DE102016122956A1 - A method of determining a pressure compensation value for an oxygen sensor and controlling operation of an exhaust gas recirculation internal combustion engine and oxygen sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Druckkompensationswerts (K) für einen Sauerstoffsensor mit einer Nernstzelle und einer Pumpzelle im Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors. Gemäß der Erfindung wird für eine gewählte Gruppe von elektrischen Widerständen der Pumpzelle der jeweilige Pumpstrom (I) gemessen, werden Pumpstromdifferenzen (ΔI) zwischen den einzelnen elektrischen Widerständen der Gruppe berechnet und wird unter Verwendung einer Funktion (f), welche die Abhängigkeit des Druckkompensationswerts (K) von der Pumpstromdifferenz (ΔI) beschreibt, der Druckkompensationswert (K) für die gewählte Gruppe von elektrischen Widerständen der Pumpzelle ermittelt.The invention relates to a method for determining a pressure compensation value (K) for an oxygen sensor with a Nernst cell and a pumping cell in the intake manifold of an internal combustion engine. According to the invention, for a selected group of electrical resistances of the pumping cell, the respective pumping current (I) is measured, pumping current differences (ΔI) are calculated between the individual electrical resistances of the group and is calculated using a function (f) which determines the dependence of the pressure compensation value ( K) from the pumping current difference (ΔI), the pressure compensation value (K) for the selected group of electrical resistances of the pumping cell determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Druckkompensationswerts für einen Sauerstoffsensor mit einer Nernstzelle und einer Pumpzelle im Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors, ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung und mit einem Sauerstoffsensor mit einer Nernstzelle und einer Pumpzelle im Ansaugkrümmer, wobei der Sauerstoffsensor einen für den Sauerstoffanteil im Ansaugkrümmer charakteristischen Sensorwert liefert, auf dem die Steuerung des Motorbetriebs unter anderem basiert, sowie einen Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug, die für die Durchführung der Verfahrens eingerichtet sind.The invention relates to a method for determining a pressure compensation value for an oxygen sensor with a Nernst cell and a pumping cell in the intake manifold of an internal combustion engine, a method for controlling the operation of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and with an oxygen sensor with a Nernst cell and a pumping cell in the intake manifold, wherein the oxygen sensor provides for the oxygen content in the intake manifold characteristic sensor value, on which the control of the engine operation is based inter alia, and an internal combustion engine and a motor vehicle, which are adapted to carry out the method.
Zur Verringerung bzw. Begrenzung der Stickoxid-Emissionen von Verbrennungsmotoren verwendet man Abgasrückführung, wobei ein Teil der Abgase zum Ansaugkrümmer zurückgeführt wird. Zur weiteren Emissionsverminderung ist es bekannt, einen sog. FMAN-Sensor im Ansaugkrümmer vorzusehen, der einen Sensorwert liefert, der für den Sauerstoffanteil im Ansaugkrümmer bzw. umgekehrt für den Anteil der verbrannten Gasmasse im Ansaugkrümmer charakteristisch ist. Auf Basis des vom FMAN-Sensor gelieferten FMAN-Wertes werden die einzuspritzende Kraftstoffmenge sowie Einspritz- bzw. Zündzeitpunkte festgelegt, um die Verbrennungsvorgänge in den Zylindern hinsichtlich des Schadstoffausstoßes zu optimieren.Exhaust gas recirculation is used to reduce or limit nitrogen oxide emissions from internal combustion engines, with some of the exhaust gases being returned to the intake manifold. For further emission reduction, it is known to provide a so-called F MAN sensor in the intake manifold, which provides a sensor value that is characteristic of the oxygen content in the intake manifold and vice versa for the fraction of the burned gas mass in the intake manifold. Based on the F MAN value supplied by the F MAN sensor, the fuel quantity to be injected as well as injection or ignition times are set in order to optimize the combustion processes in the cylinders with regard to pollutant emissions.
Ein FMAN-Sensor ist ein Sauerstoffsensor mit einer Nernstzelle und einer Pumpzelle, die jeweils ein Zirkonium-Elektrolyt enthalten, das bei höheren Temperaturen Sauerstoff-lonen transportieren kann, wodurch eine Spannung an den außen liegenden Elektroden der Nernstzelle entsteht. Da diese Spannung sprungförmig ist, kann zur Erweiterung des Messbereichs ein Pumpstrom durch die Pumpzelle geleitet werden, der Sauerstoff-Ionen in den Messspalt zwischen der Nernstzelle und der Pumpzelle hinein oder daraus heraus pumpt.An F MAN sensor is an oxygen sensor with a Nernst cell and a pump cell, each containing a zirconium electrolyte that can transport oxygen ions at higher temperatures, creating a voltage across the outer electrodes of the Nernst cell. Since this voltage is jump-shaped, a pumping current can be passed through the pump cell to expand the measuring range, which pumps oxygen ions into or out of the measuring gap between the Nernst cell and the pump cell.
Aus der
Für einen festen Druck und eine feste Temperatur in der Umgebung des FMAN-Sensors ist die aktuelle Sauerstoffkonzentration im Abgaskrümmer eine beinahe lineare Funktion des Pumpstroms. Ungünstigerweise hängt der Pumpstrom auch von der Temperatur und dem Druck ab. Der Temperatureinfluss kann weitgehend eliminiert und daher vernachlässigt werden, indem die Temperatur der Zelle mittels einer Heizung im FMAN-Sensor in einem engen Temperaturfenster gehalten wird, was durch geeignete Regelung der Heizung mit hoher Genauigkeit möglich ist.For a fixed pressure and temperature in the vicinity of the F MAN sensor, the actual concentration of exhaust gas in the exhaust manifold is a nearly linear function of the pumping current. Unfortunately, the pumping current also depends on the temperature and pressure. The influence of temperature can be largely eliminated and therefore neglected by keeping the temperature of the cell in a narrow temperature window by means of a heater in the F MAN sensor, which is possible by suitable regulation of the heating with high accuracy.
Ungünstigerweise ist die Situation in Bezug auf den Druck nicht so einfach. Der Druckeinfluss kann im Allgemeinen durch eine geeignete Signalkorrektur für den Pumpstrom Ip kompensiert werden. Diese Korrektur folgt im Allgemeinen der Form:
Wenn der Druckkompensationswert Kp sehr genau bekannt ist, können die druckabhängigen Abweichungen des Pumpstroms um den Referenzdruck P0 herum fast vollständig kompensiert werden. Doch hat es sich gezeigt, dass der zum Erhalt eines korrekten Pumpstroms nötige Druckkompensationswert Kp von Sensor zu Sensor stark schwanken kann. Wenn der Druckkompensationswert Kp von Sensor zu Sensor stark schwankt, kann ein von dem Niveau des Referenzdrucks P0 stark abweichendes Druckniveau auftreten.If the pressure compensation value K p is known very accurately, the pressure-dependent deviations of the pumping current around the reference pressure P 0 can be almost completely compensated. However, it has been found that the pressure compensation value K p required to obtain a correct pumping current can vary greatly from sensor to sensor. If the pressure compensation value K p varies greatly from sensor to sensor, a pressure level greatly deviating from the level of the reference pressure P 0 may occur.
Man könnte zwar den Druckkompensationswert für jeden Sensor im Voraus bestimmen und in der Motorsteuereinheit speichern, doch wäre dies äußerst aufwendig und würde auch einen ggf. nötigen Austausch des FMAN-Sensors sehr erschweren.Although one could determine the pressure compensation value for each sensor in advance and store it in the engine control unit, this would be extremely costly and would also make a possibly necessary replacement of the F MAN sensor very difficult.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Einfluss des Drucks auf den von einem Sauerstoffsensor mit einer Nernstzelle und einer Pumpzelle gelieferten Messwert auf eine praxistaugliche Art und Weise zu kompensieren.The invention is based on the object of compensating for the influence of pressure on the measured value supplied by an oxygen sensor with a Nernst cell and a pumping cell in a practicable manner.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Verfahren und Vorrichtungen gelöst.This object is achieved by the methods and devices specified in the independent patent claims.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird eine Druckkompensationswert-Bestimmungsprozedur an dem im Fahrzeug eingebauten Sauerstoffsensor eingeführt, die vorzugsweise online von einem Server über ein globales Netz wie z. B. das Internet durchgeführt wird. Die Online-Bestimmungsprozedur macht von einer Messung des Pumpstroms bei verschiedenen Temperaturen der Pumpzelle Gebrauch. Dabei wird vorausgesetzt, dass sowohl der Druck als auch die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Pumpzelle während der Prozedur konstant bleiben.According to the invention, a pressure compensation value determination procedure is introduced to the vehicle-mounted oxygen sensor, which is preferably downloaded online from a server via a global network, such as a computer. B. the Internet is performed. The online determination procedure makes use of a measurement of the pumping current at different temperatures of the pumping cell. It is assumed that both the pressure and the oxygen concentration in the environment of the pump cell remain constant during the procedure.
Da die Temperatur der Pumpzelle eng mit ihrem elektrischen Widerstand Rvps verknüpft ist, ist eine Messung des Pumpstroms bei verschiedenen Temperaturen der Pumpzelle äquivalent zu einer Messung des Pumpstroms bei verschiedenen elektrischen Widerständen der Pumpzelle.Since the temperature of the pumping cell is closely related to its electrical resistance R vps , measuring the pumping current at different temperatures of the pumping cell is equivalent to measuring the pumping current at various electrical resistances of the pumping cell.
Nachdem für eine gewählte Gruppe von elektrischen Widerständen der Pumpzelle der jeweilige Pumpstrom Ip durch Messung bestimmt worden ist, wird die Pumpstromdifferenz ΔIp,xy zwischen den einzelnen elektrischen Widerständen der Gruppe berechnet. Für jede Kombination von elektrischen Widerständen der Gruppe wird eine Funktion verwendet, welche die Pumpstromdifferenz ΔIp,xy in Bezug auf den Druckkompensationswert Kp beschreibt. Unter Verwendung dieser Funktion kann der Druckkompensationswert Kp für jede Gruppe wie folgt gefunden werden:
Ein potentieller Kandidat für die Funktion f ist:
Der Gesamt-Druckkompensationswert Kp kann dann als der Mittelwert oder eine gewichtete Summe der für die einzelnen Gruppen bestimmten Kp-Werte gefunden werden.The total pressure compensation value K p can then be found as the mean or a weighted sum of the K p values determined for each group.
Dieser Gesamt-Druckkompensationswert Kp wird dann verwendet, um den im EEPROM (löschbaren Festwertspeicher) der Motorsteuereinheit (ECU) gespeicherten Kp-Wert zu aktualisieren.This total pressure compensation value K p is then used to update the K p value stored in the EEPROM (Erasable Read Only Memory) of the engine control unit (ECU).
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
-
1 ein Flussdiagramm einer Prozedur zur Bestimmung eines Druckkompensationswerts; -
2 die Berechnung von Pumpstromvektoren und des Druckkompensationswerts im letzten Schritt desFlussdiagramms von 1 ; -
3 Graphen von beispielhaften funktionalen Zusammenhängen zwischen Pumpstromdifferenz und Druckkompensationswert; -
4 ein Flussdiagramm einer Prozedur zur Aktualisierung des Druckkompensationswerts; und -
5 ein Flussdiagramm einer Prozedur für eine verbesserte Druck- und Sauerstoffkompensation für die Pumpstromdifferenz.
-
1 a flowchart of a procedure for determining a pressure compensation value; -
2 the calculation of pumping current vectors and the pressure compensation value in the last step of the flowchart of FIG1 ; -
3 Graphs of exemplary functional relationships between pumping current differential and pressure compensation value; -
4 a flowchart of a procedure for updating the pressure compensation value; and -
5 a flowchart of a procedure for improved pressure and oxygen compensation for the pumping current difference.
Unter Bezugnahme auf
Im Schritt S3 wird der FMAN-Sensor auf niedrigen elektrischen Widerstand Rvps der Pumpzelle gesteuert, und es wird der mittlere zugehörige Pumpstrom Ip,low über x Sekunden aufgezeichnet.In step S3, the F MAN sensor is controlled to low electrical resistance R vps of the pumping cell, and the average associated pumping current I p, low is recorded over x seconds.
Im Schritt S4 wird der FMAN-Sensor auf den Nenn-Widerstand Rvps der Pumpzelle gesteuert, und es wird der mittlere zugehörige Pumpstrom Ip,nom über x Sekunden aufgezeichnet. In step S4, the F MAN sensor is controlled to the nominal resistance R vps of the pumping cell, and the average associated pumping current I p, nom is recorded over x seconds.
Im Schritt S5 wird der FMAN-Sensor auf hohen elektrischen Widerstand Rvps der Pumpzelle gesteuert, und es wird der mittlere zugehörige Pumpstrom Ip,high über x Sekunden aufgezeichnet.In step S5, the F MAN sensor is controlled to high electrical resistance R vps of the pumping cell, and the average associated pumping current I p, high is recorded over x seconds.
Im Schritt S6 wird geprüft, ob bei jedem der verschiedenen elektrischen Widerstände der Pumpstrom N mal aufgezeichnet worden ist. Wenn nein, geht es zum Schritt S2 zurück und dann weiter zum nächsten der Schritte S3 bis S5. Wenn ja, geht es zum Schritt S6 weiter.In step S6, it is checked whether the pumping current N times has been recorded at each of the various electrical resistances. If not, it returns to step S2 and then to the next of steps S3 to S5. If so, proceed to step S6.
Für das Beispiel von
Eine Prozedur zur Aktualisierung des Druckkompensationswerts im EEPROM einer Motorsteuereinheit ist in
Nach dem Start dieser Prozedur im Schritt S41 erfolgt im Schritt S42 eine Kp-Wert-Bestimmung wie unter Bezugnahme auf
Im Schritt S43 wird geprüft, ob ein i-ter ermittelter Druckkompensationswert Kp,i im zulässigen Bereich liegt. Wenn nein, wird im Schritt S44 eine Größe „Fehlerhafte Kp-Werte“ um 1 erhöht, und wenn diese Größe einen voreingestellten Maximalwert übersteigt, wird ein Fehler gemeldet. Wenn ja, geht es zum Schritt S45 weiter.In step S43, it is checked whether an ith-determined pressure compensation value K p, i is within the allowable range. If not, an amount "Faulty K p values" is increased by 1 in step S44, and if this quantity exceeds a preset maximum value, an error is reported. If so, proceed to step S45.
Im Schritt S45 wird geprüft, ob die Messung die erste Messung für den Sensor ist. Wenn ja, wird im Schritt S46 der im EEPROM gespeicherte Kp-Wert auf den ermittelten Wert Kp,i gesetzt. Wenn nein, geht es zum Schritt S47 weiter.In step S45, it is checked whether the measurement is the first measurement for the sensor. If so, the K p value stored in the EEPROM is set to the determined value K p, i in step S46. If not, proceed to step S47.
Im Schritt S47 wird ein Wert Kp,w = w × Kp,eeprom + (
Die charakteristischen Funktionen, welche die Beziehung zwischen der Pumpstromdifferenz ΔIp und dem Druckkompensationswert Kp beschreiben, können von der Sauerstoffkonzentration und von dem Druck in der Umgebung des Sensorelements abhängen.The characteristic functions describing the relationship between the pumping current difference ΔI p and the pressure compensating value K p may depend on the oxygen concentration and the pressure in the vicinity of the sensor element.
Die Sauerstoffkonzentration in der das Sensorelement umgebenden Luft kann unter Verwendung der von einem Drucksensor gelieferten Druckinformationen, der von einem Temperatursensor gelieferten Umgebungstemperatur-Informationen und der von einem Sensor für relative Luftfeuchtigkeit gelieferten Informationen zur relativen Umgebungsluftfeuchtigkeit bestimmt werden. Falls ein Sensor für relative Luftfeuchtigkeit nicht zur Verfügung steht, kann statt eines Messwerts ein Vorhersagewert verwendet werden.The oxygen concentration in the air surrounding the sensor element may be determined using the pressure information provided by a pressure sensor, the ambient temperature information provided by a temperature sensor, and the relative humidity information provided by a relative humidity sensor. If a relative humidity sensor is not available, a predictive value can be used instead of a measured value.
Der Druck in der Umgebung des Sensorelements ergibt sich aus den vom Drucksensor gelieferten Druckinformationen.The pressure in the vicinity of the sensor element results from the pressure information supplied by the pressure sensor.
In Kenntnis der Sauerstoffkonzentration und des Drucks in der Umgebung des Sensorelements kann deren Einfluss auf die charakteristischen Funktionen, welche die Beziehung zwischen der Pumpstromdifferenz ΔIp und dem Druckkompensationswert Kp beschreiben, wie folgt kompensiert werden:
Darin ist:
- Das überstrichene Kp eine Konstante, die einen angenommenen festen Wert für Kp repräsentiert, z. B. den für die Produktion gefundenen mittleren Kp-Wert;
- Psens der tatsächliche absolute Druck in der Umgebung des Sensorelements;
- P0 der Referenzdruck, bei dem die charakteristischen Funktionen ΔIp - Kp gewonnen worden sind;
- O2,0 die Referenz-Sauerstoffkonzentration, bei der die charakteristischen Funktionen ΔIp - Kp gewonnen worden sind.
- O2,act die aktuelle Sauerstoffkonzentration in der Umgebung des Sensorelements, die als die Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft angenommen wird. Dieser Wert wird als eine Funktion des Umgebungsdrucks P, der Temperatur T und der relativen Luftfeuchtigkeit X gefunden, z. B. als O2,act = f(PUmgebung, TUmgebung, XH20, Umgebung)
- ΔIp ist die Pumpstromdifferenz, deren Messung unter Bezugnahme auf
1 und2 beschrieben worden ist.
- The swept K p represents a constant representing an assumed fixed value for K p , e.g. B. the mean K p value found for the production;
- P sens the actual absolute pressure in the vicinity of the sensor element;
- P 0 is the reference pressure at which the characteristic functions ΔI p - K p have been obtained;
- O 2.0 is the reference oxygen concentration at which the characteristic functions ΔI p - K p have been obtained.
- O 2, act the current oxygen concentration in the vicinity of the sensor element, which is assumed to be the oxygen concentration of the ambient air. This value is found as a function of ambient pressure P, temperature T and relative humidity X, e.g. As O 2, act = f (P environment , T environment , X H20 , environment )
- ΔI p is the pumping current difference, their measurement with reference to
1 and2 has been described.
Die in Übereinstimmung mit der obigen Formel berechnete korrigierte Pumpstromdifferenz ΔIp,cor wird in einem dritten Schritt der Kp-Bestimmungsprozedur zur Verbesserung der Druck- und Sauerstoffkompensation für ΔIp verwendet, wie es in
Nach dem Start im Schritt S51 wird im Schritt S52 die korrigierte Pumpstromdifferenz ΔIp,cor unter Verwendung von ΔIp und des überstrichenen Kp berechnet. Im Schritt S53 wird unter Verwendung von ΔIp,cor der Kp-Wert geschätzt. Im Schritt S55 wird geprüft, ob die Differenz zwischen dem überstrichenen Kp und dem Kp-Wert betragsmäßig kleiner als ein maximaler absoluter Kp-Fehlerwert ist. Wenn nein, wird im Schritt S54 das überstrichene Kp gleich dem Kp-Wert gesetzt, und die Prozedur geht mit dem Schritt S52 weiter. Wenn ja, wird im Schritt S56 der im EEPROM gespeicherte Kp-Wert unter Verwendung des im Schritt S53 geschätzten Kp-Werts aktualisiert.After the start in step S51, the corrected pumping current difference ΔI p, cor is calculated in step S52 using ΔI p and the swept K p . In step S53, the K p value is estimated using ΔI p, cor . In step S55 it is checked whether the difference between the swept K p and the K p value is smaller in magnitude than a maximum absolute K p error value. If not, the swept K p is set equal to the K p value in step S54, and the procedure advances to step S52. If so, in step S56, the stored value in the EEPROM K p using the p in step S53 estimated K -value is updated.
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