DE4024213A1

DE4024213A1 - Verfahren zur lambdaregelung einer brennkraftmaschine mit katalysator

Info

Publication number: DE4024213A1
Application number: DE4024213A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Schnaibel; Lothar Raff; Guenther Dipl Ing Plapp; Michael Dipl Ing Dr Westerdorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-02-06
Also published as: ITMI911872A0; GB2248315A; JPH04232357A; IT1251220B; GB9116169D0; JP3242420B2; ITMI911872A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator. Ziel derartiger Verfahren ist es, den Prozentsatz von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenem Schadgas so weit wie möglich zu verringern. Hierzu ist es erforderlich, daß der Lambdawert des der Brennkraft maschine zugeführten Gemisches, d. h. das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, in einem eng begrenzten Bereich gehalten wird. Dieser Bereich wird als Konvertierungsfenster bezeichnet. In nerhalb dieses Fensters ist die Konvertierungsrate des Kataly sators für alle Schadstoffkomponenten im Mittel am besten.

Stand der Technik

Als Lambdaregelungsverfahren sind Zweipunktregelungen und ste tige Regelungen bekannt. Bei Zweipunktregelungen tritt eine andauernde Regelschwingung auf, deren Amplitude von Werten von Regelparametern abhängt. Man bemüht sich, die Regelparameter so einzustellen, daß Störungen schnell ausgeregelt werden, je doch sind hierbei für die zulässigen Werte relativ enge Gren zen gesetzt, da es aufgrund der bekanntlich relativ langen Totzeit innerhalb des Regelkreises ansonsten zu übermäßig gro ßen Amplituden der Regelschwingungen kommen könnte. Man geht daher so vor, daß man die Werte von Regelparametern so wählt, daß es bei stationärem Betrieb zu relativ kleinen Amplituden kommt, und daß bei Instationärvorgängen besondere Steuerungs maßnahmen ergriffen werden, die eine schnelle Anpassung des Gemischs an eine jeweilige Störung vornehmen. Restfehler wer den durch die relativ langsame Regelung beseitigt.

Stetige Regelungen können dagegen ohne große Probleme so be trieben werden, daß bei stationärem Betrieb nur eine praktisch vernachlässigbare Regelschwingung auftritt, aber dennoch In stationärstörungen schnell ausgeregelt werden können. Letzte res insbesondere, weil stetige Regelungen mit einem D-Anteil versehen werden können.

Durch bisherige Lambdaregelungsverfahren ist es gelungen, den Schadstoffanteil im Abgas einer Brennkraftmaschine stark zu vermindern. Die Bestrebungen, zu noch besseren Werten zu ge langen, dauern aber an. Es bestand demgemäß das Problem, ein Lambdaregelungsverfahren anzugeben, das zu weiterer Schad stoffreduzierung führt.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lambdaregelung einer Brenn kraftmaschine mit Katalysator zeichnet sich dadurch aus, daß die Regelung so ausgeführt wird, daß zumindestens in vorgege benen Betriebszuständen eine andauernde Regelschwingung auf tritt, deren Amplitude möglichst groß ist, jedoch nur so groß, daß es nicht zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine kommen soll, und die mittlere Konvertierungsrate des Katalysators über einem Schwellenwert bleiben soll.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit Erhöhen der Amplitude der Regelschwingung das Konvertierungsfenster breiter wird, vorausgesetzt, der Katalysator ist noch einiger maßen funktionsfähig. Das Konvertierungsfenster ist derjenige Lambdawertebereich, in dem die Konvertierung eine vorgegebene Qualität mindestens aufweist.

Um möglichst gut zu gewährleisten, daß es nicht zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine kommt und die mittlere Konvertierungs rate des Katalysators über einem Schwellenwert bleibt, kann entweder eine Steuerung eingesetzt werden, oder die genannten Werte können in regelnder Weise überwacht werden und Regel parameter können dann, wenn mindestens eine Bedingung nicht mehr erfüllt ist, so verändert werden, daß das Verfahren wieder innerhalb der Bedingungen abläuft. Wird eine Steuerung eingesetzt, erfolgt dies vorzugsweise so, daß ein Konvertie rungsraten-Beurteilungswert bestimmt wird und die Amplitude der Regelschwingung ausgehend vom ursprünglichen Amplituden wert für Regelung mit neuem Katalysator mit abnehmendem Kon vertierungsraten-Beurteilungswert verringert wird, wobei der ursprüngliche Wert so bestimmt ist, daß es nicht zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine kommt. Bei neuem Katalysator wird also die Regelschwingung mit der höchsten Amplitude betrieben, wo bei jedoch die Regelparameter auf einem Prüfstand so bestimmt wurden, daß es mit diesen Amplituden nicht zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine kommen sollte. Wird der Katalysator älter, was mit Hilfe des Konvertierungsraten-Beurteilungswertes fest gestellt wird, werden Werte von Regelparametern so verändert, daß sich die Amplitude der Regelschwingung verringert. Die Verringerung abhängig vom Konvertierungsraten-Beurteilungswert wird so vorgenommen, daß die mittlere Konvertierungsrate des Katalysators über einem Schwellenwert bleiben sollte. Bei den verringerten Amplituden kommt es mit noch größerer Wahrschein lichkeit nicht mehr zur Laufunruhe als bei den ursprünglichen, höheren Amplituden. Diese Steuerung hat zwar den Nachteil, daß sie nicht tatsächlich überwacht, ob es zu Laufunruhe oder zu einer Konvertierungsrate über einem Schwellenwert kommt und ggf. die Amplitude der Regelschwingung verringert, jedoch hat sie den Vorteil großer Einfachheit, Wirtschaftlichkeit und ge ringer Störanfälligkeit.

Bei einer stetigen Regelung, bei der es eigentlich kaum zu Regelschwingungen kommt, werden zum Realisieren der vorliegen den Erfindungen Regelschwingungen durch Einkoppeln eines Fremdsignales steuerbarer Amplitude in den Regelkreis künst lich erzeugt.

Zeichnung

Fig. 1 Flußdiagramm zum Erläutern eines Lambdaregelungsver fahrens, bei dem die Amplitude der Regelschwingung so geregelt wird, daß es nicht zu Laufunruhe einer geregelten Brennkraft maschine kommt und die mittlere Konvertierungsrate des Kataly sators über einem Schwellenwert bleibt;

Fig. 2 ein Teilflußdiagramm zum Erläutern eines modifizier ten Teilablaufs im Diagramm gemäß Fig. 1, zum Begrenzen der Regelschwingungsamplitude; und

Fig. 3 Flußdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Steuern der Amplitude der Regelschwingung einer Lambdaregelung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Beim Verfahren gemäß Fig. 1 wird über eine Marke A ein Schritt s1 erreicht, in dem die aktuellen Werte von Regelparametern geringfügig so geändert werden, daß die Regelamplitude der Schwingung einer Lambdaregelung größer wird. Nach einer Marke B folgt ein Schritt s2, in dem Lambdaregelung mit den aktuel len Werten von Regelparametern erfolgt. In einem Schritt s3 wird überprüft, ob Laufunruhe der geregelten Brennkraftmaschi ne vorliegt. Ist dies nicht der Fall, folgt in einem Schritt s4 eine Untersuchung dahingehend, ob ein Konvertierungsraten- Beurteilungswert unter einen Schwellenwert gefallen ist. Ist auch dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren zum Schritt s1 zurück.

Wird dagegen in einem der Schritte s3 oder s4 festgestellt, daß die jeweilige dort überprüfte Bedingung nicht erfüllt ist, folgt ein Schritt s5, in dem die aktuellen Werte von Regel parametern so geändert werden, daß die Amplitude der Regel schwingung kleiner wird. Die hierbei vorgenommene Änderung in Richtung klein ist größer als die im folgenden Schritt s1 vor genommene Änderung in Richtung groß. Dadurch kommt es beim nächsten Ausführen von Schritt s2 mit großer Wahrscheinlich keit nicht mehr zu Laufunruhe oder zu einem Konvertierungsra ten-Beurteilungswert unter dem gesetzten Schwellenwert. Erst wenn nach mehrmaligem Durchlaufen der genannten Schrittfolge die Regelparameter wieder so weit geändert sind, daß es zu Laufunruhe oder ungenügender Konvertierung kommt, werden er neut in Schritt s5 die Werte von Regelparametern in Richtung auf kleinere Regelschwingungen verändert.

Bei einer Zweipunktregelung können verschiedene Regelparameter einzeln oder in Kombination verändert werden. Zum Vergrößern der Amplitude der Regelschwingung kann der P-Anteil erhöht werden, es kann die Integrationsgeschwindigkeit erhöht werden, oder es kann der Stellwert mit einem Faktor größer 1 multi pliziert werden. Zum Verringern der Amplitude können entspre chend die umgekehrten Maßnahmen ergriffen werden. Im Fall einer stetigen Regelung ist es von besonderem Vorteil, dem Stellwert ein Fremdsignal vorgegebener Amplitude zu überla gern, z. B. ein Rechtecksignal, das nach plus und minus mit einstellbarer Amplitude um den Mittelwert Null schwingt. Ein solches Fremdsignal kann aber auch dem Sollwert überlagert werden.

Die beste Konvertierungsraten-Beurteilungsgröße wäre die Kon vertierungsrate selbst. Diese läßt sich jedoch nur mit relativ großem apparativem Aufwand messen. Vorteilhafter ist es, als Beurteilungsgröße eine Hilfsgröße zu verwenden, z. B. das Ver hältnis von Lambdawerten, wie sie von jeweils einer Lambda sonde hinter dem Katalysator und vor dem Katalysator gemessen werden. Der Zusammenhang zwischen diesem Verhältnis und der Konvertierungsrate ist stark nichtlinear, jedoch ist jedem Verhältniswert relativ eindeutig eine Konvertierungsrate zu geordnet, weswegen sich ein solches Verhältnis gut als Konver tierungsraten-Beruteilungsgröße eignet.

Beim Verfahren gemäß Fig. 1 kommt es immer wieder kurzzeitig zu Laufunruhe und/oder einer ungenügenden Konvertierungsrate, wenn nämlich die Regelschwingungsamplitude durch die Maßnahme gemäß Schritt s5 zu stark erhöht wird. Diesem Nachteil kann durch eine einfache Maßnahme abgeholfen werden, wie sie nun anhand von Fig. 2 beschrieben wird. Die Verfahrensschritte s1.1 bis s1.3 gemäß Fig. 2 ersetzen den Verfahrensschritt s1 gemäß Fig. 1 zwischen den Marken A und B.

In Schritt s1.1 wird der aktuelle Wert der Konvertierungs raten-Meßgröße bestimmt. Mit Hilfe des so ermittelten Konver tierungsraten-Meßwertes wird in Schritt s1.2 eine zulässige Grenze für Regelparameter bestimmt, durch die ein oberer Wert der Regelschwingungsamplitude festgelegt ist. Gemäß Schritt s1.3 werden die Regelparameter nur noch bis zur festgelegten Grenze geändert. Dadurch sollte es auch bei zunehmend altern dem Katalysator nicht mehr zu Laufunruhe und ungenügender Kon vertierung kommen, wobei aber dauernd gewährleistet ist, daß die Regelung noch mit größtmöglicher Regelschwingungsamplitude ausgeführt wird.

Die Grenzwerte für die Regelparameter werden vorzugsweise aus einem Kennlinienspeicher adressierbar über den jeweils aktuel len Wert der Konvertierungsraten-Beurteilungsgröße ausgelesen.

Während beim Verfahren gemäß Fig. 1 die Amplitude der Regel schwingung geregelt wird, wird sie beim Verfahren gemäß Fig. 3 gesteuert. Hierzu wird zunächst in einem Schritt s11 der ak tuelle Wert einer Konvertierungsraten-Beurteilungsgröße be stimmt. Nach einem Schritt s12, dessen Bedeutung weiter unten besprochen wird, folgt normalerweise ein Schritt s13, in dem ein Wert zum Verringern der Amplitude der Regelschwingung aus einem Kennlinienspeicher abgerufen wird, wobei die Adressie rung über den bestimmten Konvertierungsraten-Beurteilungswert erfolgt. In einem Schritt s14 werden Werte von Regelparametern betriebspunktabhängig aus einem Kennfeld ausgelesen und mit dem in Schritt s13 gewonnenen Verringerungswert modifiziert. Die Regelparameterwerte im genannten Kennfeld sind so be stimmt, daß es mit ihnen auch bei neuem Katalysator nicht zu Laufunruhe der geregelten Brennkraftmaschine kommt. Es ist hierbei zu beachten, daß ein neuer Katalysator ein derart gu tes Zwischenspeichervermögen aufweist, daß er selbst bei der art großen Amplituden der Regelschwingung noch gute Konvertie rung aufweisen würde, bei denen die geregelte Brennkraft maschine aufgrund von Laufunruhe praktisch nicht mehr betreib bar ist. Daher sind auf einem Prüfstand maximal zulässige Werte von Regelparametern für den Betrieb mit neuem Katalysa tor zu bestimmen. Verschlechtert sich jedoch das Zwischen speichervermögen des Katalysators mit zunehmendem Alter, fin det die Amplitude der Regelschwingung ihre Begrenzung nicht mehr an der Bedingung der Laufunruhe, sondern an der Bedingung der geforderten Mindestkonvertierungsqualität. Ab einem gewissen Alter des Katalysators müssen daher die im Kennfeld abgespeicherten Regelparameter so geändert werden, daß es zu verringerter Am plitude kommt. Dies erfolgt mit Hilfe des in Schritt s13 be stimmten Verringerungswertes. Mit den jeweils aktuellen Regel parametern, seien es die ursprünglichen oder die verringerten, wird schließlich in einem Schritt s15 geregelt.

Es sei nun noch der oben übergangene Schritt s12 besprochen. In diesem wird geprüft, ob der in Schritt s11 bestimmte Kon vertierungsraten-Beurteilungswert unter einer Fehlerschwelle liegt, d. h. ob die Konvertierungsrate des Katalysators be reits unzulässig schlecht geworden ist. Konvertiert der Kata lysator noch ausreichend gut, schließt sich der vorstehend beschriebene Ablauf an. Andernfalls wird in einem Schritt s16 ein Fehlersignal ausgegeben, und erst dann schließt sich Schritt s13 an. Die Tatsache, daß sich Schritt s13 des Bestim mens eines Verringerungswertes anschließt, macht deutlich, daß die Fehlerschwelle beim Ausführungsbeispiel so gewählt ist, daß die Fehlermeldung bereits erfolgt, wenn noch die Möglich keit besteht, durch weiteres Verringern der Regelamplitude eine einigermaßen zufriedenstellende Konvertierungsrate auf rechtzuerhalten.

Die beschriebenen Verfahren werden möglichst in allen Be triebszuständen ausgeführt. Jedoch kann es bei niedrigen Dreh zahlen im Leerlauf sinnvoll sein, auf herkömmliche Weise zu regeln, nämlich mit möglichst geringer Amplitude der Regel schwingung. Im Fall stetiger Regelung würde dies bedeuten, daß keinerlei Fremdschwingung eingekoppelt wird. Wenn es aber vom dynamischen Verhalten einer Brennkraftmaschine her zulässig ist, wird man auch im Leerlauffall bei niedriger Drehzahl ver suchen, eine Regelschwingung aufrechtzuerhalten, um so die Breite des Konvertierungsfensters des Katalysators dauernd auf dem größtmöglichen Wert zu halten.

Claims

1. Verfahren zur Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine mit Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung so aus geführt wird, daß zumindest in vorgegebenen Betriebszuständen eine andauernde Regelschwingung auftritt, deren Amplitude mög lichst groß ist, jedoch nur so groß, daß es nicht zu Laufun ruhe der Brennkraftmaschine kommen soll und die mittlere Kon vertierungsrate des Katalysators über einem Schwellenwert bleiben soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einhalten der Laufunruhebedingung die Laufunruhe der Brennkraftmaschine überwacht wird und die Amplitude der Regel schwingung verringert wird, wenn die gemessene Laufunruhe einen Laufunruhe-Schwellenwert übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einhalten der Konvertierungsratenbedingung eine Konvertie rungsraten-Beurteilungsgröße des Katalysators überwacht wird und die Amplitude der Regelschwingung verringert wird, wenn der gemessene Konvertierungsraten-Beurteilungswert einen Schwellenwert unterschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einhalten der genannten Bedingungen ein Konvertierungs raten-Beurteilungswert bestimmt wird und die Amplitude der Regelschwingung ausgehend vom ursprünglichen Amplitudenwert für Regelung mit neuem Katalysator mit abnehmendem Konvertie rungsraten-Beurteilungswert verringert wird, wobei der ur sprüngliche Wert so bestimmt ist, daß es nicht zu Laufunruhe der Brennkraftmaschine kommt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Werte zum Verringern der Amplitude der Regelschwingung einer in einem Kennlinienspeicher abgespeicherten Kennlinie entnom men werden, wobei der Kennlinienspeicher über Konvertierungs raten-Beurteilungswerte adressierbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einer stetigen Regelung die Regelschwin gung durch Einkoppeln eines Fremdsignales steuerbarer Ampli tude in den Regelkreis erzeugt wird.