DE2946440C2

DE2946440C2 -

Info

Publication number: DE2946440C2
Application number: DE2946440A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 7146 Tamm De Mueller; Franz Ing.(Grad.) 7080 Aaalen De Rieger; Helmut 7141 Schwieberdingen De Maurer; Ernst Dipl.-Ing. 7130 Muehlacker De Linder; Harald Dipl.-Chem. Reber; Hermann Dipl.-Chem. 7016 Gerlingen De Dietz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-11-17
Filing date: 1979-11-17
Publication date: 1988-06-16
Also published as: JPS5688930A; IT8025897A0; GB2064828A; IT1134209B; JPS6367019B2; FR2475130B1; DE2946440A1; FR2475130A1; US4355618A; GB2064828B

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, die Luft- Kraftstoffzusammensetzung des Betriebsgemisches bei Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer Abgassonde dieser Art auf ein bestimmtes Luftverhältnis λ zu regeln. Es handelt sich dabei um eine Sauerstoffmeßsonde, die auf den Sauerstoffpartialdruck im Abgas der Brenn kraftmaschine anspricht und z. B. ein Ausgangssignal erzeugt, daß bei der Luftzahl λ = 1 einen Spannungs sprung aufweist. Für eine Regelung der Betriebsgemisch zusammensetzung auf eine Luftzahl größer 1 sind solche Sonden nicht geeignet, da deren Ausgangssignal sich linear in Abhängigkeit von der Temperatur und in nur logarithmischer Abhängigkeit vom Sauerstoffpartial druck im Meßgas ändert. Nur am stöchiometrischen Punkt, der Luftzahl λ = 1, wo sich der Sauerstoffpartialdruck um mehrere Zehnerpotenzen ändert, ist das Signal dieser Sonde zur Regelung geeignet.

Es ist weiterhin bekannt, mit einer modifizierten Sauer stoffsonde der genannten Art den Sauerstoff im Abgas zu messen (DE-OS 19 54 663). Dabei wird an die Elektroden einer sol chen Sonde eine Meßspannung angelegt, durch die ein Meßstrom aufgrund eines Sauerstoffionenflusses durch den Festelektrolytkörper der Son de zustande kommt. Die Höhe des Meßstromes wird durch die Diffu sionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs begrenzt und ist abhängig von der Konzentration des Sauerstoffs in dem zu messenden Gas. Span nungsabweichungen der Meßspanung innerhalb eines bestimmten Be reichs haben im stationären Fall daher keine Auswirkung auf den Stromfluß, der einen durch die Diffusionsgeschwindigkeit begrenzten Stromwert beibehält (Grenzstromsonde).

Im Übergangsbereich hat jedoch diese Grenzstromsonde den Nachteil, daß bei einer sprungartigen Änderung der Sauerstoffkonzentration der Strom sich exponentiell dem neuen, der geänderten Konzentration ent sprechenden Grenzstromwert nähert. Die Sonde reagiert also ziemlich träge auf Konzentrationsänderungen und ist somit für die Verwendung einer schnell ansprechenden Regelung weniger gut geeignet.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine dazugehörende Einrichtung zu schaffen, damit es möglich wird, relativ schnell Än derungen der Abgaszusammensetzung korrekt zu erfassen. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalskombinationen der beiden Haupt ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit Hilfe der der Störgröße (Sauerstoffkonzentrationsänderung z. B. bei Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine) entsprechenden Spannungsänderung der Meßspan nung, z. B. bei einer Spannungserhöhung derselben, an der Grenz stromsonde ein zusätzlicher Strom erzeugt wird, der etwa exponen tiell abklingt und addiert mit dem von der Sauerstoffkonzentra tionserhöhung herrührende Strom eine sprungartige Signaländerung auf einen der neuen Sauerstoffkonzentration entsprechenden Grenz stromwert ergibt. Damit wird die Ansprechgeschwindigkeit der Grenzstromsonde wesentlich erhöht, so daß sie auf schnelle Regelungen verwendbar wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung des im Hauptanspruch beanspruchten Verfahrens möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschrei bung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Kennlinienschar einer Grenzstromsonde für verschiedene Sauerstoffgehalte im Abgas,

Fig. 2a bis 2d die Signal bildung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer sprungartigen Änderung des Sauerstoffgehalts im Abgas und

Fig. 3 eine beispielhafte Einrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kommt eine sogenannte Grenzstromsonde zur Anwendung, wie sie z. B. in den Veröffentlichungen DE-OS 19 54 663 oder DE-OS 27 11 880 beschrieben ist. Sonden dieser Bauart weisen einen zwischen zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Fest elektrolyten auf, wobei die beiden Elektroden gasdurch lässig sind und mit einer Meßspannung beaufschlagt sind. Je nach Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas stellt sich dabei ein höherer oder niedrigerer Diffusions grenzstrom ein, der, wie das Wort sagt, durch die Dif fusionsgeschwindigkeit der ankommenden Sauerstoffmoleküle zu einer der Elektroden beschränkt ist. Sonden solcher Bauart weisen bei verschiedenen Sauerstoffgehalten im Abgas ein Kennlinienfeld gemäß der in Fig. 1 dargestellten Art auf. Dort ist der an der Grenzstromsonde gemessene Strom in bezug zur anliegenden Spannung dargestellt, wobei sich zeigt, daß bei jeder Sauerstoffkonzentration über einen bestimmten Meßspannungsänderungsbereich der gemessene Strom konstant bleibt. Durch diese Eigenschaft ist es möglich, das Ausgangssignal der Grenzstromsonde auch zu Regelzwecken für die Kraftstoff-Luftgemischzu sammensetzung des Betriebsgemisches bei Brennkraft maschinen einzusetzen. Der sich über eine größere Meß spannungsdifferenz erstreckende konstante Grenzstrom pegel macht das Steuersignal der Grenzstromsonde im wesentlichen unabhängig von Störeinflüssen.

Die Dynamik der Grenzstromsonde wird, wie erwähnt, durch Diffusionsvorgänge bestimmt. Bei einer sprungartigen Sauerstoffkonzentrationsänderung reagiert die Grenz stromsonde jedoch nur verzögert mit einem Übertragungsver halten, das sich im laplacetansformierten Bildbereich (die komplexe Variable p korrespondiert mit der Zeit t) durch die Gleichungen

I (p) = G _P (P) · P _O₂ (p) = K/(1 + T _P)

darstellen läßt. I ist dabei der Grenzstrom, K eine Kon stante und T _P die Zeitkonstante. Für eine schnell an sprechende Regelung wird eine sprungartige Reaktion des Ausgangssignals der Grenzstromsonde bei sprung artiger Sauerstoffkonzentrationsänderung gewünscht. Das würde einem Übertragungsverhalten

G _P (p) = K

entsprechen.

Es wurde ermittelt, daß das Stromsignal der Grenzstrom sonde im Grenzstrombereich sich bei einer Änderung der Versorgungsspannung um einen Betrag Δ u komplemen tär zum oben erwähnten Verhalten ändert. Die Änderung des Grenzstroms erfolgt dabei nach der Übertragungsgleichung

G _U (p) = K _U · T _U · p / (1 + T _U · p)

Wenn nun mit der Erhöhung des Sauerstoffgehalts gleich zeitig die Meßspannung um einen bestimmten Betrag Δ u erhöht wird, so führt das zu einer Kompensation des oben genannten Zeitverhaltens der Grenzstromsonde bei einer Sauerstoffkonzentrationsänderung. Dies ist in der Figurenfolge 2a bis 2d wiedergegeben. In Fig. 2a wird gezeigt, wie sich der Sauerstoffgehalt zu einem Zeit punkt t _o um Δ po ₂ sprunghaft ändert. Fig. 2b zeigt, wie sich der Grenzstrom normalerweise ausgehend von einem ersten Pegel im Zeitpunkt t _o zu einem zweiten Pegel K·Δ po ₂ erhöht. Und zwar mit einer Zeitkonstanten T _p. Wird die Meßspannung um einen der Sauerstoffkonzentra tionsänderung entsprechenden Wert erhöht, so ergibt sich ein zusätzlicher Strom durch die Grenzstromsonde gemäß dem Kurvenverlauf nach Fig. 2c. Man sieht dabei, wie der Strom von einem Wert K _U · Δ u im Zeitpunkt t _o allmählich auf 0 absinkt. Die für diesen Vorgang geltende Zeit konstante T _U entspricht ungefähr der Zeitkonstanten T _P des Stromverlaufs gemäß Fig. 2b. Ebenso ist der Wert K in Fig. 2c etwa gleich dem Wert K _U in Fig. 2b. Fig. 2d zeigt, wie aus der Addition beider Ströme ein dem sprunghaften Anstieg der Sauerstoffkonzentration ent sprechender sprunghafter Anstieg des Grenzstromes im Zeitpunkt t _o auftritt. Die Zeitkonstante T _U wird durch die elektrischen Eigenschaften der Grenzstromsonde bestimmt. Durch entsprechende Maßnahmen, die die Kapa zität der Kondensatoreigenschaft der Grenzstromsonde ändern, kann eine Anpassung der Zeitkonstante T _U an die Zeitkonstante T _P erreicht werden. Entsprechend muß auch auf eine bestimmte Sauerstoffkonzentration hin die Änderung der Meßspannung Δ u so angepaßt werden, daß für beide Kurvenverläufe der Wert K _U · Δ u ≅ K Δ po ₂ konstant ist. Um eine schnelle Reaktion der Grenzstromsonde zu erzielen, muß bei einer Betriebszustandsänderung und einer dadurch sich ergebenden Sauerstoffkonzentrations änderung die Meßspannung um einen der zu erwartenden Sauerstoffkonzentrationsänderung entsprechenden Be trag verändert werden. Wegen der Eigenschaft der Grenz stromsonde im Grenzstrombereich nicht auf Meßspannungs unterschiede zu reagieren, kann der oben beschriebene Eingriff vorgenommen werden, da der sich auf die Änderung der Meßspannung momentan ergebende Strom nach kurzer Zeit wieder abklingt. Für größere Zeiten nach dem Punkt t _o ist also der tat sächliche Meßwert der Grenzstromsonde maßgebend. Mit dem beschriebenen Verfahren können also schnelle Än derungen der Sauerstoffkonzentration grob ausgesteuert werden und bei längerem Andauern exakt ausgeregelt werden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durch führung des oben beschriebenen Verfahrens. Es ist dabei eine Brennkraftmaschine 1 schematisch wiedergegeben mit einem Ansaugsystem 2 und einem Abgassammelsystem 3. Die Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine kann dabei z. B. durch Saugrohreinspritzung erfolgen. Dazu ist, wie gezeigt, ein Kraftstoffeinspritzventil 4 stromauf wärts des oder der Einlaßventile der Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Einspritzventil wird dabei von einer Kraftstoffversorgungseinrichtung 6 z. B. in Abhängig keit von der angesaugten Luftmenge versorgt. Der Kraft stoff wird der Kraftstoffversorgungseinrichtung 6 von einer Pumpe 7 aus einem Vorratsbehälter zugeführt. Derartige gesteuerte Kraftstoffversorgungseinrichtungen sind bekannt und brauchen hier nicht näher dargestellt zu werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird nun die über die Kraftstoffeinspritzventile 4 einge spritzte Kraftstoffmenge mit Hilfe eines Kraftstoff mengenmessers 8, der z. B. auf der Saugseite der Pumpe 7 vorgesehen sein kann, gemessen. Der Kraftstoffmengenmesser 8 gibt dabei ein Steuersignal an eine Steuereinrichtung 10, der zusätzlich oder alternativ ein Steuersignal von einem im Saugrohr der Brennkraftmaschine vorgeshenen Luftmengenmesser 11 zugeführt werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dem Steuergerät ein Drehzahlsignal von einem Drehzahlgeber 12 zuzuführen. In dem Steuergerät 10 werden mit Hilfe der Luftmengensignale, der Kraftstoffmengensignale und/ oder der Drehzahlsignale oder weiteren Zusatzparametern eine Spannung Δ u gebildet, die dem im jeweiligen Betriebszustand geschätzten Lambda-Wert entspricht. Das Steuergerät kann dabei z. B. ein Kennfeld oder Kennlinien enthalten, aus denen sich bei den entsprecheden Eingabeparametern die jeweilige Spannung Δ u ergibt.

Im Abgassammelsystem 3 ist nun eine Grenzstromsonde 14 angeordnet, an die über eine Versorgungsleitung 15 eine Meßspannung angelegt ist. Die Meßspannung wird dabei aus der Addition des Spannungssignals Δ u zu einer Grund-Meßspannung U₀ gebildet. Diese korrigierte Meßspannung U ₁ liegt am Ausgang eines Summierers 16 an und wird einem Spannungsregler 17 zugeführt. Vom Ausgang des Spannungsreglers 17 wird die Spannung über einen Meßwiderstand 18 an die Grenzstromsonde ge führt. Zwischen Meßwiderstand 18 und Grenzstromsonde zweigt eine Rückführung 19 ab, die wieder mit dem Eingang des Spannungsreglers 17 verbunden ist. Der am Meßwiderstand aufgrund des durch die Grenzstromsonde 14 fließenden Stromes auftretende Spannungsabfall wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers 21, dessen Eingänge mit einem Abgriff vor oder nach dem Meß widerstand verbunden sind, gemessen, wobei der Aus gang des Differenzverstärkers 21 mit einer Regelschal tung 22 verbunden ist, durch die ein Korrektursignal z. B. an die Kraftstoffversorgungs- und -dosierein richtung 6 gegeben wird.

Der Spannungsregler in Verbindung mit der Rückführung 19 gewährleistet, daß die Grenzstromsonde unabhängig vom sich einstellenden Grenzstrom mit der Spannung U ₁ beaufschlagt wird. Wie man der Fig. 1 entnimmt, stellt die Spannung U₀ die niedrigste zu erwartende Meßspan nung dar. Es ergibt sich der Vorteil, daß durch die Addition des Spannungssignals Δ u die mittlere Meßspannung immer im mittleren Bereich des linearen Teils der jeweiligen Stromkurve liegt, so daß auch bei großen Änderungen der Luftzahl λ der der jeweiligen Sauerstoffkonzentration entsprechende Grenzstrom erfaßt wird.

Durch die Ausgestaltung des Steuergeräts 10 kann mehr oder weniger genau der geschätzte Lambda-Wert in Form einer korrigierenden Spannung Δ u gebildet werden. Im ein fachsten Fall genügt ein lastabhängig gesteuertes Po tentiometer. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen nähert sich z. B. die Luftzahl λ mit steigender Last dem Wert λ = 1. Es kann hier mit ausreichender Genauig keit ein vom Kraftstoffmengenverstellglied der Einspritz pumpe betätigtes Potentiometer für die Ermittlung des λ- Schätzwertes bzw. zur Bildung des Steuersignals Δ u verwendet werden.

Die beschriebene Einrichtung kann auch bei großen Betriebspunktänderungen bzw. bei großen Sauerstoff konzentrationsänderungen im Abgas ausreichend schnell nachregeln. Wobei es nicht darauf ankommt, ob der sich im Zeitpunkt t _o ergebende Strom gemäß Fig. 2d exakt der Sauerstoffkonzentration im Abgas zum Zeitpunkt t _o entspricht. Wesentlich ist, daß zu diesem Zeitpunkt durch die Vorgabe eines Stromes gemäß Fig. 2c das Trägheitsverhalten der Grenzstromsonde annähernd kom pensiert wird. Nach Ablauf der Zeitkonstanten ist die Sonde in der Lage, mit hoher Genauigkeit einen gewünsch ten Lambda-Wert einzuregeln.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung einer Steuergröße für die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Be triebsgemisches von Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer dem Abgasstrom ausgesetzten Abgasmeßsonde, die einen aus sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial bestehenden Körper aufweist und ein dem Sauerstoffge halt im Abgas entsprechendes Steuersignal abgibt, das an eine Steuereinrichtung zur Verstellung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses geführt wird, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abgassonde nach dem Prinzip der Sauerstoffionenleitung bei Spannungsbeaufschlagung arbeitet, wobei der durch die Diffusionsgeschwindig keit des Meßgases begrenzte Grenzstrom ein Maß für den Sauerstoffgehalt im Abgas ist (Grenzstromsonde), daß ein Störgrößensignal (Δ u) erzeugt wird, das der erwarteten Änderung der Luftzahl λ des Betriebsgemisches entspricht und das als Spannungsdifferenz zu der an der Abgasmeßsonde (14) an liegenden Meßspannung (U₀) addiert wird, daß der resultierende Strom durch die Meßsonde als Maß für den prozentualen Sauerstoffgehalt in der Regeleinrichtung (22) mit dem einzuhaltenden Sauerstoffgehalt verglichen und daß ent sprechend dem Vergleichsergebnis das Luft-Kraftstoff- Verhältnis korrigiert wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Betriebsgemisches einer Brennkraftmaschine mit Hilfe einer dem Abgasstrom ausgesetzten, mit einem sauer stoffionenleitenden Festelektrolytkörper versehenen Ab gasmeßsonde, die auf den Sauerstoffgehalt im Abgas an spricht und entsprechend deren Steuersignal eine Regeleinrichtung für das Luft-Kraftstoff- Verhältnis gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde (14) eine Grenzstromsonde ist, die mit einer Grund-Meßspannung (U₀) beaufschlagt ist und mit einer Einrich tung (18, 21) zum Messen des daraus resultierenden Meßstromes als Steuergröße verbunden ist, die am Eingang der nachgeschalteten Regeleinrichtung (22) für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis anliegt, daß ferner eine Einrichtung (8, 11, 12) zur Ermitt lung des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine vor gesehen ist, der eine Einrichtung (10) zur Erzeugung eines der durch die Betriebspunktänderung sich er gebenden Änderung der Luftzahl λ entsprechenden Span nungssignal (Δ U) nachgeschaltet ist, wobei das Span nungssignal (Δ U) einer Einrichtung (16) zur Addition des Spannungsignals (Δ U) und der Grund-Meßspannung (U₀) zugeführt wird und wobei mit der resultierenden, korrigierten Meßspannung (U ₁) die Grenzstromsonde (14) beaufschlagt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die korrigierte Meßspannung (U ₁) über einen Spannungs regler (17) an die Grenzstromsonde (14) angelegt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grenzstromsonde (14) und Spannungsregler ein Meßwiderstand (18) vorgesehen ist, dessen grenz stromseitiger Anschluß durch eine Rückführung (19) zum Eingang des Spannungsreglers (17) auf dem korri gierten Meßspannungswert (U ₁) gehalten wird.

5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Er zeugung des Spannungssignals (Δ U) ein von der Einrich tung (8, 11, 12) zur Ermittlung des Betriebspunktes ansteuerbarer Kennfeldspeicher dient.