Verfahren zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Ottomotoren

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Verbesserung des Abgasverhal­tens von Ottomotoren, wobei das Ausgangssignal einer im Abgaskanal des Ottomotors angeordneten Sauerstoff­meßsonde einem Regler zugeführt wird und die Aus­gangsspannung des Reglers eine Stellgröße zur Rege­lung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bildet, wird der Ausgangsspannung des Reglers eine weitere Span­nung überlagert, die einem gespeicherten Kennfeld in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Ottomotors entnommen wird. Dabei kann das Kennfeld während des Betriebes des Ottomotors an Veränderungen des Otto­motors angepaßt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesse­rung des Abgasverhaltens von Ottomotoren, wobei das Ausgangssignal einer im Abgaskanal des Ottomotors angeordneten Sauerstoffmeßsonde einem Regler zuge­führt wird und die Ausgangsspannung des Reglers eine Stellgröße zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhält­nisses bildet.

[0002] Zur Verminderung von schädlichen Abgasen ist es bei Ottomotoren bekannt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nach dem Ausgangssignal einer im Abgaskanal angeord­neten Sauerstoffmeßsonde zu regeln. Dabei ist der Regel-Algorithmus auf einen stationären Betrieb aus­gelegt, wodurch sich bei Änderung des Betriebszustan­des längere Einschwingzeiten ergeben, in denen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis vom Sollwert abweicht und sich dadurch erhöhte Anteile an schädlichen Abgasen ergeben können.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­fahren zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Otto­motoren anzugeben, bei welchem eine schnelle Anpas­sung an sich ändernde Betriebsparameter des Motors möglich ist.

[0004] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn­zeichnet, daß der Ausgangsspannung des Reglers eine weitere Spannung überlagert wird, die einem gespei­cherten Kennfeld in Abhängigkeit von Betriebsparame­tern des Ottomotors entnommen wird.

[0005] Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bei einer Änderung der Betriebsparameter das Luft/Kraftstoff-­Verhältnis ohne wesentliche Verzögerung in den Be­reich des Sollwertes gesteuert, worauf die Regelung von diesem Arbeitspunkt aus erfolgt.

[0006] Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Kennfeld während des Betrie­bes des Ottomotors an Veränderungen des Ottomotors angepaßt wird. Hierdurch ist eine Anpassung des Kenn­feldes an den jeweiligen Motorzustand möglich. Dabei kann in einem Nur-Lese-Speicher bei der Fertigung eines Steuergerätes nach dem erfindungsgemäßen Ver­fahren eine Grundeinstellung für den Ottomotor abge­legt werden, welcher dann im Fahrbetrieb selbsttätig optimiert wird. Dieses erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, daß während Zeiten mit stationärem Betrieb des Ottomotors unter Berücksichtigung des Ausgangssignals des Reglers Werte abgeleitet werden, welche für die während des stationären Betriebes herrschenden Betriebsparameter in das Kennfeld einge­tragen werden. Durch diese Weiterbildung wird ermög­licht, daß beim Fahrbetrieb genügend häufig neue Werte eingetragen werden.

[0007] Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­fahrens ermöglicht eine vorteilhafte Ermittlung der neu einzutragenden Werte dadurch, daß die neu einzu­tragenden Werte durch die bewertete Addition des zuvor eingetragenen Wertes und eines Mittelwertes des letzten Minimums und des letzten Maximums der Ausgangsspannung des Reglers gebildet werden.

[0008] Gemäß einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, daß eine Eintragung neuer Werte in das Kennfeld nur dann erfolgt, wenn die neuen Werte mindestens einen vorgegebenen Unterschied zu den alten aufweisen. Durch diese Weiterbildung wird die Zahl der für die Optimierung erforderlichen Rechenoperationen eines dafür eingesetzten Mikrocomputers verringert.

[0009] Schließlich besteht eine Weiterbildung des erfin­dungsgemäßen Verfahrens darin, daß Kennfeldwerte, welche den neu eingetragenen Kennfeldwerten benach­bart sind, mit einer vorgegebenen Gewichtung korri­giert werden. Hierdurch ist auch eine Anpassung von Kennfeldwerten möglich, für welche sich die Betriebs­parameter des Motors während des Betriebes nicht oder nur in großen Zeitabständen einstellen.

[0010] Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­fahrens,

Fig. 2 Zeitdiagramme verschiedener bei der Anordnung nach Fig. 1 auftretender Signale und

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines in einem Mikrocomputer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeicherten Programms.

[0011] Obwohl sich entsprechend programmierte Mikrocomputer in vorteilhafter Weise zur Durchführung des erfin­dungsgemäßen Verfahrens eignen, wird die Erfindung zunächst anhand der Fig. 1 dargestellten aus mehre­ren Funktionseinheiten bestehenden Schaltungsanord­nung erläutert. Im Abgaskanal eines Ottomotors 1 befindet sich eine Lambda-Sonde 2, die je nachdem, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter oder über 1 ist, eine entsprechende Ausgangsspannung abgibt. Diese Ausgangsspannung wird einem an sich bekannten Regler 3 zugeführt, der als Zwei-Punkt-Regler ausge­bildet ist und auf jeden Spannungssprung der Sauer­stoffmeßsonde mit einem Proportionalsprung und einem anschließenden Integralanteil reagiert. Die Ausgangs­spannung FAR des Reglers 3 wird über eine Addier­schaltung 4 dem Ottomotor 1 zur Steuerung der Anrei­cherung bzw. des Luft/Kraftstoff-Gemisches zuge­führt.

[0012] Dem Ottomotor sind über geeignete Sensoren Meßwerte für die Drehzahl n, die Luftmasse Q und die Motor­temperatur theta entnehmbar. Die Drehzahl n und die Luftmasse Q werden einem Kennfeldspeicher 5 zuge­ führt, an dessen Ausgang ein Signal FAK ansteht, welches in der Addierschaltung 4 zum Ausgangssignal des Reglers addiert wird. Dadurch entsteht ein Anreicherungssignal FA, welches bei einer Änderung der Betriebsparameter n und Q ohne Verzögerung auf einen aus dem Kennfeldspeicher 5 entnommenen Wert springt. Durch diese Steuerung wird erreicht, daß die Anreicherung ohne Verzögerung durch den Regler 3 zunächst einen Wert annimmt, der aufgrund der Betriebsparameter n und Q für ein gunstiges Luft/­Kraftstoff-Verhältnis zu erwarten ist. Dieser wird dann durch die Regelung korrigiert.

[0013] Bevor auf die weiteren Teile der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 eingegangen wird, werden im folgenden einige der in der Schaltungsanordnung auftretenden Signale und Spannungen anhand von Fig. 2 erläutert. Dabei sind in den Zeilen a) und b) die Ausgangsspan­nung der Sauerstoffmeßsonde und das dem Motor 1 zuge­führte Signal FA für den Fall dargestellt, daß ledig­lich eine an sich bekannte Regelung durchgeführt wird. Die Zeilen c) und d) stellen die Ausgangsspan­nung der Sauerstoffmeßsonde 2 und das Signal FA bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

[0014] Die Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde nimmt einen geringen Wert von beispielsweise 0,2 V bei magerem und einen hohen Wert von beispielsweise 0,75 V bei fettem Gemisch ein. Durch die Zwei-Punkt-­Regelung erfolgt im stationären Zustand ein perio­discher Wechsel zwischen diesen Werten mit einer Frequenz, die unter anderem durch die Laufzeit des Gemisches und der Abgase im Ottomotor gegeben ist. Nach jeweils einem Sprung der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde erfolgt ein Sprung der in Zeile b) dargestellten Ausgangsspannung des Reglers, an den sich eine etwa zeitlineare Funktion anschließt.

[0015] Vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 liegen statio­näre Verhältnisse vor, d. h. die Drehzahl und die Luftmasse sind im wesentlichen konstant. Es sei nun angenommen, daß kurz nach dem Zeitpunkt t1 Gas gege­ben wird, worauf sich mageres Gemisch einstellt. Diejenige Anreicherung FA, welche bei dem Betriebs­zustand zwischen t0 und t1 Lambda = 1 ergibt, ist in Fig. 2b) gestrichelt angedeutet und mit FA10 bezeich­net. Nach dem Gasgeben ist zur Erreichung eines Wer­tes Lambda = 1 der ebenfalls gestrichelt angedeutete Wert FA11 erforderlich. Es dauert eine geraume Zeit bis die Ausgangsspannung des Reglers den Wert FA11 erreicht und schließlich auch soweit überschreitet, daß ein Umschlag der Ausgangsspannung der Sauerstoff­meßsonde erfolgt. Etwa von T1 bis T2 arbeitet der Motor mit zu magerem Gemisch. Nach dem Zeitpunkt t2 wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wieder geregelt.

[0016] Bis zum Zeitpunkt t1 unterscheiden sich die in den Figuren 2c) und d) dargestellten Signale nicht von denen gemäß a) und b). Bei Anwendung des erfindungs­gemäßen Verfahrens wird jedoch sofort bei Änderung der Betriebsparameter zum Zeitpunkt t3 ein neuer Wert FA11 aus dem Kennfeldspeicher 5 ausgelesen. Nach dem Zeitpunkt t3 erfolgt die Regelung darauf aufbauend, so daß sich nach kurzer Zeit ein Pendeln der Stellgröße FA um den Wert FAL ergibt. Die glei­chen Verhältnisse ergeben sich mit umgekehrtem Vor­zeichen, wenn sich ein zu fettes Gemisch durch Ände­rung der Betriebsparameter einstellt.

[0017] Da jedoch die Funktion zwischen der erforderlichen Anreicherung FA und den Betriebsparametern n und Q nicht nur von der Art des Motors abhängt und von hergestelltem Exemplar zu Exemplar verschieden ist, sondern sich auch während der Lebensdauer des Motors ändert, ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­rungsbeispiel eine Anpassung bzw. Optimierung des gespeicherten Kennfeldes vorgesehen. Dazu werden n, Q und theta einer Aufbereitungsschaltung 6 zuge­führt. Außerdem sind Eingänge der Aufbereitungsschal­tung an Ausgänge des Reglers 3 und des Kennfeldspei­chers 5 angeschlossen, so daß die Signale FAR und FAK ebenfalls zur Aufbereitungsschaltung 6 geleitet werden. In der Aufbereitungsschaltung 6 wird festge­stellt, ob ein stationärer Betrieb vorliegt. Dieses erfolgt zunächst durch Vergleich der Motortemperatur mit einem vorgegebenen Wert und dadurch, daß geprüft wird, ob die Drehzahl und die Luftmasse während eines vorgegebenen Zeitraumes konstant sind. Ist dieses der Fall, wird aus den Signalen FAR und FAK wie im Zusammenhang mit Fig. 3 genauer beschrieben wird, ein Wert ermittelt, der bei Abweichungen von dem für n und Q gespeicherten Wert als neuer Kenn­feldwert in den Kennfeldspeicher 5 eingegeben wird. Dazu wird in einer Schaltung 7 ein Impuls zur Eintra­gung des neuen Kennfeldwertes abgeleitet und ein Schalter 8 geschlossen, der die Aufbereitungsschal­tung 6 mit Dateneingängen des Kennfeldspeichers 5 verbindet.

[0018] Der Regler 3 wird gleichzeitig mit der Differenz aus dem neuen und dem alten Kennfeldwert korrigiert. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Anreicherung FA zum Zeitpunkt des Eintrags des neuen Kennfeldwer­tes nicht ändert. Die Differenz wird in einer Sub­ traktionsschaltung 9 abgeleitet und über einen Schal­ter 10, der von der Schaltung 7 gesteuert wird, dem Regler 3 zugeführt.

[0019] Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm eines Programms, wel­ches zum Betrieb eines Mikrocomputers zur Durchfüh­rung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient. Nach dem Start des Programms bei 11 verzweigt sich das Programm bei 12 in Abhängigkeit davon, ob ein Umschlag der Sondenspannung erfolgt ist. Ist kein Umschlag erfolgt, so wird die Ausgangsspannung ent­sprechend dem I-Anteil des Reglers bei 13 verändert. Ist ein Sondenumschlag erfolgt, so wird bei 14 ein Sprung der Ausgangsspannung als P-Anteil ermittelt und ausgegeben. Der Ausdruck (k) bedeutet im Zusam­menhang mit der Beschreibung von Fig. 3, daß der Wert der vorangestellten Größe beim derzeitigen Pro­grammdurchlauf gemeint ist, während (k-1) den Wert beim vorangegangenem Programmdurchlauf bezeichnet. Bei 15 wird zu der Ausgangsspannung des Reglers ein aus einem Kennfeldspeicher gelesener Wert FAK addiert und als Stellgröße für die Anreicherung ausgegeben.

[0020] Die folgenden drei Programmverzweigungen 16, 17, 18 dienen zur Festlegung, ob im Kennfeldspeicher ein gespeicherter Wert durch einen neuen ersetzt werden soll. Dabei wird zunächst einmal geprüft, ob der Motor warmgelaufen ist, was beispielsweise bei einer Temperatur von über 80 °C der Fall ist. Ist der Mo­tor noch nicht warmgelaufen, so werden die im Kenn­feldspeicher fest gespeicherten Normalwerte beibehal­ten und das Programm nach der Verzweigung 16 bei 12 fortgesetzt. Ist jedoch der Motor warmgelaufen, so wird bei 17 geprüft, ob zur Zeit ein stationärer Betriebszustand des Motors vorhanden ist. Dieses erfolgt dadurch, daß festgestellt wird, ob die Dreh­zahl n und die Luftmasse Q innerhalb eines vorgegebe­nen Zeitraumes in vorgegebenen Grenzen konstant sind. Ist dieses nicht der Fall, so wird das Pro­gramm ebenfalls bei 12 fortgesetzt.

[0021] Die weitere Verzweigung 18 dient dazu festzustellen, ob sich eine nennenswerte Abweichung eines neu zu speichernden Kennlinienwertes ergibt. Ist dieses nicht der Fall, wird wiederum das Programm bei 12 fortgesetzt. Diese Prüfung trägt dazu bei, Rechen­zeit zu sparen.

[0022] Erst wenn es sich um nennenswerte Abweichungen han­delt, wird nach der Verzweigung 18 bei 19 ein neuer Kennfeldwert berechnet. Dabei hat es sich als gün­stig herausgestellt, daß der Mittelwert zwischen den Extremwerten der dem Ottomotor zugeführten Stellgrö­ße FA als neuer Kennfeldwert gespeichert wird und somit den Arbeitspunkt für die weitere Regelung bil­det.

[0023] Bei dem Verlauf des Signals FA nach Fig. 2d) wären hierzu die Größen FAmin und FAmax zu mitteln, was als Mittelwert letztlich die Größe FA11 ergibt.

[0024] Da sich jedoch die Kennfeldwerte für jeweils einen Drehzahlwert und einen Luftmassenwert nur langsam ändern, kann aus einer plötzlichen großen Abweichung geschlossen werden, daß hier möglicherweise eine Fehlmessung vorliegt. Es ist daher bei dem Programm gemäß Fig. 3 vorgesehen, daß ein neuer Wert FAK(k) durch bewertete Addition des zuvor eingetragenen Wertes FAK(k-1) und dem für die neue Eintragung an sich vorgesehenen Wertes erfolgt. Dadurch ergibt sich eine Art Tiefpaßfilterung. Der neu einzutragen­de Wert kann beispielsweise durch folgende Gleichung gebildet werden:

[0025] Der so ermittelte Wert wird in den Kennfeldspeicher 5 eingeschrieben. Da möglicherweise Kennfeldwerte für einzelne Drehzahl- und Luftmassewerte selten in einem stationären Betrieb auftreten, werden in einem weiteren Programmschritt 20 die Kennfeldwerte für benachbarte Drehzahl- und Luftmassewerte ebenfalls durch neue ersetzt. Hierbei erfolgt jedoch eine Wer­tung der korrigierten benachbarten Werte in Anleh­nung an das fest eingespeicherte Norm-Kennlinien­feld. Nach dem Programmschritt 20 wird das Programm bei 12 wiederholt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Ottomotoren, wobei das Ausgangssignal einer im Abgaskanal des Ottomotors angeordneten Sauerstoffmeß­sonde einem Regler zugeführt wird und die Ausgangs­spannung des Reglers eine Stellgröße zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspannung des Reglers eine weitere Spannung überlagert wird, die einem gespeicherten Kennfeld in Abhängigkeit von Betriebs­parametern des Ottomotors entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß das Kennfeld während des Betriebes des Ottomotors an Veränderungen des Ottomotors angepaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­net, daß während Zeiten mit stationärem Betrieb des Ottomotors unter Berücksichtigung des Ausgangssig­nals des Reglers Werte abgeleitet werden, welche für die während des stationären Betriebes herrschenden Betriebsparameter in das Kennfeld eingetragen wer­den.

4 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­net, daß die neu einzutragenden Werte durch die bewertete Addition des zuvor eingetragenen Wertes und eines Mittelwertes des letzten Minimums und des letzten Maximums der Ausgangsspannung des Reglers gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­net, daß eine Eintragung neuer Werte in das Kennfeld nur dann erfolgt, wenn die neuen Werte mindestens einen vorgegebenen Unterschied zu den alten aufwei­sen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­net, daß Kennfeldwerte, welche den neu eingetragenen Kennfeldwerten benachbart sind, mit einer vorgegebe­nen Gewichtung korrigiert werden.

Zeichnung