DE19610170B4

DE19610170B4 - Lambda-Regelungsverfahren

Info

Publication number: DE19610170B4
Application number: DE19610170A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. Schnaibel; Lothar Dipl.-ing. Raff; Ernst Dipl.-Ing. Wild; Klaus Dipl.-Phys. Hirschmann; Frank Dr.-Ing. Dr. Blischke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2016-03-16
Also published as: GB2311150A8; GB2311150B; JPH09250384A; GB2311150A; GB9705052D0; KR100240970B1; US5787867A; DE19610170A1; KR970066016A

Abstract

Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches einer Drennkraftmaschine (1), bei dem das Kraftstoff/Luft-Gemisch in Abhängigkeit von einer- Luftzahl Lambda, die eine Abgassonde (8) erfasst, mittels einer Regelstellgröße (FR) geregelt wird, bei dem periodische Schwingungen des Regel-Istwertes und der Regelstellgröße (FR) auftreten, und bei dem der Mittelwert der Schwingungen über eine Veränderung von Verzögerungszeiten (tv) beeinflusst wird, mit denen eine Vorzeichenumkehr einer Änderung der Regelstellgröße (FR) verzögert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Totzeit (tt) der Regelung aus dem Verhalten der Regelstellgröße (FR) ermittelt wird und dass die ermittelte Totzeit (tt) bei der den Mittelwert beeinflussenden Veränderung der Verzögerungszeiten (tv) berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches einer Brennkraftmaschine (Lambda-Regelungsverfahren) nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Eine in „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch", 22. Auflage, VDI-Verlag, 1995, Seiten 490–493 beschriebene Abgassonde, die im Rahmen einer Lambdaregelung verwendet wird, liefert bei kraftstoffarmem Gemisch einen Signalpegel von circa 100 Millivolt und bei kraftstoffreichem Gemisch einen Signalpegel von circa 900 Millivolt im betriebswarmen Zustand.

Durch eine verhältnismäßig steile und temperaturstabile Signalpegeländerung im Bereich der stöchiometrischen Zusammensetzung (λ = 1) des Kraftstoff-Luftgemisches eignet sich diese Sonde insbesondere zur Regelung auf λ = 1 mit einer PI- oder auch einer PID-Regelung.

Das Zusammenspiel dieser Regel- und Sondencharakteristik mit der Totzeit der Regelstrecke, die zum Teil aus der Gastransportzeit zwischen dem Ort der Gemischbildung im Saugrohr und dem Einbauort der Sonde im Abgastrakt bedingt ist, führt zu einer periodischen Schwingung des Istwertes um den Sollwert. Bei symmetrischer Schwingung wird der Sollwert (λ = 1) im zeitlichen Mittel eingehalten.

Zur Einregelung von Sollwerten λ ≠ 1 wird die Symmetrie der Regelschwingung bewusst beeinflusst. Dies kann beispielsweise durch unsymmetrische Integratorsteigungen, Proportionalanteile oder Verzögerungszeiten tv, die eine Richtungsumkehr des Reglerausgangssignals bei einem Wechsel des Sondensignalpegels verzögern, bewirkt werden.

Ein derartiges System ist beispielsweise aus der DE 38 16 85 A1 bekannt. Nach dieser Schrift, die sowohl Systeme mit nur einer Sonde vor einem Katalysator als auch Systeme mit je einer Sonde vor und hinter einem Katalysator betrifft, wird der Regelung auf der Basis des momentanen Istwertes eine Regelung auf der Basis eines zeitlich gemittelten Istwertes überlagert. Weicht der gemittelte Istwert von einem Sollwert ab, wird auf Regelparameter im Regelkreis des momentanen Istwertes, beispielsweise auf Verzögerungszeiten, eingegriffen. Unabhängig davon, ob der Eingriff auf die Verzögerungszeit abhängig von Betriebsparametern wie Last, Drehzahl, usw. oder auch vom Signal der hinter dem Katalysator angeordneten Sonde erfolgt, wird die genaue Einstellung eines gewünschten δλ zu λ = 1 dadurch erschwert, dass δλ nicht nur von der Verzögerungszeit t_v, sondern auch von der Totzeit tT der Regelstrecke abhängig ist. Dabei umfasst die Totzeit tT diejenige Zeit zwischen der Änderung der Gemischzusammensetzung vor dem Verbrennungsprozess bis zur Reaktion der Abgassonde auf diese Änderung nach der Verbrennung. Die Totzeit tT umfasst daher im Wesentlichen die Gaslaufzeit zwischen Saugrohr und Abgassonde und die sondenspezifische Totzeit tS, die zwischen einer Änderung des Sauerstoffgehalts an der Sonde und der resultierenden Änderung des Sondensignalpegels vergeht. Die Gaslaufzeit hängt zumindest von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Die Totzeit der Abgassonde ändert sich mit zunehmender Alterung. Der Durchgriff von Verzögerungszeiten t_v auf ein einzustellendes δλ hängt damit zumindest vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und von der Alterung der Abgassonde ab. Die mit zunehmender Sondenalterung anwachsende Gesamttotzeit der Regelstrecke bewirkt überdies eine Vergrößerung der Amplitude der Regelschwingung. Diese Vergrößerung ist nicht erwünscht, da sich die mit ihr einhergehenden größeren Schwankungen des Sauerstoffgehalts im Abgas nachteilig auf die Schadstoffkonvertierung im Katalysator auswirken.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem der Durchgriff von Verzögerungszeiten auf eine angestrebte Gemischverschiebung nicht von der Totzeit einer Lambdasonde abhängt.

Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich die Amplitude der Regelschwingung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt, was zu einer Verringerung der Katalysatorbelastung beiträgt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Zeichnung
1 zeigt mit dem Gemischregelkreis einer Brennkraftmaschine das technische Umfeld, in dem die Erfindung ihre Vorteile entfaltet. 2 veranschaulicht ... das Signal einer Abgassonde, wie sie in dem Umfeld der 1 verwendet wird. 3 verdeutlicht unter anderem die Bildung der Regelstellgröße im Gemischregelkreis der 1. 4 zeigt unter anderem ein Bild der periodischen Schwingung der Regelstellgröße. Die 5 und 6 offenbaren Flußdiagramme von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens und 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Eingriff durch eine hinter dem Katalysator angeordnete Sonde.
Die 1 in der 1 bezeichnet eine Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät 2, einem Saugrohr 3 und einem Abgastrakt 4 mit Katalysator 5. Dem Steuergerät werden Signale über Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zugeführt. Dargestellt ist das Signal L eines Lasterfassungsmittels 6, das Signal n eines Drehzahlsensors 7 und Signale US, US' einer vor und einer hinter dem Katalysator angeordneten Abgassonde 8 bzw. 8'. Dabei ist die Abgassonde 8' für die Ausführung der Erfindung nicht zwingend notwendig. Die Erfindung kann aber bei einem 2-Sondensystem vorteilhaft angewandt werden. Aus diesen und gegebenenfalls aus weiteren Signalen bildet das Steuergerät ein Kraftstoffzumeßsignal ti, mit dem ein Kraftstoffzumeßorgan 9, das beispielsweise als Einspritzventilanordnung realisiert sein kann, angesteuert wird.
2 zeigt das bekannte Signal einer betriebswarmen Abgassonde vom Nernst-Typ.
3 verdeutlicht das Zustandekommen des Kraftstoffzumeßsignals, insbesondere im Hinblick auf die Bildung der Regelstellgröße FR. Das Signal US der Abgassonde wird in der Vergleichsstelle 2.1 mit einem Sollwert aus einem Sollwertkennfeld 2.2 verglichen. Die Abweichung ΔU wird einem Regler 2.3 zugeführt, der daraus eine Regelstellgröße FR bildet, mit der ein Grundzumeßsignal t1 aus einem Kennfeld 2.4 multiplikativ im Punkt 2.5 zum Kraftstoffzumeßsignal tI verknüpft wird.
4 zeigt einen Ausschnitt aus dem zeitlichen Verlauf der Regelstellgröße FR. Zum Zeitpunkt t = 0 hatte sich die Gemischzusammensetzung im Saugrohr von mager auf fett geändert. Da die Abgassonde diese Änderung erst um die Totzeit tt verzögert an das Steuergerät weitergibt, wird FR weiter linear vergrößert, was einer weiteren Anfettung entspricht. Nach Ablauf der Totzeit tt registriert die Abgassonde den Wechsel der Gemischzusammensetzung. Im hier dargestellten Beispiel wird dann die Stellgröße FR für eine Verzögerungszeitspanne tv konstantgehalten, bevor eine sprungartige Verstellung in Richtung mager und eine wiederum linear verlaufende Abmagerung folgen.
Die um die Zeitspanne t_v verzögerte Richtungsumkehr der Stellgrößenänderung bewirkt eine Verschiebung δλ der zeitlich Bemittelten Gemischzusammensetzung λ.
Für ein gewünschtes δλ ist das erforderliche TV proportional zu δλ und zur Totzeit tT und umgekehrt proportional zur Differenz aus der Amplitude A und dem gewünschten λ. Mit andeen Worten: Der Durchgriff der Verzögerungszeit t_v auf δλ ist von der Totzeit der Regelstrecke und der Amplitude der Regelschwingung abhängig.
Sowohl der Wert der Änderungsgeschwindigkeit als auch der Wert der Amplitude der Stellgröße liegen im Steuergerät vor oder sind auf einfache Weise aus Größen ableitbar, die im Steuergerät vorliegen.
Erfindungsgemäß wird die Totzeit der Regelstrecke aus einer Auswertung der Amplitude ermittelt und bei der Festlegung einer Verzögerungszeit t_v zur Einstellung eines gewünschten λ berücksichtigt.
Mit anderen Worten: Die Erfindung berücksichtigt, daß der Durchgriff der Verzögerungszeit tv auf δλ von der Totzeit der Regelstrecke und der Amplitude der Regelschwingung abhängig ist. Die Amplitude ergibt sich als Produkt aus der Änderungsgeschwindigkeit I, der Regelstellgröße FR und der Totzeit tT. Bei bekannter Änderungsgeschwindigkeit ist daher die Amplitude ein Maß für die Totzeit.
Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Flußdiagramms. Aus einem übergeordneten Motorsteuerungshauptprogramm heraus wird der Schritt S 5.1 erreicht, in dem der Wert der Amplitude A der Regelstellgröße FR ermittelt wird. Dabei kann die Amplitude A beispielsweise als der halbe Abstand der Extremwerte der Regelstellgröße FR definiert werden. Im Schritt S 5.2 wird der Wert der Änderungsgeschwindigkeit I der Stellgröße ermittelt, bevor im Schritt S 5.3 aus den Werten I und A die Totzeit tt der Regelstrecke bestimmt wird. Daran schließt sich im Schritt S 5.4 die Bestimmung der Verzögerungszeit tv als Funktion des gewünschten δλ und der bestimmten Totzeit tt an. Im Schritt S 5.5 wird diese Verzögerungszeit tv bei der Bildung der Regelstellgröße FR verwendet und anschließend das übergeordnete Hauptprogramm weiter abgearbeitet.
Die 6 offenbart ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem zusätzlich die Amplitude A der Regelstellgröße auf einen Sollwert eingestellt wird. Damit soll der erhöhten Katalysatorbelastung-Belastung entgegengewirkt werden, die sich als Folge der mit wachsender Totzeit größer werdenden Amplitude ergeben würde. Dazu wird in einem Schritt S 6.1 zunächst die Amplitude A der Regelstellgröße FR ermittelt, bspw. durch Halbierung des Abstandes der Extremwerte der Regelstellgröße oder auch durch Erfassen des Abstandes der Extremwerte von der Linie FR = 1. Anschließend dient ein Schritt S 6.2 zum Vergleich der ermittelten Amplitude A mit einem Sollwert. Im folgenden wird die Änderungsgeschwindigkeit I vergrößert, wenn A kleiner als der Sollwert ist, beziehungsweise verkleinert, wenn A größer als der Sollwert ist. Dazu dienen alternativ die Schritte S 6.3 beziehungsweise S 6.4. In einem Schritt S 6.5 wird die Verzögerungszeit tv als Funktion des gewünschten δλ und der Änderungsgeschwindigkeit I bestimmt. Daran schließt sich ein Schritt S 6.6 an, in dem die Verzögerungszeit tv bei der Bildung der Regelstellgröße FR im anschließenden Hauptprogramm verwendet wird.
Die Erfindung läßt sich vorteilhaft bei einer Regelung realisieren, die eine als Regelsonde dienende Sonde vor dem Katalysator und eine als Führungssonde dienende Sonde hinter dem Katalysator aufweist. Dabei erfolgt der Eingriff der Führungssonde hinter dem Kat auf die Regelung durch die Sonde vor dem Kat linear durch den Regelparameter δλ. Damit ist es möglich, durch die Führungssonde hinter dem Kat eine gewünschte λ-Verschiebung vorzugeben. Der weiter vorn beschriebene Algorithmus zur Umrechnung von δλ in eine Verzögerungszeit t_v ergibt dann für jeden Betriebspunkt des Motors die entsprechende t_v-Zeit, die zur Einstellung dieses δλ notwendig ist.
Das Blockdiagramm der 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Eingriff durch eine hinter dem Katalysator angeordnete Sonde, bei dem die Integratorsteigung, das heißt die Änderungsgeschwindigkeit der Regelstellgröße strukturell so an die Alterung der Sonde vor dem Kat angepaßt wird, daß die Amplitude des λ-Reglers umabhängig von den Sondenparametern auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Funktion der Blöcke ist nachstehend kurz beschrieben.
Block 1: Ein stationärer Betriebszustand liegt vor, sobald der Motor eine vorbestimmte Zeit in einem definierten Last-Drehzahlfenster betrieben worden ist. Ist diese Bedingung erfüllt, dann wird geprüft, ob das Verhältnis der Längen von positiver und negativer Rampe des λ-Reglers FR innerhalb eines Bandes um 1 liegt. Ist dies gegeben, dann liegt ein stationärer Zustand vor.
Block 2: Beim Vorliegen eines stationären Zustandes wird Block 2 aktiviert. Hier wird die Amplitude von FR ermittelt und diese durch einen Tiefpaßfilter weiter verarbeitet. Eine Abweichung der gefilterten Amplitude vom Sollwert führt zu einer entsprechenden Korrekturgröße für den nachfolgenden Block 3. Wird zum Beispiel festgestellt, daß sich die Amplitude vergrößert hat, wird ein Wert ausgegeben, der zu einer Verringerung der Integratorgeschwindigkeit in diesem Betriebspunkt führt.
Block 3: Block 3 stellt ein Lernkennfeld dar, das in einem batteriegepufferten Schreib-Lese-Speicher liegen muß. Für jeden Last-Drehzahl-Bereich wird der akkumulierte Korrekturwert bezüglich der Integratorgeschwindigkeit gespeichert.
Block 4: In Block 4 ist ein Grundkennfeld für die Integratorsteigung dargestellt.
Block 5: An diesem Summationspunkt wird aus den Werten des Grundkennfeldes und des Lernkennfeldes die wirksame Integratorsteigung gebildet. Diese ist dann ein Maß für die aktuelle Totzeit. Damit kann eine richtige Korrektur des t_v t_v-Eingriffs erfolgen. Der Block 6 steht schematisch für den λ-Regler und dessen drei Zustände Integrieren, P-Sprung und t_v-Zeit. Dabei wird die t_v-Zeit durch das δλ vorbestimmt, das durch den Eingriff der Führungssonde hinter Kat vorgegeben wird.

Claims

Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches einer Drennkraftmaschine (1), bei dem das Kraftstoff/Luft-Gemisch in Abhängigkeit von einer- Luftzahl Lambda, die eine Abgassonde (8) erfasst, mittels einer Regelstellgröße (FR) geregelt wird, bei dem periodische Schwingungen des Regel-Istwertes und der Regelstellgröße (FR) auftreten, und bei dem der Mittelwert der Schwingungen über eine Veränderung von Verzögerungszeiten (tv) beeinflusst wird, mit denen eine Vorzeichenumkehr einer Änderung der Regelstellgröße (FR) verzögert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Totzeit (tt) der Regelung aus dem Verhalten der Regelstellgröße (FR) ermittelt wird und dass die ermittelte Totzeit (tt) bei der den Mittelwert beeinflussenden Veränderung der Verzögerungszeiten (tv) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (tt) der Regelstrecke aus einer Auswertung der Amplitude (A) der Regelstellgröße (FR) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsgeschwindigkeit (Integratorsteigung I) der Regelstellgröße (FR) so geändert wird, dass sich eine vorgegebene Amplitude (A) der Regelstellgröße (FR) einstellt und dass die Verzögerungszeiten (tv) vergrößert werden, wenn die Änderungsgeschwindigkeit verkleinert wird und dass die Verzögerungszeiten (tv) verkleinert werden, wenn die Änderungsgeschwindigkeit vergrößert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert für den Mittelwert der genannten periodischen Schwingung aus dem Signal (US') einer hinter einem Katalysator (5) angeordneten Abgassonde (8') abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem stationären Betriebszustand durchgeführt wird, d.h., wenn die Brennkraftmaschine (1) eine vorbestimmte Zeit in einem definierten Last-Drehzahlfenster betrieben worden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Bedingung für Stationärität geprüft wird, ob das Verhältnis der Längen von positiver und negativer Rampe der Regelstellgröße (FR) innerhalb eines Bandes um 1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen eines stationären Zustandes die Amplitude (A) der Regelstellgröße (FR) ermittelt und durch ein Tiefpassfilter weiter verarbeitet wird und dass eine Abweichung der gefilterten Amplitude (A) vom Sollwert ermittelt wird und dass die Integratorgeschwindigkeit (Änderungsgeschwindigkeit der Regelstellgröße (FR) verringert wird, wenn die Amplitude (A) größer als der Sollwert ist und vergrößert wird, wenn die Amplitude (A) größer als der Sollwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturen der Amplitude (A) in einem Lernkennfeld (3) abgelegt werden, das in einem batteriegepufferten Schreib-Lese-Speicher liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Amplitude (A) durch Verknüpfung von Werten aus einem Grundkennfeld (4) mit Werten aus dem Lernkennfeld (3) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten des Grundkennfeldes (4) und des Lernkennfeldes (3) die wirksame Integratorsteigung als Maß für die aktuelle Totzeit (tt) gebildet wird, mit der die Korrektur der Verzögerungszeiten (tv) erfolgt.