[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses
einer Brennkraftmaschine, wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im
Abgaskanal der Brennkraftmaschine vor einem Katalysator angeordnet ist, einem Regler
zugeführt wird, welcher eine PI-Charakteristik aufweist, 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 Katalysator nachgeordneten
Lambdasonde gewonnen wird, und auf den Regelkreis der ersten Lambdasonde einwirkt.
[0002] Zur Erzielung möglichst schadstofffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen
bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaskanal gemessen und ausgewertet wird.
Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, sogenannte Lambdasonden bekannt, die z. B. nach dem
Prinzip der Ioneniertung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz
arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauerstoffpartialdruck ein Spannungssignal
abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum
einen Spannungssprung aufweist.
[0003] Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausgewertet, welcher wiederum
über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.
[0004] Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminderung
schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen angestrebt.
[0005] Mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde, die hinter dem Katalysator angeordnet ist, wird
das Signal der ersten Lambdasonde korrigiert, da die Sonde Alterungserscheinungen
unterliegt.
[0006] Trotz dieser überlagerten Regelung können die Alterungserscheinungen der ersten Lambdasonde
nicht ausreichend korrigiert werden. Dies führt zu Unregelmäßigkeiten bei der Gemischbildung.
[0007] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches
eine genaue und anpassungsfähige Regelung ermöglicht, so daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis
im Sinne einer Verminderung der Abgasemission weiter verbessert wird.
[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der P-Anteil des Ausgangssignals
des Regelkreises der ersten Lambdasonde in Abhängigkeit des Ausgangssignales der zweiten
Lambdasonde geändert wird.
[0009] Der Vorteil der Erfindung besteht in einer schnellen Rückkopplung des Ausgangssignals
des zweiten Lambdaregelkreises auf den Regelkreis der ersten Lambdasonde durch Veränderung
des Spannungssprunges des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde.
[0010] Vorteilhafterweise wird aus der Regelabweichung zwischen einem Istwert und einem
Sollwert der zweiten Lambdasonde ein Korrektursignal gebildet, durch welches der P-Anteil
des ersten Lambdaregelkreises erhöht wird, wenn das Vorzeichen der Regelabweichung
des zweiten Lambdaregelkreises der Umschlagtendenz der ersten Lambdasonde entspricht
und der P-Anteil des ersten Lambdaregelkreises verkleinert wird, wenn das Vorzeichen
der Regelabweichung der Umschlagtendenz der ersten Lambdasonde entgegengesetzt ist.
[0011] Dadurch, daß das Korrektursignal mulitplikativ auf den P-Anteil des Regelkreises
der ersten Lambdasonde einwirkt, wird der P-Anteil des Regelkreises verstärkt oder
abgeschwächt.
[0012] In einer Ausführung wird das Korrektursignal aus dem zweiten Lambdaregelkreis zum
Zeitpunkt des Umschlagens der vor dem Katalysator angeordneten ersten Lambdaregelsonde
gebildet und anschließend dem Regelkreis der ersten Lambdasonde zugeführt.
[0013] Der P-Anteil des ersten Regelkreises wird somit durch einen Korrekturwert beeinflußt,
welcher von der tatsächlich andauernden Periodendauer des Ausgangssignals der ersten
Lambdasonde abhängig ist.
[0014] In einer Weiterbildung wird das Korrektursignal in Abhängigkeit des Luftmassenstromes
und/oder des Verhältnisses der Amplitude der zweiten Lambdasonde zur Amplitude der
ersten Lambdasonde gebildet.
[0015] Über das Amplitudenverhältnis wird der Wirkungsgrad des Katalysators bei der Korrektur
des ersten Regelkreises berücksichtigt.
[0016] Die Amplitude sowohl der ersten als auch der zweiten Lambdasonde wird durch diskrete
Abtastungen des Ausgangssignals jeder Lambdasonde bestimmt, wobei aus der Abtastung
innerhalb eines Zeitfensters jeweils ein Mittelwert gebildet wird, aus welchem das
Amplitudenverhältnis bestimmt wird.
[0017] Vorteilhafterweise wird das Korrektursignal in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der
Regelabweichung des zweiten Lambdaregelkreises gewichtet.
[0018] Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der
in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
[0019] Es zeigt
- Fig. 1:
- schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
für eine Brennkraftmaschine
- Fig. 2:
- Steuergerät eines Kraftfahrzeuges
- Fig. 3:
- Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ-Faktor)
- Fig. 4:
- Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde
[0020] Gemäß Figur 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator
2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt.
[0021] Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt.
[0022] Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Erfassung des
Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Katalysator 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 im Steuergerät
(Fig. 2) im Kraftfahrzeug angeordnet ist.
[0023] Aus diesen Signalen bildet der Regler 8 mit Hilfe von Sollwerten ein Stellsignal,
welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird.
[0024] Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung, welche zusammen
mit der angesaugten Luftmasse einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.
[0025] Der Regler 8 ist, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Mikrocomputer, bestehend aus einer
zentralen Prozessoreinheit CPU, einem Arbeitsspeicher RAM und einem Festwertspeicher
ROM. Der Regler 8 wertet sowohl die Signale der ersten Lambdasonde 5 als auch die
Signale der zweiten Lambdasonde 6 aus, die ihm über seine Ein-/Ausgabeeinheit I/0
zugeführt werden und verarbeitet diese weiter.
[0026] Der Regler 8 wertet das Signal der ersten Lambdasonde 5 aus, indem er den aktuellen
Wert mit einem im Speicher ROM abgelegten Sollwert 9 für die Lambdasonde 5 vergleicht
und daraus als Stellgröße eine Einspritzzeit bestimmt wird, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch
reguliert wird. Diesem Vergleich überlagert ist die Auswertung des zweiten Lambdaregelkreises
wie im Zusammenhang mit der Fig. 4 noch ausführlich erläutert wird. Das Ergebnis des
zweiten Lambdaregelkreises repräsentiert sich in der Bestimmung der Haltezeit TH.
Diese Haltezeit TH bewirkt, daß die Einwirkung des Reglers 8 auf die Einspritzventile
4, welche in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten Regelkreises erfolgt, zeitverzögert
erfolgt.
[0027] Die Regelstrecke 11 ist dabei der Verbrennungsprozeß m Motor 1 welcher über die Einspritzzeit
als Stellgröße und die Einspritzventile als Stellglieder gesteuert wird.
[0028] Jede Lambdasonde liefert über dem das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch repräsentierenden
λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Figur 3 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.
[0029] Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.
[0030] 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 Alterungserscheinungen
gewissen Streuungen, die durch einen Sondenkorrekturfaktor korrigiert werden.
[0031] Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kompensieren, ist
ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambdasonde 6 hinter dem Katalysator
2 enthält und welcher in Figur 4 näher erläutert ist.
[0032] Die Regelstrecke 11 enthält den Motor 1, dem vom Regler 8, wie in Fig. 1 beschrieben,
das Stellsignal in Form der veränderten Einspritzzeit der Einspritzventile zugeführt
wird.
[0033] 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 dadurch, daß festgestellt wird, ob sich diese
Signalspannung außerhalb eines Spannungsbereiches (ULSU, ULS0) befindet. Ist des der
Fall, wird ein Korrektursignal gebildet, in dem der von der Lambdasonde 6 gemessene
Istwert U
6IST an einen Summierpunkt 12 mit einem in dem Speicher ROM des Steuergerätes abgespeicherten
Sollwertes U
6SOLL verglichen wird. Dieser Sollwert U
6SOLL wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem
Katalysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet.
[0034] Die im Punkt 12 gebildete Regeldifferenz aus Soll- und Istwert des Ausgangssignals
der zweiten Lambdasonde 6 wird einem Begrenzer 13 zugeführt, der den Betrag der Regeldifferenz
mit einem Schwellwert 14, der ebenfalls im Speicher ROM des Steuergerätes gespeichert
ist, vergleicht. Nur wenn der Betrag der Regeldifferenz größer ist als dieser Schwellwert
14, wird die Regeldifferenz an einen Vergleicher 15 geführt, der in Abhängigkeit vom
Vorzeichen der Differenz zwischen dem Istwert U
6IST der zweiten Lambdasonde 6 und dem Sollwert U
6SOLL der zweiten Lambdasonde 6 eine 1 oder -1 ausgibt. In Abhängigkeit von diesem ausgegebenen
Wert wird ein Signum-Integrator 16 vor- oder rückgesetzt.
[0035] Der Signum-Integrator 16 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.
[0036] Der Signum-Integrator 16 wird bei jedem Umschlag 17 der vor dem Katalysator angeordneten
ersten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.
[0037] An einem ersten Multiplizierpunkt 18 wird der Zählwert mit einer Proportionalitätskonstanten
19 im Wert von (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der ersten Lambdasonde 5 multipliziert,
wodurch eine absolute Haltezeit TH
roh bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit TH
roh wird in einem zweiten Multiplizierpunkt 20 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet,
welcher im Punkt 23 durch Division der tatsächlich gemessenen Periodendauer 21 der
ersten Lambdasonde 5 durch eine Konstante 22 bestimmt wird. Die Konstante 22 ist dabei
eine Funktion der Periodendauer der ersten Lambdasonde 5 im Leerlauf.
[0038] Im Vergleich zu üblicherweise an dieser Stelle verwendeten Kennfeldern, bei welchen
der Wichtungsfaktor maximale Werte von 1 annehmen kann, wird jetzt die tatsächliche
Störung unabhängig von ihrer Größe ausgeregelt, da durch den größeren Faktor eine
Art Selbstverstärkung erreicht wird. Die so gewonnene Haltezeit TH wird als Regelgröße
dem Regler 8 zur Anpassung der Regelstrecke 11 zugeführt.
[0039] Zusätzlich zur Haltezeit TH wird der Regelstrecke 11 ein Korrektursignal zugeführt,
das wie folgt gebildet wird.
[0040] Die im Summenpunkt 12 gebildete Regeldifferenz der zweiten Lambdasonde 6 wird einem
Umschalter 24 zugeführt, welcher in Abhängigkeit des Vorzeichens des vom Vergleicher
15 abgegebenen Signale schaltet. Ist das Signal negativ, wird aus einer ersten Kennlinie
25 ein erster Bewertungsfaktor KM entnommen, ist das Signal positiv, wird aus einer
zweiten Kennlinie ein zweiter Bewertungsfaktor KL für die Regelabweichung entnommen.
Dieser Bewertungsfaktor KM oder KL wird im Punkt 27 mit einem aus einem Kennfeld 28
gebildeten dritten Bewertungsfaktor KF multipliziert. Das Kennfeld 28 wird vom Amplitudenverhältnismittelwert
29 der beiden Lambdasonden 5 und 6 und dem vom Luftmassenmesser 7 gemessenen Luftmassenstrom
30 bestimmt.
[0041] Der im Punkt 27 gebildete Kennwert KPF wird im Punkt 31 in Abhängigkeit vom Sondenumschlag
17 der ersten Lambdasonde 5 und von dem Vorzeichen der Regeldifferenz der zweiten
Lambdasonde 6, welches durch den Vergleicher 15 gewonnen wird, gewichtet.
[0042] Befinden sich die Signale beider Sonden im Fettbereich wird ein positives Vorzeichen
angenommen. Arbeiten beide Sonden im Magerbereich wird ein negatives Vorzeichen angenommen.
[0043] Die Wichtung des Korrekturfaktors KPF erfolgt folgendermaßen. Arbeiten beide Sonden
5, 6 gleichzeitig im fetten oder gleichzeitig im mageren Bereich, wird der Korrekturfaktor
KPF um 1 erhöht. Arbeitet die erste Sonde im fetten und die zweite Sonde im mageren
Bereich bzw. umgekehrt, wird der Korrekturfaktor KPF von 1 abgezogen. Der so enthaltene
Wichtungsfaktor als dimmensionslose Größe wird unabhängig von der Haltezeit TH dem
Regler 8 in der Regelstrecke 11 zugeführt. Dabei wird bei gleichgesinnter Tendenz
des Ausgangssignals der beiden Lambdasonden 5, 6 der P-Anteil des Reglers 8 erhöht
und bei gegensinniger Tendenz verringert, was zur Folge hat, daß eine schnelle und
direkte Einwirkung des zweiten Lambdaregelkreises auf den ersten Lambdaregelkreis
erfolgt.
1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine,
wobei das Ausgangssignal einer ersten Lambdasonde, die im Abgaskanal der Brennkraftmaschine
vor einem Katalysator angeordnet ist, einem Regler zugeführt wird, welcher eine PI-Charakteristik
aufweist, und der Regler ein Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abgibt
und daß dem Regler ein weiteres Signal zugeführt wird, welches aus dem Ausgangssignal
einer zweiten den Katalysator nachgeordneten Lambdasonde gewonnen wird, und auf den
Regelkreis der ersten Lambdasonde einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der P-Sprung des Reglers, der durch den Regelkreis der ersten Lambdasonde bestimmt
wird, in Abhängigkeit des Regelkreises der zweiten Lambdasonde geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturwert aus der Regelabweichung zwischen Istwert der zweiten Lambdasonde
und Sollwert der zweiten Lambdasonde gebildet wird, wobei der P-Sprung des ersten
Lambdaregelkreises erhöht wird, wenn das Vorzeichen der Regelabweichung mit der Umschlagtendenz
der ersten Lambdasonde übereinstimmt und der P-Sprung des ersten Lambdaregelkreises
verkleinert wird, wenn das Vorzeichen der Regelabweichung der Umschlagtendenz der
ersten Lambdasonde entgegengesetzt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert des zweiten Lambdaregelkreises zum Zeitpunkt des Umschlagens
der vor dem Katalysator angeordneten ersten Lambdasonde gebildet und dem Regelkreis
der ersten Lambdasonde zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal in Abhängigkeit des Luftmassenstromes gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal in Abhängigkeit des Amplitudenverhältnisses der Amplitude
der zweiten Lambdasonde zur Amplitude der ersten Lambdasonde gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude sowohl der ersten als auch der zweiten Lambdasonde durch diskrete
Abtastungen der Ausgangssignale jeder Lambdasonde bestimmt wird und aus der Abtastung
innerhalb eines Zeitfensters jeweils ein Mittelwert der Amplitude jeder Lambdasonde
gebildet wird, aus welchem das Amplitudenverhältnis bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Regelabweichung des
zweiten Lambdaregelkreises gewichtet wird.