DE19545694C2

DE19545694C2 - Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19545694C2
Application number: DE19545694A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Staufenberg; Peter Olejnik
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: DE19545694A1; US5836153A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Ver hältnisses einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaska nal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, so genannte Lambdasonden bekannt, die z. B. nach dem Prinzip der Ionen 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 Span nungssprung ausweist (DE 42 15 787 A1).

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 Ver minderung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen an gestrebt.

Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet ist, wird das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alterungser scheinungen unterliegt.

Trotz dieser überlagerten Regelung können die Auswirkungen der Alterserschei nungen auf die Bildung eines im richtigen Mittel wirkenden Stellsignals für Ein spritzventile nach Vorliegen des Messsignales betreffend der in die Zylinder ein strömenden Luftmasse nicht ausreichend korrigiert werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, wel ches 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 durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der die erste Lambdasonde enthal tenden Regelstrecke eine Stellgröße überlagert wird, welche von der tatsächlich andauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde ab hängig ist.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird aus dem Ausgangssignal der zweiten Lambdasonde und einem Sollwert eine Differenz gebildet, welche zum Zeitpunkt des Umschlagens der ersten Lambdasonde vorzeichenbezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird (Anspruch 2).

Vorteilhafterweise entspricht der Sollwert annähernd dem Mittelwert des Aus gangssignals der zweiten Lambdasonde beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde (vergl. Anspruch 3).

Zur Betriebspunkteinstellung wird die aus dem Signal der zweiten Lambda sonde gewonnene Zeit in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine korrigiert und der Regelstrecke zugeführt, in dem die Kraftstoffeinspritzung angepaßt wird (vergl. hierzu auch die Ansprüche 4 und 5).

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: Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonden mit dynamischem Verhalten

Fig. 5: schematischer Signalverlauf der Regelkreise der Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator.

Gemäß Fig. 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 Er fassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Kata lysator 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 PI-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 ein Stell signal, 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 Fig. 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 Alte rungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sonden korrekturfaktor korrigiert werden.

Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kom pensieren, ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambda sonde 6 hinter dem Katalysator 2 enthält und welcher in Fig. 3 näher er läutert ist.

Die Regelstrecke 11 enthält, wie in Fig. 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 als auch den zweiten Regelkreis der Lambdasonde 6 aus und erzeugt im Er gebnis 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 da durch, daß festgestellt wird, ob sich diese Signalspannung außerhalb eines Spannungsbereiches (ULSU, ULSO) befindet. Ist dies der Fall, wird der von der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U_6IST an einen Summierpunkt 12 mit einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeicherten Sollwertes 13 verglichen. Dieser Sollwert U_6SOLL wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Kata lysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signumzähler 14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a inkrementiert um 1, wenn der Istwert U_6IST größer ist als der Sollwert U_6SOLL. Er dekrementiert um 1, wenn der Istwert U_6IST kleiner als der Sollwert U_6SOLL ist. Sind beide Werte gleich, wird der Zählerstand nicht verändert.

Der Zähler 14 wird bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordne ten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.

An einem ersten Multiplizierpunkt 15 wird der Zählwert mit einer Proportio nalitätskonstanten im Wert von (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der ersten Lambdasonde multipliziert, wodurch eine absolute Haltezeit TH_roh bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit TH_roh wird in einem zweiten Multiplizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher in einem abgespeicherten Kennfeld 17 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl n des Motors abgelegt ist. 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.

Um ein dynamisches Verfahren zu realisieren, wird bei dem Vergleich von Sollwert U_6SOLL und Istwert U_6IST der zweiten Lambdasonde 6 am Summen punkt 12 in Abhängigkeit eines als Schwellwert 19 definierten Differenzbe trages 20 festgelegt, ob eine erste oder eine zweite Proportionalitätskon stante dem ersten Multiplizierpunkt 15 zugeführt wird (Fig. 4). Ist der Diffe renzbetrag zwischen Soll- und Istwert der zweiten Lambdasonde 6 kleiner als der Schwellwert 19 wird eine erste Proportionalitätskonstante AK1 ausge wählt, welche eine kleinere Haltezeit TH_roh einstellt. Ist der Differenzbetrag größer als der Schwellwert 19, wird eine zweite Proportionalitätskonstante AK2 zugeführt, durch welche eine größere Haltezeit TH_roh realisiert wird. Auf grund dieser Haltezeiten nähert sich der Istwert mehr oder weniger langsam dem Sollwert an. Anstelle der Proportionalitätskonstanten AK1 und AK2 ist auch ein Kennfeld denkbar.

Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die Regelstrecke 11 in Fig. 5 dargestellt.

Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.

Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Fig. 5a) zeigen die zeit liche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten Lambdasondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kurven (schraffierte Fläche in Fig. 5a) die zeitliche Änderung des Lambda regelfaktors, unter Einfluß des Regelkreises der hinter dem Katalysator an geordneten 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 Fig. 5b ist weiterhin das digitalisierte Signal angezeigt, welches von der ersten Lambdasonde an den Reglereingang gegeben wird. Aus dem Ver gleich der Kurven I und II geht hervor, daß unter Einfluß des zweiten Regel kreises 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 (Fig. 5c).

Die Ergebnisse des beschriebenen Verfahrens werden im nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeichert und finden in den darauffolgenden Regelzyklen Berücksichtigung.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brenn kraftmaschine, 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 weiteres Signal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal einer zweiten dem Ka talysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird, wobei aus dem Ausgangssignal der zweiten Sauerstoffmeßsonde eine Haltezeit in Ab hängigkeit eines Vergleiches des von der zweiten Lambdasonde gemes senen Istwertes mit einem Sollwert bestimmt wird, durch welche das Aus gangssignal des Reglers zeitversetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Umschlagens des Aus gangssignals der ersten Sauerstoffmeßsonde bestimmt wird, wobei der Vergleich bei jedem Umschlag des Ausgangssignals der ersten Sauer stoffsonde erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ver gleich mit dem Sollwert eine Differenz gebildet wird, welche zum Zeitpunkt jedes Umschlagens der ersten Sauerstoffmeßsonde vorzeichenbezogen aufintegriert wird, wobei der Integratorwert in eine Zeit überführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert annähernd dem Mittelwert des Ausgangssignals der zweiten Lambdason de beim störungsfreien Betrieb der ersten Lambdasonde darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich vom Soll- und Istwert der zweiten Lambdasonde in Abhängigkeit von einem aus Soll- und Istwert gebildeten Differenzbetrag festgelegt wird, ob die erste oder eine zweite Proportionalitätskonstante zur Bestim mung der Haltezeit genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des dem Regler zuzuführenden Signals abhängig ist von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine.