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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
Lambdawertes stromauf des Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine.
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Der
Lambdawert stromauf eines Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine
wird üblicherweise
durch eine entsprechend platzierte Regelsonde erfasst. Wird jedoch
aus Kostengründen
auf diese Regelsonde verzichtet, so kann der Lambdawert stromauf
des Abgaskatalysators lediglich über
eine Modellbetrachtung ermittelt werden.
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Hierzu
kann beispielsweise aus den Parametern Drosselklappenstellung und
Einspritzdauer die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge sowie Kraftstoffmenge
erfasst werden und der daraus resultierende Lambdawert kalkuliert
werden. Diese Vorgehensweise ist aber mit erheblichen Toleranzen
behaftet, so dass deren Genauigkeit ungenügend ist.
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Aus
der Druckschrift
DE
38 31 289 C2 ist ein System zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses eines
einer Brennkraftmaschine zugeleiteten brennbaren Kraftstoff/Luftgemisches
bekannt. Dieses System umfasst einen im Abgassystem der Brennkraftmaschine
angeordneten quasi binären
Sauerstoffsensor, der bei einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luftverhältnis eine
plötzliche
Kennlinienänderung
aufweist. Dieses Ausgangssignal des Sauerstoffsensors wird linearisiert,
um die der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit
von dem linearisierten Ausgangssignal zu steuern.
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Die
Druckschrift
DE 40
01 616 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Kraftstoffmengenregelung für
eine Brennkraftmaschine mit Katalysator und mindestens einer dem
Katalysator vorgeschalteten Sauerstoffsonde, wobei unter Ausnutzung der
Gasspeicherfähigkeit
des Katalysators die Differenz zwischen dem von dieser Sauerstoffsonde
gemessenen Istwert und dem Sollwert gebildet wird. Indem der Wert
der Integralfunktionen der Differenz über der Zeit für ein vorgegebenes
Zeitintervall auf einen vorgegebenen Wert gebracht wird, erfolgt
dort die Regelung der Kraftstoffmenge.
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In
der Druckschrift
DE
196 06 652 A1 ist ein Verfahren der Einstellung des Kraftstoff-Luftverhältnisses
für eine
Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Katalysator geoffenbart.
Dabei werden die Sauerstoffanteile im Abgas vor und nach dem Katalysator
mittels einer Breitbandsonde erfasst, wird aus den genannten Sauerstoffanteilen
ein Maß für den momentanen
Sauerstoff-Füllungsgrad
des Katalysators modellhaft bestimmt und wird das Kraftstoff/Luftverhältnis so
eingestellt, dass der Sauerstoff-Füllungsgrad des Katalysators
auf einem konstanten mittleren Niveau gehalten wird.
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Ferner
ist gemäß der Druckschrift
DE 103 07 010 B3 ein
Verfahren zur Einstellung einer definierten Sauerstoffbeladung mit
einer binären
Lambdaregelung zur Durchführung
einer Katalysatordiagnose bekannt. Da für die Katalysatordiagnose eine
vorbestimmte Sauerstoffbeladung pro Regelzyklus erforderlich ist,
stellt der Lambdareglerfaktor das Brennstoffgemisch entsprechend
mager oder fett ein, so dass durch einen bestimmten Sauerstoffeintrag
bzw. einen bestimmten Sauerstoffaustrag in jedem Regelzyklus die
vorbestimmte Sauerstoffbeladung erreicht wird.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
verbesserte Modellbetrachtung bereitzustellen, welche auf Basis
der verfügbaren
Parameter eine hinreichend genaue Bestimmung des Lambdawertes stromauf
des Abgaskatalysators ermöglicht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe, indem die Abweichung des Lambdawertes vom stöchiometrischen Wert
anhand der Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators bestimmt
wird und die Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers aus dem Spannungssignal einer
dem Abgaskatalysator zugeordneten binären Lambdasonde ermittelt wird,
wobei die Beladung des Sauerstoffspeichers bereichsweise eingegrenzt
wird und das Spannungssignal der dem Abgaskatalysator zugeordneten
Lambdasonde innerhalb eines stetigen Bereiches betrachtet wird.
Dieses Spannungssignal ist innerhalb gewisser Grenzen zu der Beladung
des Sauerstoffspeichers proportional, so dass basierend darauf die
Abweichung des Lambdawertes und schließlich der Lambdawert ermittelt
werden kann. Dabei erlaubt jedoch nur der stetige Bereich zwischen
dem "Umschalten" des Spannungssignals
von einer fetten zu einer mageren Abgaszusammensetzung in dem bzw. nach
dem Abgaskatalysator die genaue Zuordnung zu einer bestimmten Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers. In Abhängigkeit davon, ob und wie
stark die Beladung des Sauerstoffspeichers zunimmt oder abnimmt,
kann dann die Abweichung des Lambdawertes von dem stöchiometrischen
Wert von 1,0 bzw. der Lambdawert stromauf des Abgaskatalysators
bestimmt werden. Dadurch, dass der so bestimmte Lambdawert hinreichend
genau bestimmt werden kann, ist es ohne weiteres möglich auf
eine stromauf des Abgaskatalysators angeordnete Regelsonde zu verzichten
und somit Kosten einzusparen.
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Zweckmäßigerweise
wird die Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers aus dem Gradienten des Spannungssignals
ermittelt.
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Dabei
lässt ein
positiver Gradient des Spannungssignals auf einen Austrag von Sauerstoff
aus dem Sauerstoffspeicher bzw. auf einen Lambdawert vor dem Abgaskatalysator
schließen,
der also kleiner als der stöchiometrische
Wert von 1,0 ist und lässt
ein negativer Gradient auf einen Eintrag von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher
bzw. auf einen Lambdawert vor dem Ab gaskatalysator schließen, der
größer als
der stöchiometrische
Wert von 1,0 ist.
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Zudem
stellt der Betrag des Gradienten des Spannungssignals ein Maß für die Menge
des zu diesem Zeitpunkt in den Sauerstoffspeicher eingetragenen
oder ausgetragenen Sauerstoffs dar. Daraus kann letztlich die Differenz
des Lambdawertes zu dem stöchiometrischen
Wert abgeschätzt
werden, so dass der Lambdawert stromauf des Abgaskatalysators relativ
genau bestimmt werden kann.
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Vorteilhaft
wird das Spannungssignal bzw. der Gradient des Spannungssignals
in Abhängigkeit von
dem den Abgaskatalysator durchströmenden Abgasmassenstrom bestimmt.
Denn ähnlich
wie die Beladung des Sauerstoffspeichers ist auch das Spannungssignal
der Lambdasonde von der Abgasmasse abhängig.
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So
erfolgt bei einem großen
Abgasmassenstrom durch den Abgaskatalysator eine schnelle Beladung
des Sauerstoffspeichers mit Sauerstoff oder eine schnelle Entladung
des Sauerstoffspeichers mit Sauerstoff, wobei die Geschwindigkeit
der Beladung bzw. der Entladung des Sauerstoffspeichers auf einen
Maximalwert begrenzt ist. Analog dazu ist bei einem großen Abgasmassenstrom
das Spannungssignal der Lambdasonde während der Beladung zu geringeren
Werten verschoben und während
der Entladung zu höheren
Werten verschoben.
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Und
bei einem kleinen Abgasmassenstrom durch den Abgaskatalysator findet
eine entsprechend langsame Beladung oder Entladung des Sauerstoffspeichers
statt. Dabei ist das Spannungssignal der Lambdasonde für die Beladung
wie auch für
die Entladung des Sauerstoffspeichers kaum zu geringeren bzw. höheren Werten
verschoben und kann sogar auf gleichem Niveau liegen.
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Bei
der Bestimmung des Lambdawertes stromauf des Abgaskatalysators sollte
eine relative Beladung des Sauerstoffspeichers von ca. 30 bis 70 eingehalten
werden, da die Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers und das Spannungssignal der
binären
Lambdasonde nur innerhalb dieses Bereiches hinreichend proportional
zueinander sind. Zudem ist nur innerhalb dieses Bereiches eine nahezu
vollständige
Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffkomponenten möglich, so
dass bei der Durchführung
des Verfahrens keine unerwünscht hohen
Emissionswerte auftreten.
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Außerdem sollte
bei der Bestimmung des Lambdawertes der Gradient des Spannungssignals innerhalb
eines vorgegebenen Bereiches betrachtet werden. Denn auch wenn der
Betrag des positiven oder negativen Gradienten des Spannungswertes
zu groß ist,
ist das Verfahren nicht mehr ausreichend genau.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Zeichnungsfiguren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskatalysator;
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2 ein
erstes Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal
der Lambdasonde und dem Luft/Kraftstoffgemisch des den Abgaskatalysator
durchströmenden
Abgases darstellt;
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3 ein
zweites Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal
der dem Abgaskatalysator zugeordneten Lambdasonde und der Beladung
des Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators zeigt; und
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4 ein
weiteres Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal
der Lambdasonde und der Beladung des Sauerstoffspeichers bei einem
großen
und einem kleinen Abgasmassenstrom veranschaulicht.
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Die
in 1 gezeigte mehrzylindrige Brennkraftmaschine 1 weist
stromauf in ihrem Ansaugstrang 2 eine Drosselklappe 3 sowie
eine Anzahl von Einspritzventilen 4 für Kraftstoff auf. Zudem weist die
Brennkraftmaschine 1 stromab in ihrem Abgasstrang 5 einen
Abgaskatalysator 6 mit einem integrierten Sauerstoffspeicher 7 sowie
eine dem Abgaskatalysator 6 nachgeschaltete Lambdasonde 8 auf.
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Die
Lambdasonde 8 aus 1, ist eine
sogenannte Sprungsonde, welche wie in 2 gezeigt, bei
einem fetten Luft/Kraftstoffgemisch in dem bzw. nach dem Abgaskatalysator 6 ein
hohes Spannungssignal Uλnach ausgibt, bei einem
mageren Luft/Kraftstoffgemisch ein vergleichsweise niedriges Spannungssignal
Uλnach ausgibt
und in einem Bereich um Lambda λ =
1,0 +/– 0,02
in einem stetigen Verlauf von der hohen Spannung auf die niedrige
Spannung abfällt.
Dabei misst die verwendete binäre
Lambdasonde 8 zum Beispiel bei Lambda λ = 0,99 ein Spannungssignal
Uλnach von
ca. 700 Millivolt, bei Lambda λ =
1,01 ein Spannungssignal Uλnach von ca. 600 Millivolt
und bei einem stöchiometrischen
Luft/Kraftstoffgemisch bzw. bei Lambda λ = 1,0 ein Spannungssignal Uλnach von
ca. 650 Millivolt. Für
eine günstige
Konvertierung der Abgaskomponenten ist eben dieser Bereich des Spannungssignals
Uλnach zwischen
600 und 700 Millivolt nutzbar.
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In 3 ist
der Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal Uλnach der
Lambdasonde 8 und der Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 7 des Abgaskatalysators 6 dargestellt.
Daraus ist entnehmbar, dass das Spannungssignal Uλnach der
Lambdasonde 8 in einem weiten Bereich zu der Beladung OSC
des Sauerstoffspeichers 7 proportional ist und lediglich
im unteren Bereich der Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 7 steil
ansteigt bzw. im oberen Bereich der Beladung OSC steil abfällt. Das
bedeutet, dass der Gradient des Spannungssignals ΔUλnach/ΔOSC bei einer
Entladung des Sauerstoffspeichers 7 positiv ist und mit
zunehmender Entladung stärker
ansteigt, während
er bei der Beladung des Sauerstoffspeichers 7 negativ ist
und mit zunehmender Beladung OSC stärker abfällt.
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Für eine hohe
Genauigkeit des Verfahrens und für
eine günstige
Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffkomponenten wird
daher eine Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 7 innerhalb des
Bereiches von 30 bis 70 % eingehalten, Werte des Spannungssignals
Uλnach innerhalb
des stetigen Bereiches von ca. 600 bis 700 Millivolt betrachtet und/oder
der Gradient des Spannungssignals ΔUλnach/ΔOSC innerhalb
eines vorgegebenen Bereiches eingehalten.
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Aus 4 geht
hervor, dass das Spannungssignal Uλnach der
Lambdasonde 8 nicht nur vom Betrag der Abweichung des Lambdawertes
stromauf des Abgaskatalysators 6, sondern auch von dem
den Abgaskatalysator 6 durchströmenden Abgasmassenstrom ṁ abhängig ist.
Denn indem der Abgasmassenstrom ṁ die Beladung bzw. Entladung
des Abgaskatalysators 6 beeinflusst, wird automatisch auch
das Spannungssignal Uλnach der Lambdasonde 8 beeinflusst.
So zeigt ein großer
Abgasmassenstrom ṁ gemäß der Linie
A bei der Beladung des Sauerstoffspeichers 7 eine Verschiebung
des Spannungssignals Uλnach zu geringeren Spannungen
und gemäß der Linie
B bei der Entladung des Sauerstoffspeichers 7 eine Verschiebung
des Spannungssignals Uλnach zu höheren Spannungen.
Lediglich dann wenn der Abgasmassenstrom ṁ hinreichend
klein ist, wird die Beladung und Entladung des Sauerstoffspeichers 7 nicht
beeinflusst und decken sich gemäß der Linie
C auch der Verlauf des Spannungssignals Uλnach für die Beladung
und die Entladung des Sauerstoffspeichers 7 des Abgaskatalysators 6.
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Somit
kann schließlich äußerst genau
aus der Änderung
des Spannungssignals ΔUλnachbzw.
der dazu proportionalen Änderung
der Beladung ΔOSC des
Sauerstoffspeichers 7, dem Abgasmassenstrom ṁ und der Zeit
t die Abwei chung des Lambdawertes Δλ von dem stöchiometrischen Wert = 1,0 bzw.
der Lambdawert λ stromauf
des Abgaskatalysators 6 ermittelt werden. ΔOSC = COnSt. ΔUλnach Δλ = ΔOSC/tṁ λ =
1,0 + Δλ
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Ansaugstrang
- 3
- Drosselklappe
- 4
- Einspritzventil
- 5
- Abgasstrang
- 6
- Abgaskatalysator
- 7
- Sauerstoffspeicher
- 8
- Lambdasonde
- OSC
- Beladung
des Sauerstoffspeichers
- ΔOSC
- Änderung
der Beladung des Sauerstoffspeichers
- Uλnach
- Spannungssignal
der Lambdasonde
- ΔUλnach
- Änderung
des Spannungssignals der Lambdasonde
- ΔUλnach/ΔOSC
- Gradient
des Spannungssignals
- t
- Zeit
- λ
- Lambda
- Δλ
- Abweichung
von Lambda
- ṁ
- Abgasmassenstrom