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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorsteuerung einer Lambdaregelung für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit einem Luft-Zufuhrsystem und einem Abgassystem verbunden ist und wobei eine Steuerung der Brennkraftmaschine eine Lambdaregelung mit einer Einspritzmengen-Berechnung, die eine vorgesteuerte Einspritzmenge bestimmt, und einen Regler für die Nachführung eines Lambda-Istwerts auf einen Lambda-Sollwert aufweist, wobei die vorgesteuerte Einspritzmenge und/oder ein Luftmassenstrom-Sollwert mit einer aus einem Übertragungsfaktor des Systems aus Luft-Zufuhrsystem, Brennkraftmaschine und Abgassystem zwischen einem Einspritzmengen-Sollwert, dem Luftmassenstrom-Istwert und dem Lambda-Istwert bestimmten Korrektur korrigiert werden. Ein Verfahren zur Vorsteuerung einer Lambdaregelung für das Kraftstoff- Luft- Verhältnis zum Betrieb einer Brennkraftmaschine dieser Art ist der
DE 44 23 241 A1 entnehmbar. Diese bekannte Brennkraftmaschine ist mit einem Luft-Zufuhrsystem und einem Abgassystem verbunden und weist eine Steuerung für die Lambdaregelung mit einer Einspritzmengen-Berechnung auf. Hierzu dient ein lernendes Regelverfahren zur Einstellung der Zusammensetzung des Betriebsgemisches, bei dem ein Istwert der Zusammensetzung erfasst und eine Regelstellgröße als Funktion der aktuellen Abweichung des Ist-Werts von einem Sollwert gebildet wird. Die Regelstellgröße wird mit einem Basiswert eines Einstellparameters verknüpft, um auf dieser Basis ein Stellglied anzusteuern. Ferner wird ein zusätzlicher Eingriff in den Regelkreis aus dem Verhalten des Regelkreises gelernt, wobei die Geschwindigkeit des Eingriffs temperaturabhängig ist. Eine adaptive Korrektur wird aus dem Mittelwert der Regelstellgröße bestimmt, welche beispielsweise multiplikativ auf den Einspritzmengen- Sollwert einwirkt. Neben dem aktuellen Wert kann somit auch eine Vorgeschichte dieses Werts mit berücksichtigt werden.
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In der
DE 10 2005 012 950 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine angegeben, bei dem bzw. der die in die Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge auf einen Begrenzungswert begrenzt wird, welcher ausgehend von dem Ausgangssignal eines Reglers oder einer Steuerung und einem Vorsteuerwert vorgegeben wird, wobei der Vorsteuerwert korrigiert wird. Hierbei ist auch eine Luftsystemregelung zum Einstellen einer Luftmenge vorhanden.
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In der
DE 100 43 256 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen der Vorsteuerung einer Kraftstoffmessung für eine Brennkraftmaschine gezeigt.
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Im Zusammenhang mit gesetzlichen Vorgaben bezüglich der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine Abgasnachbehandlung erforderlich. Zur Aufnahme der entstehenden Stickoxide, kann ein Stickoxid-Speicherkatalysator eingesetzt werden. Der Stickoxid-Speicherkatalysator kann jedoch nur eine begrenzte Menge an Stickoxiden aufnehmen und muss spätestens bei Erreichung der maximalen Speicherfähigkeit regeneriert werden. Ein Verfahren zur Regeneration besteht darin, für einen bestimmten Zeitraum der Brennkraftmaschine ein überstöchiometrisch mit Kraftstoff angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch zuzuführen und das entstehende „fette“ Abgas über den Stickoxid-Speicherkatalysator zu leiten. Das im fetten Abgas enthaltene Kohlenmonoxid und die ebenfalls enthaltenen Kohlenwasserstoffe werden von den im Stickoxid-Speicherkatalysator vorhandenen Stickoxiden zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Der entstehende Stickstoff wird mit dem Abgas abgeführt.
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Zur schnellen Erreichung eines vorgesehenen Lambda-Sollwerts eines fetten Gemischs beim Übergang vom Magerbetrieb in den Fettbetrieb wird auf Basis einer gemessenen oder modellierten Luftmenge mittels des stöchiometrischen Verhältnisses (Einspritzmenge = Luftmenge / (14,5*Soll-Lambda)) eine Einspritzmenge vorgesteuert. Alternativ kann auch bei einer vorgegebenen Einspritzmenge die Luftmenge angepasst werden. Bedingt beispielsweise durch Toleranzen oder die Alterung der Brennkraftmaschine treten Unterschiede in dem unter anderem vom Luft-Zufuhrsystem, der Brennkraftmaschine und dem Abgasstrang abhängigen Übertragungsfaktor zwischen Luftmenge, Einspritzmenge und Lambda-Istwert auf und es kommt zu unerwünschten Abweichungen des Lambda-Istwerts vom Lambda-Sollwert. Als insbesondere für Toleranzen und Alterung anfälliges Bauteil ist ein zur Bestimmung der Masse an Verbrennungsluft eingesetzter Luftmassenmesser in Form eines Heißfilm-Luftmassenmesser zu nennen. Weiterhin kann auch eine Kraftstoff-Zudosierung zu Abweichungen führen. Die genannten Abweichungen zwischen dem Lambda-Istwert und dem Lambda-Sollwert werden nach dem Stand der Technik mittels einer im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator angeordneten Breitband-Lambdasonde festgestellt. Auf Basis dieser Information kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch angepasst werden.
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Diese Anpassung wird mittels eines Reglers vorgenommen, mit dessen Stellgröße die vorgesteuerten Werte korrigiert werden. Wegen der oben genannten Abweichungen ist bei dem Stand der Technik während der Regelung des Lambda-Sollwerts die Stellgröße nicht Null. Dies führt auch dazu, dass bei dem Einregeln die Stellgröße und der Lambda-Istwert über ihre endgültigen Werte über- oder unterschwingen und diese nur mit Verzögerung erreichen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Vorsteuerung für eine Regelung eines Lambdawerts anzugeben, mit dem eine schnelle und genaue Einstellung des Lambdawerts erzielt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine Luftsystemregelung vorhanden ist, die einen Luftmassenstrom-Istwert einstellt, und dass mittels eines Korrekturfaktors (Q), mit dem der Luftmassenstrom-Sollwert multipliziert wird, aufgeteilt wird, welcher Anteil der Korrektur durch eine Korrektur des Luftmassenstrom-Sollwerts und welcher Anteil durch eine Korrektur in der Einspritzmengen-Berechnung korrigiert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Lambda-Istwert bei einem Wechsel des Lambda-Sollwerts schneller und mit geringerem Über- und Unterschwingen erreicht wird.
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Diese Vorgehensweise kann vorteilhaft beispielsweise bei einer Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators oder eines Partikelfilters angewendet werden, da bei letzterem der Sauerstoffgehalt in gewünschter Weise beeinflusst werden kann und die Vorsteuerung auch während des Regenerationsvorgangs genauer ist.
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Wird der Übertragungsfaktor in Abhängigkeit von Motor-Moment und Motor-Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt, kann auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Korrektur so erfolgen, dass die Vorsteuerung zu einem Lambda-Istwert führt, der nahe am Lambda-Sollwert liegt, so dass die Vorsteuerung kaum korrigiert werden muss.
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Wird der Übertragungsfaktor in Abhängigkeit von Motor-Moment und Motor-Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem Kennfeld abgelegt, kann für die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bei Beginn einer Regeneration jeweils auf einen geeigneten Korrekturfaktor der Vorsteuerung zurückgegriffen werden.
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Ein besonders geeigneter Satz von Übertragungsfaktoren kann erzeugt werden, wenn der Übertragungsfaktor bei Vorliegen stationärer Betriebsbedingungen während einer Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators bestimmt wird.
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Wird die Korrektur der vorgesteuerten Einspritzmenge und/oder des Luftmassenstrom-Sollwerts am Anfang der Regeneration vorgenommen, kann der während einer vorherigen Regeneration in einem ähnlichen Betriebspunkt bestimmte Korrekturfaktor verwendet werden und es kann eine im stationären Zustand korrekte Vorsteuerung von Anfang des Regenerationsvorgangs an verwendet werden.
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Wird die Korrektur so gewählt, dass der Quotient einer Korrektur Q für den Luftmassenstrom-Sollwert und/oder den korrigierten Luftmassenstrom-Sollwert und einer Korrektur R für die vorgesteuerte Einspritzmenge dem Inversen des Übertragungsfaktors K entspricht, (d.h. 1/K = Q/R), und ein Fehler der Vorsteuerung zu vorwählbaren Anteilen über den Luftmassenstrom-Sollwert und die vorgesteuerte Einspritzmenge korrigiert, kann durch Wahl des Verhältnisses der Korrektur des zugeführten Luftmassenstroms und der vorgesteuerten Einspritzmenge erreicht werden, dass beispielsweise das Motor-Moment der Brennkraftmaschine durch die Korrektur nicht beeinflusst wird. Hierdurch kann der Fahrkomfort verbessert werden.
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Wird das Verfahren bei der Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators oder eines Partikelfilters angewendet, kann erreicht werden, dass der Sauerstoffgehalt des Abgases in der gewünschten Weise beeinflusst werden kann.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungsanlage,
- 2 eine Struktur einer Lambdaregelung nach dem Stand der Technik,
- 3 eine Struktur der Lambdaregelung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 einen Verlauf eines Lambda-Istwerts ohne das erfindungsgemäße Verfahren,
- 5 den Verlauf des Lambda-Istwerts bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorsteuerung einer Lambdaregelung 20 eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 10 wird Luft über eine Luftzuführung 11 zugeführt und deren Masse mit einem Luftmassenmesser 12 bestimmt. Der Luftmassenmesser 12 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgeführt sein. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 15 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 10 ein Stickoxid-Speicherkatalysator 16 vorgesehen ist, an dessen Ausgang die Abgase über eine Abgasableitung 17 abgeführt werden. Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist die Lambdaregelung 20 vorgesehen, die zum einen der Brennkraftmaschine 10 über eine Kraftstoffdosierung 13 Kraftstoff zuführt und der zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 12 und einer in dem Abgaskanal 15 angeordneten Lambdasonde 14 zugeführt werden. Die Lambdasonde 14 bestimmt einen Lambda-Istwert 36 (siehe 2). Die Kraftstoffdosierung 13 kann auch in der Luftzuführung 11 der Brennkraftmaschine 10 angeordnet sein.
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Wird der Lambdaregelung 20, beispielsweise von einer übergeordneten Motorsteuerung, mitgeteilt, dass eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 16 erforderlich ist, senkt sie einen Lambda-Sollwert 32 (siehe 2) von einem Wert λ > 1 auf einen Wert λ < 1 ab, um durch das dann entstehende Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe den Stickoxid-Speicherkatalysator 16 zu regenerieren.
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2 zeigt eine Struktur der Lambdaregelung 20 nach dem Stand der Technik. Die Lambdaregelung 20 weist eine Einspritzmengen-Berechnung 23 auf, der ein gemessener Luftmassenstrom 30.2 und ein Lambda-Sollwert 32 zugeführt werden. Die Einspritzmengen-Berechnung 23 bestimmt hieraus eine vorgesteuerte Einspritzmenge 35.1. In einer Luftsystemregelung 22 wird aus einem Luftmassenstrom-Sollwert 30.1 und dem gemessenen Luftmassenstrom 30.2 ein Luftmassenstrom-Istwert 30.3 eingestellt. Der gemessene Luftmassenstrom 30.2 wird mittels eines Luftmassenmessers 12 bestimmt, dem der Luftmassenstrom-Istwert 30.3 zugeführt wird.
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Aus einem Lambda-Istwert 36 bestimmt ein Lambdasonden-Signalwandler 26 ein Lambda-Signal 33, das in einer Subtraktionsstufe 25 von dem Lambda-Sollwert 32 subtrahiert wird, wodurch eine Lambda-Abweichung 31 bestimmt wird. Die Lambda-Abweichung 31 wird einem Regler 27 zugeführt, der eine Stellgröße 34 ausgibt, mit der in einer Berechnungsstufe 28 die vorgesteuerte Einspritzmenge 35.1 korrigiert wird. Diese Korrektur kann multiplikativ oder additiv vorgesehen sein. Die Berechnungsstufe 28 gibt einen Einspritzmengen-Sollwert 35.3 aus, der zusammen dem Luftmassenstrom-Istwert 30.3 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird. Nach einem mit der Brennkraftmaschine 10 verbundenen Abgassystem 40 stellt sich der Lambda-Istwert 36 ein.
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Bedingt durch eine Alterung der Brennkraftmaschine 10 als auch Toleranzen bei einer Bestimmung des Luftmassenstroms stimmen der Lambda-Istwert 36 und der vorgesteuerte Lambdawert, also das Verhältnis zwischen dem Luftmassenstrom-Sollwert 30.1 und dem 14,5-fachen der vorgesteuerten Einspritzmenge 35.1, nicht überein. Diese Lambda-Abweichung 31 führt zu der Stellgröße 34, die die vorgesteuerte Einspritzmenge 35.1 bei einem Regenerationsvorgang des in 1 dargestellten Stickoxid-Speicherkatalysators 16 korrigiert. Wie in 4 dargestellt, führt dies zu einer Verzögerung bei der Einstellung des gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses sowie zu einem Unterschwingen des Lambda-Signals 33 zu unerwünscht niedrigen Werten.
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In 3 ist die Lambdaregelung 20 mit den zur Durchführung der Erfindung erforderlichen Funktionseinheiten dargestellt; weitere zu der Lambdaregelung 20 nach dem Stand der Technik gehörige Funktionseinheiten sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die Lambdaregelung 20 enthält eine Luftmassen-Korrekturstufe 21, in der der Luftmassenstrom-Sollwert 30.1 gemäß einem gewünschten Verhältnis der Vorsteuerung von Luftmassenstrom und Einspritzmenge korrigiert werden kann. Das Ausgangssignal der Luftmassen-Korrekturstufe 21 ist ein korrigierter Luftmassenstrom-Sollwert 30.4, der zusammen mit dem gemessenen Luftmassenstrom 30.2 der Luftsystemregelung 22 zugeführt wird, die den Luftmassenstrom-Istwert 30.3 einstellt. Der gemessene Luftmassenstrom 30.2 wird mittels des Luftmassenmessers 12 bestimmt, dem der Luftmassenstrom-Istwert 30.3 zugeführt wird. Der gemessene Luftmassenstrom 30.2 wird weiterhin der Einspritzmengen-Berechnung 23 zugeführt, die die vorgesteuerte Einspritzmenge 35.1 bestimmt, welche wiederum in einer Korrekturstufe 24 in einen Einspritzmengen-Vorsteuerwert 35.2 umgerechnet wird.
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Zur Korrektur von Abweichungen zwischen dem Lambda-Istwert 36 und dem Lambda-Sollwert 32 werden diese nach Wandlung des Lambda-Istwerts 36 in dem Lambdasonden-Signalwandler 26 in das Lambda-Signal 33 der Subtraktionsstufe 25 zugeführt. Die Subtraktionsstufe 25 bestimmt die Lambda-Abweichung 31. Die Lambda-Abweichung 31 wird dem Regler 27 zugeführt, der die Stellgröße 34 bestimmt, die der Berechnungsstufe 28 zugeführt wird. Weiterhin wird der Berechnungsstufe 28 der Einspritzmengen-Vorsteuerwert 35.2 zugeführt. Die Berechnungsstufe 28 kann als Summationsstufe oder Multiplikationsstufe ausgeführt sein und bestimmt den Einspritzmengen-Sollwert 35.3. Der Einspritzmengen-Sollwert 35.3 führt zusammen mit dem Luftmassenstrom-Istwert 30.3 beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu dem Lambda-Istwert 36. Dieser Zusammenhang ist durch einen Übertragungsfaktor 29 angedeutet. Der Übertragungsfaktor 29 fasst die Reaktion der Luftsystemregelung 22, der Brennkraftmaschine 10 und deren Abgassystems auf die ihr zugeführte Kraftstoff- und Luftmenge zusammen, die zu dem dann entstehenden Lambda-Istwert 36 führt.
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Im Betrieb der Lambdaregelung 20 wird im eingeregelten Zustand der Luft- und Lambdaregelkreise während des Regenerationsvorgangs für den Stickoxid-Speicherkatalysator 16 der dann vorliegende Übertragungsfaktor 29 in einem Kennfeld als Funktion eines aktuellen durch ein Motor-Moment und eine Motor-Drehzahl gekennzeichneten Betriebspunkts abgelegt. Der Übertragungsfaktor K wird hierbei bestimmt durch das Verhältnis zwischen dem Lambda-Istwert 36 und dem Verhältnis des gemessenen Luftmassenstroms 30.2 und dem 14,5-fachen des Einspritzmengen-Sollwerts 35.3 oder durch das Verhältnis zwischen dem Einspritzmengen-Sollwert 35.3 und dem Einspritzmengen-Vorsteuerwert 35.2. Wird ein neuer Regenerationsvorgang begonnen, wird aus dem Kennfeld der für den dann aktuellen Betriebspunkt geltende Übertragungsfaktor 29 entnommen und in der Korrekturstufe 24 als multiplikativer Korrekturfaktor verwendet. Weiterhin wird in der Korrekturstufe 21 der Luftmassenstrom-Sollwert 30.1 mit einem Korrekturfaktor Q multipliziert. Der Korrekturfaktor Q teilt auf, welcher Anteil der Korrektur durch die Korrektur des Luftmassenstrom-Sollwerts 30.1 und welcher Anteil durch eine Korrektur in der Einspritzmengen-Berechnung 23 korrigiert werden soll. Wird der Korrekturfaktor Q zu Q = 1 gewählt, erfolgt die Korrektur der Vorsteuerung nur über die Einspritzmenge. Wird der Korrekturfaktor Q zu Q = 1/K gewählt, erfolgt die Korrektur nur über die Korrektur des Luftmassenstrom-Sollwerts 30.1.
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Durch dieses Vorgehen kann der Übertragungsfaktor 29 der Brennkraftmaschine 10 mit Luft-Zufuhrsystem und Abgasstrang zwischen den Eingabegrößen Luftmassenstrom und Einspritzmenge und der Ausgabegröße Lambda-Istwert betriebspunktabhängig berücksichtigt werden und die Stellgröße 34 bei Wechsel der Lambda-Sollwerts 32 verringert werden als auch ein gewünschter Lambda-Sollwert 32 schneller erreicht werden.
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Die Auswirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 4 und 5 dargestellt. 4 stellt den Verlauf des Lambda-Istwerts 36 ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Dabei sind der Lambda-Sollwert 32 und der Lambda-Istwert 36 auf einer Größen-Achse 50 entlang einer Zeitachse 52 dargestellt. Die Zahlenwerte der Größen-Achse gelten sowohl für die dargestellten Lambda-Werte als auch für einen normierten Einspritzmengen-Wert 35.4, der entlang der Zeitachse 52 aufgetragen ist. Der normierte Einspritzmengen-Wert 35.4 ist dabei das Verhältnis aus dem Einspritzmengen-Sollwert 35.3 und der vorgesteuerten Einspritzmenge 35.1. Nach einem Lambda-Sollwert-Sprung 51 von einem Magerwert mit Lambda > 1 auf einen Lambdawert 0,94 sinkt der Lambda-Istwert 36 kurzzeitig auf einen Wert von 0,90, um dann in einem Bereich um den Zielwert 0,94 zu verbleiben.
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In dem in 5 dargestellten Diagramm der Werte des Lambda-Sollwerts 32, des Lambda-Istwerts 36 und des normierten Einspritzmengen-Werts 35.4 ist sichtbar, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Lambda-Istwert 36 nach einem Lambda-Sollwert-Sprung 51 von einem Magerwert mit Lambda > 1 auf einen Lambdawert von 0,94 lediglich kurz einen Wert von 0,92 annimmt, um dann in einem Bereich um den Zielwert 0,94 zu verbleiben. Weiterhin ist sichtbar, dass der normierte Einspritzmengen-Wert 35.4 während der Regeneration nur noch geringfügig von einem Wert 1 abweicht. Während der normierte Einspritzmengen-Wert 35.4 ohne das erfindungsgemäße Verfahren, wie in 4 dargestellt, während des Regenerationsvorgangs um etwa 7% zu niedrig liegt, schwankt er, wie in 5 dargestellt, um den Wert 1; die Vorsteuerung ist daher während des Regenerationsvorgangs genauer, der Lambdaregler braucht daher kaum noch die Vorsteuerung zu korrigieren. Die beschriebene Vorgehensweise zur Vorsteuerung der Lambdaregelung ist beispielsweise auch bei der Regeneration eines Partikelfilters anwendbar, wobei der Sauerstoffgehalt in gewünschter Weise beeinflusst wird.
