DE19636465C1 - Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brenn­ kraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaskanal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, sogenannte Lambda­ sonden bekannt, die z. B. nach dem Prinzip der Ionenleitung durch einen Festelek­ trolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauerstoffpartialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Spannungssprung aufweist.

Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausgewertet, wel­ cher wiederum über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.

Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminde­ rung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen angestrebt.

Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet ist, wird das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alterungserschei­ nungen unterliegt.

Aus der US-PS 5,433,185 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei wel­ chem das Korrektursignal von der Periodendauer des Ausgangssignals der Lambda-Sonde abhängig ist.

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 Abgasemission weiter verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Wichtungsfaktor aus dem Verhältnis der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lamdasonde zur Periodendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf bestimmt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der die erste Lambdasonde enthalten­ den Regelstrecke eine Stellgröße überlagert wird, welche von der tatsächlich an­ dauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde abhängig ist, d. h. es kann die tatsächliche Störung ausgeregelt werden.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Korrektursignal aus dem Vergleich des tatsächlich gemessenen Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde mit einem Referenzwert gewonnen. Die Bildung des Korrektursignals erfolgt dabei bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde.

Das Korrektursignal ist dabei vorteilhafterweise eine Haltezeit, durch welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt insbesondere verzögert wird.

Aus dem tatsächlich gemessenen Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde und dem Referenzwert wird eine Differenz gebildet, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen 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 Fig. 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 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 erläu­ tert 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 ein Korrektursignal gebildet, in dem der von der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U_6IST an einen Summierpunkt 12 mit einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeicherten Sollwertes 13 verglichen wird. Dieser Sollwert U_6SOLL wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Katalysator angeordnete Lambda­ sonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signumzähler 14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a inkrementiert um 1, wenn der Istwert U_6IST größer ist als der Sollwert U_6SOLL. Er dekrementiert um 1, wenn der Istwert U_6IST kleiner als der Sollwert U_6SOLL 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 TH_roh be­ stimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit TH_roh wird in einem zweiten Multi­ plizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher durch Divi­ sion der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lambdasonde durch eine Konstante bestimmt wird. Die Konstante ist dabei eine Funktion der Periodendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf.

Im Vergleich zu bisher an dieser Stelle verwendeten Kennfeldern, bei wel­ chen der Wichtungsfaktor maximal Werte von 1 annehmen konnte, wird jetzt die tatsächliche Störung unabhängig von ihrer Größe ausgeregelt, da durch den größeren Faktor eine Art Selbstverstärkung erreicht wird. Die so gewon­ nene Haltezeit TH wird als Regelgröße dem Regler 8 zur Anpassung der Re­ gelstrecke 11 zugeführt.

Die Haltezeit TH verzögert den P-Sprung des Reglers 8.

Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die Regelstrecke 11 in Fig. 4 dargestellt.

Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.

Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Fig. 4a) zeigen die zeit­ liche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten Lambdasondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kuren (schraffierte Fläche in Fig. 4a) 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. 4b 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 Lambda­ sonde verlängert. Dies hat zur Folge, daß die Gemischanfettung hinter dem Katalysator unter Einwirkung des zweiten λ-Regelkreises kontinuierlich zu­ nimmt (Fig. 4c).

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.

Die Sondenkorrekturfaktoren werden für beide Lambdasonden 5 und 6 un­ abhängig voneinander nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren be­ stimmt.

Unter Vollast (d. h. λ < 1) wird nach einer ersten Einschwingzeit eine erste Meßzeit gestartet, in welcher die maximale Sondenspannung LS_MAX aus dem arithmetischen Mittelwert der Meßwerte bestimmt wird.

Analog wird im Schubbetrieb (λ < 1) in einer zweiten Meßzeit die minimale Sondenspannung LS_MIN aus dem arithmetischen Mittelwert der während einer zweiten Meßzeit gewonnenen Meßwerte bestimmt. Die zweite Meßzeit folgt einer zweiten Einschwingzeit. Die erste und die zweite Meßzeit können dabei gleich sein.

Nach der Ermittlung der maximalen und minimalen Sondenspannung wird einmalig pro Fahrzyklus für jede Sonde getrennt ein Korrekturwert ermittelt.

wobei LS_AMAX einen Referenzwert darstellt, der in der Steuerelektronik ab­ gespeichert ist.

Dieser Sondenkorrekturfaktor LS6_Kor wird zur Bestimmung des korrigierten Sollwertes U_SOLLKor für die hinter dem Katalysator angeordnete Lambda­ sonde 6 genutzt:

LS6_SOLLKor = U6_SOLL × LS6_Kor

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftma­ schine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im Abgas­ kanal 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 Korrektursignal zugeführt wird, wel­ ches aus dem Ausgangssignal einer zweiten dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird, wobei das Korrektursignal in Abhängigkeit von der Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambda-Sonde gewichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wichtungsfaktor aus dem Verhältnis der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lambdasonde zur Peri­ odendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektur­ signal aus dem Vergleich des tatsächlich gemessenen Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde mit einem Referenzwert gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektur­ signal bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten ersten Lambdasonde gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal eine Haltezeit ist, durch welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem tatsäch­ lich gemessenen Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde und dem Referenzwert eine Differenz gebildet wird, welche zum Zeitpunkt des Umschla­ gens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen aufintegriert wird wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert annähernd den Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde bei störungsfreiem Betrieb der ersten Lambdasonde darstellt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des dem Regler zuzuführenden Signals abhängig ist vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.