DE19545694A1 - Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Ver
hältnisses einer Brennkraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten
Lambdasonde, die im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Kata
lysator angeordnet ist, einem Regler zugeführt wird und der Regler eine
Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt und daß dem Regler ein
weiteres Signal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer
zweiten, dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird.
Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für
Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaska
nal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, so
genannte Lambdasonden bekannt, die z. B. nach dem Prinzip der Ionen
leitung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruck
differenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauer
stoffpartialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom
Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Span
nungssprung ausweist.
Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler
ausgewertet, welcher wiederum über ein Stellglied das
Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.
Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine
Verminderung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftma
schinen angestrebt.
Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet
ist, wird das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alte
rungserscheinungen unterliegt.
Trotz dieser überlagerten Regelung können die Alterungserscheinungen der
ersten Lambdasonde nicht ausreichend korrigiert werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
welches eine genaue und anpassungsfähige Regelung ermöglicht, so daß
das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Sinne einer Verminderung der Abgas
emission weiter verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem Ausgangs
signal der zweiten Lambdasonde in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Um
schlagens des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde eine Haltezeit
gewonnen wird, wodurch das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der die erste Lambdasonde
enthaltenden Regelstrecke eine Stellgröße überlagert wird, welche von der
tatsächlich andauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten
Lambdasonde abhängig ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird aus dem Ausgangssignal der
zweiten Lambdasonde und einem Sollwert eine Differenz gebildet, welche
zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Lambdasonde vorzeichen
bezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt
wird.
Vorteilhafterweise entspricht der Sollwert annähernd dem Mittelwert des
Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde beim störungsfreien Betrieb der
ersten Lambdasonde.
Zur Betriebspunkteinstellung wird die aus dem Signal der zweiten Lambda
sonde gewonnene Zeit in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der
Brennkraftmaschine korrigiert und der Regelstrecke zugeführt, in dem die
Kraftstoffeinspritzung angepaßt wird.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll
anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des
Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine
Fig. 2 Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem
Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ-Faktor)
Fig. 3 Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde
Fig. 4 Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten
Lambdasonden mit dynamischem Verhalten
Fig. 5 schematischer Signalverlauf der Regelkreise der Lambdasonden
vor und hinter dem Katalysator.
Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit
einem Katalysator 2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt.
Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt.
Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Er
fassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Kata
lysator 2 eine weitere Lambdasonde 6 vorgesehen. Die Lambdasonden 5
und 6 messen den jeweiligen Lambdawert des Abgases vor und hinter dem
Katalysator 2. Beide von den Lambdasonden 5 und 6 gelieferten Signale
werden an einen Regler mit PI-Charakteristik 8 geführt, der gewöhnlich in
einem nicht weiter dargestellten Steuergerät im Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Aus diesen Signalen bildet der Regler 8 mit Hilfe von Sollwerten ein Stell
signal, welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird.
Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung,
welche zusammen mit der angesaugten Luftmasse (Luftmassenmesser 7)
einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.
Jede Lambdasonde liefert über dem das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch
repräsentierenden λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt
ist. Je nachdem welcher Typ von Lambdasonde für die Regelung verwendet
wird, können entweder der Widerstand oder die Spannung über dem
λ-Faktor betrachtet werden.
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.
Ist die Sonde aktiv, so weist sie eine Signalspannung auf, welche außerhalb
des Bereiches (ULSU, ULSO) liegt. Während des Mager-Ausschlages liefert
die Lambdasonde ein minimales Ausgangssignal das unterhalb von ULSU
liegt. Während des Fett-Ausschlages wird ein maximales Spannungssignal
oberhalb von ULSO in einem Bereich von 600-800 mV gemessen. Dieser
maximale Wert unterliegt aufgrund von Herstellungstoleranzen und Alte
rungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sonden
korrekturfaktor korrigiert werden.
Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kom
pensieren, ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambda
sonde 6 hinter dem Katalysator 2 enthält und welcher in Fig. 3 näher er
läutert ist.
Die Regelstrecke 11 enthält, wie in Fig. 1 dargestellt, die Einspritzventile 4,
den Motor 1, den Katalysator 2, die Lambdasonde 5 sowie die Lamdasonde
6. Der Regler 8 wertet sowohl den 1. Regelkreis der Lambdasonde 5 als
auch den zweiten Regelkreis der Lambdasonde 6 aus und erzeugt im Er
gebnis das oben beschriebene Stellsignal.
Die im Abgaskanal hinter dem Katalysator 2 angeordnete Lambdasonde 6
liefert einen Lambdawert in Form einer Signalspannung. Zu Beginn jedes
Regelzyklusses wird überprüft, ob die Sonde aktiv ist. Dies geschieht da
durch, daß festgestellt wird, ob sich diese Signalspannung außerhalb eines
Spannungsbereiches (ULSU, ULSO) befindet. Ist dies der Fall, wird der von
der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U6IST an einen Summierpunkt 12 mit
einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeicherten
Sollwertes 13 verglichen. Dieser Sollwert U6SOLL wird aus dem von der
Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Kata
lysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signumzähler
14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a inkrementiert um 1, wenn der Istwert
U6IST größer ist als der Sollwert U6SOLL. Er dekrementiert um 1, wenn der
Istwert U6IST kleiner als der Sollwert U6SOLL ist. Sind beide Werte gleich, wird
der Zählerstand nicht verändert.
Der Zähler 14 wird bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordne
ten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.
An einem ersten Multiplizierpunkt 15 wird der Zählwert mit einer Proportio
nalitätskonstanten im Wert von (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der
ersten Lambdasonde multipliziert, wodurch eine absolute Haltezeit THroh
bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit THroh wird in einem zweiten
Multiplizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher in
einem abgespeicherten Kennfeld 17 in Abhängigkeit von der Last und der
Drehzahl n des Motors abgelegt ist. Die so gewonnene Haltezeit TH wird als
Regelgröße dem Regler 8 zur Anpassung der Regelstrecke 11 zugeführt.
Die Haltezeit TH verzögert den P-Sprung des Reglers 8.
Um ein dynamisches Verfahren zu realisieren, wird bei dem Vergleich von
Sollwert U6SOLL und Istwert U6IST der zweiten Lambdasonde 6 am Summen
punkt 12 in Abhängigkeit eines als Schwellwert 19 definierten Differenzbe
trages 20 festgelegt ob eine erste oder eine zweite Proportionalitätskon
stante dem ersten Multiplizierpunkt 15 zugeführt wird (Fig. 4). Ist der Diffe
renzbetrag zwischen Soll- und Istwert der zweiten Lambdasonde 6 kleiner
als der Schwellwert 19 wird eine erste Proportionalitätskonstante AK1 ausge
wählt, welche eine kleinere Haltezeit THroh einstellt. Ist der Differenzbetrag
größer als der Schwellwert 19, wird eine zweite Proportionalitätskonstante
AK2 zugeführt, durch welche eine größere Haltezeit THroh realisiert wird. Auf
grund dieser Haltezeiten nähert sich der Istwert mehr oder weniger langsam
dem Sollwert an. Anstelle der Proportionalitätskonstanten AK1 und AK2 ist
auch ein Kennfeld denkbar.
Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die
Regelstrecke 11 in Fig. 5 dargestellt.
Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.
Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Fig. 5a) zeigen die zeit
liche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten
Lambdasondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kurven
(schraffierte Fläche in Fig. 5a) die zeitliche Änderung des Lambda
regelfaktors, unter Einfluß des Regelkreises der hinter dem Katalysator an
geordneten Lambdasonde darstellen.
Diese Darstellung soll keinen geschlossenen Regelkreis verdeutlichen,
sondern dient lediglich zur Verdeutlichung der Wirkung der Haltezeit TH auf
den ersten Regelkreis.
Die Haltezeit TH ist vorzeichenbehaftet, wobei positive Zeiten den P-Sprung
des Reglers nach einem mager/fett-Sondenumschlag und negative Zeiten
den P-Sprung des Reglers nach einem fett/mager-Sondenumschlages der
vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde verzögern.
In Fig. 5b ist weiterhin das digitalisierte Signal angezeigt welches von der
ersten Lambdasonde an den Reglereingang gegeben wird. Aus dem Ver
gleich der Kurven I und II geht hervor, daß unter Einfluß des zweiten Regel
kreises sich die Impulsdauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde
verlängert. Dies hat zur Folge, daß die Gemischanfettung hinter dem Kata
lysator unter Einwirkung des zweiten λ-Regelkreises kontinuierlich zunimmt
(Fig. 5c).
Die Ergebnisse des beschriebenen Verfahrens werden im nichtflüchtigen
Speicher des Steuergerätes abgespeichert und finden in den darauffolgen
den Regelzyklen Berücksichtigung.
Wie bereits erwähnt, unterliegt das maximale Spannungssignal einer
Lambdasonde gewissen Streuungen die durch einen Sondenkorrekturfaktor
korrigiert werden.
Der Sondenkorrekturfaktor für die dem Katalysator nachgeordnete Lambda
sonde 6 wird folgendermaßen bestimmt.
Nach dem Start des Verbrennungsmotors wird der Katalysator mit einem
überfetteten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt, was eine Nachverbrennung im
Katalysator zufolge hat. Die auf diese Weise im Katalysator erzeugte
Temperatur liegt unter der Betriebstemperatur des Katalysators, welche
normalerweise bei 200°C bis 300°C liegt. Der Katalysator weist somit eine
stark eingeschränkte O₂-Speicherfähigkeit auf. Voraussetzung für die
Bestimmung des Sondenkorrekturfaktors ist, daß kein Regelkreis aktiv ist.
Die Meßzeit TMAX umfaßt ca. 2 Min und muß vor Erreichen der Betriebs
temperatur des Katalysators abgeschlossen sein.
Während der Meßzeit TMAX wird die Sondenspannung ULS6 der hinter dem
Katalysator 2 angeordneten Lambdasonde 6 mehrmals in zeitlich gleich
mäßigen Abständen gemessen.
Die Meßwerte ULS6n werden gemittelt und der Mittelwert LS6Mit wird in
einem Speicher abgelegt.
Der Mittelwert LS6Mit wird durch eine applizierbare Konstante LSMAX dividiert.
Diese applizierbare Konstante entspricht dem maximalen Signalwert
(Fett-Spannungswert) einer Referenz-Sonde.
Der so ermittelte Quotient entspricht dem Sondenkorrekturfaktor SL6KOR
Dieser Sondenkorrekturfaktors LS6KOR wird zur Bestimmung des korrigierten
Sollwertes USOLLKOR für die hinter dem Katalysator angeordnete Lambda
sonde 6 genutzt:
LS6SOLLKOR = U6SOLL × LS6KOR.
Claims (6)
1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brenn
kraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im
Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Katalysator angeordnet ist,
einem Regler zugeführt wird und der Regler eine Stellgröße für das
Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt und daß dem Regler ein weiteres Signal
zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer zweiten dem
Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß aus dem Ausgangssignal der zweiten Sauerstoff
meßsonde in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Umschlagens des Ausgangs
signals der ersten Sauerstoffmeßsonde eine Haltezeit gewonnen wird, durch
welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus
gangssignal des Reglers verzögert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde mit einem Sollwert ver
glichen wird, wobei eine Differenz gebildet wird, welche zum Zeitpunkt des
Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen auf
integiert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll
wert annähernd dem Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambda
sonde beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde darstellt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Vergleich von Soll- und Istwert der zweiten Lambdasonde in
Abhängigkeit von einem aus Soll- und Istwert gebildeten Differenzbetrag
festgelegt wird, ob die erste oder eine zweite Proportionalitätskonstante zur
Bestimmung der Haltezeit genutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wert des dem Regler zuzuführenden Signals abhängig ist von der Last
und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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