DE4024212C2 - Verfahren zur stetigen Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator - Google Patents
Verfahren zur stetigen Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit KatalysatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stetigen Lambdarege
lung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator. Derartige Ver
fahren wurden in den letzten Jahren verstärkt entwickelt, da
mit ihnen Regelungen geringer Amplitude der Regelschwingung
ausführbar sind, aber dennoch schnelles Ausgleichsverhalten
bei Störungen erzielbar ist. Außerdem kann auf beliebige Ar
beitspunkte geregelt werden.
Eine stetige Regelung auf der Basis Nernst-Sonde wird
beispielsweise in der DE 38 27 978 beschrieben. Das SAE-Paper 86
04 08 zeigt Beispiele von Breitbandsonden, d. h. Sonden mit
näherungsweise linearem Signalverlauf, die sich für eine stetige
Regelung eignen.
Lambdaregelungen wurden zunächst als Zweipunktregelungen aus
geführt, da die bei ihnen eingesetzte Lambdasonde ein stark
nichtlineares Sprungverhalten in etwa um den Lambdawert Eins
aufwies. In den letzten Jahren wurden jedoch (siehe oben!) Sonden bis hin
zum praktischen Einsatz entwickelt, die relativ gleichbleiben
de Meßgenauigkeit für den Lambdawert in einem größeren Bereich
um den Wert Eins aufweisen. Dadurch ist es möglich geworden,
auch sogenannte Magermotoren zu regeln, oder Regelungen bei
fettem Betrieb einer Brennkraftmaschine vorzunehmen, wie z. B.
im Warmlauf oder bei Vollast.
Weiterhin ist für stetige Lambdaregelungen charakteristisch,
daß sie trotz der relativ großen Totzeit in einem Lambdaregel
kreis mit einem D-Anteil versehen werden können. Dies versetzt
derartige Regelungen in die Lage, sehr schnell auf Änderungen
des Lambdawertes zu reagieren, wie sie bei instationärem Be
trieb der geregelten Brennkraftmaschine auftreten.
Die stetige Regelung ist auch bei
Einsatz in unterschiedlichen Lambdawertbereichen immer dazu in
der Lage, mit geringer Regelschwingung zu regeln, was grundsätzlich
als günstig bei Lambdaregelungs
verfahren angesehen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
stetigen Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator anzugeben, das der Veränderung
des Katalysators entsprechend seiner Einsatzdauer angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäßen Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei
einem neuen Katalysator das Lambdakonvertierungsfenster bei
Vergrößern der Regelamplitude größer wird, sofern eine Maximal
amplitude nicht überschritten wird. Das Konvertierungsfenster
ist derjenige Lambdawertebereich, in dem die Konvertierung
eine vorgegebene Qualität mindestens aufweist. Die Verwendung
auch von Lambdasonden mit großer Toleranz wird durch Vergrößern
der Regelamplitude ermöglicht. Bei einem stark gealterten Kata
lysator muß aber die Regelamplitude der herkömmlichen entspre
chen, also so klein wie möglich sein. Die Regelamplitude beim
erfindungsgemäßen Verfahren ist einstellbar, damit sie mit zu
nehmendem Katalysatoralter verringert werden kann.
Wegen dem breiteren Lambdakonvertierungsfenster beim Ausführen
der stetigen Lambdaregelung mit einer absichtlich erhöhten
Regelschwingungsamplitude ist es von Vorteil, diese Verbes
serung in möglichst vielen Betriebszuständen zu nutzen.
Jedoch können die Regelschwingungen bei sehr niederer
Last, insbesondere im Leerlauf, zu Laufunruhe der ge
regelten Brennkraftmaschine führen. Ob dies jedoch der
Fall ist, hängt von der Dynamik der jeweils geregelten Maschi
ne ab. Dies bedeutet, daß für einen jeweils vorliegenden Mo
tortyp auf dem Prüfstand zu ermitteln ist, ob das Verfahren in
allen Betriebszuständen ausgeführt werden kann, falls ja, mit
welchen Amplituden der Regelschwingung, und falls nicht, in
welchen Betriebszuständen wie herkömmlich geregelt werden muß.
Bei der Erfindung wurde auch berücksichtigt, daß bei Regelung einer Brennkraftmaschine
mit neuem Katalysator die Amplitude des Fremdsignals so groß
gewählt werden kann, daß es bereits zu erheblicher Laufunruhe
der Brennkraftmaschine kommt, jedoch die Konvertierungsrate
des Katalysators nach wie vor ausgezeichnet bleibt. Mit zuneh
mendem Alter des Katalysators verschlechtert sich bei Beibehalten der gros
sen Regelamplitude jedoch dessen Konvertierungsrate, so daß schließlich als
Begrenzung für die Amplitude des Fremdsignals nicht mehr die Laufruhe der
geregelten Brennkraftmaschine auftritt, sondern das Erforder
nis einer Mindestkonvertierungsrate.
Die andauernde Regelschwingung vorgegebener Amplitude läßt
sich dadurch besonders leicht realisieren, daß die Regelstell
größe mit einem Signal vorgegebener Frequenz und einer Ampli
tude moduliert wird (vergl. Anspruch 2). Im Grenzfall kann mit jedem der aufeinan
derfolgenden Ansaugtakte die Gemischzusammensetzung von Fett
nach Mager und zurück, schwankend um den gewünschten Mittel
wert, geändert werden. Dies entspricht einer Frequenz von
0,5-5 Hz, gegenüber der sonst aufgrund der Totzeit eines
Lambdaregelkreises vorliegenden Frequenz der Regelschwingung
von etwa 2 Hz, wie sie insbesondere bei Zweipunktregelung auf
tritt.
Um das eben genannte Verfahren ausführen zu können, ist ein
gesondertes Erzeugen des Modulationssignals erforderlich. Ein
facher, jedoch weniger variabel in bezug auf die Modulations
frequenz ist es, bei jedem Nulldurchgang der Regelabweichung
den Sollwert zu ändern (vergl. Anspruch 3).
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 Blockschaltbild zum Erläutern eines stetigen Lambda
regelungsverfahrens, bei dem ein Fremdsignal auf die Regel
stellgröße geschaltet wird;
Fig. 2 Teil des Blockschaltbilds gemäß Fig. 1, jedoch mit
modifiziertem Sollwertgrößenbereich, zum Erläutern eines Ver
fahrens, bei dem ein Fremdsignal auf den Sollwert geschaltet
wird; und
Fig. 3 Blockschaltbild einer Anordnung zum Gewinnen eines
Konvertierungsraten-Beurteilungswertes.
Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 veranschaulicht stark verein
facht einen Regelungskreis für stetige Lambdaregelung mit Vor
steuerung. Vorsteuerwerte für Einspritzzeiten werden aus einem
Vorsteuerkennfeld 10 adressierbar über Werte von Drehzahl und
Last ausgelesen und über eine Multiplikationsstelle 11 an eine
Einspritzanordnung 12 gegeben. Angesaugtes Luft/Kraftstoff-
Gemisch wird von einer Brennkraftmaschine 13 verbrannt. Der
Lambdawert des ausgestoßenen Abgases wird von einer Lambda
sonde 14 gemessen. Der von dieser Sonde ausgegebene Istwert
wird in einer Vergleichsstelle 15 von einem Sollwert abgezo
gen, wie er adressierbar über Werte von Drehzahl n und Last L
aus einem Sollwert-Kennfeld 16 für einen jeweils vorliegenden
Betriebszustand ausgegeben wird. Die in der Vergleichsstelle
15 gebildete Regelabweichung wird in einem Regler 16' verar
beitet, der eine Stellgröße in Form eines Multiplikationsfak
tors an die Multiplikationsstelle 11 ausgibt, um den jeweils
an diese vom Vorsteuer-Kennfeld 10 gelieferten Vorsteuerwert
zu modifizieren.
Abweichend gegenüber herkömmlichen Verfahren ist, daß bei dem
mit Hilfe des Blockschaltbildes von Fig. 1 veranschaulichten
Verfahren der vom Regler 16' ausgegebene Multiplikationsfaktor
nicht unmittelbar als solcher auf die Multiplikationsstelle 11
gegeben wird, sondern daß für ihn ein Fremdsignal FS in einer
Additionsstelle 18 addiert wird, wie es von einem Fremdsignal
generator 19 ausgegeben wird. Das Fremdsignal beim Ausfüh
rungsbeispiel ist ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von
0,5-5 Hz und einer Amplitude von 0,05 (normiert!). Dies bedeutet, daß
ein vom Regler 16 ausgegebener Regelfaktor so modifiziert
wird, daß er zwischen einem oberen Wert von 1,05 und einem un
teren Wert von 0,95 schwankt. Dies bedeutet eine Schwankung des
Lambdawertes um 5% um den Mittelwert 1. Die Amplitude der
Regelschwingung des Regelfaktors ohne Fremdsignal beträgt bei
einer stetigen Regelung demgegenüber typischerweise weniger
als λ% = 1%.
Bei der durch Fig. 2 veranschaulichten Variante wird das
Fremdsignal FS vom Fremdsignalgenerator 19 nicht mit dem Re
gelfaktor verknüpft, sondern mit dem vom Sollwert-Kennfeld 17
ausgegebenen Sollwert, was in einer Modifizierstelle 20 er
folgt. Der modifizierte Stellwert wird dann statt des unmit
telbar aus dem Kennfeld ausgelesenen Sollwertes auf die Ver
gleichsstelle 15 zum Bilden der Regelabweichung geliefert. Der
Fremdsignalgenerator 19 wird durch einen Vergleicher 21 ge
steuert, der immer dann ein Triggersignal ausgibt, wenn das
Vorzeichen der Regelabweichung wechselt. Um diese Funktion
ausführen zu können, werden dem Vergleicher 21 die Regelabwei
chung und ein Vergleichssignal vom Wert Null zugeführt. Der
Fremdsignalgeber 19 gibt Signale mit abwechselnden Vorzeichen
aus, wobei das Vorzeichen so gewählt ist, daß es den Wert der
Regelabweichung vergrößert.
Anstatt einen einzigen Sollwert für einen jeweiligen Betriebs
zustand auszulesen und diesen mit Hilfe eines Fremdsignals zu
verändern, ist es auch möglich, zu jedem Betriebszustand zwei
Sollwerte zu speichern, und einen jeweiligen der beiden Werte
abhängig von der Richtung des Nulldurchgangs der Regelabwei
chung aus dem Kennfeld auszulesen. Bei dieser Vorgehensweise
ist allerdings die Anpassung an das Katalysatoralter erschwert.
Bei den durch die Fig. 1 und 2 veranschaulichten Verfahrens
abläufen gibt der Fremdsignalgenerator 19 dauernd ein Signal
gleicher Amplitude aus. Vorteilhafter ist es jedoch, die Am
plitude abhängig von Betriebszuständen der geregelten Brenn
kraftmaschine 13 und von der Konvertierungsfähigkeit eines
Katalysators einzustellen. Wie dies realisiert werden kann,
wird nun anhand von Fig. 3 erläutert.
In diesem Zusammenhang wird noch angegeben, daß eine Konvertierungsraten-Beurtei
lungsgröße mit Hilfe des Signals von einer zweiten Sonde hin
ter dem Katalysator gebildet werden kann und die Regelschwingungsamplitude
abhängig vom jeweils aktuellen Wert dieser Größe einstellt werden kann.
Die Amplitude wird dabei aus den von einer zunächst maximalen
Amplitude zur Verwendung bei neuem Katalysator zunehmend ver
ringert, und zwar um so mehr je mehr der Konvertierungsraten-
Beurteilungswert ein Verschlechtern der Konvertierungsrate des
Katalysators anzeigt.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 sind zwei Lambdasonden vorhan
den, und zwar eine vordere 14.v vor einem Katalysator 22 und
eine hintere 14.h hinter dem Katalysator. Die von diesen
Lambdasonden ausgegebenen Signale werden von einem vorderen
Verarbeitungsmittel 23.v bzw. einem hinteren Verarbeitungs
mittel 23.h. verarbeitet. Sie liefern Signale Sv bzw. Sh an
einen Teiler 24, der das Verhältnis Sh/Sv bildet und dieses
Verhältnis an den Fremdsignalgenerator 19 ausgibt. Dieser be
stimmt abhängig vom Wert des Verhältnisses und außerdem abhän
gig von Werten von Drehzahl n und Last L die Amplitude des
Fremdsignales FS. Es hat sich gezeigt, daß es bei den meisten
Brennkraftmaschinen aufgrund deren Dynamik erforderlich ist,
im Leerlauf die Amplitude auf den Wert Null herunterzufahren.
In den Signalverarbeitungsmitteln 23.v und 23.h kann z. B. die
Amplitude der jeweiligen Signale der Lambdasonden 14.v bzw.
14.h abgetastet und gehalten werden, oder es kann der Mittel
wert der von den Sonden ausgegebenen Spannungen, vorzugsweise
nach Umrechnen in Lambdawerte, gebildet werden. Es hat sich
gezeigt, daß das Verhältnis Sh/Sv derartig gebildeter Werte
ein relativ gutes Maß zum Beurteilen der Konvertierungsrate
eines Katalysators ist. Bei einem neuen Katalysator bleibt der
Lambdawert hinter dem Katalysator selbst bei Schwankungen von
einigen Prozenten des Wertes vor dem Katalysator konstant. Das
genannte Verhältnis weist dann relativ kleine Werte auf. Bei
einem völlig unbrauchbaren Katalysator zeigen die Sonden vor
und hinter dem Katalysator jeweils gleiche Werte, so daß das
Verhältnis bis auf den Wert Eins steigt. Zwischen diesen bei
den Grenzfällen bewegt sich das Verhältnis bei zunehmender
Alterung. Auf einem Prüfstand kann relativ leicht bestimmt
werden, wie die Amplitude des Fremdsignals zweckmäßigerweise
verringert wird, wenn der Verhältniswert anzeigt, daß sich die
Konvertierungsrate des Katalysators verschlechtert. Bei der
praktischen Anwendung wird dann zweckmäßigerweise so vorgegan
gen, daß der Fremdsignalgenerator eine Maximalamplitude für
jeden Betriebspunkt, wie er z. B. durch Werte von Drehzahl n
und Last L festgelegt ist, bestimmt, und diese Werte abhängig
vom aktuellen Wert der Konvertierungsraten-Beurteilungsgröße
verringert werden. Der Verringerungswert wird aus einem Kenn
linienspeicher ausgelesen, der mit Hilfe des jeweils aktuellen
Wertes der Beurteilungsgröße adressiert wird.
Die geschilderte Maßnahme mit der Konvertierungsraten-Beurtei
lungsgröße wird ergriffen, da nach derzeitigem Stand der Tech
nik Sonden zum unmittelbaren Bestimmen der Konvertierungsrate
zu kompliziert und zu teuer sind. Sobald derartige Sonden
wirtschaftlich verfügbar sind, wäre es von Vorteil, jeweils
eine solche Schadgassonde vor und hinter dem Katalysator anzu
ordnen und unmittelbar aus dem Verhältnis der Sondensignale
die Konvertierungsrate zu bestimmen und mit sich verschlech
ternder Konvertierungsrate die künstlich erhöhte Regelschwin
gungsamplitude zu verringern.
Claims (4)
1. Verfahren zur stetigen Lambdaregelung einer
Brennkraftmaschine mit Katalysator, bei dem zumindest in
vorgegebenen Betriebszuständen eine Regelschwingung steuerbarer
Amplitude erzeugt wird und bei dem die Regelschwingungsamplitude
abhängig von einem Konvertierungsratenbeurteilungswert für den
Katalysator eingestellt wird, und zwar ausgehend von zunächst
maximaler Amplitude zur Verwendung bei neuem Katalysator auf
einen umso kleineren Wert, je mehr der
Konvertierungsratenbeurteilungswert ein Verschlechtern der
Konvertierungsrate des Katalysators anzeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regelschwingung steuerbarer Amplitude durch Einkoppeln eines
Fremdsignales steuerbarer Amplitude in den Regelkreis erzeugt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Regelschwingung steuerbarer Amplitude dadurch erzeugt
wird, daß bei jedem Nulldurchgang der Regelabweichung der
Sollwert verstellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn
zeichnet, daß es in allen Betriebszuständen, außer bei sehr
niedriger Last, ausgeführt wird.
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