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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Sauerstoffsensors, insbesondere einer Lambda-Sonde, die im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Lambda-Sonden zeigen ein Driftverhalten, das zu Messabweichungen führt. Sie werden daher kalibriert. Bei PKW- und LKW-Motoren erfolgt die Kalibrierung im Schubbetrieb. Es wird also ein Motorzustand genutzt, bei dem kein Kraftstoff verbrannt und reine Frischluft vom Ansaugtrakt durch eine Brennkammer bis zur Lambda-Sonde geführt wird. Die Frischluft hat einen bekannten und konstanten Sauerstoffgehalt von etwa 21%, auf den der Messwert der Sonde kalibriert wird.
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Es gibt Anwendungen für Verbrennungsmotoren, bei denen kein oder zu selten ein Schubbetrieb auftritt und bei denen auch sonst keine Möglichkeit besteht, reine Frischluft zur Lambda-Sonde zu führen. Dies ist beispielsweise bei Hybridfahrzeugen, stationären Motoren, und sog. „off-road heavy duty“ Anwendungen der Fall, also beispielsweise bei Motoren für schwere Baumaschinen, landwirtschaftliche Maschinen und ähnliche Nutzfahrzeuge. Bei den genannten Anwendungen sind die aus der Praxis bekannten Kalibrierverfahren nicht einsetzbar.
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Aus der
DE 10 2010 063 095 A1 ist ein Kalibrierverfahren für off-road Motoren bekannt, bei dem Frischluft für die Kalibrierung über einen separaten Bypass-Kanal zur Lambda-Sonde geführt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Kalibrierungsverfahren aufzuzeigen, das ohne die Zuleitung von reiner Frischluft ausgeführt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Bei dem Kalibrierverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung befindet sich der Sauerstoffsensor, insbesondere ein sog. „UHEGO sensor“ (Universal Heated Exhaust Gas Oxygen sensor), im Abgastrakt (Abgasabschnitt) eines Verbrennungsmotors und wird dort von einem Verbrennungsgas (Abgas) umströmt. Auch während der Kalibrierung wird Kraftstoff durch einen Injektor in eine Brennkammer des Motors eingespritzt und dort zu dem Verbrennungsgas verbrannt.
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Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf. Eine in die Brennkammer eingespritzte Kraftstoffmenge wird basierend auf einer Veränderung des Kraftstoffdrucks am Injektor erfasst. Eine in die Brennkammer zugeführte Menge an Ansaugluft wird erfasst. Aus der Kraftstoffmenge und der Menge an Ansaugluft wird ein Restsauerstoffgehalt berechnet, der in dem Verbrennungsgas nach der Verbrennung des Kraftstoffs vorliegt. Ein über den Sauerstoffsensor erfasster Messwert für den Restsauerstoffgehalt wird ermittelt und auf den berechneten Wert kalibriert.
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Das Kalibrierverfahren profitiert von der hohen Genauigkeit mit der tatsächliche Einspritzmengen aus den hydraulischen Beziehungen am Injektor erfasst werden können. Für die Erfassung der eingespritzten Kraftstoffmenge kann beispielsweise ein in der Praxis als „iArt“ bekanntes Verfahren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt weist der Verbrennungsmotor ein Verfahren zur Regelung von Einspritzmengen in einem geschlossenen Regelkreis auf. Ein solches Verfahren kann beispielsweise die tatsächliche Einspritzmenge basierend auf Veränderungen eines am Injektor gemessenen Druckverlaufs erfassen. D.h. die durch den tatsächlichen Kraftstofffluss hervorgerufenen hydraulischen Effekte im Injektor werden über einen Drucksensor erfasst, ausgewertet und in eine tatsächliche Menge an eingespritztem Kraftstoff umgerechnet. Die Einspritzregelung ist dazu ausgebildet, den Injektor so zu betreiben, dass die tatsächliche Einspritzmenge einer vorgegebenen Soll-Einspritzmenge nachfolgt bzw. entspricht. Dabei kann insbesondere die Einspritzmenge für jede Einzel-Injektion innerhalb eines Injektionsmusters / Injektionszyklus mit Mehrfach-Injektionen separat erfasst und geregelt werden. Alternativ kann eine Globalerfassung für mehrere Injektionen innerhalb eines Injektionszyklus erfolgen.
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Die Menge des eingespritzten Kraftstoffs kann anhand verschiedener Kennwerte des erfassten Druckverlaufs festgestellt werden. Sie wird besonders bevorzugt basierend auf einer hydraulischen Injektionsdauer und einem Abfall des Kraftstoffdrucks während einer Injektion ermittelt.
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Die Menge an zugeführter Ansaugluft wird bevorzugt über ein Füllungsmodell berechnet. Ein solches Füllungsmodell betrachtet die Brennkammer des Verbrennungsmotors in Hinblick auf die Massentransportphänomene als Pumpenkammer, deren Volumen durch die Bewegung des Kolbens verändert wird. Das Füllungsmodell berechnet eine theoretische Fördermenge aus den geometrischen und kinematischen Parametern des Motors. Es berechnet ferner einen sog. Liefergrad, der beispielsweise über ein Rechenmodell oder am Prüfstand ermittelt wird. Der Liefergrad ist ein Faktor, um den die theoretische Fördermenge reduziert wird, um die tatsächliche Fördermenge abzuschätzen, welche als die Menge an zugeführter Ansaugluft übernommen wird. Bei der Berechnung können die für die fluidmechanischen Berechnungen relevanten Parameter der Luft, wie deren momentane oder lokale Dichte und Temperatur, simuliert, d.h. berechnet, geschätzt oder gemessen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Menge an zugeführter Ansaugluft über einen Luftmassenmesser erfasst werden.
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Der berechnete Wert des Restsauerstoffgehalts im Abgas kann unter Berücksichtigung einer Abgasrückführung korrigiert werden. Es können eine interne und/oder eine externe Abgasrückführung auftreten.
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Eine interne Abgasrückführung kann durch ein Rückfließen von Abgas in die Brennkammer auftreten, d.h. als ein interner Rückfluss von bereits im Abgastrakt des Motors vorliegendem verbranntem Gas, das über den Motorauslass in die Brennkammer zurückfließt. Diese interne Abgasrückführung kann durch das Öffnungs- und Schließverhalten von Einlass- und Auslassventil hervorgerufen werden, bspw. wenn eine sog. Ventilüberschneidung vorliegt.
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Ferner kann eine Veränderung des Sauerstoffgehalts infolge einer externen Abgasrückführung (mit einer Abgasrückführungsvorrichtung), also der gezielten Beigabe von rückgeführtem Abgas zur Ansaugluft, berücksichtigt werden.
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Ggf. kann eine an dem Verbrennungsmotor vorhandene Abgasrückführung (externe Abgasrückführungsvorrichtung) während der Durchführung des Kalibrierverfahrens geschlossen werden.
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Das Kalibrierverfahren kann bevorzugt während eines Leerlaufs des Motors durchgeführt werden. Ein Leerlauf-Zeitraum mit ausreichender Dauer für die Durchführung des Kalibrierverfahrens kann bei den genannten Anwendungen für den off-road heavy duty Bereich bereits während eines Schaltvorgangs vorliegen.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1: eine Schemadarstellung eines Verbrennungsmotors, an dem das Kalibrierverfahren ausgeführt wird;
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2: einen beispielhaften Verlauf eines Kraftstoffdrucks am Injektor während einer Einspritzung.
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3: Vergleichsdiagramme zur Verdeutlichung der in einem Beispiel erreichten Kalibrierungsgüte infolge der Erfassung einer Einspritzmenge.
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1 zeigt beispielhaft einen Verbrennungsmotor (100), der einen Zylinder (112) mit einem Kolben (113), einen Ansaugtrakt und einen Abgastrakt aufweist. Der Ansaugtrakt dient der Zuführung von Frischluft und ggf. extern rückgeführtem Abgas zu einem Motoreinlass (108) und der Abgastrakt zur Abfuhr von verbranntem Abgas von einem Motorauslass (110) zu einem Auspuff hin. Im Ansaugtrakt sind ein Luftmassenmesser (122), ein Kompressor (102) und ein Einlassventil (109) angeordnet. Im Abgastrakt sind ein Auslassventil (111), ein Sauerstoffsensor (124), eine Turbine (115) und ein Filter (116) angeordnet.
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Der Motor (100) kann über eine (externe) Abgasrückführungsvorrichtung (104) (AGR) zur Rückführung von Abgas aus dem Abgastrakt zum Ansaugtrakt hin verfügen. Entsprechend ist im Ansaugtrakt in einem Bereich stromaufwärts zum Motoreinlass (108) ein Zufluss (105) von rückgeführtem Abgas. Die Abgasrückführung (104) kann durch ein AGR-Ventil (106) geöffnet oder geschlossen bzw. gedrosselt werden.
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In dem Zylinder (112) ist eine Brennkammer (114) gebildet, die über das Einlassventil (109) mit dem Ansaugtrakt und über das Auslassventil (111) mit dem Abgastrakt (112) verbunden werden kann. Ein Kraftstoffinjektor (119) ist dazu ausgebildet, Hochdruck-Kraftstoff, der von einem Akkumulator (Common Rail) her zugeführt wird, in die Brennkammer (114) einzuspritzen. Am Kraftstoffinjektor (119) ist ein Drucksensor (118) angeordnet, der den Verlauf des Kraftstoffdrucks (Pf) erfasst. Der Drucksensor (118) ist mit einem Steuergerät (ECU – electronic control unit), insbesondere mit dem Motorsteuergerät, verbunden.
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Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis Lambda wird in bekannter Weise aus der Menge (Qf) an in die Brennkammer (114) eingespritztem Kraftstoff und der Menge (Qa) an zugeführter Ansaugluft berechnet. Die Sauerstoffkonzentration der Ansaugluft beträgt bei Zuführung von reiner Frischluft 21 Prozent. Wenn über die externe Abgasrückführung (104) ein rückgeführtes Abgas in den Ansaugtrakt geleitet wird, kann auch dessen Sauerstoffkonzentration über eine Modellrechnung erfasst werden. Gemäß dem Massenverhältnis von zugeführter Frischluft und rückgeführtem Abgas kann die Sauerstoffkonzentration in der Ansaugluft berechnet werden. Um eine besonders hohe Güte der Kalibrierung zu erreichen kann es jedoch vorteilhaft sein, die Abgasrückführung während der Durchführung des Kalibrierverfahrens zu schließen, sodass weitgehend reine Frischluft in der Brennkammer (114) verbrannt wird.
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Mit dem vorerwähnten System „iArt“ ist eine Steuerung der Kraftstoff-Einspritzmenge in einem geschlossenen Regelkreis möglich, wobei eine sehr genaue Erfassung der tatsächlichen Menge (Qf) an eingespritztem Kraftstoff erfolgt. Hierdurch lässt sich der Restsauerstoffgehalt im Abgas bei einer Genauigkeit von +/–0,3 Prozentpunkten O2 erreichen.
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Zur Verdeutlichung der Kalibrierungsgüte sind in 3 zwei Vergleichsdiagramme dargestellt. Eine Kalibrierung des Sauerstoffsensors kann beispielsweise bei einem Basis-Niveau des Restsauerstoffgehalts von etwa 17,7 % stattfinden. Mit einer O2 Sensor Kalibrierung bei dem dargestellten Toleranzband von +/–0,3 Prozentpunkten kann der Verbrennungsmotor dauerhaft innerhalb der vorgesehenen Emissionsgrenzen und Arbeitsbereiche betrieben werden. Damit diese Fehlergüte erreichbar ist, darf der maximale Erfassungsfehler für die Erfassung der Einspritzmenge (Qf) nicht größer sein, als +/–5 Prozentpunkte. Dem dargestellten Beispiel liegt ein Verbrennungsmotor mit folgenden Betriebsdaten zu Grunde: Drehzahl 700 rpm, Inneres Soll-Drehmoment (aus Verbrennung) 25Nm, Kolbenhubvolumen 2L, Zylindermitteldruck 1,57 bar, Einspritzmenge pro Hub 5,45 mg, Abgas-Rückführungsrate (interne AGR) 1%. Eine Abweichung der Einspritzmenge um 5% würde hier einer Mengenänderung von +/–0,55 mg Kraftstoff und damit zu einer Änderung des Lambda-Werts um +/–0,3 Prozentpunkte führen.
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Bei Motoren, die eine Beeinflussung des Öffnungs- und Schließverhaltens von Einlassventil (109) und/oder Auslassventil (111) gewähren, bspw. über Nockenwellensteller oder elektrisch aktuierte Ventile, kann es vorteilhaft sein, für die Durchführung des Kalibrierverfahrens eine Ventilüberschneidung auszuschließen. Mit Ventilüberschneidung wird ein Zustand beschrieben, bei dem Einlassventil (109) und Auslassventil (111) gleichzeitig geöffnet sind. Die Ventilüberschneidung tritt häufig bei Viertaktmotoren gegen Ende des 4. Taktes beim Ausstoßen des Abgases auf und dauert in den 1. Takt des Ansaugens fort. Das Einlassventil (109) öffnet bereits, noch bevor das Auslassventil (111) ganz geschlossen ist. Dadurch wird von der beschleunigten Abgassäule im Motorauslass (110) (Abgaskrümmer) frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungsraum gesaugt und ein Verbleiben von Abgasresten im Brennraum verringert. Allerdings kann es auch zu dem vorgenannten Rückfließen von Abgas kommen. Durch das Vermeiden einer Ventilüberschneidung kann eine genauere Berechenbarkeit des Restsauerstoffgehalts im Abgas erreicht werden. Alternativ kann die Auswirkung der internen Abgasrückführung auf den Sauerstoffgehalt in der Brennkammer (114) abgeschätzt und zur Korrektur des Restsauerstoffgehalts (Oc) im Abgas nach der Verbrennung herangezogen werden.
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2 zeigt beispielhaft den Verlauf eines Kraftstoffdrucks (Pf) während einer Kraftstoffinjektion.
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Der Kraftstoffdruck (Pf) wird durch den Drucksensor (118) am Injektor (119) erfasst. Vor einer Injektion liegt ein im Wesentlichen konstanter Kraftstoffdruck vor, der im Wesentlichen dem Speichdruck im Akkumulator (Common-Rail) entspricht. Sobald der Injektor (119) geöffnet wird, fällt der Kraftstoffdruck (Pf) um einen erfassbaren Betrag (dPf) ab. Wenn der Injektor (119) zum Ende der Injektion wieder geschlossen wird, steigt der Kraftstoffdruck (Pf) am Injektor wieder an. Es kann dabei zu einem charakteristischen Schwingungsverhalten im Signalverlauf kommen, das durch Druckwellen verursacht wird, die beim Verschließen des Injektors hervorgerufen werden. Eine hydraulische Injektionsdauer (T) kann durch Ermittlung von charakteristischen Punkten in dem Verlauf des Kraftstoffdrucks (Pf) ermittelt werden.
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Der Beginn und das Ende der hydraulischen Injektionsdauer (T) unterscheiden sich von dem elektrischen Beginn und Ende (Ansteuerzeitpunkte) der Injektion. Der hydraulische Beginn und das hydraulische Ende der Injektion werden bevorzugt durch messtechnische Auswertung aus dem Druckverlauf (Pf) oder durch Schätzung mit vorab ermittelten Verzögerungszeiten ermittelt. Die auszuwertenden Punkte im Druckverlauf (Pf) hängen von der Bauart des Injektors ab und können im Rahmen von Prüfstandversuchen ermittelt werden. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird ein Beginn der hydraulischen Injektionsdauer bei einem letzten lokalen Maximum des Drucks (Pf) zwischen der elektrischen Injektionsansteuerung und dem Druckabfall (dPf) festgelegt. Dies ist der Zeitpunkt, zu dem sich das Ventil des Injektors öffnet.
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Ferner wird ein erstes lokales Maximum (A) in der steigenden Flanke zum Ende einer Injektion erfasst. Als hydraulisches Ende der Injektion wird derjenige Zeitpunkt erfasst, bei dem Kraftstoffdruck nach einem lokalen Minimum (B) den Wert des Maximums (A) erneut erreicht. Dies entspricht nach empirischen Ermittlungen dem Zeitpunkt, zu dem das Ventil des Injektors so weit geschlossen ist, dass kein Kraftstoff mehr aus dem Injektor in die Brennkammer eintritt. Die nachfolgenden Schwankungen im Druckverlauf sind auf Druckpulsationen zurückzuführen, die durch das abrupte Schließen der Ventilnadel folgen, und haben keinen Einfluss auf die tatsächliche Injektionsmenge.
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Die Menge an eingespritztem Kraftstoff (Qf) kann anhand der tatsächlichen momentanen Werte des Drucks (Pf) in eine momentane Kraftstoff-Flussmenge (Injektionsratenverlauf) umgerechnet werden. Ferner können weitere fluidmechanische Parameter, wie die momentane Kraftstoffdichte und/oder Kraftstofftemperatur erfasst werden. Basierend auf diesen Daten kann dann mittels Integration über die Dauer der Injektion die Einspritzmenge (Qf) berechnet werden. Eine solche Berechnung verwendet also kontinuierliche Messdaten für eine physikalische Simulation (Ersatzrechnung) unter Berücksichtigung der Fluidtransportphänomene. Die Güte des Berechnungsergebnisses kann dabei von der Qualität der Druckmessung, der Kontinuität der Messwerte und eventuellen Störfaktoren abhängen.
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Alternativ und bevorzugt können repräsentative Punkte im Druckverlauf einer Injektion als Einzelwerte erfasst werden während. Solche repräsentativen Punkte sind insbesondere der Beginn und das Ende des Druckabfalls (dPf), der anschließenden Haltephase und des abschließenden Druckanstiegs. Aus diesen Einzelwerten kann dann ein Ersatz-Druckverlauf und/oder ein Ersatz-Injektionsratenverlauf mit einer vereinfachten Form (beispielsweise mit einer Dreiecks- oder Trapezform) berechnet werden. Die Ermittlung der Einspritzmenge kann dann anhand Ersatzverlaufs erfolgen. Der Vorteil dieser Berechnungsvariante liegt in der verbesserten Genauigkeit und der geringeren Fehleranfälligkeit, mit der die repräsentativen Punkte ermittelt werden können. Störeinflüsse, wie bspw. Rauschen, in den Messwertbereichen zwischen den repräsentativen Punkten werden durch die Ersatzrechnung eliminiert.
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Alternativ können andere charakteristische Punkte zur Erfassung der hydraulischen Injektionsdauer (T) herangezogen werden.
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Die Ermittlung des berechneten Werts (Oc) des Restsauerstoffgehalts im Abgas erfolgt bevorzugt über ein Verbrennungsmodell. Bei der Berechnung wird davon ausgegangen, dass der gesamte eingespritzte Kraftstoff (Qf) in der vorhandenen Menge (Qa) an Ansaugluft verbrannt wird. Bevorzugt wird die Kalibrierung in einem Zustand durchgeführt, bei dem reine Frischluft in der Brennkammer (114) verbrannt wird, bei dem also die Abgasrückführung (104) geschlossen und möglichst eine interne Abgasrückführung ausgeschlossen ist. Dann kann von einem Sauerstoffgehalt von 21% in der Ansaugluft ausgegangen werden. Der Einfluss einer internen Abgasrückführung kann am Prüfstand durch Messung oder durch Modellberechnung erfasst und zur Korrektur des berechneten Restsauerstoffgehalts (Oc) im Abgas verwendet werden.
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Bei der Kalibrierung wird der gemessene Wert (Om) des Restsauerstoffgehalts im Abgas mit Kalibrierungsfaktoren adaptiert, sodass er dem berechneten Wert (Oc) entspricht.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die beschriebenen und dargestellten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, vertauscht, ergänzt oder weggelassen werden.
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Der Verbrennungsmotor (
100) kann bevorzugt ein Dieselmotor sein. Die externe Abgasrückführung (
104) kann als Hochdruck-AGR oder als Niederdruck-AGR als Kombination von Hochdruck- und Niederdruck-AGR ausgebildet sein. Die Menge (Qf) an eingespritztem Kraftstoff kann in einem Motorsteuergerät (ECU) bereits als ermittelte Größe vorliegen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Software in demselben Steuergerät (ECU) oder in einem separaten Steuergerät ausgeführt werden. Der Sauerstoffsensor (
124) kann an einer beliebigen Stelle im Abgastrakt angeordnet sein. Bevorzugt ist eine Position zwischen Motorauslass (
110) und Turbine (
115). Eine alternative Positionierung (
124*) ist in Flussrichtung hinter dem Partikelfilter (
116). BEZUGSZEICHENLISTE
| 100 Verbrennungsmotor | Internal combustion engine |
| 102 Kompressor | Compressor |
| 104 Abgasrückführung / AGR | Exhaust gas recirculation / EGR |
| 105 Abgas-Zufluss | Exhaust gas influx |
| 106 AGR-Ventil | EGR-Valve |
| 108 Motoreinlass | Engine inlet |
| 109 Einlassventil | Inlet valve |
| 110 Motorauslass | Engine outlet |
| 111 Auslassventil | Outlet valve |
| 112 Zylinder | Cylinder |
| 113 Kolben | Piston |
| 114 Brennkammer | Combustion chamber |
| 115 Turbine | Turbine |
| 116 Filter | Filter |
| 118 Drucksensor | Pressure sensor |
| 119 Kraftstoffinjektor | Fuel injector |
| 122 Luftmassenmesser | Air flow meter |
| 124 Sauerstoffsensor / Lambda-Sonde | Oxygen sensor / lambda probe |
| 124* Alternative Position Lambda-Sensor | Alternative position lambda probe |
| ECU Steuergerät | Control device |
| A Lokales Maximum | Local maximum |
| B Lokales Minimum | Local minimum |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063095 A1 [0004]
