DE102005060154A1

DE102005060154A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005060154A1
Application number: DE102005060154A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-17
Also published as: DE102005060154B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Katalysator 3, basierend auf dem Spannungssignal U_Lambda einer binären Monolambdasonde 6, wird vorgeschlagen, dass der Sauerstoffgehalt O_2Bilanz des Abgases im Katalysator 3 bilanziert wird, dass aus einer mathematischen Funktion des bilanzierten Sauerstoffgehalts O_2Bilanz das Spannungssignal U_Lambda einer theoretisch innerhalb des Katalysators 3 angeordneten binären Monolambdasonde 6 berechnet wird und dass, basierend auf dem theoretischen Spannungssignal U_Lambda, die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt wird. Vorschlagsgemäß kann der aufwändige und kostenintensive Einbau einer Monolambdasonde 6 in den Katalysator 3 entfallen und dennoch eine sehr präzise Lambdaregelung erzielt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator basierend auf dem Spannungssignal einer binären Monolambdasonde.
Es ist bekannt, dass die Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine basierend auf dem Lambdasignal einer oder mehrerer Lambdasonden erfolgt, wobei zumeist eine erste Lambdasonde stromauf des Katalysators und eine zweite Lambdasonde stromab des Katalysators verwendet werden oder wobei nur eine Lambdasonde stromab des Katalysators verwendet wird, die dann eine so genannte Monolambdasonde darstellt.

Aus der vorveröffentlichten Druckschrift DE 10 2004 017 886 B3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Abgaskatalysator bekannt, wobei die dem Abgaskatalysator nachgeschaltete Lambdasonde als Regelsonde dient und den Nachkatalysator-Lambdawert regelt, so dass innerhalb des Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators ein vorbestimmter Soll-Sauerstoff-Befüllungsgrad eingestellt wird.

Grundsätzlich ist es auch möglich Monolambdasonden nicht nur stromab des Katalysators, sondern auch direkt im Katalysator anzuordnen, wobei dies jedoch mit erheblichem Aufwand und entsprechenden Kosten für die Herstellung des Monolithen sowie für die Befestigung und die Abdichtung der Monolambdasonde verbunden ist. Dies ist beispielsweise in der Druckschrift DE 102 08 872 C1 beschrieben.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zu Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, welche gegenüber dem Stand der Technik eine genauere Regelung erlauben und gleichzeitig kostengünstig realisierbar sind.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem der Sauerstoffgehalt des Abgases im Katalysator der Brennkraftmaschine bilanziert wird, aus einer mathematischen Funktion des bilanzierten Sauerstoffgehalts das Spannungssignal einer theoretisch innerhalb des Katalysators angeordneten binären Monolambdasonde berechnet wird, und basierend darauf die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.

Bevorzugt ist die mathematische Funktion des Sauerstoffgehaltes des Abgases im Katalysator eine Umkehrfunktion des Tangens. Denn die Arcustangensfunktion gibt bereits einen dem Spannungssignal einer binären Lambdasonde ganz ähnlichen Verlauf vor. Gemäß diesem Verlauf ist einer negativen Sauerstoffbilanz im Katalysator ein erster Spannungssignalwert zugeordnet, ist einer positiven Sauerstoffbilanz im Katalysator ein zweiter Spannungssignalwert zugeordnet und wird im Bereich des Übergangs von der negativen Sauerstoffbilanz zur positiven Sauerstoffbilanz zwischen diesen beiden Spannungssignalwerten umgeschaltet. Damit eignet sich der Arcustangens in besonderer Weise zur mathematischen Beschreibung des Zusammenhangs zwischen der Sauerstoffbilanz und dem theoretischen Spannungssignal.

Zweckmäßig weist die mathematische Funktion eine Reihe von Konstanten auf, welche den Verlauf des Spannungssignals, das heißt insbesondere den Wert bei einem bilanzierten Sauerstoffgehalt gleich Null, die Steilheit, die Amplitude und die Mittellage beeinflussen.

Der Wert des Spannungssignals bei einem bilanzierten Sauerstoffgehalt gleich Null also der Schnittpunkt der Funktion mit der Y-Achse kann durch eine im Term des Arcustangens angeordnete erste Konstante beeinflusst werden, von welcher der Sauerstoffgehalt abgezogen wird.

Vorteilhaft wird die Steilheit des Spannungssignals durch eine im Term des Arcustangens angeordnete zweite Konstante beeinflusst, durch welche der bilanzierte Sauerstoffgehalt dividiert wird.

Besonders vorteilhaft wird die Amplitude des Spannungssignals bzw. werden der obere und untere Grenzwert durch eine im Nenner des Arcustangens angeordnete dritte Konstante beeinflusst.

Weiterbildungsgemäß wird die Mittellage des Spannungssignals durch eine zum Arcustangens addierte vierte Konstante eingestellt.

Vorrichtungsgemäß ist für die Durchführung des Verfahrens eine Rechnereinheit zur Berechnung des theoretischen Spannungssignals als mathematische Funktion des bilanzierten Sauerstoffgehalts und eine Lambdaregeleinheit zur Regelung des Lambdawertes basierend auf dem theoretischen Spannungssignal vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator und einer theoretischen Monolambdasonde; und
2 der Verlauf eines verfahrensgemäß ermittelten Spannungssignals für die theoretisch im Katalysator angeordnete Monolambdasonde.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist eine Abgasanlage 2 mit einem Katalysator 3 auf. Dieser Katalysator 3 besteht bei der abgebildeten Ausführungsform aus zwei hintereinander angeordneten Monolithen 4a, 4b, welche durch einen Luftspalt bzw. eine Luftkammer 5 voneinander getrennt sind. In diese Luftkammer 5 könnte theoretisch eine mit gestrichenen Linien dargestellte Monolambdasonde 6 hineinragen, deren Spannungssignal U_Lambda zur Lambdaregelung der Brennkraftmaschine 1 herangezogen wird.
Da eine solche Monolambdasonde 6 in der Praxis jedoch nur mit erhöhtem Aufwand innerhalb des Katalysators 3 realisierbar ist, wird das für die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine 1 erforderliche Spannungssignal U_Lambda tatsächlich nicht gemessen, sondern durch eine mathematische Berechnung des Spannungssignals U_Lambda einer lediglich theoretisch an dieser Stelle vorhandenen Monolambdasonde 6 ersetzt. Die mathematische Berechnung des Spannungssignals U_Lambda beruht auf einer Funktion der Sauerstoffbilanz O_2Bilanz des Abgases im Katalysator 3.
Die Bilanzierung des aktuellen Sauerstoffgehalts O_2Bilanz innerhalb des Katalysators 3 erfolgt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Rechnereinheit 7 und einer Lambdaregeleinheit 8, welche gegebenenfalls in das – nicht dargestellte – Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 integriert sind.
Die Rechnereinheit 7 dient dabei zur Bilanzierung des aktuellen Sauerstoffgehalts O_2Bilanz innerhalb des Katalysators 3. Und die mit der Rechnereinheit 7 in Verbindung stehende Lambdaregeleinheit 8 regelt in Abhängigkeit von dem berechneten Spannungssignal U_Lambda der Monolambdasonde 6 den Lambdawert der Brennkraftmaschine 1.
In 2 ist für eine theoretisch innerhalb des Katalysators 3 angeordnete Monolambdasonde 6 der Kurvenverlauf des berechneten Spannungssignals U_Lambda über dem bilanzierten Sauerstoffgehalt O_2Bilanz gezeigt. Gemäß dieser Kurve liegt das Spannungssignal U_Lambda bei großen negativen Sauerstoffbilanzen O_2Bilanz von ca. –10 bis –40 ppm (parts per million) bei einem Wert von ca. +0,8 Volt und nimmt mit ansteigendem Sauerstoffgehalt O_2Bilanz langsam ab. Bei großen positiven Sauerstoffbilanzen O_2Bilanz von ca. +10 bis +40 ppm liegt das Spannungssignal U_Lambda bei einem Wert von ca. +0,1 Volt. Und bei einer Sauerstoffbilanz O_2Bilanz zwischen –10 und +10 ppm fällt das Spannungssignal U_Lambda hingegen sehr steil von +0,8 auf +0,1 Volt ab, wodurch das charakteristische „Umschalten" zwischen dem ersten Spannungssignalwert und dem zweiten Spannungssignalwert wiedergegeben wird.
Der in 2 dargestellte Kurvenverlauf entspricht dem gemessenen Spannungssignal, einer tatsächlich im Katalysator 3 angeordneten binären Monolambdasonde 6 in guter Näherung.
Die Berechnung des Spannungssignals U_Lambda der theoretisch innerhalb des Katalysators 3 angeordneten Monolambdasonde 6 basiert auf dem bilanzierten Sauerstoffgehalt O_2Bilanz des Abgases im Katalysator 3 gemäß der nachstehenden Formel: ULambda = (arctan((K1 – O2Bilanz)/K2))·K3 + K4
Für die Bilanzierung des Sauerstoffgehalts O_2Bilanz werden die für einen Überschuss oder für Mangel an Sauerstoff O₂ relevanten Parameter der Brennkraftmaschine 1 wie Luftmasse, Kraftstoffmasse, usw, berücksichtigt.
Der bilanzierte Sauerstoffgehalt O_2Bilanz wird gemäß der Formel negiert, um der Arcustangensfunktion die korrekte Orientierung zu geben, so dass der Spannungssignalwert U_Lambda für einen negativen Sauerstoffgehalt O_2Bilanz oberhalb des Spannungssignalwertes U_Lambda für einen positiven Sauerstoffgehalt O_2Bilanz liegt.
Die in der Formel aufgeführten Konstanten K1, K2, K3 und K4 dienen zur Anpassung bzw. zur Abstimmung des theoretischen Spannungssignals U_Lambda an die Charakteristiken von verschiedenen gängigen binären Monolambdasonden 6.
Dabei beeinflusst die Konstante K1, welche typischerweise einen Wert von ca. 600 annimmt, speziell bei einem bilanzierten Sauerstoffgehalt O_2Bilanz gleich Null den Wert des Spannungssignals U_Lambda – also den Schnittpunkt der Kurve mit der Y-Achse.
Die Konstante K2 wirkt auf die Steilheit des Kurvenverlaufes, wobei ein großer Wert beim „Umschalten" eine geringe Steilheit und ein kleiner Wert eine große Steilheit zur Folge hat. Bei der gezeigten Kurve besitzt K2 einen Wert von ca. 500.
Die dritte Konstante K3 bestimmt die Amplitude bzw. die maximalen und minimalen Werte des Spannungssignals U_Lambda für große negative Sauerstoffbilanzen O_2Bilanz und für große positive Sauerstoffbilanzen O_2Bilanz. Ein geeigneter Wert der dritten Konstante liegt bei ca. 3,5.
Und die Konstante K4 beeinflusst schließlich die Mittellage der gesamten Kurve bezüglich des Spannungssignals U_Lambda bzw. der Y-Achse. Die Konstante K4 hat im gezeigten Beispiel einen Wert von ca. 0,45.
Schließlich lässt sich durch eine Invertierung der oben genannten Formel aus dem Spannungssignal einer im Katalysator angeordneten Monolambdasonde auch der Sauerstoffgehalt des Abgases im Katalysator errechnen.

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasanlage
3: Katalysator
4a, 4b: Monolith
5: Luftkammer
6: Monolambdasonde
7: Rechnereinheit
8: Lambdaregeleinheit
U_Lambda: theoretisches Spannungssignal einer Monolambdasonde
O_2Bilanz: bilanzierter Sauerstoffgehalt im Katalysator
O₂: Sauerstoff
K1: erste Konstante
K2: zweite Konstante
K3: dritte Konstante
K4: vierte Konstante

Claims

Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator basierend auf dem Spannungssignal einer binären Monolambdasonde, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt (O_2Bilanz) des Abgases im Katalysator (3) bilanziert wird, aus einer mathematischen Funktion des bilanzierten Sauerstoffgehalts (O_2Bilanz) das Spannungssignal (U_Lambda) einer theoretisch innerhalb des Katalysators (3) angeordneten binären Monolambdasonde (6) berechnet wird, und basierend auf dem theoretischen Spannungssignal (U_Lambda) die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Funktion des Sauerstoffgehalts (O_2Bilanz) des Abgases im Katalysator (3) eine Umkehrfunktion des Tangens ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Funktion eine Reihe von Konstanten (K1, K2, K3, K4) aufweist, welche den Verlauf des Spannungssignals (U_Lambda) das heißt insbesondere den Wert bei einem Sauerstoffgehalt (O_2Bilanz) gleich Null, die Steilheit, die Amplitude und die Mittellage beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Spannungssignals (U_Lambda) bei einem bilanzierten Sauerstoffgehalt (O_2Bilanz) gleich Null durch eine im Term des Arcustangens angeordnete erste Konstante (K1) beeinflusst wird, von welcher der Sauerstoffgehalt (O_2Bilanz) abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steilheit des Spannungssignals (U_Lambda) durch eine im Term des Arcustangens angeordnete zweite Konstante (K2) beeinflusst wird, durch welche der bilanzierte Sauerstoffgehalt (O_2Bilanz) dividiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Spannungssignals (U_Lambda) durch eine im Nenner des Arcustangens angeordnete dritte Konstante (K3) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellage des Spannungssignals (U_Lambda) durch eine zum Arcustangens addierte vierte Konstante (K4) eingestellt wird.
Vorrichtung zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rechnereinheit (7) zur Berechnung des theoretischen Spannungssignals (U_Lambda) als mathematische Funktion des bilanzierten Sauerstoffgehalts (O_2Bilanz) vorgesehen ist und eine Lambdaregeleinheit (8) zur Regelung des Lambdawertes basierend auf dem theoretischen Spannungssignal (U_Lambda), vorgesehen ist.