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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Abgassensors, insbesondere einer linearen Sauerstoffsonde oder eines NOx-Sensors, für eine Verbrennungskraftmaschine, bei dem durch einen Regler eine Ausgangsgröße in Abhängigkeit der Abweichung einer gemessenen Eingangsgröße von einem vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Moderne, emissionsarme Verbrennungskraftmaschinen erfordern eine hohe genaue Regelung des Kraftstoffgemischs. Dazu wird die angesaugte Luftmasse ermittelt und der für eine saubere Verbrennung erforderliche Kraftstoff mittels eines Einspritzventils präzise zugemessen. Bei Ottomotoren mit stöchometrischer Gemischaufbereitung, d. h. Lambda = 1, reicht die damit erreichbare Genauigkeit jedoch nicht aus, um das Abgas mit einem üblichen Drei-Wege-Katalysator hinreichend von Stickoxiden oder Kohlenmonoxid zu reinigen. Es werden deshalb im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine sog. binäre Sauerstoffsonden nach dem Prinzip der Nernstzelle vorgesehen, um so durch eine Messung des Restsauerstoffgehalts im Abgas das Kraftstoffgemisch genauer einstellen zu können. Binäre Sauerstoffsonden weisen den Nachteil eines extrem eingeengten Messbereichs von nur wenigen Promille Sauerstoffanteil auf, weshalb sie sich auch nur für stöchiometrische Brennverfahren eignen.
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Diesel- oder Ottomotoren mit sog. magerer, d. h. kraftstoffarmer, Gemischaufbereitung können mit diesen Sonden nicht geregelt werden. Es werden deshalb spezielle Weitbereichssonden, sog. lineare Lambda-Sonden, verwendet, welche die Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem weiteren Bereich erlauben. Bei diesen Weitbereichssonden ist der Zusammenhang zwischen Sauerstoffkonzentration und von der Sonde abgegebenen Sondensignal weitgehend linear.
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Lineare Sauerstoffsonden bestehen in der Regel aus einer Messkammer mit einer Nernstzelle, welche durch eine sauerstoffdurchlässige Diffusionsbarriere mit dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Ein weiteres Paar von Elektroden, die als Pumpelektroden bezeichnet werden, erlaubt es, durch Anlegen eines Stroms geeigneter Polarität Sauerstoff-Ionen in die Messkammer hinein oder aus ihr heraus zu transportieren. Damit ist es möglich, ein Gleichgewicht herzustellen zwischen dem Sauerstoff, der durch die Diffusionsbarriere in die Messkammer hineinströmt und Sauerstoff-Ionen, die wieder hinausgepumpt werden. Das Gleichgewicht kann auch durch Hineinpumpen von Sauerstoff-Ionen hergestellt werden, wenn Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere aus der Messkammer herausströmt. Derartige lineare Sauerstoffsonden sind in der Regel als Zirkonoxid-Keramik aufgebaut, wobei Platinelektroden zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen werden.
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Durch die Messung der Sauerstoffkonzentration mittels der Nernstzelle und Nachregeln des Pumpstroms kann eine stabile Sauerstoffkonzentration von z. B. Lambda = 1 in der Messkammer hergestellt werden. Da der differentielle Widerstand der Diffusionsbarriere bekannt ist, kann durch Messung des Pumpstroms unmittelbar die Sauerstoffkonzentration im Abgas ermittelt werden.
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Die Regelung des Abgassensors erfolgt in einer Ansteuervorrichtung, welche darüber hinaus Funktionseinheiten zum Erfassen einer Temperatur des Abgassensors und Diagnosevorrichtungen zum Erkennen von Fehlfunktionen beinhaltet.
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Eine schematische Darstellung einer derartigen Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines Abgassensors ist in 1 dargestellt. Mit 10 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild des Abgassensors gekennzeichnet. Dieser umfasst eine Nernstzelle NZ mit einem Widerstand 11 und einer Spannungsquelle 12, eine sog. Pumpzelle PZ mit einem Widerstand 13 und einer Spannungsquelle 14 sowie einen Kalibrierwiderstand 15. Die Serienschaltung des Widerstands 11 mit der Spannungsquelle 12 ist zwischen Anschlüssen VS– und VS+ des Abgassensors 10 verschaltet. Die Serienschaltung des Widerstands 13 und der Spannungsquelle 14 ist zwischen Anschlüssen IP+ und IP– des Abgassensors 10 verschaltet. Dabei sind die Anschlüsse IP– und VS– miteinander verbunden. Der Kalibrierwiderstand 15 ist zwischen einem Anschluss Rc und dem Anschluss IP+ des Abgassensors 10 verschaltet.
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Die Ansteuervorrichtung 20 weist Anschlüsse 31, 32, 33, 35 auf. Mit dem Anschluss 32 ist der Anschluss VS+, mit dem Anschluss 31 sind die Anschlüsse IP– bzw. VS–, mit dem Anschluss 33 ist der Anschluss IP+ und mit dem Anschluss 35 ist der Anschluss Rc verbunden. Ein von einer Stromquelle 22 der Ansteuervorrichtung 20 erzeugter Pumpstrom fließt zwischen den Anschlüssen IP+ und IP–. Die Spannung der Nernstzelle ist an den Sondenanschlüssen VS– und VS+ verfügbar. Ein Regler 25 vergleicht die Nernst-Spannung mit einem Referenzsignal, z. B. 450 mV, und steuert damit die Stromquelle 22.
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Für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung, in 1 jedoch dargestellt, sind eine Strommessvorrichtung 21, eine Vorrichtung zur Generierung eines Referenzstroms 23, eine Diagnose- und Schnittstellenvorrichtung 24 sowie eine Temperaturmessvorrichtung 26. Die Temperaturmessvorrichtung 26 ist über einen Anschluss 27 mit einem Eingang 41 eines Mikrocontrollers 40 verbunden. Die Diagnose- und Schnittstellenvorrichtung 24 ist über einen Anschluss 28 der Ansteuervorrichtung 20 mit einem Eingang 42 des Mikrocontrollers 40 verbunden. Ebenso ist die Strommessvorrichtung 21 über einen Anschluss 29 mit einem Eingang 43 des Mikrocontrollers 40 verbunden.
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Die einzelnen Funktionsblöcke der Ansteuervorrichtung 20 können sowohl in analoger Schaltungstechnik als auch in digitaler Form ausgebildet sein. Bei einer digitalen Ausgestaltung werden analoge Signalgrößen mittels eines Analog-Digital-Konverters (ADC-Wandler) digitalisiert, dann in einem digitalen Rechenwerk (Mikrocontroller) bearbeitet und anschließend durch einen Digital-Analog-Konverter (DAC-Wandler) wiederum in ein analoges Signal umgewandelt. Die Vereinigung all dieser Funktionen kann in einem einzelnen integrierten Schaltkreis, z. B. einem ASIC, Application Specific Integrated Circuit, erfolgen.
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Eine genaue Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise eines Abgassensors sowie der obigen Ansteuervorrichtung aus 1 findet sich in der Veröffentlichung „A Novel Interface for Linear Oxygen Sensors” von Stephan Bolz und Guenter Lugert, Siemens VDO Automotive AG, 2001, Society of Automotive Engineers Incorporated, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
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Ein Problem der Regelung der Ansteuervorrichtung besteht darin, dass das Übertragungsverhalten von Abgassensoren sehr unterschiedlich ist, so dass eine optimale Einstellung der Regelparameter bezüglich Ansprechgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit jeweils individuell erfolgen muss. Regelparameter sind beispielsweise eine Verstärkung oder die Zeitkonstanten des Reglers 25 in 1. Ferner ändern sich Phasengang und Verstärkung der Abgassensoren abhängig von deren Betriebstemperatur und Betriebsdauer. Insbesondere ändern auch Alterungsprozesse die Charakteristik eines Abgassensors. Um diesen Effekten Rechnung zu tragen, kann die Regelschleife meist nicht optimal eingestellt werden. Ein optimaler Betrieb der Abgassensoren ist daher nicht oder nur eingeschränkt möglich.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines Abgassensors anzugeben, welches eine verbesserte Regelung eines Abgassensors ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Abgassensors anzugeben, mit welcher eine verbesserte Regelung eines Abgassensors ermöglicht wird.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Patenansprüchen.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Ansteuern eines Abgassensors, insbesondere einer linearen Sauerstoffsonde oder eines NOx-Sensors, für eine Verbrennungskraftmaschine, bei dem durch einen Regler eine Ausgangsgröße in Abhängigkeit der Abweichung einer gemessenen Eingangsgröße von einem vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Regelparameter des Reglers bis zum Erkennen eines aperiodischen Grenzfalls verändert wird, und der zumindest eine Regelparameter nach dem Erkennen des aperiodischen Grenzfalls zum Betrieb des Reglers um einen vorbestimmten Wert verändert wird.
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Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Abgassensors, insbesondere einer linearen Sauerstoffsonde oder eines NOx-Sensors, für eine Verbrennungskraftmaschine, die einen Regler umfasst, durch den eine Ausgangsgröße in Abhängigkeit der Abweichung einer gemessenen Eingangsgröße von einem vorgegebenen Sollwert einstellbar ist. Der Regler ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, zumindest einen seiner Regelparameter bis zum Erkennen eines aperiodischen Grenzfalls zu verändern, und den zumindest einen Regelparameter nach dem Erkennen des aperiodischen Grenzfalls zum Betrieb des Reglers um einen vorbestimmten Wert zu verändern.
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Die Erfindung sieht somit vor, durch eine gezielte Veränderung der Parameter des Reglers die gesamte Regelschleife in den Grenzbereich zur Instabilität zu steuern und dann die Regelparameter auf einen Wert zurückzunehmen bzw. zu verändern, mit welchem oder welchen ein optimales Regelverhalten von Abgassensor und Regler ermöglicht ist. Der Grenzbereich ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schleifenverstärkung von 1 die Phasenverschiebung in der Regelschleife 360° beträgt. Die Phasenreserve beträgt demgemäß 0°. Dies ist auch das Kriterium für einen Oszillator mit stabiler Amplitude. Da der prinzipielle Amplituden- und Phasenverlauf des Abgassensors und des Reglers bekannt ist, kann der zumindest eine veränderte Regelparameter gezielt auf einen Wert zurückgenommen werden, der ein optimales Regelverhalten von Abgassensor und Regler erlaubt.
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Hierdurch lässt sich einerseits die Nutzungsdauer des Abgassensors verlängern. Andererseits kann ein Altern oder das Erreichen der Lebensdauergrenze des Abgassensors erkannt werden, so dass die Notwendigkeit zum Wechsel des Abgassensors noch vor ihrem endgültigen Ausfall diagnostizierbar ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Abgassensor zur Regelung der Abgasqualität verwendet wird und gesetzesbedingt eine Diagnose bei Fehlfunktion abgasrelevanter Komponenten verlangt wird. Des Weiteren bietet das Verfahren die Möglichkeit, die dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems aus Abgassensor und Ansteuervorrichtung zu optimieren. Hierdurch kann die Reaktion des Abgassensors auf eine Abgasänderung beschleunigt werden, wodurch die Abgasqualität verbessert werden kann.
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Die Veränderung der Regelschleife kann gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung durch eine Verstärkung des Reglers und/oder eine Veränderung einer Regelzeitkonstante des Reglers und/oder eine Vorwärtskopplung erfolgen. Die Veränderung der Vorwärtskopplung ist in besonders einfacher Weise durch das Vorsehen eines veränderbaren Widerstands in der Regelschleife realisierbar.
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Es ist ferner zweckmäßig, um die optimalen Regelparameter des Reglers ausfindig zu machen, wenn die Veränderung des zumindest einen Regelparameters des Reglers schrittweise erfolgt. Hierdurch kann auf einfache Weise der aperiodische Grenzfall festgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird der zumindest eine Regelparameter ausgehend von einem vorgegebenen Startwert bis zum aperiodischen Grenzfall dekrementiert. Alternativ wird der zumindest eine Regelparameter ausgehend von einem vorgegebenen Startwert bis zum aperiodischen Grenzfall inkrementiert.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Ausgangssignal des Reglers auf das Erscheinen einer Regelschwingung hin überwacht. Die Regelschwingung ist ein Warnzeichen für den Grenzfall der Instabilität. Das Ausgangssignal entspricht beispielsweise im Fall einer linearen Sauerstoffsonde einem dem Pumpstrom proportionalen Wert.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Regelparameter während des Betriebs des Abgassensors zumindest ein weiteres Mal bestimmt werden. Vorzugsweise werden die Regelparameter während des Betriebs des Abgassensors periodisch wiederholt. Hierdurch können temperatur- und alterungsbedingte Veränderungen der Charakteristik des Abgassensors ausgeglichen werden, indem die entsprechenden Regelparameter nach Erkennen des aperiodischen Grenzfalls neu angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der zumindest eine Regelparameter, mit dem oder denen der Regler betrieben wird, für eine spätere Verarbeitung zwischengespeichert. Hierbei kann der zuletzt ermittelte zumindest eine Regelparameter mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen oder mit zumindest einem zeitlich früher gemessenen Regelparameter verglichen werden. Dies ermöglicht die Diagnose der Alterung bzw. ein Erkennen des Endes der Lebensdauer des Abgassensors.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Veränderung des zumindest einen Regelparameters bis zum Erkennen eines aperiodischen Grenzfalls ausgehend von Regelparametern mit einem stabilen Regelverhalten des Reglers erfolgt.
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In einer konkreten Ausgestaltung umfasst der Abgassensor (a) eine Messkammer, die durch eine Diffusionsbarriere mit einem Bereich verbunden ist, der einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist, (b) eine Nernstzelle mit einem ersten Elektrodenpaar zur Messung einer Spannung, welche durch das Verhältnis einer Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine und dem Inneren der Messkammer bestimmt ist, und (c) eine Pumpzelle mit einem zweiten Elektrodenpaar, durch welche mittels eines Pumpstroms geeigneter Polarität Sauerstoff-Ionen in die Messkammer hinein oder aus dieser heraus transportierbar sind, wobei durch den Regler der Pumpstrom in Abhängigkeit der Abweichung der gemessenen Spannung von einer vorgegebenen Spannung eingestellt wird.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ansteuern eines Abgassensors sieht eine digital implementierte Regelschleife vor. Hierbei kann der zumindest eine Regelparameter auf besonders einfache Weise schrittweise verändert werden, um den aperiodischen Grenzfall ausfindig zu machen, von dem aus der zumindest eine Regelparameter bestimmt wird, mit dem der Regler betrieben werden soll.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer bekannten Ansteuervorrichtung zum Ansteuern einer linearen Sauerstoffsonde,
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung zum Ansteuern einer linearen Sauerstoffsonde, und
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3 eine schematische Darstellung des Regelungskonzepts der linearen Sauerstoffsonde.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens eines Abgassensors 10 in Gestalt einer linearen Sauerstoffsonde, einer Ansteuervorrichtung 20 sowie einem Mikrocontroller 40. Der einzige Unterschied zu der in Verbindung mit 1 beschriebenen Anordnung besteht darin, dass zwischen dem Anschluss 31 und der Stromquelle 22 zusätzlich ein veränderbarer Widerstand 30 vorgesehen ist, mit dem die Vorwärtskopplung der Regelschleife verändert werden kann. Da die prinzipielle Funktionsweise der Ansteuervorrichtung bzw. der gesamten Anordnung dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird auf eine eingehende Beschreibung verzichtet und diesbezüglich auf die Veröffentlichung „A Novel Interface for Linear Oxygen Sensors” von Stephan Bolz und Guenter Lugert, Siemens VDO Automotive AG, 2001, Society of Automotive Engineers Incorporated, verwiesen.
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Der Widerstand 30 stellt einen Feed-Forward-Widerstand dar. Die Funktion des Widerstands 30 erklärt sich dadurch, dass eine Änderung des Pumpstroms einen Spannungsabfall an dem Widerstand 30 bewirkt, der wiederum unmittelbar dem Spannungssignal der Nernstzelle NZ überlagert ist. Somit ist die Wirkung des Pumpstroms unmittelbar am Eingang des Reglers 25 erkennbar, wohingegen ein am Anschluss VS– anliegendes Signal mit dem Amplituden- und Phasengang der Nernstzelle verzögert erscheint.
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Es ist vorgesehen, den Regler 25 zunächst derart zu dimensionieren, dass die Regelschleife mit einem Widerstandswert Rs = 0 Ω gerade instabil ist. Dies bedeutet, die Stabilitätsgrenze ist erreicht. Anschließend wird der Wert von Rs des Widerstands 30 auf das gewünschte Regelverhalten eingestellt. Die Veränderung des Widerstandswerts Rs des Widerstands 30 kann beispielsweise unter Steuerung des Mikrocontrollers 40 in 2 erfolgen.
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Die Ermittlung der Stabilitätsgrenze wird wie folgt durchgeführt: Ausgehend von einem stabilen Regelverhalten wird der Wert des Widerstands 30 schrittweise verringert. Dabei wird die an den Anschlüssen 31, 32 anliegende Spannung (sog. Sondensignal) über einen ADC-Eingang 43 (ADC: Analogue Digital Converter) von einem in dem Mikrocontroller 40 ablaufenden Programm auf Anzeigen einer Regelschwingung überwacht, deren Frequenz bekannt ist. Die Überwachung der Regelschwingung kann durch Überwachung der Wechselspannungsamplitude erfolgen. Sobald die Regelschwingung erkannt ist, wird der Wert des Widerstands 30 um einen vorbestimmten Teil erhöht. Nun ist die Regelschleife optimal eingestellt.
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Dieser Ablauf kann entweder in dem externen Mikrocontroller 40 oder – bei einer digitalen Realisierung der Ansteuervorrichtung 20 – auch in einem dort befindlichen Mikrocontroller erfolgen.
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Der Wert des Widerstands 30, mit dem die Regelschleife betrieben wird, wird in einem Speicher, z. B. des Mikrocontrollers, abgespeichert und ausgewertet. Die Auswertung kann beispielsweise den Vergleich mit einem älteren, ermittelten Wert des Widerstands 30 oder einem vorgegebenen Grenzwert umfassen. Hierdurch kann eine Diagnose bezüglich der Alterung bzw. bezüglich eines Erkennens des Endes der Lebensdauer der Sauerstoffsonde erfolgen.
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Das Vorsehen eines Vorwärtskopplungswiderstands ist lediglich eine von mehreren Möglichkeiten, den Regler bis zum Erkennen eines aperiodischen Grenzfalls zur Instabilität zu steuern. Das gleiche Ziel kann beispielsweise auch durch die Veränderung von anderen Reglerparametern erreicht werden, wie z. B. durch eine Veränderung der Verstärkung der Regelschleife oder der Zeitkonstanten der Regelschleife.
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In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wurde durch die Ansteuervorrichtung eine lineare Sauerstoffsonde gesteuert. Prinzipiell lässt sich das Vorgehen auch allgemein bei Sonden oder Sensoren mit zum Betrieb erforderlichen Regelschleifen anwenden. Beispielsweise kann anstatt des Sauerstoffsensors ein NOx-Sensor angesteuert werden, der beispielsweise bei der Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren eingesetzt wird.
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Bevorzugt wird das Verfahren durch eine digital implementierte Regelschleife implementiert, da der Wert Rs des Widerstands 30 einen Berechnungskoeffizienten darstellt, der dann beliebig verändert werden kann.
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3 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Wirkung des Widerstands 30 mit einem veränderlichen Wert Rs, wobei die lineare Sauerstoffsonde in einer Querschnittsdarstellung schematisch gezeigt ist. In bekannter Weise setzt sich diese aus einer Nernstzelle NZ und einer Pumpzelle PZ zusammen. Der Sensor umfasst eine Messkammer 58, die durch eine Diffusionsbarriere 55 mit einem Bereich verbunden ist, der einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist.
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Die Nernstzelle NZ umfasst ein erstes Elektrodenpaar mit Elektroden 50, 51. An diesem ersten Elektrodenpaar 50, 51 wird eine Spannung gemessen, welche durch das Verhältnis einer Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine und dem Inneren der Messkammer 58 bestimmt ist. Demgemäß grenzt die Elektrode 50 an das Innere der Messkammer 58 an, während die Elektrode 51 dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist. Die Elektrode 50 ist über den Widerstand 30 mit einem Bezugspotential verbunden. Die Elektrode 51 ist mit einem Verstärker 56 gekoppelt, an dessen Referenzeingang 57 eine Referenzspannung, z. B. in Höhe von 450 mV anliegt.
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Die Pumpzelle PZ umfasst ein zweites Elektrodenpaar mit Elektroden 52, 53, wobei die Elektrode 52 an die Messkammer 58 angrenzt. Die Elektrode 53 ist dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt. Die Elektrode 52 ist ebenfalls über den Widerstand 30 mit dem Bezugspotential gekoppelt. Die Elektrode 53 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 56 verbunden, so dass durch das zweite Elektrodenpaar Sauerstoff-Ionen in die Messkammer 58 hinein oder aus dieser heraus transportierbar sind. In welche Richtung ein Stromtransport erfolgt, hängt im Wesentlichen von dem Verhältnis der Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine und dem Inneren der Messkammer 58 ab. Der Widerstand 30 ist, wie ohne Weiteres zu erkennen ist, Bestandteil der Regelschleife, so dass die Höhe des Widerstands das Reglerverhalten in der oben beschriebenen Weise bestimmt.
