Beschreibung
Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Katalysator angeordnet ist, einem Regler zugeführt wird und der Regler eine Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt und daß dem Regler ein Korrektursignal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer zweiten, dem Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird.
Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaskanal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, sogenannte Lambdasonden bekannt, die z. B. nach dem Prinzip der lonen- leitung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruck- differenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauer- stoffpartialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Spannungssprung aufweist.
Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausgewertet, welcher wiederum über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.
Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminderung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen angestrebt.
Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet ist, wird das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alterungserscheinungen unterliegt.
Trotz dieser überlagerten Regelung können die Alterungserscheinungen der ersten Lambdasonde nicht ausreichend korrigiert werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine genaue und anpassungsfähige Regelung ermöglicht, so daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Sinne einer Verminderung der Abgasemission weiter verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Korrektursignal in Abhängigkeit von der Periodendauer des Signals der ersten Lambdasonde gewichtet wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der die erste Lambdasonde enthaltenden Regelstrecke eine Stellgröße überlagert wird, welche von der tatsächlich andauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde abhängig ist, d. h. es kann die tatsächliche Störung ausgeregelt werden.
Vorteilhafterweise wird ein Wichtungsfaktor aus dem Verhältnis der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lamdasonde zur Periodendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf bestimmt.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Korrektursignal aus dem Vergleich des tatsächlich gemessenen Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde mit einem Referenzwert gewonnen. Die Bildung des Kor-
rektursignals erfolgt dabei bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde.
Das Korrektursignal ist dabei vorteilhafterweise eine Haltezeit, durch welche das Ausgangssignal des Reglers zeitversetzt insbesondere verzögert wird.
Aus dem tatsächlich gemessene Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde und dem Referenzwert wird eine Differenz gebildet, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.
Vorteilhafterweise entspricht der Sollwert annähernd dem Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambdasonde beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde.
Zur Betriebspunkteinstellung wird die aus dem Signal der zweiten Lambdasonde gewonnene Zeit in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine korrigiert und der Regelstrecke zugeführt, in dem die Kraftstoffeinspritzung angepaßt wird.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 : schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine.
Fig. 2: Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem Kraftstoff-Luft- Gemisch (λ-Faktor).
Fig. 3: Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde.
Fig. 4: schematischer Signalverlauf der Regelkreise der Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator.
Gemäß Figur 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt.
Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt.
Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Erfassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Katalysator 2 eine weitere Lambdasonde 6 vorgesehen. Die Lambdasonden 5 und 6 messen den jeweiligen Lambdawert des Abgases vor und hinter dem Katalysator 2. Beide von den Lambdasonden 5 und 6 gelieferten Signale werden an einen Regler mit Pl-Charakteristik 8 geführt, der gewöhnlich in einem nicht weiter dargestellten Steuergerät im Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Aus diesen Signalen bildet der Regler 8 mit Hilfe von Sollwerten 9 und 13 ein Stellsignal, welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird.
Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung, welche zusammen mit der angesaugten Luftmasse (Luftmassenmesser 7) einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.
Jede Lambdasonde liefert über dem das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch repräsentierenden λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Je nachdem welcher Typ von Lambdasonde für die Regelung verwendet wird, können entweder der Widerstand oder die Spannung über dem λ- Faktor betrachtet werden.
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.
Ist die Sonde aktiv, so weist sie eine Signalspannung auf, welche außerhalb des Bereiches (ULSU, ULSO) liegt. Während des Mager-Ausschlages liefert die Lambdasonde ein minimales Ausgangssignal das unterhalb von ULSU
liegt. Während des Fett-Ausschlages wird ein maximales Spannungssignal oberhalb von ULSO in einem Bereich von 600 - 800 mV gemessen. Dieser maximale Wert unterliegt aufgrund von Herstellungstoleranzen und Alterungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sonden- korrekturfaktor korrigiert werden.
Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kompensieren, ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambdasonde 6 hinter dem Katalysator 2 enthält und welcher in Figur 3 näher erläutert ist.
Die Regelstrecke 11 enthält, wie in Figur 1 dargestellt, die Einspritzventile 4, den Motor 1 , den Katalysator 2, die Lambdasonde 5 sowie die Lamdasonde 6. Der Regler 8 wertet sowohl den 1. Regelkreis der Lambdasonde 5 (Vergleich mit Sollwert 9) als auch den zweiten Regelkreis der Lambdasonde 6 (Vergleich mit Sollwert 13) aus und erzeugt im Ergebnis das oben beschriebene Stellsignal.
Die im Abgaskanal hinter dem Katalysator 2 angeordnete Lambdasonde 6 liefert einen Lambdawert in Form einer Signalspannung. Zu Beginn jedes Regelzyklusses wird überprüft, ob die Sonde aktiv ist. Dies geschieht dadurch, daß festgestellt wird, ob sich diese Signalspannung außerhalb eines Spannungsbereiches (ULSU, ULSO) befindet. Ist dies der Fall, wird ein Korrektursignal gebildet, in dem der von der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U6|ST an einen Summierpunkt 12 mit einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeicherten Sollwertes 13 verglichen wird. Dieser Sollwert U6S0L wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Katalysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signumzähler 14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a inkrementiert um 1 , wenn der Istwert U6,sτ größer ist als der Sollwert U6S0LL . Er dekrementiert um 1 , wenn der Istwert U6,sτ kleiner als der Soll-
wert U6SOLL ist- Sind beide Werte gleich, wird der Zählerstand nicht verändert.
Der Zähler 14 wird bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.
An einem ersten Multiplizierpunkt 15 wird der Zählwert mit einer Proportionalitätskonstanten im Wert von (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der ersten Lambdasonde multipliziert, wodurch eine absolute Haltezeit THroh bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit THroh wird in einem zweiten Multiplizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher durch Division 17 der tatsächlich gemessenen Periodendauer der ersten Lambdasonde durch eine Konstante bestimmt wird. Die Konstante ist dabei eine Funktion der Peridendauer der ersten Lambdasonde im Leerlauf.
Im Vergleich zu bisher an dieser Stelle verwendeten Kennfeldern, bei welchen der Wichtungsfaktor maximal Werte von 1 annehmen konnte, wird jetzt die tatsächliche Störung unabhängig von ihrer Größe ausgeregelt, da durch den größeren Faktor eine Art Selbstverstärkung erreicht wird. Die so gewonnene Haltezeit TH wird als Regelgröße dem Regler 8 zur Anpassung der Regelstrecke 11 zugeführt.
Die Haltezeit TH verzögert den P-Sprung des Reglers 8.
Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die Regelstrecke 11 in Figur 4 dargestellt.
Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.
Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Figur 4a) zeigen die zeitliche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten Lambda- sondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kurven (schraffierte Fläche in Figur 4a) die zeitliche Änderung des Lambdaregelfaktors, unter
Einfluß des Regelkreises der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde darstellen.
Diese Darstellung soll keinen geschlossenen Regelkreis verdeutlichen, sondern dient lediglich zur Verdeutlichung der Wirkung der Haltezeit TH auf den ersten Regelkreis.
Die Haltezeit TH ist vorzeichenbehaftet, wobei positive Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem mager/fett-Sondenumschlag und negative Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem fett/mager-Sondenumschlages der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde verzögern.
In Figur 4b ist weiterhin das digitalisierte Signal angezeigt, welches von der ersten Lambdasonde an den Reglereingang gegeben wird. Aus dem Vergleich der Kurven I und II geht hervor, daß unter Einfluß des zweiten Regelkreises sich die Impulsdauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde verlängert. Dies hat zur Folge, daß die Gemischanfettung hinter dem Katalysator unter Einwirkung des zweiten λ-Regelkreises kontinuierlich zunimmt (Figur 4c).
Die Ergebnisse des beschriebenen Verfahrens werden im nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeichert und finden in den darauffolgenden Regelzyklen Berücksichtigung.
Wie bereits erwähnt, unterliegt das maximale Spannungssignal einer Lambdasonde gewissen Streuungen die durch einen Sondenkorrekturfaktor korrigiert werden.
Die Sondenkorrekturfaktoren werden für beide Lambdasonden 5 und 6 unabhängig voneinander nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren bestimmt.
Unter Vollast (d. h. λ < 1) wird nach einer ersten Einschwingzeit eine erste
Meßzeit gestartet, in welcher die maximale Sondenspannung LS AX aus dem arithmetischen Mittelwert der Meßwerte bestimmt wird.
Analog wird im Schubbetrieb (λ < 1) in einer zweiten Meßzeit die minimale Sondenspannung LSM)N aus dem arithmetischen Mittelwert der während einer zweiten Meßzeit gewonnenen Meßwerte bestimmt. Die zweite Meßzeit folgt einer zweiten Einschwingzeit. Die erste und die zweite Meßzeit können dabei gleich sein.
Nach der Ermittlung der maximalen und minimalen Sondenspannung wird einmalig pro Fahrzyklus für jede Sonde getrennt ein Korrekturwert ermittelt.
LSMAX - LSMiN LSKor =
LSAMAX
wobei LSA A einen Referenzwert darstellt, der in der Steuerelektronik abgespeichert ist.
Dieser Sondenkorrekturfaktor LS6Kor wird zur Bestimmung des korrigierten Sollwertes USOLLKor für die hinter dem Katalysator angeordnete Lambdasonde 6 genutzt:
LS6SOLLKor = U6S0LL x LS6Kor