DE4024210A1 - Verfahren zur lambdaregelung einer brennkraftmaschine mit katalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator. Derartige Verfahren arbei­ ten nur so lange wirkungsvoll zur Schadstoffreduzierung, so­ lange der Katalysator eine ausreichende Konvertierungsrate aufweist, die sich allerdings mit seiner zunehmenden Alterung verschlechtert.

Stand der Technik

DE-23 04 622 A1 beschreibt ein Zweipunkt-Lambdaregelungsver­ fahren, bei dem die Differenz zwischen den Signalen von einer Sonde vor dem Katalysator und einer anderen hinter dem Kata­ lysator gebildet wird. Solange der Katalysator noch neu ist, schwingt das von der hinteren Sonde gelieferte Signal kaum trotz der Schwingung, die aufgrund der Zweipunktregelung an der vordere Sonde zu beobachten ist. Die Differenz zwischen den beiden Signalen nimmt also immer wieder größere Werte an. Wenn der Katalysator mit zunehmendem Alter schlechter konver­ tiert, mißt auch die hintere Sonde eine Schwingung des Lambda­ wertes. Daher wird die maximale Differenz zwischen den Signa­ len von den beiden Sonden mit zunehmendem Katalysatoralter immer kleiner. Fällt die Differenz unter einen Schwellenwert, wird ein Warnsignal ausgegeben. Für Regelzwecke wird das Sig­ nal von der hinteren Sonde nicht verwendet.

Aus DE 35 00 594 A1 und US-46 22 809 ist ein Zweipunkt-Lambdaregelungs­ verfahren bekannt, das Meßsignale von einer Meßsondenanordnung vor dem Katalysator zum Regeln des Lambdawertes und Restsigna­ le von einer Test-Lambdasonde hinter dem Katalysator zum Beur­ teilen der Konvertierungsrate des Katalysators aufweist. Die Regelparameter, mit denen die Zweipunktregelung betrieben wird, werden dauernd so eingestellt, daß die Amplitude des Test­ signales minimal ist und sich der Mittelwert des Testsignals in einem vorgegebenen Bereich bewegt. Wenn die minimal er­ reichbare Amplitude des Testsignals einen Schwellenwert über­ steigt oder wenn sich der Mittelwert der Testsignale aus dem vorgegebenen Fenster bewegt, wird ein Fehlersignal ausgegeben, das anzeigt, daß der Katalysator seine Funktion nicht mehr zu­ friedenstellend ausführt.

Aus US-48 84 066 ist es bekannt, ein Warnsignal dann auszu­ geben, wenn die Amplitude des Signals einer Sonde hinter dem Katalysator zu groß wird. Bei diesem Verfahren wird also nicht untersucht, ob eine große Signalamplitude der Sonde hinter dem Katalysator durch eine große Lambdawertamplitude vor dem Kata­ lysator bedingt ist. Dieses Verfahren ist somit das einfach­ ste der bisher beschriebenen Verfahren, dafür aber auch das fehleranfälligste. Das Signal der Sonde hinter dem Katalysator wird nicht für Steuer- oder Regelzwecke eingesetzt, sondern nur zum Erzeugen des genannten Warnsignals.

Bei den in DE-35 00 594 A1 und US-46 22 809 beschriebenen Verfahren kann es aufgrund der Rückkopplung im Lambda­ regelkreis und der auf diesen Kries über die Regelpara­ meter einwirkenden Rückkopplung im Testsignalkreis relativ leicht zu schwer beherrschbaren Regelschwingungen kommen. Dies insbesondere dann, wenn aufgrund einer Störung die Amplitude des Testsignales vorübergehend relativ groß wird. Dann werden die Werte der Regelparameter so verändert, daß es vor dem Katalysator und damit auch hinter dem Katalysator nur noch zu kleineren Amplituden kommen soll. Die Regelung wird dadurch träger, wodurch es schwieriger ist, die Störung, die diesen Effekt hervorgerufen hat, zu beseitigen. Dadurch kann sich aufgrund der Wirkung der Testsignale eine besonders große Abweichung vom Sollwert im Lambdaregelkreis einstellen, was ja eigentlich verhindert werden soll. Der Vorteil, die Ampli­ tuden von Regelschwingungen mit zunehmenden Katalysatoralter einschränken zu können, ist so mit dem Nachteil verbunden, daß es aufgrund des Gesamtablaufs des Verfahrens zu unnötig hohen Regelabweichungen kommen kann, solange es angesichts ausge­ zeichneter Funktionsfähigkeit des Katalysators noch gar nicht nötig wäre, die Regelparameter zu ändern.

Es bestand demgemäß das Problem, ein Verfahren zur Lambda­ regelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator anzugeben, bei dem der Alterungszustand des Katalysators überwacht wird, und das über die gesamte Lebensdauer des Katalysators gesehen zu besonders geringem Schadgasausstoß führt.

Darstellung der Erfindung

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator mit einer Meßsondenanord­ nung vor dem Katalysator, die Meßsignale ausgibt, sowie einer Testsondenanordnung hinter dem Katalysator, die Testsignale ausgibt, wird

• - bei Vorliegen vorgegebener Betriebszustände das Verhältnis zwischen Testsignal und Meßsignal gebildet, welches Verhält­ nis als Beurteilungsmaß für die Konvertierungsrate des Kata­ lysators gewertet wird,
• - und auf Grundlage des jeweils aktuellen Wertes dieses Beur­ teilungsverhältnisses werden Ausgangswerte von Regelparame­ tern, wie sie für Regelung einer Brennkraftmaschine mit neuem Katalysator gelten, in vorgegebener Weise steuernd modifiziert.

Dieses Verfahren unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht vom eingangs genannten Verfahren. Der erste Unterschied liegt da­ ring, daß als Größe zum Verändern von Regelparametern nicht die Amplitude des Signals von einer Test-Lambdasonde verwendet wird, sondern daß das Verhältnis von dem von einer Testsonden­ anordnung abgegebenen Testsignal zu dem von einer Meßsonden­ anordnung abgegebenen Meßsignal, oder umgekehrt, gebildet wird. Diese Sondenanordnungen sind vorzugsweise durch Lambdasonden realisiert. Bei Testsignal und Meßsignal kann es sich um Amplitudenwerte oder um Mittelwert oder, vorzugsweise, um mittlere Abweichun­ gen von Mittelwerten, entweder z. B. lineare oder mittlere quadratische Abweichungen, handeln. Dadurch, daß das Verhält­ nis von Testsignal zu Meßsignal gebildet wird, ist ausge­ schlossen, daß sich ein großes Testsignal, das nicht durch schlechte Konvertierung, sondern durch ein großes Meßsignal verursacht ist, dahingehend auswirkt, daß die Regelparameter modifiziert werden. Ist nämlich das Testsignal nur groß, weil das Meßsignal groß ist, wirken sich diese Effekte auf das ge­ bildete, für das Modifizieren herangezogene Beurteilungsver­ hältnis kaum aus. Um sicher zu gehen, daß das gebildete Ver­ hältnis aussagekräftig ist, ist es von Vorteil, dieses Ver­ hältnis nur dann zu bilden, wenn bestimmte Betriebszustände vorliegen und/oder das Meßsignal eine Schwelle nicht über­ schreitet. Ein bevorzugter Betriebszustand zum Gewinnen des Beurteilungsverhältnisses ist ein stationärer Betriebspunkt bei betriebswarmem Katalysator. Da bei stationärem Betrieb der mit Hilfe des Meßsignals zum Regeln verwendete Stellwert im wesentlichen proportional zum Meßsignal ist, kann der genannte Stellwert als Meßsignal beim Bilden des Verhältnisses von Meß­ zu Testsignal verwendet werden.

Der zweite Unterschied zum eingangs genannten Verfahren liegt darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Regelpara­ meter im Lambdaregelkreis nicht regelnd, sondern steuernd ver­ stellt werden. Die Regelparameter werden nämlich nicht in Richtung auf ein minimales Testsignal modifiziert, sondern das genannte Beurteilungsverhältnis wird als Maßstab für das Alter des Katalysators verwendet und mit Hilfe dieses Maßstabes werden die Regelparameter in vorgegebener Weise modifiziert. Dieses Modifizieren erfolgt vorzugsweise so, daß zunächst Re­ gelparameter festgelegt werden, wie sie für Lambdaregelung mit einem neuen Katalysator optimal sind. Anschließend werden für Katalysatoren unterschiedlicher Alterszustände, gemessen mit dem genannten Beurteilungsverhältnis, jeweils optimale Regelpara­ meter festgelegt. In einer Kennlinie (oder in mehreren) werden Modifizierwerte abgelegt, die den Zusammenhang zwischen Werten des Beurteilungsverhältnisses und den Werten der gemessenen Regelparametern zu einem jeweiligen Beurteilungsverhältniswert wiedergeben. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine werden ur­ sprüngliche Werte für die Regelparameter betriebspunktabhängig aus einem Kennfeld ausgelesen und diese Werte werden dann mit Modifizierwerten modifiziert, wie sie abhängig vom aktuellen Wert des Beurteilungsverhältnisses aus der Kennlinie (oder den Kennlinien) ausgelesen wurden.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Fehlersignal ausgegeben, wenn der aktuelle Wert des Beurteilungsverhältnis­ ses einen Fehlerschwellenwert übersteigt. Es ist von Vorteil, diesen Schwellenwert so zu legen, daß es auch dann noch für eine gewisse Zeit möglich ist, die Regelparameter an die sich weiter verschlechternde Konvertierungsfähigkeit des Katalysa­ tors anzupassen.

Es wurde bereits weiter oben erwähnt, daß es von Vorteil ist, als Meßsignal und als Testsignal jeweils mittlere Abweichungen von Signalmittelwerten einer jeweiligen Sonde zu verwenden. Sind die Sonden Lambdasonden, ist es von Vorteil, die von den Sonden ausgegebenen Spannungssignale mit Hilfe einer Span­ nungs-Lambda-Kennlinie in Lambdawerte umzurechnen, bevor das Meß- bzw. Testsignal berechnet wird. Dies hat den Vorteil, daß auch für unterschiedliche Betriebspunkte miteinander ver­ gleichbare Werte erhalten werden.

Zeichnung

Fig. 1 Flußdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zur Lambdaregelung, das Werte einer Größe nutzt, mit denen das Alter eines Katalysators beurteilt wird;

Fig. 2 Teilflußdiagramm, mit dem erläutert wird, wie beim Verfahren gemäß Fig. 1 Werte für die Beurteilungsgröße gewon­ nen werden können; und

Fig. 3 Diagramme, wie sich der Wert eines Beurteilungsver­ hältnisses mit zunehmender Alterungszeit eines Katalysators erhöht, und wie in Korrelation damit ein Modifizierwert er­ niedrigt wird.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Beim Verfahren gemäß Fig. 1 wird in einem Schritt s1 über­ prüft, ob ein Prüfbetriebszustand vorliegt, in dem zuver­ lässig ein Beurteilungsverhältnis gebildet werden kann, das ein Maß für den Alterungszustand eines Katalysators ist. Ein bevorzugter Prüfbetriebszustand ist ein stationärer Last/Dreh­ zahl-Punkt bei betriebswarmem Katalysator. Ein stationärer Last/Drehzahlpunkt liegt in bekannter Weise dann vor, wenn sich Last und Drehzahl über eine vorgegebene Zeitspanne inner­ halb vorgegebener Grenzen und/oder vorgegebener Änderungsge­ schwindigkeiten bewegten. Liegt kein Prüfbetriebszustand vor, geht der Verfahrensablauf direkt zum letzten Schritt s9 über, gemäß dem mit den aktuellen Regelparametern geregelt wird.

Liegt dagegen ein Prüfbetriebszustand vor, wird in einem Schritt s2 untersucht, ob die Spannungsamplitude einer Meß­ lambdasonde vor dem Katalysator über einer Schwelle liegt. Ist dies der Fall, wird davon ausgegangen, daß ein Sonderzustand mit einer übermäßig großen Regelschwingung vorliegt, in dem es nicht sinnvoll ist, ein Beurteilungsverhältnis zu bilden. Es folgt daher ebenfalls der genannte Schritt s9. Andernfalls wird ein zwischen zwei Marken A und B liegender Schritt s3 er­ reicht, in dem aus den von der Meßlambdasonde abgegebenen Spannungen ein Meßsignal und aus von einer Testlambdasonde hinter dem Katalysator abgegebenen Spannungen ein Testsignal bestimmt wird. Wie dies konkret erfolgen kann, wird weiter un­ ten anhand des Ablaufs von Fig. 2 erläutert.

Anschließend (Schritt s4) wird als Größe zum Beurteilen der Konvertierungsrate des Katalysators das Verhältnis von Test­ signal Sh zu Meßsignal Sv berechnet. Stellt sich in einem Schritt s5 heraus, daß dieses Beurteilungsverhältnis über einer Fehlerschwelle liegt, ist dies das Zeichen dafür, daß der Katalysator unzulässig stark gealtert ist. Es wird daher ein Fehlersignal (Schritt s6) ausgegeben. Unabhängig davon, ob das Fehlersignal auszugeben ist oder nicht, folgt ein Schritt s7, in dem Modifizierwerte aus einer Kennlinie ausgelesen wer­ den, die diese Werte adressierbar über Werte des genannten Be­ wertungsverhältnisses speichern. Weiterhin werden (Schritt s8) Regelparameter betriebspunktabhängig aus einem Kennfeld aus­ gelesen. Das Kennfeld ist z. B. über jeweils aktuelle Werte von Drehzahl und Last adressierbar. Die ausgelesenen Werte der Regelparameter werden mit Hilfe der Modifizierwerte modifi­ ziert. Zum Beispiel wird der P-Anteil bei einer Zweipunkt­ regelung mit zunehmend großem Beurteilungsverhältnis ernied­ rigt, oder die Integrationszeitkonstante wird erhöht. Es kann auch der Stellwert mit einem nach zunehmend kleineren Werten von Eins abweichenden Faktor multipliziert werden. Bei stetiger Lambdaregelung kann zunehmend die Amplitude einer Fremdschwingung verringert werden, die in den Regelkreis ge­ koppelt wird. Das Anwenden einer solchen Fremdschwingung ist von Vorteil, da es sich herausgestellt hat, daß ein Katalysa­ tor bei dauernd um einen Mittelwert wechselnder Abgaszusammen­ setzung besser konvertiert als bei einer Abgaszusammensetzung, die dauernd im wesentlichen den Mittelwert aufweist.

Sind die neuen Werte von Regelparametern bestimmt, folgt wie­ der der bereits genannte Schritt s9, in dem das Regeln mit den aktuellen Parametern erfolgt.

Wie bereits oben angekündigt, wird nun anhand von Fig. 2 er­ läutert, wie das Meßsignal und das Testsignal in Schritt s3 gewonnen werden können. In einem Schritt s3.1 werden die Son­ denspannung Uv einer Meßlambdasonde vor dem Katalysator und die Sondenspannung Uh einer Testlambdasonde hinter dem Kataly­ sator gemessen. Diese Werte werden (Schritt s3.2) mit Hilfe einer Spannungs-Lambdawert-Kennlinie in Lambdawerte λv bzw. λh umgerechnet. Dadurch wird eine Linearisierung erreicht, die dazu führt, daß bei einer in einem änschließenden Schritt s3.3 vorgenommenen Mittelung alle Meßwerte mit in etwa gleicher Ge­ wichtung in die Berechnung eingehen, was ansonsten aufgrund des stark nichtlinearen Signalverhaltens einer Lambdasonde nicht der Fall wäre. Außerdem hängt dann der Wert des Verhält­ nisses eines Testsignales zu einem Meßsignal im wesentlichen nur von der Konvertierungsrate des Katalysators und nicht auch noch vom jeweiligen Lambdamittelwert ab. Das eben genannte Meßsignal Sv wird in Schritt s3.3 dadurch gebildet, daß die mittlere Betragsabweichung der Werte λv vom betragsmäßigen Mittelwert von λv gebildet wird. Eine entsprechende Berechnung wird mit den Signalen λh zum Gewinnen des Testsignales Sh aus­ geführt. Statt dieser Art der Mittelwertbildung könnte z. B. auch eine Berechnung nach der Methode der mittleren quadrati­ schen Fehlerabweichung erfolgen.

Als Testsignal und als Meßsignal könnten auch die Amplituden von Sondensignalen verwendet werden. Es hat sich jedoch ge­ zeigt, daß Mittelwertbildungen der genannten Art zu besonders wenig störanfälligen Signalen führen.

Fig. 3a veranschaulicht, wie sich das Beurteilungsverhältnis Sh/Sv im Lauf der Lebensdauer t eines Katalysators ändert. Zu­ nächst tritt hinter dem Katalysator kaum eine Schwingung des Testsignals auf, so daß die betragsmäßige mittlere Abweichung vom mittleren Betrag praktisch Null ist. Dieses Vermögen, Schadgase fast vollständig zu konvertieren, zeigt ein neuer Katalysator auch dann, wenn das Lambdaregelungsverfahren mit so großen Amplituden der Regelschwingungen ausgeführt wird, daß es schon zu Laufunruhe der geregelten Brennkraftmaschine kommt. Wird der Katalysator aber älter, sind die Amplituden der Regelschwingungen zu verringern, damit der Katalysator noch ausreichend konvertiert. Ist der Katalysator völlig un­ brauchbar geworden, treten an seinem Ausgang praktisch diesel­ ben Schwingungen in der Schadgaskonzentration auf wie an sei­ nem Eingang. Das Verhältnis Sh/Sv nimmt dann den Wert Eins ein. In Fig. 3a ist der Verhältniswert 0,6 hervorgehoben. Es handelt sich hier um eine Fehlerschwelle. Wenn das genannte Verhältnis diese Schwelle übersteigt, erfolgt die Ausgabe des Fehlersignals gemäß Schritt s6 von Fig. 1. Es sei darauf hin­ gewiesen, daß der Verhältniswert 0,6 nicht aussagt, daß die Konvertierungsrate des Katalysators 40% wäre. Der Zusammen­ hang zwischen der Konvertierungsrate und dem genannten Beur­ teilungsverhältnis ist stark nichtlinear.

Fig. 3b veranschaulicht, wie der aus dem oben in Zusammenhang mit Schritt s7 von Fig. 1 erwähnten Kennlinienspeicher ausge­ lesene Modifizierwert MW mit sich verschlechterndem Verhältnis Sh/Sv verringert wird.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausge­ gangen, daß die Meßsondenanordnung und die Testsondenanordnung jeweils eine Lambdasonde aufweisen. Diese Sondenanordnungen können jedoch auch mit Sonden ausgestattet sein, die unmittel­ bar die Konzentration von Schadgasen messen. Derartige Sonden sind jedoch nach derzeitigem Stand der Technik sehr kompli­ ziert und teuer. Werden derartige Sonden eingesetzt, läßt sich durch die beschriebene Verhältniswertbildung unmittelbar die Konvertierungsrate bestimmen. Diese würde dann als Beurtei­ lungsverhältnis im vorgenannten Sinn verwendet werden, also zum Modifizieren von Regelparametern herangezogen werden.

Wie bereits weiter oben erwähnt, wird die Gefahr des Auftre­ tens von unerwünscht großen Regelschwingungsamplituden bei erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem eingangs genannten Verfahren dadurch verringert, daß optimale Werte für die Re­ gelparameter nicht mit einer Regelstrategie eingestellt wer­ den, sondern daß solche Werte abhängig vom Alter des Kataly­ sators vorgegeben werden, wobei das Alter mit Hilfe des ge­ nannten Beurteilungsverhältnisses bestimmt wird. Es kann je­ doch auch bei dieser Vorgehensweise noch eine gewisse Rest­ gefahr unerwünscht großer Regelschwingungen bestehen, nämlich dann, wenn fortlaufend mit jeder kleinen festgestellten Ände­ rung des Beurteilungsverhältisses die Werte der Regelpara­ meter verstellt werden. Um diese Gefahr zu umgehen, ist es von Vorteil, die Regelparameter nur bei größeren, vorgegebenen Änderungen des Beurteilungsverhältnisses zu modifizieren.

Claims (8)

1. Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator mit einer Meßsondenanordnung vor dem Katalysator, die Meßsignale ausgibt, sowie einer Testsondenanordnung hinter dem Katalysator, die Testsignale ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei Vorliegen vorgegebener Betriebszustände das Verhältnis zwischen Testsignal und Meßsignal gebildet wird, welches Ver­ hältnis als Beurteilungsgröße für die Konvertierungsrate des Katalysators gewertet wird,
• - und auf Grundlage des jeweils aktuellen Wertes dieses Beur­ teilungsverhältnisses Ausgangswerte von Regelparameter, wie sie für Regelung einer Brennkraftmaschine mit neuem Kataly­ sator gelten, in vorgegebener Weise steuernd modifiziert wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betriebszustand, bei dem das Beurteilungsverhältnis gebil­ det wird, ein stationärer Last-Drehzahlpunkt bei betriebswarmem Katalysator ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Beurteilungsverhältnis dann nicht gebil­ det wird, wenn das Signal von der Meßsondenanordnung eine Schwelle überschreitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - Ausgangswerte zu modifizierender Regelparameter, wie sie in Zusammenhang mit einem neuen Katalysator gelten, in einem Kennfeld adressierbar über Werte von Betriebsgrößen abgelegt werden,
• - Modifizierwerte in einem Kennlinienspeicher abgelegt werden, die den Zusammenhang zwischen Werten des Beurteilungsver­ hältnisses und Werten von Regelparametern wiedergeben,
• - und abhängig von jeweils aktuellen Werten von Betriebsgrößen Werte der Regelparameter aus dem Kennfeld ausgelesen werden und diese Werte mit demjenigen modifiziert werden, wie er abhängig vom jeweils aktuellen Wert des Beurteilungsverhält­ nisses aus der Kennlinie ausgelesen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn der ak­ tuelle Wert des Beurteilungsverhältnisses einen Fehlerschwel­ lenwert übersteigt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Meßsignal und als Testsignal jeweils mitt­ lere Betragsabweichungen von Signalbetragsmittelwerten einer Sonde verwendet werden, wie sie innerhalb der jeweiligen Son­ denanordnung vorhanden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden Lambdasonden sind und die von ihnen ausgegebenen Spannungssignale mit Hilfe einer Spannungs-Lambdawert-Kenn­ linie in Lambdawerte umgerechnet werden, bevor das Meß- bzw. Testsignal berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Werte von Regelparametern nur dann verändert werden, wenn sich der jeweils aktuelle Wert des Beurteilungs­ verhältnisses vom zuvor erfaßten Wert um mehr als eine vorge­ gebene Differenz unterscheidet.