EP1336742B1 - Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelung - Google Patents

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EP1336742B1
EP1336742B1 EP20030002339 EP03002339A EP1336742B1 EP 1336742 B1 EP1336742 B1 EP 1336742B1 EP 20030002339 EP20030002339 EP 20030002339 EP 03002339 A EP03002339 A EP 03002339A EP 1336742 B1 EP1336742 B1 EP 1336742B1
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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

  • the invention relates to a method for the forced excitation of a lambda control, with which an error in a lambda probe is detected.
  • a method for the diagnosis of a lambda probe is known.
  • a lambda probe arranged upstream of a catalytic converter is diagnosed.
  • the lambda probe to be diagnosed has a continuous characteristic in its output signal.
  • a periodic forced excitation with predetermined frequency and amplitude is superimposed to a lambda setpoint.
  • a model of the lambda control circuit depicts its track behavior, one of the model parameters representing the sensor delay time. From the amplitude gains that result for the model and system in the forced excitation, the model values, in particular the model value for the sensor delay time are adapted.
  • the lambda probe is detected as defective if the value for the change of the model parameter exceeds a predetermined threshold value. This means that a fault of the lambda probe is detected in the case of an excessive adaptation of the sensor delay time. In this way, the operation of the lambda probe in the lambda control circuit can be checked continuously.
  • the stoichiometric desired value for the air ratio is subjected to a forced excitation for the linear lambda control.
  • the deviation from the stoichiometric setpoint alternately have a lean and rich shift.
  • O 2 oxygen storage of the catalyst is filled, O 2 is stored, while in the fat shift the catalyst is emptied again.
  • This filling and emptying process depends on the setpoint shift (amplitude of the forced excitation) and the duration of the shift. It is known to perform the forcible excitation in a time-based approach with equal amplitude and duration for fat and lean excitation.
  • the invention has for its object to provide a method for the forced excitation of a lambda probe in an internal combustion engine, which does not adversely affect the exhaust emission and ensures good exhaust gas conversion over wide operating ranges.
  • the selection of the values for amplitude and frequency of the forced excitation takes place as a function of an operating temperature of the internal combustion engine.
  • This solution of the object of the invention is based on the finding that the known forced excitation leads for some operating states to a poor conversion of the exhaust gases.
  • the values depend on amplitude and / or frequency of the forced excitation from the operating temperature of the cooling water. So far, it is common that the amplitude and frequency of the forced excitation refer to a cooling water temperature of 85 ° C.
  • the frequency and the amplitude are adapted to the changed lambda control loop.
  • the values for amplitude and / or frequency may also be determined depending on the temperature of the cylinder head and / or the oil temperature for the forced excitation. In addition to the operating temperature, the air mass and the rotational speed of predetermined temperature values are preferably taken into account.
  • a schematically illustrated internal combustion engine 10 sucks air via an intake tract 12 in the direction of the arrow.
  • the leaked from the internal combustion engine 10 air is via an exhaust tract 14 in passed a three-way catalyst 16.
  • a first oxygen probe 18 is provided, whose output signal depends continuously on the air ratio lambda in the exhaust gas flow.
  • the oxygen sensors are also referred to as lambda probes.
  • a second lambda probe 20 is arranged, which can check the catalyst efficiency and be designed as a linear probe or a so-called jump probe.
  • the signals of the lambda probes 18 and 20 are forwarded to a lambda control device 22, which closes from the two signals supplied to the efficiency of the catalyst 16 and thus to the conversion of the exhaust gases.
  • the lambda control device determines a desired lambda value as a manipulated variable and forwards it to the motor controller 24. Furthermore, the lambda control device may have a model for the behavior of the control path.
  • the model includes, as a model parameter, the sensor delay time.
  • the transfer function of the lambda control path has a behavior such as the series connection of two delay elements of the first order and a dead time element.
  • the frequency and amplitude are determined as a function of the rotational speed and load and the operating temperature of the internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows the lambda desired value over time.
  • the desired lambda value fluctuates around the mean value 26 at which stoichiometric combustion takes place.
  • the forcible excitation can be divided into a rich part 28 and a lean part 30.
  • the amplitudes 32 and 34 of the respective excitation are the same size.
  • the lean and the rich half wave 28 and 30 have the same duration 36 and 38, respectively.
  • the Lambda setpoint is set here to 0.998 in order to reduce the risk of NOx breakthroughs.
  • the positive excitation according to the invention has a lean half-wave 40, with a duration t lean 42 and an amplitude A lean 44.
  • the lean half-wave 40 is followed by a rich half-wave 46.
  • the fat half-wave 46 has a duration t fat 48 and an amplitude A fat 50.
  • the four parameters characterizing the forcible excitation: t lean , A lean , t bold , A fat can be selected independently of each other.
  • a first map 52 determines the values for a first frequency and a first amplitude depending on speed and load.
  • the frequency is defined as an inverse period, wherein the period is the period of a defined exhaust gas packet sequence of lean and rich exhaust gas packets, which regularly repeats at steady-state operating conditions (ie with the same amount of exhaust gas per time and same exhaust gas composition). Under lean / fat amplitude, the lambda values of individual exhaust packets of the exhaust packet sequence are understood.
  • the map 52 determines frequency and amplitude for a first temperature T 1 .
  • the map 54 determines the values for a second frequency and a second amplitude depending on speed and load.
  • the tuples of frequency and amplitude are forwarded to a calculation unit 56.
  • the calculation unit 56 determines the tuple of setpoint values for frequency and amplitude 60 as a function of the actual value 58 for the operating temperature by means of a linear or a non-linear interpolation.
  • the calculation manner shown in Fig. 4 can also be replaced by a three-dimensional map.
  • the limit value with which the change of the model parameter is selected in a preferred embodiment also depends on the operating temperature. In addition, the limit may depend on the speed and load of the engine.
  • a square wave or a sinusoidal oscillation can be used. It is also possible to provide a forced excitation with a sawtooth-shaped oscillation or another excitation pattern.
  • the saw-toothed oscillation is characterized by amplitude, frequency and rise time. Also, the rise time can be selected in the inventive method depending on the operating temperature.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung, mit dem ein Fehler bei einer Lambdasonde erkannt wird.
  • Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird eine stromaufwärts eines Katalysators angeordnete Lambdasonde diagnostiziert. Die zu diagnostizierende Lambdasonde besitzt eine in ihrem Ausgangssignal stetige Charakteristik. Zur Diagnose der Lambdasonde wird zu einem Lambda-Sollwert eine periodische Zwangsanregung mit vorgegebener Frequenz und Amplitude überlagert. Ein Modell des Lambdaregelungskreises bildet dessen Streckenverhalten ab, wobei einer der Modellparameter die Sensorverzögerungszeit darstellt. Aus den Amplitudenverstärkungen, die sich für Modell und System bei der Zwangsanregung ergeben, werden die Modellwerte, insbesondere der Modellwert für die Sensorverzögerungszeit adaptiert. Die Lambdasonde wird hierbei als defekt erkannt, wenn der Wert für die Änderung des Modellparameters einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dies bedeutet, dass bei einer zu starken Adaption der Sensorverzögerungszeit eine Störung der Lambdasonde erkannt wird. Auf diese Weise kann kontinuierlich die Funktionsweise der Lambdasonde in dem Lambdareglungskreis überprüft werden.
  • Neben dem vorstehenden spezifischen Einsatz der Zwangsanregung kann diese vorrangig zur Steigerung des Wirkungsgrades eines Dreiwegekatalysators eingesetzt werden, wie beispielsweise in DE 43 44 892 C2 beschrieben. Hierbei wird für die lineare Lambdaregelung der stöchiometrische Sollwert für die Luftzahl mit einer Zwangsanregung beaufschlagt. Die Abweichung von dem stöchiometrischen Sollwert besitzen abwechselnd eine Mager- und Fettverschiebung. Bei der Magerverschiebung wird der Sauerstoffspeicher des Katalysators gefüllt, es wird O2 eingelagert, während bei der Fettverschiebung der Katalysator wieder geleert wird. Dieser Füll- und Leervorgang ist abhängig von der Sollwertverschiebung (Amplitude der Zwangsanregung) und der Dauer der Verschiebung. Es ist bekannt, die Zwangsanregung in einem zeitbasierten Ansatz mit gleicher Amplitude und gleicher Dauer für Fett- und Mageranregung durchzuführen.
  • Als nachteilig an der bisherigen rein last- und drehzahlabhängigen Zwangsanregung, auch als forced stimulation bezeichnet, hat sich herausgestellt, dass durch die Änderung der Lambda-Sollwerte es zu einer erhöhten Abgasemission kommt, dies insbesondere bei Katalysatoren, die über längere Zeit benutzt worden sind, oder bei Katalysatoren mit geringer Edelmetallbeladung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das sich nicht nachteilig auf die Abgasemission auswirkt und über weite Betriebsbereiche eine gute Abgaskonvertierung sicherstellt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß Anspruch 1 erfolgt die Auswahl der Werte für Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine. Dieser Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die bekannte Zwangsanregung für einige Betriebszustände zu einer schlechten Konvertierung der Abgase führt. Indem Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung an die Betriebstemperatur angepasst sind, werden erfindungsgemäß auch im Niedriglast- und Leerlaufbereich sowie nach einem Kaltstart erhöhte Abgasemissionswerte vermieden. Bevorzugt hängen die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung von der Betriebstemperatur des Kühlwassers ab. Bisher ist es üblich, dass die Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung sich auf eine Kühlwassertemperatur von 85°C beziehen. Weicht die Temperatur des Kühlwassers hiervon ab, ergeben sich deutlich andere Konvertierungsraten für den Katalysator und mithin ein anderes Verhalten des geschlossenen Lambdaregelkreises. Um eine wirkungsvolle Zwangsanregung in dem Lambdaregelkreis durchzuführen, ohne eine zusätzliche Erhöhung der Abgasemission zu erzielen, werden Frequenz und Amplitude an den geänderten Lambdaregelkreis angepasst.
  • Die Werte für Amplitude und/oder Frequenz können auch abhängig von der Temperatur des Zylinderkopfs und/oder der Öltemperatur für die Zwangsanregung bestimmt werden. Bevorzugt werden neben der Betriebstemperatur auch die Luftmasse und die Drehzahl vorbestimmter Temperaturwerte berücksichtigt.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zwangsanregung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit Abgassystem,
    Fig. 2
    Verlauf einer Zwangsanregung nach dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    eine erfindungsgemäße Zwangsanregung und
    Fig. 4
    Berechnung von Frequenz und Amplitudensollwerten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zwangsanregung wird nachfolgend anhand von Figur 1 näher erläutert. Eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 10 saugt über einen Ansaugtrakt 12 in Pfeilrichtung Luft an. Die aus der Brennkraftmaschine 10 ausgetretene Luft wird über einen Abgastrakt 14 in einen Dreiwegekatalysator 16 geleitet. Stromaufwärts von dem Katalysator 16 ist eine erste Sauerstoffsonde 18 vorgesehen, deren Ausgangssignal stetig von der Luftzahl Lambda in dem Abgasstrom abhängt. Die Sauerstoffsensoren werden auch als Lambdasonden bezeichnet. Stromabwärts von dem Katalysator 16 ist eine zweite Lambdasonde 20 angeordnet, die den Katalysatorwirkungsgrad überprüft und als eine lineare Sonde oder eine sogenannte Sprungsonde ausgebildet sein kann.
  • Die Signale der Lambdasonden 18 und 20 werden an eine Lambdaregelungseinrichtung 22 weitergeleitet, die aus den beiden gelieferten Signalen auf den Wirkungsgrad des Katalysators 16 und damit auf die Konvertierung der Abgase schließt.
  • Die Lambdaregelungseinrichtung bestimmt einen Lambda-Sollwert als Stellgröße und gibt diesen an die Motorsteuerung 24 weiter. Ferner kann die Lambdaregelungseinrichtung ein Modell für das Verhalten der Regelungsstrecke besitzen. Das Modell beinhaltet, als einen Modellparameter die Sensorverzögerungszeit. Wie aus DE 195 16 239 C2 bekannt, hat die Übertragungsfunktion der Lambdaregelstrecke ein Verhalten wie das Hintereinanderschalten zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung und einem Totzeitglied. Um eine möglichst geringe Änderung der Abgasemission bei der Zwangsanregung zu erhalten, werden Frequenz und Amplitude abhängig von Drehzahl und Last sowie der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine festgelegt.
  • In Fig. 2 ist der Lambda-Sollwert über die Zeit dargestellt. Der Lambda-Sollwert schwankt bei der bekannten Zwangsanregung um den Mittelwert 26, bei dem stöchiometrische Verbrennung erfolgt. Die Zwangsanregung kann in einen fetten Teil 28 und einen mageren Teil 30 unterteilt werden. Die Amplituden 32 und 34 der jeweiligen Anregung sind gleich groß. Ebenso besitzen die magere und die fette Halbwelle 28 bzw. 30 die gleiche Dauer 36 bzw. 38.
  • Fig. 3 zeigt beispielhaft die Lambda-Sollwerte bei der erfindungsgemäßen Zwangsanregung. Der Lambda-Sollwert ist hierbei zu 0,998 vorgegeben, um die Gefahr von NOx-Durchbrüchen zu verringern. Die erfindungsgemäße Zwangsanregung besitzt eine magere Halbwelle 40, mit einer Dauer tmager 42 und eine Amplitude Amager 44.
  • An die magere Halbwelle 40 schließt sich eine fette Halbwelle 46 an. Die fette Halbwelle 46 besitzt eine Dauer tfett 48 und eine Amplitude Afett 50. Bei der erfindungsgemäßen Zwangsanregung können die vier die Zwangsanregung charakterisierenden Parameter: tmager, Amager, tfett, Afett unabhängig voneinander gewählt werden.
  • Die Bestimmung der Parameter wird an einem Blockschaltbild zu Fig. 4 verdeutlicht. Ein erstes Kennfeld 52 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für eine erste Frequenz und eine erste Amplitude. Die Frequenz ist als inverse Periodendauer definiert, wobei die Periodendauer der Zeitabschnitt einer definierten Abgaspaketfolge von mageren und fetten Abgaspaketen ist, die sich bei stationären Betriebsbedingungen (d.h. bei gleicher Abgasmenge pro Zeit und gleiche Abgaszusammensetzung) regelmäßig wiederholt. Unter Mager-/Fett-Amplitude werden die Lambdawerte von einzelnen Abgaspaketen der Abgaspaketfolge verstanden. Das Kennfeld 52 bestimmt Frequenz und Amplitude für eine erste Temperatur T1. Das Kennfeld 54 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für eine zweite Frequenz und eine zweite Amplitude. Die Tupel aus Frequenz und Amplitude werden an eine Berechnungseinheit 56 weitergeleitet. Die Berechnungseinheit 56 bestimmt abhängig von dem Istwert 58 für die Betriebstemperatur durch eine lineare oder eine nicht lineare Interpolation das Tupel von Sollwerten für Frequenz und Amplitude 60.
  • Die in Fig. 4 gezeigte Berechnungsweise kann ebenfalls durch ein dreidimensionales Kennfeld ersetzt werden.
  • Besondere Vorzüge zeigt das erfindungsgemäße Verfahren der betriebstemperaturabhängigen Zwangsanregung auch im Zusammenhang bei einem sogenannten elektronischen Thermomanagement, bei dem die Betriebstemperatur des Motors mit dem Ziel eines geringen Kraftstoffverbrauchs und guter Abgaswerte gezielt variiert wird. Die Wirkungsweise des Thermomanagements wird durch eine gezielte Anpassung der Zwangsregelung an die Betriebstemperatur unterstützt.
  • Der Grenzwert, mit dem die Änderung des Modellparameters gewählt wird, hängt in einer bevorzugten Ausgestaltung ebenfalls von der Betriebstemperatur ab. Zusätzlich kann der Grenzwert von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine abhängen.
  • Für die Zwangsanregung können eine Rechteckschwingung oder eine sinusförmige Schwingung eingesetzt werden. Ebenfalls ist es möglich eine Zwangsanregung mit einer sägezahnförmigen Schwingung oder einem anderem Anregungsmuster vorzusehen. Die sägezahförmige Schwingung ist durch Amplitude, Frequenz und Anstiegszeit gekennzeichnet. Auch die Anstiegszeit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abhängig von der Betriebstemperatur gewählt werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
    - zu einem Lambda-Sollwert wird eine Zwangsanregung mit mindestens einer Frequenz und einer Amplitude überlagert, die einen mageren und einen fetten Abschnitt besitzt,
    - die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung werden abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bestimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung abhängig von der Betriebstemperatur des Kühlwassers bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung zusätzlich abhängig von der Betriebstemperatur des Zylinderkopfes bestimmt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung zusätzlich anhängig von der Betriebstemperatur des Öls bestimmt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung abhängig von der Luftmasse und der Drehzahl bei vorbestimmten Temperaturen bestimmt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kennfeld (52) für eine erste Temperatur abhängig von Last und Drehzahl erste Sollwerte für Frequenz und Amplitude bestimmt und ein zweites Kennfeld (54) für eine zweite Temperatur abhängig von Last und Drehzahl zweite Sollwerte für Frequenz und Amplitude bestimmt und eine Vergleichseinrichtung (56) abhängig von der Betriebstemperatur (58) den Sollwerte für die vorliegende Betriebstemperatur interpoliert oder extrapoliert.
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