DE2946440A1

DE2946440A1 - Verfahren zur gewinnung einer steuergroesse fuer die regelung des kraftstoff-luftverhaeltnisses von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2946440A1
Application number: DE19792946440
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Hermann 7016 Gerlingen Dietz; Ernst Dipl.-Ing. 7130 Mühlacker Linder; Helmut 7141 Schwieberdingen Maurer; Klaus Dr. 7146 Tamm Müller; Dipl.-Chem. Harald Reber; Ing.(grad.) Franz 7080 Aaalen Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-11-17
Filing date: 1979-11-17
Publication date: 1981-05-27
Also published as: JPS6367019B2; GB2064828B; GB2064828A; US4355618A; IT8025897A0; FR2475130B1; FR2475130A1; IT1134209B; DE2946440C2; JPS5688930A

Description

29464A0

κ. 5879

30.10.1979 Böer/Ba

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Verfahren zur Gewinnung einer Steuergröße für die Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses des Betriebsgemisches von Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, die Luft-Kraftstoff zusammensetzung des Betriebsgemisches bei Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer Abgassonde dieser Art auf ein bestimmtes Luftverhältnis *λ zu regeln. Es handelt sich dabei um eine SauerStoffmeßsonde, die auf den Sauerstoffpartialdruck im Abgas der Brennkraftmaschine anspricht und z. B. ein Ausgangssignal erzeugt, das bei der Luftzahl λ = 1 einen Spannungssprung aufweist. Für eine Regelung der Betriebsgemischsusammensetzung auf eine Luftzahl größer 1 sind solche Sonden nicht geeignet, da deren Ausgangssignal sich linear in Abhängigkeit von der Temperatur und in nur logarithmischer Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im Meßgas ändert. Nur am stöchiometrischen Punkt, der Luftzahl J\ - 1, wo sich der Sauerstoffpartialdruck um mehrere Zehnerpotenzen ändert, ist das Signal dieser Sonde zur Regelung geeignet.

Es ist weiterhin bekannt, mit einer modifizierten Sauerstoffsonde der genannten Art den Sauerstoff im Abgas

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-/- 5b/9

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zu messen (DE-OS 19 5^ 663). Dabei werden an die Elektroden einer solchen Sonde eine Meßspannung angelegt, durch die ein Meßstrom aufgrund eines Sauerstoffionenflusses durch den Festelektrolytkörper der Sonde zustandekommt. Die Höhe des Meßstromes wird durch die Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs begrenzt und ist abhängig von der Konzentration des Sauerstoffs in dem zu messenden Gas. Spannungsabweichungen der Meßspannung innerhalb eines bestimmten Bereichs haben im stationären Fall daher keine Auswirkung auf den Strcmfluß, der einen durch die Diffusionsgeschwindigkeit begrenzten Stromwert, beibehält (Grenzstrcmsonde) .

Im Übergangsbereich hat jedoch diese Grenzstromsonde den Nachteil, da£ bei einer sprungartigen Änderung der Sauerstoffkonzentration der Strom sich exponentiell dem neuen, der geänderten Konzentration entsprechenden Grenzstromwert nähert. Die Sonde reagiert also ziemlich träge auf Konzentrationsänderungen und ist somit für die Verwendung einer schnell ansprechenden Regelung weniger gut geeignet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit Hilfe der der Störgröße (Sauerstoffkonzentrationsänderung z. B. bei Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine) entsprechenden Spannungsänderung der Meßspannung, z. B. bei einer Spannungserhöhung derselben, an der Grenzstromsonde ein zusätzlicher Strom erzeugt wird, der etwa exponentiell abklingt und addiert mit dem von der Sauerstoffkonzentrationserhöhung herrührenden Strom eine sprungartige Signaländerung auf einen der neuen Sauerstoffkonzentration entsprechenden Grenzstromwert, ergibt. Damit wird die

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Ansprechgeschwindigkeit der Grenzstromsonde wesentlich erhöht, so daß sie auf schnelle Regelungen verwendbar wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung des im Hauptanspruch beanspruchten Verfahrens möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 schematisch die Kenr.linienschar einer Grenzstromsonde für verschiedene Sauerstoffgehalte im Abgas, Fig. 2a bis 2d die Signalbildung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer sprungartigen Änderung des Sauerstoffgehalts im Abgas und Fig. 3 eine beispielhafte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kommt eine sogenannte Grer.zstromsonde zur Anwendung, wie sie z. B. in den Veröffentlichungen DE-OS 1 95^ 663 oder DE-OS 27 11 880 beschrieben ist. Sonden dieser Bauart weisen einen zwischen zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Festelektrolyten auf j wobei die beiden Elektroden gasdurchlässig sind und mit einer Meßspannung beaufschlagt sind. Je nach Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas stellt sich dabei ein höherer oder niedrigerer Diffusionsgrenzstrom ein, der, wie das Wort sagt, durch die Diffusionsgeschwindigkeit der ankommenden Sauerstoffmoleküle zu einer der Elektroden beschränkt ist. Sonden solcher Bauart weisen bei verschiedenen Sauerstoffgehalten im

-H-

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ν 58 ^h 29A6A40

Abgas ein Kennlinienfeld gemäß der in Fig. 1 dargestellten Art auf. Dort ist der an der Grenzstromsonde gemessene Strom in Eezug zur anliegenden Spannung dargestellt, wobei sich zeigt, daß bei jeder Sauerstoffkonzentration über einen bestimmten Meßspannungsänderungsbereich der gemessene Strom konstant bleibt. Durch diese Eigenschaft ist es möglich, das Ausgangssignal der Grenzstromsonde auch zu Regelzwecken für die Kraftstoff-Luftgemischzusammensetzung des Betriebsgemisches bei Brennkraftmaschinen einzusetzen. Der sich über eine größere MeJispannungsdifferenz erstreckende konstante Grenzstrompegel nacht das Steuersignal der Grenzstromsonde im wesentlichen'unabhängig von Störeinflüssen.

Die Dynamik der Grenzstromsonde wird, wie erwähnt, durch Diffusionsvorgänge bestimmt. Bei einer sprungartigen Sauerstoffkonzentrationsänderung reagiert die Grenzstrcmsonde jedoch nur verzögert mit einem Übertragungsverhalten, das sich im laplacetransformierten Bildbereich (die komplexe Variable ρ korrespondiert mit der Zeit t) durch die Gleichungen

I (P) = G_p (P). ' P₀ (P)₅ G_p (p) = K/(l + T_p« _p)

darstellen läßt. I ist dabei der Grenzstrom, K eine Konstante und T die Zeitkonstar.te. Für eine schnell an-

P
sprechende Regelung wird eine sprungartige Reaktion des Ausgangsignals der Grenzstromsonde bei sprungartiger Sauerstoffkonzentrationsänderung gewünscht. Das würde einem Übertragungsverhalten

entsprechen.

G_p(p) = K

Es wurde ermittelt, daß das Stromsignal der Grenzstromsonde im Grenzstrombereich sich bei einer Änderung der Versorgungsspannung um einen Betrag Δ u komplementär zum oben erwähnten Verhalten ändert. Die Änderung des Grenzstroms erfolgt dabei nach der Übertragungsgleichung

G₁J (p) = K_TJ · Ty · ρ / (1 + T₁J . p)

130022/0247 _ ς _

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Wenn nun mit der Erhöhung des Sauerstoffgehalts gleichzeitig die Meßspannung um einen bestimmten Betrag Λ u erhöht wird, so führt das zu einer Kompensation des oben genannten Zeitverhaltens der Grenzstromsonde bei einer Sauerstoffkonzentrationsänderung. Dies ist in der Figurenfolge 2a bis 2d wiedergegeben. In Fig. 2a wird gezeigt, wie sich der Sauerstoffgehalt zu einem Zeitpunkt t um Δ pop sprunghaft ändert. Fig. 2b zeigt, wie sich der Grenzstrom normalerweise ausgehend von einem ersten Pegel im Zeitpunkt t zu einem zweiten Pegel Κ· Δ po₂ erhöht. Und zwar mit einer Zeitkonstanten T . Wird die Keßspannung um einen der Sauerstoffkonzentrationsänderung entsprechenden Wert erhöht, so ergibt sich ein zusätzlicher Strom durch die Grenzstromsonde gemäß dem Plurvenverlauf nach Fig. 2c. Man sieht dabei, wie der Strom von einem Wert Ky · Δ u im Zeitpunkt t allmählich auf 0 absinkt. Die für diesen. Vorgang geltende Zeitkonstante T entspricht ungefähr der Zeitkonstanten T des Stromverlaufs gemäß Fig. 2b. Ebenso ist der Wert K in Fig. 2c etwa gleich dem Wert K in Fig. 2b. Fig. 2d zeigt, wie aus der Addition beider Ströme ein dem sprunghaften Anstieg der Sauerstoffkonzentration entsprechender sprunghafter Anstieg des Grenzstromes im Zeitpunkt t auftritt. Die Zeitkonstante Ty wird durch die elektrischen Eigenschaften der Grenzstromsonde bestimmt. Durch entsprechende Maßnahmen, die die Kapazität der Kondensatoreigenschaft der Grenzstromsonde ändern, kann eine Anpassung der Zeitkonstante Ty an die Zeitkonstante T erreicht werden. 'Entsprechend muß auch auf eine bestimmte Sauerstoffkonzentration hin die Änderung der Meßspannung Au so angepaßt werden, daß für beide Kurvenverläufe der Wert Ky* ^u "=" R Δ po_?

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- ζ-1

konstant ist. Um eine schnelle Reaktion der Grenzstromsonde zu erzielen, muß bei einer Betriebszustandsänderung und einer dadurch sich ergebende Sauerstoffkonzentrationsänderung die Meßspannung un einen der zu erwartenden Sauerstoffkonzentrationsänderung entsprechenden Betrag verändert werden. Wegen der Eigenschaft der Grenzstromsonde im Grenzstrombereich nicht auf Meßspannungsunterschiede zu reagieren, kann der oben beschriebene Eingriff vorgenommen werden, da der sich auf die Änderung der "eßspannung momentan ergebende Strom nach kurzer Zeit viieder abklingt. Für größere Zeiten nach den Punkt t ist also der tatsächliche Meßwert der Grenzstromscnde maßgebend. Mir dem beschriebenen Verfahren können also schnelle änderungen der Sauerstoffkonzentration grob ausgesteuert werden und bei längerem Andauern exakt ausgeregelt werden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Es ist dabei eine Brennkraftmaschine 1 schematisch wiedergegeben mit einem Ansaugsystem 2 und einem Abgassammeisystem 3. Die Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine kann dabei z. B. durch Saugrohreinspritzung erfolgen. Dazu ist, wie gezeigt, ein Kraftstoffeinspritzv.entil ^ stromaufwärts des oder der Einlaßventile der Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Einspritzventil wird dabei von einer Kraftstoffversorgungseinrichtung 6z. B. in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge versorgt. Der Kraftstoff wird der Kraftstoffversorgungseinrichtung 6 von einer Pumpe 7 aus einem Vorratsbehälter zugeführt. Derartige gesteuerte Kraftstoffversorgungseinrichtungen sind bekannt und brauchen hier nicht näher dargestellt zu werden.

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* ⁵⁸⁷⁹

Gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird nun die über die Kraftstoffeinspritzventil 4 eingespritzte Kraftstoffmenge mit Hilfe eines Kraftstoffmengennessers 8, der z. B. auf der Saugseite der Pumpe 7 vorgesehen sein kann, gemessen. Der Kraftstoffmengenmesser gibt dabei ein Steuersignal an eine Steuereinrichtung ΙΟ, der zusätzlich oder alternativ ein Steuersignal von einem im Saugrohr der Brennkraftmaschine vorgesehenen Luftmengenmesser 11 zugeführt werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dem Steuergerät ein Drehzahlsignal von einem Drehzahlgeber 12 zuzuführen. In dem Steuergerät 10 werden mit Hilfe der Luftmengensignale, der Kraftstoffmengensignale und/ oder der Drehzahlsignale oder weiteren Zusatzparametern eine Spannung Δ. u gebildet, die dem im jeweiligen Betriebszustand geschätzten LambdaWert entspricht. Das Steuergerät kann dabei z. B. ein Kennfeld oder Kennlinien enthalten aus denen sich bei den entsprechenden Eingabeparametern die jeweilige Spannung Δ u ergibt.

Im Abgassammeisystem 3 ist nun eine Grenzstromsonde I^ angeordnet, an die über eine Versorgungsleitung 15 eine Meßspannung angelegt ist. Die Meßspa.nnug wird dabei aus der Addition des Spannungssignals A u zu einer Grund-Meßspannung U gebildet. Diese korrigierte Meßspannung U₁ liegt am Ausgang eines Summierers 16 an und wird einem Spannungsregler 17 zugeführt. Vom Ausgangs des Spannungsreglers 17 wird die Spannung über einen Meßwiderstand 18 an die Grenzstromsonde geführt. Zwischen Meßwiderstand 18 und Grenzstromsonde zweigt eine Rückführung 19 ab, die wieder mit dem Eingang des Spannungsreglers 17 verbunden ist. Der am Meßwiderstand aufgrund des durch die Grenzstromsonde I^ fliessenden Stromes auftretende Spannungsabfall wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers 21, dessen

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Eingänge mit einem Abgriff vor und nach dem Meßwiderstand verbunden sind, gemessen, wobei der Ausgang des Differenzverstärkers 21 mit einer Regelschaltung 22 verbunden ist, durch die ein Korrektursignal z. B. an die Kraftstoffversorgungs- und -dosiereinrichtung 6 gegeben wird.

Der Spannungsregler in Verbindung mit der Rückführung 19 gewährleistet, daß die Grenzstromsonde unabhängig vom sich einstellenden Grenzstrom mit der Spannung U.

beaufschlagt wird. Wie man der Fig. 1 entnimmt, stellt die Spannung U die niedrigste zu erwartende Meßspannung dar. Es ergibt sich der Vorteil, daß durch die Addition des Spannungssignals <d υ die mittlere Meßspannung immer in mittleren Bereich des linearen Teils der jeweiligen Strcmkurve liegt, so daß auch bei großen "Änderungen der Luft zahl /\ der der jeweiligen Sauerstoffkonzentration entsprechende C-rer.zstrom erfaßt vrird.

Durch die Ausgestaltung des Steuergeräts 10 kann mehr oder weniger genau der geschätzte Lambda-Wert in Form einer korrigierenden Spannung Λ u gebildet werden. Im einfachsten Fall genügt ein lastabhängig gesteuertes Potentiometer. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen nähert sich z. B. die Luftzahl A mit steigender Last dem Wert /i - 1. Es kann hier mit ausreichender Genauigkeit ein vom Kraftstcffmengenverstellglied der Einspritzpumpe betätigtes Potentiometer für die Ermittlung des A -Schätzwertes bzw. zur Bildung des Steuersignals Λ u verwendet werden.

Die beschriebene Einrichtung kann auch bei großen Betriebspunktänderungen bzw. bei großen Sauerstoffkonzentrationsänderungen im Abgas ausreichend schnell nachregein. Wobei es nicht darauf ankommt, ob der sich

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im Zeitpunkt t ergebene Strom gemäß Fig. 2d exakt der Sauerstoffkonzentration im Abgas zum Zeitpunkt t entspricht. Wesentlich ist, daß zu diesem Zeitpunkt durch die Vorgabe eines Stromes gemäß Fig. 2c das Trägheitverhalten der Grenzstromsonde annähernd kompensiert wird. Nach Ablauf der Zeitkonstanten ist die Sonde in der Lage, mit hoher Genauigkeit einen gewünschtenLambda-Wert einzuregeln.

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Claims

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Robert 5osch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

(1.) Verfahrer, zur Gewinnung einer Steuergröße für die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Betriebsgenisches von Brennkraftmaschinen mit Hilfe einer den Abgasstrom ausgesetzten Abgasmeßsonde, die einen aus sauerstoffionenleitenden Pestelektrolytmaterial bestehenden Körper aufweist und ein dem Sauerstoffgehalt im Abgas entsprechendes Steuersignal abgibt, das an eine Steuereinrichtung zur Verstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde nach dem Prinzip der Sauerstoffionenleitung bei Spannungsbeaufschlagung arbeitet, wobei der durch die Diffusionsgeschwindigkeit des Meßgases begrenzte Grenzstrom ein Maß für den Sauerstoffgehalt im Abgas ist (Grenzstromsonde) und daß ein Störgrößensignal erzeugt wird, das der Änderung der Luftzahl /· des Betriebsgemisches bei einer Betriebspunktänderung der Brennkraftmaschine entspricht und als Spannungsdifferenz zu der an der Abgasmeßsonde an-

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liegender. I'eßspannung addiert wird, daß der resultierende Strom durch die Meßsonde als Maß für den prozentualen Sauerstoffgehalt in der Regeleinrichtung (22) mit dem einzuhaltenden Sauerstoffgehalt verglichen und entsprechend dem Vergleichsergebnis das Luft-Kraftstoff-Verhältnis korrigiert wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Betrie'osgemisches einer Brennkraftmaschine mit Hilfe einer dem Abgasstrom ausgesetzten, mit einem sauerstoff ior.er.leitenden Festelektrolytkörper versehenen Abgasmeßscrde, die auf den Sauerstoffgehalt im Abgas anspricht ur.d entsprechend deren Steuersignal eine Steuereinrichtung zur Verstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde eine Grenzstromsonde ist, die mit einer Heizspannung U beaufschlagt ist und mit einer Einrichtung (l8, 21) zum Messen des daraus resultierenden Meßstromes als Steuergröße verbunden ist, die an den Eingang einer nachgeschalteten Regeleinrichtung (22) für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis anliegt, daß ferner eine Einrichtung (8, 11, 12) zur Ermittlung des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, der eine Einrichtung (10) zur Erzeugung eines der durch die Betriebspunktänderung sich er-

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gebende Änderung der Luftzahl Λ entsprechendes Spannungssignal Δ U nachgeschaltet ist, wobei das Spannungssignal Δ. U einö" Einrichtung (16) zur Addition des Spanr.ungssignals Λ U zu einer Basis-Meßspannung U zugeführt wird und mit der resultierenden, korrigierten Me it spannung U„ die Grenzstromsonde (I¹O beaufschlagt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dar, lie korrigierte Meßspannung U. über einen Spannungsregler (17) an cie Grenzstromsonde (1^) angelegt ist.
H. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grenzstromsonde (14) und Spannungsregler ein y.eßwiderstand (18) vorgesehen ist, dessen Grenzstromseitiger Anschluß durch eine Rückführung (19) zum Eingang des Spannungsreglers (17) auf den korrigierten Meßspannungswert U. gehalten wird.
5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Erzeugung des Spannungssignals A U ein von der Einrichtung zur Ermittlung des Betriebspunktes ansteuerbarer Ker.r.f eldspeicher dient.

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