DE10206675C1

DE10206675C1 - Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelug

Info

Publication number: DE10206675C1
Application number: DE2002106675
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ellmer; Thorsten Lauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: EP1336742A3; EP1336742A2; EP1336742B1; DE50306001D1

Abstract

Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine, bei der Frequenz und Zwangsanregung abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bestimmt werden, um erhöhte Abgasemissionen zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung, mit dem ein Fehler bei einer Lambdasonde er kannt wird.

Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird eine stromaufwärts eines Katalysators angeordnete Lambdasonde di agnostiziert. Die zu diagnostizierende Lambdasonde besitzt eine in ihrem Ausgangssignal stetige Charakteristik. Zur Di agnose der Lambdasonde wird zu einem Lambda-Sollwert eine pe riodische Zwangsanregung mit vorgegebener Frequenz und Ampli tude überlagert. Ein Modell des Lambdaregelungskreises bildet dessen Streckenverhalten ab, wobei einer der Modellparameter die Sensorverzögerungszeit darstellt. Aus den Amplitudenver stärkungen, die sich für Modell und System bei der Zwangsan regung ergeben, werden die Modellwerte, insbesondere der Mo dellwert für die Sensorverzögerungszeit adaptiert. Die Lamb dasonde wird hierbei als defekt erkannt, wenn der Wert für die Änderung des Modellparameters einen vorgegebenen Schwel lenwert überschreitet. Dies bedeutet, dass bei einer zu star ken Adaption der Sensorverzögerungszeit eine Störung der Lambdasonde erkannt wird. Auf diese Weise kann kontinuierlich die Funktionsweise der Lambdasonde in dem Lambdareglungskreis überprüft werden.

Neben dem vorstehenden spezifischen Einsatz der Zwangsanre gung kann diese vorrangig zur Steigerung des Wirkungsgrades eines Dreiwegekatalysators eingesetzt werden, wie beispiels weise in DE 43 44 892 C2 beschrieben. Hierbei wird für die lineare Lambdaregelung der stöchiometrische Sollwert für die Luftzahl mit einer Zwangsanregung beaufschlagt. Die Abwei chung von dem stöchiometrischen Sollwert besitzen abwechselnd eine Mager- und Fettverschiebung. Bei der Magerverschiebung wird der Sauerstoffspeicher des Katalysators gefüllt, es wird O₂ eingelagert, während bei der Fettverschiebung der Kataly sator wieder geleert wird. Dieser Füll- und Leervorgang ist abhängig von der Sollwertverschiebung (Amplitude der Zwangs anregung) und der Dauer der Verschiebung. Es ist bekannt, die Zwangsanregung in einem zeitbasierten Ansatz mit gleicher Amplitude und gleicher Dauer für Fett- und Mageranregung durchzuführen.

In der DE 197 44 410 C2 ist ein Verfahren zur Überwachung der Laufruheregelung eines Verbrennungsmotors beschrieben. Die Laufruhe wird mit wenigstens einer über eine Regeleinrichtung regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhal tens geregelt. Hierzu werden Messsignale, die wenigstens ei ner Temperatur am Katalysator entsprechen aufgenommen und ausgewertet. Die Auswertung erfolgt durch Vergleich mit einem Referenzwert der Temperatur für die Überwachung der Laufruhe. Der Referenzwert wird mittels eines funktionalen Zusammenhan ges abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbren nungsmotors variiert. Die Stellgröße wird abgeleitet von Sig nalen zweier Abgassensoren, von denen je einer stromaufwärts und je einer stromabwärts des Katalysators angeordnet ist. Hierzu sind die beiden Abgassensoren mit einer Messwerterfas sung und Auswertungseinheit verbunden. In dieser werden neben der Verarbeitung der üblichen Messsignale der Sensoren auch die Innenwiderstände bestimmt und verarbeitet und mit einem festgelegten Schwellenwert verglichen. Daraus wird eine Stellgröße abgeleitet und einem Stellglied zugeführt. Eine Zwangsanregung der Lambdaregelung ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Als nachteilig an der bisherigen rein last- und drehzahlab hängigen Zwangsanregung, auch als forced stimulation bezeich net, hat sich herausgestellt, dass durch die Änderung der Lambda-Sollwerte es zu einer erhöhten Abgasemission kommt, dies insbesondere bei Katalysatoren, die über längere Zeit benutzt worden sind, oder bei Katalysatoren mit geringer E delmetallbeladung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das sich nicht nachteilig auf die Abgasemis sion auswirkt und über weite Betriebsbereiche eine gute Ab gaskonvertierung sicherstellt.

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

Gemäß Anspruch 1 erfolgt die Auswahl der Werte für Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung abhängig von einer Betriebs temperatur der Brennkraftmaschine. Dieser Lösung der erfin dungsgemäßen Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die bekannte Zwangsanregung für einige Betriebszustände zu einer schlechten Konvertierung der Abgase führt. Indem Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung an die Betriebstemperatur an gepasst sind, werden erfindungsgemäß auch im Niedriglast- und Leerlaufbereich sowie nach einem Kaltstart erhöhte Abgasemis sionswerte vermieden. Bevorzugt hängen die Werte für Amplitu de und/oder Frequenz der Zwangsanregung von der Betriebstem peratur des Kühlwassers ab (Anspruch 2). Bisher ist es üb lich, dass die Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung sich auf eine Kühlwassertemperatur von 85°C beziehen. Weicht die Temperatur des Kühlwassers hiervon ab, ergeben sich deutlich andere Konvertierungsraten für den Katalysator und mithin ein anderes Verhalten des geschlossenen Lambdaregelkreises. Um eine wirkungsvolle Zwangsanregung in dem Lambdaregelkreis durchzuführen, ohne eine zusätzliche Erhöhung der Abgasemis sion zu erzielen, werden Frequenz und Amplitude an den geän derten Lambdaregelkreis angepasst.

Die Werte für Amplitude und/oder Frequenz können auch abhän gig von der Temperatur des Zylinderkopfs (Anspruch 3) und/ oder der Öltemperatur (Anspruch 4) für die Zwangsanregung be stimmt werden. Bevorzugt werden neben der Betriebstemperatur auch die Luftmasse und die Drehzahl vorbestimmter Temperatur werte berücksichtigt (Anspruch 5).

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zwangsanregung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit Abgassystem,

Fig. 2 Verlauf einer Zwangsanregung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Zwangsanregung und

Fig. 4 Berechnung von Frequenz und Amplitudensollwerten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zwangsanregung wird nach folgend anhand von Fig. 1 näher erläutert. Eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 10 saugt über einen Ansaug trakt 12 in Pfeilrichtung Luft an. Die aus der Brennkraftma schine 10 ausgetretene Luft wird über einen Abgastrakt 14 in einen Dreiwegekatalysator 16 geleitet. Stromaufwärts von dem Katalysator 16 ist eine erste Sauerstoffsonde 18 vorgesehen, deren Ausgangssignal stetig von der Luftzahl Lambda in dem Abgasstrom abhängt. Die Sauerstoffsensoren werden auch als Lambdasonden bezeichnet. Stromabwärts von dem Katalysator 16 ist eine zweite Lambdasonde 20 angeordnet, die den Katalysa torwirkungsgrad überprüft und als eine lineare Sonde oder ei ne sogenannte Sprungsonde ausgebildet sein kann.

Die Signale der Lambdasonden 18 und 20 werden an eine Lambda regelungseinrichtung 22 weitergeleitet, die aus den beiden gelieferten Signalen auf den Wirkungsgrad des Katalysators 16 und damit auf die Konvertierung der Abgase schließt.

Die Lambdaregelungseinrichtung bestimmt einen Lambda-Sollwert als Stellgröße und gibt diesen an eine Motorsteuerung 24 wei ter. Ferner kann die Lambdaregelungseinrichtung ein Modell für das Verhalten der Regelungsstrecke besitzen. Das Modell beinhaltet, als einen Modellparameter die Sensorverzögerungs zeit. Wie aus DE 195 16 239 C2 bekannt, hat die Übertragungs funktion der Lambdaregelstrecke ein Verhalten wie das Hinter einanderschalten zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung und einem Totzeitglied. Um eine möglichst geringe Änderung der Abgasemission bei der Zwangsanregung zu erhalten, werden Frequenz und Amplitude abhängig von Drehzahl und Last sowie der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine festgelegt.

In Fig. 2 ist der Lambda-Sollwert über die Zeit dargestellt. Der Lambda-Sollwert schwankt bei der bekannten Zwangsanregung um einen Mittelwert 26, bei dem stöchiometrische Verbrennung erfolgt. Die Zwangsanregung kann in einen fetten Teil 28 und einen mageren Teil 30 unterteilt werden. Die Amplituden 32 und 34 der jeweiligen Anregung sind gleich groß. Ebenso be sitzen die magere und die fette Halbwelle 28 bzw. 30 die gleiche Dauer 36 bzw. 38.

Fig. 3 zeigt beispielhaft die Lambda-Sollwerte bei der erfin dungsgemäßen Zwangsanregung. Der Lambda-Sollwert ist hierbei zu 0,998 vorgegeben, um die Gefahr von NOx-Durchbrüchen zu verringern. Die erfindungsgemäße Zwangsanregung besitzt eine magere Halbwelle 40, mit einer Dauer t_mager 42 und eine Ampli tude A_mager 44.

An die magere Halbwelle 40 schließt sich eine fette Halbwelle 46 an. Die fette Halbwelle 46 besitzt eine Dauer t_fett 48 und eine Amplitude A_fett 50. Bei der erfindungsgemäßen Zwangsanre gung können die vier die Zwangsanregung charakterisierenden Parameter: t_mager, A_mager, t_fett, A_fett unabhängig voneinander ge wählt werden.

Die Bestimmung der Parameter wird an einem Blockschaltbild zu Fig. 4 verdeutlicht. Ein erstes Kennfeld 52 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für eine erste Frequenz und eine erste Amplitude. Die Frequenz ist als inverse Perioden dauer definiert, wobei die Periodendauer der Zeitabschnitt einer definierten Abgaspaketfolge von mageren und fetten Ab gaspaketen ist, die sich bei stationären Betriebsbedingungen (d. h. bei gleicher Abgasmenge pro Zeit und gleiche Abgaszu sammensetzung) regelmäßig wiederholt. Unter Mager-/Fett- Amplitude werden die Lambdawerte von einzelnen Abgaspaketen der Abgaspaketfolge verstanden. Das Kennfeld 52 bestimmt Fre quenz und Amplitude für eine erste Temperatur T₁. Das Kenn feld 54 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für eine zweite Frequenz und eine zweite Amplitude. Die Tupel aus Frequenz und Amplitude werden an eine Berechnungseinheit 56 weitergeleitet. Die Berechnungseinheit 56 bestimmt abhängig von dem Istwert 58 für die Betriebstemperatur durch eine li neare oder eine nicht lineare Interpolation das Tupel von Sollwerten für Frequenz und Amplitude 60.

Die in Fig. 4 gezeigte Berechnungsweise kann ebenfalls durch ein dreidimensionales Kennfeld ersetzt werden.

Besondere Vorzüge zeigt das erfindungsgemäße Verfahren der betriebstemperaturabhängigen Zwangsanregung auch im Zusammen hang bei einem sogenannten elektronischen Thermomanagement, bei dem die Betriebstemperatur des Motors mit dem Ziel eines geringen Kraftstoffverbrauchs und guter Abgaswerte gezielt variiert wird. Die Wirkungsweise des Thermomanagements wird durch eine gezielte Anpassung der Zwangsregelung an die Be triebstemperatur unterstützt.

Der Grenzwert, mit dem die Änderung des Modellparameters ge wählt wird, hängt in einer bevorzugten Ausgestaltung eben falls von der Betriebstemperatur ab. Zusätzlich kann der Grenzwert von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschi ne abhängen.

Für die Zwangsanregung können eine Rechteckschwingung oder eine sinusförmige Schwingung eingesetzt werden. Ebenfalls ist es möglich eine Zwangsanregung mit einer sägezahnförmigen Schwingung oder einem anderem Anregungsmuster vorzusehen. Die sägezahnförmige Schwingung ist durch Amplitude, Frequenz und Anstiegszeit gekennzeichnet. Auch die Anstiegszeit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abhängig von der Betriebstem peratur gewählt werden.

Claims

1. Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine, das die folgenden Verfahrens schritte aufweist:

- zu einem Lambda-Sollwert wird eine Zwangsanregung mit mindestens einer Frequenz und einer Amplitude überlagert, die einen mageren und einen fetten Ab schnitt besitzt,
- die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung werden abhängig von einer Betriebs temperatur der Brennkraftmaschine bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsan regung abhängig von der Betriebstemperatur des Kühlwas sers bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung zusätzlich abhängig von der Betriebstem peratur des Zylinderkopfes bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Fre quenz der Zwangsanregung zusätzlich anhängig von der Be triebstemperatur des Öls bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Fre quenz der Zwangsanregung abhängig von der Luftmasse und der Drehzahl bei vorbestimmten Temperaturen bestimmt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kennfeld (52) für eine erste Temperatur ab hängig von Last und Drehzahl erste Sollwerte für Fre quenz und Amplitude bestimmt und ein zweites Kennfeld (54) für eine zweite Temperatur abhängig von Last und Drehzahl zweite Sollwerte für Frequenz und Amplitude be stimmt und eine Vergleichseinrichtung (56) abhängig von der Betriebstemperatur (58) den Sollwerte für die vor liegende Betriebstemperatur interpoliert oder extrapo liert.