DE19912895A1 - Verfahren zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das Ionenstromsignal einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde über ein jeweiliges Arbeitsspiel zeitaufgelöst erfaßt und daraus ein Istwert einer restgassensitiven Meßgröße abgeleitet und der Istwert mit wenigstens einem von mehreren, zu verschiedenen Restgasmengen gehörig abgespeicherten Referenzwerten verglichen. Aus dem Vergleich wird dann auf die tatsächlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine rückgeführte Abgasmenge geschlossen. DOLLAR A Verwendung z. B. für Brennkraftmaschinen in Automobilen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Ab­ gasrückführungssystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug.

Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführungssystem wird über ein Steuerventil gesteuert Abgas in einen Ansaugtrakt rückge­ führt, um Schadstoffemissionen und den Kraftstoffverbrauch ge­ ring zu halten.

Die DE 35 32 783 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasrückführungssystems, bei dem unter Auswertung eines Ventil­ öffnungs-Meßfühlers eine Fehlfunktion eines zugehörigen Abgas­ rückführungssystems erkannt werden soll.

In der DE 195 27 030 A1 ist eine Vorrichtung zur Funktionsüber­ wachung eines Abgasrückführungssystems beschrieben, bei der durch Auswerten von Ansaugluftdruck, Kühlwassertemperatur oder Motordrehzahl auf eine Fehlfunktion eines Abgasrückführungsven­ tils geschlossen wird.

Die DE 41 21 071 A1 beschreibt ein Abgasrückführungssystem einer Brennkraftmaschine, das ein Abgasrückführungsventil aufweist, dessen Funktion überwacht wird, indem die Temperatur in einem Abgasrückführungskanal gemessen und mit einer Referenztempera­ tur, die derjenigen des Gehäuses der Brennkraftmaschne ent­ spricht, verglichen wird.

Insbesondere zum Erfassen von Verbrennungsaussetzern und zum Sensieren von Klopferscheinungen ist es bekannt, im Brennraum von Zylindern einen Ionenstrom mittels einer Ionenstromsonde zu messen. Als Ionenstromsonden werden insbesondere Zündkerzen ver­ wendet, deren eigentliche Funktion in der Brennkraftmaschine die Gemischzündung ist. Der Einsatz von Ionenstromsonden zur Bestim­ mung der Zusammensetzung des einer Brennkraftmaschine zugeführ­ ten Betriebsgemisches ist beispielsweise aus der DE 25 54 988 bekannt. Darin ist die Anordnung einer Ionenstromsonde in einem Abgaskanal beschrieben, deren Signal als Regelgröße zur Ansteue­ rung von Stellvorrichtungen, welche auf die Zusammensetzung von Betriebsgemisch und/oder Abgas wirken, verwendet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktionsüberwa­ chung eines Abgasrückführungssystems einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das insbesondere auch bei Einsatz in einem Kraftfahr­ zeug im normalen Brennkraftmaschinenbetrieb eine Diagnose der Funktion des Abgasrückführungssystems ermöglicht bzw. eine In­ formation über eine tatsächliche rückgeführte Abgasmenge bereit­ stellt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei diesem Verfahren wird das Ionenstromsignal einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde über ein jeweiliges Arbeitsspiel zeitaufgelöst erfaßt und daraus ein Istwert einer restgassensitiven Meßgröße abgeleitet und mit wenigstens einem von mehreren abgespeicherten Referenzwerten verglichen, die unterschiedlichen Abgasrückführmengen, d. h. Restgasmengen, im Brennraum entsprechen. Aus dem Vergleich wird dann auf die tatsächlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine rückgeführte Abgasmenge geschlossen. Auf diese Weise ist es mög­ lich, durch Ionenstrommessung z. B. mittels einer Zündkerze im laufenden Brennkraftmaschinenbetrieb und damit bei Anwendung in einem Kraftfahrzeug im laufenden Fahrbetrieb ohne Einsatz von Strömungssensoren in einem Abgasrückführungskanal die tatsäch­ lich rückgeführte Abgasmenge zu ermitteln, so daß darauf eine Anpassung von Motorstellgrößen vorgenommen werden kann, um Be­ triebsstörungen, wie beispielsweise Zündaussetzer, zu vermeiden, die auf Abweichungen der tatsächlichen von einer gewünschten Ab­ gasrückführmenge beruhen.

In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird der Istwert der restgassensitiven Meßgröße mit einem ausgewählten der abge­ speicherten Referenzwerte verglichen, und zwar mit demjenigen, der zu dem am Abgasrückführungssystem eingestellten, an sich ge­ wünschten Restgasmengenwert gehört. Es wird dann auf eine Fehl­ funktion des Abgasrückführungssystems geschlossen, wenn der Ist­ wert um mehr als ein vorgebbares Maß von diesem ausgewählten Re­ ferenzwert abweicht. Das Maß, um das der Istwert vom ausgewähl­ ten Referenzwert abweichen darf, bevor auf eine Fehlfunktion ge­ schlossen wird, kann z. B. in Form eines Schwellwertes für die Differenz zwischen Istwert und Referenzwert vorgegeben werden.

In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird der Istwert der restgassensitiven Meßgröße mit allen zu unterschiedlichen Restgasmengen abgespeicherten Referenzwerten verglichen und der­ jenige Referenzwert ausgewählt, der dem Istwert am nächsten kommt. Die zu diesem ausgewählten Referenzwert gehörige Restgas­ menge wird dann als die tatsächlich vom Abgasrückführungssystem rückgeführte Restgasmenge betrachtet.

In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 4 sind die Refe­ renzwerte der restgassensitiven Meßgröße nicht nur in Abhängig­ keit unterschiedlicher Restgasmengen, sondern zusätzlich in Ab­ hängigkeit unterschiedlicher Luft/Kraftstoff-Verhältnisse des im Brennraum verbrannten Gemischs abgespeichert. Dies trägt der Tatsache verbessert Rechnung, daß sich das Ionenstromsignal auch abhängig vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis in gewisser Weise än­ dert.

In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 5 sind die Refe­ renzwerte der restgassensitiven Meßgröße zusätzlich in Abhängig­ keit von Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine abgespei­ chert, was wiederum berücksichtigt, daß sich das Ionenstromsig­ nal auch in gewissem Maße abhängig von diesen Größen ändert.

In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 6 dient der gesam­ te Kurvenverlauf des Ionenstromsignals über ein jeweiliges Ar­ beitsspiel hinweg als die restgassensitive Meßgröße, d. h. es wird jeweils der ganze gemessene Kurvenverlauf als zugehöriger Istwert betrachtet und als Referenzwerte sind vorab verschiedene Ionenstromsignal-Kurvenverläufe abgespeichert, wobei zu jedem Kurvenverlauf eine bestimmte Restgasmenge und ggf. ein oder meh­ rere weitere Parameterwerte, wie bezüglich des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses, der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftma­ schine, gehören. Die Auswertung des gesamten Kurvenverlaufs er­ möglicht eine entsprechend genaue Auswertung des Ionenstromsig­ nals in Bezug auf die Beurteilung der tatsächlich rückgeführten Restgasmenge. Es versteht sich, daß je nach Anwendungsfall dem Vergleich ein einzelner gemessener Kurvenverlauf oder vorzugs­ weise ein über mehrere Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine ge­ mittelter Kurvenverlauf als vergleichsrelevanter Istwert heran­ gezogen werden kann.

In Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruchs 7 wird die Lage und/oder die Amplitude eines ersten Maximums des Ionenstromsi­ gnal-Kurvenverlaufs als die restgassensitive Meßgröße herangezo­ gen. Diese Vorgehensweise benötigt relativ wenig Rechenzeit und Speicherplatzbedarf, wobei die Erkenntnis ausgenutzt wird, daß sich insbesondere die Lage und die Amplitude dieses ersten Maxi­ mums im Kurvenverlauf des Ionenstromsignals in Abhängigkeit von der Restgasmenge signifikant ändern, so daß aus deren Bestimmung auf die tatsächliche Restgasmenge ausreichend genau geschlossen werden kann. Auch in diesem Fall kann bei Bedarf ein über mehre­ re Arbeitsspiele gemittelter Wert für die Lage bzw. die Amplitu­ de dieses ersten Maximums als vergleichsrelevanter Istwert her­ angezogen werden.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fi­ guren veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen typischen Verlauf eines mittels einer Zündkerze im Brennraum einer Brennkraftmaschine gemessenen Ionenstrom­ signales,

Fig. 2 und 3 die Abhängigkeit des Ionenstromsignales von der Luftzahl und von einer in den Brennraum zurückgeführen Abgasmenge,

Fig. 4 ein erstes Ionenstrom-Diagnoseprinzip für ein Abgasrück­ führungssystem und

Fig. 5 ein alternatives, zweites Ionenstrom-Diagnoseprinzip für ein Abgasrückführungssystem.

Zur Durchführung der nachfolgend im einzelnen beschriebenen Vor­ gehensweisen zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems ei­ ner Brennkraftmaschine ist jede herkömmliche Ionenstrommeßein­ richtung geeignet, welche die zeitaufgelöste Messung des Ionen­ stromverlaufs über ein jeweiliges Arbeitsspiel der Brennkraft­ maschine hinweg erlaubt. Als Ionenstrommeßsonde kann insbesonde­ re wie üblich eine Zündkerze dienen. Es ist lediglich eine für das vorliegende Verfahren geeignete Ionenstrom-Auswerteeinheit zu verwenden, deren Realisierung sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung der von ihr vorzunehmenden Auswerte­ funktionalitäten ohne weiteres ergibt. Insbesondere weist die Ionenstrom-Auswerteeinheit einen Speicher auf, in welchem vorab für unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine z. B. empirisch ermittelte Ionenstromverläufe oder eine daraus abgeleitete Meßgröße, wie z. B. Lage und/oder Amplitude eines Kurvenmaximums, als entsprechendes mehrdimensionales Referenz­ wert-Kennfeld in Abhängigkeit von Parametern abgelegt sind, wel­ che die Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine charakterisie­ ren und den Ionenstromverlauf beeinflussen. Solche Parameter sind neben der hier primär interessierenden, vom Abgasrückfüh­ rungssystem rückgeführten Abgasmenge, d. h. der Restgasmenge im Brennraum, vor allem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des im Brennraum verbrannten Gemischs und des weiteren auch Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine. Bei der Auswertung des Ionenstromsignals berücksichtigt die Auswerteeinheit dementspre­ chend ihr zugeführte Informationen über die momentanen Werte des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und ggf. der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine, um aus dem abgespeicherten Kennfeld die jeweils für die momentane Betriebssituation maßgeb­ liche Untermenge an entsprechenden Referenzwerten der gewählten restgassensitiven Meßgröße auszuwählen. Anhand des Vergleichs des gemessenen Istwertes der restgassensitiven Meßgröße, d. h. des momentan gemessenen Ionenstromverlaufs insgesamt oder einer anderen, daraus abgeleiteten restgassensitiven Meßgröße, mit ei­ nem oder mehreren der für die betreffende Situation relevanten Untermenge aller abgelegten Referenzwerte ist die Auswerteein­ heit dann in der Lage, auf die im jweiligen Arbeitsspiel tat­ sächlich rückgeführte Abgasmenge zu schließen.

In Fig. 1 ist mittels einer Kurve 20 ein typischer, zwischen den Elektroden 2a, 2b einer als Ionenstromsonde verwendeten Zündker­ ze fließender Ionenstromverlauf als Funktion eines Kurbelwellen­ winkels dargestellt. Weil die Zündkerze primäre zur Zündung des Gemisches im Brennraum eingesetzt wird, ist das Ionenstromsignal zwischen einem Einsatzpunkt 21 und einem Endzeitpunkt 22 bei der in der Fig. 1 dargestellten Kurve 20 ausgeblendet. Nach Ende des Zündvorgangs bilden sich über ein Arbeitsspiel hinweg bei der Ionenstromkurve 20 zwei Maxima 23, 24 heraus, wobei der Kurven­ verlauf im Detail von der Zusammensetzung des zu verbrennenden Gemisches abhängt.

Fig. 2 zeigt, wie sich der Verlauf eines mittels einer Zündkerze gemessenen Ionenstromes als Funktion des Kurbelwellenwinkels ϕ für verschiedene Werte der Luftzahl λ, d. h. des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses des verbrannten Gemisches, ändert. Weiter ist in Fig. 3 die Variation des Ionenstromverlaufes als Funktion des Kurbelwellenwinkels ϕ für verschiedene prozentuale Anteile von Abgas an im Brennraum verbranntem Gemisch aufgetragen. Aufgrund dieser charakteristischen Abhängigkeit des Tonenstromes von λ- Wert und Abgasanteil, vorliegend als Restgasmenge oder rückge­ führte Abgasmenge bezeichnet, kann durch Auswerten der restgas­ sensitiven Ionenstromkurve entweder anhand des gesamten Kurven­ verlaufes oder der Lage und/oder Amplitude der Maxima, insbeson­ dere des ersten Maximums, auf die tatsächliche Restgasmenge geschlossen werden. Ist die Luftzahl λ, d. h. das Luft/Kraftstoff- Verhältnis, z. B. durch Messung mittels einer im Abgas angeordne­ ten Lambdasonde 11 bekannt, so kann durch Analyse der Ionen­ stromkurve auf den prozentualen Abgasanteil, d. h. die Restgas­ menge, im Brennraum geschlossen werden. Zum einen ist es somit möglich, den prozentualen Anteil von Abgas eines dem Brennraum zugeführten Gemisches zu ermitteln. Zum andern kann die einwand­ freie Funktion eines Abgasrückführungssystems überprüft werden, indem das tatsächliche Ionenstromsignal mit demjenigen vergli­ chen wird, das sich für die am Abgasrückführungssystem einge­ stellte, gewünschte Restgasmenge bei gegebener Luftzahl λ ergeben sollte.

Für eine solche Diagnose weist die verfahrensdurchführende Io­ nenstrom-Auswerteeinheit, wie erwähnt, einen Speicher auf, in dem in Abhängigkeit von der Stellung des Abgasrückführungsven­ tils, vom Lambda-Wert und von Motorbetriebsparametern theore­ tisch erwartete Ionenstromsignalkurven als Funktion des Kurbel­ wellenwinkels als Referenzwert-Kennfeld abgelegt sind. Vorzugs­ weise mittelt die Ionenstrom-Auswerteeinheit die erfaßten Ionenstromkurven zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses über mehrere Arbeitsspiele und legt die gemittelte Kurve der weiteren Auswertung zugrunde. Diese Auswertung kann z. B. einen subtraktiven Vergleich der gemessenen Ionenstromkurve insgesamt als maßgebender Meßgrößen-Istwert mit derjenigen im Speicher ab­ gelegten Referenzwert-Kurve beinhalten, die der Stellung des Ab­ gasrückführungsventils, dem Lambda-Wert und den Momentanwerten der anderen erwähnten Motorbetriebsparameter entspricht. Spezi­ ell wird dazu, wie in Fig. 4 veranschaulicht, eine gemessene, ggf. gemittelte Ionenstromkurve 50 als Istwert von einer in dem Speicher abgelegten, theoretisch erwarteten Ionenstromkurve 51 als Referenzwert subtrahiert, woraus sich eine Differenzkurve 52 ergibt. Der Betrag dieser Differenzkurve 52 wird über ein Ar­ beitsspiel integriert. Überschreitet dieser durch Integration erhaltene Differenzbetrag einen Schwellwert, wird eine Fehlfunk­ tionsinformation generiert, die eine Fehlfunktion des Abgasrück­ führungssystems anzeigt.

Statt die Differenzkurve 52 durch betragliche Integration zu er­ mitteln, ist es auch möglich, als Fehlfunktionskriterium ein Ausbrechen der Kurve 52 aus einem Schrankenbereich heranzuzie­ hen. Alternativ zur Mittelung über mehrere gemessene Ionenstrom­ kurven kann ein direkter Vergleich der einzelnen gemessenen Io­ nenstromkurven mit der jeweiligen Sollwert-Kurve vorgesehen sein. In diesem Fall können geringere Anforderungen an die Re­ chenleistung der Ionenstrom-Auswerteeinheit gestellt werden, und die Funktionsüberwachung des Abgasrückführungssystems kann zy­ klusaufgelöst für jedes Arbeitsspiel einzeln erfolgen.

Die Fig. 5 erläutert eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems einer Brennkraft­ maschine. Hier wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß mit guter Ge­ nauigkeit aus der Amplitude und Lage des ersten Ionenstrommaxi­ mums auf die Restgasmenge geschlossen werden kann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bekannt ist. Vom gemessenen Ionen­ stromsignal wird als Meßgrößen-Istwert nur die Lage und Amplitu­ de des ersten Maximums berücksichtigt und mit als Meßgrößen- Referenzwert abgespeicherten Werten von Lage und Amplitude die­ ses Ionenstrommaximums verglichen. Als für den Vergleich heran­ zuziehender Lage- und Amplituden-Referenzwert des ersten Ionen­ strommaximums wird derjenige aus den abgespeicherten Sollwerten ausgewählt, der den momentanen Werten der Stellung des Abgas­ rückführventils, des Lambdawertes und der weiteren Motorbe­ triebsparameter entspricht. Im Vergleich zum in der Fig. 4 er­ läuterten Prinzip kommt man hier mit geringeren zu verarbeiten­ den Datenmengen aus. Zur Verbesserung der Ergebniszuverlässig­ keit kann ggf. auch hier wiederum eine Mittelung der Werte von Lage und Amplitude des ersten Ionenstrommaximums über mehrere Arbeitsspiele zur Gewinnung des maßgeblichen, vergleichsrelevan­ ten Meßgrößen-Istwertes durchgeführt werden.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, einen Vergleich der gemessenen Ionenstrom­ kurve oder einem daraus abgeleiteten restgassensitiven Meßgrö­ ßen-Istwert mit allen für die momentanen Werte des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses, der Stellung des Abgasrückführventils und ggf. weiteren Motorbetriebsparametern zu verschiedenen Restgas­ mengen abgespeicherten Meßgrößen-Referenzwerten zur Bestimmung eines konkreten Momentanwertes der tatsächlich rückgeführten Ab­ gasmenge durchzuführen. Dies kann geschehen, indem zu einer ge­ messenen Ionenstromkurve bzw. zur Lage von Amplitude und/oder ersten Maximum derselben aus den zu der gegebenen momentanen Luftzahl und zu den gegebenen übrigen momentanen Motorbetriebs­ parametern abgelegten Referenzwerten der dazu am besten passende Referenzwert, d. h. die am besten passende Referenzwert-Kurve bzw. der am besten passende Referenzwert-Satz über Lage und/oder Amplitude des ersten Maximums ermittelt wird. Aus der aufgefun­ denen Ionenstromkurve bzw. dem aufgefundenen Satz von Lage und/oder Amplitude des ersten Maximums kann dann auf die tat­ sächlich momentan zurückgeführte Abgasmenge geschlossen werden. Der auf diese Weise bestimmte Wert für den Anteil von rückge­ führtem Abgas am zu verbrennenden Gemisch kann einer Motorsteue­ rung zugeführt und von dieser geeignet berücksichtigt werden, so daß auch bei fehlerhaft oder jedenfalls unerwartet arbeitendem Abgasrückführungssystem ein an die tatsächlich rückgeführte Ab­ gasmenge angepaßter Motorbetrieb möglich ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Überwachung eines Abgasrückführungssystems einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Ionenstromsignal einer in einem Brennraum der Brenn­ kraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde über ein jeweiliges Arbeitsspiel zeitaufgelöst erfaßt und daraus ein Istwert einer restgassensitiven Meßgröße abgeleitet wird und
• - der Istwert mit wenigstens einem von mehreren, zu verschie­ denen Restgasmengen gehörig abgespeicherten Referenzwerten die­ ser restgassensitiven Meßgröße verglichen wird und aus dem Ver­ gleich auf die tatsächlich in den Brennraum der Brennkraftma­ schine rückgeführte Restgasmenge geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der restgassensitiven Meßgröße mit demjenigen Refe­ renzwert verglichen wird, der zu einem am Abgasrückführungssy­ stem eingestellten Restgasmengenwert gehörig abgespeichert ist, und auf eine Fehlfunktion des Abgasrückführungssystems geschlos­ sen wird, wenn der Istwert um mehr äls ein vorgebbares Maß von dem Referenzwert abweicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vergleich mit dem Istwert der restgassensitiven Meßgröße von den abgespeicherten Referenzwerten derjenige ausgewählt wird, der dem Istwert am nächsten kommt, und aus der zu diesem ausgewählten Referenzwert gehörigen Restgasmenge auf die tat­ sächlich vom Abgasrückführungssystem rückgeführte Restgasmenge geschlossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerte der restgassensitiven Meßgröße zusätzlich in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis des im Brennraum verbrannten Gemischs abgespeichert sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerte der restgassensitiven Meßgröße zusätzlich in Abhängigkeit von Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine abgespeichert sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als restgassensitive Meßgröße der Kurvenverlauf des Ionenstrom­ signales über ein jeweiliges Arbeitsspiel herangezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als restgassensitive Meßgröße die Lage und/oder Amplitude eines ersten Maximums des Kurvenverlaufs des Ionenstromsignales über ein Arbeitsspiel herangezogen wird.