EP0388412B1 - Regelsystem für das luft/kraftstoff-verhältnis einer brennkraftmaschine - Google Patents

Regelsystem für das luft/kraftstoff-verhältnis einer brennkraftmaschine Download PDF

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EP0388412B1
EP0388412B1 EP88909199A EP88909199A EP0388412B1 EP 0388412 B1 EP0388412 B1 EP 0388412B1 EP 88909199 A EP88909199 A EP 88909199A EP 88909199 A EP88909199 A EP 88909199A EP 0388412 B1 EP0388412 B1 EP 0388412B1
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EP
European Patent Office
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probe
lambda
control
air ratio
voltage
Prior art date
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Application number
EP88909199A
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English (en)
French (fr)
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EP0388412A1 (de
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Cornelius Peter
Günther PLAPP
Lothar Raff
Eberhard Schnaibel
Michael Westerdorf
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP0388412B1 publication Critical patent/EP0388412B1/de
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F02D41/1441—Plural sensors

Definitions

  • Fat range ( ⁇ ⁇ 1) for mixture control i.e.
  • the amplitude and frequency of this control oscillation have a significant influence on the exhaust gas emission.
  • An increase in the amplitude of the control oscillation leads to the air number lambda temporarily moving outside the lambda window and a drastic increase in the harmful components of the exhaust gases.
  • US Pat. No. 4,200,064 describes a mixture metering system with a probe arranged in the exhaust tract of an internal combustion engine.
  • the output signal which changes essentially abruptly there, is used in so-called calibration phases for continuous control.
  • it is checked whether the use of certain pilot control values for the fuel metering results in the probe voltage of 0.5 volt associated with the lambda value 1. This is the case, for example, when the injection time is extended by 1 ms. If other lambda values are to be set in control mode after the calibration phase has ended, the control values provided for this are also extended by 1 ms.
  • the invention has for its object to improve a control system for controlling the air / fuel ratio in an internal combustion engine by means of an oxygen probe arranged in the exhaust system, which is constantly exposed to the exhaust gas during operation of the internal combustion engine with regard to reducing the total emission of the main pollutant components.
  • the solution according to claim 1 is characterized in that the control system according to the invention has a control device for continuous control, the jump behavior of the output signal of the lambda probe (two-point control) for mixture control not being evaluated as in the prior art, but the actual deviation the air ratio lambda is used as the control deviation from the air ratio lambda to be maintained.
  • the respective actual value of the air ratio lambda is determined via the respectively measured probe output voltage in connection with an at least approximately predetermined characteristic relationship between the size of the probe output voltage and the size of the air ratio lambda coupled therewith.
  • the target value of the air ratio lambda corresponding to the air ratio lambda to be observed is subtracted from the actual value of the air ratio lambda and the difference is used to regulate the air / fuel ratio.
  • the strong cylinder scatter has the result that the two-point control jumps from rich to lean or lean to rich with increased frequency between the extreme values lean and rich when passing through the control threshold, which has an unfavorable effect on the exhaust gas and driving behavior of the internal combustion engine.
  • the control system according to the independent claim 2 is characterized by a control device for continuous control, a probe voltage being used as the target value, which is assigned to the air ratio lambda to be maintained according to the respective probe characteristic, and via the difference between the respectively measured actual values the probe voltage with the target value of the probe voltage in conjunction with an at least approximately predefined probe characteristic relationship between the size of the probe voltage difference and the associated size of the air ratio difference, the air ratio difference is determined and the air / fuel ratio is regulated with the air ratio difference.
  • This control system achieves the same advantages over the prior art in controlling the air / fuel ratio as in the control system according to claim 1.
  • the characteristic relationship between the probes is advantageous between sensor voltage and air ratio lambda or sensor voltage difference and air ratio difference stored in a map.
  • the probe voltage or probe voltage difference and, to take into account the temperature-dependent relationship between probe voltage or probe voltage difference and temperature, a temperature-dependent internal probe resistance or the probe temperature itself are used as input parameters of this characteristic diagram.
  • the setpoint value of the probe voltage U S becomes dependent on the measured maximum and minimum probe voltage according to the formula.
  • U S (U S (max) - U S (min) ) x K + U S (min) adapted, where K is a constant factor that is determined based on the probe characteristics.
  • the control setpoint is also corrected using a low-pass filter.
  • the measured probe voltage extreme values are stored and slowly reduced in the event that no new extreme values of the probe voltage are measured. With this adaptation it is possible to take into account the shifting of the control setpoint of the probe voltage due to aging of the probe or temperature change of the probe.
  • Fig. 1 shows a simplified block diagram of a control arrangement with a control system for controlling the air / fuel ratio in an internal combustion engine according to claim 1.
  • Fig. 2 shows a control arrangement with a control system according to the invention for controlling the air / fuel ratio in an internal combustion engine according to the independent claim 2, but not the entire control arrangement is shown, but only components are shown in which the control arrangement according to claim 2 differs from that according to claim 1.
  • the 1 has an internal combustion engine (BKM) 10 as a controlled system with injection valves (EV) 11 as actuators, a control device 12, (dashed border) a lambda probe 13 arranged in the exhaust gas of the internal combustion engine and a basic map 14.
  • the basic map 14 is preferably designed as a read-only memory (ROM), which is addressed by supplied operating variables (here: speed n and throttle valve position ⁇ ). Depending on these addresses, a corresponding injection time t L for the injection valves 11 of the internal combustion engine 10 is read from the basic field 14.
  • the lambda probe 13 emits an output signal (output voltage U S ) which is fed to the control device 12.
  • the control unit 12 has a conversion device 16, by means of which the probe output signals U S of the lambda probe 13 are converted into lambda values in accordance with the characteristic relationship between the lambda value and the probe voltage. Either a mathematical function, a table or a map is used to map the probe characteristic relationship.
  • the conversion device 16 is followed by a timing element 17 and this a correction device 18 for calculating a correction factor KF.
  • This correction factor KF is fed to a multiplication unit 19, which multiplies the correction factor KF by the injection time t L output from the basic characteristic diagram 14.
  • the output of the correction factor KF can be interrupted by a switch 20, which is switched via a control release device 21.
  • the control release device 21 interrupts the output of the correction factor KF via the switch 20.
  • the output signal of the lambda probe arranged in the exhaust gas of the internal combustion engine 10 is fed to the conversion device 16. Since the correction factor KF is preferably calculated using a computer, the analog probe output signal is converted into a digital signal after amplification via an A / D converter (not shown in FIG. 1).
  • the conversion unit 16 calculates the respectively measured actual value of the air ratio lambda from the output signal of the lambda sensor 13 via a predetermined probe-characteristic relationship between the output voltage of the probe and the air ratio lambda.
  • the subsequent comparison of the actual value and the target value 15 of the air ratio lambda leads to a control deviation .DELTA.-lambda, which is fed to a timing element 17.
  • the timing element then emits a signal to a correction device 18, which carries out the calculation of the correction factor KF.
  • the correction factor KF is then multiplied by the injection time t L output from the basic characteristic map 14, which results in the corrected injection time t LK .
  • the injection time t LK and an injection time t S which takes into account the dead time influence of the injection valves 11, finally leads to the actual injection time t I.
  • the digitally calculated injection time t I is given to an output stage, not shown in FIG. 1, and is output to the injection valves 11 as an analog opening time signal.
  • the control arrangement shown in FIG. 2 essentially has a similar structure to the control arrangement of FIG. 1.
  • the same components have the same reference numerals as in Fig. 1 and are not explained again here.
  • the difference from the control arrangement shown in FIG. 1 is that the control deviation .DELTA.-lambda is determined in another way.
  • a target voltage 22 is used as the control target value, which in turn can depend on the throttle valve position ⁇ or the speed n.
  • control arrangement according to FIG. 2 has a conversion unit 23 which stores the characteristic curve between the probe voltage difference and the air ratio difference coupled therewith. After the comparison of the actual probe voltage with the target probe voltage 22, this conversion unit 23 is supplied with a control deviation ⁇ -U S , from which the control deviation ⁇ -Lambda is calculated.
  • the further control sequence corresponds to the control sequence of the control arrangement according to FIG. 1, which is why, in order to avoid repetitions, it is not described again.
  • a continuous controller with PID behavior of the timing element 17 is particularly advantageously used to increase the control speed, the control deviation being multiplied by suitable factors for the respective P, I and D components, which are stored in characteristic diagrams as a function of the speed and load.
  • a correction device therefore eliminates this mass offset by measuring the minimum probe voltage that occurs in longer overrun phases (e.g. after 800 msec) and saves the difference to the expected minimum value using a filter as a correction variable for the probe voltages to be measured.
  • the probe voltage upstream of the analog / digital converter is increased in hardware by a fixed voltage value. This elimination of the mass offset leads to a higher accuracy in the detection of the probe output voltage and thus to a higher control accuracy of the continuous control device.
  • this correction device serves to compensate for a drift of the lean characteristic branch (increase) z. B due to aging.
  • the mass offset alone can also be compensated for if necessary by using a differential amplifier.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zum Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine auf eine einzuhaltende Luftzahl Lambda, wobei das Regelsystem eine dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzte Sauerstoffsonde (Lambda-Sonde) aufweist, deren Ausgangsspannung, die ein Maß für die Luftzahl Lambda darstellt, sich im Bereich von Lambda = 1 im wesentlichen sprunghaft ändert.
  • Wird zum Reduzieren der hauptsächlichen Schadstoffkomponenten (NOx, HC, CO) einer Brennkraftmaschine ein Drei-Wege-Katalysator eingesetzt, ist es für dessen optimale Wirksamkeit, d. h. zum Erreichen einer maximalen Konvertierungsrate erforderlich, daß ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Gemisch (Lambda = 1) zumindest jedoch eine Luftzahl Lambda, die sich in einem bestimmten Bereich um Lambda = 1 (Lambda-Fenster) bewegt, eingehalten wird. Bei den bekannten Regelsystemen wird hierzu das sprungartige Verhalten der Ausgangsspannung der Lambda-Sonde beim übergang vom Fett- (λ <1) zum Magerbereich (λ>1) bzw. beim Übergang vom Mager- (λ>1) zum. Fettbereich (λ<1) zur Gemischregelung, also nicht der Wert von Lambda selbst, ausgewertet. Hierbei werden mittels einer Zweipunkt-Regelung die in einem Kennfeld in Abhängigkeit der Drehzahl und Last (Drosselklappenstellung) der Brennkraftmaschine gespeicherten Werte für die Einspritzzeit multiplikativ über einen Korrekturfaktor korrigiert. Üblicherweise wird zur laufenden Korrektur des Korrekturfaktors ein Zweipunkt-Regler mit PI-Verhalten eingesetzt. Aufgrund der Sprungcharakteristik der Ausgangsspannung im Bereich von Lambda = 1 und aufgrund vorhandener Totzeiten (Transportzeit des Gemisches von den Einspritzventilen durch die Brennkraftmaschine bis zur Lambda-Sonde, Reaktionszeit der Sonde) stellt sich eine Regelschwingung für den Korrekturfaktor ein. Die geforderte Luftzahl Lambda kann somit nur im Mittel einsehalten werden. Die Amplitude und Frequenz dieser Regelschwingung beeinflußt die Abgasemission wesentlich. Eine Zunahme der Amplitude der Regelschwingung führt dazu, daß sich die Luftzahl Lambda zeitweilig außerhalb des Lambda-Fensters bewegt und es dadurch zu einem drastischen Anstieg der schädlichen Komponenten der Abgase kommt.
  • Aus der DE-OS 32 31 122 ist ein Regelspstem bekannt, bei dem zur Regelung im mageren Bereich (vorzuasweise um Lambda = 1, 2) eine Regeleinrichtung mit stetigem Regelverhalten angeordnet ist. Da in diesem Bereich das Sonden-Ausgangssignal eine relativ kleine Steigung aufweist, wird mit der stetigen Regeleinrichtung eine größere Regelgenauigkeit erreicht als mit einer üblichen Zweipunkt-Regelung. In der genannten Offenlegungsschrift ist weiter ausgeführt, daß sich diese stetige Regeleinrichtung nicht für eine Lambda = 1-Regelung verwenden läßt, da bei Lambda = 1 die Lambda-Sonde einen steilen Spannungssprung aufweist und dadurch die Regeleinrichtung immer am Mager- oder Fettanschlag wäre.
  • Aus der US-A-4 641 276 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die das Luft/Kraftstoffgemisch einer Brennkraftmaschine mittels Sauerstoffsonden regeln, die jeweils in den Brennkammern angeordnet sind. Das hat den Vorteil, daß die unmittelbare Messung des Verbrennungsergebnisses auch eine sehr schnelle Reaktion der übergreifenden Regelung ermöglicht. Die Erkennungsdauer der Anteile des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches läßt sich so erheblich reduzieren. Ferner lassen sich Extremzustände wie zu fett oder zu mager nach wenigen Zyklen des jeweils betrachteten Zylinders erkennen und es kann entsprechend reagiert werden. Neben der Überwachung des Gesamtmotor, wobei die Meßergebnisse von Zylinder zu Zylinder seriell in der Zündfolge ausgewertet werden, erlaubt die Erfindung der US-A-4 601 276 auch die gleichzeitige Überwachung jedes einzelnen Zylinders. Das hat den Vorteil, daß Streuungen von Zylinder zu Zylinder in der Gemischzusammensetzung ausgeschaltet werden können. Da für das Verfahren und die Vorrichtung der US-A-4 601 276 Signale von Sauerstoffsonden ausgewertet werden, die direkt in Brennkammern einer Brennkraftmaschine angeordnet sind, erfolgt die Auswertung der Sondensignale auf andere Weise als bei einer Sauerstoffsonde, die im Abgas der Brennkraftmaschine angeordnet ist, d. h. bei Betrieb der Brennkraftmaschine ständig den begasen derselben ausgesetzt ist.
  • Weiterhin wird bei dem Verfahren und der Vorrichtung der US-A-4 641 276 vorausgesetzt, daß bei einer Brennkraftmaschine mit mehren Zylindern auch mehrere Sauerstoffsonden Verwendung finden, was einen nicht unerheblichen Kostenaufwand darstellt.
  • In der US 4 200 064 wird ein Gemischzumeßsystem mit einer im Auslaßtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sonde beschrieben. In einem Lambda = 1 umfassenden Bereich wird das sich dort im wesentlichen sprunghaft ändernde Ausgangssignal in sogenannten Kalibrierphasen zur stetigen Regelung benutzt. Dazu wird geprüft, ob sich bei der Verwendung bestimmter Vorsteuerwerte für die Kraftstoffzumessung die zu dem Lambdawert 1 zugehörige Sondenspannunng von 0,5 Volt einstellt. Dies sei bspw bei einer Verlängerung der Einspritzzeit um 1ms der Fall. Wenn nun nach Beendigung der Kalibrierphase im Steuerbetrieb andere Lambdawerte einzustellen sind, werden die dafür vorgesehenen Steuerwerte ebenfalls um 1 ms verlängert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem zum Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine mittels einer im Abgassystem angeordneten Sauerstoffsonde, die bei Betrieb der Brennkraftmaschine ständig dem Abgas ausgesetzt ist hinsichtlich des Verringerns der Gesamtemission der hauptsächlichen Schadstoffkomponenten zu verbessern.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruch 1 bzw. die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 2 gegeben.
  • Die Lösung gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß das erfindungsgemäße Regelsystem eine Regeleinrichtung zum stetigen Regeln aufweist, wobei nicht wie im Stand der Technik das Sprungverhalten des Ausgangssignals der Lambda-Sonde (Zweipunkt-Regelung) zur Gemischregelung ausgewertet wird, sondern die tatsächliche Abweichung der Luftzahl Lambda von der einzuhaltenden Luftzahl Lambda als Regelabweichung verwendet wird. Hierbei wird der jeweilige Ist-Wert der Luftzahl Lambda über die jeweils gemessene Sondenausgangsspannung in Verbindung mit einem zumindest näherungsweise vorgegebenen sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen der Größe der Sondenausgangsspannung und der damit gekoppelten Größe der Luftzahl Lambda bestimmt. Der der einzuhaltenden Luftzahl Lambda entsprechende Soll-Wert der Luftzahl Lambda wird vom Ist-Wert der Luftzahl Lambda abgezogen und mit der Differenz wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis geregelt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem werden Abweichungen von der vorgegebenen Luftzahl Lambda = 1 schneller als bei einem üblichen Zweipunkt-Regelsystem ausgeregelt, wodurch sich der Ausstoß schädlicher Abgaskomponenten verringert. Gemäß bisheriger Versuche ergab sich eine Erhöhung der Regelfrequenz um einen Faktor 1,5 bis 3 gegenüber der üblichen Zweipunkt-Regelung, was sowohl zu einer Verringerung der Schadstoffemission beiträgt als auch insbesondere bei tiefen Drehzahlen und großer Last die Laufruhe der Brennkraftmaschine verbessert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Regelsystems gegenüber der seit langem üblichen Zweipunkt-Regelung für Lambda = 1 besteht darin, daß das erfindungsgemäße Regelungssystem wesentlich unempfindlicher auf Störungen des Sondensignals bei starker Zylinderstreuung (chemical. noise) reagiert als die übliche Zweipunkt-Regelung. Die starke Zylinderstreuung hat zur Folge, daß die Zweipunkt-Regelung jeweils beim Durchgang durch die Regelschwelle von fett auf mager oder mager auf fett mit erhöhter Frequenz zwischen den Extremwerten mager und fett springt, was sich ungünstig auf das Abgas- und Fahrverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt. Durch Verwenden einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung mit stetigem Regelverhalten wird dieses mit erhöhter Frequenz betriebene Umschalten zwischen zwei Extremwerten vermieden.
  • Das erfindungsgemäße Regelsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch 2 zeichnet sich durch eine Regeleinrichtung zum stetigen Regeln aus, wobei als Soll-Wert eine Sondenspannung verwendet wird, die der einzuhaltenden Luftzahl Lambda entsprechend der jeweiligen Sondencharakteristik zugeordnet ist, und über die Differenz der jeweils gemessenen Ist-Werte der Sondenspannung mit dem Soll-Wert der Sondenspannung in Verbindung mit einem zumindest näherungsweise vorgegebenen sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen der Größe der Sondenspannungsdifferenz und der damit gekoppelten Größe der Luftzahldifferenz die Luftzahldifferenz bestimmt wird und mit der Luftzahldifferenz das Luft/Kraftstoff-Verhältnis geregelt wird. Mit diesem Regelsystem werden dieselben Vorteile gegenüber dem Stand der Technik beim Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erzielt wie bei dem Regelsystem gemäß Anspruch 1.
  • Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Regelsystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 lassen sich jedoch für eine Regelung auf Lambda = 1 nur dann erzielen, wenn sich die Ausgangsspannung der Lambda-Sonde im Bereich von Lambda = 1 nur im wesentlichen also nicht mathematisch ideal sprunghaft ändert, d. h. eine die Luftzahl Lambda und die Sondenausgangsspannung verknüpfende Funktion im Bereich von Lambda = 1 eine endliche Steigung aufweist.
  • In vorteilhafter Weise ist der sondencharakteristische Zusammenhang zwischen Sondenspannung und Luftzahl Lambda oder Sondenspannungsdifferenz und Luftzahldifferenz in einem Kennfeld abgelegt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als Eingangsparameter dieses Kennfeldes einerseits die Sondenspannung oder Sondenspannungsdifferenz und zur Berücksichtigung des temperaturabhängigen Zusammenhangs zwischen Sondenspannung oder Sondenspannungsdifferenz und Temperatur ein temperaturabhängiger Sondeninnenwiderstand oder die Sondentemperatur selbst verwendet.
  • Zum Einsparen von Speicherplatz und Rechenzeit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dieses Kennfeld auf eine Kennlinie zu reduzieren, die auf eine mittlere bzw. besonders häufig vorkommende Sondentemperatur ausgelegt ist.
  • Zum Einsparen von Speicherplatz erweist es sich als vorteilhaft, den sondenspezifischen Zusammenhang durch Verwenden mathematischer Funktionen abzubilden, wobei es sich unter Zugrundelegung der üblichen Sondencharakteristik der Lambda-Sonde als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, als mathematische Funktion eine Parabel dritter Ordnung zu verwenden.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Regelung auf Lambda = 1 bis zu einer Regelabweichung von vorzugsweise 3 % (d. h. Lambda = 0,97 bis Lambda = 1,03) eine Regeleinrichtung verwendet, die stetiges Verhalten aufweist und bei einer Regelabweichung größer als 3 % von stetiger Regelung auf Zweipunkt-Regelung umschaltet. Die Beschränkung auf ein schmales zur Auswertung benutztes Lambda-Band um den Wert Lambda = 1 bringt den Vorteil mit sich, daß der Einfluß von Fehlern in der angenommenen Sondencharakteristik infolge Temperaturänderungen der Sonde relativ klein ist, da die Sondencharakteristik im Bereich von Lambda = 1 ziemlich temperaturstabil ist. Deshalb kann die Genauigkeit einer durchzuführenden Nullpunktsoffset-Korrektur der Sondenspannung verringert werden, da im temperaturempfindlichen Bereich außerhalb des Lambda-Bandes eine Zweipunkt-Regelung angewandt wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Regel Sollwert der Sondenspannung US in Abhängigkeit der gemessenen maximalen und minimalen Sondenspannung gemäß der Formel. U S = (U S(max) - U S(min) ) x K + U S(min)
    Figure imgb0001
     adaptiert, wobei K ein konstanter Faktor ist, der anhand der Sondencharakteristik bestimmt wird. Die Korrektur des Regel-Sollwertes erfolgt zusätzlich über einen Tiefpaß. Weiterhin werden die gemessenen Sondenspannungsextremwerte gespeichert und für den Fall, daß keine neuen Extremwerte der Sondenspannung gemessen werden, langsam abgeregelt. Mit dieser Adaption ist es möglich, das Verschieben des Regel-Sollwerts der Sondenspannung infolge Alterung der Sonde oder Temperaturänderung der Sonde zu berücksichtigen.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Regelanordnung mit einem Regelsystem zum Regeln des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1. Fig. 2 zeigt eine Regelungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem zum Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch 2, wobei jedoch nicht die gesamte Regelungsanordnung dargestellt ist, sondern nur Bauelemente dargestellt sind, in denen sich die Regelungsanordnung gemäß Anspruch 2 von derjenigen gemäß Anspruch 1 unterscheidet.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die in Fig. 1 dargestellte Regelungsanordnung weist eine Brennkraftmaschine (BKM) 10 als Regelstrecke mit Einspritzventilen (EV) 11 als Stellglieder, eine Regeleinrichtung 12, (gestrichelt umrandet) eine im Abgas der Brennkraftmaschine angeordnete Lambda-Sonde 13 und ein Grundkennfeld 14 auf. Das Grundkennfeld 14 ist bevorzugt als Nur-Lesespeicher (ROM) ausgebildet, der durch zugeführte Betriebsgrößen (hier: Drehzahl n und Drosselklappenstellung α ) adressiert wird. Abhängig von diesen Adressen wird jeweils eine entsprechende Einspritzzeit tL für die Einspritzventile 11 der Brennkraftmaschine 10 aus dem Grundfeld 14 ausgelesen. Die Lambda-Sonde 13 gibt ein Ausgangssignal (Ausgangsspannung US) ab, das der Regeleinrichtung 12 zugeführt wird. Die Regeleinrichtung 12 gibt als Stellgröße einen Korrekturfakor KF ab, der multiplikativ die aus dem Grundkennfeld 14 ausgegebene Einspritzzeit tL korrigiert, wodurch sich die korrigierte Einspritzzeit tLK ergibt. Weiterhin wird der Regeleinrichtung 12 ein Regel-Sollwert 15 der Luftzahl Lambda zugeführt, der wiederum von der Drosselklappenstellung α und der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10 abhängen kann. Bei Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators wird dieser Soll-Wert = 1 gesetzt, da das Vorliegen eines stöchiometrischen Gemisches (Lambda = 1) ein optimales Konvertierungsverhalten des Katalysators gewährleistet.
  • Die Regeleinheit 12 weist eine Umwandlungseinrichtung 16 auf, mit deren Hilfe die Sondenausgangssignale US der Lambda-Sonde 13 in Lambda-Werte entsprechend dem sondencharakteristischen Zusammenhang von Lambda-Wert und Sondenspannung umgewandelt werden. Zur Abbildung des sondencharakteristischen Zusammenhangs wird entweder eine mathematische Funktion, eine Tabelle oder ein Kennfeld verwendet. Die Sondencharakteristik wird durch die Sondentemperatur im Bereïch größer und kleiner Lambda = 1 stark beeinflußt. Um die Regelgenauigkeit zu steigern, ist es deshalb von Vorteil, bei der Bestimmung des Lambda-Wertes beispielsweise aus einem Kennfeld zusätzlich zur Sondenspannung US die Temperatur der Sonde oder den temperaturanhängigen Innenwiderstand der Sonde als Eingangsparameter zu verwenden.
  • Innerhalb der Regeleinrichtung 12 ist der Umwandlungseinrichtung 16 ein Zeitglied 17 nachgeschaltet und diesem eine Korrektureinrichtung 18 zur Berechnung eines Korrekturfaktors KF. Dieser Korrekturfaktor KF wird einer Multiplikationseinheit 19 zugeführt, die den der Korrekturfaktor KF mit der aus dem Grundkennfeld 14 ausgegebenen Einspritzzeit tL multipliziert. Die Ausgabe des Korrekturfaktors KF kann durch einen Schalter 20 unterbrochen werden, der über eine Regelungsfreigabe-Einrichtung 21 geschaltet wird. In bestimmten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine (beispielsweise Startphase, Warmlaufphase, instationäre phasen) ist eine Regelung auf eine fest vorgegebene Luftzahl Lambda nicht erwünscht. In diesen Fällen wird durch die Regelungsfreigabe-Einrichtung 21 über den Schalter 20 die Ausgabe des Korrekturfaktors KF unterbrochen.
  • Hat die Regelungsfreigabe-Einrichtung 21 die Regelung freigegeben, wird das Ausgangssignal der im Abgas der Brennkraftmaschine 10 angeordneten Lambda-Sonde der Umwandlungseinrichtung 16 zugeführt. Da die Berechnung des Korrekturfaktors KF vorzugsweise mit einem Rechner erfolgt, wird das analoge Sondenausgangssignal nach Verstärkung über einen in Fig. 1 nicht dargestellten A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Die Umwandlungseinheit 16 berechnet aus dem Ausgangssignal der Lambda-Sonde 13 über einen vorgegebenen sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung der Sonde und Luftzahl Lambda den jeweils gemessenen Ist-Wert der Luftzahl Lambda. Der im Anschluß daran durchgeführte Vergleich von Ist-Wert und Soll-Wert 15 der Luftzahl Lambda führt zu einer Regelabweichung Δ -Lambda, die einem Zeitglied 17 zugeführt wird. Das Zeitglied gibt anschließend ein Signal an eine Korrektureinrichtung 18 ab, die die Berechnung des Korrekturfaktors KF durchführt.
  • Der Korrekturfaktor KF wird dann multiplikativ der aus dem Grundkennfeld 14 ausgegebenen Einspritzzeit tL überlagert, wodurch sich die korrigierte Einspritzzeit tLK ergibt. Durch Addition der Einspritzzeit tLK und einer Einspritzzeit tS, die den Totzeiteinfluß der Einspritzventile 11 berücksichtigt, führt schließlich zur tatsächlichen Einspritzzeit tI. Die digital berechnete Einspritzzeit tI wird auf eine in Fig. 1 nicht dargestellte Endstufe gegeben und als analoges Öffnungszeit-Signal an die Einspritzventile 11 abgegeben.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Regelungsanordnung weist im wesentlichen einen ähnlichen Aufbau wie die Regelungsordnung der Fig. 1 auf. Gleiche Bauelemente tragen dasselbe Bezugszeichen wie in Fig. 1 und werden hier nicht nochmals erläutert. Der Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Regelanordnung besteht darin, daß die Regelabweichung Δ-Lambda auf anderem Wege ermittelt wird. Als Regel-Sollwert wird eine Sollspannung 22 verwendet, die wiederum von der Drosselklappenstellung α oder der Drehzahl n abhängen kann.
  • Weiterhin weist die Regelanordnung gemäß Fig. 2 eine Umrechnungseinheit 23 auf, die den sondencharakteristischen Verlauf zwischen der Sondenspannungsdifferenz und der damit gekoppelten Luftzahldifferenz speichert. Dieser Umrechnungseinheit 23 wird nach Vergleich der Ist-Sondenspannung mit der Soll-Sondenspannung 22 eine Regelabweichung Δ-US zugeführt, aus der die Regelabweichung Δ-Lambda berechnet wird. Der weitere Regelungsablauf entspricht dem Regelungsablauf der Regelungsanordnung gemäß Fig. 1, weshalb, um Wiederholungen zu vermeiden, dieser nicht nochmals beschrieben wird.
  • Besonders vorteilhaft wird zum Erhöhen der Regelgeschwindigkeit ein stetiger Regler mit PID-Verhalten des Zeitgliedes 17 eingesetzt, wobei für die jeweiligen P-,I-,D-Anteile die Regelabweichung mit geeigneten Faktoren multipliziert wird, die drehzahl- und lastabhängig in Kennfeldern abgelegt sind.
  • Ein Masseversatz zwischen Sondenmasse und Masse des in den Figuren nicht dargestellten Analog/Digitalwandlers würde das Ergebnis der Messung der Sondenspannung verfälschen. Deshalb elimimiert eine Korrektureinrichtung diesen Masseversatz, indem sie in längerdauernden Schubphasen (z. B. nach 800 msec) die sich einstellende minimale Sondenspannung mißt und die Differenz zum erwarteten Minimalwert über einen Filter als Korrekturgröße für die zu messenden Sondenspannungen speichert. Zur Erfassung eines negativen Masseversatzes wird dazu die Sondenspannung vor dem Analog/Digitalwandler hardwaremäßig um einen festen Spannungswert erhöht. Dieses Eliminieren des Masseversatzes führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Erfassung der Sondenausgangsspannung und damit zu einer höheren Regelgenauigkeit der stetigen Regeleinrichtung.
  • Diese Korrektureinrichtung dient andererseits der Kompensation einer Drift des mageren Kennlinienasts (Anhebung) z. B durch Alterung. Die Kompensation des Masseversatzes allein kann gegebenenfalls auch durch die Verwendung eines Differenzverstärkers erfolgen.
  • Zum Überwachen der Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators wird vorzugsweise stromab von diesem eine zweite LambdaSonde angeordnet, die ein Signal abgibt, welches bei optimaler Konvertierung der Abgasschadstoffe in Signalverhalten eine geringe Welligkeit um den temperaturstabilen Wert Lambda = 1 aufweist. Eine Abweichung von diesem temperaturstabilen Punkt wird vorteilhaft zur Offsetkorrektur/-Adaption der Sondenausgangsspannung verwendet.

Claims (10)

1. Regelsystem zum Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine (10) auf eine einzuhaltende Luftzahl Lambda, wobei das Regelsystem eine im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnete Sauerstoffsonde (Lambda-Sonde) (13) aufweist, die bei Betrieb der Brennkraftmaschine ständig ihrem Abgas ausgesetzt ist und deren Ausgangsspannung, die ein Maß für die Luftzahl Lambda darstellt, sich im Bereich von Lambda gleich Eins im wesentlichen sprunghaft ändert, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (12) zum stetigen Regeln in einem Lambda=1 umfassenden Regelbereich, die den jeweiligen Ist-Wert der Luftzahl Lambda über die jeweils gemessene Sondenausgangsspannung in Verbindung mit einem zumindest näherungsweise vorgegebenen sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen der Größe der Sondenausgangsspannung und der damit gekoppelten Größe der Luftzahl Lambda bestimmt und den der einzuhaltenden Luftzahl Lambda entsprechenden Soll-Wert der Luftzahl Lambda vom Ist-Wert der Luftzahl Lambda abzieht und auf Grundlage der Differenz das Luft/Kraftstoff-Verhältnis regelt.
2. Regelsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (12) zum stetigen Regeln in einem Lambda=1 umfassenden Regelbereich, die als Soll-Wert eine Spannung verwendet, die der einzuhaltenden Luftzahl Lambda entsprechend der jeweiligen Sondencharakteristik zugeordnet ist, und über die Differenz der jeweils gemessenen Ist-Werte der Sondenspannung mit dem Soll-Wert der Sondenspannung in Verbindung mit einem zumindest näherungsweise vorgegebenen Zusammenhang zwischen der Größe der Spannungsdifferenz und der damit gekoppelten Größe der Luftzahldifferenz die Luftzahldifferenz bestimmt und auf Grundlage der Luftzahldifferenz das Luft/Kraftstoff-Verhältnis regelt.
3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadruch gekennzeichnet, daß der sondencharakteristische Zusammenhang in einem Kennfeld (16, 23) abgelegt ist.
4. Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenspannung bzw. die Spannungsdifferenz und eine von der Temperatur der Sonde abhängige Größe als Eingangsparameter des Kennfeldes (16, 23) verwendet werden.
5. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sondenspezifische Zusammenhang durch Verwenden mathematischer Funktionen abgebildet wird.
6. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parabel dritter Ordnung verwendet wird.
7. Regelsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Regelung auf Lambda gleich Eins die Regeleinrichtung (12) bis zu einer vorgegebenen kleinen Regelabweichung, von beispielsweise 3 %, stetiges Regelverhalten aufweist und bei einer größeren Regelabweichung die Regeleinrichtung ein Regelverhalten entsprechend einer Zweipunktregelung mit einer größeren Regelabweichung, von beispielsweise 6 %, aufweist.
8. Regelsystem nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regel-Sollwert der Spannung US(Soll) in Abhängigkeit der gemessenen maximalen und minimalen Sondenspannung (US (max), US(min)) gemäß der Formel U S(Soll) = U S(max) - U S(min) ) x K + U S(min)
Figure imgb0002
 adaptiert wird, wobei K ein konstanter Faktor ist, der anhand der Sondencharakteristik bestimmt wird.
9. Regelsystem nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils gemessenen Sondenspannung eine Offset-Korrektur überlagert wird.
10. Regelsystem nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (12) als Einrichtung mit stetigem PID-Verhalten ausgebildet ist.
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