[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde.
[0002] Zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine ist üblicherweise ein Drei-Wege-Katalysator
im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Stromauf dieses Katalysators ist
eine Breitband-Lambda-Sonde vorgesehen, deren abgegebenes Signal abhängig von dem
im Abgas enthaltenen Restsauerstoffanteil bzw. von Kohlenmonoxid und Wasserstoff (CO,
H
2) ist. Bei Kraftstoffüberschuß (fettes Gemisch) ist das Signal vorwiegend von CO und
H
2, bei Luftüberschuß (mageres Gemisch) vom Restsauerstoffanteil abhängig.
[0003] Eine Breitband-Lambda-Sonde liefert in einem weiten Lambda-Bereich (0,7 bis 4) ein
eindeutiges, monoton steigendes Signal. Dieses Signal wird mittels einer Kennlinie
in einem Steuergerät in einen Lambda-Wert umgewandelt. Die Regelung der Brennkraftmaschine
erfolgt so, daß die Lambda-Sonde einen Lambda=1 zugeordneten Wert anzeigt. Da ein
Drei-Wege-Katalysator in einem Bereich des Rohabgases um Lambda=1 optimale katalytische
Eigenschaften zeigt, sollte der vorbestimmte Mittelwert bzw. der Lambda=1 zugeordnete
Signalpegel dann auch tatsächlich Lambda=1 entsprechen; d.h. die Kennlinie muß die
korrekte Zuordnung von Signal und Lambda-Wert enthalten.
[0004] Die dynamischen und statischen Eigenschaften der Lambda-Sonde stromauf des Drei-Wege-Katalysators
werden jedoch durch Umgebungsbedingungen (z.B. Feuchte), Alterung und Vergiftung verändert.
Dadurch verschiebt sich die Lage des Lambda=1 entsprechenden Signalpegels der Sonde.
Um dies zu korrigieren, ist es nach dem Stand der Technik bekannt, stromab des Drei-Wege-Katalysators
eine weitere Lambda-Sonde anzuordnen, die als Monitorsonde zur Überwachung der katalytischen
Umwandlung eingesetzt wird und eine Feinregulierung des Gemisches ermöglicht. Dazu
wird die Umwandlung des Signals der Lambda-Sonde zum Lambda-Wert korrigiert, so daß
der für die Konvertierung günstigste Lambda-Wert immer eingehalten werden kann. Dieses
Verfahren wird als Führungs- oder Trimmregelung bezeichnet.
[0005] Diese Korrektur entspricht somit einer Verschiebung der Kennlinie. Jedoch kann die
Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde aufgrund Umgebungseinflüsse, Alterung oder
einer gewissen Bauteiletoleranz auch in ihrer Steigung von der im Steuergerät abgelegten
Kennlinie abweichen. Eine solche Abweichung führt dazu, daß das Steuergerät bei Lambda-Werten
ungleich 1 das Signal der Lambda-Sonde in einen fehlerhaften Lambda-Wert umsetzt.
Dieser durch eine falsche Kennliniensteigung verursachte Fehler wird um so größer,
je mehr der Lambda-Wert des Abgases von Lambda=1 abweicht. Besonders bei Magerbetrieb
der Brennkraftmaschine kann dieser Fehler untolerierbare Größen annehmen.
[0006] Zur Korrektur der Kennliniensteigung ist es in der DE 198 42 425.6 der Anmelderin
vorgesehen, in einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine den Signalpegel
des Signals der Lambda-Sonde dem der Umgebungsluft entsprechenden Wert, d.h. 1/Lambda=0
zuzuordnen. Es zeigte sich jedoch, daß das Signal der Breitband-Lambda-Sonde auch
in Schubabschaltungsphasen schwankt. Diese Signalschwankungen sind durch Kohlenwasserstoffemissionen
im Öl der Brennkraftmaschine verursacht, gegen die die Lambda-Sonde eine Querempfindlichkeit
zeigt. Das Verfahren der DE 198 42 425.6 versucht, diese Emissionen zu mindern, indem
die Drosselklappe der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um den Unterdruck in den Zylindern,
der die Emissionen verstärkt, abzubauen.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Korrektur
der Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde anzugeben, mit dem die Steigung der Kennlinie
korrigiert werden kann.
[0008] Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
[0009] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch die Emissionen schwerflüchtiger
Kohlenwasserstoffe, beispielsweise des Öls der Brennkraftmaschine, das Signal der
Lambda-Sonde in der Schubabschaltung nicht sofort auf den der Umgebungsluft entsprechenden
Lambda-Wert springt. Stattdessen steigt das Signal mit abnehmender Steigung auf diesen
Wert hin an.
[0010] Erfindungsgemäß wird nun diese Steigung des Signals der Lambda-Sonde bei der Korrektur
der Kennliniensteigung berücksichtigt.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform wird in einer Schubabschaltungsphase gewartet,
bis die Steigung des Signals der Lambda-Sonde einen Schwellenwert unterschreitet und
dann ein erster Korrekturfaktor errechnet, der sich beispielsweise aus dem Quotienten
zwischen dem zeitlichen Mittelwert des Ist-Wertes des Signals der Lambda-Sonde und
einem Soll-Wert ergibt. Aus der Steigung, die das Signal der Lambda-Sonde in der Schubabschaltung
während der Mittelwertbildung aufweist, wird ein zweiter Korrekturfaktor bestimmt
und mit dem ersten Korrekturfaktor zu einem dritten Korrekturfaktor multipliziert.
Mit diesem dritten Korrekturfaktor kann dann die Steigung der Kennlinie korrigiert
werden. Alternativ ist es auch möglich, jeden Meßwert des Signals der Lambda-Sonde
mit dem dritten Korrekturfaktor zu korrigieren.
[0012] Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß zum einen die Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde
besser korrigiert werden kann und zum anderen kein Drosselklappeneingriff nötig ist.
Ein solcher Drosselklappeneingriff beeinflußt nämlich in unerwünschter Weise das von
der Brennkraftmaschine abgebbare Schleppmoment.
[0013] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0014] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt:
- Fig. 1
- ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Abgasreinigungssystem,
- Fig. 2
- den Signalverlauf einer neuwertigen Lambda-Sonde sowie einer gealterten Breitband-Lambda-Sonde
sowie den Schwellenwert der Signalsteigung,
- Fig. 3
- den Zusammenhang zwischen Korrekturwert und Steigung des Signals der Breitband-Lambda-Sonde
während der Schubabschaltung und
- Fign. 4a und 4b
- zwei unterschiedliche Darstellungen der Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde.
[0015] Die Erfindung betrifft die Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mittels
einer Abgasreinigungsanlage, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Es kann
sich dabei um eine gemischansaugende oder um eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine
handeln. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 der Fig. 1 wird von einem Betriebssteuergerät
8 gesteuert. Die Brennkraftmaschine 10 saugt über ein Saugrohr 9 die zur Verbrennung
nötige Luft an. Im Saugrohr 9 ist eine Drosselklappe 11 angeordnet, die für die entsprechende
Einstellung der Luftmenge sorgt. Die Drosselklappe 11 wird über nicht näher bezeichnete
Leitungen vom Betriebssteuergerät 8 angesteuert. Alternativ wird die Luftmenge über
entsprechend betätigbare, z.B. elektromechanisch betriebene Ventile eingestellt.
[0016] Im Abgastrakt 4 der Brennkraftmaschine 10 befindet sich ein Drei-Wege-Katalysator
6. Zusätzlich kann auch ein weiterer, NO
x-reduzierender Katalysator vorgesehen sein (nicht dargestellt). Diese beiden Katalysatoren
können auch in einem Katalysator integriert sein, so daß ein Katalysator 6 vorliegt,
der bei Lambda=1 Drei-Wege-Eigenschaften und im mageren Betrieb der Brennkraftmaschine
NO
x-Speicherfähigkeit zeigt.
[0017] Zum Betrieb des Drei-Wege-Katalysators 6 ist stromauf davon eine Breitband-Lambda-Sonde
5 vorgesehen, die ihre Meßwerte über nicht näher bezeichnete Leitungen an das Betriebssteuergerät
8 abgibt. Es werden dem Betriebssteuergerät 8 ferner die Werte weiterer Meßaufnehmer,
insbesondere für die Drehzahl, Last, Katalysatortemperatur usw. zugeführt. Mit Hilfe
dieser Meßwerte steuert das Betriebssteuergerät 8 den Betrieb der Brennkraftmaschine
10. Das Betriebssteuergerät 8 wandelt das üblicherweise als Strom vorliegende Signal
der Breitband-Lambda-Sonde 5 mittels einer Kennlinie in einen Lambda-Wert um.
[0018] Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 erfolgt so, daß das den Sauerstoffgehalt im
Rohabgas anzeigende Signal der Lambda-Sonde 5 einem vorbestimmten Signalpegel entspricht.
Bei einem Drei-Wege-Katalysator ist das Lambda=1 im Abgas. Die stromab des Katalysators
6 angeordnete Nachkat-Lambda-Sonde 7 mißt den Lambda-Wert im Abgas stromab des Katalysators
6. Ihr Meßwert wird dazu verwendet, den Lambda=1 zugeordneten Signalpegel feinzujustieren.
Dazu wird der Meßwert der Nachkat-Lambda-Sonde 7 an einen Trimmregler geleitet, der
ein eigenständiges Gerät, oder wie in der Fig. 1 dargestellt, im Betriebssteuergerät
8 integriert sein kann. Dieser Trimmregler gleicht eine z.B. alterungsbedingte Verschiebung
des mittels der Kennlinie Lambda=1 zugeordneten Signalpegels der Lambda-Sonde 5 aus,
so daß sichergestellt ist, daß die Brennkraftmaschine 1 vom Betriebssteuergerät 8
so geregelt wird, daß der Lambda-Wert des Rohabgases im Abgastrakt 4 stromauf des
Katalysators 6 dem gewünschten Lambda=1 entspricht.
[0019] Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, für diese Trimmregelung das Signal einer
Nachkat-Lambda-Sonde 7 zu verwenden. Es ist aber auch bekannt, einen eine andere Substanzkonzentration
im Abgas erfassenden Meßaufnehmer dazu einzusetzen. So beschreibt beispielsweise die
Patentanmeldung DE 198 19 461.7 der Anmelderin ein Verfahren, bei dem zur Trimmregelung
das Signal eines NO
x-Meßaufnehmers stromab des Katalysators 6 verwendet wird. Mit einer Trimmregelung
kann jedoch nur die Zuordnung des Signalpegels der Lambda-Sonde 5 zu Lambda=1 korrigiert
werden.
[0020] Die Kennlinie einer Lambda-Sonde 5 ist in den Figuren 4a und 4b dargestellt. In Fig.
4a ist das Ausgangssignal Ip der Breitband-Lambda-Sonde über dem Lambda-Wert λ aufgetragen.
In Fig. 4b erfolgt diese Auftragung über 1/λ. Eine Trimmregelung bekannter Art ist
in der Lage, eine Verschiebung der Kennlinie zu bewirken, so daß die Zuordnung des
Lambda=1 entsprechenden Signalpegels der Lambda-Sonde korrekt ist. Eine veränderte
Steigung der Kennlinie kann dieses Verfahren nicht ausgleichen, die Zuordnung für
andere Lambda-Werte außerhalb Lambda=1 ist falsch, wie die gestrichelte Kennlinie
in Fig. 4b zeigt. Eine solche veränderte Steigung kann sich im Laufe der Lebensdauer
der Brennkraftmaschine 10 aus Alterungsgründen ergeben. Auch ist es möglich, daß die
Kennlinie einer verbauten Lambda-Sonde 5 aufgrund gewisser Bauteiltoleranzen oder
Umgebungsdruck- oder Luftfeuchteeinflüssen von der Kennlinie abweicht, die das Betriebssteuergerät
8 zugrundelegt, wenn das Signal Ip der Lambda-Sonde 5 in einen Lambda-Wert umgewandelt
wird. In beiden Fällen wird der dabei entstehende Fehler um so größer, je weiter der
Lambda-Wert von Lambda=1 abweicht, was sich insbesondere bei Magerbetrieb der Brennkraftmaschine
10 negativ bemerkbar macht.
[0021] Um die Steigung der Kennlinie, wie sie auch in Fig. 4b dargestellt ist, korrigieren
zu können, wird deshalb das Signal Ip der Lambda-Sonde 5 in einer Schubabschaltungsphase
der Brennkraftmaschine 10 erfaßt und ein Signalpegel bestimmt, der 1/Lambda=0 zugeordnet
wird.
[0022] Fig. 2 zeigt den Verlauf des Lambda-Sondensignals Ip während einer solchen Schubabschaltung.
Kurve 2 stellt den Soll-Wert einer Lambda-Sonde bei einer Brennkraftmaschine dar,
bei der keine Kohlenwasserstoffemissionen in der Schubabschaltung stattfinden. Wie
zu sehen ist, stabilisiert sich nach 1 bis 2 Sekunden der Pumpstrom auf einem Niveau,
das zur Zuordnung des Signalpegels zu dem der Umgebungsluft entsprechenden Wert (1/Lambda=0)
tauglich ist.
[0023] Zur Bestimmung des Signalpegels kommen verschiedene Methoden in Frage. Möglich sind
u.a. Mittelwertbildung ab einer gewissen Zeitdauer nach Beginn der Schubabschaltung
oder eine Mittelung des Lambda-Sondensignals Ip, die dann beginnt, wenn die Steigung
des Signals der Lambda-Sonde unter einen gewissen Schwellenwert fällt. Dieser Schwellenwert,
der ein Gradient ist, ist als Kurve 3 in Fig. 2 eingetragen. In Fig. 2 fällt die Steigung
des Signals der Lambda-Sonde 5 zum Zeitpunkt t0 unter den Schwellenwert der Kurve
3. Zu t0 wird damit begonnen, das Signal der Lambda-Sonde zu mitteln. Diese Mittelung
dauert beispielsweise 2 Sekunden und ist zum Zeitpunkt t1 beendet. Der so erhaltene
Mittelwert Ip_mess_schub ist der Signalpegel, der dem der Umgebungsluft entsprechenden
Wert zugeordnet wird (1/Lambda=0). Im Beispiel der Fig. 1 ist das ein Strom von etwa
4,2 mA.
[0024] Kurve 1 in Fig. 2 stellt dieselbe Lambda-Sonde wie bei Kurve 2, jedoch unter dem
Einfluß von Kohlenwasserstoffemissionen dar. Unterschreitet die Steigung des Signals
Ip der Lambda-Sonde 5 nach Kurve 1 den Schwellenwert der Kurve 3, was etwa auch zum
Zeitpunkt t0 der Fall ist, so hat die Kurve 1 noch kein Plateau erreicht, da störende
Restgasquereinflüsse hochsiedender Kohlenwasserstoffe zu einem langsamen Anstieg des
Lambda-Sondensignals Ip führen.
[0025] Unterschreitet die Steigung des Signals Ip den Schwellenwert, der durch Kurve 3 bestimmt
ist, wird nun zur Korrektur der Lambda-Sondenkennlinie bzw. zur Bestimmung des Korrekturfaktors
wie folgt vorgegangen:
1. Aus einem Speicher wird ein Mittelwert Ip_nom entnommen, der dem Signalpegel einer
Lambda-Sonde ohne störende Quereinflüsse bei Umgebungsluft (1/Lambda=0) entspricht.
2. Im Meßfenster, d.h. zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 wird das Lambda-Sondensignal
während der Schubabschaltung gemessen und zu Ip_mess_schub gemittelt. Dieser Mittelwert
beinhaltet die Quereinflüssse von Restgasen und zusätzlich Änderungen, die durch den
aktuellen Zustand der Lambda-Sonde, beispielsweise durch Alterung, Umgebungsdruck
und Feuchteinflüsse bedingt sind.
3. Ein erster Korrekturfaktor K1 wird aus dem Quotienten von Ip_nom und Ip_mess_schub
berechnet: K1 = Ip_nom/Ip_mess_schub.
4. Aus dem Lambda-Sondensignalpegel zu Beginn des Meßfensters Ip0 = Ip(t0) und dem
Lambda-Sondensignalpegel zu Ende des Meßfensters Ip1 = Ip(t1) wird die Pumpstromdifferenz
berechnet und normiert: Ip_dif_rel = (Ip1 - Ip0)/Ip_nom.
5. Aus einer Kennlinie wird abhängig von Ip_dif_rel ein zweiter Korrekturfaktor K2
entnommen. Die Einzelheiten dieser Kennlinie werden später erläutert.
6. Der dritte Korrekturfaktor K3 wird durch Multiplikation des ersten Korrekturfaktors
K1 mit dem zweiten Korrekturfaktor K2 berechnet: K3 = K1 * K2.
[0026] Mit diesem Korrekturfaktor K3 kann nun jeder Meßwert der Lambda-Sonde 5 multipliziert
werden. Dabei werden zwei unterschiedliche Fehlerquellen berücksichtigt:
a) die Alterung der Lambda-Sonde sowie Einflüsse von Umgebungsdruck und Feuchte und
b) Quereinflüsse von Kohlenwasserstoffemissionen.
[0027] Die zur Bestimmung des Korrekturfaktors K2 verwendete Kennlinie ist beispielhaft
in Fig. 4 dargestellt. Jeder der eingetragenen Meßpunkte wurde bei einem anderen Betriebszustand
einer Brennkraftmaschine auf einem Prüfstand gewonnen. Auf der x-Achse ist Ip_dif_rel
aufgetragen, wie es oben definiert wurde.
[0028] Auf der y-Achse ist der Korrekturfaktor K2 aufgetragen, der wie folgt definiert ist:
K2 = Ip_mess_schub/Ip_actu. Dabei ist Ip_actu der Mittelwert des Signals einer Lambda-Sonde
bei Umgebungsluft mit Einflüssen durch Umgebungsdruck- und Feuchtevariation, jedoch
ohne Quereinflüsse durch Kohlenwasserstoffemissionen. Die ebenfalls in Fig. 4 eingetragene
Regressionsgrade stellt die in der Kennlinie für den Korrekturfaktor K2 hinterlegten
Werte dar und zeigt, daß zwischen dem Quotienten des quereinflußfreien Mittelwerts
Ip_actu der Lambda-Sonde und des während der Schubabschaltung im Meßfenster ermittelten
Mittelwerts Ip_mess_schub und der relativen Pumpstromdifferenz Ip_dif_rel ein stetiger
Zusammenhang besteht.
[0029] Durch Ausnutzung dieses Zusammenhangs kann das Kennfeld für den Korrekturfaktor K2
hinterlegt werden. Damit ist es möglich, im Betrieb der Brennkraftmaschine den durch
Kohlenwasserstoff-Quereinflüsse verursachten Fehler zu korrigieren.
[0030] Die oben aufgeführte Darstellung des Korrekturverfahrens kann zur Veranschaulichung
formelmäßig zusammengefaßt werden, indem man die Definitionen für den Korrekturfaktor
K1 und den Korrekturfaktor K2 in die Formel für den Korrekturfaktor K3 einsetzt:

[0031] Durch Kürzen erhält man K3 = Ip_nom/Ip_actu. K3 ist also ein Quotient aus einem Mittelwert
eines quereinflußfreien Signals einer neuwertigen Lambda-Sonde und einem Mittelwert
eines quereinflußfreien Signals einer gealterten Sonde mit Beeinflußung durch Umgebungsdruck,
Feuchte usf., jeweils bei 1/Lambda=0. Dies veranschaulicht, daß K3 der gewünschte
Korrekturfaktor ist, der das Signal der Lambda-Sonde hinsichtlich der Alterungs-,
Umgebungsdruck- und Feuchteeinflüsse korrigiert, jedoch keinen störenden Quereinflüssen
während der zur Bestimmung des Signalpegels nötigen Messung unterworfen ist.
[0032] Mit diesem Korrekturfaktor K3 kann nun entweder die in einem Speicher im Betriebssteuergerät
8 hinterlegte Kennlinie für die Lambda-Sonde 5 korrigiert werden oder alternativ jeder
Meßwert der Lambda-Sonde multipliziert werden, um die Korrektur zu bewirken.
[0033] Zur besseren Güte des Verfahrens kann man diesen Korrekturfaktor K3 auch adaptiv
fortschreiben, wobei bei jeder Fortschreibung geprüft werden kann, ob der neu ermittelte
Korrekturfaktur innerhalb eines Zulässigkeitsbereiches liegt.
1. Verfahren zur Korrektur der Kennlinie einer BreitbandLambda-Sonde, die stromauf eines
Katalysators in einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine angeordnet ist,
bei dem in einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine ein für Umgebungsluft
charakteristischer Signalpegel des Signals der Lambda-Sonde bestimmt und dem Wert
1/Lambda=0 zugeordnet wird und mittels dieses Signalpegels die Steigung der Kennlinie
korrigiert wird,
wobei
bei dieser Korrektur die Steigung des Signals der Lambda-Sonde während der Schubabschaltung
berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung korrigiert wird, indem
- aus dem 1/Lambda=0 zugeordneten Signalpegel und einem Sollpegel ein erster Korrekturfaktor
errechnet wird,
- aus der Steigung, die das Signal der Lambda-Sonde in der Schubabschaltung hat, ein
zweiter Korrekturfaktor bestimmt wird, und
- der erste Korrekturfaktor durch den zweiten Korrekturfaktor dividiert wird, um einen
dritten Korrekturfaktor zu erhalten, der zur Korrektur der Steigung der Kennlinie
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der erste oder der dritte Korrekturfaktor außerhalb eines vorgegebenen
Bereiches liegt, der dritte Korrekturfaktor auf einen neutralen Wert gesetzt wird
und eine fehlerhafte Lambda-Sonde diagnostiziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Lambda-Sonde zur Bestimmung des Signalpegels zu 1/Lambda=0 zeitlich
gemittelt wird, und die Steigung des Signals der Lambda-Sonde während der Zeitdauer
der Mittelung bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Signalpegels der Lambda-Sonde zu 1/Lambda=0 und die Korrektur
der Steigung der Kennlinie nur erfolgt, wenn die Variation des Signals der Lambda-Sonde
während der Schubabschaltung unter einem Schwellenwert liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Signalpegels der Lambda-Sonde zu 1/Lambda=0 in der Schubabschaltungsphase
erst erfolgt, nachdem die Steigung des Signals der Lambda-Sonde unter einen bestimmten
Schwellenwert gefallen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 mit 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung korrigiert wird, indem jedes Meßsignal der Lambda-Sonde mit dem
dritten Korrekturfaktor korrigiert wird.