt, das
zu einem Schließen
eines Schalters 60 führt
und somit einem Block B30 in diesem Fall die aktuelle Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR[i]
zugeführt
wird. Falls das Schaltsignal nicht erzeugt wird, ist der Schalter 60 in
seiner Offenstellung mit der Folge, dass dem Block B30 lediglich ein
neutraler Wert der aktuellen Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR[i] zugeführt wird.
Dieser neutrale Wert kann beispielsweise Null sein.
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Der
Block B30 ist dazu ausgebildet eine aktuelle Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR_SUM[i]
zu ermitteln. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen. So kann
beispielsweise die jeweils aktuelle Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR[i]
direkt der aktuellen Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR_SUM[i]
zugeordnet werden. Alternativ kann die aktuelle Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR_SUM[i]
auch abhängig von
verschiedenen Kraftstoff-Fehlmengen MFF_ERR ermittelt werden, die
in unterschiedlichen Zylindersegmenten ermittelt werden. k bezeichnet dabei
einen beliebigen Platzhalter. Auf diese Weise kann beispielsweise
die aktuelle Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR[i] in mehrere Teile aufgeteilt
werden und in verschiedenen Zylindersegmenten der jeweils dann aktuellen
Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR_SUM
zugeordnet werden. In diesem Zusammenhang kann es besonders einfach
sein, wenn es sich bei diesen folgenden Zylindersegmenten um aufeinander
folgende Zylindersegmente handelt. Es können jedoch auch jeweils einem
bestimmten Zylinder Z1-Z4 zugeordnete Zylindersegmente sein oder eine
beliebige andere Kombination. Bevorzugt weist der Block B30 einen
weiteren Zwischenspeicher 62 auf zum Zwischenspeichern
der jeweiligen Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR. Günstig ist es, wenn die Kraftstoff-Fehlmenge
möglichst
zeitnah der Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge zugeordnet wird.
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Ein
Block B32 ist dazu ausgebildet abhängig von der aktuellen Luftmasse
MAF[i], die pro Arbeitszyklus dem jeweiligen Zylinder Z1-Z4 zugemessen wird,
und der aktuellen Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR_SUM[i]
den Korrekturwert COR zu ermitteln. Der Korrekturwert B32 wird in
dem Block B32 so ermittelt, dass das aktuell vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP[i]
so angepasst wird, dass möglichst
die aktuelle Gesamt-Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR_SUM[i] vollständig mittels
der Lambda-Regelung kompensiert wird.
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Auf
diese Weise kann sehr wirkungsvoll sichergestellt werden, dass auch
bei einem instationären
Betrieb der Brennkraftmaschine die Sauerstoffspeicherkapazität des Dreiwege-Katalysators 21 nicht
unterschritten oder überschritten
wird.
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Die
Luftmasse MAF wird in jedem Fall so ermittelt, dass sie repräsentativ
ist für
eine Sauerstoffmasse, die dem jeweiligen Zylinder pro Arbeitszyklus zugeführt wird.
Durch eine derartige abgasmassenbezogene Korrektur der jeweils zuzumessenden
korrigierten Kraftstoffmasse MFF_COR kann eine Sauerstoffspeicher-Reserve
des Dreiwege-Katalysators 21 gegebenenfalls reduziert werden
und somit ein Dreiwege-Katalysator 21 eingesetzt werden,
der eine geringere Sauerstoffspeicherkapazität hat. Dies ermöglicht den
Einsatz eines sehr kompakten Dreiwege-Katalysators 21 und
gleichzeitig die Vermeidung von Durchbrüchen von Schadstoffemissionen
bei dem Dreiwege-Katalysator 21.
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Beträgt beispielsweise
das aktuell erfasste Luft/Kraftstoff-Verhältnis
LAM_AV[i] 1,07 und die Luftmasse MAF[i-n] 400 Milligramm, so ergibt
sich ein ungewollter Sauerstoffüberschuss
von zirka 5,9 Milligramm. Bei einem vorgegebenen Roh- Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP_RAW
von 1,0 muss dann ohne Berücksichtigung
der regulären
Zwangsanregungsamplitude das aktuelle vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP[i]
bei einer aktuellen Luftmasse von 300 Milligramm einen Wert von
0,91 haben.
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Die
Kraftstoff-Fehlmenge MFF_ERR kann als Fehlgröße eingesetzt werden. Alternativ
kann beispielsweise auch eine Sauerstoff- oder Luft-Fehlmenge entsprechend
als Fehlgröße eingesetzt
werden und zum Ermitteln des Korrekturwertes COR analog herangezogen
werden.
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Der
Platzhalter i für
einen aktuellen Wert ist nur dort aufgeführt, wo es für das Verständnis besonders
wichtig ist, auch andere Größen werden
jedoch immer wieder neu berechnet, so z.B. zylindersegmentsynchron.