Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelung

Abstract

 Verfahren zur Zwangsanregung bei einer Lambdaregelung für eine Brennkraftmaschine, bei der Frequenz und Zwangsanregung abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bestimmt werden, um erhöhte Abgasemissionen zu vermeiden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung, mit dem ein Fehler bei einer Lambdasonde erkannt wird.

[0002] Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird eine stromaufwärts eines Katalysators angeordnete Lambdasonde diagnostiziert. Die zu diagnostizierende Lambdasonde besitzt eine in ihrem Ausgangssignal stetige Charakteristik. Zur Diagnose der Lambdasonde wird zu einem Lambda-Sollwert eine periodische Zwangsanregung mit vorgegebener Frequenz und Amplitude überlagert. Ein Modell des Lambdaregelungskreises bildet dessen Streckenverhalten ab, wobei einer der Modellparameter die Sensorverzögerungszeit darstellt. Aus den Amplitudenverstärkungen, die sich für Modell und System bei der Zwangsanregung ergeben, werden die Modellwerte, insbesondere der Modellwert für die Sensorverzögerungszeit adaptiert. Die Lambdasonde wird hierbei als defekt erkannt, wenn der Wert für die Änderung des Modellparameters einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dies bedeutet, dass bei einer zu starken Adaption der Sensorverzögerungszeit eine Störung der Lambdasonde erkannt wird. Auf diese Weise kann kontinuierlich die Funktionsweise der Lambdasonde in dem Lambdareglungskreis überprüft werden.

[0003] Neben dem vorstehenden spezifischen Einsatz der Zwangsanregung kann diese vorrangig zur Steigerung des Wirkungsgrades eines Dreiwegekatalysators eingesetzt werden, wie beispielsweise in DE 43 44 892 C2 beschrieben. Hierbei wird für die lineare Lambdaregelung der stöchiometrische Sollwert für die Luftzahl mit einer Zwangsanregung beaufschlagt. Die Abweichung von dem stöchiometrischen Sollwert besitzen abwechselnd eine Mager- und Fettverschiebung. Bei der Magerverschiebung wird der Sauerstoffspeicher des Katalysators gefüllt, es wird O₂ eingelagert, während bei der Fettverschiebung der Katalysator wieder geleert wird. Dieser Füll- und Leervorgang ist abhängig von der Sollwertverschiebung (Amplitude der Zwangsanregung) und der Dauer der Verschiebung. Es ist bekannt, die Zwangsanregung in einem zeitbasierten Ansatz mit gleicher Amplitude und gleicher Dauer für Fett- und Mageranregung durchzuführen.

[0004] Als nachteilig an der bisherigen rein last- und drehzahlabhängigen Zwangsanregung, auch als forced stimulation bezeichnet, hat sich herausgestellt, dass durch die Änderung der Lambda-Sollwerte es zu einer erhöhten Abgasemission kommt, dies insbesondere bei Katalysatoren, die über längere Zeit benutzt worden sind, oder bei Katalysatoren mit geringer Edelmetallbeladung.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das sich nicht nachteilig auf die Abgasemission auswirkt und über weite Betriebsbereiche eine gute Abgaskonvertierung sicherstellt.

[0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

[0007] Gemäß Anspruch 1 erfolgt die Auswahl der Werte für Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine. Dieser Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die bekannte Zwangsanregung für einige Betriebszustände zu einer schlechten Konvertierung der Abgase führt. Indem Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung an die Betriebstemperatur angepasst sind, werden erfindungsgemäß auch im Niedriglast- und Leerlaufbereich sowie nach einem Kaltstart erhöhte Abgasemissionswerte vermieden. Bevorzugt hängen die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung von der Betriebstemperatur des Kühlwassers ab. Bisher ist es üblich, dass die Amplitude und Frequenz der Zwangsanregung sich auf eine Kühlwassertemperatur von 85°C beziehen. Weicht die Temperatur des Kühlwassers hiervon ab, ergeben sich deutlich andere Konvertierungsraten für den Katalysator und mithin ein anderes Verhalten des geschlossenen Lambdaregelkreises. Um eine wirkungsvolle Zwangsanregung in dem Lambdaregelkreis durchzuführen, ohne eine zusätzliche Erhöhung der Abgasemission zu erzielen, werden Frequenz und Amplitude an den geänderten Lambdaregelkreis angepasst.

[0008] Die Werte für Amplitude und/oder Frequenz können auch abhängig von der Temperatur des Zylinderkopfs und/oder der Öltemperatur für die Zwangsanregung bestimmt werden. Bevorzugt werden neben der Betriebstemperatur auch die Luftmasse und die Drehzahl vorbestimmter Temperaturwerte berücksichtigt.

[0009] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zwangsanregung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit Abgassystem,

Fig. 2

Verlauf einer Zwangsanregung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3

eine erfindungsgemäße Zwangsanregung und

Fig. 4

Berechnung von Frequenz und Amplitudensollwerten.

[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zwangsanregung wird nachfolgend anhand von Figur 1 näher erläutert. Eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 10 saugt über einen Ansaugtrakt 12 in Pfeilrichtung Luft an. Die aus der Brennkraftmaschine 10 ausgetretene Luft wird über einen Abgastrakt 14 in einen Dreiwegekatalysator 16 geleitet. Stromaufwärts von dem Katalysator 16 ist eine erste Sauerstoffsonde 18 vorgesehen, deren Ausgangssignal stetig von der Luftzahl Lambda in dem Abgasstrom abhängt. Die Sauerstoffsensoren werden auch als Lambdasonden bezeichnet. Stromabwärts von dem Katalysator 16 ist eine zweite Lambdasonde 20 angeordnet, die den Katalysatorwirkungsgrad überprüft und als eine lineare Sonde oder eine sogenannte Sprungsonde ausgebildet sein kann.

[0011] Die Signale der Lambdasonden 18 und 20 werden an eine Lambdaregelungseinrichtung 22 weitergeleitet, die aus den beiden gelieferten Signalen auf den Wirkungsgrad des Katalysators 16 und damit auf die Konvertierung der Abgase schließt.

[0012] Die Lambdaregelungseinrichtung bestimmt einen Lambda-Sollwert als Stellgröße und gibt diesen an die Motorsteuerung 24 weiter. Ferner kann die Lambdaregelungseinrichtung ein Modell für das Verhalten der Regelungsstrecke besitzen. Das Modell beinhaltet, als einen Modellparameter die Sensorverzögerungszeit. Wie aus DE 195 16 239 C2 bekannt, hat die Übertragungsfunktion der Lambdaregelstrecke ein Verhalten wie das Hintereinanderschalten zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung und einem Totzeitglied. Um eine möglichst geringe Änderung der Abgasemission bei der Zwangsanregung zu erhalten, werden Frequenz und Amplitude abhängig von Drehzahl und Last sowie der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine festgelegt.

[0013] In Fig. 2 ist der Lambda-Sollwert über die Zeit dargestellt. Der Lambda-Sollwert schwankt bei der bekannten Zwangsanregung um den Mittelwert 26, bei dem stöchiometrische Verbrennung erfolgt. Die Zwangsanregung kann in einen fetten Teil 28 und einen mageren Teil 30 unterteilt werden. Die Amplituden 32 und 34 der jeweiligen Anregung sind gleich groß. Ebenso besitzen die magere und die fette Halbwelle 28 bzw. 30 die gleiche Dauer 36 bzw. 38.

[0014] Fig. 3 zeigt beispielhaft die Lambda-Sollwerte bei der erfindungsgemäßen Zwangsanregung. Der Lambda-Sollwert ist hierbei zu 0,998 vorgegeben, um die Gefahr von NOx-Durchbrüchen zu verringern. Die erfindungsgemäße Zwangsanregung besitzt eine magere Halbwelle 40, mit einer Dauer t_mager 42 und eine Amplitude A_mager 44.

[0015] An die magere Halbwelle 40 schließt sich eine fette Halbwelle 46 an. Die fette Halbwelle 46 besitzt eine Dauer t_fett 48 und eine Amplitude A_fett 50. Bei der erfindungsgemäßen Zwangsanregung können die vier die Zwangsanregung charakterisierenden Parameter: t_mager, A_mager, t_fett, A_fett unabhängig voneinander gewählt werden.

[0016] Die Bestimmung der Parameter wird an einem Blockschaltbild zu Fig. 4 verdeutlicht. Ein erstes Kennfeld 52 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für eine erste Frequenz und eine erste Amplitude. Die Frequenz ist als inverse Periodendauer definiert, wobei die Periodendauer der Zeitabschnitt einer definierten Abgaspaketfolge von mageren und fetten Abgaspaketen ist, die sich bei stationären Betriebsbedingungen (d.h. bei gleicher Abgasmenge pro Zeit und gleiche Abgaszusammensetzung) regelmäßig wiederholt. Unter Mager-/Fett-Amplitude werden die Lambdawerte von einzelnen Abgaspaketen der Abgaspaketfolge verstanden. Das Kennfeld 52 bestimmt Frequenz und Amplitude für eine erste Temperatur T₁. Das Kennfeld 54 bestimmt abhängig von Drehzahl und Last die Werte für eine zweite Frequenz und eine zweite Amplitude. Die Tupel aus Frequenz und Amplitude werden an eine Berechnungseinheit 56 weitergeleitet. Die Berechnungseinheit 56 bestimmt abhängig von dem Istwert 58 für die Betriebstemperatur durch eine lineare oder eine nicht lineare Interpolation das Tupel von Sollwerten für Frequenz und Amplitude 60.

[0017] Die in Fig. 4 gezeigte Berechnungsweise kann ebenfalls durch ein dreidimensionales Kennfeld ersetzt werden.

[0018] Besondere Vorzüge zeigt das erfindungsgemäße Verfahren der betriebstemperaturabhängigen Zwangsanregung auch im Zusammenhang bei einem sogenannten elektronischen Thermomanagement, bei dem die Betriebstemperatur des Motors mit dem Ziel eines geringen Kraftstoffverbrauchs und guter Abgaswerte gezielt variiert wird. Die Wirkungsweise des Thermomanagements wird durch eine gezielte Anpassung der Zwangsregelung an die Betriebstemperatur unterstützt.

[0019] Der Grenzwert, mit dem die Änderung des Modellparameters gewählt wird, hängt in einer bevorzugten Ausgestaltung ebenfalls von der Betriebstemperatur ab. Zusätzlich kann der Grenzwert von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine abhängen.

[0020] Für die Zwangsanregung können eine Rechteckschwingung oder eine sinusförmige Schwingung eingesetzt werden. Ebenfalls ist es möglich eine Zwangsanregung mit einer sägezahnförmigen Schwingung oder einem anderem Anregungsmuster vorzusehen. Die sägezahförmige Schwingung ist durch Amplitude, Frequenz und Anstiegszeit gekennzeichnet. Auch die Anstiegszeit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren abhängig von der Betriebstemperatur gewählt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Zwangsanregung einer Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

- zu einem Lambda-Sollwert wird eine Zwangsanregung mit mindestens einer Frequenz und einer Amplitude überlagert, die einen mageren und einen fetten Abschnitt besitzt,

- die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung werden abhängig von einer Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung abhängig von der Betriebstemperatur des Kühlwassers bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung zusätzlich abhängig von der Betriebstemperatur des Zylinderkopfes bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung zusätzlich anhängig von der Betriebstemperatur des Öls bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Amplitude und/oder Frequenz der Zwangsanregung abhängig von der Luftmasse und der Drehzahl bei vorbestimmten Temperaturen bestimmt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kennfeld (52) für eine erste Temperatur abhängig von Last und Drehzahl erste Sollwerte für Frequenz und Amplitude bestimmt und ein zweites Kennfeld (54) für eine zweite Temperatur abhängig von Last und Drehzahl zweite Sollwerte für Frequenz und Amplitude bestimmt und eine Vergleichseinrichtung (56) abhängig von der Betriebstemperatur (58) den Sollwerte für die vorliegende Betriebstemperatur interpoliert oder extrapoliert.

Zeichnung