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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
eines Verbrennungsmotors. Zum Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
eines Verbrennungsmotors wird das Signal wenigstens eines Abgassensors
ausgewertet und durch Anpassung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffmenge
erfolgt in einer Steuerung oder Regelung die Einstellung des gewünschten
Luft-/Kraftstoffverhältnisses.
Als Abgassensoren sind sogenannte Lambdasonden vorbekannt, welche
den Sauerstoffanteil im Abgas messen. Es wird dabei zwischen kontinuierlich
messenden Sonden mit über
den gesamten Bereich spezifizierter, nahezu linearer Sondenkennlinie
und Sprungsonden mit stark nichtlinearer Kennlinie des Sauerstoffanteils
zur Ausgangsspannung der Sonde unterschieden. In der Lambdaregelung
verwendete Sprungsonden weisen eine Schaltcharakteristik auf, welche
eine starke Änderung
der Sondenausgangsspannung bei einer geringen Änderung des Lambdawertes im
Bereich um Lambda gleich 1 hervorruft. Aus Kostengründen werden
vermehrt Sprungsonden zur Lambdaregelung eingesetzt, welche nur
im Kennlinienbereich des Fett-Mager-Überganges im Lambdawert nahe
1 präzise
spezifiziert sind und dort eine große Steigung aufweisen. Daher
wird diese Sonde üblicherweise
nur in 2-Punkt-Reglerstrukturen zur Einregelung eines Gemischwertes
nahe Lambda 1 genutzt. Vom stöchiometrischen
Arbeitspunkt abweichende Lambdasollwerte können damit nur gesteuert angefahren
werden. Es entstehen in gesteuert gefahrenen Betriebssituationen,
wie Katalysatorheizen (Betrieb mit gewünscht „magerem" Kraftstoff-Luft-Gemisch Lambda >1, vorzugsweise zwischen
1.01 und 1.05) und Bauteilschutz sowie Anfettung beim Beschleunigen
(Betrieb mit Lambda <1
typische Werte für
Bauteilschutz und Beschleunigungsanfettung liegen im Bereich von
0.99 bis 0.85) teilweise große
Abweichungen vom gewünschten Lambdawert.
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Vorbekannt
ist aus der
DE 100
04 416 A1 ein Verfahren zum Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
mit einer Abgassensorik vor dem Katalysator und einer Abgassensorik
nach dem Katalysator. In gesonderten Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors,
beispielsweise bei Bergabfahrt, in welcher vom stöchiometrischen
Verhältnis
abgewichen werden soll, erfolgt ein Umschalten in den gesteuerten Betrieb
(„open
loop"). Die Luft-/Kraftstoffmenge
wird bei gesteuertem Betrieb ohne Rückkopplung des Messwertes von
der Lambdasonde auf Basis vordefinierter Stellgrößen eingestellt. Hier treten
aufgrund der Steuerung ohne Messwertrückkopplung große Abweichungen
zum eigentlich gewünschten
Lambdawert auf. Eine Regelung des Luft-/Kraftstoffgemisches in Betriebsbereichen,
in welchen gewünscht ein
Betrieb mit vom stöchiometrischen
Verhältnis
abweichenden Luft-/Kraftstoffverhältnis (Lambda ungleich 1) realisiert
wird, erfolgt nicht. Beim Übergang vom
gesteuerten zum geregelten Betrieb, in welchem ein stöchiometrisches
Verhältnis
erneut eingeregelt werden soll, erfolgt in einem kurzen zeitlich
begrenzten Übergangsbereich
ein geregelter Betrieb auf Basis des Signals der Sprungsonde vor
dem Katalysator. Hierfür
wird bei abgeschaltener Nachregelung mittels der Lambdasonde nach
dem Katalysator der Schaltpunkt der Sprungsonde adaptiert, um eine
gewünschte
Umsatzrate des Katalysators sicherzustellen. Nachteilig für die Regelung
des Kraftstoff-/Luftgemisches mittels einer Sprungsonde ist die
sondenbedingte Form der Kennlinie, welche im Bereich um Lambda 1
eine starke Veränderung
des Spannungswertes bei geringen Änderungen des Lambdawertes bereitstellt,
jedoch in Bereichen Lambda ungleich 1 einen sehr flachen Verlauf
der Kennlinie aufweist. Hierdurch wird in Bereichen, welche vom
stöchiometrischen
Verhältnis
abweichen, lediglich eine geringe Spannungsänderung bei sich ändernden
Lambdawerten gemessen. Die Regelung mittels eines Zweipunktreglers
ist damit ungenau. Weiterhin problematisch ist die durch die Alterung
der Sonden auftretende Drift der Kennlinie. Während die Sonde im Sprungbereich
um Lambda gleich 1 noch für
die Regelung ausreichend differenzierte Messwerte des Kraftstoff-/Luftgemisches
liefert, führt
eine Drift der Kennlinie in dem vom stöchiometrischen Verhältnis abweichenden
Bereich dazu, dass vordefinierte Schaltpunkte in den nicht spezifizierten
Randbereichen der Kennlinie nicht mehr erreicht werden. Eine Regelung
mittels eines Zweipunktreglers ist im flachen Bereich der Kennlinie
einer Sprungsonde stark fehlerbehaftet.
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Aus
der
DE 38 31 289 A1 ist
eine Linearisierungsschaltung vorbekannt, welche einer Sprungsonde
nachgeschaltet ist. Das Signal der Sprungsonde wird dabei in den
vom stöchiometrischen
Verhältnis
abweichenden Bereichen linearisiert, um den Regelfehler im steil
ansteigenden Übergangsbereich
zu minimieren. Eine Zweipunktregelung mit Schaltpunktadaption für die Einstellung
eines vom stöchiometrischen
Verhältnis
abweichenden Gemisches erfolgt nicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Einstellen eines Kraftstoff-/Luftgemisches anzugeben,
welches für
eine Lambdaregelung mittels wenigstens einer Sprungsonde eine möglichst genaue
Regelung des Kraftstoff-/Luftgemisches für Lambdasollwerte erlaubt,
welche vom stöchiometrischen
Verhältnis
abweicht. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass eine Zweipunktregelung um einen Schaltpunkt erfolgt, wobei
zum Einstellen eines gewünschten
Lambdawertes der Schaltpunkt des Zweipunktreglers adaptiert wird.
Bei einem definierten Regelhub (vorzugsweise 2% Abweichung von der
eingestellten Kraftstoffmasse) wird die sich einstellende Sondenausgangsspannung
hinsichtlich der Amplitude ihrer Schwingung (sog. Restwelligkeit)
gemessen. Es erfolgt eine Regelung auf die Messgröße der Restwelligkeit
derart, dass der Schaltpunkt des Zweipunktreglers solange verschoben
wird, bis sich die gewünschte,
vorgebbare Restwelligkeit einstellt. Das Verfahren geht von der
Erkenntnis aus, dass die Sondenkennlinie temperatur- oder alterungsbedingt
hinsichtlich der Zuordnung der Sondenausgangsspannung zum Lambdawert
driftet. Überraschenderweise
korelliert die Restwelligkeit bei vorgegebenem Regelhub weitgehend
alterungs- und temperaturstabil mit einem zuordenbaren Lambdawert.
Erfindungsgemäß vorteilhaft
wird durch das Verschieben des Schaltpunktes bis zum Erreichen einer
vorgebbaren Restwelligkeit eine gewünschte Verstellung des Lambdawertes
erreicht, ohne einen absoluten Schaltpunkt für den Regler vorzugeben. Weiterhin
vorteilhaft ist die Einstellung eines gewünschten Lambdawertes im geregelten
Betrieb, so dass verglichen mit dem gesteuerten Betrieb eine große Abweichung
des Lambdawertes vermieden wird. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die vorhandene
Struktur der Regelung – wie
sie im Stand der Technik für
den stöchiometrischen
Betrieb als Zweipunktregelung vorhanden ist – auch für das Einstellen von Lambdawerten,
welche vom stöchiometrischen
Verhältnis
abweichen, genutzt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles
beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Patentansprüchen zu
entnehmen.
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Es
zeigen:
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1:
Kennlinienverläufe
der Sondenausgangsspannung über
dem Lambdawert für
eine Sprungsonde bei verschiedenen Temperaturen,
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2:
den Signalverlauf der Sondenausgangsspannung über der Zeit bei einer Sprungsonde mit
Schaltpunktverschiebung des Zweipunktreglers.
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Die
Lambdaregelung ist für
Ottomotoren mit einem 3-Wege-Katalysator notwendig, da dieser nur in
einem sehr engen Bereich des Kraftstoff-/Luftverhältnisses
(Lambdawert) in der Lage ist, die Schadstoffkomponenten HC, CO und
NOx wirkungsvoll zu reduzieren. Das Lambdafenster
(Regelbereich der Sprungsonde bei Zweipunktregelung gemäß Stand der
Technik) liegt in einem Bereich zwischen Lambdawerten von 0,99 bis
1. Die geforderte Genauigkeit wird nur mit einer Regelung erreicht,
welche im Falle einer Sprungsonde als Zweipunktregelung mit einem Schaltpunkt
bei einem gewünschten
Lambdawert nahe 1 ausgeführt
ist. Mit dem Signal der Sprungsonden können lediglich qualitative
Aussagen über
den Lambdawert getroffen werden. In Abhängigkeit vom gemessenen Lambdawert
wird das Signal der Einspritzmenge modifiziert. Zeigt das Lambdasignal Werte
größer oder
kleiner 1 an, so wird durch Änderung
der Stellgröße (Einspritzmenge)
um einen definierten oder in Kennlinien abgelegten Wert (Regelhub)
die Regelung in Richtung des gewünschten Lambdawertes
beeinflusst. Es stellt sich damit ein Pendeln um den gewünschten
Lambdawert ein, welches durch eine Schwingung des Signals der Sondenausgangsspannung
messbar ist. Beispielhaft sind verschiedene Sondenkennlinien in 1 dargestellt.
Die Lambdaregelung passt die jeweils folgende Einspritzung auf Basis
der vorhergehenden Messung an. Die Anpassung der Einspritzmenge
aufgrund des Lambdasondensignals wird als Regelhub bezeichnet. Die
Messung weist jedoch durch die Gaslaufzeiten, die Rechenzeit im
Steuergerät
und die Ansprechzeit der Lambdasonde einen zeitlichen Versatz zur
Einspritzung auf, so dass sich eine minimale Periodendauer der Schwingung
des Lambdawertes ergibt.
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Zur
Einstellung eines stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses
liegt der Regelschaltpunkt üblicherweise
im spezifiziert stabilen Bereich um die 450 mV. Dies entspricht
einem Lambdawert nahe 1. Aufgrund von Alterungs- und Temperatureinflüssen auf
die Sprungsondenkennlinie verändert sich
die Sondenkennlinie insbesondere in den nicht spezifizierten Randbereichen.
Soll ein „mageres" oder „fettes" Kraftstoff-/Luftgemisch
mit der vorliegenden Zweipunktregelung eingestellt werden, muss der
Schaltpunkt nach unten (beispielsweise 200 mV) oder oben (beispielsweise
700 mV) verschoben werden. Dabei nutzt man den nicht spezifizierten
Mager- bzw. Fettast der Kennlinie. Die Kennlinie einer Sprungsonde
ist in 1 dargestellt. Die Sondenausgangsspannung ist
als Funktion des Lambdawertes dargestellt. Mittels verschiedener
Heizspannungen wurde die Lambdasonde auf verschiedene Temperaturen
aufgeheizt und für
ein und die selbe Sonde bilden sich damit temperaturabhängig unterschiedliche
Sondenkennlinien ab. Beispielhaft sind für verschiedene Temperaturen
die Abweichungen der Kennlinie insbesondere in den nicht spezifizierten Randbereichen
dargestellt. Da diese Kennlinienbereiche sehr flach verlaufen, bedeutet
eine kleine Spannungsänderung
der Sondenausgangsspannung eine große Lambdaänderung. Wenn sich diese Äste nun
durch Alterung oder Temperatur (wie in 1 dargestellt)
verschieben, würde
ein fest definierter Schaltpunkt außerhalb von Lambda 1 dazu führen, dass
das eingeregelte Lambda stark driftet. Zudem kann es passieren,
dass ein fest definierter Schaltpunkt gar nicht mehr erreicht wird.
Erfindungsgemäß kann dies
vermieden werden, indem bei einem vorgegebenen Regelhub die Oszillation
der Sondenausgangsspannung bei Reglung um einen adaptierten Schaltpunkt überwacht
wird. Es wird erfindungsgemäß der Schaltpunkt
stückweise
verschoben und die resultierende Oszillation der Sondenausgangsspannung
hinsichtlich deren Amplitude (sog. Restwelligkeit) ausgewertet.
Es erfolgt ein Verschieben des Schaltpunktes bei gleichbleibendem
Regelhub bis zu einem definierten Schwellwert der Restwelligkeit.
Die Restwelligkeit wird damit zu einer Führungsgröße der Regelung.
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In 2 ist
das Sondensignal mit adaptiertem Schaltpunkt dargestellt. Es erfolgt
eine Verschiebung des Schaltpunktes in Richtung höherer Sondenausgangsspannung,
wobei der Regelhub beibehalten wird. Der Teilbereich der Verschiebung
des Schaltpunktes ist ausgeblendet. Dargestellt ist die Sondenausgangsspannung
nach dem Einregeln auf eine Restwelligkeit von 350 mV Amplitude
der Schwingung der Sondenausgangsspannung. Aufgrund der abflachenden
Sondenkennlinie erfolgt ein Pendeln mit geringerer Amplitude der
Schwingung der Sondenausgangsspannung. Erfindungsgemäß wird der
Schaltpunkt soweit verschoben, bis die gewünschte Amplitude der Schwingung
der Sondenausgangsspannung (beispielsweise 350 mV) erreicht ist.
Dieser Wert ist einem Lambdawert zuordenbar. Der Zusammenhang zwischen
Lambdawert und Amplitude der Schwingung der Sondenausgangsspannung
muss vorher für
einen im Regelalgorithmus definierten Regelhub bestimmt werden.
Im praktischen Betrieb des Lambdareglers erfolgt weiterhin in Betriebsbereichen
bei Lambda nahe 1 eine Regelung mittels des Zweipunktreglers auf
einen definierten Schaltpunkt, beispielsweise 450 mV Sondenausgangsspannung
für die
beispielhaft vorliegende Sprungsonde mit einer Kennlinie gemäß 1.
In Sonderbetriebsbereichen, z. B. Aufheizen des Katalysators oder
in Betriebsbereichen, in denen hohe Abgastemperaturen unerwünscht sind
(sog. Bauteilschutz), werden Lambdawerte abweichend von Lambda =
1 eingestellt. Hier wird der Schaltpunkt in Richtung „fett" oder „mager" (Sondenausgangsspannung
kleiner oder größer 450
mV) verschoben. Gleichzeitig wird die Amplitude der Sondenausgangsspannung
gemessen und bei einem gleichbleibenden Regelhub (Variation der
einzuspritzenden Kraftstoffmenge bei Unter- bzw. Überschreiten
des sich veränderten
Schaltpunktes um jeweils 2% der Basiseinspritzmenge) erfolgt ein
Einregeln auf eine vorgegebene Amplitude der Sondenausgangsspannung.
Die Sondenausgangsspannung schwingt dabei um einen neuen Schaltpunkt
(in 3 650 mV), welcher über die
Amplitude der Schwingung der Sondenausgangsspannung definiert ist.
Es erfolgt damit ein Einregeln der „fetten" bzw. „mageren" Betriebszustände bei Beibehaltung der Reglerstruktur.
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Durch
die beschriebene Regelung auf die Amplitude der Sondenausgangsspannung
stellt sich ein Schaltpunkt in Abhängigkeit von der realen Sondenkennlinie
ein. Die für
bestimmte Betriebspunkte im „mageren" oder „fetten" Bereich ermittelten Schaltpunkte
können
zu Diagnosezwecken herangezogen werden. Auf Basis des Vergleichs
der sich einstellenden Schaltpunkte mit vordefinierten, für ideale Sondenkennlinien
ermittelten Schaltpunkte kann eine Diagnoseinformation über den
Zustand der Lambdasonde gewonnen werden.