Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zum Regeln des Luft/ Kraftstoff-Verhäl tni sses bei einer Brennkraftmaschine auf eine einzuhaltende Luftzahl Lambda, wobei das Regelsystem eine dem Abgas der Brennkraft aschine ausgesetzte Sauerstoff¬ sonde ( Lambda-Sonde ) aufweist, deren Ausgangsspannung, die ein Maß für die Luftzahl Lambda darstellt, sich im Bereich von Lambda = 1 im wesentlichen sprunghaft ändert.

Wird zum Reduzieren der hauptsächlichen Schadstoffkomponen- ten (NOx, HC, CO) einer Brennkraftmaschine ein Drei-Wege- Katalysator eingesetzt, ist es für dessen optimale Wirksam¬ keit, d. h. zum Erreichen einer maximalen Konvertierungsrate erforderlich, daß ein stöchi ometri sches Luft/Kraftstoff- Gemisch (Lambda = 1) zumindest jedoch eine Luftzahl Lambda, die sich in einem bestimmten Bereich um Lambda = 1 (Lambda- Fenster) bewegt, eingehalten wird. Bei den bekannten Regel¬ systemen wird hierzu das sprungartige Verhalten der Ausgangs¬ spannung der Lambda-Sonde beim Übergang vom Fett- (λ<l) zum Magerbereich (λ>l) bzw. beim Übergang vom Mager- (λ>l) zum

Fettbereich ( <1) ^zur Gemischregelung, also nicht der Wert von Lambda selbst, ausgewertet. Hierbei werden mittels einer Zwei punkt-Regel ung die in einem Kennfeld in Abhängigkeit der Drehzahl und Last (Drossel kl appenstel 1 ung) der Brennkraftma¬ schine gespeicherten Werte für die Einspr zze multiplika- tiv über einen Korrekturfaktor korrigiert, üblicherweise wird zur laufenden Korrektur des Korrekturfaktors ein Zwei¬ punkt-Regler mit Pl-Verhalten eingesetzt. Aufgrund der Sprungcharakter stik der Ausgangsspannung im Bereich vo-n Lambda = 1 und aufgrund vorhandener Totzeiten (Transportzei des Gemisches von den Einspritzventilen durch die Brennkraft¬ maschine bis zur Lambda-Sonde, Reaktionszeit der Sonde) stellt sich eine Regel schwi ngung für den Korrekturfaktor ein. Die geforderte Luftzahl Lambda kann somit nur im Mittel eingehalten werden. Die Amplitude und Frequenz dieser Regel¬ schwingung beeinflußt die Abgasemission wesentlich. Eine Zu¬ nahme der Amplitude der Regel Schwingung führt dazu, daß sich die Luftzahl Lambda zeitweilig außerhalb des Lambda-Fensters bewegt und es dadurch zu einem drastischen Anstieg der schäd¬ lichen Komponenten der Abgase kommt.

Aus der DE-OS 32 31 122 ist ein Regelsystem bekannt, bei dem zur Regelung im mageren Bereich (vorzugswe se um Lambda = 1, 2) eine Regeleinrichtung mit stetigem Regel verhal en angeord¬ net ist. Da in diesem Bereich das Sonden-Ausgangssignal eine relativ kleine Steigung aufweist, wird mit der stetigen Regeleinrichtung eine größere Regel genauigkei t erreicht als mit einer üblichen Zweipunkt-Regelung. In der genannten Of- fenl egungsschri f ist weiter ausgeführt, daß sich diese ste¬ tige Regeleinrichtung nicht für eine Lambda = 1-Regelung ver¬ wenden läßt, da bei Lambda = 1 die Lambda-Sonde einen stei¬ len Spannungssprung aufweist und dadurch die Regeleinrich¬ tung immer am Mager- oder Fettanschlag wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem zum Regeln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brenn¬ kraftmaschine hinsichtlich des Verringerns der Gesamtemis¬ sion der hauptsächlichen Schadstoffkomponenten zu verbes-

s e r n .

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruch 1 bzw. die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 2 gegeben.

Die Lösung gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß das erfindungsgemäße Regelsystem eine Regeleinrichtung zum stetigen Regeln aufweist, wobei nicht wie im Stand der Tech¬ nik das Sprungverhalten des Ausgangssignals der Lambda-Sonde (Zwei punkt-Regel ung) zur Gemischregelung ausgewertet wird, sondern die tatsächliche Abweichung der Luftzahl Lambda von der einzuhaltenden Luftzahl Lambda als Regelabweichung ver¬ wendet wird. Hierbei wird der jeweilige Ist-Wert der Luft¬ zahl Lambda über die jeweils gemessene Sondenausgangsspan¬ nung in Verbindung mit einem zumindest näherungsweise vorge¬ gebenen sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen der Größe der Sondenausgangsspannung und der damit gekoppelten Große der Luftzahl Lambda bestimmt. Der der einzuhaltenden Luftzahl Lambda entsprechende Soll-Wert der Luftzahl Lambda wird vom Ist-Wert der Luftzahl Lambda abgezogen und mit der Differenz wird das Luft/Kraf stoff-Verhäl tni s geregelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem werden Abweichungen von der vorgegebenen Luftzahl Lambda = 1 schneller als bei einem üblichen Zwei punkt-Regel system ausgeregelt, wodurch sich der Ausstoß schädlicher Abgaskomponenten verringert. Ge¬ mäß bisheriger Versuche ergab sich eine Erhöhung der Regel¬ frequenz um einen Faktor 1,5 bis 3 gegenüber der üblichen Zwei punkt-Regel ung , was sowohl zu einer Verringerung der Schadstoffemission beiträgt als auch insbesondere bei tiefen Drehzahlen und großer Last die Laufruhe der Brennkraftmaschi¬ ne verbessert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Regelsystems gegenüber der seit langem üblichen Zweipunkt- Regelung für Lambda =_ 1 besteht darin, daß das erfindungsge¬ mäße Regelungssystem wesentlich unempfindlicher auf Störun¬ gen des Sondensignals bei starker Zylinderstreuung (che ical

noise) reagiert als die übliche Zwe unkt-Regel ung . Die star¬ ke Zylinderstreuung hat zur Folge, daß die Zweipunktrege¬ lung jeweils beim Durchgang durch die Regel schwel 1 e von fett auf mager oder mager auf fett mit erhöhter Frequenz zwischen den Extremwerten mager und fett springt, was sich ungünstig auf das Abgas- und Fahrverhalten der Brennkraftmaschine aus¬ wirkt. Durch Verwenden einer erfindungsgemäßen Regeleinrich¬ tung mit stetigem Regel verhal ten wird dieses mit erhöhter Frequenz betriebene Umschalten zwischen zwei Extremwerten vermieden .

Das erfindungsgemäße Regelsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch 2 zeichnet sich durch eine Rege einrichtung zum ste¬ tigen Regeln aus, wobei als Soll-Wert eine Sondenspannung verwendet wird, die der einzuhaltenden Luftzahl Lambda ent¬ sprechend der jeweiligen Sondencharakteristik zugeordnet ist, und über die Differenz der jeweils gemessenen Ist-Werte der Sondenspannung mit dem Soll-Wert der Sondenspannung in Verbindung mit einem zumindest näherungsweise vorgegebenen sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen der Größe der Sondenspannungsdifferenz und der damit gekoppelten Größe der Luftzahl differenz die Luftzahl differenz bestimmt wird und mit der Luftzahl di fferenz das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ge¬ regelt wird. Mit diesem Regelsystem werden dieselben Vortei¬ le gegenüber dem Stand der Technik beim Regeln des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses erzielt wie bei dem Regelsystem gemäß Anspruch 1.

Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Regelsystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 lassen sich jedoch für eine Regelung auf Lambda = 1 nur dann erzielen, wenn sich die Ausgangsspannung der Lambda-Sonde im Bereich von Lambda = 1 nur im wesentlichen also nicht mathematisch ideal sprunghaft ändert, d. h. eine die Luftzahl Lambda und die Sondenausgangsspannung verknüpfende Funktion im Bereich von Lambda = 1 eine endliche Steigung aufweist.

In vorteilhafter Weise ist der sondencharakteristische Zusam-

menhang zwischen Sondenspannung und Luftzahl Lambda oder Son¬ denspannungsdifferenz und Luftzahl di fferenz in einem Kenn¬ feld abgelegt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestal¬ tung der Erfindung werden als Eingangsparameter dieses Kenn¬ feldes einerseits die Sondenspannung oder Sondenspannungs¬ differenz und zur Berücksichtigung des temperaturabhängigen Zusammenhangs zwischen Sondenspannung oder Sondenspannungs¬ differenz und Temperatur ein temperaturabhängiger Sondenin- nenwi derstand oder die Sondentemperatur selbst verwendet.

Zum Einsparen von Speicherplatz und Rechenzeit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dieses Kennfeld auf eine Kennlinie zu reduzieren, die auf eine mittlere bzw. besonders häufig vorkommende Sondentemperatur ausgelegt ist.

Zum Einsparen von Speicherplatz erweist es sich als vorteil¬ haft, den sondenspezifischen Zusammenhang durch Verwenden mathematischer Funktionen abzubilden, wobei es sich unter Zugrundelegung der üblichen Sondencharakteristik der Lambda- Sonde als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, als mathematische Funktion eine Parabel dritter Ordnung zu verwenden .

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Regelung auf Lambda = 1 bis zu einer Regelabweichung von vorzugsweise 3 % (d. h. Lambda = 0,97 bis Lambda = 1,03) eine Regeleinrichtung verwendet, die stetiges Verhalten aufweist und bei einer Regelabweichung größer als 3 % von stetiger Regelung auf Zwei punkt-Regel ung umschaltet. Die Beschränkung auf ein schmales zur Auswertung benutztes Lambda-Band um den Wert Lambda = 1 bringt den Vor¬ teil mit sich, daß der Einfluß von Fehlern in der angenomme¬ nen Sondencharakteri sti.k infolge Temperaturänderungen der Sonde relativ klein ist, da die Sondencharakteri sti k im Be¬ reich von Lambda = 1 ziemlich temperaturstabil ist. Deshalb kann die Genauigkeit einer durchzuführenden Nul 1 punktsoffset- Korrektur der Sondenspannung verringert werden, da im tempe¬ raturempfindlichen Bereich außerhalb des Lambda-Bandes eine

Zwei punkt-Regel ung angewandt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Regel- Sollwert der Sondenspannung U _< - in Abhängigkeit der gemesse¬ nen maximalen und minimalen Sondenspannung gemäß der Formel

^U S ^{= (U} S(max) ^{" U} S(min)) ^{x + U} S(min)

adaptiert, wobei K ein konstanter Faktor ist, der anhand der Sondencharakteristik bestimmt wird. Die Korrektur des Regel- Sollwertes erfolgt zusätzlich über einen Tiefpaß. Weiterhin werden die gemessenen Sondenspannungsextremwerte gespeichert und für den all , daß keine neuen Extremwerte der Sondenspan¬ nung gemessen werden, langsam abgeregelt. Mit dieser Adap¬ tion ist es möglich, das Verschieben des Regel -Sollwerts der Sondenspannung infolge Alterung der Sonde oder Temperaturän¬ derung der Sonde zu berücksichtigen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar¬ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu¬ tert. Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockscha tbild einer Regelanordnung mit einem Regelsystem zum Regeln des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1. Fig. 2 zeigt eine Regel ungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem zum Regeln des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem nebenge¬ ordneten Anspruch 2, wobei jedoch nicht die gesamte Rege¬ lungsanordnung dargestellt ist, sondern nur Bauelemente dar¬ gestellt sind, in denen sich die Regel ungsanordnung gemäß Anspruch 2 von derjenigen gemäß Anspruch 1 unterscheidet.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in Fig. 1 dargestellte Regel ungsanordnung weist eine Brennkraftmaschine (BKM) 10 als Regelstrecke mit Einspritz- ventilen (EV) 11 als Stellglieder, eine Regeleinrichtung 12,

(gestrichelt umrandet) eine i Abgas der Brennkraftmaschine angeordnete Lambda-Sonde 13 und ein Grundkennfeld 14 auf. Das Grundkennfeld 14 ist bevorzugt als Nur- Lesespei eher (ROM) ausgebildet, der durch zugeführte Betriebsgrößen (hier: Drehzahl n und Drossel kl appenstel 1 ung cO adressiert wird. Abhängig von diesen Adressen wird jeweils eine ent¬ sprechende Einspritzzeit t. für die Einspritzventile 11 der Brennkraftmaschine 10 aus dem Grundfeld 14 ausgelesen. Die Lambda-Sonde 13 gibt ein Ausgaήgssi gnal (Ausgangsspannung U _s ) ab, das der Regeleinrichtung 12 zugeführt wird. Die Re¬ geleinrichtung 12 gibt als Stellgröße einen Korrekturfakor KF ab, der mul ti pl i kati v die aus dem Grundkennfeld 14 ausge¬ gebene Einspritzzeit t. korrigiert, wodurch sich die korri¬ gierte Einspritzzeit t. ,, ergibt. Weiterhin wird der Regelein¬ richtung 12 ein Regel -So! 1 wert 15 der Luftzahl Lambda zuge¬ führt, der wiederum von der Drosselklappenstellung o und der Drehzahl n der Brennkraftmaschine 10 abhängen kann. Bei Ver¬ wendung eines Drei -Wege-Katalysators wird dieser Soll-Wert = 1 gesetzt, da das Vorliegen eines stöchi ometri sehen Gemi¬ sches (Lambda = 1) ein optimales Konvertierungsverhalten des Katalysators gewährleistet.

Die Regeleinheit 12 weist eine Umwandlungseinrichtung 16 auf, mit deren Hilfe die Sondenausgangssignale U- der Lambda-Sonde 13 in Lambda-Werte entsprechend dem sondencha¬ rakteristischen Zusammenhang von Lambda-Wert und Sondenspan¬ nung umgewandelt werden. Zur Abbildung des sondencharakteri¬ stischen Zusammenhangs wird entweder eine mathematische Funk¬ tion, eine Tabelle oder ein Kennfeld verwendet. Die Sonden¬ charakteristik wird durch die Sondentemperatur im Bereich größer und kleiner Lambda = 1 stark beeinflußt. Um die Regel¬ genauigkeit zu steigern, ist es deshalb von Vorteil , bei der Bestimmung des Lambda-Wertes beispielsweise aus einem Kenn¬ feld zusätzlich zur Sondenspannung U- die Temperatur der Son¬ de oder den temperaturanhängigen Innenwiderstand der Sonde als Eingangsparameter zu verwenden.

Innerhalb der Regeleinrichtung 12 ist der Umwand! ungsei nri ch-

tung 16 ein Zeitglied 17 nachgeschaltet und diesem eine Kor- rekturei nri chtung 18 zur Berechnung eines Korrekturfaktors KF . Dieser Korrekturfaktor KF wird einer Multiplikationsein¬ heit 19 zugeführt, die den der Korrekturfaktor KF mit der aus dem Grundkennfeld 14 ausgegebenen Einspr tzzeit t. multi¬ pliziert. Die Ausgabe des Korrekturfaktors KF kann durch einen Schalter 20 unterbrochen werden, der über eine Rege¬ lungsfreigabe-Einrichtung 21 geschaltet wird. In bestimmten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine (beispielsweise Start¬ phase, Warml aufphase , instationäre Phasen) ist eine Regelung auf eine fest vorgegebene Luftzahl Lambda nicht erwünscht. In diesen Fällen wird durch die Regel ungsfrei gabe-Einrich- tung 21 über den Schalter 20 die Ausgabe des Korrekturfak¬ tors KF unterbrochen.

Hat die Regel ungsfreigabe-Einrichtung 21 die Regelung freige¬ geben, wird das Ausgangssignal der im Abgas der Brennkraft¬ maschine 10 angeordneten Lambda-Sonde der Umwandlungseinrich¬ tung 16 zugeführt. Da die Berechnung des Korrekturfaktors KF vorzugsweise mit einem Rechner erfolgt, wird das analoge Son¬ denausgangssignal nach Verstärkung über einen in Fig. 1 nicht dargestellten A/D-Wandler in ein digitales Signal umge¬ wandelt. Die Umwandlungseinheit 16 berechnet aus dem Aus¬ gangssignal der Lambda-Sonde 13 über einen vorgegebenen son¬ dencharakteristischen Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung der Sonde und Luftzahl Lambda den jeweils gemessenen Ist- Wert der Luftzahl Lambda. Der im Anschluß daran durchgeführ¬ te Vergleich von Ist-Wert und Soll-Wert 15 der Luftzahl Lamb¬ da führt zu einer Regelabweichung Δ -Lambda, die einem Zeit¬ glied 17 zugeführt wird. Das Zeitglied gibt anschließend ein Signal an eine Korrektureinrichtung 18 ab, die die Berech¬ nung des Korrekturfaktors KF durchführt.

Der Korrekturfaktor KF wird dann mul ti pl kati v der aus dem Grundkennfeld 14 ausgegebenen Einspritzzeit t, überlagert, wodurch sich die korrigierte Einspritzzeit t.., ergibt. Durch Addition der Einspritzzeit t. _κ und einer Einspritzzeit t _ς , die den Totzeiteinfluß der Einspritzventile 11 berücksich-

tigt, führt schließlich zur tatsächlichen Einspritzzeit t ^' Die digital berechnete Einspritzzeit t, wird auf eine in Fig. 1 nicht dargestellte Endstufe gegeben und als analoges Öffnungszeit-Signal an die Einspritzventile 11 abgegeben.

Die in Fig. 2 dargestellte Regel ungsanordnung weist im we¬ sentlichen einen ähnlichen Aufbau wie die Regel ungsordnung der Fig. 1 auf. Gleiche Bauelemente tragen dasselbe Bezugs¬ zeichen wie in Fig. 1 und werden hier nicht nochmals erläu¬ tert. Der Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Regelan¬ ordnung besteht darin, daß die Regel abweichung ^-Lambda auf anderem Wege ermittelt wird. Als Regel -So! 1wert wird eine Sollspannung 22 verwendet, die wiederum von der Drosselklap¬ penstellung ode r der Drehzahl n abhängen kann.

Weiterhin weist die Regelanordnung gemäß Fig. 2 eine Umrech¬ nungseinheit 23 auf, die den sondencharakteristischen Ver¬ lauf zwischen der Sondenspannungsdifferenz und der damit gekoppelten Luftzahl di fferenz speichert. Dieser Umrechnungs¬ einheit 23 wird nach Vergleich der Ist-Sondenspannung mit der So! 1 -Sondenspannung 22 eine Regel abwei chung _1-U~ zuge¬ führt, aus der die Regelabweichung Δ-Lambda berechnet wird. Der weitere Regel ungsabl auf entspricht dem Regel ungsabl auf der Regel ungsanordnung gemäß Fig. 1, weshalb, um Wiederholun¬ gen zu vermeiden, dieser nicht nochmals beschrieben wird.

Besonders vorteilhaft wird zum Erhöhen der Regel geschwi ndi g- keit ein stetiger Regler mit PID-Verhalten des Zeitgliedes 17 eingesetzt, wobei für die jeweiligen P- , I- ,D-Antei 1 e die Regelabweichung mit geeigneten Faktoren multipliziert wird, die drehzahl- und lastabhängig in Kennfeldern abgelegt sind.

Ein Masseversatz zwischen Sondenmasse und Masse des in den Figuren nicht dargestellten Anal og/Di gi talwand! ers würde das Ergebnis der Messung der Sondenspannung verfälschen. Deshalb eliminiert eine Korrektureinrichtung diesen Masseversatz, in¬ dem sie in längerdauernden Schubphasen (z. B. nach 800 msec) die sich einstellende minimale Sondenspannung mißt und

die Differenz zum erwarteten Minimalwert über einen Filter als Korrekturgröße für die zu messenden Sondenspannungen speichert. Zur Erfassung eines negativen Masseversatzes wird dazu die Sondenspannung vor dem Anal og/Di gi talwandl er hard¬ waremäßig um einen festen Spannungswert erhöht. Dieses Elimi¬ nieren des Masseversatzes führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Erfassung der Sondenausgangsspannung und damit zu einer höheren Regel genaui gkei t der stetigen Regeleinrich¬ tung.

Diese Korrektureinr htung dient andererseits der Kompensa¬ tion einer Drift des mageren Kenn! i nienasts (Anhebung) z. B. durch Alterung. Die Kompensation des Masseversatzes allein kann gegebenenfalls auch durch die Verwendung eines Diffe¬ renzverstärkers erfolgen.

Zum überwachen der Konvertierungsf higke t eines Katalysa¬ tors wird vorzugsweise stromab von diesem eine zweite Lambda- Sonde angeordnet, die ein Signal abgibt, welches bei optima¬ ler Konvertierung der Abgasschadstoffe in Si gnal erhal ten eine geringe Welligkeit um den temperaturstabilen Wert Lambda = 1 aufweist. Eine Abweichung von diesem temperatur¬ stabilen Punkt wird vorteilhaft zur Offsetkorrektur/-Adap- tion der Sondenausgangsspannung verwendet.