DE10206399C1 - Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine. Mit Hilfe von zusätzlichen besonders mageren Abgaspaketen wird das Nach-Kat-Sondensignal stimuliert, um eine schleichende Verschlechterung der Konvertierung zu vermeiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangs­ anregung einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, stromaufwärts sowie stromabwärts von die­ sem angeordneten Lambdasonden und einer Regeleinrichtung.

Neue Richtlinien zur Abgasreduzierung machen einen erhöhten Aufwand bei der Abgasreinigung notwendig. In dem Artikel von Cornelius et al. "The Role of Oxygen Storage in NO Conversion in Automotive Catalysts", der als Pre-Print zu den Akten gereicht wurde, wird beschrieben, daß durch eine Zwangsanregung eine bessere Abgaskonvertierung erzielt wird. Bei der Zwangsanregung wird einem Lambda-Sollwert eine Fett- /Mageramplitude überlagert. Die bekannte Zwangsanregung ist symmetrisch zu einem Lambda-Sollwert.

Aus DE 43 44 892 C2 ist eine Steuerung des Luft/Kraftstoff- Gemisches bekannt, die unabhängig vom Betriebszustand zwangs­ weise zwischen angereicherten und mageren Zuständen oszil­ liert, um die Reinigungseffizienz des Katalysators zu erhö­ hen.

Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer stetigen Lambdasonde bekannt. Bei dem Verfahren wird der Sollwert für die Lambdaregelung durch periodische Zwangsanre­ gungen aufgeprägt und das Streckenverhalten des Lambdarege­ lungskreises mittels eines Modells nachgebildet. Die Amplitu­ denverstärkung von Modell und System werden miteinander ver­ glichen und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs der Modell­ parameter adaptiert. Liegt die Änderung des Modellparameters oberhalb eines Schwellwerts, so wird die Lambdasonde als de­ fekt eingestuft. Die überlagerte Amplitude ist symmetrisch zum Lambda-Sollwert und Fett- sowie Magerflächen gleichen sich aus.

Aus DE 195 16 239 ist ein Verfahren zur Parametrisierung ei­ ner Lambdaregelungseinrichtung bekannt. Ansatz für die Para­ metrisierung ist, daß die Übertragungsfunktion der Lambdare­ gelstrecke als eine Hintereinanderschaltung zweier Verzöge­ rungsglieder erster Ordnung und eines Totzeitgliedes im Lam­ daregelkreis dargestellt werden kann. Der Luftzahlmittelwert wird über einen PID-Regler geregelt. Die Bestimmung der Stre­ ckenparameter erfolgt hierbei abhängig von einem Sondenaus­ gangsignal einer linearen Lambdasonde.

Bei einer Lambdaregelung wird im Allgemeinen angenommen, daß eine optimale Konvertierung bei einem Signalwert der stromab­ wärts von einem Katalysator angeordneten Lambdasonde abhängig vom Betriebspunkt vorbestimmt ist. Da die Konvertierung des Katalysators von dessen Vorgeschichte abhängig ist, kann es bei der Regelung zu einem langsamen Wegdriften der Konvertie­ rungrate kommen, ohne daß dies durch den Signalwert des stromabwärts liegenden Katalysators angezeigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zwangsanregung bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln zuverlässig eine Verschlechterung der Abgaskonvertierung vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer sogenannten Feindosierung der Abgaszusammensetzung aus. Hierfür werden einem Lambda-Sollwert bei einer Zwangsanregung für eine erste Anzahl von Abgaspaketen eine erste Amplitude und für eine zweite Anzahl von Abgaspaketen mindestens zwei unterschiedli­ che zweite Amplitudenwerte überlagert. Die Regeleinrichtung bestimmt einen der zweiten Amplitudenwerte und einen zugehö­ rigen Anteil der zweiten Abgaspakete derart, daß die Signal­ werte der stromabwärts liegenden Lambdasonde sich aufgrund dieser Abgaspakete ändern. Bevorzugt wird eine Umkehrung der Signalwerte erzielt. Mit Hilfe der Zwangsanregung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gute Optimierung der Ab­ gase erreicht. Gleichzeitig wird durch den zusätzlichen zwei­ ten Amplitudenwert ein gezieltes Beeinflussen der Signalwerte stromabwärts von dem Katalysator liegenden Lambdasonde er­ reicht (Patentanspruch 2). Bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren erfolgt eine gezielte Stimulation der stromabwärts von dem Katalysator liegenden Lambdasonde, die ein schleichendes Wegdriften der Konvertierungsrate verhindert.

Die Richtungsumkehr der Signalwerte erfolgt bevorzugt durch Hinzunahme oder Wegnahme von fett oder mageren Abgaspaketen. Es wird eine betriebspunktabhängige Richtungsumkehr herbeige­ führt, die sich in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitli­ chen Abständen wiederholen. Indem die Anzahl der mageren Ab­ gaspakete variiert wird, verbleibt der Steuereinrichtung die Freiheit, die Anzahl und die Lambdawerte der übrigen Zwangs­ anregung entsprechend last- und drehzahlabhängig vom Be­ triebspunkt zu bestimmen (Patentanspruch 3, 4).

Der über die erste Anzahl und die zweite Anzahl der Abgaspa­ kete ermittelte Lambdawert, entspricht dem Lambda-Sollwert (Patentanspruch 5). Bevorzugt sind hierbei beide zweiten Amp­ litudenwerte mager (Patentanspruch 6).

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist die erste und zweite Anzahl der Abgaspakete ein Vielfaches der Zylinderzahl, die in einem Abgasstrang mit ei­ nem Katalysator vorgesehen sind. Der Vorteil liegt darin, daß Zylinderungleichheiten in den Lambdawerten und den der Abgas­ zusammensetzung über die Periodendauer herausgemittelt werden (Patentanspruch 7).

Um die Genauigkeit bei der Zwangsanregung und der Konvertie­ rung noch weiter zu steigern, werden die Signalwerte des stromabwärts liegenden Katalysators über die erste und die zweite Anzahl von Abgaspaketen gemittelt (Patentanspruch 8).

Für die so gemittelten Signalwerte wird überprüft, ob eine Richtungsumkehr der Signalwerte durch eine der zweiten Amplitudenwerte er­ zielt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die Amplitudenwerte für die Zwangsanregung und

Fig. 2 ein schematisches Ablaufbild zur Bestimmung der Amplitudenwerte.

Fig. 1 zeigt die Amplituden der Zwangsanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 1 ist der Verlauf der DELTA_LAMBDA_WERTE aufgetragen, die zu einem Lambda-Sollwert hinzuaddiert werden. Die Anregungsamp­ litude ist gegen die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Kurve 10 zeigt den Verlauf der Amplitudenwerte bei der herkömmli­ chen Zwangsanregung. Kurve 10 besitzt ungefähr einen sinus­ förmigen Verlauf, bei dem die Fett/Mager-Amplituden über steigende bzw. fallende Flanken übergehen. In dem dargestell­ ten Beispiel besitzt die bekannte Zwangsanregung eine Anre­ gungsamplitude von ungefähr 0,030 und eine Periodendauer un­ gefähr 850 ms.

Der Amplitudenverlauf nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist beispielhaft in Kurve 12 dargestellt. In einem ersten Zeitabschnitt 14 werden die Amplituden 16 und 18 für die ma­ gere Anregung vorgegeben. Alternativ zur Verwendung zweier unterschiedlichen Amplitudenwerte können auch unterschiedli­ che Anzahlen von Abgaspaketen eingesetzt werden. In dem dar­ gestellten Beispiel ist der Amplitudenwert 18 größer, d. h. das resultierende Lambda ist magerer als bei dem Amplituden­ wert 16. In dem sich anschließenden Zeitabschnitt 20 wird ein erster Amplitudenwert 22 von dem Lambda-Sollwert subtrahiert. Der Lambda-Sollwert ist hierbei weniger fett als einer der beiden Amplitudenwerte 16 und 18. Die Dauer der Anregung 14 und 20 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel ungefähr gleich lang.

Die Abfolge der drei Amplitudenwerte 16, 18 und 22 wiederholt sich, wobei die Dauer der Amplitudenwerte 16 und 18 variiert. In dem dargestellten Beispiel wird die Dauer der mageren Amp­ litude 18 in den drei aufeinanderfolgenden Perioden verkürzt.

Die Dauer der Amplitudenwerte 18 wird unter Beobachtung des Nach-Kat-Sondensignals bestimmt. Hierdurch wird eine wir­ kungsvolle Konvertierung durch den Katalysator möglich, ohne daß das sogenannte "Einschlafen" des Katalysators oder ein Sauerstoffdurchbruch auftritt.

Fig. 2 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild die Ver­ fahrensschritte zur Bestimmung der Anregungsamplitude. Als Eingangsgrößen 24 und 26 liegen die aktuellen Werte für die Drehzahl und Last an. Die Eingangswerte 24 und 26 liegen je­ weils an den Berechnungsmodulen 28 und 30 an. Hierbei berech­ net Modul 28 den Wert für die erste magere Anregungsamplitude 16 (IP_DE_LAMB_SP_AFL). Das zweite Berechnungsmodul 30 be­ rechnet den Wert für die Anregungsamplitude 22 in der Phase der fetten Lambdawerte (IP_DE_LAMB_SP_AFR). Das Modul 32 be­ rechnet den Wert für die zweite magere Amplitude 18 (IP_DELTA_LAMB_AFL_COR). Zusätzlich zu der Abhängigkeit von Last und Drehzahl hängt die Berechnung der zweiten mageren Amplitude von dem Ausgangssignal einer Abgassteuereinrichtung 34 ab.

Die Ausgangssignale der Einheiten 28, 30, 32 liegen an einem Schalter 36 an. Der Schalter 36 schaltet abhängig von dem Ausgangssignal der Abgassteuereinrichtung 34 eines der anlie­ genden Eingangssignale als Lambdaausgangssignal 38 weiter.

Als weitere Eingangsgröße für die Zwangsanregung liegt der Signalwert der Signalwerte 40 der Lambdasonde stromabwärts von dem Katalysator an, das sogenannte Nach-Kat-Signal. Ab­ hängig von der Eingangsgröße 40 wird in einem Modul 42 die Anzahl der Segmente bestimmt, in denen der Amplitudenwert 18 anliegen soll (IP_SEG_NR_AFL_COR). Bei der Vorgabe der Sem­ gentzeit 44 wird ein gradzahliges Vielfaches der Zylinderzahl bzw. einer Zylinderbank gewählt. An der Abgassteuereinrich­ tung 34 liegen ferner die Konstanten für die Anzahl der mage­ ren Segmente (C_SEG_NR_AFL) und der fetten Segmente (C_SEG_NR_AFR) an. Die Summe der Segmentzahlen bestimmt die Frequenz der Zwangsanregung, wobei die Dauer mit fetter und magerer Amplitude unterschiedlich sein kann.

In dem Modell 46 wird die Entwicklung des Katalysatorsignals 40 überwacht. Die Überwachung erfolgt beispielsweise dahinge­ hend, ob Abweichungen in den Katalysatorsignal 40 über mehre­ re Perioden auftreten. Ebenfalls kann das Katalysatorsignal 40 auf einen Schwellwert hin überwacht werden. Die Ausgangs­ größe der Überwachungseinheit 46 liegt an der Abgassteuerein­ richtung 34 an, so daß bei Abweichung im Katalysatorsignal 40 die Steuereinrichtung 34 die drei Amplitudenwerte entspre­ chend schalten kann.

Das Ausgangssignal 48 der Abgassteuereinrichtung 34 liegt zu­ sätzlich an dem Modul 32 an, so daß die Bestimmung des Ampli­ tudenwertes 18 abhängig von dem Katalysatorsignal 40 erfolgen kann.

Beispielsweise steigt nach einem Durchfetten aufgrund einer Beschleunigung der Nach-Kat-Sondensignalpegel (VLS_DOWN) an. Ein Optimum für die Konvertierung ist bei einer Regelung auf­ grund der Signalwerte des stromabwärts liegenden Katalysators abhängig von der Vorgeschichte der Katbeladung, sogenannter Memory-Effekt. Nach sehr fetter Beladung besteht beispiels­ weise die Möglichkeit, daß bei Signalwerten des Katalysators es zu Emissionsverschlechterungen kommt, die bei normalen Be­ triebszuständen nicht auftreten. Bei diesem Effekt können schlagartige NOx-Durchbrüche auftreten können. Bei einer rein Betriebspunkt abhängigen Konstantwert-Regelung für die Lamb­ dawerte, wird weder dieser Memory-Effekt berücksichtigt, noch kann einem langsamen Wegdriften der Konvertierungsraten Rech­ nung getragen werden. Mit der erfindungsgemäßen Zwangsdosie­ rung, bei der eine Feindosierung der Abgaszusammensetzung er­ folgt, wird das Signal des stromabwärts liegenden Katalysa­ tors regelmäßig stimuliert. Sinkt beispielsweise von einem Auswertezyklus zum nächsten der Signalwert des stromabwärts liegenden Katalysators, so wird der Sauerstoffgehalt im Abgas reduziert. Treten zwischen den Auswertezyklen steigende Ände­ rungen auf, so wird der Sauerstoffanteil im Abgas erhöht. Ist über eine Anzahl von Schritten die Änderung der stromabwärts liegenden Lambdasondenwerte kleiner als Null, so wird bei ü­ berschreiten einer vorbestimmten Anzahl eine Umkehr der Sig­ nalwerte durch eine geänderte Abgaszusammensetzung vorgegeben und umgesetzt. Ist dieses Ansteigen des Pegels erfolgt, wer­ den nachfolgend die Signalwerte in gleicher Art weiterge­ senkt, bis ein vorgegebener Minimalwert erreicht wird. Dieser Minimalwert wird durch gezielte Abgasfeindosierung nach oben und nach unten überschritten und wieder in Phase gebracht, um ein Wegdriften der Signalwerte zu vermeiden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, einem strom­ aufwärts und stromabwärts von diesem angeordneten Lambdasonde und einer Regeleinrichtung, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

• - einem Lambda-Sollwert wird für eine erste Anzahl von Abgaspaketen ein erster Amplitudenwert (22) und für eine zweite Anzahl von Abgaspaketen mindestens einen zweiten Amplitudenwert (16) überlagert,
• - die Regeleinrichtung bestimmt einen der zweiten Amp­ litudenwerte (18) und einen Anteil der zweiten Ab­ gaspakete derart, daß die Signalwerte der stromab­ wärts liegenden Lambdasonde sich aufgrund dieser Abgaspakete ändern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei unterschiedliche zweite Amplitudenwerte (16, 18) vorgesehen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine betriebsabhängige, sich wiederholende Richtungsum­ kehr der Signalwerte der stromabwärts angeordneten Lamb­ dasonde durch die Abgaspakete mit dem einem der zwei Amplitudenwerte erzielt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsumkehr der Signalwerte durch Hinzunahme o­ der Wegnahme von fetten oder mageren Abgaspaketen er­ folgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lambdawerte gemittelt über die erste und zweite Anzahl von Abgaspaketen einem Lambda- Sollwert entsprechen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anregungsamplituden (16, 18) der zweiten Anzahl der Abgaspakete mager sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anzahl der ersten und zweiten Ab­ gaspakete ein Vielfaches der Zylinderzahl sind, die in einem Abgasstrang unter Verwendung eines zugehörigen Ka­ talysators vorgesehen sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalwerte der stromabwärts von dem Katalysator angeordneten Lambdasonde über die Anzahl der ersten und zweiten Abgaspakete gemittelt werden.