EP1122415A2 - Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem Verbrennungsmotor Download PDF

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EP1122415A2
EP1122415A2 EP01100840A EP01100840A EP1122415A2 EP 1122415 A2 EP1122415 A2 EP 1122415A2 EP 01100840 A EP01100840 A EP 01100840A EP 01100840 A EP01100840 A EP 01100840A EP 1122415 A2 EP1122415 A2 EP 1122415A2
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EP
European Patent Office
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air
exhaust gas
internal combustion
fuel ratio
combustion engine
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EP1122415A3 (de
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Herald F. Arkenbosch
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Delphi Technologies Inc
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    • F02D41/1475—Regulating the air fuel ratio at a value other than stoichiometry

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the air-fuel ratio in an internal combustion engine, the exhaust gases of a catalyst are supplied, with the method of an engine control the signal of a seen in the flow direction of the exhaust gas before Catalyst arranged first exhaust gas sensor and the signal of an in Direction of flow seen after the catalyst arranged second Exhaust gas sensor is detected, the engine control during a closed-loop operating mode of the internal combustion engine based on the signal of the first exhaust gas sensor the air-fuel ratio of the internal combustion engine supplied air-fuel mixture to a predetermined Air-fuel ratio sets, and the engine control in the event of a deviation the set air-fuel ratio of one stoichiometric mass ratio the signal of the second exhaust gas sensor to readjust the set air-fuel ratio to the stoichiometric mass ratio used.
  • the engine control also has a stoichiometric mass ratio allows a different setting of the air-fuel ratio, for example during a downhill descent of the motor vehicle or during the throttling of the fuel supply when the motor vehicle is moving it is desirable that the set air-fuel ratio from stoichiometric mass ratio deviates so that the internal combustion engine the vehicle brakes. So that the performance of the catalyst despite the air / fuel mixture not adjusted to the stoichiometric mass ratio has a sufficiently high turnover rate, the A correspondingly large surface area so that the exhaust gases in can be oxidized or reduced to a sufficient extent.
  • the invention solves the problem by a method with the features according to claim 1, and in particular in that after an operation of the Internal combustion engine in an open-loop operating mode, in which the Motor control also deviates from the stoichiometric mass ratio Adjusting the air-fuel ratio takes place while a subsequent operation of the internal combustion engine in the closed-loop operating mode the readjustment of the air-fuel ratio with Be temporarily deactivated with the help of the signal of the second exhaust gas sensor can.
  • the second Exhaust gas sensor detects an exhaust gas composition that is not the actual one Operating conditions of the internal combustion engine corresponds. Otherwise would be the air-fuel ratio to be set by the engine control of the mixture to be supplied to the internal combustion engine Determined the basis of adulterated exhaust gas compositions, which in turn to an unfavorable setting of the air-fuel ratio would lead.
  • the air-fuel ratio is readjusted again activated so that the optimal operation of the internal combustion engine and the highest possible conversion rate of the catalyst required Adjustment of the air-fuel ratio of the mixture possible again becomes.
  • this method proposes only within one predetermined first period to check whether the value of the second exhaust gas sensor signal below the predetermined minimum Threshold is. Because the exhaust gas is an example of the engine speed dependent time taken by the internal combustion engine the catalyst to get to the second exhaust gas sensor is on this Way ensured that when assessing whether the readjustment is switched off should actually be the composition of the exhaust gas is determined that immediately before switching from the open loop mode of the internal combustion engine in the closed-loop mode in the cylinders of the internal combustion engine has flowed in.
  • the specified first period is specified as a fixed value for this, for example one Corresponds to the period of time that the exhaust gas during operation of the internal combustion engine at idle required by the internal combustion engine through the catalyst to get to the second exhaust gas sensor.
  • the engine control defines to assess whether the air-fuel mixture with air or Fuel must be enriched at a current switching point at which Exceeded by the value of the signal from the first exhaust gas sensor the mixture with air and when it falls below the mixture with Fuel is enriched.
  • the first exhaust gas sensor works in this way quasi as a digital sensor with a fixed switching point, which means a Particularly responsive regulation of the air-fuel ratio in a mixture is possible.
  • the current switching point from the engine control to a predetermined Set the switching point as soon as the readjustment of the air-fuel ratio is deactivated is like this chosen that the internal combustion engine a lean air-fuel mixture or a rich air-fuel mixture in which the supplied Amount of fuel above the stoichiometrically required amount of fuel lies, is supplied so that the conveyed from the internal combustion engine Exhaust the catalyst from the intermediates stored in it cleans or compensates for these intermediates.
  • Lambda sensors are preferably used as exhaust gas sensors depending on the oxygen content of the exhaust gas Voltage applied by the engine controller to determine the air-fuel ratio is tapped because lambda sensors are a quasi digital Show behavior which for determining the air-fuel ratio is particularly suitable due to the motor control.
  • the current switching point is at its exceeding the mixture with air or falling below it the mixture is enriched with fuel by a voltage value defined by the motor control with the tapped Voltage of the first lambda probe is compared.
  • Fig. 1 is an arrangement 10 for controlling in a schematic representation and controlling an internal combustion engine 12 one not shown Motor vehicle shown.
  • the outlet of the internal combustion engine 12 is with a front silencer 14, an exhaust system 16 in flow connection.
  • the front silencer 14 is in turn provided with a catalytic converter 18 connected, which merges into a central silencer 20.
  • At the middle silencer 20 closes a rear silencer, not shown the exhaust system 16.
  • one second lambda probe 24 positioned with its probe section in the connecting pipe of the catalytic converter 18 to the center silencer 20 protrudes.
  • the two lambda probes 22 and 24 are electrically conductive with one Engine control 26 connected, which in turn is connected to an injection system 28 of the engine 12 is electrically connected.
  • the injection system 28 is fueled by a fuel line 30 and by an intake port 32 supplied air.
  • the injection system 28 generates regulated by the motor controller 26, one according to the specifications of Engine control 26 adjusted air-fuel mixture, which in the individual Cylinder of the internal combustion engine 12 is injected in a known manner becomes.
  • the two lambda probes 22 and 24 record the oxygen content of the exhaust gas in the flow direction before and after the catalytic converter 18.
  • the mode of operation of the two identically designed lambda probes 22 and 24 is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the two lambda probes 22 and 24 work according to the principle of a galvanic oxygen concentration cell, the oxygen concentration in the exhaust gas being compared with the oxygen concentration in the ambient air. If the oxygen concentration of the exhaust gas differs from the oxygen concentration of the air, a voltage U 1 or U 2 corresponding to the concentration difference is applied to the lambda probe 22 or 24.
  • the two lambda probes 22 and 24 are designed such that they show the characteristic curve profile of the probe voltage U 1 and U 2 shown in FIG. 2 with respect to the air ratio ⁇ .
  • the probe voltage U 1 or U 2 is approximately 950 mV when the air ratio ⁇ ⁇ 0.9.
  • the characteristic curve shows an approximately parallel course to the high-value axis, ie that even the smallest changes in the air ratio ⁇ lead to large changes in voltage.
  • the slope of the characteristic curve decreases again until the branch shown on the right in FIG. 2 from ⁇ > 1.1 runs approximately parallel to the legal value axis.
  • a high probe voltage U 1 or U 2 is present at the lambda probe 22 or 24 if the air-fuel mixture burned in the internal combustion engine 12 had a fuel quantity above the stoichiometrically required fuel quantity before the combustion, so that the air ratio ⁇ ⁇ 1.
  • the characteristic curve shows an extremely low probe voltage.
  • the air ratio ⁇ is approximately 1, an abrupt change in the probe voltage occurs.
  • the first lambda probe 22 detects the oxygen content of the exhaust gas of the internal combustion engine 12 immediately upstream of the catalytic converter 18 and passes the detected oxygen concentration on to the engine controller 26 as the first probe voltage U 1 .
  • the exhaust gas continues to flow through the catalytic converter 18, is catalyzed in it and finally flows into the central silencer 20.
  • the exhaust gas catalyzed by the catalytic converter 18 is detected by the second lambda probe 24, which determines the oxygen content of the catalyzed exhaust gas and transmits it to the second sensor voltage U 2 Engine control 26 forwards.
  • the engine controller 26 determines, based on the first probe voltage U 1, the air-fuel ratio to be set in a known manner from a map in which different operating conditions of the engine based on the air ratio ⁇ are stored. Since, for example, due to aging processes, insufficient combustion of the internal combustion engine 12 and the like, the air-fuel ratio determined by the engine controller 26 on the basis of the first probe voltage U 1 can deviate from the desired stoichiometric air-fuel ratio, the second probe voltage is used U 2 checks the previously set air-fuel ratio and adjusts if necessary. In accordance with the air-fuel ratio determined in this way, the injection system 28 is now controlled, which supplies the internal combustion engine 12 with the previously set amount of fuel and air.
  • FIG. 3 shows the course of the probe voltage U 1 over a longer period of time, the line running parallel to the time axis defining a switching point U bias .
  • the air-fuel ratio is regulated in accordance with the curve shown in FIG. 3, so that the first probe voltage U 1 exhibits an approximately sinusoidal curve around the switching point U bias .
  • the previously described closed loop operating mode can no longer be maintained. If the motor vehicle is driven downhill, for example, with a low gear, the internal combustion engine 12 should work as a so-called "engine brake". For this purpose, an air-fuel mixture containing a very high proportion of air is supplied to the internal combustion engine 12. Since the engine controller 26 would attempt to set the air / fuel mixture to a stoichiometric mass ratio in the closed-loop operating mode of the combustion mode 12, this would run counter to the braking function of the internal combustion engine 12.
  • the internal combustion engine 12 is operated in such a case in the so-called open-loop operating mode, in which the engine controller 26 sets an air-fuel ratio of the mixture that differs from the stoichiometric mass ratio in accordance with stored data.
  • the two lambda probes 22 and 24 record the oxygen content of the exhaust gas, but the determined probe voltages U 1 and U 2 are not used directly to set the air-fuel ratio of the mixture.
  • the catalytic converter 18 is usually designed in such a way that that a predetermined amount of oxygen is stored in the catalyst 18 is a predetermined percentage of the maximum in the catalyst 18 corresponds to the amount of oxygen to be stored, provided the conversion rate of the catalyst 18 has not already been removed by aging processes Has.
  • the exhaust gas flows through the catalytic converter 18 Hydrocarbon molecules and the carbon monoxide molecules through the Oxygen stored in the catalyst is oxidized, while not with Oxygen occupied the surface sections of the catalyst 18 Reduce nitrogen oxides and store the oxygen.
  • closed loop mode of the internal combustion engine 12 prevails in the catalytic converter 18 a balance between the oxidation and reduction reactions, so that the exhaust gases catalyze according to the legal requirements can be, if at least approximately in the internal combustion engine 12 stoichiometric air-fuel mixture is burned.
  • the table below shows the test results of a Test cycle of the according to the specifications of the MVEG (Motor Vehicle Emission Group) of the European Union. In this series of experiments a total of four city cycles (supercycles) driven at which the maximum speed is about 50 km / h.
  • the average total turnover rate of catalyst 18 (about 97% each) during a normal city cycle or overland cycle compared to the average turnover rate, which the catalyst 18 in a short cycle immediately after Open-loop operation, in which the internal combustion engine with a Speed of about 35 km / h or 50 km / h was operated.
  • FIG. 4 shows a diagram in which the probe voltages are plotted over time. If the arrangement 10 is operated in a conventional manner, the entire control takes about 70 seconds to function properly again. While the probe voltage U 1 of the first lambda probe 22 oscillates around the switching point U bias , the second probe voltage U 2 of the second lambda probe 24 shows very low values which indicate to the engine control 26 that the oxygen content in the exhaust gas is too high, so that the engine control 26 has a correspondingly richer value Mixture sets what would not be required per se. In order to avoid this, the method according to the invention described below with reference to FIG. 5 is used, the proper operation of the catalytic converter being possible again in a comparatively short time.
  • the engine controller 26 continuously checks in a step S 101 whether the internal combustion engine 12 is operated from an open-loop operating mode in a subsequent closed-loop operating mode. If this is not the case, engine controller 26 returns to its main routine (out), in which it adjusts the air-fuel ratio in a conventional manner, for example. In contrast, if the internal combustion engine 12 was previously operated in an open-loop operating mode while it is subsequently operated in a closed-loop operating mode, a counter is activated in a subsequent document S 102, which counts a predetermined time period t 1 .
  • step S 201 the current value of the counter t is compared with the predetermined time t 1 . If the current time t is below the predetermined time period ti, the engine control 26 proceeds to step S 202.
  • step S 202 it is checked whether the current probe voltage U 2 of the second lambda probe 24 is below a minimum threshold value U min , ie in step S 202 it is checked whether the oxygen concentration detected by the second lambda probe 24 is above or below a predetermined oxygen concentration. If the oxygen concentration in the exhaust gas is above the threshold value, the second probe voltage U 2 is below the minimum permissible voltage value U min . If, on the other hand, the oxygen concentration is below the threshold value, the second probe voltage U 2 is above the minimum permissible threshold value. In the exemplary embodiment shown, the threshold value U min is approximately 100 mV.
  • step S 202 If it is detected in step S 202 that the second probe voltage U 2 is above the minimum permissible threshold value U min , the control returns to step S 201 and checks whether the time t currently counted by the counter corresponds to the predetermined time period t 1 . This process is repeated until either it is detected in step S 201 that the current time t corresponds to the predetermined time period t 1 , or it is determined in step S 202 that the second probe voltage U 2 falls below the minimum permissible threshold value U min .
  • step S 301 If the current time t counted by the counter corresponds to the predetermined time period t 1 , the control proceeds to step S 301. If, on the other hand, the second probe voltage U 2 is below the minimum permissible threshold value U min , the engine control 26 continues with step S 203.
  • step S 203 the engine controller 26 deactivates the readjustment function, so that during the closed-loop operating mode of the internal combustion engine 12, the air / fuel mixture is only adjusted based on the first probe voltage U 1 of the first lambda probe 22 upstream of the catalytic converter 18. while the second probe voltage U 2 is not taken into account when setting the mixture.
  • the engine control unit 26 jumps to step S 301.
  • the engine control unit 26 therefore checked in steps S 201 to S 203 whether the oxygen content contained in the exhaust gas exceeds a value that is correct Regulation of the air-fuel ratio of the mixture is hampered by the engine control 26, or whether the oxygen content in the exhaust gas has such a low value that the engine control 26 can determine the mixture on the basis of both probe voltages U 1 and U 2 . In this way, it is ensured that the readjustment is only deactivated when the oxygen content in the catalytic converter 18 has risen so high due to the previous mode of operation in the open-loop operation of the internal combustion engine 12 that during the subsequent closed-loop operation of the internal combustion engine 12 a proper setting of the mixture would not be possible.
  • step S 301 the engine controller 26 checks whether the readjustment has been deactivated or not. If the readjustment has not been deactivated, the engine control 26 returns to its main routine. If, on the other hand, it is determined in step S 301 that the readjustment has been deactivated, the engine control 26 continues with step S 302. In step S 302 it is checked whether the switching point U bias currently set by the engine controller 26 is below a lowest permissible switching point U DFCO of approximately 609 mV. The current switching point U bias is usually around 482 mV. Nevertheless, it is possible that the current switching point already has a higher value due to a previous setting.
  • the predetermined switching point U DFCO is approximately 609 mV, so that if this predetermined switching point were used, the engine control 26 would set a rich air-fuel mixture which contained a fuel quantity which was above the stoichiometrically required amount.
  • step S 302 determines in step S 302 that the current switching point U bias is greater than or equal to the predetermined switching point U DFCO . If the engine controller 26 determines in step S 302 that the current switching point U bias is greater than or equal to the predetermined switching point U DFCO , the engine controller 26 jumps to step S 401. On the other hand, the engine controller 26 determines in step S 302 that the current switching point U bias is below the predetermined switching point U DFCO , it jumps to step S 303, in which the value of the current switching point U bias is set to the value of the predetermined switching point U DFCO . The engine control 26 then jumps to step S 401. In steps S 301 to S 303, the switching point at which the engine control 26 regulates the mixture based on the first probe voltage U 1 is increased, so that the mixture as a whole has a higher fuel content .
  • step S 401 the motor controller 26 now checks whether the second probe voltage U 2 is above a maximum permissible threshold value, which in the present case corresponds to approximately 501 mV. In other words, the engine controller 26 checks in step S 401 whether the oxygen concentration in the exhaust gas has already decreased after catalyzing to such an extent that proper regulation is possible again.
  • step S 402. the counter is reactivated and in step S 403 the current time t is compared with a second time period t 2 until the current value t of the counter corresponds to the predetermined time period t 2 corresponds. If this is the case, the engine control 26 jumps to step S 404, in which the readjustment is activated again. Control then jumps from step S 404 to its main routine. In steps S 401 and S 404 it is checked whether the oxygen stored in the catalytic converter 18 has reached such a low level that proper readjustment is possible again with the aid of the second probe voltage U 2 .
  • the engine controller 26 detects that the internal combustion engine 12 is again operated in a closed loop operating mode after an open-loop operating mode, the engine controller 26 checks in steps S 201 to S 203 whether the oxygen concentration in the exhaust gas after the catalytic converter 18 has reached such a high value that proper readjustment using the second probe voltage U 2 is no longer possible. If this is the case, the readjustment is deactivated. The current switching point U bias is then raised to a predetermined switching point U DFCO in steps S 302 and S 303, as shown in FIG. 4.
  • the motor controller 26 continuously checks in step S 401 whether the second probe voltage U 2 corresponds to the maximum permissible threshold value U max . In the diagram shown in FIG. 4, this is the case as soon as the second probe voltage U 2 has reached a value of 501 mV. Subsequently, the readjustment that takes place with the aid of the second probe voltage U 2 is reactivated and the predetermined switching point U DFCO is reset to the current switching point U bias in a step that is not shown.
  • the conversion rates of the catalyst 18 were determined for 30 seconds during a closed-loop operation at a speed of approximately 50 km / h, which followed an open-loop operation of the internal combustion engine 12 at a speed of 70 km / h .
  • the various conversion rates in Table 2 show that if the readjustment is deactivated and the switching point U bias is simultaneously increased to the higher U DFCO value, the conversion rates of the catalyst 18 can be significantly improved.
  • the method according to the invention ensures that the Catalyst 18 in a shorter time by deactivating the readjustment and raising the switching point of the first lambda probe 22 the catalyst 18 reaches its maximum conversion rates faster.
  • the catalyst can have a lower conversion rate Have capacity than when using a conventional control method without deactivating the readjustment since the catalytic converter when using the method according to the invention no longer has a accordingly increased storage capacity for the resulting oxygen must be designed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem Verbrennungsmotor, dessen Abgase einem Katalysator zugeführt werden. Bei dem Verfahren erfaßt eine Motorsteuerung das Signal eines in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Katalysator angeordneten ersten Abgassensors und das Signal eines in Strömungsrichtung gesehenen nach dem Katalysator angeordneten zweiten Abgassensors. Während eines Closed-Loop-Betriebes des Verbrennungsmotors stellt die Motorsteuerung, basierend auf dem Signal des ersten Abgassensors, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemisches ein, wobei das eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Abweichung von einem stöchiometrischen Massenverhältnis auf Grundlage des Signals des zweiten Abgassensors auf das stöchiometrische Massenverhältnis nachgeregelt wird. Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Open-Loop-Betriebsmodus, bei dem die Motorsteuerung auch ein vom stöchiometrischen Massenverhältnis abweichendes Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vornimmt, wird während eines nachfolgenden Closed-Loop-Betriebes des Verbrennungsmotors die Nachregelung mit Hilfe des Signals des zweiten Abgassensors zeitweise deaktiviert. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem Verbrennungsmotor, dessen Abgase einem Katalysator zugeführt werden, wobei bei dem Verfahren von einer Motorsteuerung das Signal eines in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Katalysator angeordneten ersten Abgassensors und das Signal eines in Strömungsrichtung gesehen nach dem Katalysator angeordneten zweiten Abgassensors erfaßt wird, die Motorsteuerung während eines Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors basierend auf dem Signal des ersten Abgassensors das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches auf ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, und die Motorsteuerung bei einer Abweichung des eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem stöchiometrischen Massenverhältnis das Signal des zweiten Abgassensors zur Nachregelung des eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Massenverhältnis verwendet.
Durch den Einsatz geregelter Katalysatoren bei Verbrennungsmotoren können mit den heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. So hat der Katalysator unter anderem die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxide (CO) und Stickoxide (Nox) bis zu mehr als 90% abzubauen, falls der Verbrennungsmotor in einem sehr engen Streubereich um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, bei dem das Luftverhältnis λ = 1 ist, Das Luftverhältnis λ ist dabei als Verhältnis aus zugeführter Luftmasse bezogen auf den theoretischen Luftbedarf definiert.
Mit Hilfe des eingangs genannten Verfahrens kann während des Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches basierend auf dem Signal des ersten Abgassensors eingestellt wird, bei Abweichung dieses eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem zuvor beschriebenen stöchiometrischen Massenverhältnis das Signal des zweiten Abgassensors verwendet werden, um das eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das stöchiometrische Massenverhältnis nachzuregeln.
Beim sogenannten Open-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors, bei dem die Motorsteuerung auch eine vom stöchiometrischen Massenverhältnis abweichende Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zuläßt, beispielsweise während einer Bergabfahrt des Kraftfahrzeuges oder während der Drosselung der Kraftstoffzufuhr bei fahrendem Kraftfahrzeug, ist es erwünscht, daß das eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis vom stöchiometrischen Massenverhältnis abweicht, damit der Verbrennungsmotor das Fahrzeug bremst. Damit die Leistung des Katalysators trotz des nicht auf das stöchiometrische Massenverhältnis eingestellten Luft-Kraftstoff-Gemisches eine ausreichend hohe Umsatzrate besitzt, weist der Katalysator eine entsprechend große Oberfläche auf, damit die Abgase in ausreichendem Maß oxidiert bzw. reduziert werden können.
Bei längerem Betrieb des Verbrennungsmotors im Open-Loop-Betriebsmodus besteht jedoch das Problem, daß es beispielsweise bei Verbrennung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches, bei dem die dem Motor zugeführte Luftmenge über der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge liegt, zu einer Anreicherung von Sauerstoff im Katalysator kommt, an dessen katalytisch wirksamer Oberfläche sich die Sauerstoffmoleküle ablagern. Durch die Anreicherung des Sauerstoffs im Katalysator ist zwar einerseits die Oxidation der Kohlenmonoxide in Kohlendioxid und die Oxidation der Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid und Wasser verbessert, andererseits ist jedoch eine Reduzierung der Stickoxide nur mehr in vermindertem Maß möglich, da der in den Stickoxiden gebundene Sauerstoff nicht mehr an den Katalysator abgegeben werden kann. Als Folge können während eines einem Open-Loop-Betriebes des Verbrennungsmotors folgenden Closed-Loop-Betriebes die Abgase nur durch Verwendung eines entsprechend groß dimensionierten Katalysators in ausreichendem Maß katalysiert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem Verbrennungsmotor anzugeben, durch das nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors im Open-Loop-Betriebsmodus der Katalysator während des nachfolgenden Betriebes des Verbrennungsmotors im Closed-Loop-Betriebsmodus in verglichen bei dem Einsatz herkömmlicher Verfahren kürzerer Zeit eine ausreichend hohe Umsatzrate aufweist.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1, und insbesondere dadurch, daß nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Open-Loop-Betriebsmodus, bei dem die Motorsteuerung auch ein vom stöchiometrischen Massenverhältnis abweichendes Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vornimmt, während eines nachfolgenden Betriebes des Verbrennungsmotors im Closed-Loop-Betriebsmodus die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit Hilfe des Signals des zweiten Abgassensors zeitweise deaktiviert werden kann.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, daß unmittelbar nach dem Wechseln des Betriebes des Verbrennungsmotors vom Open-Loop-Betriebsmodus in den Closed-Loop-Betriebsmodus die Motorsteuerung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Gemisches zeitweise nur auf Grundlage des Signals des ersten Abgassensors einstellt. Folglich wird bei abgeschalteter Nachregelung nur die Zusammensetzung des nicht-katalysierten Abgases vor dem Katalysator für die Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemisches herangezogen, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, während die Zusammensetzung des katalysierten Abgases bei der Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unberücksichtigt bleibt. Auf diese Weise wird vermieden, daß basierend auf eventuell im Katalysator gespeicherten, teilweise katalysierten Zwischenprodukten, wie beispielsweise nach einem Open-Loop-Betrieb des Verbrennungsmotors mit magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch im Katalysator gespeicherter Sauerstoff, die vom durch den Katalysator strömenden Abgas mitgerissen werden, der zweite Abgassensor eine Abgaszusammensetzung erfaßt, die nicht den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors entspricht. Anderenfalls würde das von der Motorsteuerung einzustellende Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Gemisches auf Grundlage verfälschter Abgaszusammensetzungen bestimmt, die wiederum zu einer ungünstigen Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führen würde. Nachdem die Nachregelung zeitweise deaktiviert war, um die im Katalysator gespeicherten Zwischenprodukte zumindest teilweise abzuführen, wird die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erneut aktiviert, damit die für einen optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors und eine möglichst hohe Umsatzrate des Katalysators erforderliche Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemisches wieder möglich wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen.
So ist es insbesondere von Vorteil, die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während des Closed-Loop-Betriebsmodus zeitweise zu deaktivieren, wenn der Verbrennungsmotor während des zuvor erfolgten Open-Loop-Betriebsmodus mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wurde, bei dem die zugeführte Luftmenge des Gemisches über der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge lag. Gerade bei der Verbrennung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches im Verbrennungsmotor entstehen im Abgas Sauerstoffmoleküle, die sich an der katalytisch wirksamen Schicht des Katalysators ablagern und insbesondere eine Reduktion der Stickoxide in den Abgasen verhindern, während gleichzeitig die Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe durch den hohen Sauerstoffgehalt des im Katalysator befindlichen Abgases oxidiert werden. So wurden Versuchsreihen nach den Vorschriften der europäischen MVEG (Motor Vehicle Emission Group) durchgeführt, die als MVEG-B-Test bekannt sind, in denen ermittelt wurde, daß nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors im Open-Loop-Betrieb die Stickoxide während des Closed-Loop-Betriebes des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dem Open-Loop-Betrieb nur zu etwa 83% umgesetzt werden konnten, während üblicherweise eine Umsatzrate des Katalysators bei Stickoxiden von annähernd 97% erreicht wird. Durch das zeitweise Abschalten der Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird erreicht, daß der im Abgas enthaltene hohe Sauerstoffgehalt bei der Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemisches nicht berücksichtigt wird und die Umsatzrate des Katalysators entsprechend zunimmt, da die Motorsteuerung mit Hilfe des Signals des ersten Abgassensors ein zumindest an das stöchiometrische Verhältnis angenähertes Gemisch einstellt. Insbesondere bei dieser zuvor beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur dann zu deaktivieren, wenn das vom zweiten Abgassensor an die Motorsteuerung abgegebene Signal einen Wert annimmt, der unter einem vorgegebenen minimalen Schwellenwert liegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß wenn der Verbrennungsmotor nur über einen kurzen Zeitraum im Open-Loop-Betriebsmodus gefahren wurde, bei dem sich eine vernachlässigbar kleine Menge an Zwischenprodukten im Katalysator angesammelt hat, die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dennoch vorgenommen wird.
Des weiteren wird bei diesem Verfahren vorgeschlagen, nur innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitraums zu überprüfen, ob der Wert des vom zweiten Abgassensor abgegebenen Signals unter dem vorgegebenen minimalen Schwellenwert liegt. Da das Abgas eine beispielsweise von der Motordrehzahl abhängige Zeit benötigt, um vom Verbrennungsmotor durch den Katalysator bis zum zweiten Abgassensor zu gelangen, wird auf diese Weise sichergestellt, daß bei der Beurteilung, ob die Nachregelung abgeschaltet werden soll, auch tatsächlich die Zusammensetzung des Abgases ermittelt wird, das unmittelbar vor dem Umschalten von dem Open-Loop-Betrieb des Verbrennungsmotors in den Closed-Loop-Betrieb in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingeströmt ist. Der vorgegebene erste Zeitraum wird hierzu als fester Wert vorgegeben, der beispielsweise einem Zeitraum entspricht, den das Abgas bei Betrieb des Verbrennungsmotors im Leerlauf benötigt, um vom Verbrennungsmotor durch den Katalysator zum zweiten Abgassensor zu gelangen.
Damit sichergestellt wird, daß die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur so kurz wie möglich deaktiviert ist, wird vorgeschlagen die Nachregelung dann wieder aufzunehmen, wenn das vom zweiten Abgassensor an die Motorsteuerung abgegebene Signal einen vorgegebenen maximalen Schwellenwert überschreitet. Dabei ist es ferner von Vorteil, wenn, nachdem das vom zweiten Abgassensor an die Motorsteuerung abgegebene Signal den vorgegebenen maximalen Schwellenwert überschritten hat, die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach Ablauf einer vorgegebenen zweiten Zeitdauer wieder aufzunehmen, damit ein sanfter Übergang beim nachfolgenden Aktivieren der Nachregelung ermöglicht werden kann.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens definiert die Motorsteuerung zur Beurteilung, ob das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Luft oder Kraftstoff angereichert werden muß, einen aktuellen Schaltpunkt, bei dessen Überschreiten durch den Wert des Signals des ersten Abgassensors das Gemisch mit Luft und bei dessen Unterschreiten das Gemisch mit Kraftstoff angereichert wird. Auf diese Weise arbeitet der erste Abgassensor quasi als digitaler Sensor mit einem festen Schaltpunkt, wodurch eine besonders schnell ansprechende Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Gemisch möglich ist.
Bei dieser Weiterbildung des Verfahrens ist es besonders von Vorteil, den aktuellen Schaltpunkt von der Motorsteuerung auf einen vorgegebenen Schaltpunkt einzustellen, sobald die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses deaktiviert wird. Der vorgegebene Schaltpunkt ist dabei so gewählt, daß dem Verbrennungsmotor ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch bzw. ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch, bei dem die zugeführte Kraftstoffmenge über der stöchiometrisch erforderlichen Kraftstoffmenge liegt, zugeführt wird, damit das aus dem Verbrennungsmotor geförderte Abgas den Katalysator von den in ihm gespeicherten Zwischenprodukten reinigt bzw. diese Zwischenprodukte kompensiert.
Als Abgassensoren werden vorzugsweise Lambdasonden verwendet, an denen in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abgases jeweils eine Spannung anliegt, die von der Motorsteuerung zum Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abgegriffen wird, da Lambdasonden ein quasi digitales Verhalten zeigen, welches für die Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch die Motorsteuerung besonders geeignet ist.
Bei Verwendung von Lambdasonden wird der aktuelle Schaltpunkt, bei dessen Überschreiten das Gemisch mit Luft bzw. bei dessen Unterschreiten das Gemisch mit Kraftstoff angereichert wird, durch einen Spannungswert definiert, der von der Motorsteuerung mit der abgegriffenen Spannung der ersten Lambdasonde verglichen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer Anordnung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Verbrennungsmotor regelt,
Fig. 2
ein Diagramm, in dem die Spannungskennlinie einer Lambdasonde bezogen auf das Luftverhältnis λ dargestellt ist,
Fig. 3
ein Diagramm, in dem die Sondenspannung der Lambdasonde bezogen auf die Zeit dargestellt ist,
Fig. 4
ein Diagramm, in dem die Verläufe der Sondenspannungen der beiden Lambdasonden bezogen auf die Zeit mit und ohne Deaktivierung der Nachregelung gezeigt sind, und
Fig. 5
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Anordnung 10 zum Regeln und Steuern eines Verbrennungsmotors 12 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges gezeigt. Der Auslaß des Verbrennungsmotors 12 steht mit einem Vorschalldämpfer 14, einer Abgasanlage 16 in Strömungsverbindung. Der Vorschalldämpfer 14 ist seinerseits mit einem Katalysator 18 verbunden, der in einen Mittelschalldämpfer 20 übergeht. An den Mittelschalldämpfer 20 schließt sich ein nicht dargestellter Nachschalldämpfer der Abgasanlage 16 an. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Katalysator 18 ist nahe diesem in dem Verbindungsrohr des Vorschalldämpfers 14 zum Katalysator 18 eine erste Lambdasonde 22 angeordnet, die mit ihrem Sondenkopf in das Verbindungsrohr ragt. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen nach dem Katalysator 18 ist eine zweite Lambdasonde 24 positioniert, die mit ihrem Sondenabschnitt in das Verbindungsrohr des Katalysators 18 zum Mittelschalldämpfer 20 ragt.
Die beiden Lambdasonden 22 und 24 sind elektrisch leitend mit einer Motorsteuerung 26 verbunden, die ihrerseits mit einer Einspritzanlage 28 des Verbrennungsmotors 12 elektrisch leitend verbunden ist. Der Einspritzanlage 28 wird durch eine Kraftstoffleitung 30 Kraftstoff und durch einen Ansaugstutzen 32 Luft zugeführt. Die Einspritzanlage 28 erzeugt, geregelt durch die Motorsteuerung 26, ein entsprechend den Vorgaben der Motorsteuerung 26 eingestelltes Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in die einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors 12 in bekannterweise eingespritzt wird.
Während des Betriebes des Verbrennungsmotors 12 erfassen die beiden Lambdasonden 22 und 24 den Sauerstoffgehalt des Abgases in Strömungsrichtung gesehen vor bzw. nach dem Katalysator 18. Die Arbeitsweise der beiden identisch ausgebildeten Lambdasonden 22 und 24 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 näher erläutert. Die beiden Lambdasonden 22 und 24 arbeiten nach dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle, wobei die Sauerstoffkonzentration im Abgas mit der Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft verglichen wird. Unterscheidet sich die Sauerstoffkonzentration des Abgases von der Sauerstoffkonzentration der Luft, liegt an der Lambdasonde 22 bzw. 24 eine dem Konzentrationsunterschied entsprechende Spannung U1 bzw. U2 an. Die beiden Lambdasonden 22 und 24 sind so ausgebildet, daß sie den in Fig. 2 gezeigten Kennlinienverlauf der Sondenspannung U1 bzw. U2 bezogen auf das Luftverhältnis λ zeigen.
Wie Fig. 2 zeigt, liegt die Sondenspannung U1 bzw. U2 bei etwa 950 mV, wenn das Luftverhältnis λ < 0,9 ist. Bei einem Luftverhältnis λ von einem Wert um den Betrag 1 zeigt die Kennlinie einen annähernd parallelen Verlauf zur Hochwertachse, d. h. daß bereits kleinste Änderungen des Luftverhältnisses λ zu großen Spannungsänderungen führen. Mit weiter zunehmendem Luftverhältnis λ nimmt die Steigung der Kennlinie wieder ab, bis der in Fig. 2 rechts dargestellte Zweig ab λ > 1,1 annähernd parallel zur Rechtswertachse verläuft. Mit anderen Worten liegt an der Lambdasonde 22 bzw. 24 eine hohe Sondenspannung U1 bzw. U2 an, wenn das im Verbrennungsmotor 12 verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch vor der Verbrennung eine über der stöchiometrisch erforderlichen Kraftstoffmenge liegende Kraftstoffmenge aufwies, so daß das Luftverhältnis λ < 1 ist. Wurde dagegen der Verbrennungsmotor 12 mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben, bei dem die zugeführte Luftmenge über der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge lag, zeigt die Kennlinie eine äußerst geringe Sondenspannung. Liegt dagegen das Luftverhältnis λ annähernd bei dem Wert 1, tritt eine schlagartige Änderung der Sondenspannung auf. Mit Hilfe dieses als quasi digital zu bezeichnenden Verhaltens der Lambdasonden 22 und 24 ist eine sehr genaue Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemisches möglich, da bereits kleinste Änderungen des Luftverhältnisses λ zu großen Spannungsänderungen der Sondenspannungen U1 und U2 führen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Arbeitsweise der Anordnung 10 näher erläutert. Wird der Verbrennungsmotor 12 in einem Closed-Loop-Betriebsmodus betrieben, erfaßt die erste Lambdasonde 22 den Sauerstoffgehalt des Abgases des Verbrennungsmotors 12 unmittelbar vor dem Katalysator 18 und gibt die erfaßte Sauerstoffkonzentration als erste Sondenspannung U1 an die Motorsteuerung 26 weiter. Das Abgas strömt weiter durch den Katalysator 18, wird in diesem katalysiert und strömt schließlich in den Mittelschalldämpfer 20. Das vom Katalysator 18 katalysierte Abgas wird von der zweiten Lambdasonde 24 erfaßt, die den Sauerstoffgehalt des katalysierten Abgases ermittelt und als zweite Sondenspannung U2 an die Motorsteuerung 26 weiterleitet. Die Motorsteuerung 26 ermittelt basierend auf der ersten Sondenspannung U1 das einzustellende Luft-Kraftstoff-Verhältnis in bekannterweise aus einem Kennfeld, in dem unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors bezogen auf das Luftverhältnis λ abgespeichert sind. Da beispielsweise, aufgrund von Alterungsprozessen, unzureichender Verbrennung des Verbrennungsmotors 12 und ähnlichem, das von der Motorsteuerung 26 auf Grundlage der ersten Sondenspannung U1 ermittelte Luft-Kraftstoff-Verhältnis vom gewünschten stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweichen kann, wird mit Hilfe der zweiten Sondenspannung U2 das zuvor eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis kontrolliert und gegebenenfalls nachgeregelt. Entsprechend dem so ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird nun die Einspritzanlage 28 angesteuert, die dem Verbrennungsmotor 12 die zuvor eingestellte Menge an Kraftstoff und Luft zuführt.
In Fig. 3 ist der Verlauf der Sondenspannung U1 über einen längeren Zeitraum dargestellt, wobei die parallel zur Zeitachse verlaufende Linie einen Schaltpunkt Ubias definiert. Während des Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors 12 wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem in Fig. 3 gezeigten Verlauf geregelt, so daß die erste Sondenspannung U1 einen etwa sinusförmigen Verlauf um den Schaltpunkt Ubias zeigt.
Bei bestimmten Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 12 kann der zuvor beschriebene Closed-Loop-Betriebsmodus nicht mehr eingehalten werden. Wird das Kraftfahrzeug beispielsweise mit einem niedrig eingelegten Gang bergab gefahren, soll der Verbrennungsmotor 12 als sogenannte "Motorbremse" arbeiten. Zu diesem Zweck wird dem Verbrennungsmotor 12 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt, das einen sehr hohen Luftanteil enthält. Da die Motorsteuerung 26 im Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmodus 12 versuchen würde, das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf ein stöchiometrisches Massenverhältnis einzustellen, würde dies der Bremsfunktion des Verbrennungsmotors 12 zuwiderlaufen. Aus diesem Grund wird der Verbrennungsmotor 12 in einem derartigen Fall im sogenannten Open-Loop-Betriebsmodus gefahren, bei dem die Motorsteuerung 26 entsprechend abgespeicherter Daten ein vom stöchiometrischen Massenverhältnis abweichendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches einstellt. In diesem Open-Loop-Betriebsmodus erfassen die beiden Lambdasonden 22 und 24 zwar den Sauerstoffgehalt des Abgases, die ermittelten Sondenspannungen U1 und U2 werden jedoch nicht unmittelbar zur Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemisches verwendet.
Insbesondere während des Betriebes des Verbrennungsmotors 12 mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch steigt der Sauerstoffgehalt im Abgas an, wodurch das Problem besteht, daß der Sauerstoffüberschuß im Abgas sich an der katalytisch wirksamen Schicht des Katalysators 18 ablagert und dessen Funktion zumindest kurzfristig nachteilig beeinflußt, wie nachfolgend erläutert wird. Üblicherweise ist der Katalysator 18 so ausgelegt, daß eine vorgegebene Menge an Sauerstoff im Katalysator 18 gespeichert ist, die einem vorgegebenen Prozentsatz der maximal im Katalysator 18 zu speichernden Sauerstoffmenge entspricht, sofern die Umsatzrate des Katalysators 18 nicht durch Alterungsprozesse bereits abgenommen hat. Strömt nun das Abgas durch den Katalysator 18 werden die Kohlenwasserstoffmoleküle und die Kohlenmonoxidmoleküle durch den im Katalysator gespeicherten Sauerstoff oxidiert, während die nicht mit Sauerstoff belegten Oberflächenabschnitte des Katalysators 18 die Stickoxide reduzieren und den Sauerstoff speichern. Während des Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors 12 herrscht im Katalysator 18 ein Gleichgewicht zwischen den Oxidations- und Reduktionsreaktionen, so daß die Abgase entsprechend den gesetzlichen Vorgaben katalysiert werden können, sofern im Verbrennungsmotor 12 ein zumindest annähernd stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird.
Wird nun der Verbrennungsmotor 12 über einen längeren Zeitraum mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben, wird ein Großteil der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators 18 mit Sauerstoffmolekülen belegt, so daß eine ausreichende Reduktion der Stickoxide im Katalysator 18 nur mehr eingeschränkt möglich ist. Wird nun nach einem Open-Loop-Betrieb der Verbrennungsmotor wieder im Closed-Loop-Betriebsmodus gefahren, bei dem ein stöchiometrisch eingestelltes Luft-Kraftstoff-Verhältnis verbrannt wird, kommt es zu einer unzureichenden Katalyse der Abgase.
So zeigt die nachfolgend aufgeführte Tabelle die Versuchsergebnisse eines Testzyklus der nach dem Vorgaben der MVEG (Motor Vehicle Emission Group) der Europäischen Union durchgeführt wurde. Bei dieser Versuchsreihe werden aufeinanderfolgend insgesamt vier Stadtzyklen (supercycles) gefahren, bei denen die maximale Geschwindigkeit bei etwa 50 km/h liegt.
Anschließend wird das Fahrzeug mit einem Überlandzyklus betrieben (EUDC = extra urban driving cycle), bei dem das Fahrzeug bis auf eine Geschwindigkeit von 120 km/h beschleunigt wird.
Versuchszyklus durchschnittliche Umsatzrate NOx
Stadtzyklus normal 97%
Kurzzyklus unmittelbar nach Open-Loop-Betrieb 83%
Überlandzyklus normal 97%
Kurzzyklus unmittelbar nach Open-Loop-Betrieb 74%
Bei den Versuchsreihen wurde die durchschnittliche Gesamtumsatzrate des Katalysators 18 (jeweils etwa 97%) während eines normalen Stadtzyklus bzw. Überlandzyklus mit der durchschnittlichen Umsatzrate verglichen, die der Katalysator 18 bei einem Kurzzyklus unmittelbar nach dem Open-Loop-Betrieb aufweist, bei dem der Verbrennungsmotor mit einer Geschwindigkeit von etwa 35 km/h bzw. 50 km/h betrieben wurde.
Wie Tabelle 1 zeigt, sinkt unmittelbar nach einem Open-Loop-Betrieb des Verbrennungsmotors 12 die Umsatzrate für Stickoxide deutlich ab. Dies läßt sich damit erklären, daß bei herkömmlichen Motorsteuerungen, sobald der Closed-Loop-Betrieb wieder aufgenommen wird, die erste Lambdasonde 22 zwar die richtige Sauerstoffkonzentration im Abgas erfaßt, die zweite Lambdasonde 24 aufgrund des im Katalysator 18 gespeicherten Sauerstoffs eine im Abgas enthaltene falsche Sauerstoffkonzentration ermittelt und demzufolge die Motorsteuerung 26 bei herkömmlichem Betrieb das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches nachregelt, ohne daß dies möglicherweise erforderlich ist.
So zeigt Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Sondenspannungen über die Zeit aufgetragen sind. Wird die Anordnung 10 in herkömmlicherweise betrieben, benötigt die gesamte Regelung etwa 70 Sekunden bis sie wieder ordnungsgemäß arbeitet. Während die Sondenspannung U1 der ersten Lambdasonde 22 um den Schaltpunkt Ubias schwingt, zeigt die zweite Sondenspannung U2 der zweiten Lambdasonde 24 sehr niedrige Werte, die der Motorsteuerung 26 einen zu hohen Sauerstoffgehalt im Abgas angeben, so daß die Motorsteuerung 26 ein entsprechend fetteres Gemisch einstellt, was an sich nicht erforderlich wäre. Um dies zu vermeiden, wird das nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, durch dessen Verwendung innerhalb vergleichsweise kurzer Zeit ein ordnungsgemäßer Betrieb des Katalysators wieder möglich ist.
Während des Betriebes des Verbrennungsmotors 12 überprüft die Motorsteuerung 26 kontinuierlich in einem Schritt S 101, ob der Verbrennungsmotor 12 ausgehend von einem Open-Loop-Betriebsmodus in einem nachfolgenden Closed-Loop-Betriebmodus betrieben wird. Ist dies nicht der Fall, kehrt die Motorsteuerung 26 zu ihrer Hauptroutine (out) zurück, in der sie beispielsweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in herkömmlicher Weise einstellt. Wurde dagegen der Verbrennungsmotor 12 zuvor in einem Open-Loop-Betriebsmodus betrieben, während er nachfolgend in einem Closed-Loop-Betriebsmodus gefahren wird, wird in einem nachfolgenden Schriftt S 102 ein Zähler aktiviert, der einen vorgegebenen Zeitdauer t1 abzählt.
In einem nächsten Schritt S 201 wird der aktuelle Wert des Zählers t mit der vorgegebenen Zeit t1 verglichen. Liegt die aktuelle Zeit t unter dem vorgegebenen Zeitraum ti fährt die Motorsteuerung 26 mit Schritt S 202 fort. In Schritt S 202 wird überprüft, ob die aktuelle Sondenspannung U2 der zweiten Lambdasonde 24 unter einem minimalen Schwellenwert Umin liegt, d. h. in Schritt S 202 wird überprüft, ob die von der zweiten Lambdasonde 24 erfaßte Sauerstoffkonzentration über oder unter einer vorgegebenen Sauerstoffkonzentration liegt. Liegt die Sauerstoffkonzentration im Abgas über dem Schwellenwert, liegt die zweite Sondenspannung U2 unter dem minimal zulässigen Spannungswert Umin. Liegt dagegen die Sauerstoffkonzentration unter dem Schwellenwert, liegt die zweite Sondenspannung U2 über dem minimal zulässigen Schwellenwert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Schwellenwert Umin bei etwa 100 mV.
Wird bei Schritt S 202 erfaßt, daß die zweite Sondenspannung U2 über dem minimal zulässigen Schwellenwert Umin liegt, kehrt die Steuerung zu Schritt S 201 zurück und überprüft, ob die vom Zähler aktuell gezählte Zeit t dem vorgegebenen Zeitraum t1 entspricht. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis entweder in Schritt S 201 erfaßt wird, daß die aktuelle Zeit t dem vorgegebenen Zeitraum t1 entspricht, oder in Schritt S 202 festgestellt wird, daß die zweite Sondenspannung U2 unter den minimal zulässigen Schwellenwert Umin fällt.
Entspricht die aktuelle vom Zähler abgezählte Zeit t dem vorgegebenen Zeitraum t1, fährt die Steuerung mit Schritt S 301 fort. Liegt dagegen die zweite Sondenspannung U2 unter dem minimal zulässigen Schwellenwert Umin, fährt die Motorsteuerung 26 mit Schritt S 203 fort. In Schritt S 203 deaktiviert die Motorsteuerung 26 die Nachregelungsfunktion, so daß während des Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors 12 die Einstellung des Luft-Kraftstoff-Gemisches nur mehr basierend auf der ersten Sondenspannung U1 der ersten Lambdasonde 22 vor dem Katalysator 18 erfolgt, während die zweite Sondenspannung U2 bei der Einstellung des Gemisches unberücksichtigt bleibt. Nachdem die Nachregelung in Schritt S 203 deaktiviert worden ist, springt die Motorsteuerung 26 zu Schritt S 301. Insgesamt wurde also in den Schritten S 201 bis S 203 von der Motorsteuerung 26 untersucht, ob der im Abgas enthaltene Sauerstoffgehalt einen Wert überschreitet, der eine ordnungsgemäße Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemisches durch die Motorsteuerung 26 behindert, oder ob der Sauerstoffgehalt im Abgas einen noch so geringen Wert aufweist, daß die Motorsteuerung 26 das Gemisch auf Grundlage beider Sondenspannungen U1 und U2 ermitteln kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Nachregelung nur dann deaktiviert ist, wenn der Sauerstoffgehalt im Katalysator 18 durch die zuvor erfolgte Fahrweise im Open-Loop-Betrieb des Verbrennungsmotors 12 so hoch angestiegen ist, daß bei dem nachfolgenden Closed-Loop-Betrieb des Verbrennungsmotors 12 eine ordnungsgemäße Einstellung des Gemisches nicht möglich wäre.
In Schritt S 301 überprüft die Motorsteuerung 26 ob die Nachregelung deaktiviert wurde oder nicht. Wurde die Nachregelung nicht deaktiviert, kehrt die Motorsteuerung 26 zu ihrer Hauptroutine zurück. Wird dagegen in Schritt S 301 ermittelt, daß die Nachregelung deaktiviert wurde, fährt die Motorsteuerung 26 mit Schritt S 302 fort. In Schritt S 302 wird überprüft, ob der von der Motorsteuerung 26 aktuell eingestellte Schaltpunkt Ubias unter einem niedrigst zulässigen Schaltpunkt UDFCO von etwa 609 mV liegt. Üblicherweise liegt der aktuelle Schaltpunkt Ubias bei etwa 482 mV. Dennoch ist es möglich, daß aufgrund einer vorher erfolgten Einstellung der aktuelle Schaltpunkt bereits einen höheren Wert aufweist. Der vorgegebene Schaltpunkt UDFCO liegt dagegen bei etwa 609 mV, so daß bei Verwendung dieses vorgegebenen Schaltpunktes die Motorsteuerung 26 ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch einstellen würde, das eine über dem stöchiometrisch erforderlichen Maß liegende Kraftstoffmenge enthält.
Stellt die Motorsteuerung 26 in Schritt S 302 fest, daß der aktuelle Schaltpunkt Ubias größer oder gleich dem vorgegebenen Schaltpunkt UDFCO ist, springt die Motorsteuerung 26 zu Schritt S 401. Stellt die Motorsteuerung 26 dagegen in Schritt S 302 fest, daß der aktuelle Schaltpunkt Ubias unter dem vorgegebenen Schaltpunkt UDFCO liegt, springt sie zu Schritt S 303, in dem der Wert des aktuellen Schaltpunktes Ubias auf den Wert des vorgegebenen Schaltpunktes UDFCO gesetzt wird. Anschließend springt die Motorsteuerung 26 zu Schritt S 401. In den Schritten S 301 bis S 303 wird also der Schaltpunkt, an dem die Motorsteuerung 26 basierend auf der ersten Sondenspannung U1 das Gemisch regelt, erhöht, so daß das Gemisch insgesamt einen höheren Kraftstoffanteil aufweist.
In Schritt S 401 überprüft nun die Motorsteuerung 26, ob die zweite Sondenspannung U2 über einem maximal zulässigen Schwellenwert liegt, der im vorliegenden Fall etwa 501 mV entspricht. Mit anderen Worten überprüft die Motorsteuerung 26 in Schritt S 401, ob die Sauerstoffkonzentration im Abgas nach dem Katalysieren bereits soweit abgenommen hat, daß eine ordnungsgemäße Regelung wieder möglich ist.
Liegt die zweite Sondenspannung U2 unter dem maximal zulässigen Schwellenwert Umax kehrt die Motorspannung 26 zu Schritt S 302 zurück. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die zweite Sondenspannung U2 den maximal zulässigen Schwellenwert Umax überschreitet. Ist dies der Fall, springt die Motorsteuerung zu Schritt S 402. In Schritt S 402 wird der Zähler erneut aktiviert und in Schritt S 403 die aktuelle Zeit t mit einem zweiten Zeitraum t2 verglichen, bis der aktuelle Wert t des Zählers dem vorgegebenen Zeitraum t2 entspricht. Ist dies der Fall springt die Motorsteuerung 26 zu Schritt S 404, in dem die Nachregelung wieder aktiviert wird. Anschließend springt die Steuerung von Schritt S 404 zu ihrer Hauptroutine. In den Schritten S 401 und S 404 wird also überprüft, ob der im Katalysator 18 gespeicherte Sauerstoff wieder ein so niedriges Niveau erreicht hat, daß ein ordnungsgemäßes Nachregeln mit Hilfe der zweiten Sondenspannung U2 wieder möglich wird.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird nachfolgend noch einmal kurz die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Sobald die Motorsteuerung 26 erkennt, daß der Verbrennungsmotor 12 nach einem Open-Loop-Betriebsmodus wieder in einem Closed-Loop-Betriebsmodus betrieben wird, überprüft die Motorsteuerung 26 in den Schritten S 201 bis S 203, ob die Sauerstoffkonzentration im Abgas nach dem Katalysator 18 einen so hohen Wert erreicht hat, daß eine ordnungsgemäße Nachregelung mit Hilfe der zweiten Sondenspannung U2 nicht mehr möglich ist. Ist dies der Fall, wird die Nachregelung deaktiviert. Anschließend wird in den Schritten S 302 und S 303 der aktuelle Schaltpunkt Ubias auf einen vorgegebenen Schaltpunkt UDFCO angehoben, wie Fig. 4 zeigt. Auf diese Weise wird erreicht, daß das dem Verbrennungsmotor 12 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch einen höheren Kraftstoffanteil enthält, wodurch der im Katalysator 18 gespeicherte Sauerstoff schneller verbraucht wird. Während des weiteren Closed-Loop-Betriebsmodus wird kontinuierlich in Schritt S 401 von der Motorsteuerung 26 überprüft, ob die zweite Sondenspannung U2 dem maximal zulässigen Schwellenwert Umax entspricht. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm ist dies der Fall, sobald die zweite Sondenspannung U2 einen Wert von 501 mV erreicht hat. Anschließend wird die mit Hilfe der zweiten Sondenspannung U2 erfolgende Nachregelung wieder aktiviert und in einem nicht dargestellten Schritt der vorgegebene Schaltpunkt UDFCO auf den aktuellen Schaltpunkt Ubias zurückgesetzt.
Wie Fig. 4 zeigt, ist durch die Aktivierung der Nachregelung der Katalysator 18 innerhalb von 45 Sekunden wieder in der Lage, ordnungsgemäß die Abgase zu katalysieren. Dies wurde auch durch mehrere Versuchsreihen belegt, deren Ergebnisse in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgelistet sind.
Schaltpunkt HC [%] CO [%] NOx [%]
480 mV 100% 99,6% 84%
600 mV 100% 99,6% 89%
650 mV 100% 99,7% 94%
Bei diesen Versuchsreihen wurden die Umsatzraten des Katalysators 18 30 Sekunden lang während eines Closed-Loop-Betriebs mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 km/h ermittelt, der auf einen Open-Loop-Betrieb des Verbrennungsmotors 12 mit einer Geschwindigkeit von 70 km/h folgte. So zeigen die verschiedenen Umsatzraten in Tabelle 2, daß bei einer Deaktivierung der Nachregelung und einer gleichzeitigen Erhöhung des Schaltpunktes Ubias auf den höheren Wert UDFCO die Umsatzraten des Katalysators 18 deutlich verbessert werden können.
Mit Hilfe der in den Versuchsreihen ermittelten Werte aus Tabelle 2 wurden rechnerisch die durchschnittlichen Umsatzraten des Katalysators 18 bestimmt, die nachfolgend in der Tabelle 3 aufgeführt sind.
Versuchszyklus durchschnittliche Umsatzrate NOx
Stadtzyklus normal 97,5%
Kurzzyklus unmittelbar nach Open-Loop-Betrieb 90%
Überlandzyklus normal 98%
Kurzzyklus unmittelbar nach Open-Loop-Betrieb 90%
Wie ein Vergleich der Werte aus Tabelle 3 mit den Werten aus Tabelle 1 zeigt, kann durch das Deaktivieren der Nachregelung die Umsatzrate bei der Umwandlung von Stickoxiden deutlich verbessert werden. Des weiteren haben die Versuchsreihen gezeigt, daß die Umsatzraten der anderen Abgasbestandteile, nämlich die Umsatzraten bei der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in keiner Weise beeinflußt worden sind, wie Tabelle 2 zeigt, obwohl der Schaltpunkt der ersten Lambdasonde 22 angehoben worden ist.
Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, daß der Katalysator 18 innerhalb kürzerer Zeit durch die Deaktivierung der Nachregelung und das Anheben des Schaltpunktes der ersten Lambdasonde 22 der Katalysator 18 schneller seine maximalen Umsatzraten erreicht. Dadurch kann der Katalysator bei gleichbleibender Umsatzrate eine geringere Kapazität aufweisen, als bei Verwendung eines herkömmlichen Regelungsverfahrens ohne Deaktivierung der Nachregelung, da der Katalysator bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr über eine entsprechend erhöhte Speicherkapazität für den entstehenden Sauerstoff ausgelegt sein muß.
Bezugszeichenliste
10
Anordnung
12
Verbrennungsmotor
14
Vorschalldämpfer
16
Abgasanlage
18
Katalysator
20
Mittelschalldämpfer
22
erste Lambdasonde
24
zweite Lambdasonde
26
Motorsteuerung
28
Einspritzanlage
30
Kraftstoffleitung
32
Ansaugstutzen
U1
erste Sondenspannung
U2
zweite Sondenspannung
λ
Luftverhältnis
t1
erster Zeitraum
Umin
unterer Schwellenwert
Ubias
aktueller Schaltpunkt
UDFCO
vorgegebener Schaltpunkt
Umax
oberer Schwellenwert
t2
zweiter Zeitraum

Claims (12)

  1. Verfahren zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem Verbrennungsmotor (12), dessen Abgase einem Katalysator (18) zugeführt werden, wobei bei dem Verfahren
    von einer Motorsteuerung (26) das Signal (U1) eines in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Katalysator (18) angeordneten ersten Abgassensors (22) und das Signal (U2) eines in Strömungsrichtung gesehen nach dem Katalysator (18) angeordneten zweiten Abgassensors (24) erfaßt wird,
    die Motorsteuerung (26) während eines Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors (12) basierend auf dem Signal (U1) des ersten Abgassensors (22) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsmotor (12) zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches auf ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt, und
    die Motorsteuerung (26) bei einer Abweichung des eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem stöchiometrischen Massenverhältnis das Signal (U2) des zweiten Abgassensors (24) zur Nachregelung des eingestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Massenverhältnis verwendet,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß nach einem Betrieb des Verbrennungsmotors (12) in einem Open-Loop-Betriebsmodus, bei dem die Motorsteuerung (26) auch ein vom stöchiometrischen Massenverhältnis abweichendes Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vornimmt, während eines nachfolgenden Betriebes des Verbrennungsmotors (12) im Closed-Loop-Betriebsmodus die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit Hilfe des Signals (U2) des zweiten Abgassensors (24) zeitweise deaktiviert werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während des nachfolgenden Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors (12) dann zeitweise deaktiviert wird, wenn der Verbrennungsmotor (12) während des Open-Loop-Betriebsmodus mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wurde, bei dem die Luftmenge des Luft-Kraftstoff-Gemisches über der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur dann deaktiviert wird, wenn das vom zweiten Abgassensor (24) an die Motorsteuerung (26) abgegebene Signal (U2) einen Wert annimmt, der unter einem vorgegebenen minimalen Schwellenwert (Umin) liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Motorsteuerung (26) nur innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitraumes (ti) überprüft, ob der Wert des vom zweiten Abgassensor (24) abgegebenen Signals (U2) unter dem vorgegebenen minimalen Schwellenwert (Umin) liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nach der Deaktivierung wieder aufgenommen wird, wenn das vom zweiten Abgassensor (24) an die Motorsteuerung (26) abgegebene Signal (U2) einen Wert annimmt, der über einem vorgegebenen maximalen Schwellenwert (Umax) liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erst nach Ablauf einer vorgegebenen zweiten Zeitdauer (t2) wieder aufgenommen wird, nachdem die Motorsteuerung (26) erfaßt hat, daß der Wert des vom zweiten Abgassensor (24) an die Motorsteuerung (26) abgegebenen Signals (U2) über dem vorgegebenen maximalen Schwellenwert (Umax) liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die das Signal (U1) des ersten Abgassensors (22) erfassende Motorsteuerung (26) während des Closed-Loop-Betriebsmodus des Verbrennungsmotors (12) zur Beurteilung, ob das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Luft oder Kraftstoff angereichert werden muß, einen aktuellen Schaltpunkt (Ubias) definiert, bei dessen Überschreiten durch den Wert des Signals (U1) des ersten Abgassensors (22) das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Luft und bei dessen Unterschreiten durch den Wert des Signals (U1) des ersten Abgassensors (22) das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Kraftstoff angereichert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß, sobald die Nachregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses deaktiviert wird, der aktuelle Schaltpunkt (Ubias) von der Motorsteuerung (26) auf einen vorgegebenen Schaltpunkt (UDFCO) eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der aktuelle Schaltpunkt (Ubias) nur dann auf den vorgegebenen Schaltpunkt (UDFCO) eingestellt wird, wenn der Betrag des aktuellen Schaltpunktes (Ubias) unter dem Betrag des vorgegebenen Schaltpunktes (UDFCO) liegt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jeder Abgassensor eine Lambdasonde (22, 24) ist, an der in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abgases eine Spannung (U1, U2) anliegt, die von der Motorsteuerung (26) zum Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abgegriffen wird.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 10, 8 und 10 oder 9 und 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der aktuelle Schaltpunkt durch einen Spannungswert (Ubias) definiert ist, der von der Motorsteuerung (26) mit der abgegriffenen Spannung (U1) der ersten Lambdasonde (22) verglichen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der vorgegebene Schaltpunkt ein zweiter Spannungswert (UDFCO) ist, mit dem die Motorsteuerung (26) den ersten Spannungswert (Ubias) gegebenenfalls ersetzt und mit der an der ersten Lambdasonde (22) abgegriffenen Spannung (U1) vergleicht.
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