DE4024211A1 - Verfahren zur zweipunkt-lambdaregelung einer brennkraftmaschine mit katalysator - Google Patents
Verfahren zur zweipunkt-lambdaregelung einer brennkraftmaschine mit katalysatorInfo
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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.
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.
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.
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.
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.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904024211 DE4024211A1 (de) | 1990-07-31 | 1990-07-31 | Verfahren zur zweipunkt-lambdaregelung einer brennkraftmaschine mit katalysator |
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DE4024211A1 true DE4024211A1 (de) | 1992-02-06 |
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WO (1) | WO1992002721A1 (de) |
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DE19630940A1 (de) * | 1996-07-31 | 1998-02-05 | Siemens Ag | Verfahren zur Überprüfung des Katalysatorwirkungsgrades |
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- 1990-07-31 DE DE19904024211 patent/DE4024211A1/de not_active Withdrawn
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- 1991-06-29 EP EP19910911280 patent/EP0495024A1/de not_active Withdrawn
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- 1991-06-29 WO PCT/DE1991/000538 patent/WO1992002721A1/de not_active Application Discontinuation
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Legal Events
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