EP2786001B1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines kraftstoffregelers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum steuern eines kraftstoffregelers Download PDF

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EP2786001B1
EP2786001B1 EP12794925.3A EP12794925A EP2786001B1 EP 2786001 B1 EP2786001 B1 EP 2786001B1 EP 12794925 A EP12794925 A EP 12794925A EP 2786001 B1 EP2786001 B1 EP 2786001B1
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EP
European Patent Office
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lambda
value
regulator
exhaust gas
controller
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Hermann Hahn
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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Publication date
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Publication of EP2786001B1 publication Critical patent/EP2786001B1/de
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1477—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation circuit or part of it,(e.g. comparator, PI regulator, output)
    • F02D41/1483—Proportional component
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1413—Controller structures or design
    • F02D2041/1422—Variable gain or coefficients

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, wherein an exhaust gas generated by the internal combustion engine is guided over a arranged in an exhaust passage 3-way catalyst.
  • Processes for lambda control in internal combustion engines can be used to reduce the emissions of harmful exhaust gases into the environment.
  • at least one catalyst can be arranged in the exhaust system of the internal combustion engine.
  • a lambda control In order to keep the catalyst in an optimal operating point, it is necessary to control the mixture preparation of the internal combustion engine with the aid of a lambda control so that, at least on average, a regulated lambda value results which is approximately close to 1.0 (hereinafter also referred to as mean Exhaust lambda Am).
  • a lambda probe can be arranged in the exhaust system of the internal combustion engine.
  • the mixture is operated in stoichiometric operation with a fixed modulation amplitude and frequency alternately slightly rich or slightly lean to increase the cleaning effect of a downstream catalyst.
  • Catalysts according to the state of the art thus achieve their maximum exhaust gas purification efficiency, if they are applied on average with a lambda value which is slightly less than 1, see FIG.
  • the control in order to apply a lambda value on average to a downstream catalytic converter, with which the catalytic converter can reach its maximum conversion efficiency, the control therefore has to offer the possibility of predetermined shifts in the mean lambda nominal value, for example by preset delta lambda values or also by setting interventions of a possible trim control behind the catalyst to be able to adjust. According to the prior art, this is done via the imprint of so-called delay or dead times.
  • Jump probes which generate a signal according to the Nernst principle provide a signal as exemplified in US Pat FIG. 2 is shown.
  • this may be, for example, a voltage threshold of about 450mV.
  • the probe signal is too inaccurate, and the characteristic too flat and superimposed by additional cross influences, so that it is not used in the prior art directly to influence the scheme.
  • FIG. 4 shows in the upper part of the course of the probe signal against time, with the x-axis was set to a threshold value of the jump probe for the stoichiometric point (for example, 450 mV).
  • the lower area of the FIG. 4 shows a course of the controller intervention over time.
  • the switching of the controller if a defined switching point is reached, for example, the 450mV threshold of the probe signal, as is the case at the times t1, t3 and t4. It can also be seen how at the time t1, the controller is stopped, and only at time t2, the switching takes place. The same is the case at the time t4, at which the controller is stopped until the time t5.
  • An average lambda deviation in the catalyst only sets in correctly if the oxygen input and output into the catalyst are the same on average. In addition, this is determined not only by the lambda value of the mixture before the catalyst, but also by the exhaust gas mass flow, since the oxygen mass flow results from lambda and exhaust gas mass flow. If the controller remains at a fixed value for the given dead time, dynamic deviations in the lambda result in additional deviations from the desired average lambda.
  • GB 2 258 324 also discloses a similar method as described above.
  • an exhaust gas generated by the internal combustion engine is passed over a 3-way catalyst arranged in the exhaust passage.
  • a lambda probe detects a variable characteristic of an exhaust lambda before the 3-way catalytic converter and forwards them to an engine control unit with integrated controller.
  • a mean exhaust lambda ⁇ m is set by specifying a desired lambda value and the mean exhaust lambda ⁇ m is alternately deflected in the direction of a lean lambda value and a lambda lambda value with predetermined periodic desired value variation (lambda modulation).
  • a controller deviation AR of a current controller value R1 and a current controller setpoint formed and a new controller setpoint R2 determined by adding the 2-fold controller deviation .DELTA.R to the current controller actual value R1.
  • the average exhaust lambda Am is preferably in the range of 0.98 to 0.998, and the new controller setpoint value R2 is determined during the transition in the direction of the lean lambda value.
  • the invention is based on the finding that an adjustment of the average exhaust lambda Am to a value slightly below 1 takes much better dynamic deviations in lambda, if the shift of the average exhaust lambda Am not on the specification of a dead time, but as an offset over the controller is set directly.
  • the actual controller actual value R1 is recorded at a point in time t1 at which the lambda probe, in particular a leap lambda probe, crosses a threshold value ⁇ s toward the lean mode of operation.
  • the remaining lambda deviation ⁇ to the current lambda desired value is detected, that is to say the correlating controller deviation ⁇ R is determined.
  • the latter value is multiplied by 2 and added to the current controller actual value R1 to provide a new controller reference value R2.
  • a mean lambda of the setpoint variation of a cycle then results as the sum over the lean and rich modulation half-wave. Due to the shift of 2 * ⁇ at each lean half wave, on average, exactly the desired deviation from the stoichiometric point for the mean exhaust lambda Am will be set. In this case, preset lambda shifts, control adjustments (for example trim control based on an additional probe behind the catalytic converter) or determined deviations of the jump point from the stoichiometric point can be taken into account.
  • the mixture supplied to the catalyst can be adjusted to be emission-optimized with much greater accuracy than hitherto when using a two-point control.
  • a shift in the direction of a mean exhaust lambda Am can be carried out with lambda> 1.
  • the new controller setpoint R2 is determined during the transition in the direction of the rich lambda value. Accordingly, there will be a shift of 2 * ⁇ at each rich half-wave, and on average, exactly the desired deviation from the stoichiometric point to the rich operating mode will be set for the middle exhaust lambda Am.
  • control device for controlling an operation of an internal combustion engine, which is set up for carrying out the method according to the invention.
  • the controller may include a computer-readable control algorithm for performing the method.
  • the control unit is an integral part of the engine control unit.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of an internal combustion engine 10 with a downstream exhaust system.
  • the internal combustion engine 10 may be a spark ignition engine (gasoline engine). With regard to their fuel supply, they can have a direct injection fuel supply, so working with internal mixture formation, or have a pilot fuel injection and thus work with external mixture formation.
  • the internal combustion engine 10 can be operated homogeneously, wherein in the entire combustion chamber of a cylinder, there is a homogeneous air-fuel mixture at the ignition point, or in an inhomogeneous mode (stratified charge mode), in which at the time of ignition a comparatively rich air-fuel mixture, especially in the area of a spark plug, is present, which is surrounded by a very lean mixture in the remaining combustion chamber. It is important in the context of the present invention that the internal combustion engine 10 can be operated with different air-fuel mixtures whose composition can be varied in particular in a region around the stoichiometric point.
  • the exhaust system comprises an exhaust manifold, which merges the exhaust gas of the individual cylinders of the internal combustion engine 10 into an exhaust gas channel 16.
  • various exhaust gas purifying components may be present.
  • Essential within the scope of the present invention is a 3-way catalyst 20 arranged in the exhaust gas duct 16.
  • the 3-way catalyst 20 has a coating of catalytically active components, such as platinum, rhodium and / or palladium, which are on a porous catalyst support, for example, Al 2 O 3 , paragraphbraugt.
  • the coating further comprises an oxygen storage component, for example cerium oxide (CeO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ), which determines the oxygen storage capacity (OSC) of the 3-way catalyst 20.
  • an oxygen storage component for example cerium oxide (CeO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ), which determines the oxygen storage capacity (OSC) of the 3-way catalyst 20.
  • OSC oxygen storage capacity
  • the 3-way catalyst 20 can reduce nitrogen oxides NO x to nitrogen N 2 and oxygen O 2 .
  • the exhaust duct 16 may contain various sensors, in particular gas and temperature sensors. Shown here is a lambda probe 26, which is arranged at a position close to the engine in the exhaust gas channel 16.
  • the lambda probe 26 may be designed as a jump lambda probe and allows in a known manner the lambda control of the internal combustion engine 10, for which it measures the oxygen content of the exhaust gas.
  • various parameters of the internal combustion engine 10, in particular the engine speed and the engine load are read from the engine control unit 28.
  • a controller implemented in the engine control unit 28 thus controls the operation of the internal combustion engine 10.
  • the fuel supply and the air supply are controlled so that a desired fuel mass and a desired air mass are supplied to a desired air-fuel mixture (the exhaust target lambda) represent.
  • the air-fuel mixture is determined as a function of the operating point of the internal combustion engine 10, in particular the engine speed and the engine load from maps.
  • the internal combustion engine 10 is operated continuously with a mean exhaust lambda ⁇ m slightly below the stoichiometric composition, wherein the internal combustion engine 10 supplied air-fuel ratio with a predetermined oscillation frequency and a predetermined amplitude of oscillation is deflected by this average lambda value periodically alternating in the direction of a lean lambda value and a rich lambda value (so-called lambda modulation).
  • the oscillation frequency and the oscillation amplitude are selected so that the 3-way catalyst 20 is regenerated quasi-continuously.
  • the oscillation frequency and the oscillation amplitude are further selected so that a minimum conversion rate of unburned hydrocarbons (HC) and / or carbon monoxide (CO) and / or nitrogen oxides (NO x ) is present at the 3-way catalytic coating 22, wherein the minimum conversion rate of statutory Limit values.
  • the oscillation frequency is determined as a function of a current operating point of the internal combustion engine 10, in particular as a function of the engine load and / or engine rotational speed.
  • the oscillation amplitude can also be determined as a function of the OSC.
  • a controller implemented in the engine control unit 28 thus controls the operation of the internal combustion engine 10 to represent a desired target exhaust gas lambda.
  • Controllers automatically influence one or more physical variables to a predetermined level while reducing disturbing influences.
  • controllers within a control loop constantly compare the signal of the setpoint with the measured and returned actual value of the controlled variable and determine from the difference between the two variables - the control deviation (control deviation) - a manipulated variable which influences the controlled system in such a way that the control deviation becomes a minimum .
  • the controller must increase the value of the control deviation and at the same time compensate for the time behavior of the path so that the control variable reaches the desired value in the desired manner. Incorrectly set controllers make the control loop too slow, lead to a large control deviation or to undamped oscillations of the controlled variable and thus possibly to the destruction of the controlled system.
  • the controllers are distinguished according to continuous and unsteady behavior.
  • continuous controllers are the "standard controllers" with P, PI, PD and PID behavior.
  • a continuous proportional, integral, and optionally differential (PI or PID) controller is typically used.
  • a PID controller therefore consists of the proportions of the P-element, the I-element and the D-element.
  • the P element provides a contribution to the manipulated variable, which is proportional to the control deviation.
  • the I-element acts by time integration of the control deviation on the manipulated variable with a weighting by the reset time.
  • the D-element is a differentiator, which is only used in conjunction with regulators with P and / or I behavior as a controller. He does not react to the level of the control deviation, but only to the rate of change.
  • the lambda modulation is carried out as in FIG. 5 exemplified.
  • a trace of the probe signal vs. time is shown with the x-axis set at a stoichiometric point jump probe threshold (eg, 450 mV).
  • the lower area of the FIG. 5 shows a course of the controller intervention over time.
  • the controller value is multiplied by the amount of fuel supplied, ie it is directly correlated to the lambda value.
  • the controller actual value R1 is recorded according to the invention.
  • the controller deviation ⁇ R is now multiplied by 2 and added to the controller actual value R1. This results in the target of the new controller setpoint R2.
  • the controller then continues to run at the parameters intended for the new operating state, until the controller setpoint R2 has been reached. Likewise, at time t4 proceed.
  • the mean lambda in one cycle of lambda modulation now results as the sum over the lean and rich modulation half wave, that is, in this example, as a mean between times t2 and t3.
  • An average value of the mean lambda of the successive cycles should then correspond to the desired mean exhaust lambda ⁇ m . Due to the shift of 2 * ⁇ in the case of one half-wave, on average exactly the desired deviation ⁇ results.

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  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein von der Verbrennungskraftmaschine erzeugtes Abgas über einen in einem Abgaskanal angeordneten 3-Wege-Katalysator geführt wird.
    • Stand der Technik und technologischer Hintergrund
  • Verfahren zur Lambdaregelung bei Verbrennungsmotoren können eingesetzt werden, um die Emissionen schädlicher Abgase in die Umwelt zu reduzieren. Dazu kann in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors zumindest ein Katalysator angeordnet werden. Um den Katalysator in einem optimalen Betriebspunkt zu halten, ist es notwendig, die Gemischaufbereitung des Verbrennungsmotors mit Hilfe einer Lambdaregelung so zu steuern, dass sich zumindest im Mittelwert ein geregelter Lambdawert ergibt, der in etwa nahe bei 1,0 liegt (nachfolgend auch als mittleres Abgaslambda Am bezeichnet). Zum Generieren eines Messsignals kann in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors eine Lambdasonde angeordnet sein.
  • Bei der sogenannten Lambdamodulation wird im stöchiometrischen Betrieb das Gemisch mit einer festgelegten Modulationsamplitude und -frequenz im Wechsel leicht fett beziehungsweise leicht mager betrieben um die Reinigungswirkung eines nachgeschalteten Katalysators zu erhöhen. Katalysatoren nach heutigem Stand der Technik erreichen also ihre maximale Abgasreinigungseffizienz, wenn sie im Mittel mit einem Lambda-Wert beaufschlagt werden, welcher leicht unter 1 liegt, siehe Figur 3. Um einen nachgeschalteten Katalysator jedoch im Mittel mit einem Lambdawert zu beaufschlagen, mit welchem der Katalysator seine maximale Konvertierungseffizienz erreichen kann, muss die Regelung daher die Möglichkeit bieten, vorgegebene Verschiebungen im mittleren Lambda-Sollwert, zum Beispiel durch voreingestellte Delta-Lambda-Werte oder auch durch Stelleingriffe einer eventuellen Trim-Regelung hinter dem Katalysator, einstellen zu können. Nach Stand der Technik erfolgt dies über die Aufprägung von sogenannten Verzugs- oder Totzeiten.
  • Sprungsonden, welche ein Signal nach dem Nernst-Prinzip erzeugen, liefern ein Signal, wie es beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Mit solchen Sonden wird zur Regelung üblicherweise ein Regelungsverfahren eingesetzt, bei welchem nur der sogenannte Sprungbereich betrachtet wird, das heißt es wird nur ausgewertet, ob das Signal oberhalb oder unterhalb einer definierten Schwelle ist, welche sich am Sprungbereich um Lambda=1 orientiert. Typischerweise kann dies zum Beispiel eine Spannungsschwelle von ca. 450mV sein. Im fetteren und mageren Gemischbereich ist das Sondensignal zu ungenau, sowie die Kennlinie zu flach und von zusätzlichen Quereinflüssen überlagert, so dass diese nach Stand der Technik nicht direkt zur Beeinflussung der Regelung herangezogen wird.
  • Stand der Technik ist unter anderem die Anwendung eines nachfolgend beschriebenen Regelverfahrens mit einem Zweipunktregler und unter Verwendung einer Sprung-Lambdasonde. Figur 4 zeigt im oberen Bereich den Verlauf des Sondensignals gegen die Zeit, wobei die x-Achse auf einen Schwellenwert der Sprungsonde für den stöchiometrischen Punkt gelegt wurde (zum Beispiel 450 mV). Dem unteren Bereich der Figur 4 ist ein Verlauf des Reglereingriffs über die Zeit zu entnehmen. Die x-Achse ist auf den Reglerwert 1 gelegt, also einem Wert, der idealisiert dazu führen sollte, dass das von der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Abgas ein Abgaslambda von Lambda=1 aufweist. Unterhalb der x-Achsen befindet sich die Verbrennungskraftmaschine folglich in einem fetten Betriebsmodus und oberhalb der x-Achsen in einem mageren Betriebsmodus. Grundsätzlich erfolgt die Umschaltung des Reglers, wenn ein definierter Umschaltpunkt erreicht ist, zum Beispiel die 450mV-Schwelle des Sondensignals, wie dies an den Zeitpunkten t1, t3 und t4 der Fall ist. Es ist ferner zu erkennen, wie am Zeitpunkt t1 der Regler angehalten wird, und erst zum Zeitpunkt t2 die Umschaltung erfolgt. Gleiches ist der Fall zum Zeitpunkt t4, an dem der Regler bis zum Zeitpunkt t5 angehalten wird. Die Zeitdifferenz zwischen t1 und t2, bzw. t4 und t5, wird so eingestellt, dass sich im Mittel die gewünschte Lambda-Abweichung vom Lambda=1-Punkt für das mittlere Abgaslambda λm ergeben soll.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Einstellung der gewünschten Lambda-Abweichung vom Lambda=1-Punkt über eine Totzeit grundsätzlich ungenau ist, da nicht bekannt ist, welchen Lambdawert das Gemisch aktuell überhaupt hat. Eine mittlere Lambda-Abweichung im Katalysator stellt sich nur dann richtig ein, wenn Sauerstoffeintrag und -austrag in den Katalysator im Mittel gleich sind. Dies wird zudem nicht nur durch den Lambdawert des Gemisches vor Katalysator bestimmt, sondern auch vom Abgasmassenstrom, da sich der Sauerstoffmassenstrom aus Lambda und Abgasmassenstrom ergibt. Bei einem Verharren des Reglers auf einem festen Wert für die vorgegebene Totzeit haben daher dynamische Abweichungen im Lambda zusätzliche Abweichungen vom gewollten mittleren Lambda zur Folge.
  • GB 2 258 324 offenbart ebenso ein ähnliches Verfahren wie oben beschrieben.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein oder mehrere der angesprochenen Probleme des Standes der Technik lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine beheben oder zumindest mindern. Gemäß dem Verfahren wird ein von der Verbrennungskraftmaschine erzeugtes Abgas über einen im Abgaskanal angeordneten 3-Wege-Katalysator geführt. Eine Lambdasonde erfasst eine für ein Abgaslambda charakteristische Größe vor dem 3-Wege-Katalysator und leitet diese an ein Motorsteuergerät mit integriertem Regler weiter. Mit dem Regler des Motorsteuergeräts wird durch Vorgabe eines Lambda-Sollwertes ein mittleres Abgaslambda λm eingestellt und das mittlere Abgaslambda λm mit vorgegebener periodischer Sollwertvariation alternierend in Richtung eines Magerlambdawertes und eines Fettlambdawertes ausgelenkt (Lambdamodulation). Beim Übergang in Richtung des Magerlambdawertes oder beim Übergang in Richtung des Fettlambdawertes zu einem Zeitpunkt t1, an dem ein Sondensignal der Lambdasonde einen vorgegebenen Schwellenwert λs erreicht, wird eine Regler-Abweichung ΔR zwischen einem aktuellen Regler-Istwert R1 und einem aktuellen Regler-Sollwert gebildet und ein neuer Regler-Sollwert R2 durch Addition der 2fachen Regler-Abweichung ΔR zum aktuellen Regler-Istwert R1 ermittelt. Vorzugsweise liegt das mittlere Abgaslambda Am im Bereich von 0,98 bis 0,998 und der neue Regler-Sollwert R2 wird beim Übergang in Richtung des Magerlambdawertes ermittelt.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Einstellung des mittleren Abgaslambda Am auf einen Wert leicht unterhalb von 1 wesentlich besser dynamische Abweichungen im Lambda berücksichtigt, wenn die Verschiebung des mittleren Abgaslambda Am nicht über die Vorgabe einer Totzeit, sondern als Offset über den Regler direkt eingestellt wird. Zur Bestimmung dieses Offsets wird der aktuelle Regler-Istwert R1 zu einem Zeitpunkt t1, an dem die Lambdasonde, insbesondere Sprung-Lambdasonde, einen Schwellenwert λs hin zum mageren Betriebsmodus kreuzt, festgehalten. Die noch verbleibende Lambda-Abweichung Δλ zum aktuellen Lambda-Sollwert wird erfasst, das heißt die korrelierende Regler-Abweichung ΔR bestimmt. Letzterer Wert wird mit 2 multipliziert und auf den aktuellen Regler-Istwert R1 addiert, um einen neuen Regler-Sollwert R2 zu liefern. Der Schwellenwert λs entspricht insbesondere einem Sondensignal für Lambda = 1. In analoger Weise kann ein Stelleingriff in Richtung mager erfolgen, wenn zum Beispiel bei Trim-Regelung hinter dem 3-Wege-Katalysator ein mittleres Abgaslambda Am von > 1 vorgegeben werden soll.
  • Der Regler läuft nun mit den vorgesehenen Parametern weiter, bis der neue Regler-Sollwert R2 erreicht ist. Ein mittleres Lambda der Sollwertvariation eines Zyklus ergibt sich dann als Summe über die magere und fette Modulations-Halbwelle. Durch die Verschiebung von 2*Δλ bei jeder mageren Halbwelle wird sich im Mittel genau die gewollte Abweichung vom stöchiometrischen Punkt für das mittlere Abgaslambda Am einstellen. Dabei können voreingestellte Lambda-Verschiebungen, Stelleingriffe von Regelungen (zum Beispiel Trim-Regelung basierend auf einer zusätzlichen Sonde hinter dem Katalysator) oder ermittelte Abweichungen des Sprungpunktes vom stöchiometrischen Punkt berücksichtigt werden. Mit diesem Verfahren kann daher deutlich genauer als bisher bei Benutzung einer Zweipunktregelung das dem Katalysator zugeführte Gemisch emissionsoptimal eingestellt werden. In analoger Weise kann eine Verschiebung in Richtung eines mittleren Abgaslambda Am mit Lambda > 1 erfolgen. Hier wird beim Übergang in Richtung des Fettlambdawertes der neue Regler-Sollwert R2 ermittelt. Entsprechend erfolgt eine Verschiebung von 2*Δλ bei jeder fetten Halbwelle und im Mittel wird sich genau die gewollte Abweichung vom stöchiometrischen Punkt hin zum fetten Betriebsmodus für das mittlere Abgaslambda Am einstellen.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Steuergerät zur Steuerung eines Betriebs einer Verbrennungskraftmaschine, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Zu diesem Zweck kann das Steuergerät einen computerlesbaren Steuerungsalgorithmus zur Durchführung des Verfahrens enthalten. In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Steuergerät integraler Bestandteil des Motorsteuergeräts.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen oder aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen schematischen Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage und 3-Wege-Katalysator;
    Figur 2
    eine Kennlinie einer Sprung-Lambdasonde;
    Figur 3
    Konvertierungsraten eines 3-Wege-Katalysators für HC, CO und NOx in Abhängigkeit vom Abgaslambda;
    Figur 4
    einen Verlauf von Abgaslambda und Reglereingriff bei einem Zweipunktregler nach Stand der Technik zur Erreichung eines bei Lambdamodulation leicht unterhalb von λ = 1 liegenden mittleren Abgaslambda λm; und
    Figur 5
    einen Verlauf von Abgaslambda und Reglereingriff nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erreichung eines bei Lambdamodulation leicht unterhalb von λ = 1 liegenden mittleren Abgaslambda λm.
  • Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer nachgeschalteten Abgasanlage. Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann ein fremdgezündeter Motor (Ottomotor) sein. Hinsichtlich ihrer Kraftstoffzuführung kann sie über eine direkteinspritzende Kraftstoffzufuhr verfügen, also mit innerer Gemischbildung arbeiten, oder über eine Kraftstoffvoreinspritzung verfügen und damit mit äußerer Gemischbildung arbeiten. Darüber hinaus kann die Verbrennungskraftmaschine 10 homogen betrieben werden, wobei in dem gesamten Brennraum eines Zylinders ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Zündzeitpunkt vorliegt, oder in einem inhomogenen Modus (Schichtladebetrieb), bei dem zum Zündzeitpunkt ein vergleichsweise fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch, insbesondere im Bereich einer Zündkerze, vorliegt, das im übrigen Brennraum von einem sehr mageren Gemisch umgeben wird. Wichtig im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 mit unterschiedlichen Luft-Kraftstoff-Gemischen betrieben werden kann, deren Zusammensetzung insbesondere in einem Bereich um den stöchiometrischen Punkt herum variiert werden kann.
  • Die Abgasanlage umfasst einen Abgaskrümmer, welcher das Abgas der einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 10 in einen Abgaskanal 16 zusammenführt. In dem Abgaskanal 16 können verschiedene Abgasreinigungskomponenten vorhanden sein. Wesentlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein im Abgaskanal 16 angeordneter 3-Wege-Katalysator 20.
  • Der 3-Wege-Katalysator 20 besitzt eine Beschichtung aus katalytisch wirksamen Komponenten, wie Platin, Rhodium und/oder Palladium, die auf einem porösen Katalysatorträger auf, beispielsweise aus Al2O3, aufgebrächt sind. Der Beschichtung umfasst ferner eine Sauerstoffspeicherkomponente, beispielsweise Ceroxid (CeO2) und/oder Zirkoniumoxid (ZrO2), welche die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC für oxygen storage capacity) des 3-Wege-Katalysators 20 bestimmt. Bei einer stöchiometrischen oder leicht fetten Abgasatmosphäre vermag der 3-Wege-Katalysator 20 Stickoxide NOx zu Stickstoff N2 und Sauerstoff O2 zu reduzieren. Bei stöchiometrischem oder leicht magerem Betrieb werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid CO zu Kohlendioxid CO2 und Wasser H2O oxidiert. Bei einem Abgaslambda leicht unterhalt stöchiometrischer Abgasatmosphäre, das heißt bei einem λ zwischen 0,98 und 0,998, laufen diese Umsätze praktisch vollständig ab. Derartige katalytische Beschichtungen sind im Stand der Technik aus der Abgasnachbehandlung von Ottomotoren bekannt und üblich. Aufbau und Funktionsweise von 3-Wege-Katalysatoren sind im Stand der Technik somit hinreichend bekannt und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung.
  • Der Abgaskanal 16 kann verschiedene Sensoren, insbesondere Gas- und Temperatursensoren enthalten. Dargestellt ist vorliegend eine Lambdasonde 26, die an einer motornahen Position im Abgaskanal 16 angeordnet ist. Die Lambdasonde 26 kann als Sprung-Lambdasonde ausgestaltet sein und ermöglicht in bekannter Weise die Lambdaregelung des Verbrennungsmotors 10, wofür sie den Sauerstoffgehalt des Abgases misst.
  • Die von den verschiedenen Sensoren erfassten Signale, insbesondere das mit der Lambdasonde 26 gemessene Abgaslambda, gehen in ein Motorsteuergerät 28 ein. Desgleichen werden verschiedene Parameter der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere die Motordrehzahl sowie die Motorlast von dem Motorsteuergerät 28 eingelesen. In Abhängigkeit der verschiedenen Signale regelt ein in das Motorsteuergerät 28 implementierter Regler somit den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10. Insbesondere wird die Kraftstoffzufuhr sowie die Luftzufuhr so regelt, dass eine gewünschte Kraftstoffmasse und eine gewünschte Luftmasse zugeführt werden, um ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Gemisch (das Abgas-Solllambda) darzustellen. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere der Motordrehzahl sowie der Motorlast aus Kennfeldern ermittelt.
  • Zur Verbesserung der Reinigungswirkung des 3-Wege-Katalysators 20 ist vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 kontinuierlich mit einem mittleren Abgaslambda λm leicht unterhalb der stöchiometrischen Zusammensetzung betrieben wird, wobei das der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einer vorbestimmten Schwingungsfrequenz und einer vorbestimmten Schwingungsamplitude um diesen mittleren Lambdawert periodisch alternierend in Richtung eines Magerlambdawertes und eines Fettlambdawertes ausgelenkt wird (sogenannte Lambdamodulation). Dabei werden die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude so gewählt, dass der 3-Wege-Katalysator 20 quasi-kontinuierlich regeneriert wird.
  • Unter quasi-kontinuierliche Regeneration des 3-Wege-Katalysators 20 wird vorliegend verstanden, dass sein Beladungszustand im Wesentlichen konstant und insbesondere auf einem äußerst geringen Niveau bleibt. Dies bedeutet, dass im Zeitmittel während eines Zeitintervalls im Größenbereich weniger Lambdaschwingungen keine zunehmende Beladung des 3-Wege-Katalysators 20 stattfindet. Vorzugsweise wird eine Grenze von höchstens 50 % der maximalen Beladung des 3-Wege-Katalysators 20 nicht überschritten.
  • Die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude werden ferner so gewählt, dass an der 3-Wege-katalytischen Beschichtung 22 eine Mindestkonvertierungsrate von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO) und/oder Stickoxiden (NOx) vorliegt, wobei sich Mindestkonvertierungsrate an gesetzlichen Grenzwerten orientieren kann.
  • Zumeist wird die Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast und/oder Motordrehzahl, bestimmt. Die Schwingungsamplitude kann ergänzend auch in Abhängigkeit von der OSC bestimmt werden.
  • In Abhängigkeit der verschiedenen Signale, die am Motorsteuergerät 28 auflaufen, regelt ein in das Motorsteuergerät 28 implementierter Regler demnach den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10, um ein gewünschtes Abgas-Solllambda darzustellen.
  • Regler beeinflussen selbsttätig eine oder mehrere physikalische Größen auf ein vorgegebenes Niveau unter Reduzierung von Störeinflüssen. Dazu vergleichen Regler innerhalb eines Regelkreises laufend das Signal des Sollwertes mit dem gemessenen und zurückgeführten Istwert der Regelgröße und ermitteln aus dem Unterschied der beiden Größen - der Regelabweichung (Regeldifferenz) - eine Stellgröße, welche die Regelstrecke so beeinflusst, dass die Regelabweichung zu einem Minimum wird. Weil die einzelnen Regelkreisglieder ein Zeitverhalten haben, muss der Regler den Wert der Regelabweichung verstärken und gleichzeitig das Zeitverhalten der Strecke so kompensieren, dass die Regelgröße den Sollwert in gewünschter Weise erreicht. Falsch eingestellte Regler machen den Regelkreis zu langsam, führen zu einer großen Regelabweichung oder zu ungedämpften Schwingungen der Regelgröße und damit unter Umständen zur Zerstörung der Regelstrecke. Allgemein werden die Regler nach stetigem und unstetigem Verhalten unterschieden. Zu den bekanntesten stetigen Reglern gehören die "Standardregler" mit P-, PI-, PD- und PID-Verhalten. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird in der Regel ein stetiger Regler mit proportionalem, integralem und optional differentialem Verhalten (PI- oder PID-Regler) verwendet. Ein PID-Regler besteht demnach aus den Anteilen des P-Gliedes, des I-Gliedes und des D-Gliedes. Das P-Glied liefert einen Beitrag zur Stellgröße, der zur Regelabweichung proportional ist. Das I-Glied wirkt durch zeitliche Integration der Regelabweichung auf die Stellgröße mit einer Gewichtung durch die Nachstellzeit. Das D-Glied ist ein Differenzierer, der nur in Verbindung zu Reglern mit P- und/oder I-Verhalten als Regler eingesetzt wird. Er reagiert nicht auf die Höhe der Regelabweichung, sondern nur auf deren Änderungsgeschwindigkeit.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Lambdamodulation wie in Figur 5 beispielhaft dargestellt. Im oberen Bereich der Figur 5 ist ein Verlauf des Sondensignals gegen die Zeit dargestellt, wobei die x-Achse auf einen Schwellenwert der Sprungsonde für den stöchiometrischen Punkt gelegt wurde (zum Beispiel 450 mV). Dem unteren Bereich der Figur 5 ist ein Verlauf des Reglereingriffs über die Zeit zu entnehmen. Die x-Achse ist auf den Reglerwert 1 gelegt, also einem Wert, der idealisiert dazu führen sollte, dass das von der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Abgas ein Abgaslambda von λ=1 aufweist. Der Reglerwert geht bestimmungsgemäß multiplikativ auf die zugeführte Kraftstoffmenge, ist also direkt korrelierend zum Lambdawert.
  • Wenn die Lambdasonde zum Zeitpunkt t1 den Schwellwert λs kreuzt, wird erfindungsgemäß der Regler-Istwert R1 festgehalten. Zum Zeitpunkt t1 wird eine Lambda-Abweichung Δλ des Lambda-Sollwerts vom Lambda-Istwert (hier = 1) an der Lambdasonde beziehungsweise eine Reglerabweichung ΔR des Regler-Sollwerts vom Regler-Istwert R1 bestimmt. Die Reglerabweichung ΔR wird nun mit 2 multipliziert und auf den Regler-Istwert R1 addiert. Damit ergibt sich als Ziel der neue Regler-Sollwert R2. Der Regler läuft anschließend mit den für den neuen Betriebszustand vorgesehenen Parametern weiter, bis der Regler-Sollwert R2 erreicht ist. Ebenso wird im Zeitpunkt t4 verfahren. Das mittlere Lambda in einem Zyklus der Lambdamodulation ergibt sich nun als Summe über die magere und fette Modulations-Halbwelle, das heißt in diesem Beispiel als Mittel zwischen den Zeitpunkten t2 und t3. Ein Mittelwert des mittleren Lambdas der aufeinanderfolgenden Zyklen soll dann dem gewünschten mittleren Abgaslambda λm entsprechen. Durch die Verschiebung von 2*Δλ bei der einen Halbwelle ergibt sich im Mittel genau die gewollte Abweichung Δλ.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungskraftmaschine
    16
    Abgaskanal
    20
    3-Wege-Katalysator
    26
    Lambdasonde
    28
    Motorsteuergerät
    λm
    mittleres Abgaslambda
    λs
    Schwellwert für das Sondensignal
    Δλ
    Lambda-Abweichung zwischen Lambda-Istwert und Lambda-Sollwert
    R1
    Regler-Istwert
    R2
    Regler-Sollwert
    ΔR
    Reglerabweichung zwischen Regler-Istwert R1 und Regler-Sollwert R2

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10), bei dem ein von der Verbrennungskraftmaschine (10) erzeugtes Abgas über einen im Abgaskanal (16) angeordneten 3-Wege-Katalysator (20) geführt wird und eine Lambdasonde (26) eine für ein Abgaslambda charakteristische Größe vor dem 3-Wege-Katalysator (20) erfasst und an ein Motorsteuergerät (28) mit integriertem Regler weiterleitet, wobei mit dem Regler des Motorsteuergeräts (28) durch Vorgabe eines Lambda-Sollwertes ein mittleres Abgaslambda λm eingestellt wird und das mittlere Abgaslambda Am mit vorgegebener periodischer Sollwertvariation alternierend in Richtung eines Magerlambdawertes und eines Fettlambdawertes ausgelenkt wird (Lambdamodulation), dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang in Richtung des Magerlambdawertes oder beim Übergang in Richtung des Fettlambdawertes zu einem Zeitpunkt t1, an dem ein Sondensignal der Lambdasonde (26) einen vorgegebenen Schwellenwert λs erreicht, eine Regler-Abweichung ΔR zwischen einem aktuellen Regler-Istwert R1 und einem aktuellen Regler-Sollwert gebildet und ein neuer Regler-Sollwert R2 durch Addition der 2fachen Regler-Abweichung ΔR zum aktuellen Regler-Istwert R1 ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert λs einem Sondensignal für λ = 1 entspricht.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdasonde (26) eine Sprung-Lambdasonde ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Abgaslambda λm im Bereich von 0,98 bis 0,998 liegt und der neue Regler-Sollwert R2 beim Übergang in Richtung des Magerlambdawertes ermittelt wird.
  5. Motorsteuergerät (20) zur Steuerung eines Betriebs einer Verbrennungskraftmaschine (10), das zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet ist.
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