DE19939555A1 - Method for calibrating a broadband lambda probe used in internal combustion engines - Google Patents
Method for calibrating a broadband lambda probe used in internal combustion enginesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Lambdawertes mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a method for determining a lambda value with the The preamble of claim 1 mentioned features.
Zur Erfassung eines Verhältnisses eines Sauerstoffanteils und eines Kraftstoffanteils in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch (Lambdawert) ist es bekannt, in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine Lambdasonden anzuordnen. Derartige Lambdasonden stel len ein Signa(entsprechend dem Lambdawert des Abgases zur Verfügung. Dieses Signal wird üblicherweise an ein Motorsteuergerät weitergeleitet, von diesem verarbeitet und zur Steuerung einer Zusammensetzung des Kraft-Luftstoff-Gemisches genutzt (Lambda regelung).To detect a ratio of an oxygen content and a fuel content in an air-fuel mixture (lambda value), it is known in an exhaust duct Arrange internal combustion engine lambda probes. Such lambda sensors stel len a signal (corresponding to the lambda value of the exhaust gas. This signal is usually forwarded to an engine control unit, processed by this and for Control of a composition of the fuel-air mixture used (Lambda regulation).
In der Praxis finden im wesentlichen zwei verschiedene Bautypen von Lambdasonden Anwendung. Zum einen stellen sogenannte Sprung-Lambdasonden das Signal in Form einer elektrischen Spannung zur Verfügung, die sich entsprechend einer Gleichgewichts sauerstoffkonzentration zwischen zwei katalytisch aktiven Elektroden der Sonde einstellt. Da sich die Gleichgewichtssauerstoffkonzentration im Bereich bei λ = 1 (stö chiometrischer Betrieb) um mehrere Zehnerpotenzen ändert, zeigt eine solche Sprung- Lambdasonde einen sehr steilen und stabilen Kennlinienverlauf für den stöchiometrischen Bereich. Dagegen ist nachteilig, daß der Kennlinienverlauf in Bereichen mit λ ≠ 1 sehr flach verläuft. Somit ist eine Regelung eines Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine in einem Magerbetrieb (λ < 1) oder Fettbetrieb (λ < 1) stark erschwert oder nicht möglich.In practice, there are essentially two different types of lambda sensors Application. On the one hand, so-called jump lambda probes put the signal into shape an electrical voltage available, which corresponds to an equilibrium sets the oxygen concentration between two catalytically active electrodes of the probe. Since the equilibrium oxygen concentration in the range at λ = 1 (stö chiometric operation) changes by several powers of ten, such a step Lambda probe a very steep and stable characteristic curve for the stoichiometric range. On the other hand, it is disadvantageous that the characteristic curve in Areas with λ ≠ 1 runs very flat. Thus, regulation of a work mode is the Internal combustion engine in a lean operation (λ <1) or rich operation (λ <1) strong difficult or not possible.
Alternativ hierzu finden in der Praxis sogenannte Breitband-Lambdasonden, beispielsweise Zweizellen-Grenzstromsonden, Anwendung. Hierbei muß das Abgas zunächst eine Diffusionsbarriere überwinden, bevor es in eine Meßkammer eintritt. In der Meßkammer sind analog der Sprung-Lambdasonde die katalytisch aktiven Elektroden als eine Konzentrationszelle angeordnet. Eine Ausgangsspannung dieser Konzentrationszelle wird bei den Breitband-Lambdasonden einem Regler zugeführt und mit einer Spannung verglichen, die üblicherweise der Gleichgewichtssauerstoffkonzentration bei λ = 1 entspricht. Ein Ausgangssignal dieses Reglers steuert einen Strom durch eine zweite Zelle der Sonde, einer sogenannten Pumpzelle. Dieser Strom bewirkt im Magerbetrieb einen Sauerstofftransport aus der Meßkammer heraus, wobei dieser nach einer Gleichgewichtseinstellung an den Elektroden einem Diffusionsstrom durch die Diffusionsbarriere entspricht. Damit steht aber auch ein Ausgangssignal der Sonde in Form eines Meßstromes zur Verfügung, das proportional zum Sauerstoffpartialdruck im Abgas ist.Alternatively, so-called broadband lambda probes are found in practice, for example two-cell limit current probes, application. Here, the exhaust gas first overcome a diffusion barrier before it enters a measuring chamber. In the Analogous to the step lambda probe, the measuring chamber are the catalytically active electrodes a concentration cell is arranged. An output voltage of this Concentration cell is fed to a controller in the broadband lambda sensors and compared to a voltage that is usually the Equilibrium oxygen concentration at λ = 1 corresponds. An output signal from this Regulator controls a current through a second cell of the probe, a so-called Pumping cell. In lean operation, this current causes oxygen transport from the Measuring chamber out, this after an equilibrium to the Electrodes corresponds to a diffusion current through the diffusion barrier. With that stands but also an output signal of the probe in the form of a measuring current is available is proportional to the oxygen partial pressure in the exhaust gas.
Im Fettbetrieb diffundieren in einem vermehrten Maße Reduktionsmittel wie CO, HC oder H2 durch die Diffusionsbarriere in die Meßkammer und reagieren dort an den katalytisch aktiven Elektroden mit dem jetzt von der Pumpzelle herangeführten Sauerstoff. Der fließende Meßstrom ist eine Funktion einer Summe der Partialdrücke der Reduktionsmittel multipliziert mit ihren jeweiligen Diffusionskoeffizienten. Derartige Breit band-Lambdasonden ermöglichen eine Messung des Lambdawertes in einem Bereich von λ = 0,7 bis ∞.In rich operation, reducing agents such as CO, HC or H 2 diffuse to an increased extent through the diffusion barrier into the measuring chamber and react there at the catalytically active electrodes with the oxygen now brought in by the pump cell. The flowing measuring current is a function of a sum of the partial pressures of the reducing agents multiplied by their respective diffusion coefficients. Such broadband lambda probes enable measurement of the lambda value in a range from λ = 0.7 to ∞.
Nachteilig an derartigen Breitband-Lambdasonden ist es, daß wesentliche, eine Höhe des Meßstromes beeinflussende Parameter nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigt werden. So ist bekannt, daß der Meßstrom außer von der Abgaszusammensetzung auch von einer Geometrie der Sonde, einer Porosität der Diffusionsbarriere, einem Gasdruck und einer Temperatur, die im Bereich der Sonde herrscht, abhängt. Es ist bekannt, zum Ausgleich von fertigungsbedingten Toleranzen das Ausgangssignal mit einem vorgebbaren Korrekturwert zu multiplizieren (Kalibrierung). Allerdings ändern sich die eine Empfindlichkeit der Sonde beeinflussenden Parameter infolge von Alterungseffekten oder durch Verschmutzung während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine.A disadvantage of such broadband lambda sensors is that an essential amount of Parameters influencing the measuring current are only considered insufficiently or not at all become. So it is known that the measuring current in addition to the exhaust gas composition a geometry of the probe, a porosity of the diffusion barrier, a gas pressure and a temperature that prevails in the area of the probe. It is known to Compensation of manufacturing-related tolerances with an output signal multiply predefinable correction value (calibration). However, they are changing parameters influencing the sensitivity of the probe due to aging effects or due to contamination during operation of the internal combustion engine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, den Lambdawert des Abgases der Verbrennungskraftmaschine langzeitstabil und mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen. Dabei soll der vorgebbare Korrekturwert auch die betriebsbedingten Toleranzen weitestgehend ausgleichen.The object of the present invention is to provide a method which it enables the lambda value of the exhaust gas of the internal combustion engine to be stable over the long term and to determine with high accuracy. The preselectable correction value should be used also largely compensate for operational tolerances.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren zur Ermittlung eines
Lambdawertes einer Lambdasonde mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Dadurch, daß zur Festlegung des Korrekturwertes
According to the invention, this object is achieved by the method for determining a lambda value of a lambda probe with the features mentioned in claim 1. Because that to determine the correction value
- a) in einem ersten Betriebspunkt p1 der Verbrennungskraftmaschine mit λ =1 (stöchiometrischer Betrieb) eine Kraftstoffmasse mK1 und ein Luftmassenstrom mL1 erfaßt wird,a) in a first operating point p 1 of the internal combustion engine with λ = 1 (stoichiometric operation), a fuel mass m K1 and an air mass flow m L1 are recorded,
- b) nachfolgend in einem zweiten Betriebspunkt p2 der Verbrennungskraftmaschine mit λ ≠ 1 (Mager- oder Fettbetrieb) eine Kraftstoffmasse mK2 und ein Luft massenstrom mL2 erfaßt wird,b) a fuel mass m K2 and an air mass flow m L2 are subsequently detected in a second operating point p 2 of the internal combustion engine with λ ≠ 1 (lean or rich operation),
- c) in Abhängigkeit von den Luftmassenströmen mL1, mL2 und den Kraftstoffmassen mK1, mK2 der Betriebspunkte p1, p2 der Korrekturwert kw für den Lambdawert des Betriebspunktes p2 gebildet wird,c) as a function of the air mass flows m L1 , m L2 and the fuel masses m K1 , m K2 of the operating points p 1 , p 2, the correction value k w for the lambda value of the operating point p 2 is formed,
ist es möglich, eine genauere Bestimmung des Lambdawertes langzeitstabil durchzuführen.it is possible to determine the lambda value more precisely over the long term perform.
Die Festlegung des Korrekturwertes erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit von ausgewählten Kalibrierungsparametern. So ist es denkbar, eine Temperatur und/oder einen Wassergehalt einer Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine bei der Ermittlung des Korrekturwertes zu berücksichtigen. Überschreitet beispielsweise die Temperatur der Ansaugluft während der Festlegung des Korrekturwertes eine Grenztemperatur, so erfolgt ein Abbruch der Kalibrierung. In gleicher Weise kann beim Überschreiten eines vorgeb baren Schwellenwertes für den Wassergehalt der Ansaugluft, eine Rohrwandtemperatur oder eine Abgastemperatur verfahren werden. Diese Maßnahmen führen nachfolgend zu einer Beeinflussung eines Wassergasgehalts des Abgases (CO- und H2-Gehalt). Selbst verständlich kann der Wassergasgehalt auch direkt erfaßt werden und somit ein stören der Einfluß auf die Kalibrierung der Lambdasonde ausgeschlossen werden. The correction value is advantageously determined as a function of selected calibration parameters. It is conceivable to take into account a temperature and / or a water content of an intake air of the internal combustion engine when determining the correction value. If, for example, the temperature of the intake air exceeds a limit temperature during the determination of the correction value, the calibration is aborted. The same procedure can be followed if a predeterminable threshold value for the water content of the intake air, a pipe wall temperature or an exhaust gas temperature is used. These measures subsequently influence the water gas content of the exhaust gas (CO and H 2 content). Of course, the water gas content can also be recorded directly, thus preventing the influence on the calibration of the lambda sensor from being disrupted.
Vorteilhaft ist ferner, die Lage des Meßsignals oder des vorgebbaren Meßsignalbereichs bei der Kalibrierung zu berücksichtigen. So ist es sinnvoll, unterschiedliche Korrekturwerte im Magerbetrieb oder Fettbetrieb der Verbrennungskraftmaschine für die Ermittlung des Lambdawertes zu verwenden. Daneben können Kalibrierungsparameter, wie die Temperatur oder der vorgebbare Temperaturbereich der Lambdasonde, bei der Kalibrierung der Lambdasonde berücksichtigt werden.The position of the measurement signal or of the predeterminable measurement signal range is also advantageous to be taken into account during calibration. So it makes sense to have different ones Correction values in lean operation or rich operation of the internal combustion engine for the Determine the lambda value to use. In addition, calibration parameters, such as the temperature or the predefinable temperature range of the lambda probe at which Calibration of the lambda probe are taken into account.
Ein Wechsel von dem Betriebspunkt p1 in den Betriebspunkt p2 mit λ < 1 der Verbrennungskraftmaschine soll bevorzugt durch eine im wesentlichen den Luftmassen strom beeinflussende Maßnahme erfolgen, da sich dabei ein Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine nur in relativ geringem Umfang ändert und die Luftmassen ströme besonders exakt erfaßt werden können. Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine Ände rung der zugeführten Kraftstoffmasse mK1 beim Wechsel vom Betriebspunkt p1 in den Betriebspunkt p2 im wesentlichen zur Kompensation einer Leistungsänderung der Verbrennungskraftmaschine dient. Vorteilhafterweise kann ein Wechsel auf einen Betriebspunkt p2 mit λ < 1 (Fettbetrieb) ausschließlich durch die Änderung der Kraft stoffmasse mK1 erzwungen werden, wenn der Betriebspunkt p2 in einem Lambdabereich von λ = 0,8 bis 0,9 liegt. Erfahrungsgemäß findet sich in diesem Lambdabereich ein Betriebspunkt mit äquivalenten Leistungen wie im stöchiometrischen Betrieb mit λ = 1. Insgesamt läßt sich auf diese Weise die Kalibrierung der Lambdasonde mit besonders geringen Toleranzen durchführen.A change from the operating point p 1 to the operating point p 2 with λ <1 of the internal combustion engine should preferably take place by a measure which essentially influences the air mass flow, since the efficiency of the internal combustion engine changes only to a relatively small extent and the air mass flows are particularly precise can be detected. It is also advantageous if a change in the supplied fuel mass m K1 essentially serves to compensate for a change in output of the internal combustion engine when changing from operating point p 1 to operating point p 2 . Advantageously, a change to an operating point p 2 with λ <1 (rich operation) can only be forced by changing the fuel mass m K1 if the operating point p 2 is in a lambda range of λ = 0.8 to 0.9. Experience has shown that in this lambda range there is an operating point with equivalent performances as in stoichiometric operation with λ = 1. Overall, the lambda probe can be calibrated in this way with particularly small tolerances.
Die Festlegung des Korrekturwertes kann periodisch nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne initiiert werden oder erfolgt während eines dynamischen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, wenn zufällig zwei aufeinanderfolgende geeignete Betriebspunkte erreicht werden.The correction value can be specified periodically after a predefinable one Period of time to be initiated or takes place during dynamic operation of the Internal combustion engine, if at random two successive suitable ones Operating points can be reached.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred refinements of the invention result from the others in the Characteristics mentioned subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel erläutert. The invention is explained below in an exemplary embodiment.
Zur Erfassung einer Gemischzusammensetzung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das durch Verbrennung einem Antrieb einer Verbrennungskraftmaschine dient, ist es bekannt, Lambdasonden in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Lage und Form derartiger Lambdasonden sind bekannt. Die Funktionsweise soll beispielhaft kurz anhand einer Zweizellen-Grenzstromsonde, einer sogenannten Breitband-Lambda sonde, erläutert werden.To detect a mixture composition of an air-fuel mixture, the serves to drive an internal combustion engine by combustion, it is known Arrange lambda sensors in an exhaust duct of the internal combustion engine. location and the shape of such lambda probes are known. The mode of operation is intended to be exemplary briefly using a two-cell limit current probe, a so-called broadband lambda probe, are explained.
Die Zweizellen-Grenzstromsonde besteht im wesentlichen aus einer Konzentrationszelle und einer Pumpzelle. Beide Zellen werden durch teils katalytisch aktive Elektroden gebildet, wobei der Konzentrationszelle eine Meßkammer zugeordnet ist. Durch eine poröse Diffusionsbarriere gelangt das Abgas in die Meßkammer. Dabei wird ein Ausgangssignal der Konzentrationszelle in Form einer elektrischen Spannung in Abhängigkeit von einer Gleichgewichtssauerstoffkonzentration eingestellt. Diese Ausgangsspannung der Konzentrationszelle wird einem Regler zugeführt und in diesem mit einer Spannung von üblicherweise 450 mV verglichen, die der Gleichgewichts sauerstoffkonzentration bei λ = 1 entspricht.The two-cell limit current probe essentially consists of a concentration cell and a pump cell. Both cells are activated by catalytically active electrodes formed, wherein the concentration cell is assigned a measuring chamber. By a porous diffusion barrier, the exhaust gas enters the measuring chamber. In doing so, a Output signal of the concentration cell in the form of an electrical voltage in Dependence on an equilibrium oxygen concentration set. This Output voltage of the concentration cell is fed to and in a regulator with a voltage of typically 450 mV compared to that of equilibrium corresponds to oxygen concentration at λ = 1.
Die Gleichgewichtssauerstoffkonzentration ändert sich bei einem Übergang von einem Lambdawert von knapp über 1 zu einem Lambdawert knapp unter 1 und umgekehrt um mehrere Zehnerpotenzen, so daß sich das resultierende Meßsignal in der Konzentrationszelle stark ändert. Aufgrund dessen besitzt die Lambdasonde in dem Bereich um λ = 1 eine sehr hohe Genauigkeit.The equilibrium oxygen concentration changes with a transition from one Lambda value from just over 1 to a lambda value just below 1 and vice versa several powers of ten, so that the resulting measurement signal is in the Concentration cell changes greatly. Because of this, the lambda sensor in the Range around λ = 1 very high accuracy.
Ein Ausgangssignal des Reglers steuert einen Strom durch die Pumpzelle und zwar derart, daß in einem Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (λ < 1) ein Sauerstofftransport aus der Meßkammer heraus erfolgt. Nach einer Gleichgewichtseinstellung der Sauerstoffkonzentration an den katalytisch aktiven Elek troden ist dieser Strom gleich einem Diffusionsstrom durch die Diffusionsbarriere und dient als Ausgangssignal der Sonde (Meßstrom). Der Meßstrom ist dabei proportional einem Sauerstoffpartialdruck im Abgas.An output signal from the controller controls a current through the pumping cell such that in a lean operation of the internal combustion engine (λ <1) Oxygen is transported out of the measuring chamber. After a Setting the equilibrium of the oxygen concentration at the catalytically active elec This current is equal to a diffusion current through the diffusion barrier and serves as the output signal of the probe (measuring current). The measuring current is proportional an oxygen partial pressure in the exhaust gas.
Im Fettbetrieb (λ < 1) diffundieren zusätzlich in einem vermehrten Maße Reduktionsmittel wie CO, HC oder H2 durch die Diffusionsbarriere in die Meßkammer. An den katalytisch aktiven Elektroden findet eine Oxidation der Reduktionsmittel durch den von der Pump zelle herangeführten Sauerstoff statt. Der fließende Strom ist somit eine Funktion der Summen der Partialdrücke der Reduktionsmittel, multipliziert mit ihren jeweiligen Diffusionskoeffizienten. Mit geeigneten Kennlinien und unter der vereinfachenden An nahme, daß der Einfluß der Reduktionsmittel im wesentlichen auf ein im Gleichgewicht stehendes Wassergas (CO- und H2-Anteil) zurückzuführen ist, kann auf diese Weise ein Lambdawert ermittelt werden. Insgesamt ermöglicht eine solche Zweizellen-Grenzstrom sonde eine Messung des Lambdawertes des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine in einem weiten Bereich von λ = 0,7 bis ∞.In rich operation (λ <1), reducing agents such as CO, HC or H 2 additionally diffuse through the diffusion barrier into the measuring chamber to an increased extent. Oxidation of the reducing agents by the oxygen brought up by the pump cell takes place on the catalytically active electrodes. The flowing current is thus a function of the sums of the partial pressures of the reducing agents, multiplied by their respective diffusion coefficients. With suitable characteristics and under the simplifying assumption that the influence of the reducing agent is essentially due to an equilibrium water gas (CO and H 2 content), a lambda value can be determined in this way. Overall, such a two-cell limit current probe enables a measurement of the lambda value of the exhaust gas of an internal combustion engine in a wide range from λ = 0.7 to ∞.
Eine zusätzliche Kalibrierung der Lambdasonde ist jedoch notwendig, um störende Einflüsse, wie beispielsweise geometrische Eigenschaften, eine Porosität der Diffusionsbarriere, einen Gasdruck oder eine Temperatur der Sonden auf den Meßstrom zu verhindern. Es ist daher bekannt, zum Ausgleich von fertigungsbedingten Toleranzen das Meßsignal mit einem einstellbaren Korrekturwert kw zu multiplizieren. Unberücksichtigt dabei bleibt allerdings, daß Verschmutzungen oder Alterungseffekte zu einem Drift des Meßsignals führen können und betriebsbedingte Toleranzen unberücksichtigt bleiben.However, an additional calibration of the lambda probe is necessary in order to prevent disturbing influences, such as, for example, geometric properties, a porosity of the diffusion barrier, a gas pressure or a temperature of the probes on the measuring current. It is therefore known to multiply the measurement signal by an adjustable correction value k w to compensate for manufacturing-related tolerances. However, this does not take into account that contamination or aging effects can lead to a drift of the measurement signal and operational tolerances are not taken into account.
Der Verbrennungskraftmaschine sind üblicherweise Mittel zugeordnet, die eine Erfassung eines Luftmassenstroms und einer zugeführten Kraftstoffmasse innerhalb einer vorgebbaren Einspritzzeit ermöglichen. Der Luftmassenstrom kann von einem Luftmassenmesser gemessen oder anhand eines vorhandenen Lastsignals, zum Beispiel einem Saugrohrdruck, berechnet werden. Eine Genauigkeit der verfügbaren Luftmassenmesser ist besser als 3% vom Meßwert, solange die Pulsationsamplituden einer Ansaugluft ausreichend klein sind.Means are usually assigned to the internal combustion engine for recording an air mass flow and a supplied fuel mass within one allow predefinable injection time. The air mass flow can be from one Air mass meter measured or based on an existing load signal, for example an intake manifold pressure. An accuracy of the available Air mass meter is better than 3% of the measured value as long as the pulsation amplitudes of an intake air are sufficiently small.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Festlegung des Korrekturwertes kw in
dem Magerbetrieb unter der Berücksichtigung folgender Bedingungen:
Zunächst wird an einem Betriebspunkt p1 mit λ1 = 1 innerhalb einer Einspritzzeit t1 eine
Kraftstoffmasse mK1 und ein Luftmassenstrom mL1 erfaßt. Für den Meßstrom I1 der
Zweizellen-Grenzstromsonde gilt:
In the method according to the invention, the correction value k w is determined in lean operation, taking into account the following conditions:
First, at an operating point p 1 with λ 1 = 1, a fuel mass m K1 and an air mass flow m L1 are detected within an injection time t 1 . The following applies to the measuring current I 1 of the two-cell limit current probe:
I1 = kw.X(O2)1 (I)I 1 = k w .X (O 2 ) 1 (I)
X(O2)1 gibt einen Restsauerstoffgehalt des Abgases im Betriebspunkt p1 an. Der
Restsauerstoffgehalt kann nach der katalytischen Reaktion an den Elektroden dabei
einen Sauerstoffüberschuß oder einen Sauerstoffmangel in Bezug auf ein
stöchiometrisches Verhältnis anzeigen. Unter stöchiometrischen Bedingungen, also bei
λ = 1, ist X(O2)1 zu vernachlässigen. Unter Berücksichtigung eines stöchiometrischen
Faktors kst ergibt ein Verhältnis des Luftmassenstroms mL1 zur innerhalb der
Einspritzzeit t1 zugeführten Kraftstoffmasse mK1 den Lambdawert λ1 im Betriebspunkt
p1.
X (O 2 ) 1 indicates a residual oxygen content of the exhaust gas at the operating point p 1 . The residual oxygen content can indicate an excess of oxygen or an oxygen deficiency in relation to a stoichiometric ratio after the catalytic reaction at the electrodes. Under stoichiometric conditions, i.e. at λ = 1, X (O 2 ) 1 is negligible. Taking into account a stoichiometric factor k st , a ratio of the air mass flow m L1 to the fuel mass m K1 supplied within the injection time t 1 gives the lambda value λ 1 at the operating point p 1 .
Ferner kann die zugeführte Kraftstoffmasse mK1 während der Einspritzzeit t1 am
Betriebspunkt p1 als Produkt der Einspritzzeit t1 und einem Proportionalitätsfaktor kin
ausgedrückt werden.
Furthermore, the supplied fuel mass m K1 during the injection time t 1 at the operating point p 1 can be expressed as the product of the injection time t 1 and a proportionality factor k in .
mK1 = kin.t1 (III)m K1 = k in .t 1 (III)
Über die Lambdaregelung wird mit der Einspritzzeit t1 die Kraftstoffmasse mK1 so
eingestellt, daß die Lambdasonde einen Lambdawert von λ = 1 anzeigt. Die Genauigkeit
der Lambdasonde ist bei λ = 1 besonders hoch, da nach katalytischer Reaktion kein
Restsauerstoffüberschuß oder Sauerstoffmangel vorhanden ist. Fehler in der
Empfindlichkeit, die über den Korrekturwert kw ausgeglichen werden sollen, spielen in
dem Betriebspunkt p1 damit keine Rolle, so daß davon ausgegangen werden kann, daß
der Lambdawert mit λ1 = 1 mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann. Der
Proportionalitätsfaktor kin kann aus den vorhandenen Meßwerten mit guter Genauigkeit
ermittelt werden und ergibt sich aus den Gleichungen (II) und (III).
The fuel mass m K1 is set with the injection time t 1 via the lambda control so that the lambda probe displays a lambda value of λ = 1. The accuracy of the lambda probe is particularly high at λ = 1, since there is no residual oxygen excess or lack of oxygen after a catalytic reaction. Errors in the sensitivity that are to be compensated for via the correction value k w therefore do not play any role at the operating point p 1 , so that it can be assumed that the lambda value can be set with high accuracy with λ 1 = 1. The proportionality factor k in can be determined with good accuracy from the available measured values and results from equations (II) and (III).
Nachfolgend findet ein Wechsel in einen zweiten Betriebspunkt p2 der
Verbrennungskraftmaschine mit λ ≠ 1 beispielsweise mit λ2 = 2 (Magerbetrieb) statt. Der
Wechsel von dem Betriebspunkt p1 in den Betriebspunkt p2 der
Verbrennungskraftmaschine soll dabei möglichst durch eine im wesentlichen den
luftmassenstrom mL1 beeinflussende Maßnahme erfolgen, da hier eine Änderung eines
Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine relativ gering ist. Gleichzeitig dient eine
gegebenenfalls notwendige Änderung der zugeführten Kraftstoffmasse mK1 im
wesentlichen zur Kompensation einer Leistungsänderung der
Verbrennungskraftmaschine. Dabei gilt für den Meßstrom I2:
Subsequently, there is a change to a second operating point p 2 of the internal combustion engine with λ ≠ 1, for example with λ 2 = 2 (lean operation). The change from the operating point p 1 to the operating point p 2 of the internal combustion engine should take place as far as possible by a measure which essentially influences the air mass flow m L1 , since a change in the efficiency of the internal combustion engine is relatively small here. At the same time, a change in the supplied fuel mass m K1 which may be necessary essentially serves to compensate for a change in output of the internal combustion engine. The following applies to the measuring current I 2 :
I2 = kw.X(O2)2 (V)
I 2 = k w .X (O 2 ) 2 (V)
wobei der Restsauerstoffgehalt X(O2)2 im Abgas im Betriebspunkt p2 unter der
Annahme, daß ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff im Kraftstoff etwa 2 : 1
beträgt, näherungsweise durch die Gleichung
wherein the residual oxygen content X (O 2 ) 2 in the exhaust gas at the operating point p 2 assuming that a ratio of hydrogen to carbon in the fuel is approximately 2: 1, approximately by the equation
gegeben ist. Diese Gleichung wird beispielsweise von Pischinger et al. in.
"Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine", Springer Verlag, angegeben. Dabei
ist der Lambdawert λ2 für den Betriebspunkt p2 über die Gleichung
given is. This equation is described, for example, by Pischinger et al. in. "Thermodynamics of the internal combustion engine", Springer Verlag. The lambda value λ2 for the operating point p 2 is via the equation
wiederum als ein Verhältnis eines Luftmassenstroms mL2 zu einer über eine Einspritzzeit
t2 zugeführten Kraftstoffmasse mK2 definiert. Die innerhalb der Einspritzzeit t2 am
Betriebspunkt p2 zugeführte Kraftstoffmasse mK2 ist gegeben über
again defined as a ratio of an air mass flow m L2 to a fuel mass m K2 supplied via an injection time t 2 . The fuel mass m K2 supplied at the operating point p 2 within the injection time t 2 is given by
mK2 = kin.t2 (VIII)
m K2 = k in .t 2 (VIII)
Durch Einsetzen der Gleichungen (II) bis (VIII) für die beiden Betriebspunkte p1, p2 ergibt
sich für den Meßstrom I2 am Betriebspunkt p2 die Gleichung:
By using equations (II) to (VIII) for the two operating points p 1 , p 2, the equation for the measuring current I 2 at the operating point p 2 is as follows:
wobei
in which
ist.is.
Der Korrekturwert kw für den Meßstrom läßt sich somit aus den Luftmassenströmen mL1,
mL2 und den Einspritzzeiten t1, t2 an den Betriebspunkten p1 und p2 bestimmen.
Unterstellt man eine hohe Genauigkeit des Luftmassenmeßsystems und eine Linearität
eines Einspritzsystems, was bei nur geringen Änderungen der Einspritzzeit in den
meisten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine der Fall ist, kann dieser
Korrekturwert kw mit hoher Genauigkeit bestimmt werden und ergibt sich zu:
The correction value k w for the measuring current can thus be determined from the air mass flows m L1 , m L2 and the injection times t 1 , t 2 at the operating points p 1 and p 2 . Assuming a high accuracy of the air mass measuring system and a linearity of an injection system, which is the case with only slight changes in the injection time in most operating points of the internal combustion engine, this correction value k w can be determined with high accuracy and results in:
Mit dem so ermittelten Korrekturwert kw für das Ausgangssignal der Lambdasonde kann
nun der Lambdawert für die übrigen Betriebspunkte mit λ ≠ 1, insbesondere λ < 1,
ermittelt werden:
With the correction value k w determined in this way for the output signal of the lambda probe, the lambda value for the other operating points can now be determined with λ ≠ 1, in particular λ <1:
mit
With
Ein Spezialfall des Betriebspunktes p2 ist der Schubfall ohne Kraftstoffeinspritzung. In
diesem Fall vereinfacht sich die Gleichung (XI) zu
A special case of the operating point p 2 is the overrun situation without fuel injection. In this case, the equation (XI) simplifies too
kw = I2.4,76 (XIV)k w = I 2 .4.76 (XIV)
Insgesamt kann durch eine derartige Kalibrierung der Lambdasonde auch ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine lambdageregelt durchgeführt werden. Wei terhin können bekannte Überwachungsfunktionen, die beispielsweise eine Konvertierungsrate eines im Abgaskanal in der Verbrennungskraftmaschine angeord neten Katalysators erfassen, wesentlich genauer durchgeführt werden.Overall, such a calibration of the lambda probe can also be used Lean operation of the internal combustion engine can be carried out under lambda control. Wei Furthermore, known monitoring functions, such as a Conversion rate one arranged in the exhaust duct in the internal combustion engine Detect neten catalyst, be carried out much more accurately.
Zur Vermeidung von Fehlkalibrierungen ist es sinnvoll, die Festlegung des Korrekturwertes kw unter Berücksichtigung von Kalibrierungsparametern wie einer Lage des Meßsignals, einem vorgebbaren Meßsignalbereich, einer Temperatur oder einem Wassergehalt einer Ansaugluft, einer Temperatur oder einem vorgebbaren Temperaturbereich der Lambdasonde, einem Wassergasgehalt oder einer Temperatur des Abgases oder einer Kombination derselben durchzuführen.To avoid incorrect calibrations, it makes sense to determine the correction value k w taking into account calibration parameters such as a position of the measurement signal, a predeterminable measurement signal range, a temperature or a water content of an intake air, a temperature or a predefinable temperature range of the lambda probe, a water gas content or a temperature of the exhaust gas or a combination thereof.
Durch die Berücksichtigung des Meßsignals oder des vorgebbaren Meßsignalbereichs können beispielsweise für den Magerbetrieb und den Fettbetrieb der Ver brennungskraftmaschine verschiedene Korrekturwerte kw festgelegt werden. Dies ist insoweit sinnvoll, da im Fettbetrieb die maßgeblichen Diffusionskoeffizienten wegen eines höheren Wasserstoffgehalts weniger vom Mechanismus einer Porendiffusion bestimmt sind. Zur Festlegung des Korrekturwertes kw wird dabei bevorzugt ein Betriebspunkt p2 in einem Lambdabereich von λ = 0,8 bis 0,9 durch eine Änderung der zugeführten Kraftstoffmasse m1 eingestellt. Dabei kann ausgenutzt werden, daß bei konstantem Luftmassenstrom in diesem Lambdabereich ein Betriebspunkt p2 existiert, in dem eine abgegebene Leistung der Verbrennungskraftmaschine in etwa der Leistung der Verbrennungskraftmaschine im Betriebspunkt p1 entspricht.By taking the measurement signal or the predeterminable measurement signal range into account, various correction values k w can be defined, for example, for the lean operation and the rich operation of the internal combustion engine. This makes sense because in fat operation, the relevant diffusion coefficients are less determined by the mechanism of a pore diffusion because of a higher hydrogen content. To determine the correction value k w , an operating point p 2 is preferably set in a lambda range of λ = 0.8 to 0.9 by changing the supplied fuel mass m 1 . It can be exploited that, with a constant air mass flow, an operating point p 2 exists in this lambda range, in which an output of the internal combustion engine approximately corresponds to the output of the internal combustion engine at the operating point p 1 .
Bei der Ermittlung des Korrekturwertes kw im Fettbetrieb gelten ebenso die im Zusammenhang mit der Ermittlung des Korrekturwertes kw für den Magerbetrieb vorab aufgestellten Gleichungen. Lediglich der Restsauerstoffgehalt gemäß Gleichung (VI) muß entsprechend angepaßt werden, da im Magerbetrieb bekanntlich ein Sauerstoffüberschuß und im Fettbetrieb dagegen ein Sauerstoffmangel herrscht. Dies läßt sich in bekannter Weise unter Berücksichtigung eines Wassergasgleichgewichts für die Anteile am Abgas von CO, H2, H2O und CO2 berechnen.When determining the correction value k w in rich operation, the equations previously established in connection with the determination of the correction value k w for lean operation also apply. Only the residual oxygen content according to equation (VI) has to be adjusted accordingly, since it is known that there is an excess of oxygen in lean operation and, on the other hand, there is a lack of oxygen in rich operation. This can be calculated in a known manner, taking into account a water gas equilibrium for the proportions in the exhaust gas of CO, H 2 , H 2 O and CO 2 .
Im Fettbetrieb diffundieren die Reduktionsmittel - wie bereits erläutert - durch die Diffusionsbarriere zu den katalytisch aktiven Elektroden der Lambdasonde. Dort reagieren sie mit dem durch die Pumpzelle herangeführten Sauerstoff, wobei ein zur Sauerstoffgleichgewichtskonzentration entsprechend λ = 1 benötigter Sauerstoffstrom den Meßwert darstellt. Der Sauerstoffstrom entspricht in seiner Höhe dem Diffu sionsstrom aus CO und H2, so daß sich letztendlich ein Meßstrom I2 ergibt, der den Abgasanteilen von CO und H2, multipliziert mit ihren jeweiligen Diffusionskoeffizienten, entspricht, und aus dem ein Korrekturwert kw für den Fettbetrieb berechnet werden kann.In the rich mode, the reducing agents - as already explained - diffuse through the diffusion barrier to the catalytically active electrodes of the lambda sensor. There they react with the oxygen brought in by the pump cell, an oxygen flow required for the oxygen equilibrium concentration corresponding to λ = 1 representing the measured value. The height of the oxygen flow corresponds to the diffusion flow of CO and H 2 , so that there is ultimately a measuring current I 2 which corresponds to the exhaust gas components of CO and H 2 multiplied by their respective diffusion coefficients, and from which a correction value k w for the rich operation can be calculated.
Die derartig ermittelten Korrekturwerte kw können zur Berücksichtigung von Alterungsprozessen oder Verschmutzungen der Lambdasonde periodisch nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne neu festgelegt werden. Denkbar ist auch, daß die Festlegung der Korrekturwerte kw während eines dynamischen Betriebes der Verbren nungskraftmaschine infolge zweier zufällig aufeinanderfolgender, geeigneter Betriebspunkte erfolgt.The correction values k w determined in this way can be periodically redefined to take aging processes or soiling of the lambda probe into account after a predefinable period of time has elapsed. It is also conceivable that the correction values k w are determined during dynamic operation of the internal combustion engine as a result of two random successive, suitable operating points.
Weiterhin sollte die Temperatur der Ansaugluft während der Kalibrierung nicht oberhalb einer vorgebbaren Grenztemperatur liegen. Vorteilhafterweise beträgt die Grenztemperatur 35°C, da unterhalb dieser Temperatur der Wassergasgehalt der Ansaugluft vernachlässigbar ist. Daneben kann die Festlegung des Korrekturwertes abgebrochen werden, wenn der Wassergehalt der Ansaugluft oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegt. Furthermore, the temperature of the intake air should not be above during calibration a predetermined limit temperature. This is advantageously Limit temperature 35 ° C, because below this temperature the water gas content of the Intake air is negligible. In addition, the correction value can be determined be stopped if the water content of the intake air is above a predefinable threshold.
Die Kalibrierung sollte ebenfalls nur erfolgen, wenn die Abgastemperatur im Bereich der Lambdasonde während der Festlegung des Korrekturwertes kw oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegt. Die Abgastemperatur kann mit einem Abgastemperatursensor direkt erfaßt werden oder über ein Modell aus den Motorbetriebsdaten berechnet werden. Auch eine Rohrwandtemperatur zwischen den Ausstoßventilen der Verbrennungskraftmaschine und dem Einbauort der Lambdasonde sollte über einem Schwellenwert liegen. Der Schwellenwert für die Abgastemperatur und die Rohrwandtemperatur sind dabei bevorzugt derart gewählt, daß die Kalibrierung erst ab einer Temperatur oberhalb von 60°C, insbesondere 100°C, erfolgt. Bei einer Temperatur von < 60°C des Abgases ist der Taupunkt des Abgases sicher überschritten. Bei einer Temperatur von < 100°C sind alle Verdampfungsprozesse von kondensiertem Wasser abgeschlossen, so daß der Wassergasgehalt des Abgases am Ort der Lambdasonde dem des Motors entspricht. Hierdurch kann der Einfluß von Kondensations- oder Verdampfungsprozessen innerhalb des Abgaskanals vermieden werden.The calibration should also only be carried out if the exhaust gas temperature in the area of the lambda probe is above a predefinable threshold value during the determination of the correction value k w . The exhaust gas temperature can be recorded directly with an exhaust gas temperature sensor or calculated from the engine operating data using a model. A pipe wall temperature between the exhaust valves of the internal combustion engine and the installation location of the lambda sensor should also be above a threshold value. The threshold value for the exhaust gas temperature and the pipe wall temperature are preferably selected such that the calibration takes place only from a temperature above 60 ° C., in particular 100 ° C. At a temperature of <60 ° C of the exhaust gas, the dew point of the exhaust gas is surely exceeded. At a temperature of <100 ° C, all evaporation processes of condensed water are completed, so that the water gas content of the exhaust gas at the location of the lambda sensor corresponds to that of the engine. In this way, the influence of condensation or evaporation processes within the exhaust gas duct can be avoided.
Claims (13)
- a) in einem ersten Betriebspunkt (p1) der Verbrennungskraftmaschine mit λ = 1 (stöchiometrischer Betrieb) eine Kraftstoffmasse (mK1) und ein Luftmassenstrom (mL1) erfaßt wird,
- b) nachfolgend in einem zweiten Betriebspunkt (p2) der Verbrennungskraftmaschine mit λ ≠ 1 (Mager- oder Fettbetrieb) eine Kraftstoffmasse (mK2) und ein Luftmassenstrom (mL2) erfaßt wird,
- c) in Abhängigkeit von den Luftmassenströmen (mL1, mL2) und den Kraftstoffmassen (mK1, mK2) der Betriebspunkte (p1, p2) der Korrekturwert (kw) für den Lambdawert des Betriebspunktes (p2) gebildet wird.
- a) in a first operating point (p 1 ) of the internal combustion engine with λ = 1 (stoichiometric operation), a fuel mass (m K1 ) and an air mass flow (m L1 ) are recorded,
- b) a fuel mass (m K2 ) and an air mass flow (m L2 ) are subsequently detected in a second operating point (p 2 ) of the internal combustion engine with λ ≠ 1 (lean or rich operation),
- c) depending on the air mass flows (m L1 , m L2 ) and the fuel masses (m K1 , m K2 ) of the operating points (p 1 , p 2 ), the correction value (k w ) for the lambda value of the operating point (p 2 ) is formed .
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