DE102014208751A1

DE102014208751A1 - Verfahren zum Bereitstellen eines modellierten Nominalsignals einer Lambdasonde

Info

Publication number: DE102014208751A1
Application number: DE102014208751.1A
Authority: DE
Inventors: Magnus Labbe; Siyun Chu; Ralf Zimmerschied
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen eines modellierten Nominalsignals L_mod eines Abgaskonzentrationssensor, der stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage in einem Abgasstrang angeordnet ist, umfassend Erfassen eines Sensorsignals L_ist des Abgaskonzentrationssensors, Ermitteln eines adaptierten Soll-Signals L_adap des Abgaskonzentrationssensors, und Berechnen des modellierten Nominalsignals L_mod aus dem Sensorsignal L_ist, dem adaptierten Nominalsignal L_adap und einem Sollwert L_soll des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines modellierten Nominalsignals eines Abgaskonzentrationssensors, insbesondere einer Lambdasonde, der insbesondere stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage in einem Abgasstrang angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um ein modelliertes Nominalsignal eines Abgaskonzentrationssensors, der insbesondere stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage in einem Abgasstrang angeordnet ist, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Stand der Technik
Zur Verringerung von Emissionen in Kraftfahrzeugen mit Ottomotoren werden üblicherweise Dreiwegekatalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgas konvertieren, wenn das Luftkraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Lambdasonde und einer weiteren der Abgasreinigungsanlage nachgelagerten Lambdasonde gemessen. Die Lambdasonde stromaufwärts des Katalysators wird als Messsonde verwendet. Die Lambdasonde stromabwärts des Katalysators dient als Monitorsonde dazu, eine Veränderung der statischen oder dynamischen Eigenschaften der Lambdasonde stromaufwärts des Katalysators, die zu einer Emissionserhöhung führen würde, zu überwachen und auszugleichen. Bei der Bewertung des Katalysators wird die Dynamik der hinteren Sonde berücksichtigt, indem ausgehend von der Reaktion der Sonde die Werte zu einem früheren Zeitpunkt verwendet werden. Dies ist durch die Vorschrift „close the gap“ der US-KfZ-Zulassungsbehörde notwendig geworden. Gemäß dieser Vorschrift darf zwischen einer Dynamikdiagnose der Lambdasonde stromabwärts des Katalysators und der Fähigkeit zur Katalysatordiagnose keine Lücke auftreten. Die Sonde muss demnach entweder als dynamisch zu langsam beurteilt werden oder die Katalysatordiagnose muss noch genau genug arbeiten, um einen Grenzkatalysator zu erkennen, d. h. einen Katalysator der gerade nicht mehr die vorgegebene Abgaskonvertierungsrate aufweist. Ist die stromabwärts des Katalysators angeordnete Lambdasonde dynamisch zu langsam, würde die Funktionsfähigkeit des Katalysators anderenfalls als besser eingestuft als sie tatsächlich ist.
Für die stromaufwärts des Katalysators angeordnete Lambdasonde ist die Diagnoseanforderung reduziert, da dort durch ein Abnehmen der Dynamik kein Versagen der vom Gesetzgeber geforderten Erkennung eines fehlerhaften Katalysators zu befürchten ist. Allerdings kann eine dynamische zu langsame Lambdasonde stromaufwärts des Katalysators dazu führen, dass der korrekt arbeitende Katalysator fälschlicherweise als nicht funktionsfähig bewertet wird.
Für eine Lambdaregelung wird der Sollwert aus der Vorsteuerung mit einem Streckenmodell der Regelstrecke zwischen Reglereingriff und Lambdasonde modelliert, so dass bei fehlender Störung der Regler auch bei Änderungen des Sollwertes nicht eingreifen muss. Aus einem Messwert mit reduzierter Dynamik das Originalsensorsignal zurückzurechnen ist allerdings schwierig, da Modellabweichungen großen Einfluss auf diese Berechnung haben und die gedämpften hochfrequenten Anteile des Signals stark verstärkt werden müssen. Die Korrektur ist deshalb empfindlich gegen zusätzliche Störungen. Eine verzögerte Reaktion in Form einer zusätzlichen Totzeit ist prinzipiell nicht vollständig kompensierbar.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen eines modellierten Nominalsignals eines Abgaskonzentrationssensors, vorzugsweise einer Lambdasonde, insbesondere einer Breitbandlambdasonde, der stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage, insbesondere eines Dreiwegekatalysators, in einem Abgasstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, angeordnet ist, umfasst das Erfassen eines Sensorsignals des Abgaskonzentrationssensors, das Ermitteln eines adaptierten Soll-Signals des Abgaskonzentrationssensor, und das Berechnen des modellierten Nominalsignals aus dem Sensorsignal, dem adaptierten Nominalsignal und einem Sollwert des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors. Unter Nominalsignal ist erfindungsgemäß das Signal zu verstehen, das der Abgaskonzentrationssensor ohne eine Beeinträchtigung ihrer Dynamik liefern würde. Wenn der Abgaskonzentrationssensor eine reduzierte Dynamik aufweist und das Nominalsignal nur verzögert oder verlangsamt wiedergibt, entspricht sein Sensorsignal nicht dem Nominalsignal.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Verarbeitung des Ausgangssignals eines Abgaskonzentrationssensors, ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Signalanalyse oder eine Umrechnung im Frequenzbereich notwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren ist robust, d.h. zusätzliche kleine Störungen führen nicht zu stark dynamischen Abweichungen des modellierten Nominalsignals. Dadurch ist eine einfache Berechnung möglich, die für viele Anwendungsfälle eine ausreichende Genauigkeit aufweist.
Vorzugsweise erfolgt das Berechnen gemäß Formel 1: L_mod = L_ist + L_soll – L_adap (Formel 1)
Hierin bezeichnet L_mod das modellierte Nominalsignal, L_ist das Sensorsignal, L_soll den Sollwert des Nominalsignals und L_adap das adaptierte Sollsignal des Abgaskonzentrationssensors. Die Berechnung gemäß Formel 1 ist in zwei Grenzfällen vollständig korrekt. Wenn die Adaption keine Änderung gegenüber dem Nominalstreckenmodell erkannt hat, haben L_soll und L_adap denselben Wert, sodass ihre Differenz Null beträgt und das modellierte Nominalsignal L_mod dem erfassten Sensorsignal L_ist entspricht. In einer als unverändert erkannten Regelstrecke wird daher als Modellwert der tatsächliche Messwert verwendet. Wenn ein langsamer Abgaskonzentrationssensor richtig adaptiert ist und keine Störungen vorliegen, also das erfasste Sensorsignal L_ist dem adaptierten Sollsignal L_adap entspricht, wird als modelliertes Nominalsignal L_mod der nicht adaptierte Sollwert des Nominalsignals L_soll verwendet. Dieser weist die Nominaldynamik des Abgaskonzentrationssensors auf. Abweichungen des Messsignals vom adaptierten Sollwert werden zum Modellwert addiert.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das adaptierte Soll-Signal aus dem Sensorsignal und dem Sollwert des Nominalsignals ermittelt wird. Das adaptierte Sollsignal wird üblicherweise sowieso für die Regelung der Abgasreinigungsanlage in dieser Weise ermittelt und kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne zusätzlichen Rechenaufwand zum Bereitstellen des modellierten Nominalsignals verwendet werden. Besonders bevorzugt wird bei dem Ermitteln des adaptierten Sollsignals ein Streckenmodell einer aktuellen Regelstrecke des Kraftfahrzeugs von der Einspitzung zum Abgaskonzentrationssensorsignal berücksichtigt, wenn der Abgaskonzentrationssensor im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Dieses Streckenmodell kann insbesondere die Zeitkonstante und/oder Totzeit (Delay) des Abgaskonzentrationssensors einschließen. Vergrößerungen dieser Parameter weisen auf eine Verschlechterung der Abgaskonzentrationssensordynamik hin.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass das Ermitteln des adaptierten Soll-Signals bei vorgegebenen Betriebsbedingungen des Abgaskonzentrationssensors erfolgt. Dies ermöglicht es Einschaltbedingungen zu definieren, um eine Regelstreckenidentifikation in der Dynamikdiagnose vorzunehmen.
Wenn der Abgaskonzentrationssensor im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, erfolgt das Ermitteln des adaptierten Soll-Signals vorzugsweise nur einmal pro Fahrt des Kraftfahrzeugs. Hierdurch wird der Rechenaufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens verringert. Gleichzeitig kann das so ermittelte adaptierte Sollsignal über die gesamte Fahrt des Kraftfahrzeugs für eine Vielzahl von Berechnungen des modellierten Nominalsignals verwendet werden.
Der Sollwert des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors wird bevorzugt vor Beginn des Verfahrens abhängig von einem Betriebspunkt experimentell ermittelt und als Applikationsdaten in einem elektronischen Steuergerät, insbesondere im Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs, abgelegt. Dies kann vor der ersten Inbetriebnahme eines Kraftfahrzeugs erfolgen, in dessen Abgasstrang der Abgaskonzentrationssensor angeordnet ist. Hierdurch wird ein Sollwert des Nominalsignals bereitgestellt, welcher anschließend über die gesamte Lebensdauer des Abgaskonzentrationssensors in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Es ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren auf einem vorhandenen Rechengerät oder Steuergerät zu implementieren, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu dient das maschinenlesbare Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät, wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten. Dieses ist eingerichtet, um ein modelliertes Nominalsignal eines Abgaskonzentrationssensors, der stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage, insbesondere in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, angeordnet ist, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein technisches Umfeld, in dem ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf wichtiger Parameter des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn das adaptierte Sollsignal des Abgaskonzentrationssensors gleich dem Sollwert des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors ist.
4 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf wichtiger Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Sensorsignal des Abgaskonzentrationssensors dem adaptierten Sollsignal des Abgaskonzentrationssensors entspricht.
5 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf wichtiger Parameter in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Bereitstellen eines modellierten Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Am Beispiel eines Ottomotors ist in 1 schematisch das technische Umfeld dargestellt, in dem ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 10 wird Luft über eine Luftzuführung 11 zugeführt und deren Masse mit einem Luftmassenmesser 12 bestimmt. Der Luftmassenmesser 12 ist vorliegend als Heißfilmluftmassenmesser ausgeführt. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 18 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 10 eine Abgasreinigungsanlage 16 vorgesehen ist. Die Abgasreinigungsanlage 16 umfasst mindestens einen Katalysator. Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist ein Steuergerät 14 vorgesehen, das zum einen der Brennkraftmaschine 10 über eine Kraftstoffdosierung 13 Kraftstoff zuführt und dem zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 12, einem im Abgaskanal 18 stromaufwärts der Abgasreinigungsanlage 16 angeordneten Abgaskonzentrationssensor 15 sowie einem stromabwärts der Abgasreinigungsanlage 16 angeordneten Abgaskonzentrationssensor 17 zugeführt werden. Der Abgaskonzentrationssensor 15 bestimmt ein Sensorsignal L_ist als Lambda-Istwert eines der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoffluftgemisches. Er ist vorliegend als Breitbandlambdasonde ausgeführt. Der Abgaskonzentrationssensor 17 stromabwärts der Abgasreinigungsanlage 16 bestimmt die Abgaszusammensetzung nach Passieren der Abgasreinigungsanlage 16. Er ist vorliegend als Sprungsonde ausgebildet.
In dem Verfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für die Dynamikdiagnose des Abgaskonzentrationssensors 15 stromaufwärts der Abgasreinigungsanlage 16 das Luft-Kraftstoffverhältnis im Brennraum der Brennkraftmaschine 10 sprungartig verstellt und anschließend der zeitliche Verlauf des Sensorsignals L_ist gemessen. Der weitere Verfahrensablauf ist schematisch in 2 dargestellt. Das erfasste Sensorsignal L_ist, der Sollwert L_soll des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors 15 und der Regler 20 einer Lambdaregelung der Brennkraftmaschine 10 werden zum Ermitteln 21 eines adaptierten Sollsignals L_adap des Abgaskonzentrationssensors 15 verwendet. Dies erfolgt durch eine Regelstreckenidentifikation in einer Dynamikdiagnose. Der Ablauf solcher Dynamikdiagnosen wird beispielsweise in der DE 10 2012 200 032 A1 und in der DE 10 2008 001 569 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen wird. Das Sensorsignal L_ist, der Sollwert L_soll des Nominalsignals und das adaptierte Sollsignal L_adap werden anschließend zum Berechnen 22 eines modellierten Nominalsignals L_mod des Abgaskonzentrationssensors 15 verwendet.
In den 3 bis 5 ist der zeitlicher Verlauf des so erhaltenen modellierten Nominalsignals L_mod dem zeitlichen Verlauf des Sensorsignals L_ist des adaptierten Sollsignals L_adap und des Sollwerts L_soll des Nominalsignals gegenübergestellt. Eine Änderung E am Eingang der Regelstrecke der Abgasreinigungsanlage 16 beim sprungartigen Verstellen des Luftkraftstoffverhältnisses im Brennraum der Brennkraftmaschine 10 ist ebenfalls dargestellt.
In 3 ist ein Grenzfall des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, in dem der Sollwert L_soll des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors 15 dem adaptierten Sollsignal L_adap entspricht. Gemäß Formel 1 entspricht das modellierte Nominalsignal L_mod in diesem Fall dem Sensorsignal L_ist.
In 4 ist ein weiterer Grenzfall des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In diesem entspricht das Sensorsignal L_ist dem adaptierten Sollsignal L_adap des Abgaskonzentrationssensors 15. Gemäß Formel 1 entspricht das modellierte Nominalsignal L_mod in diesem Fall dem Sollwert L_soll des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors 15.
In dem in 5 dargestellten Fall erfolgt ein Sprung E mit einer adaptierten Dynamik, aber mit einer Störung im Sprung, die zu einem anderen Endwert E‘ führt als erwartet. Im Nominalsystem hätte sich das Sensorsignal L’_ist ergeben. Sobald dies zum Zeitpunkt t₁ als Abweichung des Sensorsignals L_ist vom adaptierten Sollsignal L_adap sichtbar wird, wird auch der modellierte Wert des Nominalsignals L_mod zusätzlich korrigiert. Eine ideale Korrektur hätte das Sensorsignal L_ist entsprechend des gestrichelten Pfeiles verschoben. Die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbare Korrektur entspricht dem durchgezogenen Pfeil. Es verbleibt eine Abweichung zwischen dem modellierten Nominalsignal L_mod und dem Sensorsignal L_ist im Nominalsystem. Der größte Teil der Störung ist aber korrigiert. In dem in 5 dargestellten System, das eine Totzeit aufweist, ist eine Korrektur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erst ab einem markierten Zeitpunkt t₁ möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012200032 A1 [0021]
DE 102008001569 A1 [0021]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines modellierten Nominalsignals L_mod eines Abgaskonzentrationssensors (15), der insbesondere stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage (16) in einem Abgasstrang (18) angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte: – Erfassen eines Sensorsignals L_ist des Abgaskonzentrationssensors (15), – Ermitteln (21) eines adaptierten Soll-Signals L_adap des Abgaskonzentrationssensors (15), und – Berechnen (22) des modellierten Nominalsignals L_mod aus dem Sensorsignal L_ist, dem adaptierten Nominalsignal L_adap und einem Sollwert L_soll des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen (22) gemäß der folgenden Formel erfolgt: L_mod = L_ist + L_soll – L_adap
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptierte Soll-Signal L_adap aus dem Sensorsignal L_ist und dem Sollwert L_soll des Nominalsignals ermittelt (21) wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ermitteln (21) ein Streckenmodell einer aktuellen Regelstrecke eines Kraftfahrzeugs berücksichtigt wird, in dessen Abgasstrang (18) der Abgaskonzentrationssensor angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des adaptierten Soll-Signals L_adap bei vorgegebenen Betriebsbedingungen des Abgaskonzentrationssensors (15) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des adaptierten Soll-Signals L_adap nur einmal pro Fahrt eines Kraftfahrzeugs erfolgt, in dessen Abgasstrang (18) der Abgaskonzentrationssensor angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert L_soll des Nominalsignals des Abgaskonzentrationssensors (15) vor Beginn des Verfahrens abhängig von einem Betriebspunkt experimentell ermittelt wird und als Applikationsdaten in einem elektronischen Steuergerät (14) abgelegt wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (14), welches eingerichtet ist, um ein modelliertes Nominalsignal L_mod eines Abgaskonzentrationssensors (15), die stromaufwärts einer Abgasreinigungsanlage (16) in einem Abgasstrang (18) eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bereitzustellen.