DE102011082641A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelstreckenmodifikation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelstreckenmodifikation eines Lambdareglers, welcher eingangsseitig mit einer Abgassonde in Verbindung steht und wobei sich ein in Folge der Sondenkonstruktion, einer Exemplarstreuung, einer variablen Sondentemperatur oder einer Alterung änderndes Dynamikverhalten und/oder Totzeitverhalten berücksichtigt und das Regelverhalten des Lambdareglers entsprechend angepasst wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mittels einer reinen Softwareanpassung das Regelverhalten des Lambdareglers an den Aufbau unterschiedlicher Abgassonden und deren Dynamikcharakteristik adaptiert wird. Die Erfindung sieht weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vor. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens können unterschiedliche, im Markt erhältliche Abgassonden mit ein und derselben Steuergerätehardware betrieben werden. Die unterschiedlichen Dynamikcharakteristika der Abgassonden werden dabei durch verschiedene adaptierbare Rückkopplungen nachgebildet. Dies ist besonders im Hinblick auf eine standardisierte Hardware-Plattform bei Motorsteuergeräten für Brennkraftmaschinen und damit hinsichtlich der Kosten von Vorteil.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelstreckenmodifikation eines Lambdareglers, welcher eingangsseitig mit einer Abgassonde in Verbindung steht und wobei sich ein in Folge der Sondenkonstruktion, einer Exemplarstreuung, einer variablen Sondentemperatur oder einer Alterung änderndes Dynamikverhalten und/ oder Totzeitverhalten berücksichtigt und das Regelverhalten des Lambdareglers entsprechend angepasst wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Gesetzliche Regelungen schreiben die Überwachung der Zusammensetzung des Abgases von Brennkraftmaschinen auf Einhaltung von Grenzwerten vor. Dazu werden im Abgas mittels geregelter Dreiwege-Katalysatoren unerwünschte Stoffe wie Stickoxide und Kohlenmonoxid in als unkritisch anzusehende Stoffe wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff umgewandelt. Diese Umwandlung setzt voraus, dass das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem bestimmten Zusammensetzungsbereich um eine stöchiometrische Zusammensetzung liegt. Diese wird mit dem Parameter Lambda = 1 bezeichnet. Die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird mit im Abgaskanal der Brennkraftmaschinen vorgesehenen Abgassensoren, beispielsweise in Form von Breitband-Lambda-Sonden überwacht, die den Sauerstoff-Partialdruck bestimmen. Die korrekte Funktion der Abgassensoren und insbesondere auch deren Alterungsbeständigkeit hängen stark von deren elektronischer Beschaltung ab. Die Funktionsblöcke einer solchen Beschaltung sind beispielhaft in der Schrift DE 10 2006 061 565 A1 beschrieben.
  • Eine besondere Bedeutung dabei kommt der Lambdaregelung zu, wobei die im Markt erhältlichen Abgassonden unterschiedliche Charakteristika hinsichtlich der Ansprechdynamik und der Totzeiten aufweisen können.
  • Um eine stabile Regelung gewährleisten zu können, müssen beispielsweise bei in Motorsteuergeräten verbaute Lambda-Regler mit zusätzlichen elektronischen Beschaltungen ergänzt werden, wenn Abgassonden, insbesondere von unterschiedlichen Anbietern, verbaut werden. Fahrzeughersteller fordern dagegen eine einheitliche Steuergerätehardware für alle Sonden.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Reglerstrategien bekannt, bei denen auch adaptive Reglereingriffe verwendet werden.
  • In der DE 3727369 A1 beispielsweise wird ein Regelsystem beschrieben, bei dem durch Analyse eines Soll/Ist-Vergleichs eine Umschaltung des Regelverhaltens ermöglicht wird. Die bevorzugte Ausführungsform sieht dabei eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Reglercharakteristika vor. Das Regelsystem sieht insbesondere den Einsatz bei einer Lambdaregelung vor und erlaubt eine gute Kompensation auftretender Störeinflüsse durch geeignete Umschaltung des Reglerverhaltens.
  • Aus der DE 19844994 A1 wird im Zusammenhang einer Dynamik-Diagnose einer Lambda-Sonde eine Kompensation des dynamischen Verhaltens der Lambda-Sonde beschrieben, wobei eine adaptierbare Rückkopplung auf den Lambda-Regler vorgesehen ist. Beschrieben wird u. a. ein Block BL1, in dem ein Modell der Regelstrecke hinterlegt ist, welcher eine Kompensation des dynamischen Verhaltens der Regelstrecke erlaubt. Aus dieser Kompensation des Streckenverhaltens können Rückschlüsse auf eine Veränderung der Verzögerungszeit der Lambdasonde gezogen werden.
  • Die DE 10 2008 001 569 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Adaption eines Dynamikmodells einer Abgassonde, die Bestandteil eines Abgaskanals einer Brennkraftmaschine ist und mit der ein Lambdawert zur Regelung einer Luft-Kraftstoff-Zusammensetzung bestimmt wird, wobei in einer Steuereinrichtung bzw. in einer Diagnoseeinrichtung der Brennkraftmaschine parallel dazu ein simulierter Lambdawert berechnet wird und von einer Anwenderfunktion sowohl der simulierte als auch der gemessene Lambdawert verwendet wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass im laufenden Fahrzeugbetrieb durch Auswerten einer Signaländerung bei Anregung des Systems ein Sprungverhalten der Abgassonde bestimmt und anhand dieser Ergebnisse das Dynamikmodell der Abgassonde adaptiert wird. Die Erfindung dient der Ermittlung des tatsächlichen Ansprechverhaltens der Abgassonde und der Korrektur der Modellparameter des berechneten Lambdawertes, und somit zur Verbesserung der Übereinstimmung von gemessenem und modelliertem Lambdawert, solange dies aus Sicht der Anwenderfunktion noch sinnvoll erscheint. Dazu werden die Ergebnisse der Sprungantworten gesammelt und nach bestimmten Kriterien in Kategorien sortiert. Hauptkriterium kann dabei der Abgasmassenstrom sein, da das Ansprechverhalten der Abgassonde und die Gaslaufzeit im Wesentlichen von dieser Größe abhängen.
  • Eine Adaption an unterschiedlich verbaute Abgassonden, mit der Zielsetzung einen universellen Regler nutzen zu können, wird in den o. g. Schriften nicht offenbart.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelstreckenmodifikation bereitzustellen, mit dem ein universeller Regler eingesetzt und damit eine Anpassung an unterschiedlich verbaute Abgassonden ermöglicht werden kann.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mittels einer reinen Softwareanpassung das Regelverhalten des Lambdareglers an den Aufbau unterschiedlicher Abgassonden und deren Dynamikcharakteristik adaptiert wird.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Lambdaregler als digitaler PID-Regler ausgebildet ist und mittels einer reinen Softwareanpassung das Regelverhalten des Lambdareglers an den Aufbau unterschiedlicher Abgassonden und deren Dynamikcharakteristik adaptierbar ist, wobei diese Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit seinen Varianten aufweist.
  • Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens können unterschiedliche, im Markt erhältliche Abgassonden mit ein und derselben Steuergerätehardware betrieben werden. Die unterschiedlichen Dynamikcharakteristika der Abgassonden werden dabei durch verschiedene adaptierbare Rückkopplungen nachgebildet. Dies ist besonders im Hinblick auf eine standardisierte Hardware-Plattform bei Motorsteuergeräten für Brennkraftmaschinen und damit hinsichtlich der Kosten von Vorteil. Zudem können während des Betriebs stabilisierende Maßnahmen durch die Softwareanpassung, entsprechend den Erfordernissen, durchgeführt werden.
  • Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass als Lambdaregler ein digitaler PID-Regler verwendet und ein Ausgangssignal des Reglers zurückgekoppelt und zum Eingangsdifferenzsignal addiert wird, wobei der gesamte Reglerausgang oder Teile der Reglercharakteristik des Reglers mit einem vorbestimmbaren Verstärkungsfaktor multipliziert und zurückgekoppelt werden. Mit dieser Maßnahme können beispielsweise Instabilitäten, die bei bestimmten Abgassonden aufgrund Ihrer Bauart auftreten können, kompensiert und entsprechend ausgeregelt werden. Zusatzbeschaltungen an der Abgassonde bzw. zwischen Abgassonde und Lambdaregler, wie beispielsweise RC-Glieder, können dabei entfallen. Die stabilisierende Wirkung kann komplett durch den digitalen PID-Regler nachgebildet werden. Neben dem Entfall derartiger RC-Glieder kann auch auf Abschaltvorrichtungen, welche zusätzliche Restströme verursachen können, verzichtet werden, die ansonsten erforderlich wären, um unterschiedliche Abgassonden an einem Lambdaregler zu betreiben. Zudem können Störeinflüsse auf eine Innerwiderstandsmessung der Abgassonde beim Abgleich und/ oder auf einen Referenzpumpstrom der Abgassonde vermieden werden.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass als Teil der Reglercharakteristik ein PI-, PD-, DI-, P-, I- oder D-Anteil zurück gekoppelt wird. Welcher Teil der Reglercharakteristik zurückgekoppelt wird, hängt vom angeschlossenen Sondentyp ab. Simulationen können hierbei helfen, den optimalen Rückkopplungsfall für jeden Sondentyp zu bestimmen. So konnte beispielsweise beim Einsatz einer Sonde mit großer Totzeit ermittelt werden, dass eine Rückkopplung des P-Anteils im Zusammenspiel mit einem D-Anteil für derartige Abgassonden zu den besten Ergebnissen für die Reglerstabilität führten. Für andere Sonden mit anderer Charakteristik können derartige Rückkopplungen auch ganz zurückgenommen oder nur zu einem kleinen Teil angewendet werden. Damit kann recht kostengünstig die Regelstrecke an nahezu alle im Markt befindlichen Abgassonden-Typen angepasst werden, was vorteilhaft hinsichtlich einer hohen Flexibilität sowohl beim Fahrzeughersteller als auch beim Reparaturfachhandel ist.
  • Dabei ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass das Ausgangssignal des digitalen PID-Reglers mit einem applizierbaren Faktor kleiner 1 zurückgekoppelt wird und die Rückkopplung in einem nächsten Zeitschritt des digitalen PID-Reglers berücksichtigt wird. Dies kann sich besonders vorteilhaft auf die Lambdaregelung auswirken.
  • Bei Applikationen mit bestimmten Abgassonden können sich Stabilisierungsprobleme ergeben, welche von einer Gaslauf-Totzeit der Regelstrecke dieses Sondentyps verursacht wird. Eine Hardware-Abhilfemaßnahme in Form eines Hochpasses zwischen einer APE-Elektrode und einer Referenz-Elektrode (RE) der Abgassonde sowie ein hoher D-Anteil würde das Problem beheben. Allerdings ist die Auswertung in diesem Fall recht störempfindlich. Daher sieht eine vorteilhafte Verfahrensvariante vor, dass als Abgassonde eine Breitband-Lambdasonde mit einer Nernst-Zelle und einer Pumpzelle verwendet wird, wobei die Totzeit infolge der Gaslaufzeit mittels einer direkten elektrischen Rückkopplung kompensiert wird, welche eine Pumpstromänderung an der Pumpzelle unmittelbar proportional und integrierend an eine Referenzelektrode weitergibt. Das stabilisiert die Pumpstromregelung, ohne dass dafür eine zusätzliche Beschaltung oder ein D-Anteil erforderlich ist.
  • Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens, wie es zuvor in seinen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz zur Regelstreckenmodifikation bei einem Lambda-Auswerte-ASIC vor, der als digitaler PID-Regler als Bestandteil einer Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Ein derartiger Lambda-Auswerte-ASIC ist beispielsweise als „CJ 135 Lambda Probe Interface IC“ von der Anmelderin bekannt, an dem unterschiedliche Abgassonden angeschlossen werden können und im Allgemeinen Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung sein kann. Zusätzliche Beschaltungen sind bei Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens nicht nötig, falls bei der Herstellung des Fahrzeugs unterschiedliche Abgassonden von verschiedenen Herstellern verbaut werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 in schematischer Darstellung eine digitale Regelstrecke mit einem rückgekoppelten Anteil.
  • 1 zeigt ausschnittsweise einen Lambdaregler 1, an dem eine Abgassonde angeschlossen werden kann. Derartige Lambdaregler 1 sind beispielsweise als „CJ 135 Lambda Probe Interface IC“ bekannt. Dieser beinhaltet einen PID-Regler 10, der einen P-Reglerstrang 14 für einen proportionalen Anteil, einen I-Reglerstrang 15 für einen Integral-Anteil und einen D-Reglerstrang 16 für einen Differential-Anteil in seiner Regelstrecke aufweist, welche ausgangsseitig mittels eines Addierers 17 zusammengefasst werden und als Ausgangssignal 18 zur Verfügung stehen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, wie dies das Beispiel in 1 zeigt, dass eine Rückkopplung 19 des P-Anteils des PID-Reglers 10 auf eine Eingangsgröße 11 aufgeschaltet wird, wobei der P-Anteil des PID-Reglers 10 in einer Verstärkungseinheit 20 mit einem applizierbaren Faktor, üblicherweise kleiner 1, multipliziert, mittels eines Integrierers 21 integriert und von der Eingangsgröße 11 mittels eines Subtrahierers 13 abgezogen wird.
  • Die o. g. Funktionalität ist besonders vorteilhaft als reine Softwarelösung im Lambdaregler 1 implementiert.
  • Eine typische Applikation beschreibt das folgende Anwendungsbeispiel. Abgassonden von bestimmten Anbietern können üblicherweise an einem PID-Digitalregler, wie z.B. den bereits oben erwähnte CJ 135 Baustein, nur mit zusätzlicher RC-Beschaltung stabil betrieben werden. Andere Abgassonden, u. a. auch solche der Anmelderin, benötigen dagegen diesen Hochpass nicht. Andererseits können diese Sonden nicht mit diesem Hochpass betrieben werden, weil dadurch die Innenwiderstandsmessung unzulässig beeinträchtigt wird. Da von den Fahrzeugherstellern eine einheitliche Steuergerätehardware für alle Sonden gefordert wird, muss der Hochpass mit einer Abschalteinrichtung versehen werden. Dies ist mit weiteren, bereits oben erwähnten Nachteilen verbunden. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, bei der eine stabilisierende Wirkung der Regelstrecke nachgebildet wird, können auch ohne zusätzliche elektrische Beschaltungen o. g. Abgassonden an dem CJ 135 Baustein betrieben werden. Die Anpassung des Steuergerätes an den Sondentyp ist nun durch eine reine Softwareanpassung möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • DE 19844994 A1 [0008]
    • DE 102008001569 A1 [0009]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Regelstreckenmodifikation eines Lambdareglers (1), welcher eingangsseitig mit einer Abgassonde in Verbindung steht und wobei sich ein in Folge der Sondenkonstruktion, einer Exemplarstreuung, einer variablen Sondentemperatur oder einer Alterung änderndes Dynamikverhalten und/ oder Totzeitverhalten berücksichtigt und das Regelverhalten des Lambdareglers (1) entsprechend angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer reinen Softwareanpassung das Regelverhalten des Lambdareglers (1) an den Aufbau unterschiedlicher Abgassonden und deren Dynamikcharakteristik adaptiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lambdaregler (1) ein digitaler PID-Regler (10) verwendet und ein Ausgangssignal (18) des Reglers zurückgekoppelt und zum Eingangsdifferenzsignal addiert wird, wobei der gesamte Reglerausgang oder Teile der Reglercharakteristik des Reglers mit einem vorbestimmbaren Verstärkungsfaktor multipliziert und zurückgekoppelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Teil der Reglercharakteristik ein PI-, PD-, DI-, P-, I- oder D-Anteil zurück gekoppelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des digitalen PID-Reglers (10) mit einem applizierbaren Faktor kleiner 1 zurückgekoppelt wird und die Rückkopplung (19) in einem nächsten Zeitschritt des digitalen PID-Reglers (10) berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassonde eine Breitband-Lambdasonde mit einer Nernst-Zelle und einer Pumpzelle verwendet wird, wobei eine Totzeit infolge einer Gaslaufzeit mittels einer direkten elektrischen Rückkopplung (19) kompensiert wird, welche eine Pumpstromänderung an der Pumpzelle unmittelbar proportional und integrierend an eine Referenzelektrode weitergibt.
  6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Regelstreckenmodifikation bei einem Lambda-Auswerte-ASIC, der als digitaler PID-Regler (10) als Bestandteil einer Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung zur Regelstreckenmodifikation eines Lambdareglers (1), welcher eingangsseitig mit einer Abgassonde in Verbindung steht und wobei sich ein in Folge der Sondenkonstruktion, einer Exemplarstreuung, einer variablen Sondentemperatur oder einer Alterung änderndes Dynamikverhalten und/ oder Totzeitverhalten berücksichtigt und das Regelverhalten des Lambdareglers (1) entsprechend angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdaregler (1) als digitaler PID-Regler (10) ausgebildet ist und mittels einer reinen Softwareanpassung das Regelverhalten des Lambdareglers (1) an den Aufbau unterschiedlicher Abgassonden und deren Dynamikcharakteristik adaptierbar ist, wobei dieser Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Verfahrensansprüchen 1 bis 5 aufweist.
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