DE19842425C2 - Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer linearen Lambda-Sonde - Google Patents

Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer linearen Lambda-Sonde

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Kenn­ linie einer linearen Lambda-Sonde gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bei Brennkraftmaschinen, die nach dem Otto-Prinzip arbeiten, wird die Menge der Verbrennungsluft üblicherweise über eine im Saugrohr angeordnete Drosselklappe eingestellt. Es ist aber auch möglich, die Einlaßventile so zu steuern, daß diese z. B. elektromechanischen Ventile diese Funktion übernehmen.
Zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine ist übli­ cherweise ein Drei-Wege-Katalysator im Abgastrakt der Brenn­ kraftmaschine angeordnet. Stromauf dieses Katalysators ist eine lineare Lambda-Sonde vorgesehen, deren abgegebenes Si­ gnal abhängig von dem im Abgas enthaltenen Restsauerstoffan­ teil ist. Dieser Restsauerstoffanteil wiederum hängt vom Ge­ misch ab, das der Brennkraftmaschine zugeführt wurde. Bei Kraftstoffüberschuß (fettes Gemisch) ist der Restsauer­ stoffanteil im Rohabgas niederer, bei Luftüberschuß (mageres Gemisch) höher.
Eine lineare Lambda-Sonde liefert in einem weiten Lambda- Bereich (0,7 bis 4) ein eindeutiges, monoton steigendes Si­ gnal. Dieses Signal wird mittels einer Kennlinie in einem Steuergerät in einen Lambda-Wert umgewandelt. Die Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt so, daß die Lambda-Sonde einen Lambda = 1 zugeordneten Wert anzeigt. Da ein Drei-Wege- Katalysator bei einem Rohabgas mit Lambda = 1 optimale kataly­ tische Eigenschaften zeigt, sollte der vorbestimmte Mittel­ wert bzw. der Lambda = 1 zugeordnete Wert dann auch tatsächlich Lambda = 1 entsprechen; d. h. die Kennlinie muß die korrekte Zu­ ordnung von Signal und Lambda-Wert enthalten.
Die dynamischen und statischen Eigenschaften der Lambda-Sonde stromauf des Drei-Wege-Katalysators werden jedoch durch Alte­ rung und Vergiftung verändert. Dadurch verschiebt sich die Lage des Lambda = 1 entsprechenden Signals der Sonde. Um dies korrigieren zu können, ist es nach dem Stand der Technik be­ kannt, stromab des Drei-Wege-Katalysators eine weitere Lamb­ da-Sonde anzuordnen, die als Monitorsonde zur Überwachung der katalytischen Umwandlung eingesetzt wird und eine Feinregu­ lierung des Gemisches ermöglicht. Dazu wird die Zuordnung des Signals der Lambda-Sonde zum Lambda-Wert korrigiert, so daß der für die Konvertierung günstigste Lambda-Wert immer ein­ gehalten werden kann. Dieses Verfahren wird als Führungs- o­ der Trimmregelung bezeichnet.
Diese Korrektur entspricht somit einer Verschiebung der Kenn­ linie. Jedoch kann die Kennlinie einer linearen Lambda-Sonde aufgrund Alterung oder einer gewissen Bauteiletoleranz auch in ihrer Steigung von der im Steuergerät abgelegten Kennlinie abweichen. Eine solche Abweichung führt dazu, daß das Steuer­ gerät bei Lambda-Werten ungleich 1 das Signal der Lambda- Sonde in einen fehlerhaften Lambda-Wert umwandelt. Dieser durch eine falsche Kennliniensteigung verursachte Fehler wird um so größer, je mehr der Lambda-Wert des Abgases von Lamb­ da = 1 abweicht. Besonders bei Magerbetrieb der Brennkraftma­ schine kann dieser Fehler untolerierbare Größen annehmen.
Aus EP 0 793 009 A2 ist eine Lambda-Regelung für eine Brenn­ kraftmaschine bekannt. Bei der Lambda-Regelung wird das Sig­ nal einer linearen Lambda-Sonde, die stromaufwärts von dem Katalysator liegt, im Hinblick auf Frequenz und Amplitude a­ nalysiert. Abhängig von diesen Größen wird ein Korrekturfak­ tor für deren Ausgangsspannung bestimmt.
Aus US 5,648, 601 ist eine Vorrichtung zur Analyse der Eigen­ schaften eines Luftkraftstoffsensors bekannt, bei dem zur Anpassung der Charakteristik eine Referenzmessung durch­ geführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer linearen Lambda-Sonde an­ zugeben, mit dem die Steigung der Kennlinie korrigiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfin­ dung gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Schubabschaltungsphase der Brenn­ kraftmaschine verwendet, um die Kennlinie der linearen Lambda-Sonde zu korrigieren. In einer solchen Schubabschal­ tungsphase weist das Abgas der Brennkraftmaschine theoretisch immer die Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft auf, da keine Verbrennung stattfindet. Die lineare Lambda-Sonde müßte dann konstant den Lambda = ∞ entsprechenden Wert anzeigen. Ex­ perimentelle Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß das Si­ gnal der linearen Lambda-Sonde auch in Schubabschaltungspha­ sen schwankt. Die Schwankung ist dabei so groß, daß eine aus­ reichend exakte Korrektur der Kennlinie nicht möglich ist. Die ermittelte Schwankung betrug ±5%.
Weitere Untersuchungen führten zur Erkenntnis, daß die Schwankung des Signals der Lambda-Sonde in Schubabschaltungs­ phasen durch Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen des Öls der Brennkraftmaschine verursacht werden, da die Lambda-Sonde eine Querempfindlichkeit gegen diese Substanzen zeigt, und deshalb dann das Signal der Lambda-Sonde auch bei konstantem Sauerstoffgehalt im Abgas unzulässig schwankt.
Es zeigte sich nun, daß die Kohlenwasserstoff-/Kohlenmon­ oxidemissionen des Öls nicht mehr in einem die Korrektur un­ möglich machenden Maße auftreten, wenn der Druck in der Brennkraftmaschine eine gewisse Schwelle überschreitet, weil durch Abbau des in Schubphasen normalerweise herrschenden Un­ terdrucks in dem Zylinder/den Zylindern die Emissionen aus dem Öl unterbunden werden. Das Signal der linearen Lambda- Sonde weist dann eine zur Korrektur ausreichende Konstanz auf.
Erfindungsgemäß wird somit zum Durchführen der Korrektur der Kennliniensteigung die Drosselklappe und/oder mindestens ein Gaswechselventil geöffnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Abgasreinigungssystem und
Fig. 2 zwei unterschiedliche Darstellungen der Kennlinie einer linearen Lambda-Sonde.
Die Erfindung betrifft die Reinigung des Abgases einer Brenn­ kraftmaschine mittels einer Abgasreinigungsanlage, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Es kann sich dabei um eine gemischansaugende oder um eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine handeln. Der Betrieb der Brennkraftmaschi­ ne 1 der Fig. 1 wird von einem Betriebssteuergerät 8 gesteu­ ert. Die Brennkraftmaschine 1 saugt über ein Saugrohr 3 die zur Verbrennung nötige Luft an. Im Saugrohr 3 ist eine Dros­ selklappe 2 angeordnet, die für die entsprechende Einstellung der Luftmenge sorgt. Die Drosselklappe 2 wird über nicht nä­ her bezeichnete Leitungen vom Betriebssteuergerät 8 angesteu­ ert. Alternativ wird die Luftmenge über entsprechend betätig­ bare, z. B. elektromechanisch betriebene Ventile eingestellt.
Im Abgastrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 befindet sich ein Drei-Wege-Katalysator 6. Zusätzlich kann auch ein weiterer, NOx-reduzierender Katalysator vorgesehen sein (nicht darge­ stellt). Diese beiden Katalysatoren können auch in einem Ka­ talysator integriert sein, so daß ein Katalysator 6 vorliegt, der bei Lambda = 1 Drei-Wege-Eigenschaften und im mageren Be­ trieb der Brennkraftmaschine NOx-Speicherfähigkeit zeigt.
Zum Betrieb des Drei-Wege-Katalysators 6 ist stromauf davon eine Lambda-Sonde 5 vorgesehen, die ihre Meßwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Betriebssteuergerät 8 ab­ gibt. Es werden dem Betriebssteuergerät 8 ferner die Werte weiterer Meßaufnehmer, insbesondere für die Drehzahl, Last, Katalysatortemperatur usw. zugeführt. Mit Hilfe dieser Meß­ werte steuert das Betriebssteuergerät 8 den Betrieb der Brennkraftmaschine 1. Das Betriebssteuergerät 8 wandelt das Signal der Lambda-Sonde 5 mittels einer Kennlinie in einen zugeordneten Lambda-Wert um.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erfolgt so, daß das den Sauerstoffgehalt im Rohabgas anzeigende Signal der Lambda- Sonde 5 einem vorbestimmten Signal entspricht. Bei einer neu­ en, voll funktionsfähigen Lambda-Sonde 5 entspricht dieser Signal Lambda = 1 im Abgas. Die stromab des Katalysators 6 an­ geordnete Nachkat-Lambda-Sonde 7 mißt den Lambda-Wert im Ab­ gas stromab des Katalysators 6. Ihr Meßwert wird dazu verwen­ det, das Lambda = 1 zugeordnete Signal feinzujustieren. Dazu wird der Meßwert der Nachkat-Lambda-Sonde 7 an einen Trimm­ regler geleitet, der ein eigenständiges Gerät, oder wie in der Fig. 1 dargestellt, im Betriebssteuergerät 8 integriert sein kann. Dieser Trimmregler gleicht eine z. B. alterungsbe­ dingte Verschiebung des mittels der Kennlinie Lambda = 1 zuge­ ordneten Signals der Lambda-Sonde 5 aus, so daß sicherge­ stellt ist, daß die Brennkraftmaschine 1 vom Betriebssteuer­ gerät 8 so geregelt wird, daß der Lambda-Wert des Rohabgases im Abgastrakt 4 stromauf des Katalysators 6 dem gewünschten Wert von Lambda = 1 entspricht.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, für diese Trimmre­ gelung das Signal einer Nachkat-Lambda-Sonde 7 zu verwenden. Es ist aber auch bekannt, einen eine andere Substanzkonzen­ tration im Abgas erfassenden Meßaufnehmer dazu einzusetzen. So beschreibt beispielsweise die Patentanmeldung DE 198 19 461.7 der Anmelderin ein Verfahren, bei dem zur Trimmregelung das Signal eines NOx-Meßaufnehmers stromab des Katalysators 6 verwendet wird. Mit einer Trimmregelung kann jedoch nur die Zuordnung des Signals der Lambda-Sonde 5 zu Lambda = 1 korrigiert werden.
Die Kennlinie einer Lambda-Sonde 5 ist in den Fig. 2a und 2b dargestellt. In Fig. 2a ist das Ausgangssignal I der li­ nearen Lambda-Sonde über dem Lambda-Wert λ aufgetragen. In Fig. 2b erfolgt diese Auftragung über 1/λ. Eine Trimmregelung bekannter Art ist somit nur in der Lage, eine Verschiebung der Kennlinie zu bewirken, so daß die Zuordnung des Lambda = 1 entsprechenden Signals der Lambda-Sonde korrekt ist. Eine veränderte Steigung der Kennlinie kann dieses Verfahren nicht ausgleichen, die Zuordnung anderer Lambda-Werte außerhalb Lambda = 1 ist falsch. Eine solche veränderte Steigung kann sich im Laufe der Lebensdauer der Brennkraftmaschine 1 aus Alterungsgründen ergeben. Auch ist es möglich, daß die Kenn­ linie einer verbauten Lambda-Sonde 5 aufgrund gewisser Bau­ teiltoleranzen von der Kennlinie abweicht, die das Betriebs­ steuergerät 8 zugrundelegt, wenn das Signal I der Lambda- Sonde 5 in einen Lambda-Wert umgewandelt wird. In beiden Fäl­ len wird der dabei entstehende Fehler um so größer, je weiter der Lambda-Wert von Lambda = 1 abweicht, was sich insbesondere bei Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 1 negativ bemerkbar macht.
Um die Steigung der Kennlinie, wie sie auch in Fig. 2b darge­ stellt ist, korrigieren zu können, wird das Signal I der Lambda-Sonde 5 in einer Schubabschaltungsphase der Brenn­ kraftmaschine 1 erfaßt. Um eine ausreichende Konstanz des Si­ gnals I der Lambda-Sonde 5 zu erreichen, wird zur Korrektur die Drosselklappe 2 und/oder das Ein- oder Auslaßventil der Brennkraftmaschine 1 entsprechend geöffnet. Überschreitet der Druck im Saugrohr 3, der ein Maß für den Druck im Zylinder sein kann, eine drehzahlabhängige Schwelle, wird das Signal I der Lambda-Sonde 5 gemessen und über einen gewissen Zeitraum gemittelt. Liegt die bei dieser Mittelung auftretende Varia­ tion innerhalb eines gewissen Bereiches, wird der erhaltene Mittelwert <I< zur Korrektur der Kennlinie verwendet. Dabei kann auf zweierlei Arten vorgegangen werden:
  • a) Der Mittelwert <I< wird als y-Achsenabschnitt in der Dar­ stellung der Fig. 2b verwendet, das aus der Trimmregelung erhaltene Signal, das Lambda = 1 zugeordnet ist, als x- Abschnitt. Aus diesen zwei Punkten kann die Steigung der Kennlinie in der Darstellung der Fig. 2b bestimmt werden.
  • b) Der Mittelwert <I< wird mit einem Sollwert verglichen, der im Betriebssteuergerät 8 abgelegt ist. Dieser Sollwert ent­ spricht dem Signal, das der Sauerstoffkonzentration der Um­ gebungsluft zugeordnet ist. Aus dem Vergleich wird ein Kor­ rekturfaktor errechnet. Liegt dieser Korrekturfaktor inner­ halb eines Zulässigkeitsbereichs, wird die korrigierte Kennlinie aus einer die Sollsteigung aufweisenden Kennlinie und dem Korrekturfaktor errechnet. (Ist der Korrekturfaktor ein multiplikativer Faktor, wird dazu eine Multiplikation verwendet, bei einem additiven Faktor eine Addition.) Liegt der Korrekturfaktor außerhalb des Zulässigkeitsbereiches, wird auf die Korrektur verzichtet, bzw. der Korrekturfaktor auf einen neutralen Wert gesetzt. (Im Falle eines multipli­ kativen Korrekturfaktors wäre das 1, bei einem additiven Korrekturfaktor 0.) Zugleich wird ein Fehler diagnostiziert und geeignet angezeigt.
Das sich im Schubbetrieb einstellende Signal der Lambda-Sonde 5 hängt natürlich von der Sauerstoffkonzentration der Umge­ bungsluft ab. Deshalb ist es vorteilhaft, diese Sauer­ stoffkonzentration zu berücksichtigen, beispielsweise durch eine adaptive Ausbildung des Sollwertes des Signals der Lambda-Sonde 5 in der Schubabschaltungsphase. Bei einer sol­ chen Adaption wird der Mittelwert <I< während der Schubab­ schaltungsphase nicht mit einem fest eingespeicherten Soll­ wert verglichen, sondern mit dem Mittelwert <I<, der sich bei der letzten Durchführung des Verfahrens ergab.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren zur Korrektur der Kenn­ linie nur dann durchgeführt, wenn die Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine 1 innerhalb eines gewissen Bereiches liegt. Wird von der Brennkraftmaschine 1 ein gewisses Schleppmoment gefordert, wird ebenfalls auf das Korrekturverfahren verzich­ tet, da die Öffnung der Drosselklappe 2 bzw. des Ein- oder Auslaßventils das Schleppmoment der Brennkraftmaschine 1 her­ absetzt.
Wenn vorstehend von dem Ein- oder Auslaßventil gesprochen wurde, geschah das der Einfachheit halber. Selbstverständlich sind bei Mehrzylinderbrennkraftmaschinen die Gaswechselventi­ le aller Zylinder entsprechend zu betätigen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer linearen Lambda-Sonde, die stromauf eines Katalysators in einer Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine
eine Drosselklappe und/oder mindestens ein Gaswechselventil geöffnet wird, so daß ein Druck in dem Zylinder/den Zylindern der Brennkraftmaschine erreicht wird, der einen vorbestimmten Druckschwellwert übersteigt, dann
das Signal der Lambda-Sonde dem der Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft entsprechenden Lambda-Wert zugeordnet wird und
mittels dieses Signals die Steigung der Kennlinie korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine, in deren Abgasreinigungsanlage stromab des Katalysators ein eine Substanzkonzentration im Abgas erfassender Meßaufnehmer ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung korrigiert wird, indem
das Signal des Meßaufnehmers dazu verwendet wird, eine Zu­ ordnung eines Signals der Lambda-Sonde zu Lambda = 1 zu kor­ rigieren, und
aus dem Lambda = 1 zugeordneten Signal der Lambda-Sonde und aus dem Signal, das den der Sauerstoffkonzentration der Umge­ bungsluft entsprechenden Lambda-Wert zugeordnet ist, die kor­ rigierte Steigung der Kennlinie bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung korrigiert wird, indem
aus dem Signal, das dem der Sauerstoffkonzentration ent­ sprechenden Lambda-Wert zugeordnet ist, und einem Sollwert für dieses Signal ein Korrekturfaktor errechnet wird, und
die korrigierte Kennlinie aus einer die Sollsteigung auf­ weisenden Kennlinie und dem Korrekturfaktor errechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der errechnete Korrekturfaktor außerhalb eines vorgege­ benen Bereiches liegt, der Korrekturfaktor auf einen neutra­ len Wert gesetzt wird und eine fehlerhafte Lambda-Sonde dia­ gnostiziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Lambda-Sonde vor der Zuordnung zu dem der Sau­ erstoffkonzentration der Umgebungsluft entsprechenden Lambda- Wert zeitlich geglättet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung des Signals der Lambda-Sonde zu dem der Sauer­ stoffkonzentration der Umgebungsluft entsprechenden Lambda- Wert und die Korrektur der Kennliniensteigung nur erfolgt, wenn die Variation des Signals der Lambda-Sonde, das dem der Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft entsprechenden Lambda-Wert zugeordnet werden soll, unter einem Schwellwert liegt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Verfahren in Schubabschaltungsphasen verzichtet wird, in denen die Brennkraftmaschine ein Schleppmoment lie­ fern soll, das einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestdruck drehzahlabhängig gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestdruck im Saugrohr der Brennkraftmaschine erreicht wird, das über ein geöffnetes Einlaßventil mit dem Zylin­ der/den Zylindern in Verbindung steht.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nur durchgeführt wird, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt.
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