EP1413728A2 - Regler und Verfahren zur Regelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Sensors - Google Patents

Regler und Verfahren zur Regelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Sensors Download PDF

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EP1413728A2
EP1413728A2 EP03090353A EP03090353A EP1413728A2 EP 1413728 A2 EP1413728 A2 EP 1413728A2 EP 03090353 A EP03090353 A EP 03090353A EP 03090353 A EP03090353 A EP 03090353A EP 1413728 A2 EP1413728 A2 EP 1413728A2
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
controller
sensor
mass flow
measured
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EP03090353A
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EP1413728A3 (de
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Andreas Berns
Michael Daetz
Hermann Dr. Hahn
Norbert Pelz
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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Publication of EP1413728A3 publication Critical patent/EP1413728A3/de
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    • F02D41/1493Details
    • F02D41/1494Control of sensor heater

Definitions

  • the invention relates to a method and a controller for operating an exhaust gas sensor arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine with the features mentioned in the preamble of claims 1 and 19.
  • NO x sensors are usually used to determine the NO x content in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • Such NO x sensors are known in a wide variety of designs, so that a detailed description can be dispensed with here.
  • a measuring device behind the catalytic converter in the exhaust tract of an at least temporarily lean-burn internal combustion engine which is capable of measuring the NO x concentration in the exhaust gas, for example a NO x sensor.
  • the measurement accuracy of exhaust gas sensors such as NO x sensors or lambda sensors generally depends on external parameters. It is therefore important to keep these parameters in the areas that are optimal for precise control and to adjust them if necessary.
  • NO x sensors for example, the temperature must be kept constant in order to ensure a high accuracy of the signal. The smaller the deviations from the target temperature of the sensor, the more accurate the sensor signal.
  • this exhaust gas sensor for temperature control has used a voltage-based PI controller without exhaust-gas-dependent feedforward control, which works with a resistance difference as the controller input variable and a voltage as the controller output variable.
  • the weak point of this system is the great inaccuracy in controlling the sensor temperature in the event of fluctuations in the exhaust gas mass flow due to, among other things, a missing model of the route to be controlled.
  • the invention is therefore based on the object of providing a regulator and a method for regulating an exhaust gas sensor arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine, which remedy the disadvantages mentioned, and in particular to provide a robust regulator or a robust method for regulating an exhaust gas sensor.
  • a particular advantage of the method for operating an exhaust gas sensor arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine is that the measurement accuracy of exhaust gas sensors is increased by regulating operating parameters of the exhaust gas sensor by means of a model-based controller and / or pre-controlling exhaust gas flow-dependent operating parameters of the exhaust gas sensor.
  • a controller To regulate operating parameters of an exhaust gas sensor arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine, a controller is therefore used which is characterized in that the controller is designed as a model-based controller and has a structure predetermined by a model of the controlled system.
  • the operating parameter temperature is regulated and / or controlled when operating a NO x sensor. It is advantageous if the temperature is determined by measuring an electrical resistance value. It is also advantageous if the control system evaluates the difference between the current and the target temperature of the sensor as a controller input variable and the heating power for heating the sensor varies as a controller output variable. This creates a linear relationship between the controller input and output variable.
  • the exhaust gas flow-dependent pilot control is set up in such a way that the exhaust gas flow-dependent feedforward control becomes active when the exhaust gas flow decreases or increases very rapidly.
  • this can be realized in that the exhaust gas flow-dependent precontrol becomes active when the exhaust gas flow changes faster than gradients matched to the sampling time.
  • the current value of the measured sensor resistance and / or the current value of the measured sensor temperature is taken into account in the release condition of the exhaust flow-dependent precontrol.
  • a precontrol with a low heating power value which is matched to a sampling time of 50 ms, becomes active if three successive differences in the measured exhaust gas mass flow values are greater than the gradient to be applied.
  • a pilot control with a high heating power value which is matched to a sampling time of 50 ms, advantageously becomes active when four successive differences in the measured exhaust gas mass flow values are smaller than the gradient to be applied.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that a high heating output pilot control takes place at least at the beginning of overrun phases.
  • a particularly robust controller can be obtained if the model of the controlled system is based on the parameters time constant T, damping d and static gain k SR .
  • the controller is designed as a linear controller.
  • good control results are obtained if the controlled system also has a linear relationship, that is to say if there is a linear relationship between controller input and controller output variables.
  • a preferred embodiment of the controller according to the invention is characterized in that the controller comprises a Kalman filter and an optimal state feedback. To avoid undesired "run-up" of the integrator, it is advantageous if the controller has an integrator that avoids an integrator windup.
  • the controller includes a means for measuring the exhaust gas mass flow value, which enables a pre-control depending on the exhaust gas mass flow.
  • the controller according to the invention is distinguished by the fact that it is based on a new controller structure which contains a model of the controlled system. Due to this additional information about the controlled system, a higher control accuracy is achieved.
  • the relationship between controller input and output variables has been linearized in order to achieve better control results.
  • the controller now varies the heating power and thus regulates the heating of the sensor to its target temperature.
  • Controller input variable is a temperature difference that results from the current and the target temperature of the sensor.
  • the new controller structure includes a special integrator, the advantage of which is the avoidance of an "integrator windup", that is, an undesired "run-up" of the integrator when the manipulated variable has reached the saturation value of the controlled system input.
  • the new controller structure can be combined with a pre-control depending on the exhaust gas mass flow in order to compensate for the dead time due to the position of the NO x sensor far behind in the exhaust tract.
  • LQG / LTR Linear Quadratic Gaussian / Loop Transfer Recovery
  • the LQG / LTR process is a linear, continuous design process.
  • the exemplary controller designed with this consists of a Kalman filter as an observer and an optimal state feedback.
  • hno0y k SR ⁇ (HNO0U ⁇ hno0u + HNO1U ⁇ hno1u + HNO2U ⁇ hno2u) - ((-HNO1YK) ⁇ hno1y + (-HNO2YK) ⁇ hno2y) with the sizes defined above.
  • the measured step response 12 was overlaid with the simulated behavior of a PT 2 element 13 T_model. As can be clearly seen in FIG. 1, it was found that a PT 2 member approximates the measured behavior well.
  • Figure 2 shows the amplitude and phase response (Bode diagram) of the open chain 20 consisting of the controller according to the invention and the special integrator described above. With a phase reserve of around 73 °, the structure is extremely robust.
  • the proposed new controller structure can be combined with a feedforward control dependent on the exhaust gas mass flow.
  • the pilot control becomes active when the exhaust gas mass flow increases or decreases very quickly. The idea behind this is that the exhaust gas mass flow provides information about an impending cooling or heating of the sensor located further back in the exhaust tract. If the mass flow changes faster than the gradients matched to the sampling time, the pilot control becomes active by either a strong heating up to anticipate the upcoming cooling down, or a lowering of the heating power to a low value due to an upcoming heating up.
  • the current value of the measured sensor resistance is included in the enabling condition of the pilot control in order to avoid that the heating power pilot control is too low when the sensor temperature is too low and vice versa.
  • the sensor temperature can also be measured, temperature and resistance being converted into one another using the characteristic curve mentioned above.
  • the measurement of the exhaust gas mass flow is impaired by measurement noise.
  • it is usually not appropriate to react to every (small) change in the exhaust gas mass flow by adjusting the heating output. Instead, it will make sense to consider a higher or lower number of consecutive differences in the measured exhaust gas mass flow values for a pilot control depending on the sampling time.
  • the number of consecutive differences must be chosen so that a compromise is found between the delimitation against the measurement noise and an excessively long reaction time. For shorter sampling times, it can be advantageous to increase the number of increasing differences of the measured exhaust gas mass flow values taking into account in time; with longer sampling times, it may be necessary to reduce this number.
  • the criterion "three consecutive differences in the measured exhaust gas mass flow values are greater than the gradient to be applied (corresponds to a reaction time of 3 * 50 ms)" can be a compromise between avoiding incorrect feedforward control and a short reaction time.
  • the compromise can be formed in a special embodiment with a sampling time of 50 ms, for example by the criterion "four successive differences in the measured exhaust gas mass flow values are smaller than the gradient to be applied (corresponds to a reaction time of 4 * 50 ms)" become.
  • the senor At the beginning of a fuel cut-off phase, the sensor usually cools down somewhat. It is therefore possible to switch to maximum heating via the pilot control even for overrun phases, even before this occurs via the control deviation and the controller itself.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Regler zum Betrieb eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors. Es ist vorgesehen, dass eine Regelung von Betriebsparametern des Abgassensors durch einen modellbasierten Regler und/oder eine abgasstromabhängige Vorsteuerung von Betriebsparametern des Abgassensors erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Regler zum Betrieb eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 19 genannten Merkmalen.
  • Es ist bekannt, dass beispielsweise zur Bestimmung des NOX-Gehaltes im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine üblicherweise NOx-Sensoren eingesetzt werden. Solche NOx-Sensoren sind in verschiedensten Ausführungen bekannt, so dass hier auf eine nähere Beschreibung verzichtet werden kann. Speziell bei einem magerlauffähigen Verbrennungsmotor ist es zur Einhaltung der NOx-Grenzwerte wichtig, den NOx-Gehalt im Abgastrakt hinter einem NOx-Speicherkatalysator zu kennen, um zum Beispiel den Zeitpunkt bestimmen zu können, an dem eine Einlagerung von NOx in den NOx-Speicher nicht mehr möglich ist, das heißt der NOx-Speicher gefüllt ist, so dass eine Regenerationsphase notwendig ist.
  • Dazu befindet sich üblicherweise hinter dem Katalysator im Abgastrakt eines mindestens zeitweilig magerlaufenden Verbrennungsmotors eine Messeinrichtung, die in der Lage ist, die NOx-Konzentration im Abgas zu messen, also beispielsweise ein NOx-Sensor. Die Messgenauigkeit von Abgassensoren wie NOx-Sensoren oder Lambdasonden hängt in der Regel von äußeren Parametern ab. Deshalb ist es wichtig, diese Parameter in den für eine genaue Regelung optimalen Bereichen zu halten und erforderlichenfalls nachzuregeln. So muss beispielsweise bei NOx-Sensoren die Temperatur konstant gehalten werden, um eine hohe Genauigkeit des Signals zu gewährleisten. Je geringer die Abweichungen von der Soll-Temperatur des Sensors sind, desto genauer ist das Sensorsignal.
  • Bisher wird bei diesem Abgassensor für die Temperaturregelung ein PI-Regler auf Spannungsbasis ohne abgasmassenstromabhängige Vorsteuerung eingesetzt, welcher mit einer Widerstandsdifferenz als Reglereingangsgröße und einer Spannung als Reglerausgangsgröße arbeitet. Schwachstelle dieses Systems ist die große Ungenauigkeit bei der Regelung der Sensortemperatur bei Schwankungen des Abgasmassenstromes aufgrund unter anderem eines fehlenden Modells der zu regelnden Strecke.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Regler und ein Verfahren zur Regelung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors zu schaffen, die die genannten Nachteile beheben, und insbesondere einen robusten Regler beziehungsweise ein robustes Verfahren zur Regelung eines Abgassensors bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Regler und ein Verfahren mit den in den Ansprüchen 1 und 19 genannten Merkmalen gelöst.
  • Ein besonderer Vorteil des Verfahrens zum Betrieb eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors besteht darin, dass die Messgenauigkeit von Abgassensoren erhöht wird, indem eine Regelung von Betriebsparametern des Abgassensors durch einen modellbasierten Regler und/oder eine abgasstromabhängige Vorsteuerung von Betriebsparametern des Abgassensors erfolgt.
  • Zur Regelung von Betriebsparametern eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors wird deshalb ein Regler eingesetzt, der sich dadurch auszeichnet, dass der Regler als modellbasierter Regler ausgebildet ist und eine durch ein Modell der Regelstrecke vorgegebene Struktur aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass beim Betrieb eines NOx-Sensors der Betriebsparameter Temperatur geregelt und/oder gesteuert wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Temperatur durch Messung eines elektrischen Widerstandswertes ermittelt wird. Es ist außerdem von Vorteil, wenn die Regelung die Differenz aus der aktuellen und der Soll-Temperatur des Sensors 'als Reglereingangsgröße auswertet und die Heizleistung zur Beheizung des Sensors als Reglerausgangsgröße variiert. Damit wird ein linearer Zusammenhang zwischen Reglereinund -ausgangsgröße erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die abgasstromabhängige Vorsteuerung so eingerichtet ist, dass die abgasstromabhängige Vorsteuerung bei sehr schnell ab- oder zunehmendem Abgasstrom aktiv wird. Speziell kann dies dadurch realisiert werden, dass die abgasstromabhängige Vorsteuerung aktiv wird, wenn sich der Abgasstrom schneller als auf die Abtastzeit abgestimmte Gradienten ändert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Freigabebedingung der abgasstromabhängigen Vorsteuerung der aktuelle Wert des gemessenen Sensor-Widerstandes und/oder der aktuelle Wert der gemessenen Sensor-Temperatur berücksichtigt wird.
  • Als Vorteil erweist es sich, wenn bei schnell fallendem Abgasmassenstrom die Vorsteuerung kurzzeitig mit einer erniedrigten Heizleistung und bei rasch ansteigendem Abgasmassenstrom die Vorsteuerung kurzzeitig mit einer erhöhten Heizleistung reagiert. Damit werden eine unerwünschte Aufheizung beziehungsweise Abkühlung des Sensors kompensiert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform' des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer Vorsteuerung des Abgassensors mehrere zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte ausgewertet werden. Man erreicht insbesondere dadurch gute Ergebnisse, wenn die Anzahl der für eine Vorsteuerung auszuwertenden, zeitlich aufeinander folgenden Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte in Abhängigkeit der Abtastzeit bestimmt wird, wobei bei kurzen Abtastzeiten eine höhere Anzahl, bei langen Abtastzeiten eine geringere Anzahl von Differenzen ausgewertet wird.
  • Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, dass eine auf eine Abtastzeit von 50 ms abgestimmte Vorsteuerung mit einem niedrigen Heizleistungswert aktiv wird, wenn drei zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte größer als der zu applizierende Gradient sind. Wogegen eine auf eine Abtastzeit von 50 ms abgestimmte Vorsteuerung mit einem hohen Heizleistungswert vorteilhafterweise aktiv wird, wenn vier zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte kleiner als der zu applizierende Gradient sind. Diese beiden Vorgehensweisen stellen jeweils einen Kompromiss dar zwischen der Vermeidung einer Fehlsteuerung und einer kurzen Reaktionszeit.
  • Um eine unerwünschte Abkühlung des Abgassensors zu verhindern, sieht eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass wenigstens zu Beginn von Schubphasen eine hohe Heizleistungsvorsteuerung erfolgt.
  • Als vorteilhaft erweist es sich, dass der modellbasierte Regler mit Hilfe eines linearen zeitkontinuierlichen Verfahrens ermittelt wird. Dabei hat sich als besonders praktisch herausgestellt, wenn der modellbasierte Regler mit Hilfe des LQG/LTR-Verfahrens (LQG/LTR = Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery) entworfen wird.
  • Einen besonders robusten Regler erhält man, wenn dem Modell der Regelstrecke die Parameter Zeitkonstante T, Dämpfung d und statische Verstärkung kSR zugrunde gelegt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die einer zeitdiskreten Realisierung zugrunde liegende Differenzengleichung hno0y = k SR · (HNO0U · hno0u + HNO1U · hno1u + HNO2U · hno2u) - ((-HNO1YK) · hno1y + (-HNO2YK) · hno2y)
    Figure imgb0001
    lautet, wobei
  • hno0y
    die aktuelle Ausgangsgröße,
    hno1y
    die im vorangegangenen Zeittakt berechnete Ausgangsgröße,
    hno2y
    die zwei Zeittakte zuvor berechnete Ausgangsgröße,
    hno0u
    die aktuelle Eingangsgröße,
    hno1u
    die im vorangegangenen Zeittakt gemessene Eingangsgröße,
    hno2u
    die zwei Zeittakte zuvor gemessene Eingangsgröße,
    kSR
    die statische Verstärkung und
    HNOij
    die Regelparameter (i = 0, 1, 2 und j = U, YK)
    darstellen.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich, wenn der Regler als linearer Regler ausgebildet ist. Beim Einsatz eines linearen Reglers erhält man gute Regelergebnisse, wenn auch die Regelstrecke einen linearen Zusammenhang aufweist, das heißt, wenn zwischen Reglereingangs- und Reglerausgangsgrößen ein linearer Zusammenhang besteht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reglers ist dadurch ausgezeichnet, dass der Regler einen Kalman-Filter und eine optimale Zustandsrückführung umfasst. Zur Vermeidung eines unerwünschten "Hochlaufens" des Integrators ist es vorteilhaft, wenn der Regler einen ein Integrator-Windup vermeidenden Integrator aufweist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reglers ist vorgesehen, dass der Regler ein Mittel zur Messung des Abgasmassenstromwertes umfasst, wodurch eine abgasmassenstromabhängige Vorsteuerung ermöglicht wird.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Beispielhaft wird dabei ein NOx-Sensor als Abgassensor zugrunde gelegt. Es zeigen:
  • Figur 1
    eine Darstellung der in einem Sprungversuch ermittelten Kennlinien und
    Figur 2
    eine Darstellung von Amplituden- und Phasengang (Bode-Diagramm) der offenen Kette bestehend aus dem erfindungsgemäßen Regler und einem ein Integrator-Windup vermeidenden Integrator.
  • Der erfindungsgemäße Regler ist dadurch ausgezeichnet, dass ihm eine neue Reglerstruktur zugrunde liegt, welche ein Modell der Regelstrecke beinhaltet. Aufgrund dieser Zusatzinformation über die Regelstrecke wird eine höhere Regelgenauigkeit erreicht. Zusätzlich zum neuen Regler wurde der Zusammenhang zwischen Reglerein- und -ausgangsgröße linearisiert, um bessere Regelergebnisse zu erzielen. Der Regler variiert nun die Heizleistung und regelt damit die Beheizung des Sensors auf seine Soll-Temperatur. Reglereingangsgröße ist eine Temperaturdifferenz, welche sich aus der aktuellen und der Soll-Temperatur des Sensors ergibt. Zur neuen Reglerstruktur gehört ein spezieller Integrator, dessen Vorteil in der Vermeidung eines "Integrator-Windup", das heißt eines unerwünschten "Hochlaufens" des Integrators, wenn die Stellgröße den Sättigungswert des Regelstreckeneingangs erreicht hat, besteht. Zusätzlich kann die neue Reglerstruktur mit einer abgasmassenstromabhängigen Vorsteuerung kombiniert werden, um die Totzeit, bedingt durch die Position des NOx-Sensors weit hinten im Abgastrakt, auszugleichen.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform des modellbasierten Reglers wurde nach dem LQG/LTR-Verfahren (LQG/LTR = Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery) entworfen. Das LQG/LTR-Verfahren ist ein lineares zeitkontinuierliches Entwurfsverfahren. Der damit entworfene beispielhafte Regler besteht aus einem Kalman-Filter als Beobachter und aus einer optimalen Zustandsrückführung. Die zugrunde liegende Differenzengleichung für eine zeitdiskrete Realisierung, wie sie beispielsweise in der Software eines Motorsteuergeräts implementiert ist, lautet: hno0y = k SR · (HNO0U · hno0u + HNO1U · hno1u + HNO2U · hno2u) - ((-HNO1YK)· hno1y + (-HNO2YK) · hno2y)
    Figure imgb0002
    mit den oben definierten Größen.
  • Da die Ordnung des Regelstreckenmodells die Ordnung des modellbasierten Reglers vorgibt, war es erforderlich, ein geeignetes und dennoch einfaches Modell der Regelstrecke zu ermitteln. Dazu wurden Sprungversuche mit der Strecke durchgeführt, wobei Leistungssprünge auf die Strecke gegeben wurden derart, dass die Streckenausgangsgröße, die Sensor-Temperatur, Sprünge um ihren Arbeitspunkt, der Soll-Temperatur durchführt, wie sie im Normalbetrieb zu erwarten sind. In Figur 1 ist das Ergebnis eines durchgeführten Sprungversuches dargestellt. Die Spannungs-Sprunggröße 10 U_sprung, wird über den Heizwiderstand in eine Leistungsgröße umgerechnet. Die Zwischengröße 11 RPVS, das ist der Innenwiderstand des Sensors, und die gewünschte Sprungantwort 12 T_Tip, die Temperatur des Sensorelements, sind zusätzlich in dem Diagramm aufgetragen. Mit Hilfe eines geeigneten Hilfsmittels wurde der gemessenen Sprungantwort 12 das simulierte Verhalten eines PT2-Glieds 13 T_model überlagert. Wie in Figur 1 gut zu erkennen, stellte sich heraus, dass ein PT2-Glied das gemessene Verhalten gut annähert. Die Parameter des beispielhaften Modells lauten: Zeitkonstante T = 4.2s, Dämpfung d = 1.2s und statische Verstärkung kSR = 17°C/W.
  • Figur 2 zeigt den Amplituden- und Phasengang (Bode-Diagramm) der offenen Kette 20 bestehend aus dem erfindungsgemäßen Regler und dem oben beschriebenen, speziellen Integrator. Mit einer Phasenreserve von rund 73° weist die Struktur eine hohe Robustheit auf.
  • Da es sich um einen linearen Regler handelt, wird für ein gutes Regelungsergebnis ein linearer Zusammenhang zwischen Reglerein- und -ausgangsgröße benötigt. Dieses ist der Grund für den Wechsel der Reglereingangsgröße vom gemessenen Sensorwiderstandswert auf einen Sensor-Temperaturwert und vom Heizspannungswert der Reglerausgangsgröße auf einen Heizleistungswert. Der lineare Zusammenhang zwischen der Temperaturerhöhung eines Körpers und der ihm zugeführten Wärmemenge lautet: ΔT 1 m Q
    Figure imgb0003
    mit der Temperaturerhöhung ΔT in [K] und der Masse m in [kg] des Körpers sowie der ihm zugeführten Wärmemenge Q in [Ws]. Die Umrechnung vom bisher verwendeten Innenwiderstandswert des Sensors in seine Temperatur erfolgt mit Hilfe einer vom Sensorhersteller ermittelten nichtlinearen Kennlinie.
  • Um Schwankungen des Abgasmassenstromes bei der Temperaturregelung des NOx-Sensors besser berücksichtigen zu können, kann die vorgeschlagene neue Reglerstruktur mit einer abgasmassenstromabhängigen Vorsteuerung kombiniert werden. Die Vorsteuerung wird aktiv, wenn der Abgasmassenstrom sehr schnell zu- oder abnimmt. Die dahinter stehende Idee ist, dass über den Abgasmassenstrom eine Information über eine bevorstehende Abkühlung oder Aufheizung des weiter hinten im Abgastrakt befindlichen Sensors vorliegt. Wenn der Massenstrom sich schneller als die auf die Abtastzeit abgestimmten Gradienten ändert, wird die Vorsteuerung aktiv durch entweder ein starkes Aufheizen, um der bevorstehenden Abkühlung zuvorzukommen, oder ein Absenken der Heizleistung auf einen niedrigen Wert wegen einer bevorstehenden Aufheizung. Der aktuelle Wert des gemessenen Sensor-Widerstands geht dabei mit in die Freigabebedingung der Vorsteuerung ein, um zu vermeiden, dass bei einer zu niedrigen Sensortemperatur eine zu geringe Heizleistungsvorsteuerung erfolgt und umgekehrt. Alternativ zum Sensor-Widerstand kann auch die Sensor-Temperatur gemessen werden, wobei Temperatur und Widerstand anhand der oben genannten Kennlinie ineinander umgerechnet werden.
  • Durch Messungen ist festgestellt worden, dass bei schnell fallendem Abgasmassenstrom im ersten Moment eine unerwünschte Erhöhung der Sensortemperatur stattfindet, auf welche die Vorsteuerung kurzzeitig kompensierend mit einem erniedrigten Heizleistungswert reagiert. Umgekehrt findet bei rasch ansteigendem Abgasmassenstrom im ersten Moment eine Abkühlung des Sensors statt, auf die kurzzeitig die Vorsteuerung wiederum mit einer erhöhten Heizleistung reagiert.
  • Die Messung des Abgasmassenstroms wird durch ein Messrauschen beeinträchtigt. Um sich von diesem Messrauschen abzugrenzen, ist es in der Regel nicht angebracht, auf jede (kleine) Änderung des Abgasmassenstroms mit einer Anpassung der Heizleistung zu reagieren. Stattdessen wird es sinnvoll sein, in Abhängigkeit von der Abtastzeit eine höhere oder geringere Anzahl von zeitlich aufeinander folgenden Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte für eine Vorsteuerung zu berücksichtigen. Die Anzahl der zeitlich aufeinander folgenden Differenzen muss dabei so gewählt werden, dass ein Kompromiss gefunden wird zwischen der Abgrenzung gegen das Messrauschen und einer zu langen Reaktionszeit. Für kürzere Abtastzeiten kann es vorteilhaft sein, die Anzahl der zu berücksichtigenden, zeitlich aufeinander folgenden Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte zu erhöhen; bei längeren Abtastzeiten kann es sich erforderlich machen, diese Anzahl zu vermindern.
  • Für eine Vorsteuerung mit einem niedrigen Heizleistungswert und der speziellen, beispielhaften Abtastzeit von 50 ms kann zum Beispiel das Kriterium "drei zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte sind größer als der zu applizierende Gradient (entspricht einer Reaktionszeit von 3*50ms)" einen Kompromiss darstellen zwischen Vermeidung einer Fehlvorsteuerung und einer kurzen Reaktionszeit.
  • Für eine Vorsteuerung mit einem hohen Heizleistungswert kann der Kompromiss in einer speziellen Ausführungsform mit der Abtastzeit 50 ms beispielsweise durch das Kriterium "vier zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte sind kleiner als der zu applizierende Gradient (entspricht einer Reaktionszeit von 4*50ms)" gebildet werden.
  • Zu Beginn einer Schubabschaltungsphase kühlt der Sensor üblicherweise etwas aus. Daher kann auch für Schubphasen schon über die Vorsteuerung auf Maximalbeheizung geschaltet werden, noch bevor über die Regelabweichung und den Regler selbst dieses der Fall ist.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, 'durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
  • 10
    Spannungs-Sprunggröße
    11
    Zwischengröße
    12
    Sprungantwort
    13
    simuliertes Verhalten eines PT2-Gliedes
    20
    offene Kette

Claims (24)

  1. Verfahren zum Betrieb eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung von Betriebsparametern des Abgassensors durch einen modellbasierten Regler und/oder eine abgasstromabhängige Vorsteuerung von Betriebsparametern des Abgassensors erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb eines NOx-Sensors der Betriebsparameter Temperatur geregelt und/oder gesteuert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch Messung eines elektrischen Widerstandswertes ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung die Differenz aus der aktuellen und der Soll-Temperatur des Sensors als Reglereingangsgröße auswertet und die Heizleistung zur Beheizung des Sensors als Reglerausgangsgröße variiert.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgasstromabhängige Vorsteuerung bei sehr schnell ab- oder zunehmendem Abgasstrom aktiv wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgasstromabhängige Vorsteuerung aktiv wird, wenn sich der Abgasstrom schneller als auf die Abtastzeit abgestimmte Gradienten ändert.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Freigabebedingung der abgasstromabhängigen Vorsteuerung
    - der aktuelle Wert des gemessenen Sensor-Widerstandes und/oder
    - der aktuelle Wert der gemessenen Sensor-Temperatur
    berücksichtigt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei schnell fallendem Abgasmassenstrom die Vorsteuerung kurzzeitig mit einer erniedrigten Heizleistung reagiert.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei rasch ansteigendem Abgasmassenstrom die Vorsteuerung kurzzeitig mit einer erhöhten Heizleistung reagiert.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Vorsteuerung des Abgassensors mehrere zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte ausgewertet werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der für eine Vorsteuerung auszuwertenden, zeitlich aufeinander folgenden Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte in Abhängigkeit der Abtastzeit bestimmt wird, wobei bei kurzen Abtastzeiten eine höhere Anzahl, bei langen Abtastzeiten eine geringere Anzahl von Differenzen ausgewertet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf eine Abtastzeit von 50 ms abgestimmte Vorsteuerung mit einem niedrigen Heizleistungswert aktiv wird, wenn drei zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte größer als der zu applizierende Gradient sind.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf eine Abtastzeit von 50 ms abgestimmte Vorsteuerung mit einem hohen Heizleistungswert aktiv wird, wenn vier zeitlich aufeinander folgende Differenzen der gemessenen Abgasmassenstromwerte kleiner als der zu applizierende Gradient sind.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zu Beginn von Schubphasen eine hohe Heizleistungsvorsteuerung erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modellbasierten Regler mit Hilfe eines linearen zeitkontinuierlichen Verfahrens entworfen wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modellbasierte Regler mit Hilfe des LQG/LTR-Verfahrens (LQG/LTR = Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery) entworfen wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modell der Regelstrecke die Parameter
    - Zeitkonstante (T),
    - Dämpfung (d( und
    - statische Verstärkung (kSR)
    zugrunde gelegt werden.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einer zeitdiskreten Realisierung zugrunde liegende Differenzengleichung hno0y = k SR · (HNO0U · hno0u + HNO1U · hno1u + HNO2U · hno2u) - ((-HNO1YK) · hno1y + (-HNO2YK) · hno2y)
    Figure imgb0004
    lautet, wobei
    hno0y   die aktuelle Ausgangsgröße,
    hno1y   die im vorangegangenen Zeittakt berechnete Ausgangsgröße,
    hno2y   die zwei Zeittakte zuvor berechnete Ausgangsgröße,
    hno0u   die aktuelle Eingangsgröße,
    hno1u   die im vorangegangenen Zeittakt gemessene Eingangsgröße,
    hno2u   die zwei Zeittakte zuvor gemessene Eingangsgröße,
    kSR   die statische Verstärkung und
    HNOij   die Regelparameter (i = 0, 1, 2 und j = U, YK)
    darstellen.
  19. Regler zur Regelung von Betriebsparametern eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abgassensors, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler als modellbasierter Regler ausgebildet ist und eine durch ein Modell der Regelstrecke vorgegebene Struktur aufweist.
  20. Regler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler als linearer Regler ausgebildet ist.
  21. Regler nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Reglereingangs- und Reglerausgangsgrößen ein linearer Zusammenhang besteht.
  22. Regler nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler einen Kalman-Filter und eine optimale Zustandsrückführung umfasst.
  23. Regler nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler einen ein Integrator-Windup vermeidenden Integrator aufweist.
  24. Regler nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler ein Mittel zur Messung des Abgasmassenstromwertes umfasst.
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