DE4024212C2 - Verfahren zur stetigen Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator - Google Patents

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.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

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.