DE102012019907A1

DE102012019907A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie entsprechende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012019907A1
Application number: DE102012019907.4A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: US9441562B2; CN104718365A; JP5959752B2; US20150260118A1; WO2014056625A3; JP2015531452A; WO2014056625A2; CN104718365B; DE102012019907B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (2) mit einer Abgasreinigungseinrichtung (1), wobei die Abgasreinigungseinrichtung (1) einen von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine (2) durchströmbaren Katalysator (4) sowie eine stromaufwärts des Katalysators (4) in dem Abgasstrom angeordnete erste Lambdasonde (5) und eine stromabwärts des Katalysators (4) in dem Abgasstrom angeordnete zweite Lambdasonde (6) aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass ein Sauerstoffbefüllungszustand eines Sauerstoffspeichers des Katalysators (4) anhand eines von der ersten Lambdasonde (5) bereitgestellten ersten Lambdasignals sowie einer Offsetgröße (Δλ) bestimmt, bei Unterschreiten einer Lambdasignaluntergrenze durch ein von der zweiten Lambdasonde (6) bereitgestelltes zweites Lambdasignal auf einen einem leeren Sauerstoffspeicher entsprechenden ersten Wert und/oder bei Überschreiten einer Lambdasignalobergrenze durch das zweite Lambdasignal auf einen einem vollen Sauerstoffspeicher entsprechenden zweiten Wert gesetzt und unmittelbar anschließend während wenigstens eines Regelzeitraums auf einen Vorgabebefüllungszustand geregelt wird, wobei am Ende des Regelzeitraums die Offsetgröße (Δλ) anhand des zweiten Lambdasignals angepasst wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungseinrichtung, wobei die Abgasreinigungseinrichtung einen von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine durchströmbaren Katalysator sowie eine stromaufwärts des Katalysators in dem Abgasstrom angeordnete erste Lambdasonde und eine stromabwärts des Katalysators in dem Abgasstrom angeordnete zweite Lambdasonde aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.
Das Verfahren dient dem Betreiben der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Abgasreinigungseinrichtung, welche der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Mit Hilfe der Abgasreinigungseinrichtung wird von der Brennkraftmaschine ausgestoßenes, bei einer Verbrennung von Kraftstoff entstehendes Abgas wenigstens teilsweise von Schadstoffen gereinigt. Zu diesem Zweck weist die Abgasreinigungseinrichtung wenigstens einen Katalysator auf, der von dem Abgas der Brennkraftmaschine in Form des Abgasstroms durchströmbar ist. Der Abgasreinigungseinrichtung sind weiterhin zwei Lambdasonden zugeordnet, wobei die erste Lambdasonde stromaufwärts des Katalysators und die zweite Lambdasonde stromabwärts des Katalysators derart angeordnet ist, dass der Sauerstoffgehalt des Abgases an der jeweiligen Position stromaufwärts beziehungsweise stromabwärts des Katalysators bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck ragen sowohl die erste Lambdasonde als auch die zweite Lambdasonde in den Abgasstrom hinein. Die erste Lambdasonde stellt ein erstes Lambdasignal und die zweite Lambdasonde ein zweites Lambdasignal zur Verfügung, wobei aus ersterem ein erster Lambdawert und aus letzterem ein zweiter Lambdawert bestimmt werden kann.
Der Katalysator verfügt über einen Sauerstoffspeicher beziehungsweise arbeitet selbst als solcher. Das bedeutet, dass bei Vorliegen von magerem Abgas – also im Falle eines Sauerstoffüberschusses bei der Verbrennung mit λ größer Eins – Sauerstoff aus dem Abgas in den Sauerstoffspeicher übergeht und in diesem zwischengespeichert wird. Liegt dagegen fettes Abgas – resultierend aus der Verbrennung mit Kraftstoffüberschuss mit λ kleiner Eins – vor, so wird dem Sauerstoffspeicher zuvor gespeicherter Sauerstoff entnommen. Auf diese Weise wird zumindest über einen bestimmten Zeitraum sichergestellt, dass das zur Abgasreinigung notwendige stöchiometrische Verhältnis mit λ = 1 wenigstens näherungsweise bereitgestellt werden kann. Entsprechend kann die Güte des Katalysators beispielsweise anhand der Sauerstoffspeicherkapazität bestimmt werden. Bevorzugt wird die Sauerstoffspeicherkapazität periodisch bestimmt.
Insbesondere die vor dem Katalysator angeordnete erste Lambdasonde weist häufig lediglich eine geringe Genauigkeit auf. Beispielsweise weicht das von ihr bereitgestellte erste Lambdasignal um einen bestimmten Wert, den sogenannten Offset, von den tatsächlich an der Stelle der ersten Lambdasonde vorliegenden Verhältnissen in dem Abgas ab. Aufgrund dieses Fehlers kann es vorkommen, dass die Brennkraftmaschine auf eine Gemischzusammensetzung eines der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs eingestellt wird, welche von derjenigen abweicht, die zum Erzielen einer guten beziehungsweise besseren Konvertierungsleistung in dem Katalysator notwendig wäre. Entsprechend ist es das Ziel, den Fehler der ersten Lambdasonde beziehungsweise den Offset möglichst schnell auszugleichen. Dies kann beispielsweise mittels eines Reglers erfolgen, welcher das von der zweiten Lambdasonde bereitgestellte zweite Lambdasignal auf einen Lambdasollwert regelt. Diese Regelung kann jedoch lediglich mit einer äußerst geringen Regelgeschwindigkeit durchgeführt werden, weil bei der Verwendung einer höheren Regelgeschwindigkeit Regelschwingungen auftreten, die wiederum ihrerseits zu einer schlechteren Konvertierungsleistung des Katalysators führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorzustellen, welches den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere stets eine hohe Konvertierungsleistung des Katalysators erzielt, wozu das unter Umständen fehlerbehaftete erste Lambdasignal der ersten Lambdasonde korrigiert wird.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass ein Sauerstoffbefüllungszustand eines Sauerstoffspeichers des Katalysators anhand eines von der ersten Lambdasonde bereitgestellten ersten Lambdasignals sowie einer Offsetgröße bestimmt, bei Unterschreiten einer Lambdasignaluntergrenze durch ein von der zweiten Lambdasonde bereitgestelltes zweites Lambdasignal auf einen einem leeren Sauerstoffspeicher entsprechenden ersten Wert und/oder bei Überschreiten einer Lambdasignalobergrenze durch das zweite Lambdasignal auf einen einem vollen Sauerstoffspeicher entsprechenden zweiten Wert gesetzt und unmittelbar anschließend während wenigstens eines Regelzeitraums auf einen Vorgabebefüllungszustand geregelt wird, wobei am Ende des Regelzeitraums die Offsetgröße anhand des zweiten Lambdasignals angepasst wird. Der Sauerstoffbefüllungszustand des Sauerstoffspeichers wird beispielsweise mittels eines Modells ermittelt. Dabei wird bevorzugt ausgehend von einem Ausgangswert eine Integration eines Sauerstoffeintrags in den Katalysator beziehungsweise eines Sauerstoffaustrags aus dem Katalysator vorgenommen.
Entsprechend hängt die Genauigkeit des Sauerstoffbefüllungszustands stark von der Genauigkeit des ersten Lambdasignals ab. Weil dieses, wie eingangs beschrieben, häufig mit einem Offset beaufschlagt ist, wird das erste Lambdasignal mit der Offsetgröße korrigiert. In den Sauerstoffbefüllungszustand fließt mithin eine Größe ein, welche aus dem ersten Lambdasignal sowie der Offsetgröße bestimmt ist, beispielsweise durch Addition. Durch das integrale Bestimmen des Sauerstoffbefüllungszustands integriert sich auch die Abweichung des ersten Lambdasignals von den tatsächlich in dem Abgas vorliegenden Verhältnissen, sodass der Fehler des Sauerstoffbefüllungszustands über die Zeit anwächst. Dies wird wenigstens teilweise durch die Verwendung der Offsetgröße verhindert, weil diese – nach entsprechender Festlegung – das erste Lambdasignal in Richtung der tatsächlich vorliegenden Verhältnisse korrigiert.
Entsprechend ist es jedoch notwendig, die Offsetgröße zu bestimmen, um eine zuverlässige und genaue Korrektur des ersten Lambdasignals vornehmen zu können. Bei diesem Bestimmen wird der Effekt ausgenutzt, dass für den Fall, dass das erste Lambdasignal den Offset aufweist und entsprechend zum Erreichen eines gewünschten Sauerstoffbefüllungszustands eine Gemischzusammensetzung an der Brennkraftmaschine eingestellt, welche von dem stöchiometrischen Verhältnis bei λ = 1 abweicht, die zweite Lambdasonde zumindest nach einer bestimmten Zeitspanne entweder Luftmangel oder Luftüberschuss in dem Abgas anzeigt. Mithin erlaubt das zweite Lambdasignal einen genaueren Schluss hinsichtlich des Befüllungszustands des Sauerstoffspeichers des Katalysators als das mit dem Offset behaftete erste Lambdasignal.
Unterschreitet nun das zweite Lambdasignal die Lambdasignaluntergrenze, so wird der Sauerstoffbefüllungszustand auf den ersten Wert gesetzt, welcher dem leeren Sauerstoffspeicher entspricht. Überschreitet dagegen das zweite Lambdasignal die Lambdasignalobergrenze, so wird der Sauerstoffbefüllungszustand auf den zweiten Wert gesetzt. Dieser entspricht dem vollen Sauerstoffspeicher. Die Lambdasignaluntergrenze und die Lambdasignalobergrenze werden üblicherweise verschieden gewählt und sind beispielsweise konstant. Selbstverständlich können sie jedoch in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine gewählt werden. Der Sauerstoffbefüllungszustand des Sauerstoffspeichers wird also auf einen definierten Wert zurückgesetzt, welcher mittels des zweiten Lambdasignals sicher festgestellt wurde. Unterschreitet nämlich das zweite Lambdasignal die Lambdasignaluntergrenze, so kann davon ausgegangen werden, dass der Sauerstoffspeicher tatsächlich leer ist. Entsprechend kann analog bei Überschreiten der Lambdasignalobergrenze von einem vollen Sauerstoffspeicher ausgegangen werden. Der Zeitpunkt, zu dem ein solches Zurücksetzen des Sauerstoffbefüllungszustands erfolgt, wird zwischengespeichert, beispielsweise von einem Steuergerät, mittels welchem das Verfahren durchgeführt wird.
Nach diesem Zurücksetzen des Sauerstoffbefüllungszustands wird die an der Brennkraftmaschine eingestellte Gemischzusammensetzung derart gesteuert und/oder geregelt, dass sich über den Regelzeitraum hinweg der Vorgabebefüllungszustand an dem Sauerstoffspeicher einstellt, wobei der beispielsweise mit Hilfe des Modells ermittelte Sauerstoffbefüllungszustand mit dem Vorgabebefüllungszustand übereinstimmt. Bevorzugt liegt der Vorgabebefüllungszustand zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert, beispielsweise genau mittig zwischen diesen beiden Werten, insbesondere also bei einem Sauerstoffbefüllungszustand von 50%. Das Regeln erfolgt üblicherweise anhand des ersten Lambdasignals, welches die in dem Abgas vorliegenden Verhältnisse stromaufwärts des Katalysators wiedergibt. Während des Regelzeitraums wird also die Bilanzierung des Sauerstoffbefüllungszustands gemäß den vorstehenden Ausführungen weiterhin vorgenommen, allerdings ausgehend von dem zu Beginn des Regelzeitraums festgelegten Sauerstoffbefüllungszustand, nämlich entweder dem ersten Wert oder dem zweiten Wert. Es soll darauf hingewiesen werden, dass der auf diese Art und Weise bestimmte Sauerstoffbefüllungszustand nicht notwendigerweise mit dem tatsächlich in dem Sauerstoffspeicher vorliegenden Sauerstoffbefüllungszustand übereinstimmt.
Am Ende des Regelzeitraums wird nun die Offsetgröße anhand des zweiten Lambdasignals angepasst. Gibt die aus dem ersten Lambdasignal und der Offsetgröße bestimmte Größe die in dem Abgas vor dem Katalysator vorliegenden Verhältnisse im Wesentlichen genau wieder, so liegt am Ende des Regelzeitraums ein tatsächlicher Sauerstoffbefüllungszustand vor, welcher dem Vorgabebefüllungszustand entspricht. Das bedeutet, dass in dem Sauerstoffspeicher eine bestimmte Menge Sauerstoff gespeichert ist. Entsprechend wird das zweite Lambdasignal, im Wesentlichen unabhängig von dem ersten Lambdasignal, ein stöchiometrisches Verhältnis in dem Abgas stromabwärts des Katalysators anzeigen. Ist dies der Fall, so ist keine Korrektur der Offsetgröße notwendig, es erfolgt also allenfalls eine Anpassung der Offsetgröße, bei welcher diese nicht oder lediglich geringfügig verändert wird.
Zeigt dagegen das zweite Lambdasignal einen Sauerstoffmangel oder einen Sauerstoffüberschuss, so entspricht zwar der rechnerisch bestimmte Sauerstoffbefüllungszustand dem Vorgabebefüllungszustand, der Sauerstoffspeicher ist jedoch tatsächlich entweder vollständig gefüllt oder vollständig geleert. Entsprechend kann darauf geschlossen werden, dass die Kombination aus dem ersten Lambdasignal und der Offsetgröße die tatsächlich in dem Abgas vorliegenden Verhältnisse nicht wiedergibt. Die Offsetgröße wird somit mit einem Wert korrigiert, welcher davon abhängt, ob das zweite Lambdasignal größer als Eins oder kleiner als Eins ist. Bevorzugt erfolgt das Anpassen lediglich dann, wenn das zweite Lambdasignal die Lambdasignaluntergrenze unterschreitet oder die Lambdasignalobergrenze überschreitet, insbesondere diese weiterhin unterschreitet beziehungsweise überschreitet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Anpassen der Offsetgröße diese um einen Differenzwert inkrementiert wird, wenn das zweite Lambdasignal am Ende des Regelzeitraums einer mageren Gemischzusammensetzung entspricht, und/oder um den Differenzwert dekrementiert wird, wenn das zweite Lambdasignal am Ende des Regelzeitraums einer fetten Gemischzusammensetzung entspricht. Wird mit Hilfe der zweiten Lambdasonde also ein Luftüberschuss festgestellt, so wird die Offsetgröße um den Differenzwert vergrößert. Bei Vorliegen eines Sauerstoffmangels stromabwärts des Katalysators wird sie dagegen um den Differenzwert verkleinert. Der Differenzwert kann dabei konstant sein oder in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße oder einer Zustandsgröße der Brennkraftmaschine variabel festgelegt sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Lambdadifferenzgröße aus dem Vorgabebefüllungszustand, einem Abgasmassenstrom und der Dauer des Regelzeitraums bestimmt wird. Die Lambdadifferenzgröße gibt zumindest näherungsweise die Differenz zwischen der Kombination aus dem ersten Lambdasignal und der Offsetgröße zu den tatsächlich in dem Abgas vorliegenden Verhältnissen an. Beispielsweise stellt die Lambdadifferenzgröße eine Mindestabweichung dar. Der Vorgabebefüllungszustand ist derjenige Zustand, auf welchen der Sauerstoffspeicher des Katalysators innerhalb des Regelzeitraums eingestellt beziehungsweise geregelt werden soll. Er gibt mithin die Menge des Sauerstoffs an, welche nach dem Regelzeitraum in dem Sauerstoffspeicher zwischengespeichert sein soll.
Der Abgasmassenstrom beschreibt die Menge, insbesondere die Masse, des Abgases pro Zeiteinheit, welche durch den Katalysator hindurchströmt. Aus dem Abgasmassenstrom und der Dauer des Regelzeitraums kann also die Masse des Abgases bestimmt werden, welche innerhalb des Regelzeitraums den Katalysator durchströmt. Die Masse des in dem Sauerstoffspeicher zumindest theoretisch gespeicherten Sauerstoffs ergibt sich aus der Beziehung m_O2 = (λ – 1)·m .·Δt, wobei λ einem Lambdawert, m . dem Abgasmassenstrom und Δt der Dauer des Regelzeitraums entspricht. Die Lambdadifferenzgröße Δλ kann nun beispielsweise aus der Beziehung
ermittelt werden, wobei die verwendeten Größen den vorstehend definierten entsprechen. Als Grundlage für die Ermittlung wird die Sauerstoffmassendifferenz Δm_O2 herangezogen, die die Masse des Sauerstoffs beschreibt, die während des Regelzeitraums in den Sauerstoffspeicher eingetragen beziehungsweise aus ihm ausgetragen werden soll. Sie entspricht also vorzugweise dem Vorgabebefüllungszustand oder wird zumindest aus diesem bestimmt.
Bei Betrachtung der Beziehung wird deutlich, dass die Lambdadifferenzgröße minus Eins, also Δλ – 1, reziprok sowohl zu dem Abgasmassenstrom als auch zu der Dauer des Regelzeitraums ist, während sie proportional zu der Sauerstoffmassendifferenz ist. Letztere wird beispielsweise lediglich in Abhängigkeit von dem verwendeten Katalysator beziehungsweise der Sauerstoffspeicherkapazität des Sauerstoffspeichers gewählt, ist also vorzugsweise für aufeinanderfolgende Regelzeiträume konstant. Ist auch die Dauer des Regelzeitraums konstant, so hängt die Größe Δλ – 1 also im Wesentlichen von dem Abgasmassenstrom ab.
Die Lambdadifferenzgröße kann beispielsweise am Ende des Regelzeitraums aus einem zeitlichen Mittel des Abgasmassenstroms über dem Regelzeitraum bestimmt werden. Alternativ kann selbstverständlich auch eine hinsichtlich des Abgasmassenstroms zeitlich aufgelöste Bestimmung der Lambdadifferenzgröße durch Integrieren beziehungsweise Aufaddieren zu bestimmten Zeitpunkten während des Regelzeitraums vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Bestimmung der Lambdadifferenzgröße nochmals verbessert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Differenzwert konstant ist oder in Abhängigkeit von der Lambdadifferenzgröße und/oder in Abhängigkeit von einem Gradient des zweiten Lambdasignals in dem Regelzeitraum bestimmt wird. Der Differenzwert, mittels welchem die Offsetgröße angepasst wird, kann also konstant gewählt werden. Beispielsweise wird er in Abhängigkeit von dem Vorzeichen des zweiten Lambdasignals am Ende des Regelzeitraums zu der bisherigen Offsetgröße hinzuaddiert oder von dieser abgezogen. Mit einem konstanten Differenzwert ist jedoch keine Adaption, beispielsweise in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der aus zweitem Lambdasignal und Offsetgröße bestimmten Größe zu den tatsächlich in dem Abgas vorliegenden Verhältnissen, möglich. Daher wird der Differenzwert bevorzugt variabel in Abhängigkeit von wenigstens einer Größe bestimmt.
Eine derartige Größe ist zum Beispiel die Lambdadifferenzgröße, der der Differenzwert entsprechen kann. Zusätzlich oder alternativ hängt der Differenzwert von dem Gradient des zweiten Lambdasignals ab. Wenn die tatsächlich in dem Abgas stromabwärts des Katalysators vorliegenden Verhältnisse noch weit von einem stöchiometrischen Verhältnis entfernt sind, folgt aus dem Regeln auf den Vorgabebefüllungszustand während des Regelzeitraums ein großer Gradient des zweiten Lambdasignals. Dies ist damit zu begründen, dass der Sauerstoffspeicher in einem deutlich von dem stöchiometrischen Verhältnis abweichenden Bereich allenfalls eine geringe Wirkung aufweist. Befinden sich die tatsächlichen Verhältnisse allerdings schon in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses, ist λ also bereits näherungsweise gleich Eins, so ist der Effekt des Sauerstoffspeichers deutlich größer. Somit reagiert das zweite Lambdasignal mit einem kleineren Gradienten auf die Veränderung der Gemischzusammensetzung zum Regeln auf den Vorgabebefüllungszustand. Beispielsweise wird ein während des Regelzeitraums vorliegender Maximalwert des Gradienten zum Bestimmen des Differenzwerts herangezogen. Alternativ kann selbstverständlich auch ein zeitlicher Mittelwert des Gradienten über den Regelzeitraum hinweg Verwendung finden.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Differenzwert mittels eines Reglers bestimmt wird, der wenigstens ein Proportionalglied, ein Integralglied und/oder ein Differentialglied aufweist. Diese Art der Bestimmung des Differenzwerts findet insbesondere Anwendung, wenn der Differenzwert variabel ist, also beispielsweise von der Lambdadifferenzgröße und/oder dem Gradient des zweiten Lambdasignals abhängt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Dauer des Regelzeitraums konstant ist oder in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, insbesondere dem ersten Lambdasignal und/oder dem zweiten Lambdasignal, gewählt wird. Die Dauer des Regelzeitraums ist – wenn er konstant gewählt ist – stets größer als Null und beträgt beispielsweise mindestens 1 s, mindestens 2 s, mindestens 3 s, mindestens 4 s oder mindestens 5 s. Alternativ kann auch eine variable Wahl der Dauer vorgesehen sein, beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebsgröße. Als solche wird dabei vorzugweise zumindest eines der beiden Lambdasignale verwendet, insbesondere das zweite Lambdasignal der stromabwärts des Katalysators angeordneten zweiten Lambdasonde. Beispielsweise wird zu Beginn des Regelzeitraums ein Ausgangswert des Lambdasignals gemerkt, der Ausgangswert also gleich dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Lambdasignal gesetzt. Während des Regelzeitraums wird kontinuierlich oder in Intervallen ein Differenzwert des aktuellen Lambdasignals von dem Ausgangswert bestimmt. Der Maximalwert des Differenzwerts während des Regelzeitraums wird in Form eines Maximaldifferenzwerts festgehalten; also je nachdem ob der Sauerstoffbefüllungszustand auf den ersten oder den zweiten Wert gesetzt wird ein Minimalwert oder ein Maximalwert des Lambdasignals.
Stimmt das mit der Offsetgröße korrigierte Lambdasignal mit den tatsächlichen Verhältnissen nicht überein, so sich wird das Lambdasignal nach Überschreiten der Maximaldifferenz wieder in Richtung des Ausgangswerts verändern. Unterschreitet der (momentanen) Differenzwert den Maximaldifferenzwert oder überschreitet eine Differenz zwischen dem (momentanen) Differenzwert und dem Maximaldifferenzwert einen bestimmten Schwellenwert, der von Null verschieden ist, so wird der Regelzeitraum beendet und die Offsetgröße wie beschrieben angepasst. Weil aufgrund des Verlaufs des Differenzwerts darauf geschlossen werden kann, dass der Offset mittels der Offsetgröße nicht vollständig kompensiert wurde, wird bevorzugt sogleich das Vorgehen wiederholt, also der Sauerstoffbefüllungszustand auf den ersten Wert oder den zweiten Wert gesetzt sowie während eines weiteren Regelzeitraums erneut auf den Vorgabebefüllungszustand geregelt und am Ende des weiteren Regelzeitraums die Offsetgröße (falls notwendig) korrigiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erste Lambdasonde eine Breitbandlambdasonde und/oder als zweite Lambdasonde eine Sprunglambdasonde verwendet wird. Die Sprunglambdasonde hat im Vergleich zu der Breitbandlambdasonde lediglich ein relativ kleines Lambdafenster, innerhalb welchem sich das Lambdasignal verändert. Beispielsweise liegt das Lambdafenster der Sprunglambdasonde in einem Bereich von ungefähr 0,98 bis 1,02, innerhalb welchem sich das von der Lambdasonde gelieferte Lambdasignal verändert. Außerhalb dieses Lambdafensters bleibt das Lambdasignal dagegen konstant. Mit Hilfe der Breitbandlambdasonde kann dagegen ein Lambdafenster abgedeckt werden, welches um ein Mehrfaches größer ist als das Lambdafenster der Sprunglambdasonde. Beispielsweise liegt das Lambdafenster der Breitbandlambdasonde in einem Bereich, welcher von einer unteren Schranke und einer oberen Schranke begrenzt wird, wobei die untere Schranke beispielsweise bei 0,8 bis 0,9 und die obere Schranke bei 1,1 bis 1,2 liegt. Selbstverständlich können beide Lambdasonden entweder als Breitbandlambdasonde oder als Sprunglambdasonde ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist jedoch die erste Lambdasonde als Breitbandlambdasonde und die zweite Lambdasonde als Sprunglambdasonde ausgebildet.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Sauerstoffbefüllungszustand mittels eines Modells, insbesondere integral, aus dem ersten Lambdasignal bestimmt wird. Auf eine derartige Vorgehensweise wurde bereits vorstehend eingegangen. Bevorzugt wird also der Sauerstoffbefüllungszustand allein aufgrund des ersten Lambdasignals bestimmt, sodass das zweite Lambdasignal keine Berücksichtigung findet. Dies reicht aus, um eine Bilanzierung des Sauerstoffeintrags in den Sauerstoffspeicher und des Sauerstoffaustrags aus dem Sauerstoffspeicher aufzustellen. Es kann jedoch ebenso vorgesehen sein, neben dem ersten Lambdasignal auch das zweite Lambdasignal zum Bestimmen des Sauerstoffbefüllungszustands heranzuziehen. Auf diese Art und Weise kann die Genauigkeit nochmals vergrößert werden, weil auch die Menge des den Katalysator verlassenden Sauerstoffs genauer bestimmt werden kann. Ist die zweite Lambdasonde als Sprunglambdasonde ausgebildet, so kann zu diesem Zweck beispielsweise eine Linearisierung des zweiten Lambdasignals durchgeführt werden. Die Ermittlung des Sauerstoffbefüllungszustands erfolgt besonders bevorzugt integral, also ausgehend von einem festgelegten Wert, beispielsweise dem ersten Wert oder dem zweiten Wert, der zum Zurücksetzen des Sauerstoffbefüllungszustands unter den genannten Bedingungen verwendet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Setzen des Sauerstoffbefüllungszustands auf den ersten Wert oder den zweiten Wert sowie das anschließende Regeln auf den Vorgabebefüllungszustand mehrfach durchgeführt wird. Auf diese Art und Weise kann die Offsetgröße schrittweise korrigiert werden, sodass nach dem mehrfachen Durchführen der genannten Schritte die Kombination aus dem ersten Lambdasignal und der Offsetgröße genau oder zumindest nahezu mit den tatsächlich in dem Abgas vorliegenden Verhältnissen übereinstimmt.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Vorgabebefüllungszustand auf einen zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert liegenden Wert gesetzt wird. Zumindest ist vorgesehen, dass der Vorgabebefüllungszustand sowohl von dem ersten Wert als auch dem zweiten Wert abweicht. Bevorzugt ist diese Abweichung möglichst groß, um den durch das Regeln während des Regelzeitraums zu überbrückenden Abstand möglichst groß zu gestalten. Entsprechend wird der Vorgabebefüllungszustand bevorzugt genau zwischen den ersten Wert und den zweiten Wert gesetzt, beispielsweise also auf 50%.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, mit einer Abgasreinigungseinrichtung, wobei die Abgasreinigungseinrichtung einen von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine durchströmbaren Katalysator sowie eine stromaufwärts des Katalysators in dem Abgasstrom angeordnete erste Lambdasonde und eine stromabwärts des Katalysators in dem Abgasstrom angeordnete zweite Lambdasonde aufweist. Dabei ist ein Steuergerät der Brennkraftmaschine dazu ausgebildet, einen Sauerstoffbefüllungszustand eines Sauerstoffspeichers des Katalysators anhand eines von der ersten Lambdasonde bereitgestellten ersten Lambdasignals sowie einer Offsetgröße zu bestimmen, bei Unterschreiten einer Lambdasignaluntergrenze durch ein von der zweiten Lambdasonde bereitgestelltes zweites Lambdasignal auf einen einem leeren Sauerstoffspeicher entsprechenden ersten Wert und/oder bei Überschreiten einer Lambdasignalobergrenze durch das zweite Lambdasignal auf einen einem vollen Sauerstoffspeicher entsprechenden zweiten Wert zu setzen und unmittelbar anschließend während wenigstens eines Regelzeitraums auf einen Vorgabebefüllungszustand zu regeln, wobei am Ende des Regelzeitraums die Offsetgröße anhand des zweiten Lambdasignals angepasst wird. Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits vorstehend eingegangen. Die Brennkraftmaschine sowie das zu deren Betreiben verwendete Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Abgasreinigungseinrichtung mit einem Katalysator sowie einer ersten Lambdasonde und einer zweiten Lambdasonde, und
2 drei Diagramme, wobei in einem ersten Diagramm ein Verlauf eines von der ersten Lambdasonde bereitgestellten ersten Lambdasignals, in einem zweiten Diagramm der Verlauf eines von der zweiten Lambdasonde bereitgestellten zweiten Lambdasignals und in einem dritten Diagramm eine Offsetgröße, jeweils über der Zeit, aufgetragen sind.
Die 1 zeigt einen Bereich einer Abgasreinigungseinrichtung 1, die als Bestandteil einer Brennkraftmaschine 2 vorliegt. Die Abgasreinigungseinrichtung 1 wird in Richtung eines Pfeils 3 von Abgas der Brennkraftmaschine 2 durchströmt. Die Abgasreinigungseinrichtung 1 weist wenigstens einen Katalysator 4 auf, der über einen Sauerstoffspeicher beziehungsweise die Fähigkeit zur Sauerstoffspeicherung verfügt. Bezüglich des Abgases stromaufwärts des Katalysators 4 ist eine erste Lambdasonde 5, stromabwärts eine zweite Lambdasonde 6 vorgesehen. Das von der Brennkraftmaschine 2 kommende Abgas überströmt also zunächst die erste Lambdasonde 5, durchläuft nachfolgend den Katalysator 4 und überströmt schließlich die zweite Lambdasonde 6. Mit Hilfe der ersten Lambdasonde 5 kann mithin der Restsauerstoffgehalt des Abgases vor dem Katalysator 4 und mit Hilfe der zweiten Lambdasonde 6 nach dem Katalysator 4 bestimmt werden.
Anhand eines von der ersten Lambdasonde 5 bereitgestellten ersten Lambdasignals soll nun ein Sauerstoffbefüllungszustand des Sauerstoffspeichers des Katalysators 4 bestimmt werden. Zusätzlich wird dabei eine Offsetgröße Δλ berücksichtigt, mittels welcher ein Offset beziehungsweise ein Offsetfehler der ersten Lambdasonde 5 im Idealfall vollständig ausgeglichen wird. Zum Bestimmen der Offsetgröße Δλ wird insbesondere ein von zweiten Lambdasonde 6 bereitgestelltes zweites Lambdasignal herangezogen. Unterschreitet dieses eine Lambdasignaluntergrenze, so wird der Sauerstoffbefüllungszustand auf einen ersten Wert gesetzt, der einem leeren Sauerstoffspeicher entspricht. Überschreitet dagegen das zweite Lambdasignal eine Lambdasignalobergrenze, so wird er auf einen zweiten Wert gesetzt, der einen vollen Sauerstoffspeicher anzeigt.
Anschließend, insbesondere unmittelbar anschließend, an dieses Zurücksetzen des Sauerstoffbefüllungszustands, wird die Brennkraftmaschine derart betrieben, dass der anhand des ersten Lambdasignals bestimmte Sauerstoffbefüllungszustand über einen Regelzeitraum hinweg auf einen Vorgabebefüllungszustand eingestellt beziehungsweise geregelt wird. Spätestens zum Ende des Regelzeitraums soll also der rechnerisch bestimmte Sauerstoffbefüllungszustand mit dem Vorgabebefüllungszustand übereinstimmen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass der tatsächlich vorliegende Sauerstoffbefüllungszustand ebenfalls gleich dem Vorgabebefüllungszustand ist. Weicht am Ende des Regelzeitraums das zweite Lambdasignal weiterhin von einem stöchiometrischen Verhältnis ab, so wird darauf geschlossen, dass die Kombination aus dem ersten Lambdasignal und der Offsetgröße Δλ die tatsächlich in dem Abgas vorliegenden Verhältnisse nicht wiedergibt. Entsprechend wird die Offsetgröße Δλ anhand des zweiten Lambdasignals angepasst. Die beschriebenen Schritte werden vorzugsweise mehrfach wiederholt, bis das zweite Lambdasignal am Ende des Regelzeitraums einen gewünschten Wert, insbesondere λ = 1, erreicht hat oder zumindest in einem bestimmten Bereich um diesen Wert herum liegt, also beispielsweise weder die Lambdasignaluntergrenze unterschreitet noch die Lambdasignalobergrenze überschreitet. Sowohl die Lambdasignaluntergrenze als auch die Lambdasignalobergrenze sind von Eins verschieden, wobei die Lambdasignaluntergrenze kleiner als Eins und die Lambdasignalobergrenze größer als Eins ist.
Die 2 zeigt drei Diagramme, wobei in dem obersten Diagramm ein Verlauf 7 einen ersten Lambdawert über der Zeit darstellt, wobei sich der erste Lambdawert aus dem von der ersten Lambdasonde 5 bereitgestellten Lambdasignal sowie der Offsetgröße Δλ zusammensetzt. Das mittlere Diagramm zeigt einen Verlauf 8 des von der zweiten Lambdasonde 6 bereitgestellten zweiten Lambdasignals über der Zeit. Während der erste Lambdawert des obersten Diagramms ohne Einheit angegeben ist, liegt das zweite Lambdasignal in der Einzeit Volt vor, stellt also direkt das Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde 6 dar. In dem untersten Diagramm sind zwei Verläufe 9 und 10 dargestellt, wobei der Verlauf 9 die Offsetgröße Δλ über der Zeit und der Verlauf 10 eine Regelgröße über der Zeit wiedergibt. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere die dargestellte Zeitskala, jedoch auch die weiteren Größen rein beispielhaft sind und lediglich zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen.
Für das zweite Lambdasignal ist eine Lambdasignaluntergrenze λ_min beziehungsweise eine entsprechende Spannung U_max festgelegt, welche in dem mittleren Diagramm dargestellt ist. Die Lambdasignaluntergrenze liegt unter einem Lambdasollwert, die Spannung U_max also über einer entsprechenden Sollspannung, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bei etwa 650 mV liegt. Überschreitet nun das zweite Lambdasignal diese Sollspannung, so wird ein Sauerstoffbefüllungszustand auf einen Wert gesetzt, welcher einem leeren Sauerstoffspeicher entspricht. Dies ist zu den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ und t₄ der Fall. Anschließend wird die Gemischzusammensetzung eines der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs derart eingestellt, dass der im Nachfolgenden rechnerisch mittels eines Modells bestimmte Sauerstoffbefüllungszustand auf einen Vorgabebefüllungszustand geregelt wird, welcher beispielsweise 50% des zweiten Werts entspricht, welcher dem vollen Sauerstoffspeicher entspricht. Der Verlauf der entsprechenden Regelgröße ist dem Verlauf 10 zu entnehmen.
Weil die Regelung darauf gerichtet ist, den Sauerstoffbefüllungszustand in Richtung des Vorgabebefüllungszustands zu verändern, also in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dem leeren Sauerstoffspeicher Sauerstoff zuzuführen, wird eine magere Gemischzusammensetzung eingestellt. Dies wirkt sich auf das erste Lambdasignal aus, welches mithin zu den genannten Zeitpunkten stark ansteigt und entsprechend des Verlaufs 10 der Regelgröße ebenso wieder abfällt. Das Regeln wird über einen bestimmten Regelzeitraum durchgeführt, welcher beispielsweise eine Länge von 5 Sekunden aufweist. Die zeitlichen Abstände der Zeitpunkte t₁, t₂ und t₃ entsprechen mithin der Dauer Δt des Regelzeitraums. Am Ende des jeweiligen Regelzeitraums wird die Offsetgröße Δλ anhand des zweiten Lambdasignals angepasst. Das bedeutet, dass das zweite Lambdasignal daraufhin überprüft wird, ob es weiterhin eine von einem stöchiometrischen Verhältnis abweichende Zusammensetzung des Abgases anzeigt. Insbesondere wird daraufhin überprüft, ob das zweite Lambdasignal weiterhin die Lambdasignaluntergrenze beziehungsweise die entsprechende Spannungsobergrenze U_max unterschreitet beziehungsweise überschreitet.
Ist dies der Fall, so wird die Offsetgröße Δλ gemäß dem Verlauf 9 angepasst, wobei dies beispielsweise durch die Addition eines Differenzwerts erfolgt. Dieser Differenzwert kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Lambdadifferenzgröße bestimmt werden, welche sich aus dem Vorgabebefüllungszustand, einem Abgasmassenstrom und der Dauer des Regelzeitraums zusammensetzt. Analog zu dem Verlauf 9 der Offsetgröße Δλ verschiebt sich auch der in dem obersten Diagramm mittels des Verlaufs 7 wiedergegebene erste Lambdawert, der sich aus dem ersten Lambdasignal und der Offsetgröße Δλ zusammensetzt. Es wird deutlich, dass nach mehrmaligem Durchführen der vorstehend beschriebenen Korrektur der erste Lambdawert nahezu 1 beträgt und von seinem Ausgangswert um die Offsetgröße Δλ beabstandet ist.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Dauer Δt des Regelzeitraums konstant. Alternativ kann sie jedoch in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Abgasreinigungseinrichtung variabel bestimmt werden. Als Betriebsgröße wird vorzugsweise das zweite Lambdasignal herangezogen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein zu Beginn des Regelzeitraums vorliegendes Lambdasignal als Ausgangswert festgehalten wird. Es wird nun fortlaufend ein Differenzwert des aktuellen Lambdasignals von diesem Ausgangswert bestimmt. Der Maximalwert des Differenzwerts während des Regelzeitraums wird in Form eines Maximaldifferenzwerts festgehalten. Zu Beginn des Regelzeitraums wird also der Maximaldifferenzwert vorzugsweise auf einen kleinen Wert, beispielsweise Null, gesetzt. Ist der momentan vorliegende Differenzwert größer als der Maximaldifferenzwert, so wird der Maximaldifferenzwert gleich dem Differenzwert gesetzt, ansonsten bleibt er unverändert.
Unterschreitet der Differenzwert den Maximaldifferenzwert oder wird ein bestimmter, von Null verschiedener Schwellenwert durch eine Differenz zwischen dem Differenzwert und dem Maximaldifferenzwert überschritten, so wird der Regelzeitraum beendet und die Offsetgröße angepasst. Liegt ein solcher Verlauf des Differenzwerts vor, so wurde während des Regelzeitraums der Offset von der Offsetgröße nicht vollständig ausgeglichen. Entsprechend wird bevorzugt das beschriebene Vorgesehen zur weiteren Anpassung der Offsetgröße an den Offset des ersten Lambdasignals wiederholt.
Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich ohne das Risiko von Reglerschwingungen ein Fehler der ersten Lambdasonde schnell und genau bestimmen und beseitigen. Die Brennkraftmaschine stellt sich mithin auf den Offsetfehler der ersten Lambdasonde 5 ein und kann nachfolgend derart betrieben werden, dass ihr Abgas zumindest weitestgehend von den in dem Katalysator 4 umgesetzten Schadstoffen befreit werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Abgasreinigungseinrichtung
2: Brennkraftmaschine
3: Pfeil
4: Katalysator
5: 1. Lambdasonde
6: 2. Lambdasonde
7: Verlauf
8: Verlauf
9: Verlauf
10: Verlauf

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (2) mit einer Abgasreinigungseinrichtung (1), wobei die Abgasreinigungseinrichtung (1) einen von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine (2) durchströmbaren Katalysator (4) sowie eine stromaufwärts des Katalysators (4) in dem Abgasstrom angeordnete erste Lambdasonde (5) und eine stromabwärts des Katalysators (4) in dem Abgasstrom angeordnete zweite Lambdasonde (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstoffbefüllungszustand eines Sauerstoffspeichers des Katalysators (4) anhand eines von der ersten Lambdasonde (5) bereitgestellten ersten Lambdasignals sowie einer Offsetgröße (Δλ) bestimmt, bei Unterschreiten einer Lambdasignaluntergrenze durch ein von der zweiten Lambdasonde (6) bereitgestelltes zweites Lambdasignal auf einen einem leeren Sauerstoffspeicher entsprechenden ersten Wert und/oder bei Überschreiten einer Lambdasignalobergrenze durch das zweite Lambdasignal auf einen einem vollen Sauerstoffspeicher entsprechenden zweiten Wert gesetzt und unmittelbar anschließend während wenigstens eines Regelzeitraums auf einen Vorgabebefüllungszustand geregelt wird, wobei am Ende des Regelzeitraums die Offsetgröße (Δλ) anhand des zweiten Lambdasignals angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anpassen der Offsetgröße (Δλ) diese um einen Differenzwert inkrementiert wird, wenn das zweite Lambdasignal am Ende des Regelzeitraums einer mageren Gemischzusammensetzung entspricht, und/oder um den Differenzwert dekrementiert wird, wenn das zweite Lambdasignal am Ende des Regelzeitraums einer fetten Gemischzusammensetzung entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdadifferenzgröße aus dem Vorgabebefüllungszustand, einem Abgasmassenstrom und der Dauer des Regelzeitraums bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzwert konstant ist oder in Abhängigkeit von der Lambdadifferenzgröße und/oder in Abhängigkeit von einem Gradient des zweiten Lambdasignal in dem Regelzeitraum bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Regelzeitraums konstant ist oder in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, insbesondere dem ersten Lambdasignal und/oder dem zweiten Lambdasignal, gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Lambdasonde (5) eine Breitbandlambdasonde und/oder als zweite Lambdasonde (6) eine Sprunglambdasonde verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffbefüllungszustand mittels eines Modells, insbesondere integral, aus dem ersten Lambdasignal bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Setzen des Sauerstoffbefüllungszustands auf den ersten Wert oder den zweiten Wert sowie das anschließende Regeln auf den Vorgabebefüllungszustand mehrfach durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgabebefüllungszustand auf einen zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert liegenden Wert gesetzt wird.
Brennkraftmaschine (2), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Abgasreinigungseinrichtung (1), wobei die Abgasreinigungseinrichtung (1) einen von einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine (2) durchströmbaren Katalysator (4) sowie eine stromaufwärts des Katalysators (4) an dem Abgasstrom angeordnete erste Lambdasonde (5) und eine stromabwärts des Katalysators (4) in dem Abgasstrom angeordnete zweite Lambdasonde (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät der Brennkraftmaschine (2) dazu ausgebildet ist, einen Sauerstoffbefüllungszustand eines Sauerstoffspeichers des Katalysators (4) anhand eines von der ersten Lambdasonde (5) bereitgestellten ersten Lambdasignals sowie einer Offsetgröße (Δλ) zu bestimmen, bei Unterschreiten einer Lambdasignaluntergrenze durch ein von der zweiten Lambdasonde (6) bereitgestelltes zweites Lambdasignal auf einen einem leeren Sauerstoffspeicher entsprechenden ersten Wert und/oder bei Überschreiten einer Lambdasignalobergrenze durch das zweite Lambdasignal auf einen einem vollen Sauerstoffspeicher entsprechenden zweiten Wert zu setzen und unmittelbar anschließend während wenigstens eines Regelzeitraums auf einen Vorgabebefüllungszustand zu regeln, wobei am Ende des Regelzeitraums auf einen Vorgabebefüllungszustand zu regeln, wobei am Ende des Regelzeitraums die Offsetgröße anhand des zweiten Lambdasignals angepasst wird.