DE19735367C1

DE19735367C1 - Verfahren zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen

Info

Publication number: DE19735367C1
Application number: DE1997135367
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Kleczka
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2017-08-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine genaue Gemischzusammensetzung kann nur mit einem Regler erreicht werden, bei dem die Abgaszusammensetzung durch eine Lambda-Sonde überwacht und bei Abweichungen vom Luftverhält nis λ = 1 die Gemischzusammensetzung durch Anfetten oder Ab magern korrigiert wird. Die Lambdasonde ist als Meßfühler im Abgasstrom vor dem Katalysator eingebaut und gibt je nach Ab gas-Zusammensetzung ein entsprechendes Spannungssignal an den Regler ab. Der Regler bestimmt hieraus ein Signal, das an die Einspritzanlage, insbesondere die Einspritzventile, geführt wird, um die Gemischzusammensetzung zu optimieren.

Es ist auch bekannt (DE 38 21 357 A1), je einen Regler der Zy lindergruppe einer Motorhälfte, z. B. eines V-Motors, zuzuord nen, wobei dann je eine Lambdasonde im Abgasteilkanal der Mo torhälfte angeordnet ist. Die beiden Teilkanäle werden in einem Sammelrohr zusammengeführt, in dem der Katalysator ein gebaut ist. Damit die im Abgas noch vorhandenen Schadstoffe durch den Katalysator optimal konvertiert werden können, wird die Stellgröße jedes Reglers so eingestellt, daß sie zwischen einer Anfettungs- und Abmagerungsphase hin- und herschwingt. Jeder Regler führt also eine Zweipunktregelung aus. Die Schwingungen beider Regler werden so aneinander angepaßt oder synchronisiert, daß das der einen Zylindergruppe zugeführte Gemisch angefettet wird, wenn das Gemisch für die andere Zy lindergruppe abgemagert wird. So führen die Abgase der beiden Abgasteilkanäle am Katalysator zu einem Lambdawert von etwa 1. Zur Einstellung der jeweiligen Phasenverschiebung bleibt die Schwingung der einen Reglerstellgröße unverändert, es wird also nur die Phase der Schwingung des anderen Reglers geändert.

Im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist von einem derartigen Verfahren (DE 38 21 357 A1) ausgegangen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem es möglich ist, die Schwingungen so zu synchronisieren, daß jede beliebige Pha senverschiebung realisierbar ist.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß erfolgt eine gezielte Verstimmung der Regler parameter der schnelleren Schwingung auf der Basis einer Mes sung von Kenngrößen der unbeeinflußten Reglerschwingungen beider Regelkreise. Ohne Auftrennung der beiden Regelkreise zur Synchronisierung ist also stets ein lambdageregelter Be trieb für beide Regler gegeben, so daß die Schadstoffkonver tierung im Katalysator verbessert ist. Ferner kann die Lamb da-Amplitude in den Abgas strömen vor dem gemeinsamen Kataly sator minimiert und so ein kleinerer Katalysator verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Lambdaregelung mit zwei Sonden und zwei Reglern für zwei Zylindergruppen einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2A den Schwingungsverlauf der Reglerstellgröße mit der kürzeren Periodendauer (schnellere Schwin gung);

Fig. 2B den Schwingungsverlauf der Regler-Stellgröße mit der längeren Periodendauer (langsamere Schwingung);

Fig. 3 die Ausgangssituation für eine Synchronisierung mit beiden Schwingungen in Anfettungsphase;

Fig. 4 die Ausgangssituation für eine Synchronisierung mit der schnelleren Schwingung in Anfettungsphase und der langsameren Schwingung in Abmagerungsphase;

Fig. 5 die Ausgangssituation für eine Synchronisierung mit der schnelleren Schwingung in Abmagerungsphase und der langsameren Schwingung in Anfettungsphase; und

Fig. 6 die Ausgangssituation für eine Synchronisierung mit beiden Schwingungen in Abmagerungsphase.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine BKM mit zwei unter schiedlichen Zylindergruppen Z_A und Z_B. Im Ansaugkanal der ersten Zylindergruppe Z_A ist eine erste Einspritzanlage E_A mit Einspritzventilen und im Ansaugkanal für die Zylinder gruppe Z_B ist eine entsprechende Einspritzanlage E_B vorhan den. Im Abgaskanal der Zylindergruppe Z_A liegt eine Lambda sonde λ_A und im Abgaskanal der Zylindergruppe Z_B eine Lambda sonde λ_B. Beide Teilabgaskanäle führen in einen gemeinsamen Kanal K, in dem ein Katalysator KAT angeordnet ist. Jede Ein spritzanlage E_A und E_B erhält ein Stellsignal von einem Reg ler R_A und R_B. Jedem Regler R_A, R_B wird ein Signal für die Re gelabweichung zugeführt, das in der Vergleichsstufe V_A, V_B jeweils aus einem vorgegebenen Lambda-Sollwert und den von den Lambdasonden λ_A und λ_B gemessenen Istwerten ermittelt wird.

Da beide Regler R_A und R_B voneinander unabhängig arbeiten, werden im Normalfall die Schwingungen der Stellgröße eine un terschiedliche Periodendauer aufweisen, d. h. die eine Schwin gung schwingt schneller als die andere. Es kann also entweder die Stellgröße des Reglers R_A die schnellere Schwingung sein, was in der folgenden Beschreibung mit dem Index 1 bezeichnet ist, oder auch die langsamere Schwingung sein, was im folgenden mit dem Index 2 bezeichnet ist. Daraus folgt, daß dann die Schwingung des Reglers R_B im erstgenannten Fall die langsamere ist und mit dem Index 2 bezeichnet ist, während im zweiten Fall die Schwingung des Reglers R_B die schnellere ist und so mit dem Index 1 bezeichnet ist. Die schnellere Schwingung ist in Fig. 2A und die langsamere Schwingung in Fig. 2B dargestellt. Eine Synchronisiereinheit S greift je weils in den Regler R_A oder R_B mit der schnelleren Schwingung ein, wie noch erläutert wird.

Beide Schwingungen weisen einen charakteristischen Verlauf auf: In der Periode T₁ der schnelleren Schwingung (Fig. 2A) steigt die Stellgröße mit einer Steigung i₁ kontinuierlich an, d. h. das Gemisch wird angereichert oder angefettet bis nach einer Totzeit τ₁⁺ nach dem Nulldurchgang eine Amplitude r₁' erreicht ist. Bei dieser Amplitude r₁' spricht der Regler R_A an, wobei angenommen wird, daß der Regler R_A die schnelle re Schwingung liefert, und gibt einen Regelparameter vor, mit dem die Stellgröße um die Sprunghöhe p₁ verkleinert wird, d. h., es erfolgt eine Signaländerung in Richtung einer Gemisch abmagerung. Danach schließt sich eine weitere Phase an, in der das Gemisch längs der Steigung j₁ abgemagert wird, bis nach einer Totzeit τ₁⁻ nach dem Nulldurchgang eine untere Am plitude r₁'' erreicht ist. Jetzt greift wiederum ein Regelpa rameter ein und das Signal springt um den Betrag q₁ in Rich tung auf Gemischanfettung zurück. Anschließend wird wiederum das Signal auf kontinuierliche Gemischanreicherung längs der Steigung i₁ umgeschaltet. Bei Nulldurchgang des Signals ist die Schwingungsperiode T1 beendet und die Schwingung setzt sich in der beschriebenen Weise fort, d. h. auf eine Anfet tungsphase des Gemisches folgt eine Abmagerungsphase, wobei beide Phasen durch einen Signalsprung p₁ bzw. q₁ eingeleitet werden, um die Periodendauer der Schwingung zu verringern und damit die Regelung zu beschleunigen. Die jeweilige Amplitude r₁', r₁'' wird von der Totzeit τ₁⁺, τ₁⁻ und der Steigung i₁, j₁ bestimmt.

Fig. 2B zeigt einen entsprechenden Stellgrößenverlauf der Schwingung des zweiten Reglers R_B, wobei angenommen wird, daß dieser Regler R_B die langsamere Schwingung liefert, die also die längere Periodendauer T2 besitzt.

Aus den Fig. 2A und 2B geht ferner hervor, daß sich die Peri odendauer T1 bzw. T2 jeweils aus den einzelnen Abschnitten τ⁺, τ⁻ und a, b zusammensetzt. Dabei steht τ⁺ für die Totzeit bei einer Anfettung und τ⁻ für die Totzeit bei einer Abmage rung des Gemisches. Damit wird die Periodendauer T der Schwingungen wie folgt bestimmt:

T = τ⁺ + a τ⁻ + b (1)

mit

und r' = i.τ⁺, r'' =-j.τ⁻ (3a, b)

erhält man

Es ist ersichtlich, daß die Proportionalanteile p und q, also die Sprunghöhen bei Anfettung und Abmagerung, linear in Glei chung (4) eingehen.

Es muß gelten:

P < iτ⁺, q < jτ⁻ (5a, b)

Im folgenden wird nun erläutert, wie beide Reglerschwingungen miteinander synchronisiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die beiden Schwingungen so mitein ander zu synchronisieren, daß jede beliebige Phasenverschie bung zwischen den beiden Schwingungen realisierbar ist. Für einen Testzyklus des Katalysators soll beispielsweise eine Phasenverschiebung von 0° zwischen den beiden Schwingungen einstellbar sein. Andererseits kann eine Phasenverschiebung von bis zu 180° erforderlich sein, um eine maximale Schad stoffkonvertierung im Katalysator zu erreichen. Bei einer Phasenverschiebung von 180° sollen die Schwingungen beider Regler so einander angepaßt werden, daß das Gemisch in der einen Zylindergruppe gerade in Richtung "Fett" schwingt, wenn das Gemisch in der anderen Zylindergruppe in Richtung "Mager" schwingt. Die Abgase des fetten und des mageren Gemisches der beiden Zylindergruppen kommen im Sammelrohr vor dem Katalysa tor zusammen und führen im Katalysator zu einem Abgaswert, der etwa den Lambdawert 1 hat. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den beiden Schwingungen vorhanden sein soll, da Katalysatoren in der Regel nur dann optimal arbeiten, wenn sie jeweils während einer Halbperiode der Regelschwingung oxidierend und während der anderen Halbperiode reduzierend arbeiten können.

Zur Synchronisierung der beiden Regler R_A und R_B ist in Fig. 1 eine Synchronisiereinheit S vorgesehen, welche die Regleraus gangsgrößen erhält und auf einen Regler so einwirkt, daß des sen Schwingung an die Schwingung des anderen freilaufenden Reglers angepaßt wird.

Im folgenden wird zur einfacheren Darstellung davon ausgegan gen, daß die Synchronisierung der beiden Schwingungen für ei ne Phasenverschiebung von 0° erfolgen soll. Dabei soll die langsamere Schwingung, also die in Fig. 2B dargestellte Schwingung, unverändert bleiben und die schnellere Schwingung in Fig. 2A soll angeglichen werden.

Dabei liegt der Gedanke zugrunde, daß es jedenfalls möglich ist, die schnellere Schwingung langsamer zu machen, als umge kehrt eine langsamere Schwingung schneller zu machen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist daher die langsamere Schwin gung die Bezugsschwingung und wird die schnellere Schwingung synchronisiert. Der Beginn der Synchronisationsphase wird als Zeitpunkt t = t* definiert, wenn die schnellere Schwingung einen Sprung p₁ oder q₁ aufweist.

Es gilt:
T₁ < T₂, t = t*, T*_1/2 = T_1/2(t*)

Fall I (Anfetten):
T*₁ = T'₁ = i₁τ⁺₁ (6a)

Fall II (Abmagern):
T*₁ = T₁'' = -j₁τ₁⁻ (6b)

Für die Phasenverschiebung 0° wird die schnellere Schwingung so eingestellt, daß sie zur gleichen Zeit in die gleiche Richtung springt wie die langsamere Schwingung, die unbeein flußt bleibt. Dann ist die Synchronisation abgeschlossen.

Für die Berechnung möglicher Synchronisationspunkte müssen erneut zwei Fälle unterschieden werden.

Fall A (steigend):
₂(t*) = i₂ (7a)

Fall B (fallend):
₂(t*) = j₂ (7b)
mit ₂ = dr₂/dt

Für die Zeitdauer Δt₂ bis zum nächsten Sprung der langsameren Schwingung gilt:

Fall A:

Fall B:

Daraus ergeben sich als mögliche Synchronisationspunkte:

Fall A (steigend):
Δt₂ = Δt_2A + n.T₂ (9a)

oder

Δt₂ = Δt_2A + n.T₂ + a₂ + τ₂⁻ (9b)

Fall B (fallend):
Δt₂ = Δt_2B + n.T₂ (9c)

oder

Δt₂ = Δt_2B + n.T₂ + b₂ + τ₂⁺ (9d)

mit n = 0, 1, . . ., ∞ für alle vier Fälle.

Es stellt sich also die Aufgabe, das kürzeste Δt₂, also die Zeit ab dem Zeitpunkt t* (Sprung der schnelleren Schwingung) bis zum nächstmöglichen Sprung der langsameren Schwingung zu bestimmen, bei dem die Synchronisierung der schnelleren Schwingung erfolgen kann, deren Sprunghöhe geändert werden soll.

Die schnellere Schwingung wird nur über den P-Anteil (p₁, q₁) des Reglers beeinflußt, es wird also nur die Sprunghöhe geän dert, während der I-Anteil (i₁, j₁) des Reglers und damit die eingestellten Lambda-Amplituden gleichbleiben sollen, die Steigungen bleiben also konstant.

Es können vier verschiedene Situationen auftreten, wie sie in den Fig. 3 bis 6 dargestellt sind,
Fall IA (Fig. 3)

Annahme

(5a, b) muß erfüllt sein:

q₁ < j₁τ₁⁻, p₁ < i₁ τ₁⁺

sonst geht Fall IA über in Fall IB

mit

Δt'₂ = Δt₂ + a₂ + τ₂⁻ (12)

Fall IB (Fig. 4):

(5a) muß erfüllt sein:

p₁ < i₁ τ₁⁺

sonst geht Fall IB über in Fall IA

mit

Δt₂' = Δt₂ + b₂ + τ₂⁺ (14)

Fall IIA (Fig. 5):

(5b) muß erfüllt sein:

q₁ < j₁ τ₁⁻

sonst geht Fall IIA über in Fall IIB

mit

Δt₂' = Δt₂ + a₂ + τ₂⁻ (16)

Fall IIB (Fig. 6): analog zu Fall IA

Werden Maximalwerte für q1, p1 überschritten, so erhält man Fall IIA

mit

Δt₂' = Δt₂ + b₂ + τ₂⁺

Im synchronen Betrieb müssen die Sprungzeiten der schnelleren Schwingung an diejenigen der langsameren Schwingung angepaßt werden. Unter der Voraussetzung, daß beide Schwingungen zum Zeitpunkt t = t* + Δt₂ synchronisiert sind, ergibt sich in der Regel abwechselnd die Synchronisationsaufgabe IB oder IIA, um den synchronen Betrieb auch beim Auftreten von Störungen sicherzustellen, d. h. es ist bei jedem Sprung der ursprüng lich schnelleren Schwingung die Synchronisationsaufgabe neu zu lösen.

Soll die Synchronisierung der beiden Schwingungen mit anderen Phasenverschiebungswinkeln ϕ erfolgen, so sind die Gleichun gen für die Werte Δt₂ mit den entsprechenden gewünschten Win keln zu ergänzen. Hierfür gilt:

Δt_2ϕ = Δt₂ + T_p

mit

Claims

1. Verfahren zur Lambda-Regelung einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen, mit je einer Lambda-Sonde im Ab gasstrom jeder Zylindergruppe und je einem Regler für eine Zweipunktregelung des Brennstoff/Luft-Gemisches im Ansaug kanal jeder Zylindergruppe und mit einem gemeinsamen Kata lysator, wobei die von jedem Regler erzeugte Stellgröße für die Brennstoff-Einspritzanlage jeder Zylindergruppe eine Schwingung ausführt, die sich aus einem das Gemisch anfet tenden ansteigenden Signal, einem das Gemisch abmagernden Sprungsignal, einem das Gemisch weiter abmagernden fallenden Signal und einem das Gemisch anfettenden Sprungsignal zusammensetzt, und wobei eine vorbestimmte Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen beider Reglerstellgrößen eingestellt wird, indem Kenngrößen beider Reglerstellgrößen gemessen werden, die eine Reglerstellgröße als Bezugsphase verwendet wird und die Phase der anderen Reglerstellgröße verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die langsamere Schwingung mit der längeren Periodendauer (Index 2) als Bezugsphase ausgewählt wird und die schnellere Schwingung mit der kürzeren Periodendauer (Index 1) so verändert wird, daß eines ihrer Sprungsignale (p₁, q₁) die vorbestimmte Phasenverschiebung zum entsprechenden Sprungsignal (p₂, q₂) der langsameren Schwingung aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung die Sprunghöhe eines oder beider Sprungsignale (p₁, q₁) der schnelleren Schwingung verändert wird und die Amplituden (r₁', r₁'') des ansteigenden und fallenden Signals der schnelleren Schwingung konstant gehalten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Sprunghöhen (p₁, q₁) beider Sprungsignale der schnelleren Schwingung konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Synchronisierung jeweils dann ausgelöst wird, wenn in der schnelleren Schwingung ein Sprungsignal festgestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß abhängig von Kenngrößen der beiden Schwin gungen bei Auslösung der Synchronisierung (t*) die Sprunghöhe der schnelleren Schwingung in einer der folgenden Schwin gungsperioden verändert wird, also die Amplituden (r₁', r₁'') des ansteigenden und abfallenden Signals der schnelleren Schwingung unverändert bleiben.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung der schnelleren Schwingung mit der langsameren Schwingung mit einer Phasen verschiebung zwischen 0° und 180° erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als Regler ein PI-Regler verwendet wird, dessen P-Anteil zur Einstellung der Sprunghöhe verändert wird und dessen I-Anteil zum Konstanthalten der Steigung und der Amplitude des ansteigenden und fallenden Signals konstant ge halten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Signalamplituden der schnelleren und langsameren Schwingung in einem Katalysator-Testzyklus um je einen Faktor so erhöht werden, daß beide Schwingungen die gleiche Amplitude aufweisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß in einer Testphase die Synchronisation bei der Schwingungen in einem bestimmten Toleranzbereich geprüft wird.