DE19629554C2 - Verfahren zur Temperaturregelung für eine Lambdasonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung für eine Lambdasonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

Es ist allgemein bekannt, daß schädliche Komponenten im Abgas der Brennkraftmaschine wie HC, NO_x und CO mittels eines im Abgassystem angeordneten Dreiwege-Katalysators weitestgehend in ungiftige Gase konvertiert werden können. Entscheidend für den Konvertierungsgrad eines solchen Katalysators ist es je­ doch, daß die Brennkraftmaschine in einem sehr engen Streube­ reich (< 1%) um das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis mit λ = 1 betrieben wird.

Hierzu dient die sogenannte Lambdaregelung, mit der durch ei­ nen geschlossenen Regelkreis das der Brennkraftmaschine zuge­ führte Gemisch aus Luft und Kraftstoff ständig innerhalb des optimalen Streubereiches, dem Katalysatorfenster gehalten wird. Hierzu wird der Sauerstoffgehalt im Abgas gemessen und und die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend dem Meßergeb­ nis korrigiert. Als Meßfühler wird eine Sauerstoffmeßsonde, im folgenden als Lambdasonde bezeichnet, verwendet, die exakt bei stöchiometrischem Gemisch (λ = 1) einen Spannungssprung aufweist und so ein Signal liefert, das anzeigt, ob das Ge­ misch fetter oder magerer als λ = 1 ist.

Da das Ausgangssignal der Lambdasonde je nach Bauart mehr oder weniger stark von der Temperatur des Sensorelementes be­ einflußt wird und dieser Einfluß störende Auswirkungen auf die Regelgenauigkeit besitzt, sind Maßnahmen bekannt, auf die Temperatur der Sonde ausgleichend einzuwirken. Dabei muß be­ achtet werden, daß die Abgassonde erst oberhalb einer Tempe­ raturschwelle betriebsbereit ist, die im allgemeinen oberhalb der Abgastemperatur im Leerlauf liegt.

Aus der DE 41 06 308 A1 ist es hierzu beispielsweise bekannt, die Sonde zusätzlich elektrisch zu beheizen und die Sonden­ temperatur innerhalb eines engen Bereiches konstant zu hal­ ten. Dabei wird zur Erfassung der Temperatur der Abgassonde der Innenwiderstand der Abgassonde oder der Innenwiderstand der Heizeinrichtung gemessen und der gemessene Innenwider­ stand mittels einer stetigen Regelung auf einen vorbestimmten Sollwert geregelt. Die Erfassung des effektiven Widerstandes wird aber durch Übergangswiderstände erschwert.

Die Temperatur einer resistiven Vorkatalysator-Lambdasonde kann neben der Regelung auf konstanten Innenwiderstand auch durch eine Regelung über die Amplitude des Ausgangssignals der Lambdasonde konstant gehalten werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Amplitude des Ausgangssignals von Sonde zu Sonde streut und damit abhängig von der gerade im Abgastrakt der Brennkraftmaschine eingebauten Sonde mehr oder weniger gute Konvertierungsraten für den Katalysator erzielt werden.

Die Ansteuerung der elektrischen Sondenheizung erfolgt in der Regel getaktet, das bedeutet, daß durch Wahl des Tastverhält­ nisses des Ansteuersignals die der Sonde zugeführte Heizlei­ stung variiert werden kann (US 5,101,625; vgl. auch An­ spruch 4).

Es sind auch Gemischregelungssysteme für Brennkraftmaschinen bekannt, die Ausgangssignale von mehreren Lambdasonden verar­ beiten. Beispielsweise wird in der US 4,007,589 neben dem Si­ gnal einer Abgassonde, die vor dem Katalysator angebracht ist und zur Regelung dient, noch das Signal einer zweiten Sonde, die hinter dem Katalysator angebracht ist, zur Überwachung der Katalysatoraktivität ausgenutzt.

In der DE 41 06 541 A1 ist ein Verfahren zur Temperatursteue­ rung und Regelung von Abgassonden beschrieben, das bei einem Gemischregelungssystem mit mehreren, beheizbaren Abgassonden verwendet wird. Die Temperatur einer, nach dem Katalysator angeordneten ersten Abgassonde wird in einem geschlossenen Regelkreis geregelt und die Heizeinrichtung einer vor dem Ka­ talysator angebrachten zweiten Abgassonde wird gesteuert. Die der Heizeinrichtung der zweiten Sonde zugeführte Leistung ist abhängig von der Stellgröße der Temperaturregelung der ersten Sonde, so daß sie auf diese Weise von dem Temperaturregel­ kreis mitgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, mit dem auf einfache Weise die Temperatur einer Abgas­ sonde derart beeinflußt werden kann, daß eine optimale Kon­ vertierung des Katalysators erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Mit Hilfe einer Nachkatalysator-Lambdasonde wird ermittelt, ob die über eine Regelung der Amplitude des Ausgangssignal der Vorkatalysator-Lambdasonde geregelte Temperatur der Vor­ katalysator-Lambdasonde zur optimalen Gemischeinstellung be­ züglich bester Konvertierungsrate im Katalysator führt. Bei Abweichungen wird der Sollwert der Amplitude des Lambdason­ densignals für die Heizungsregelung der Vorkatalysator- Lambdasonde so nachgestellt, daß das Konvertierungsoptimum des Katalysators erreicht wird.

Dadurch ist eine exakte Einstellung des Temperaturarbeits­ punktes auf Konvertierungsoptimum gewährleistet. Auch können dadurch Serienstreuungen der Vorkatalysator-Lambdasonde kom­ pensiert werden, da auf die Wirkung der Lambdasonde geregelt wird. Die Lambdaeinstellung erfolgt über die statischen Ei­ genschaften (chemisches Gleichgewichtsverhalten) der Nachka­ talysator-Lambasonde und diese Eigenschaften streuen weniger von Sonde zu Sonde in der Serienproduktion und sind auch im Fahrbetrieb leichter zu kontrollieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen (Ansprüche 2 bis 4) gekennzeichnet.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschalbild eines Regelkreises für eine Brennkraftmaschine mit Katalysator und zwei Lamb­ dasonden und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Temperaturregelung einer vor­ katalysator-Lambdasonde.

In Fig. 1 ist ein Regelkreis für die Kraftstoffzumessung für eine Brennkraftmaschine BKM dargestellt, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt sind. In einem mit der Einlaßseite der Brennkraftmaschine verbundenen Ansaugrohr 2 ist in Strömungsrichtung der Ver­ brennungsluft gesehen, hintereinander ein Lasterfassungssen­ sor 4, eine Drosselklappe 5 mit einem nicht dargestellten Sensor für die Drosselklappenposition, sowie eine Einspritz­ einrichtung 6 vorgesehen. In einem mit der Auslaßseite der Brennkraftmaschine BKM verbundenen Abgasrohr 3 sind zwei Lambdasonden LS1, LS2 angeordnet, wobei die eine Lambdasonde LS1 vor und die andere Lambdasonde LS2 nach einem Dreiwege- Katalysator 7 angebracht ist.

Da die Lambdasonden LS1, LS2 nur oberhalb einer minimalen Be­ triebstemperatur funktionsbereit sind und damit die Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches erst dann möglich wird, wenn die Lambdasonden ihre Betriebstemperaturen erreicht haben, wird die Aufheizung der Sonden durch das Aufbringen jeweils einer elektrischen Heizeinrichtung LSH1, LSH2 beschleunigt. Außer­ dem sorgen diese Sondenheizungen dafür, daß in Betriebsberei­ chen der Brennkraftmaschine, (z B. Leerlauf), bei denen die Heizleistung des Abgases nicht ausreicht, die Sondentempera­ turen auf einen vorgegebenen Wert konstant zu halten. Hierzu ist eine Heizungsregelung notwendig, weil nur ein definiertes Temperaturniveau der Sonden ein den Sauerstoffgehalt im Abgas repräsentierendes Signal mit hoher Genauigkeit liefert. Wenn die Temperaturen der Sonden stark variieren, dann sind die Sondensignale nicht nur von der Luftzahl λ, sondern uner­ wünschter Weise auch von der Temperatur abhängig.

Ein elektronisches Steuergerät STG empfängt die Ausgangssi­ gnale der erwähnten Sensoren für die Last Q, der Drosselklap­ penposition α, Signale der beiden Lambdasonden LS1, LS2 über die Abgaszusammensetzung und weitere Signale, welche die Ge­ mischbildung der Brennkraftmaschine beeinflußen, beispiels­ weise die Temperatur TKW des Kühlmittels und Informationen über die Drehzahl N.

Aufgabe des Steuergerätes STG ist es, aus diesen Signalen in bekannter Weise die der angesaugten Luft zuzumessende Kraft­ stoffmenge zu berechnen und entsprechend dieser Menge die Einspritzventile der Einspritzeinrichtung 6 anzusteuern. Au­ ßerdem werden über Signale des Steuergerätes die Heizeinrich­ tungen LSH1, LSH2 angesteuert, so daß die Temperaturen der Lambdasonden LS1, LS2 auf je einen möglichst konstanten Wert gehalten werden.

Anhand des Ablaufdiagramms nach Fig. 2 wird das Verfahren zur Temperaturregelung näher erläutert. In diesem Beispiel werden Lambdasonden verwendet, die als Ausgangssignal eine Spannung abgeben. Im Verfahrensschritt S1 wird die Spannung ULS2 der nach dem Katalysator angeordneten Lambdasonde LS2 gemessen. Anschließend wird aus einem Speicher 8 des elektro­ nischen Steuergerätes STG ein Schwellenwert ULS2_SCH ausgele­ sen (Verfahrensschritt S2) und anschließend im Verfahrens­ schritt S3 die Spannung ULS2 mit diesem Schwellenwert vergli­ chen. Überschreitet die Ausgangsspannung ULS2 den Schwellen­ wert ULS2_SCH, (zu fettes Gemisch), so wird im Verfahrens­ schritt S5 der Sollwert ULS1_SOLL für die Amplitude des Aus­ gangssignals ULS1 der Lambdasonde LS1 um einen vorgegebenen Wert inkrementiert. Ergibt die Abfrage im Verfahrensschritt S3, daß der Schwellenwert ULS2_SCH nicht überschritten wird, so wird im Verfahrensschritt S4 überprüft, ob die Ausgangs­ spannung ULS2 kleiner oder gleich dem Schwellenwert ULS2_SCH ist. Wird der Schwellenwert ULS2_SCH nicht erreicht (Gemisch zu mager), wird im Verfahrensschritt S6 der Sollwert für die Amplitude um einen vorgegebenen Wert dekrementiert. Die In­ krementwerte, durch die der Sollwert ULS1_SOLL für die Ampli­ tude des Ausgangssignals erhöht bzw. erniedrigt wird, sind applizierbare Werte, die beispielsweise in einem Kennfeld ei­ nes Speichers des Steuergerätes abgelegt sind. Die Änderung der Amplitude ULS1 erfolgt durch Änderung des Tastverhältnis­ ses des Ansteuersignals für die Heizeinrichtung LSH1 der Lambdasonde LS1 vor dem Katalysator.

Sowohl nach Verfahrensschritt S5, als auch nach Verfahrens­ schritt S6 wird durch Abfragebedingungen überprüft, ob die Lambdaregelung freigegeben ist (Verfahrensschritt S7). Ist dies der Fall, beginnt das Verfahren erneut beim Verfahrens­ schritt S1. Andernfalls ist das Verfahren zu Ende.

Ist die Spannung ULS2 gleich dem Schwellenwert ULS2_SCH (Verfahrensschritt S4), der Temperaturarbeitspunkt also be­ reits auf das Konvertierungsoptimum eingestellt, so bleibt ULS1 unverändert und es schließt sich unmittelbar der bereits erwähnte Verfahrensschritt S7 an.

Claims (4)

1. Verfahren zur Temperaturregelung einer stromaufwärts eines Katalysators (7) in einem Abgasrohr (3) einer Brennkraftma­ schine (BKM) angeordneten, mittels einer elektrischen Hei­ zeinrichtung (LSH1) beheizbaren ersten Lambdasonde (LS1), wobei das Ausgangssignal einer stromabwärts des Katalysators (7) angeordneten zweiten Lambdasonde (LS2) zur Temperaturre­ gelung der ersten Lambdasonde (LS1) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. als Führungsgröße der Temperaturregelung die Amplitude des Ausgangssignals (ULS1) der ersten Lambdasonde (LS1) herange­ zogen wird,
• 2. das Ausgangssignal (ULS2) der zweiten Lambdasonde (LS2) ge­ messen und mit einem vorgegebenen Schwellenwert (ULS2_SCH) verglichen wird und
• 3. bei Abweichungen des Ausgangssignales (ULS2) von diesem Schwellenwert (ULS2_SCH) ein Sollwert (ULS1_SOLL) für die Amplitude des Ausgangssignals (ULS1) der ersten Lambdasonde (LS1) derart verändert wird, daß das Konvertierungsoptimum des Katalysators (7) erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Schwellenwertes (ULS2_SCH) der Sollwert (ULS1_SOLL) für die Amplitude des Ausgangssignals (ULS1) um einen vorgegebenen Inkrementwert erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten des Schwellenwertes (ULS2_SCH) der Sollwert (ULS1_SOLL) für die Amplitude des Ausgangssignals (ULS1) um einen vorgegebenen Dekrementwert erniedrigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Amplidude (ULS1) durch Verändern eines Tastver­ hältnisses des Ansteuersignals für die elektrische Heizein­ richtung (LSH1) bewirkt wird.