-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
tatsächlichen
Mittelwertes der Sauerstoffbeladung eines im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine
angeordneten Abgaskatalysators, wobei einem angenommenen Mittelwert
der Sauerstoffbeladung ein referenzwert des Spannungssignals einer
im Bereich des Abgaskatalysators angeordneten binären Lambdasonde
zugeordnet wird und eine symmetrische Modulation der Lambdaregelung
vorgenommen wird, um das Spannungssignal innerhalb des stetigen
Bereiches zwischen einem unteren Schwellwert und einem oberen Schwellwert
zu variieren.
-
Für eine günstige Konvertierung
der im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffkomponenten
ist eine Lambdaregelung vorgesehen, die so arbeitet, dass der Sauerstoffspeicher
eines Katalysators ausgehend von einer angenommenen mittleren Beladung
zyklisch mit Sauerstoff befüllt und
von Sauerstoff entleert wird. Auf diese Weise wird sowohl die Reduktion
als auch die Oxidation der Schadstoffkomponenten unterstützt. Voraussetzung hierfür ist allerdings,
dass die angenommene mittlere Beladung auch bei zunehmender Alterung
sowie bei auftretenden Querempfindlichkeiten von Abgaskatalysator
bzw. dem Abgaskatalysator nachgeschalteter Führungssonde noch dem tatsächlichen
Mittelwert der Sauerstoffbeladung entspricht. Denn sonst kann der
Sauerstoffspeicher nicht mehr hinreichend befüllt oder entleert werden bzw.
wird die für
eine günstige Konvertierung
maximal zulässige
Befüllung
oder Entleerung überschritten
bzw. unterschritten, so dass es zum Durchbruch einzelner Schadstoffkomponenten kommt.
-
Aus
der vorveröffentlichten
Druckschrift
EP 06
11 415 B1 ist es bekannt, den Mittelwert der Sauerstoffbeladung
eines Abgaskatalysators zu zentrieren bzw. zu verifizieren, indem
durch eine Variation der Lambdaregelung das Spannungssignal einer dem
Abgaskatalysator nachgeschalteten binären Lambdasonde von seinem
unteren Schwellwert zu seinem oberen Schwellwert oder von seinem
oberen Schwellwert zu seinem unteren Schwellwert umgeschaltet wird.
Gemäß diesem
Stand der Technik wird der Sauerstoffspeicher jedoch zu stark mit
Sauerstoff befüllt
bzw. zu stark von Sauerstoff entleert, so dass der für eine günstige Konvertierung
der Schadstoffkomponenten maximal zulässige Bereich der Beladung
des Sauerstoffspeichers überschritten
bzw. unterschritten wird.
-
Darüber hinaus
ist in der gattungsbildenden Druckschrift
DE 196 06 652 A1 ein Verfahren
zur Einstellung des Kraftstoff-Luftverhältnisses für eine Brennkraftmaschine mit
einem nachgeschalteten sauerstoffspeicherfähigen Katalysator beschrieben, wobei
die Sauerstoffanteile im Abgas vor und nach dem Katalysator erfasst
werden und die Einstellung des Kraftstoff-Luftverhältnisses
beeinflussen. Dazu wird aus den Sauerstoffanteilen der momentane
Sauerstoff-Füllungsgrad
des Katalysators modellhaft bestimmt, werden aus den Modellparametern
Aussagen über
den Alterungszustand des Katalysators abgeleitet und wird das Kraftstoff-Luftverhältnis so
eingestellt, dass der Sauerstoff-Füllungsgrad des Katalysators
auf einem konstanten mittleren Niveau gehalten wird.
-
Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
verbessertes Verfahren zur Bestimmung des tatsächlichen Mittelwertes der Sauerstoffbeladung
eines Abgaskatalysators bereitzustellen, welches ohne Durchbrüche der
Schadstoffkomponenten arbeitet und daher eine stets einwandfreie
Konvertierung leistet.
-
Gelöst wird
diese Aufgabe, indem die Variation des Spannungssignals bezüglich des
Referenzwertes auf ihre Symmetrie hin bewertet wird und der tatsächliche
Mittelwert der Sauerstoffbeladung aus dem angenommenen Mittelwert
der Sauerstoffbeladung sowie aus der Symmetriebewertung des Spannungssignals
bestimmt wird. Dabei wird durch die Variation des Spannungssignals
innerhalb des stetigen Bereiches zwischen zwei Schwellwerten ein
für eine günstige Konvertierung
zulässiger
Bereich der Sauerstoffbeladung definiert. Somit wird vermieden,
dass bei der Durchführung
dieses Bestimmungsverfahrens unerwünscht hohe Emissionswerte auftreten.
-
Vorteilhaft
wird der angenommene Mittelwert durch den hälftigen Maximalwert der Sauerstoffbeladung
vorgegeben. Dieser Maximalwert kann zum Beispiel den Herstellerangaben
für einen
Abgaskatalysator im Neuzustand entnommen werden oder experimentell
bestimmt werden.
-
Bevorzugt
ist die symmetrische Modulation der Lambdaregelung außerdem so
begrenzt, dass die sich daraus ergebende Beladung des Sauerstoffspeichers
des Abgaskatalysators maximal zwischen 30 und 70 % liegt. Denn obgleich
zwischen dem Spannungssignal der dem Abgaskatalysator nachgeschalteten
binären
Lambdasonde und der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators ein
proportionaler Zusammenhang besteht, kann auf diese Weise nochmals
sichergestellt werden, dass sich die Abgaskonvertierung nicht verschlechtert.
-
Die
Symmetriebewertung des Spannungssignals der dem Abgaskatalysator
nachgeschalteten Lambdasonde kann anhand des Hubs bzw. der Amplituden
des bezüglich
des Referenzwertes ansteigenden und abfallenden Teils des Signalverlaufes
erfolgen.
-
So
ergibt sich aus einem größeren Hub
für den
ansteigenden Teil als für
den abfallenden Teil des Signalverlaufes der Lambdasonde, dass der
angenommene Mittelwert der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers
zu gering ist bzw. dass die Modulation der Lambdaregelung eine zu
geringe Mittellage bezüglich
der Sauerstoffbeladung hat. Die zu geringe Mittellage der Sauerstoffbeladung äußert sich
in einem zu höheren
Werten verschobenen Niveau des Spannungssignals der Lambdasonde.
-
Umgekehrt
folgt aus einem geringeren Hub für
den ansteigenden Teil als für
den abfallenden Teil des Signalverlaufes der Lambdasonde, dass der
angenommene Mittelwert der Sauerstoffbeladung des Sauerstoffspeichers
zu groß ist
bzw. dass die Modulation der Lambdaregelung eine zu hohe Mittellage bezüglich der
Sauerstoffbeladung hat. Dabei äußert sich
eine zu hohe Mittellage der Sauerstoffbeladung in einem zu geringeren
Werten verschobenen Niveau des Spannungssignals der Lambdasonde.
-
Ist
hingegen der Hub für
den bezüglich
dem Referenzwert ansteigenden Teil des Signalverlaufes der Lambdasonde
gleich dem Hub für
den bezüglich dem
Referenzwert abfallenden Teil, so hat die Modulation der Lambdaregelung
bezüglich
der Sauerstoffbeladung eine bei 50 % liegende korrekte Mittellage.
-
Ergänzend oder
alternativ kann die Symmetriebewertung des Spannungssignals auch
mittels des Flächenintegrals
des Signalverlaufes oberhalb bzw. unterhalb des Referenzwertes der
Sauerstoffbeladung erfolgen.
-
Denn
ist das Flächenintegral
oberhalb des angenommenen Mittelwertes der Sauerstoffbeladung größer als
das Flächenintegral
unterhalb des Mittelwertes, so ist der angenommene Mittelwert zu gering
bzw. weist die Modulation der Lambdaregelung eine zu geringe Mittellage
der Sauerstoffbeladung auf. Ist dagegen das Flächenintegral oberhalb des angenommenen
Mittelwertes der Sauerstoffbeladung kleiner als das Flächenintegral
unterhalb des angenommenen Mittelwertes, so ist der angenommene
Mittelwert zu groß bzw.
weist die Modulation der Lambdaregelung eine zu hohe Mittellage
der Sauerstoffbeladung auf.
-
Nur
bei gleichen Flächenintegralen
des Signalverlaufes der Lambdasonde oberhalb und unterhalb des angenommenen
Mittelwertes weist die Modulation der Lambdaregelung eine bei 50
% der Sauerstoffbeladung liegende korrekte Mittellage auf.
-
Außerdem kann
die Symmetriebewertung des Spannungssignals der Lambdasonde auch
mittels der Gradienten des Signalverlaufes erfolgen.
-
Ist
der Betrag des Gradienten des Spannungssignals der Lambdasonde während der
Entleerung des Sauerstoffspeichers größer als ein vorgegebener erster
Grenzwert, so ist die Mittellage der Sauerstoffbeladung zu gering.
-
Und
ist der Betrag des Gradienten des Spannungssignals während der
Befüllung
des Sauerstoffspeichers größer als
ein vorgegebener zweiter Grenzwert, so ist die Mittellage der Sauerstoffbeladung
zu hoch.
-
Lediglich
dann, wenn der Betrag des Gradienten am bezüglich der Beladung des Sauerstoffspeichers
unteren Scheitelpunkt gleich dem Betrag des Gradienten am bezüglich der
Beladung des Sauerstoffspeichers oberen Scheitelpunkt ist, ist die
Mittelage der modulierten Lambdaregelung korrekt.
-
Gemäß einer
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Lambdaregelung
der Brennkraftmaschine auf den zuvor bestimmten tatsächlichen
Mittelwert der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators adaptiert,
um eine verbesserte Abgaskonvertierung zu erreichen. Denn nur dann,
wenn die Lambdaregelung mit dem tatsächlichen Mittelwert der Sauerstoffbeladung
arbeitet, kann die Konvertierung sowohl der oxidierenden wie auch
der reduzierenden Abgaskomponenten nahezu vollständig stattfinden, da etwaige
Durchbrüche
von Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Stickoxiden (NOx) zuverlässig vermieden
werden.
-
Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Zeichnungsfiguren näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage;
-
2 eine
Abbildung der Konvertierung über
dem relativen Befüllungsgrad
des Sauerstoffspeichers;
-
3 ein
erstes Diagramm des Spannungssignals einer dem Abgaskatalysator
nachgeschalteten Lambdasonde über
der Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators bei einem korrekt angenommenen
Mittelwert der Sauerstoffbeladung;
-
4 ein
zweites Diagramm des Spannungssignals der Lambdasonde über der
Sauerstoffbeladung des Abgaskatalysators bei einem zu gering angenommenen
Mittelwert; und
-
5 ein
drittes Diagramm des Spannungssignals über der Sauerstoffbeladung
bei einem zu hoch angenommenen Mittelwert.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit
einem Abgasstrang 2. Der Abgasstrang 2 umfasst
einen Abgaskatalysator 3, der zum Beispiel als ein NOx-Speicherkatalysator
oder als ein aktiver Partikelfilter ausgebildet ist sowie einen
integrierten Sauerstoffspeicher 4 beinhaltet, und eine
binäre
Lambdasonde 5. Diese Lambdasonde 5 ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel stromab
des Abgaskatalysators 3 angeordnet, könnte aber genauso gut auch
innerhalb des Abgaskatalysators 3 positioniert sein.
-
In 2 ist
der Zusammenhang zwischen der von dem Abgaskatalysator 3 geleisteten
Konvertierung K und dem relativen Befüllungsgrad OSC des Sauerstoffseichers 4 gezeigt.
Dabei ist zwischen der durch die gestrichene Linie angezeigten Konvertierung
K von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) sowie der durch
die gepunktete Linie angezeigten Konvertierung K von Stickoxiden
(NOx) zu differenzieren, da bei einem relativen Befüllungsgrad OSC
des Sauerstoffspeichers 4 unterhalb von ca. 30 % Kohlenwasserstoff
und Kohlenmonoxid nur schlecht konvertiert werden, während bei
einem Befüllungsgrad
OSC des Sauerstoffspeichers 4 oberhalb von 70 % Stickoxide
nur schlecht konvertiert werden. Für eine nahezu vollständige Konvertierung K
aller Schadstoffe sollte der relative Befüllungsgrad OSC des Sauerstoffspeichers 4 daher
stets innerhalb des schraffiert dargestellten Bereiches von ca.
30 bis 70 % liegen.
-
Der
Zusammenhang zwischen dem Spannungssignal Uλnach der
dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten Lambdasonde 5 und
der Sauerstoffbeladung OSC des Abgaskatalysators 3 ist
in 3 durch die durchgezogenen Linie I dargestellt,
wobei einem angenommenen Mittelwert Mang der
Sauerstoffbeladung OSC ein Referenzwert URef des
Spannungssignals Uλnach von zum Beispiel
650 Millivolt zugeordnet ist. Zudem sind ein unterer Schwellwert
U1, zum Beispiel 600 Millivolt sowie ein
oberer Schwellwert U2, zum Beispiel 700
Millivolt des Spannungssignals Uλnach definiert.
Zwischen diesen beiden Schwellwerten U1,
U2 zeigt das Spannungssignal Uλnach einen
stetigen Verlauf. Des weiteren ist in 3 die aus
der symmetrischen Zwangsmodulation der Lambdaregelung resultierende
Sauerstoffbeladung OSC des Abgaskatalysators 3 durch die
gestrichene Linie II gezeigt. Und schließlich veranschaulicht die strichpunktierte
Linie III aus 3 die sich bei der symmetrischen
Zwangsmodulation der Lambdaregelung um eine definierte Mittellage
ergebende Variation des Spannungssignals Uλnach Dabei
zeichnen sich insbesondere die Linien II und III durch ihren symmetrischen
Verlauf bezüglich
des bei 50 % liegenden angenommenen Mittelwertes Mang aus,
welcher dem tatsächlichen
Mittelwert Mtat der relativen Sauerstoffbeladung
OSC des Abgaskatalysators 3 entspricht. Das bedeutet, dass
dann, wenn jeweils die Hübe
H↑, H↓ und die
Flächenintegrale
A↑, A↓ der Linie
III beim Austrag und beim Eintrag von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher 4 gleich
sind und wenn die Gradienten ΔUλnach↑, ΔUλnach↓ an
den Scheitelpunkten der minimalen bzw. maximalen Beladung des Sauerstoffspeichers 4 beim
Austrag und beim Eintrag von Sauerstoff gleich sind oder einen ersten bzw.
zweiten Grenzwert nicht überschreiten
auch die modulierte Lambdaregelung eine exakt stöchiometrische Mittellage aufweist.
-
Im
Gegensatz dazu zeigen die 4 und 5 einen
Versatz des angenommenen Mittelwertes Mang zu
dem tatsächlichen
Mittelwert Mtat der Sauerstoffbeladung OSC
und dessen Einfluss auf die Linien I, II und III.
-
In 4 ist
der Mittelwert Mang der Sauerstoffbeladung
OSC zu gering angenommen, so dass der sich aus der Zwangsmodulation
der Beladung des Sauerstoffspeichers 4 ergebende Verlauf
der mit Linie II bezeichneten relativen Sauerstoffbeladung OSC bezüglich des
bei 50 % liegenden tatsächlichen Mittelwertes
Mtat verschoben bzw. verzerrt ist und für eine optimale
Schadstoffkonvertierung eigentlich zu viel Sauerstoff aus dem Sauerstoffspeicher 4 des
Abgaskatalysators 3 ausgetragen wird. Dem entsprechend
ist der Verlauf des Spannungssignals Uλnach der
dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten Lambdasonde 5 bzw.
der Verlauf der Linie III ebenfalls nicht mehr symmetrisch. Es zeigt
sich nämlich deutlich,
dass das zu der Sauerstoffbeladung OSC proportionale Spannungssignal
Uλnach zu
höheren Spannungen
verschoben ist und dass die Hübe
H↑, H↓ sowie die
Flächenintegrale
A↑, A↓ der Linie
III beim Austrag und beim Eintrag von Sauerstoff unterschiedlich
sind und dass der Betrag eines der beiden Gradienten ΔUλnach↑, ΔUλnach↓ beim
Austrag und beim Eintrag von Sauerstoff den ersten bzw. zweiten Grenzwert überschreitet.
-
Umgekehrt
ist in 5 der Mittelwert Mang der
Sauerstoffbeladung OSC zu groß angenommen, so
dass die sich aus der Modulation der Sauerstoffbeladung ergebende,
der Linie II entsprechende Modulation der Sauerstoffbeladung OSC
bezüglich
des bei 50 % liegenden tatsächlichen
Mittelwertes Mtat verschoben bzw. verzerrt
ist und die Mittellage der Modulation des Sauerstoffspeichers 4 oberhalb
von 50 % liegt. Zudem ist auch der Verlauf des Spannungssignals
Uλnach der
Lambdasonde 5 gemäß der Linie
III nicht mehr symmetrisch, da dieser zu geringeren Spannungen verschoben
ist und die Hübe
H↑, H↓ sowie die
Flächenintegrale
A↑, A↓ beim Austrag und
beim Eintrag von Sauerstoff in den Sauerstoffspeicher 4 unterschiedlich
sind. Außerdem überschreitet
der Betrag einer der beiden Gradienten ΔUλnach↑, ΔUλnach↓ beim
Eintrag und beim Austrag von Sauerstoff den ersten bzw. zweiten
Grenzwert.
-
Zur
mathematischen Bewertung der Symmetrie des Spannungssignals Uλnach können die
Hübe H↑, H↓ des bezüglich des
Referenzwertes URef ansteigenden und abfallenden
Signalverlaufes ermittelt und mit einander verglichen werden. Dabei
ist es so, dass ein größerer Hub
H↑ beim
Austrag von Sauerstoff als Hub H↓ beim
Eintrag von Sauerstoff zeigt, dass der Mittelwert Mang zu
gering angenommen wurde, und dass ein geringerer Hub H↓ beim Austrag von
Sauerstoff als Hub H↑ beim
Eintrag von Sauerstoff zeigt, dass der Mittelwert Mang zu
hoch angenommen wurde. Dabei zeigt sich, dass die Summe der Hübe H↑, H↓ bei einer
korrekten Mittellage der Sauerstoffbeladung minimal ist und bei
einer zu kleineren oder größeren Werten
verschobenen Mittellage der Sauerstoffbeladung ansteigt, wobei der
Anstieg von dem Verlauf des Spannungssignals Uλnach abhängig ist.
-
Alternativ
oder ergänzend
können
auch die Flächenintegrale
A↑, A↓ zwischen
dem Verlauf des Spannungssignals Uλnach und
dem dem angenommenen Mittelwert Mang der
Sauerstoffbeladung OSC entsprechenden Referenzwert URef berechnet
und miteinander verglichen werden, wobei ein größeres Flächenintegral A↑ während des
Austrags von Sauerstoff bzw. oberhalb des Referenzwertes URef als ein Flächenintegral A↓ während des
Eintrags von Sauerstoff bzw. unterhalb des Referenzwertes URef impliziert, dass der Mittelwert Mang zu gering angenommen wurde und wobei
ein kleineres Flächenintegral
A↑ oberhalb
des Referenzwertes URef als ein Flächenintegral
A↓ unterhalb
des Referenzwertes URef auf einen zu hoch
angenommenen Mittelwert Mang schließen lässt.
-
Schließlich können auch
die Beträge
der Gradienten des Spannungssignals ΔUλnach↑, ΔUλnach↓ der
Lambdasonde 5 an den Scheitelpunkten der minimalen bzw.
maximalen Beladung des Sauerstoffspeichers 4 ermittelt
und einem Vergleich unterzogen werden, wobei der Betrag des Gradienten ΔUλnach↑ beim
Austrag von Sauerstoff einen ersten Grenzwert nicht überschreiten
darf und der Betrag des Gradienten ΔUλnach↓ beim
Eintrag von Sauerstoff einen zweiten Grenzwert nicht überschreiten
darf. Diese beiden in der Regel unterschiedlichen Grenzwerte sind durch
den Verlauf des Spannungssignals Uλnach gemäß Linie
I bedingt. Überschreitet
der Betrag des Gradienten ΔUλnach↑ beim
Austrag von Sauerstoff den ersten Grenzwert, so bedeutet dies, dass
der Mittelwert Mang zu gering angenommen
ist und überschreitet
der Betrag des Gradienten ΔUλnach↓ beim
Eintrag von Sauerstoff den zweiten Grenzwert so bedeutet dies, dass
der Mittelwert Mang zu hoch angenommen ist.
-
Basierend
auf dem angenommenen Mittelwert Mang der
Beladung OSC des Sauerstoffspeichers 4 und der Symmetriebewertung
des Spannungssignals Uλnach der dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten
Lambdasonde 5, welche den Grad der Abweichung angibt, kann
dann der tatsächliche
Mittelwert Mtat der Sauerstoffbeladung OSC
bestimmt werden. Denn nur wenn dieser tatsächliche Mittelwert Mtat der Sauerstoffbeladung OSC während des
Betriebs der Brennkraftmaschine 1 eingehalten wird, kann
auch eine optimierte Schadstoffkonvertierung erreicht werden.
-
Der
tatsächliche
Mittelwert Mtat der Sauerstoffbeladung OSC
wird deshalb verwendet, um die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine 1 entsprechend
zu adaptieren. Somit werden auch nichtlineare Alterungseinflüsse und
Querempfindlichkeiten des Abgaskatalysators 3 bzw. der
dem Abgaskatalysator 3 nachgeschalteten Lambdasonde 5 exakt
kompensiert und wird eine gleich bleibend gute Schadstoffkonvertierung
realisiert.
-
- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasstrang
- 3
- Abgaskatalysator
- 4
- Sauerstoffspeicher
- 5
- Lambdasonde
- K
- Konvertierung
- OSC
- Sauerstoffbeladung
von 4
- Mang
- angenommener
Mittelwert der OSC
- Mtat
- tatsächlicher
Mittelwert der OSC
- Uλnach
- Spannungssignal
von 5
- URef
- Referenzwert
- U1, U2
- Schwellwert
- H↑, H↓
- Hub
- A↑, A↓
- Flächenintegral
- ΔUλnach↑, ΔUλnach↓
- Gradient