EP2786002A1 - Verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine sowie zur ausführung des verfahrens eingerichtetes steuergerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine sowie zur ausführung des verfahrens eingerichtetes steuergerät

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EP2786002A1
EP2786002A1 EP12795389.1A EP12795389A EP2786002A1 EP 2786002 A1 EP2786002 A1 EP 2786002A1 EP 12795389 A EP12795389 A EP 12795389A EP 2786002 A1 EP2786002 A1 EP 2786002A1
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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.
  • FIG. 1 shows schematically 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.
  • the internal combustion engine 10 with a substantially stoichiometric air-fuel mixture can be operated, that is, with a mixture with a lambda value close to or equal to 1.
  • 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, in particular regulating the fuel supply and the air supply such that a desired fuel mass and a desired air mass supplied to represent a desired air-fuel mixture (the exhaust target lambda).
  • 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.
  • lambda modulation takes place as shown in FIG. 6 (actual lambda value from the probe signal: rich dark curve, control variable of the controller: bold bright curve, lambda nominal value ranges: bright rectangles).
  • the switching of the controller direction takes place.
  • P jump P component to reach the setpoint.
  • the size of the P-jump can depend on various parameters. Among others, the P-jump may be dependent on a fixed desired amplitude. In a preferred embodiment, it may be determined here which portion of the specified desired amplitude is to be displayed via the P jump.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine. 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 PI- oder PID-Regler weiter. Mit dem PI- oder PID-Regler des Motorsteuergeräts wird durch Vorgabe eines Sollwertes ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgaslambda eingestellt und das Abgaslambda mit vorgegebener periodischer Sollwertvariation alternierend in Richtung eines Magerlambdawertes und eines Fettlambdawertes ausgelenkt (Lambdamodulation). Zu Beginn einer jeden Sollwertvariation wird ein vorgesteuerter P-Anteil mit anschliessendem I-Anteil bis zu einem Zeitpunkt t2 vorgegeben, wobei der Zeitpunkt t2 mittels hinterlegter, ein Streckenzeitverhalten charakterisierender Parameter so festgelegt wird, dass zu diesem Zeitpunkt t2 das Sondensignal oder eine davon abgeleitete Grösse die Sollwertvorgabe erreicht haben müsste. Vom Zeitpunkt t2 an wird für eine vorgebbare Zeitspanne bis zum Ende der jeweiligen Sollwertvariation auf eine Regelung umgeschaltet, welche auf einer Differenz zwischen einem Istwert und dem Sollwert der Lambdasonde oder einer davon abgeleiteten Grösse beruht.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie zur Ausführung des
Verfahrens eingerichtetes Steuergerät
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 möglichst nahe bei 1 ,0 liegt. Zum Generieren eines Messsignals kann in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors eine Lambdasonde angeordnet sein.
Stand der Technik ist unter anderem die Anwendung eines der beiden nachfolgend beschriebenen Regelverfahren.
In Figur 2 dargestellt ist ein Regelverfahren, wie es üblicherweise bei Verwendung von Sprung- Lambdasonden angewendet wird. Die obere Kurve zeigt das Sondensignal gegen die Zeit und die untere Kurve den Reglereingriff gegen die Zeit. Mit diesen Sonden wird die Richtung des Reglers geändert, wenn das Sondensignal eine vorgegebene Schwelle, zum Beispiel 450mV, kreuzt, was hier dem stöchiometrischen Punkt entspricht (hier zu den Zeiten t1 , t2 und t3). Der Verlauf des Signals oberhalb oder unterhalb der jeweiligen Schwelle wird bei der Regelung nicht weiter verwendet oder verwertet, sondern die Verstellung findet davon unabhängig vorgesteuert statt, in der Regel über einen festgelegten P- und einen I-Anteil, welche wiederum abhängig von weiteren Größen wie zum Beispiel dem Betriebspunkt sein können.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist die vergleichsweise langsame Regelgeschwindigkeit, da ober- beziehungsweise unterhalb der Regelschwelle der absolute Signalwert nicht weiter betrachtet wird und somit auch größere Gemischabweichungen nur mit der vorher bestimmten Regelgeschwindigkeit ausgeregelt werden. Des Weiteren ist es nachteilig, dass die Umschaltfrequenz vergleichsweise hoch ist und im Wesentlichen nur von der Streckenlaufzeit bis zur Sonde und der Sondentotzeit bestimmt ist. Somit besteht nicht die Möglichkeit, den Sauerstoffeintrag oder -austrag in den nachgeschalteten Katalysator definiert vorzugeben, so dass die Konvertierungseffizienz des Katalysators eingeschränkt ist.
In Figur 3 ist ein Regelverfahren, wie es üblicherweise bei Verwendung von Sonden mit genauem Lambdasignal auch außerhalb des stöchiometrischen Punktes, also in der Regel Breitband-Lambdasonden angewendet wird, dargestellt (Lambda-Istwert aus dem Sondensignal: fette dunkle Kurve; Lambda-Sollwert an der Sonde: schmale dunkle Kurve; Stellgröße des Reglers: fette helle Kurve; motorischer Lambda-Sollwert: schmale Rechteckkurve). Die Modulation wird über eine Variation des Lambda-Sollwertes eingestellt. Aus der Differenz zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Ist-Wert wird die Regelabweichung bestimmt, welche einem geeigneten Regler (zum Beispiel PID-Regler) zugeführt wird. Eine Berücksichtigung des Streckenverhaltens findet statt, wenn nicht der motorische Sollwert zur Differenzberechnung verwendet wird, sondern unter Berücksichtigung der Streckenlaufzeit der Verlauf des motorischen Sollwertes auf die Position der Sonde bezogen wird und dieser Wert als Sollwert an der Sondenposition verwendet wird.
Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass der gewünschte Lambda-Wert genau eingestellt werden kann und der Regler eine schnelle Regelgeschwindigkeit aufweist. Nachteilig ist, dass es zu Überschwingen des Reglers und stärkeren Schwankungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann, wenn das hinterlegte Streckenverhalten nicht mit der tatsächlichen Streckendynamik übereinstimmt. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Sonde durch Alterung oder Vergiftung dynamisch träger wird. Dies ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt (Lambda-Istwert aus dem Sondensignal: fette dunkle Kurve; Stellgröße des Reglers: fette helle Kurve; motorischer Lambda-Sollwert: schmale Rechteckkurve). Das Sondensignal ist hier deutlich träger, als in Figur 3. Zu dem Zeitpunkt t1 , wenn das Sondensignal den Sollwert erreicht, ist daher der Reglerwert bereits stark aufgezogen und es kommt in der Folge zu Überschwingen im Regler und im Lambdawert (Zeitpunkt t2), und erst mit Verzögerung kann der Sollwert stabil eingeregelt werden (Zeitpunkt t3). Dies ist nachteilig für die Effizienz des nachgeschalteten Katalysators, dass heißt es kommt zu erhöhten Emissionen, bei größeren Schwankungen im Kraftstoff- Luft-Verhältnis kann dies auch ein spürbares Ruckeln des Motors bewirken. Wenn das Lambdasignal aus dem Signal einer Sprung-Lambdasonde bestimmt wird, hat ein Regler gemäß Figur 3 noch einen weiteren Nachteil. In Figur 5 ist eine typische Kennlinie von Sprung-Lambdasonden dargestellt. Man erkennt den Sprungbereich, dass heißt den Bereich der großen Signaländerung, im Bereich von Lambda = 1. Dynamisch reagieren heutige Sonden in diesem Sprungbereich träger als im rein fetten oder rein mageren Bereich. Ein aus einem Sprungsondensignal berechnetes Lambdasignal weist daher bei einem Gemischwechsel zwischen fettem und magerem Abgas beim Lambda = 1 -Bereich eine zeitliche Verzögerung auf. Diese ist in Figur 4 zum Zeitpunkt t4 zu erkennen. Auch dieses Verhalten führt bei diesem Reglertyp zu Überschwingern im Reglerwert und resultierend im Lambdawert, wie zum Zeitpunkt t5 dargestellt, mit den oben beschriebenen Nachteilen. Alternativ könnten die Regelparameter an die reduzierte Dynamik im Lambda = 1 -Punkt angepasst werden, dann wäre der Regler jedoch im Bereich außerhalb des Lambda = 1 -Bereiches deutlich langsamer als er eigentlich sein könnte.
Aus DE 10 2006 049 656 A1 ist bereits ein Ansatz bekannt, wie bei Sonden mit ungenauer Korrelation zwischen Signal und tatsächlicher Gemischzusammensetzung im Bereich außerhalb des stöchiometrischen Punktes (also zum Beispiel Sprungsonden), bei welchen nach Stand der Technik das in Figur 2 dargestellte Verfahren angewendet wird, Vorteile des in Figur 3 dargestellten Verfahrens erschlossen werden können. Es wird dort beschrieben, wie eine Umschaltung der Reglerrichtung erst dann erfolgt, wenn nicht nur ein Signal-Schwellwert über- beziehungsweise unterschritten wird, sondern zusätzlich auch ein Schwellwert für eine aus dem Sondensignal abgeleitete Größe. Damit kann mit gewisser Genauigkeit für einen definierten Sauerstoffeintrag beziehungsweise -austrag in den Katalysator gesorgt und somit die Konvertierungseffizienz des Katalysators erhöht werden. Bestehen bleibt jedoch der Nachteil der langsamen Ausregelung von Gemischabweichungen.
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 PI- oder PID-Regler weiter. Mit dem PI- oder PID-Regler des Motorsteuergeräts wird durch Vorgabe eines Sollwertes ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgaslambda eingestellt und das Abgaslambda mit vorgege- bener periodischer Sollwertvariation alternierend in Richtung eines Magerlambdawertes und eines Fettlambdawertes ausgelenkt (Lambdamodulation). Zu Beginn einer jeden Sollwertvariation wird ein vorgesteuerter P-Anteil mit anschließendem I-Anteil bis zu einem Zeitpunkt t2 vorgegeben, wobei der Zeitpunkt t2 mittels hinterlegter, ein Streckenzeitverhalten charakterisierender Parameter so festgelegt wird, dass zu diesem Zeitpunkt t2 das Sondensignal oder eine davon abgeleitete Größe die Sollwertvorgabe erreicht haben müsste. Vom Zeitpunkt t2 an wird für eine vorgebbare Zeitspanne bis zum Ende der jeweiligen Sollwertvariation auf eine Regelung umgeschaltet, welche auf einer Differenz zwischen einem Istwert und dem Sollwert der Lambdasonde oder einer davon abgeleiteten Größe beruht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Wechsel von der vorgesteuerten Reglereinstellung auf eine (vorzugsweise stetige) Regelung die Vorteile der beiden verschiedenen Reglertypen mit sich bringt, ohne dass die geschilderten Nachteile der beiden Reglertypen in Kauf genommen werden müssen.
Vorzugsweise wird eine Größe des P-Anteils in Abhängigkeit von einer Soll-Amplitude der Sollwertvariation festgelegt. Ein I-Anteil kann dann so festgelegt werden, dass zum Zeitpunkt t2 das Sondensignal oder eine daraus abgeleitete Größe den Sollwert erreichen würde.
Eine bevorzugte Variante des Verfahrens sieht vor, dass zur Ermittlung einer Reaktionszeit der Lambdasonde eine Mindestreaktion der Lambdasonde im Vergleich zum Zustand vor der Reg- lerumschaltung definiert wird und als Reaktionszeit die Zeit erfasst wird, die seit der Regierumschaltung bis zur Mindestreaktion der Lambdasonde vergangen ist. Die Reaktionszeit wir vorzugsweise jedoch nur ermittelt, wenn der vom PI- oder PID-Regler vorgegebene Sollwert eine vorgegebene Mindestgröße übersteigt. Die Reaktionszeit kann von der Lambdasonde getrennt nach fett-mager-Sprung und mager-fett-Sprung erfasst werden.
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 schematischer Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage und 3-Wege-Katalysator;
Figur 2 zeitlicher Verlauf des Abgaslambdas stromauf des 3-Wege-Katalysators sowie des Reglereingriffs nach einer ersten Variante des herkömmlichen Verfahrens;
Figur 3 zeitlicher Verlauf des Abgaslambdas stromauf des 3-Wege-Katalysators sowie des Reglereingriffs nach einer zweiten Variante des herkömmlichen
Verfahrens;
Figur 4 Verhalten des Reglers für das herkömmliche Verfahren gemäß Fig. 3 bei unpassenden Streckenparametern;
Figur 5 Kennlinie einer Sprung-Lambdasonde für das herkömmliche Verfahren gemäß
Fig. 3;
Figur 6 zeitlicher Verlauf des Abgaslambdas stromauf des 3-Wege-Katalysators sowie des Reglereingriffs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
Figur 7 Ermittlung der Sprungantwortzeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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 einem im Wesentlichen stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden kann, das heißt mit einem Gemisch mit einem Lambdawert nahe oder gleich 1.
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 Al203, aufgebracht sind. Der Beschichtung umfasst ferner eine Sauerstoffspeicherkomponente, beispielsweise Ceroxid (Ce02) und/oder Zirkoniumoxid (Zr02), 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 02 zu reduzieren. Bei stöchio- metrischem oder leicht magerem Betrieb werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid CO zu Kohlendioxid C02 und Wasser H20 oxidiert. Bei im Wesentlichen stöchiometrischer Abgasatmosphäre, das heißt bei einem λ von 1 oder nahe 1 , 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 Sprungantwortlambdasonde oder als Breitbandlambdasonde ausgestaltet sein und ermöglicht in bekannter Weise die Lambda- regelung 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, wobei sie insbesondere 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 im Wesentlichen stöchiometrischen mittleren Lambdawert 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 (so genannte Lambdamodulation). Dabei werden die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude so gewählt, dass der 3-Wege-Katalysator 20 quasi-kontinuierlich regeneriert wird.
Dabei wird vorliegend unter einem kontinuierlichen stöchiometrischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 verstanden, dass diese nicht zwischen einem Standardbetriebsmodus und einem Regenerationsbetriebsmodus wie im Stand der Technik üblich hin- und hergeschaltet wird, sondern praktisch über ihren gesamten Betriebsbereich in dem dargestellten stöchiometrischen Betrieb mit der Lambdaschwingung betrieben wird. Vorzugsweise wird die Verbrennungskraftmaschine über zumindest 98 % aller in dem Betriebskennfeld des Steuergeräts 28 gespeicherten Betriebspunkte in dem dargestellten stöchiometrischen Betrieb gefahren und dieser wird nicht durch Regenerationsintervalle unterbrochen.
Ferner wird unter dem Begriff quasi-kontinuierliche Regeneration des 3-Wege-Katalysators 20 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 das 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 vorzugsweise ein linearer Regler mit proportionalem, integralem und differentialem Verhalten (PID-Regler) verwendet. Der 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 6 dargestellt (Lambda-Istwert aus dem Sondensignal: fette dunkle Kurve; Stellgröße des Reglers: fette helle Kurve; Lambda-Soll- wertbereiche: helle Rechtecke). Zum Zeitpunkt t1 erfolgt die Umschaltung der Reglerrichtung. Zunächst erfolgt ein vorgesteuerter P-Sprung (P-Anteil zur Erreichung des Sollwerts). Die Größe des P-Sprunges kann hierbei von verschiedenen Parametern abhängen. Unter anderen kann der P-Sprung von einer festgelegten Soll-Amplitude abhängig sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann hierbei festgelegt werden, welcher Anteil der festgelegten Soll-Amplitude über den P-Sprung dargestellt werden soll. Zusätzlich kann der aktuelle Abstand des Sondensignals oder einer daraus abgeleiteten Größe (bevorzugt Lambda) vom derzeitigen oder zukünftigen Zielwert beziehungsweise Zielbereich bewertet und der P-Sprung zusätzlich von diesem Abstand abhängig gemacht werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird daher die Größe des P-Sprunges bestimmt, welcher notwendig ist, um vom aktuellen Lambda-Istwert zum künftigen Sollwert zu kommen, wobei der gewünschte Sollwert den festgelegten Anteil beinhaltet, welcher von der festgelegten Soll-Amplitude dem P-Sprung zugeordnet wurde.
Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird der Regler mit einem festgelegten I-Anteil weiter verstellt. Aus hinterlegten Daten ist die Strecken laufzeit und die Sondenreaktionszeit bekannt. Es wird daher der I-Anteil so festgelegt, dass zum Zeitpunkt t2 (ohne weitere Störeinflüsse) das Sondensignal oder eine daraus abgeleitete Größe (bevorzugt Lambda) den Zielwert beziehungsweise den Zielbereich voraussichtlich erreichen wird, wobei dieser die Einstellung der vollen gewünschten Soll-Amplitude bedeutet. Damit wird der I-Anteil sowohl von den Strecken- Kenngrößen, als auch von dem festgelegten Anteil der Amplitude auf den P-Sprung abhängig, da die Differenz zwischen der Gesamt-Amplitude und dem festgelegten Anteil der Amplitude für den P-Sprung nun über den I-Anteil bis zum Zeitpunkt t2 eingeregelt werden muss.
Ab dem Zeitpunkt t2 wird nun von der vorgesteuerten Reglereinstellung auf eine (stetige) Regelung umgeschaltet, welche auf der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Sondensignals oder einer daraus abgeleiteten Größe (bevorzugt Lambda) beruht.
Damit kombiniert das Verfahren die Vorteile einer Vorsteuerung und einer (stetigen) Regelung. Die Daten, welche zur Charakterisierung des Streckenverhaltens hinterlegt werden, können zum Beispiel ein Verhalten wie in Figur 4 zum Zeitpunkt t4 dargestellt berücksichtigen.
Überschwinger werden daher vermieden, und sowohl Lambda, als auch der Reglerwert bleiben stabil. Gleichzeitig bleibt eine schnelle Regelgeschwindigkeit und ein definierter Sauerstoffeintrag beziehungsweise -austrag in den Katalysator erhalten, da nach Ablauf der Streckenreaktionszeiten auf einen schnellen Regler geschaltet wird, dessen Parameter unabhängig von eventuellen Trägheiten im Lambda = 1 -Punkt der Sonde festgelegt werden können. Des Weiteren kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch sehr einfach und mit guter Genauigkeit die Dynamik der Sonde ermittelt werden. Da die Regierumschaltung gesteuert über einen P-Sprung und einen I-Anteil erfolgt und während der Zeit dieser vorgesteuerten Regelung das Sondensignal nicht zur Regelung ausgewertet wird, kann die in Figur 7 dargestellte
Sprungantwortzeit zur Bewertung der Sondendynamik herangezogen werden (Lambda-Istwert aus dem Sondensignal: fette dunkle Kurve; Stellgröße des Reglers: fette helle Kurve; motorischer Lambda-Sollwert: schmale Rechteckkurve; Ats: Sprungantwortzeit).
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird abhängig von der Größe des P-Sprunges oder der bis zum Zeitpunkt der Sprungantwortzeitermittlung erfolgten Gemischverstellung eine Mindestreaktion der Sonde im Vergleich zum Zustand vor der Regierumschaltung definiert. Dies kann zum Beispiel eine Signaländerung sein, welche 20 bis 50%, bevorzugt 30%, der vorgesteuerten Gemischverstellung entspricht. Als Sprungantwortzeit ergibt sich nun die Zeit, welche seit dem Reglersprung bis zur Erreichung der Mindestreaktion der Sonde vergangen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Zeitpunkt der Regierumschaltung für die Ermittlung der Mindestreaktion der Sonde nicht exakt der tatsächliche Zeitpunkt der Regierumschaltung herangezogen, sondern unter Berücksichtigung der bekannten Streckenparameter wird der Vergleichswert der Sonde erst zu einem festlegbaren späteren Zeitpunkt bestimmt, welcher nach der Regierumschaltung liegt, aber bevor das geänderte Gemisch die Sonde erreicht. Damit können dynamische Gemischstreuungen, welche sich ggf. unmittelbar vor der Regierumschaltung im Motor ereignet haben, berücksichtigt werden und führen nicht zu einer Verfälschung der Sprungantwortzeiten. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird eine gültige Sprungantwortzeit nur dann ermittelt, wenn die vorgesteuerte Reglerverstellung mindestens eine vorgebbare Mindestgröße hatte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird nach Ablauf einer vorgebbaren Mindestzeit seit der Regierumschaltung, ohne dass die Sonde die festgelegte Mindestreaktion zeigte, die aktuelle Zeit oder eine Ersatzgröße ebenfalls als gültige Sprungantwortzeit ausgewertet. Damit wird der Fall berücksichtigt, dass das Sondensignal durch einen Fehler einen durchgängig konstanten Wert aufweist, dass heißt, die Mindestreaktion nie erreicht werden würde und somit keine Sprungantwortzeit ermittelt werden würde.
Von der ermittelten Sprungantwortzeit kann die hinterlegte Streckentotzeit abgezogen und so die reine Sondenreaktionszeit ermittelt werden. Die Sondenreaktionszeit kann zur Erzeugung eines Wartungssignals genutzt werden, wenn diese oder eine davon abgeleitete Größe definierte Schwellwerte überschreitet. Dabei kann die Sondenreaktionszeit zur Bewertung getrennt nach fett-mager-Sprung und mager-fett-Sprung betrachtet werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei dynamisch schlechter werdenden Sonden die in Figur 4 zu den Zeitpunkten t1 und t2 beschriebenen Überschwinger leicht vermieden werden können, so dass das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Stabilität und Robustheit gegenüber dynamisch schlechter werdenden Sonden aufweist als bisher bekannte Verfahren.
Für dynamisch nur geringfügig schlechter werdende Sonden, kann zur Festlegung des Zeitpunktes t2 in Figur 6, sprich der Umschaltung auf den schnellen Regler, eine gewisse Sicherheit auf die Streckenlaufzeitparameter aufgeschlagen werden. Dies kann zum Beispiel durch multiplikative und/oder additive Werte erfolgen. Die Umschaltung auf den schnellen Regler erfolgt dann etwas später als es bei einem schnellen Sensor eigentlich möglich wäre, jedoch erst dann, wenn auch ein langsamer reagierender Sensor beim Signal-Zielwert angekommen wäre.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die wie oben beschrieben ermittelte Sondenreaktionszeit zur Anpassung des Regelverfahrens genutzt werden. Dazu wird mindestens eine, vorzugsweise die größere der beiden Sondenreaktionszeiten (dass heißt Reaktionszeiten getrennt nach fettmager- bzw. mager-fett-Sprung) genutzt. Aus dieser Sondenreaktionszeit werden vorzugsweise geeignete Zeitglieder für die Streckenparameter abgeleitet. Dabei erfolgt die Festlegung des Zeitpunktes t2 in Figur 6, sprich die Umschaltung auf den schnellen Regler, unter Berücksichtigung der ermittelten Sondenreaktionszeit so, dass das Sondensignal oder eine daraus abgeleitete Größe (bevorzugt Lambda) zu diesem Zeitpunkt den Sollwert erreicht hat.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Regelparameter der nachfolgend aktivierten, stetigen Regelung an die Sondenreaktionszeit angepasst. Insbesondere kann so für einer dynamisch schlechtere Sonde der Regler langsamer gemacht und so Überschwinger vermieden werden. Bezugszeichenliste
10 Verbrennungskraftmaschine
16 Abgaskanal
20 3-Wege-Katalysator
22 3-Wege-katalytischen Beschichtung
26 Lambdasonde
28 Motorsteuergerät
Ats Sprungantwortzeit

Claims

Patentansprüche
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 Abgas- lambda charakteristische Größe vor dem 3-Wege-Katalysator (20) erfasst und an ein Motorsteuergerät (28) mit integriertem PI- oder PID-Regler weiterleitet, wobei mit dem Pl- oder PID-Regler des Motorsteuergeräts (28) durch Vorgabe eines Sollwertes ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgaslambda eingestellt wird und das Abgaslambda mit vorgegebener periodischer Sollwertvariation alternierend in Richtung eines Magerlambda- wertes und eines Fettlambdawertes ausgelenkt wird (Lambdamodulation), derart, dass zu Beginn einer jeden Sollwertvariation ein vorgesteuerter P-Anteil mit anschließendem I- Anteil bis zu einem Zeitpunkt t2 vorgegeben wird, wobei der Zeitpunkt t2 mittels hinter- legter, ein Streckenzeitverhalten charakterisierender Parameter so festgelegt wird, dass zu diesem Zeitpunkt t2 das Sondensignal oder eine davon abgeleitete Größe die Sollwertvorgabe erreicht haben müsste, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zeitpunkt t2 an für eine vorgebbare Zeitspanne bis zum Ende der jeweiligen Sollwertvariation auf eine Regelung umgeschaltet wird, welche auf einer Differenz zwischen einem Istwert und dem
Sollwert der Lambdasonde (26) oder einer davon abgeleiteten Größe beruht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer
Reaktionszeit der Lambdasonde (26) eine Mindestreaktion der Lambdasonde (26) im Vergleich zum Zustand vor der Regierumschaltung definiert wird und als Reaktionszeit die Zeit erfasst wird, die seit der Regierumschaltung bis zur Mindestreaktion der Lambdasonde (26) vergangen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszeit nur ermittelt wird, wenn der vom PI- oder PID-Regler vorgegebene Sollwert eine vorgegebene Mindestgröße übersteigt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszeit der Lamdasonde (26) getrennt nach fett-mager-Sprung und mager-fett-Sprung erfasst wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe des P-Anteils in Abhängigkeit von einer Soll-Amplitude der Sollwertvariation festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der I-Anteil so festgelegt wird, dass zum Zeitpunkt t2 das Sondensignal oder eine daraus abgeleitete Größe den Sollwert erreicht hat.
Motorsteuergerät (20) zur Steuerung eines Betriebs einer Verbrennungskraftmaschine (10), das zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
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