DE19545706C2 - Verfahren zur Kalibrierung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine, bei welchem die Lambdasonde zur Regelung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches der Brennkraftmaschine vor und/oder hinter einem Katalysator angeordnet ist, wobei die Lambdasonde während einer Meßzeit Signalwerte in Abhängigkeit des aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch entstandenen Abgases abgibt.

Zur Erzielung möglichst schadstoffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaska­ nal gemessen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeßsonden, so­ genannte Lambdasonden bekannt, die nach dem Prinzip der Ionenleitung durch einen Festelektrolyten infolge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauerstoffpar­ tialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauer­ stoffmangel zum Sauerstoffüberschuß bzw. andersherum einen Spannungs­ sprung aufweist.

Das Ausgangssignal der Lambdasonde wird durch einen Regler ausge­ wertet, welcher wiederum über ein Stellglied das Kraftstoff-Luft-Gemisch einregelt.

Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wird in erster Linie eine Verminde­ rung schädlicher Anteile der Abgasemission von Brennkraftmaschinen angestrebt.

Zur Korrektur des Signals der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde, wird eine zweite Lambdasonde hinter dem Katalysator angeordnet.

Aus der DE 38 22 415 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem mit dem Regler zusätzlich Abgastemperaturen gemessen und zur Beeinflussung des Regelsollwer­ tes verarbeitet werden, indem der Verlauf der Temperatur an oder nach dem Kataly­ sator in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses erfaßt und zur Korrektur des Regelsollwertes verwendet wird.

Verfälschungen der Ausgangssignale beider Lambdasonden entstehen dadurch, daß die Sonden aufgrund des Herstellungsprozesses Streuungen aufweisen und im Betrieb einer Alterung unterliegen.

Der oben beschriebene Regelkreis stützt sich daher in vielen Fällen auf Mittelwerte der Sondensignale.

Die Mittelwerte orientieren sich am maximal möglichen Hub der jeweiligen Lambdasonde. Dieser Hub verändert sich aber auch von Sonde zu Sonde in Abhän­ gigkeit der Streuungen des Herstellungsprozesses sowie aufgrund der Sondenalte­ rung.

Daraus ergeben sich Unschärfen für die jeweilige Regelung des Kraftstoff-Luft- Verhältnisses der Brennkraftmaschine.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung einer Lambdasonde anzugeben, welche die Unschärfen infolge des Herstellungsprozes­ ses und der Sondenalterung kompensiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Katalysator bei inakti­ vem Regelkreis mit einem überfetteten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt wird und während dieses Zeitraumes die entsprechenden Signalmeßwerte der Lambdasonde unabhängig von anderen Regelsignalen gemessen werden, wobei bei der Weiter­ verarbeitung des Sondensignals daraus ein Korrekturwert gebildet wird, welcher dem Sondensignal im geregelten Betriebszustand der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

In einer Ausgestaltung wird aus den gemessenen maximalen Sondensignal­ werten ein Mittelwert gebildet, welcher durch einen Wert dividiert wird, der dem maximalen Signalwert einer Referenzsonde entspricht.

Um zu gewährleisten, daß der Katalysator inaktiv ist, wird die Meßzeit auf eine Zeit begrenzt, die zuverlässig verhindert, daß der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht.

In einer anderen Weiterbildung wird direkt überprüft, ob die aktuelle Tempe­ ratur des Katalysators kleiner ist als die Betriebstemperatur des Katalysator und so festgestellt, ob der Katalysator aktiv ist oder nicht.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1: schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine

Fig. 2: Regelkreis der hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde

Fig. 3: schematischer Signalverlauf der Regelkreise der Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator

Fig. 4: Spannungsverlauf einer Lambdasonde über dem Kraftstoff-Luft- Gemisch (λ-Faktor)

Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus einem Verbrennungsmotor 1 mit einem Katalysator 2. Über ein Saugrohr 3 wird dem Motor 1 Luft zugeführt. Der Kraftstoff wird über Einspritzventile 4 in das Saugrohr 3 eingespritzt. Zwischen Motor 1 und Katalysator 2 ist eine erste Lambdasonde 5 zur Er­ fassung des Motorabgases angeordnet. Im Abgaskanal ist hinter dem Kata­ lysator 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 8 mit PI-Charakteristik geführt, der gewöhnlich in einem nicht weiter dargestellten Steuergerät im Kraftfahrzeug angeordnet ist.

Aus diesen Signalen und Sollwerten bildet der Regler 8 ein Stellsignal, welches den Einspritzventilen 4 zugeführt wird. Dieses Stellsignal führt zu einer Veränderung der Kraftstoffzumessung, welche zusammen mit der an­ gesaugten Luftmasse (Luftmassenmesser 7) einen bestimmten Lambdawert des Abgases zur Folge hat.

Um nun den Langzeitdrift der Lambdasonde 5 vor dem Katalysator zu kom­ pensieren, ist ein zweiter Regelkreis vorhanden, der die zweite Lambda­ sonde 6 hinter dem Katalysator 2 enthält und welcher in Fig. 2 näher erläutert ist.

Die Regelstrecke 11 enthält, wie in Fig. 1 dargestellt, die Einspritzventile 4, den Motor 1, den Katalysator 2, die Lambdasonde 5 sowie die Lambdasonde 6. Der Regler 8 wertet sowohl den ersten Regelkreis der Lambdasonde 5 als auch den zweiten Regelkreis der Lambdasonde 6 aus und erzeugt im Ergeb­ nis das oben beschriebene Stellsignal.

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 da­ durch, daß festgestellt wird, ob sich diese Signalspannung außerhalb eines Spannungsbereiches (UL6U, UL60) befindet (Fig. 4). Ist dies der Fall, wird der von der Lambdasonde 6 gemessene Istwert U_6IST an einen Summier­ punkt 12 mit einem in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeichert Sollwert 13 verglichen. Dieser Sollwert U_6SOLL wird aus dem von der Lambdasonde 6 gemessenen Mittelwert gebildet, wenn die vor dem Katalysator angeordnete Lambdasonde 5 störungsfrei arbeitet. Ein Signum­ zähler 14 mit vorgeschaltetem Vergleicher 14a 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.

Der Zähler 14 wird bei jedem Umschlag der vor dem Katalysator angeordne­ ten Lambdasonde 5 bearbeitet und ist somit von dieser taktgesteuert.

An einem ersten Multiplizierpunkt 15 wird der Zählwert mit einer Proportio­ nalitätskonstanten im Wert vom (0,5 - einige 100) ms/Sondenumschlag der ersten Lambdasonde multipliziert, wodurch eine absolute Haltezeit TH_roh bestimmt wird. Die so gewonnene Haltezeit TH_roh wird in einem zweiten Multiplizierpunkt 16 mit einem Wichtungsfaktor WF bewertet, welcher in einem abgespeicherten Kennfeld 17 in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl n des Motors abgelegt ist. Die so gewonnene Haltezeit TH wird als Regelgröße dem Regler 8 zur Anpassung der Regelstrecke 11 zugeführt.

Die Haltezeit TH verzögert den P-Sprung des Reglers 8.

Zur besseren Veranschaulichung ist der Einfluß dieser Regelung auf die Regelstrecke 11 in Fig. 3 dargestellt.

Dabei ist der λ-Regelfaktor über der Zeit aufgetragen.

Die mit I bezeichneten Kurven (dunkle Flächen in Fig. 3a) zeigen die zeit­ liche Änderung des λ-Regelfaktors ohne den Einfluß des zweiten Lambdasondenregelkreises, während die mit II bezeichneten Kurven (schraffierte Fläche in Fig. 3a) die zeitliche Änderung des Lambda­ regelfaktors, unter Einfluß des Regelkreises der hinter dem Katalysator an­ geordneten Lambdasonde darstellen.

Diese Darstellung soll keinen geschlossenen Regelkreis verdeutlichen, sondern dient lediglich zur Verdeutlichung der Wirkung der Haltezeit TH auf den ersten Regelkreis.

Die Haltezeit TH ist vorzeichenbehaftet, wobei positive Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem mager/fett-Sondenumschlag und negative Zeiten den P-Sprung des Reglers nach einem fett/mager-Sondenumschlages der vor dem Katalysator angeordneten Lambdasonde verzögern.

In Fig. 3b ist weiterhin das digitalisierte Signal angezeigt, welches von der ersten Lambdasonde an den Reglereingang gegeben wird. Aus dem Ver­ gleich der Kurven I und II geht hervor, daß unter Einfluß des zweiten Regel­ kreises sich die Impulsdauer des Ausgangssignals der ersten Lambdasonde verlängert. Dies hat zur Folge, daß die Gemischanfettung hinter dem Kata­ lysator unter Einwirkung des zweiten λ-Regelkreises kontinuierlich zunimmt (Fig. 3c).

Die Ergebnisse des beschriebenen Verfahrens werden im nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes abgespeichert und finden in den darauffolgen­ den Regelzyklen Berücksichtigung.

Jede Lambdasonde liefert über dem das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch repräsentierenden λ-Faktor einen Signalverlauf, wie er in Fig. 4 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.

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Signalspannung.

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 Alte­ rungserscheinungen gewissen Streuungen, die durch einen Sonden­ korrekturfaktor korrigiert werden.

Zur Bestimmung des Sondenkorrekturfaktors (10 in Fig. 1) wird der Kataly­ sator mit einem überfetteten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt, was eine Nachverbrennung im Katalysator zufolge hat. Voraussetzung für die Bestimmung des Sondenkorrektorfaktors ist, daß kein Regelkreis aktiv ist.

Die Meßzeit T_MAX umfaßt ca. 2 Min und kann vor Erreichen der Betriebs­ temperatur des Katalysators abgeschlossen sein.

Während der Meßzeit T_MAX wird die Sondenspannung LS6 der hinter dem Katalysator 2 angeordneten Lambdasonde 6 mehrmals in zeitlich gleich­ mäßigen Abständen gemessen.

Die Meßwerte LS6_n werden gemittelt und der Mittelwert LS6_Mit wird in einem Speicher abgelegt.

Der Mittelwert LS6_Mit wird durch eine applizierbare Konstante LS_MAX dividiert.

Diese applizierbare Konstante entspricht dem maximalen Signalwert (Fett- Spannungswert) einer Referenz-Sonde.

Der so ermittelte Quotient entspricht dem Sondenkorrekturfaktor LS6_KOR

Der Kalibrierungswert LS6_KOR wird im Speicher des Steuergerätes abgelegt. Er wird während des Betriebes des Motors ständig genutzt und bei einem neuen Startvorgang vor Erreichen der Betriebstemperatur des Motors neu gebildet.

Die oben beschriebenen Ermittlungen des Sondenkorrekturfaktors wird zur Bestimmung des korrigierten Sollwertes U_SOLLKor für die hinter dem Kataly­ sator angeordnete Lambdasonde 6 genutzt:

LS6_SOLLKor = U6_SOLL × LS6_Kor

Claims (4)

1. Verfahren zur Kalibrierung einer Lambdasonde in einer Brennkraftmaschine, bei welchem die Lambdasonde zur Regelung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches der Brennkraftmaschine vor und/oder hinter einem Katalysator angeordnet ist, wobei die Lambdasonde während einer Meßzeit Signalwerte in Abhängigkeit des aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch entstandenen Abgases abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator bei inaktivem Regelkreis mit einem überfetteten Kraftstoff-Luft- Gemisch versorgt wird und während dieses Zeitraumes die entsprechenden Signal­ werte der Lambdasonde gemessen werden und daraus bei der Weiterverarbeitung des Sondensignals ein Korrekturwert gebildet wird, welcher dem Sondensignal im Betriebszustand der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gemes­ senen maximalen Signalwerten ein Mittelwert gebildet wird, welcher durch eine Kon­ stante dividiert wird, die dem maximalen Signalwert einer Referenzsonde entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte in kontinuierlichen Abständen bis zum Erreichen einer Gesamtzeit T_MAX gemessen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Messung der Signalwerte in kontinuierlichen Zeitabständen bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators erfolgt.