DE4024211A1 - Verfahren zur zweipunkt-lambdaregelung einer brennkraftmaschine mit katalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zweipunkt-Lambdarege­ lung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator. Bei derartigen Verfahren kommt es darauf an, über alle im praktischen Betrieb auftretenden stationären und instationären Betriebszustände hinweg zu einem möglichst geringen Schadgasausstoß zu kommen.

Stand der Technik

Herkömmliche Zweipunkt-Lambdaregelungen sind so ausgelegt, daß es zu Regelschwingungen nur relativ geringer Amplitude kommt. Dies hat zur Folge, daß die Regelung verhältnismäßig träge ist. Um auch in Instationärfällen zufriedenstellend regeln zu kön­ nen, wird hierbei die Gemischaufbereitung nach bestimmten Mo­ dellen vorgenommen. Auf diese Art und Weise wurden Verfahren erhalten, mit denen es vor allem bei neuem Katalysator ohne weiteres möglich ist, den gesetzlichen Bestimmungen für den Schadgasausstoß zu genügen. Es ist jedoch so, daß selbst bei relativ kleinen Regelschwingungen ein Katalysator bei zuneh­ mender Alterung schließlich einen Zustand erreicht, in dem er nicht mehr dazu in der Lage ist, die mit abwechselnd hoher Kon­ zentration auftretenden Schadgase zu konvertieren. In US- 46 22 809 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem es möglich ist, den genannten Zeitpunkt festzustellen. Mit Hilfe einer Lambdasonde hinter dem Katalysator wird überwacht, wie gut die­ ser Schadgase konvertiert. Je besser er konvertiert, desto kleinere Schwingungen des Sondensignals werden erhalten. Dem­ gemäß werden die Regelparameter dauernd so verstellt, daß an der Testsonde eine Schwingung möglichst geringer Amplitude festgestellt wird. Dies bedeutet zugleich möglichst geringe Amplitude der Schwingung im Lambdaregelkreis.

Das eben genannte Verfahren führt bis zum Lebensdauerende eines Katalysators zu zufriedenstellenden Regelergebnissen. Dessen ungeachtet dauerten aber die Bemühungen an, immer weiter ver­ besserte Verfahren für Zweipunkt-Lambdaregelung anzugeben.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zweipunkt-Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator zeichnet sich dadurch aus, daß die Regelung so ausgeführt wird, daß die Regelschwin­ gungen zumindest in vorgegebenen Betriebszuständen eine mög­ lichst große Amplitude aufweisen, jedoch nur so groß, daß es nicht zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine kommen soll und die mittlere Konvertierungsrate des Katalysators um einen vorgege­ benen Wert unter derjenigen Konvertierungsrate bleiben soll, die bei verringerter Amplitude bei stationärem Betrieb der Brennkraftmaschine erzielbar wäre.

Diesem Verfahren liegen zwei Erkenntnisse zugrunde. Die erste Erkenntnis geht dahin, daß es für optimale Konvertierung eines Katalysators nicht von Vorteil ist, mit Regelschwingungen mög­ lichst geringer Amplitude zu arbeiten, sondern daß eine Schwin­ gung von gewissem Ausmaß gerade erwünscht ist. Dies, weil sich herausgestellt hat, daß mit Erhöhen der Amplitude das Konver­ tierungsfenster breiter wird, vorausgesetzt, der Katalysator ist noch einigermaßen funktionsfähig. Das Konvertierungsfens­ ter ist derjenige Lambdawertebereich, in dem die Konvertie­ rungsrate eine vorgegebene Qualität mindestens aufweist.

Die zweite Erkenntnis liegt darin, daß es sinnvoll ist, die Konvertierungsrate für stationären Betrieb etwas zu verschlech­ tern, wenn dadurch eine größere Verbesserung für die Konvertie­ rungsrate im instationären Betrieb erhalten wird. Diese Er­ kenntnis wird dahingehend genutzt, daß die Regelung so schnell gemacht wird, daß sie mit so großer Amplitude schwingt, daß zwar im stationären Betrieb bereits diejenige Amplitude über­ schritten ist, die zu optimaler Konvertierung führt, daß dafür aber Instationärstörungen sehr schnell ausgeregelt werden kön­ nen, ohne daß es dabei zu sehr großen Störamplituden kommt, die zu einem weit überproportional zunehmenden Anwachsen der Schad­ gaskonzentration im Abgas führen. Die verwendbaren Amplituden finden allerdings dort ihre Grenze, wo sie zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine führen würden. Dies ist vor allem bei Ver­ wendung neuer Katalysatoren die Begrenzung für die praktische Anwendung. Mit zunehmendem Lebensalter des Katalysators sinken jedoch die Amplituden der Schadgaskonzentrationen, die für op­ timale Konvertierung zulässig sind. Dann wird die Amplitude so gewählt, daß sie größer ist als diejenige, die bei stationärem Betrieb zu optimaler Konvertierung führt. Die Amplitude wird dabei so groß gewählt, daß über praktisch vorkommende, z. B. in einem Testzyklus vorkommende, stationäre und instationäre Zu­ stände ein Optimum in der Schadgaskonvertierung auftritt.

Es ist möglich, die Amplitude der Regelschwingungen abhängig von den Betriebsstunden eines Katalysators festzulegen. Vor­ teilhafter ist es jedoch, die Amplitude abhängig vom Wert einer Katalysatorkenngröße zu verändern, die ein Maß zum beurteilen der Konvertierungsrate des Katalysators ist. Eine sehr geeigne­ te Kenngröße ist ein Verhältniswert, der durch Teilen eines Meßsignals durch ein Testsignal (oder umgekehrt) gebildet wird, wobei das Meßsignal von einer Sondenanordnung vor dem Kataly­ sator und das Testsignal von einer Sondenanordnung hinter dem Katalysator ausgegeben wird. Dieses Verhältnis ist von Schwan­ kungen des Meßsignals relativ unabhängig, solange dieses nicht gewisse Grenzen überschreitet. Um zu keinen unzuverlässigen Kenngrößen zu gelangen, ist es von Vorteil, den Wert der Kenn­ größen nicht in allen Betriebszuständen zu ermitteln und vor allem dann nicht, wenn das Signal von der Meßsondenanordnung einen Schwellenwert übersteigt.

Vorzugsweise wird die Amplitude durch Beeinflussen des Regel­ stellwertes mit einem integrierten Faktor verstellt. Hierzu wird der Regelstellwert mit dem integrierten Faktor multipli­ ziert, der erhöht wird, wenn einer die Konvertierungsrate beur­ teilenden Kenngröße anzeigt, daß die Konvertierungsrate über einen ersten Schwellenwert gestiegen ist, dagegen erniedrigt wird, wenn dieser Wert anzeigt, daß die Konvertierungsrate un­ ter einen zweiten Schwellenwert gefallen ist. Je weiter die beiden Schwellenwerte auseinandergelegt werden, desto seltener wird der Faktor wegen Schwankungen im Wert der Kenngröße ver­ stellt. Die Schwellwerte dürfen jedoch nicht so weit auseinan­ dergelegt werden, daß die Amplitude der Regelschwingung erst nach sehr großen Änderungen wieder korrigierend geändert wird.

Zeichnung

Fig. 1a und 1b Diagramme betreffend Werte einer Katalysa­ torkenngröße bzw. eines Verringerungsfaktors aufgezeichnet über der Lebensdauer t eines Katalysators; und

Fig. 2 Diagramm zum Veranschaulichen, wie sich ein inte­ grierter Verringerungsfaktor abhängig vom Wert einer Katalysa­ torkenngröße ändert.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In den Diagrammen der Fig. 1 ist angenommen, daß der Zeitab­ lauf der sich nach rechts erstreckenden Zeitachsen gerade zu dem Zeitpunkt beginnt, in dem ein Katalysator solche Konvertie­ rungseigenschaften aufweist, daß diejenige Amplitude von Regel­ schwingungen, die gerade noch nicht zu Schwingungen am Ausgang des Katalysators führt, zugleich diejenige Amplitude ist, die beim Wert 5 einer Katalysatorkenngröße noch nicht zu Laufunruhe führt. Bei einem ganz neuen Katalysator könnte die Amplitude in bezug auf das Konvertierungsverhalten noch höher liegen, jedoch würde dann die Grenze zur Laufunruhe überschritten werden. Die genannte Katalysatorkenngröße vom Wert 5 stellt das Verhältnis eines Meßsignales dar, wie es aus den Spannungswerten einer Lambdasonde vor dem Katalysator abgeleitet wird, zu einem Test­ signal, wie es aus Spannungswerten einer Lambdasonde hinter dem Katalysator gewonnen wird. Zum Gewinnen der genannten Signale werden die Spannungen von den Sonden zunächst mit Hilfe einer Spannungs-Lambdawert-Kennlinie linearisiert, es wird der Mit­ telwert der Beträge der Abweichungen vom mittleren Lambdawert gebildet, und die Beträge dieser Abweichungen werden wiederum gemittelt. Stattdessen könnten auch z. B. direkt die Verhält­ nisse der Amplituden der in Lambdawerte umgerechneten Signale von den beiden Sonden verwendet werden. Es hat sich jedoch ge­ zeigt, daß derartige Amplitudenwerte störanfälliger sind als Mittelwerte, die auf die genannte Art und Weise gebildet sind. Wird die Katalysatorkenngröße anders gebildet als erläutert, wird für einen Katalysator im genannten Alterungszustand ein anderer Wert der entsprechend gebildeten Kenngröße erhalten.

Es ist zu beachten, daß der Wert der Kenngröße, unabhängig wie diese berechnet wird, nicht nur vom Alter des Katalysators ab­ hängt, sondern auch von der Amplitude der Schadgaskonzentration am Einlaß des Katalysators. Überschreitet die Konzentrations­ amplitude nämlich eine gewisse Schwelle, nimmt die Konvertie­ rungsfähigkeit des Katalysators drastisch ab. Diese ist nur innerhalb einem relativ engen Fenster, bezogen auf mittlere Schadgaskonzentrationen, sehr gut. Liegt der Lambdamittelwert außerhalb des Fensters oder liegt er zwar innerhalb des Fen­ sters, treten aber große Lambdaschwankungen auf, wird die Kon­ vertierungsrate auch bei einem neuen Katalysator schlecht.

Mit zunehmendem Alter des Katalysators verschlechtert sich seine Konvertierungsrate so weit, daß die auf die genannte Art und Weise bestimmte Kenngröße sogar bei minimal möglichen Re­ gelschwingungen des Zweipunktreglers auf Werte unter Zwei fällt. Dann ist der Katalysator nicht mehr brauchbar. Bei her­ kömmlichen Regelverfahren wird dauernd mit relativ kleiner Re­ gelamplitude gearbeitet, so daß die genannte Kenngröße prak­ tisch alleine vom Alter des Katalysators, nicht aber von der Amplitude von Regelschwingungen abhängt.

Wie eingangs erläutert, hat es sich gezeigt, daß in einem grö­ ßeren Lambdafenster gut konvertiert wird, wenn nicht mit Regel­ schwingungen minimaler Amplitude, sondern etwas größerer Amplitu­ de geregelt wird. Wie bereits erwähnt, ist bei Fig. 1 angenommen, daß zu Beginn der zeitlichen Betrachtung der Katalysatorkenn­ wert 5 bei einer Amplitude der Regelschwingung erhalten wird, die gerade noch nicht zu Laufunruhe führt. Bei etwas verringer­ ter Amplitude sei sogar der bessere Kennwert 7 erzielbar, der fast optimale Konvertierung anzeigt. Soll der Wert 7 der Kenn­ größe aufrechterhalten bleiben, muß ab dem Anfangszeitpunkt in Fig. 1 ein Verringerungsfaktor zum Verringern der Amplitude der Regelschwingung verringert werden. Ein solcher zeitlicher Verlauf für einen Verringerungsfaktor ist in Fig. 1b strich­ punktiert dargestellt. Fig. 1a zeigt, wie unter dieser Voraus­ setzung der Wert 7 der Katalysatorkenngröße noch für längere Zeit der Lebensdauer des Katalysators aufrechterhalten bleiben kann, und zwar bis zu einem Zeitpunkt t1. Zu diesem Zeitpunkt weist der Verringerungsfaktor einen Wert auf, der geringstmög­ liche Amplitude der Schwingung des Zweipunktreglers bedeutet. Der weitere zeitliche Verlauf des Wertes der Katalysatorkenn­ größe wird dann durch die weitere Alterung des Katalysators be­ stimmt. Der Katalysator wird z. B. bei einem Wert 2 der Kata­ lysatorkenngröße unbrauchbar. Zum Beispiel bei einem Wert von 2,5 wird ein Fehlersignal ausgegeben, das anzeigt, daß der Katalysator ausgewechselt werden sollte.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt jedoch nicht den optimalen Wert der Konvertierung über möglichst lange Zeit, sondern es nutzt einen verschlechterten Wert. Demgemäß ist im Anfangszeit­ punkt der Betrachtungen die Amplitude nicht so eingestellt, daß nicht der optimale Wert 7 der Katalysatorkenngröße erhalten wird, sondern der schlechtere Wert 5. Dies bedeutet, daß die Konvertierung bei stationärem Betrieb der Brennkraftmaschine schlechter ist als im Fall einer Regelschwingung mit kleinerer Amplitude, mit der sich noch der Kennwert 7 erzielen läßt. Es ist jedoch zu beachten, daß die größere Amplitude eine Folge schnellerer Regelung ist. Schnellere Regelung bedeutet jedoch, daß im instationären Betrieb Störungen schneller ausgeglichen werden können. Störungen, also größere Abweichungen vom mitt­ leren Lambdawert führen aber, wie weiter oben ausgeführt, zu sehr starken Schadgaserhöhungen. Wird nun dieses Ausmaß der starken Schadgaserhöhungen durch schnelleres Regelverhalten vermindert, kommt es in der Summe über alle stationären und in­ stationären Vorgänge gesehen zu geringerem Schadgasausstoß, als wenn mit geringerer Amplitude geregelt würde, die nur zu mini­ malem Schadgasausstoß in stationärem Betrieb führt.

Es sei zunächst angenommen, daß der Kennwert von 5 beibehalten werden soll. Dann ist der Verringerungsfaktor zum Verkleinern der Amplitude der Regelschwingung zu vermindern, damit trotz zunehmender Alterung des Katalysators der Wert 5 erhalten bleibt. Der minimale Faktor wird erst zu einem Zeitpunkt t2 erreicht, der später liegt, als der oben genannte Zeitpunkt t1. Der zeitliche Verlauf der Katalysatorkenngröße ist gestrichelt in Fig. 1b und der zugehörige zeitliche Verlauf des Versor­ gungsfaktors ebenfalls gestrichelt in Fig. 1b dargestellt.

Schließlich sei noch der Fall betrachtet, daß zur Minimierung des Schadgasausstoßes bezogen auf die Summe aller stationären und instationären Vorgänge eine Katalysatorkenngröße von 3 wün­ schenswert wäre. Dies würde zum Anfangszeitpunkt der Betrach­ tungen eine Amplitude erfordern, die bereits zu Laufunruhe füh­ ren würde. Wie vorausgesetzt, führt die zulässige Amplitude an der Grenze zu Laufunruhe zum Kennwert 5. Bei dieser Vorausset­ zung wird der Verringerungsfaktor so lange konstant gehalten, also die Amplitude der Regelschwingung konstant gehalten, bis schließlich aufgrund zunehmender Alterung des Katalysators nur noch die Kenngröße 3 erreicht wird, was in einem Zeitpunkt t0 der Fall ist. Ausgehend von diesem Zeitpunkt wird der Verringe­ rungsfaktor verkleinert, und zwar wieder so lange, bis die Re­ gelschwingung die minimal mögliche Amplitude einnimmt. Dies ist in einem Zeitpunkt t3 der Fall, der noch später liegt als der bereits genannte Zeitpunkt t2. Der zeitliche Verlauf des Wertes der Kenngröße ist in Fig. 1a punktiert und der zugehörige zeit­ liche Verlauf des Verringerungsfaktors ist in Fig. 1b ebenfalls punktiert dargestellt.

Bei der praktischen Anwendung nimmt die Katalysatorgröße bei im wesentlichen konstanter Schwingungsamplitude bezogen auf den stationären Fall nicht kontinuierlich ab, sondern es kommt zu gewissen Schwankungen. In diesem Fall kann der Verringerungs­ faktor parallel zu den Schwankungen verkleinert und vergrößert werden. Vorteilhafter ist es jedoch, den Verringerungsfaktor als integrierten Wert zu bilden, der erhöht wird, wenn der Wert der Katalysatorkenngröße anzeigt, daß die Konvertierungsrate über einen ersten Schwellenwert gestiegen ist, dagegen ernied­ rigt wird, wenn dieser Wert anzeigt, daß die Katalysatorkenn­ größe unter einen zweiten Schwellenwert gefallen ist. Dieses zeitliche Verhalten ist durch Fig. 2 veranschaulicht. Hier ist angenommen, daß der Verringerungsfaktor zwischen den Kennwerten 3 und 5 den Wert 0,98 aufweist und bei zunehmend größeren Kenn­ werten ein zunehmend schnelleres Integrieren in Richtung höhe­ rer Faktoren und bei zunehmendem Unterschreiten des Kennwertes 3 zunehmend schnelles Integrieren in Richtung auf kleinere Fak­ toren hin erfolgt. Ist die Integration ausreichend schnell, wird es immer nur zu geringen Abweichungen von den Werten 3 oder 5 kommen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Zweipunkt-Lambdaregelung einer Brennkraft­ maschine mit Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die Rege­ lung so ausgeführt wird, daß die Regelungsschwingungen zumin­ dest in vorgegebenen Betriebszuständen eine möglichst große Amplitude aufweisen, jedoch nur so groß, daß es nicht zu Lauf­ unruhe der Brennkraftmaschine kommen soll, und die mittlere Konvertierungsrate des Katalysators um einen vorgegebenen Wert unter derjenigen Konvertierungsrate bleiben soll, die bei ver­ ringerter Amplitude bei stationärem Betrieb der Brennkraftma­ schine erzielbar wäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelstellwert mit einem integrierten Faktor multipliziert wird, der erhöht wird, wenn der Wert einer die Konvertierungsrate beurteilenden Katalysatorkenngröße anzeigt, daß die Konvertie­ rungsrate über einen ersten Schwellenwert gestiegen ist, da­ gegen erniedrigt wird, wenn dieser Wert anzeigt, daß die Kon­ vertierungsrate unter einen zweiten Schwellenwert gefallen ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Größe zum Anzeigen der Konvertierungsrate ein Verhältniswert eines Meßsignals zu einem Testsignal verwen­ det wird, wobei das Meßsignal von einer Sondenanordnung vor dem Katalysator und das Testsignal von einer Sondenanordnung hinter dem Katalysator ausgegeben wird.