DE10035238A1 - Kraftstoff-Luft-Mengenregelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Luft-Mengenregelung einer Brennkraftmaschine, deren Abgasstrang einen Katalysator zur Konvertierung schädlicher bzw. giftiger Abgaskomponenten in ungiftige bzw. unschädliche Gase aufweist. Bei der Regelung wird die mengenmäßige Beladung des Katalysators mit Sauerstoff erfaßt und ständig zwischen vorgegebenen Schwellwerten gehalten.

Description

Die Erfindung betrifft die Kraftstoff-Luft-Mengenregelung einer Brennkraftmaschine, deren Abgasstrang einen schädliche bzw. giftige Abgaskomponenten in ungiftige Gase konvertierenden Katalysator mit begrenzter Kapazität zur Aufnahme von Sauerstoff bei Betrieb des Motors mit magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. zur Abgabe von Sauerstoff bei Betrieb des Motors mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch aufweist.

Im Abgasstrang der Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen sind heute regelmäßig Katalysatoren angeordnet, um schädliche bzw. giftige Abgaskomponenten in ungiftige Gase konvertieren zu können. Für eine optimale Wirkung des Katalysators ist es notwendig, den Sauerstoffgehalt der Abgase des Motors nahe eines optimalen Wertes zu halten. Bei derzeitigen Katalysatoren ist dies gleichbedeutend damit, daß der λ-Wert der Abgase etwa das Maß 1hat. Um dies zu erreichen, werden die dem Motor zugeführten Mengen der Verbrennungsluft sowie des in den Motor eingespritzten Kraftstoffes entsprechend gesteuert bzw. geregelt. In diesem Zusammenhang wird in der DE 40 00 616 A1 vorgeschlagen, das Verhältnis zwischen dem Motor zugeführter Verbrennungsluft und in den Motor eingespritztem Kraftstoff so zu regeln, daß sich innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein λ-Mittelwert nahe eines vorgegebenen Soll-Wertes (= 1) einstellt.

Auf diese Weise soll berücksichtigt werden, daß der Konvertierungsgrad des Katalysators von dem zur Verfügung stehenden Sauerstoffanteil im Abgas abhängig ist und auch von dem Sauerstoff beeinflußt wird, welcher aufgrund einer gegebenenfalls erfolgten Speicherung von Sauerstoff im Katalysator vom Katalysator abgegeben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Wirkungsweise, das heißt den Konvertierungsgrad, des Katalysators noch weiter zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Differenz zwischen Sauerstoff-Überschußmengen und Sauerstoff- Fehlmengen des Abgases ermittelt und dem Motor Verbrennungsluft und/oder Kraftstoff derart gesteuert zugeführt wird, daß die Differenz der vorgenannten Mengen zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert bzw. zwischen einem Schwellwert für maximale Überschußmenge und einem Schwellwert für maximale Fehlmenge bleibt.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die mengenmäßige Beladung des Katalysators mit Sauerstoff zu erfassen und innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches zu halten. Dies ist gleichbedeutend damit, daß abweichend vom Stand der Technik nicht nur der λ-Wert der Abgase sondern auch die Abgasmengen bzw. die Stromstärke der Abgase berücksichtigt werden, um die Füllung des Katalysators mit Sauerstoff zu erfassen. Auf diese Weise läßt sich einerseits, die Speicherfähigkeit des Katalysators für Sauerstoff ausnutzen und andererseits gewährleisten, daß hinter dem Katalysator nur unschädliche bzw. ungiftige Abgasbestandteile vorliegen.

Die Erfindung läßt sich in sehr leichter Weise ausführen.

Im wesentlichen genügt es, zumindest näherungsweise ein Zeitintegral eines Produktes aus Strömung der Verbrennungsluft und positiver bzw. negativer Abweichung des λ-Ist-Wertes vom λ- Soll-Wert zu bilden und die Verbrennungsluft sowie die Einspritzmengen des Kraftstoffes für den Motor so zu steuern, daß das Zeitintegral zwischen den Schwellwerten bleibt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann der λ-Ist-Wert der Abgase vor dem Katalysator durch Erfassung der dem Motor zugeführten Luft- und Kraftstoffmengen und/oder durch eine vor dem Katalysator angeordnete Meßsonde ermittelt werden.

Die Berechnung des λ-Ist-Wertes erfolgt vorzugsweise während einer Startphase des Verbrennungsmotors bzw. der Meßsonde. Nach Abschluß der Startphase werden dann anstelle der berechneten λ-Ist-Werte die gemessenen Ist-Werte ausgewertet.

Gleichwohl kann die Berechnung der Ist-Werte weiterhin durchgeführt werden, um Abweichungen zwischen den gemessenen und den berechneten Werten zu erfassen und eine die berechneten Werte an die Messwerte angleichende Korrektur zu ermitteln, welche dann bei einer späteren Startphase automatisch bei der Berechnung der λ-Ist-Werte berücksichtigt wird. Damit kann der Sauerstoffgehalt der Abgase auch dann sehr genau ermittelt werden, wenn die optimalen Betriebsparameter für die Meßsonde nach nicht erreicht und dementsprechend die von der Meßsonde gelieferten Meßsignale noch unzuverlässig sind.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem Katalysator eine bzw. eine weitere Meßsonde angeordnet, um die Qualität der in die Atmosphäre abgeführten Abgase unmittelbar ermitteln zu können und die oben genannten Schwellwerte aneinander anzunähern, wenn von der letztgenannten Meßsonde gelieferte λ-Meßwerte außerhalb eines Toleranzbereiches liegen.

Auf diese Weise erfolgt automatisch eine Adaption der Motorsteuerung an die mit zunehmendem Alter des Katalysators abnehmende Speicherfähigkeit für Sauerstoff.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterungen der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.

Dabei zeigt die einzige Figur eine schaltplanartige Darstellung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Mengenregelung einer Brennkraftmaschine.

Gemäß der Zeichnung wird einem Verbrennungsmotor 1 über einen Luftmengenmesser 2 Verbrennungsluft und über eine Einspritzanlage 3 Kraftstoff zugeführt. Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 entstehenden Abgase strömen über eine erste λ-Sonde 4, einen Katalysator 5 sowie eine zweite λ-Sonde 6 in die Atmosphäre. Zur Erfassung seiner Drehzahlen ist dem Verbrennungsmotor 1 ein Drehzahlgeber 7 zugeordnet.

Die Signale des Luftmengenmessers 2 werden einerseits einer Vorsteuerung 8 der Einspritzanlage 3 und andererseits einem ersten Rechnerkreis 9 sowie einem weiteten Rechnerkreis 10 zugeführt.

Die Vorsteuerung 8 ist ausgangsseitig mit einem Eingang eines Summierers 11 verbunden, der über einen weiteren Eingang an den Ausgang eines Proportional-Integral-Reglers 12 angeschlossen ist. Ausgangsseitig ist der Summierer 11 mit dem Rechnerkreis 9 sowie mit einem Steuereingang der Einspritzanlage 3 verbunden.

Der Drehzahlgeber 7 ist einerseits mit einem Eingang des Rechnerkreises 9 und andererseits mit einem Eingang des Reglers 12 gekoppelt.

Die λ-Sonde 4 ist an einen weiteren Eingang des Rechnerkreises 9 angeschlossen. Dieser ist ausgangsseitig mit einem Eingang des Rechnerkreises 10 sowie einem Eingang eines Summierers 13 verbunden.

Die λ-Sonde 4 ist mit einem weiteren Eingang des Rechnerkreises 10 verbunden. Deren Ausgang führt zu einem weiteren Eingang des Reglers 12.

Die dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Beim Betrieb des Motors 1 wird die für jeden Verbrennungstakt vorgesehene Menge des über die Einspritzanlage 3 eingespritzten Kraftstoffes durch das vom Summierer 11 abgegebene Ausgangssignal bestimmt, welches seinerseits durch das den Zustrom der Verbrennungsluft wiedergebende Ausgangssignal der Vorsteuerung 8 sowie das Ausgangssignal des Reglers 12 bestimmt wird.

Der Ist-Wert des λ-Verhältnisses der Abgase des Motors 1 wird von der λ-Sonde 4 erfaßt und bei Normalbetrieb unverändert vom Rechnerkreis 9 an den Summierer 13 weitergeleitet. Allerdings braucht die Sonde 4 nach dem Start des Motors 1 regelmäßig eine gewisse Zeit, bis reproduzierbare Signale erzeugt werden können. Innerhalb dieser Zeitspanne kann der Rechnerkreis 9 den λ-Ist-Wert zumindest näherungsweise rechnerisch ermitteln aus der vom Luftmengenmesser 2 erfaßten Strömung der Verbrennungsluft, dem die Einspritzmengen wiedergebenden Ausgangssignal des Summierers 11 sowie der vom Drehzahlgeber 7 erfaßten Drehzahl des Motors 1. Solange also die Sonde 4 noch nicht vollständig betriebsbereit ist, gibt der Rechnerkreis 9 an seinem Ausgang ein das Ausgangssignal der Sonde 4 ersetzendes, errechnetes Signal ab, nach Erreichung der Betriebsbereitschaft der Sonde 4 wird deren Signal an den Ausgang des Rechnerkreises 9 gegeben.

Gleichwohl wird weiterhin ein Ersatzsignal berechnet und mit dem Signal der Sonde 4 verglichen. Entsprechend der Abweichung zwischen den Signalen wird eine Korrektur bestimmt, die dann bei nachfolgenden Berechnungen des Ersatzsignales berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß das vom Rechnerkreis 9 erzeugte Ersatzsignal den Ist-Wert des λ-Verhältnisses der Abgase im wesentlichen realistisch wiedergibt.

Im Summierer 13 wird der λ-Ist-Wert, das heißt das Signal der Sonde 4 oder das Ersatzsignal des Rechnerkreises 9, mit einem Soll-Wert λ_Soll verglichen. Die Soll-Ist-Wert-Abweichung wird dem Regler 12 zugeführt, so daß dieser über den Summierer 11 sowie davon gesteuerte Einspritzanlage 3 die eingespritzte Kraftstoffmenge verändern kann, um die Regelabweichung auszugleichen. Zur Beschleunigung des Ausgleiches der Regelabweichung berücksichtigt der Regler 12 auch die vom Drehzahlgeber 7 erfaßten Drehzahlen des Motors 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Rechnerkreis 10 ein Zeitintegral eines Produktes aus Strömung der Verbrennungsluft und positiver bzw. negativer Abweichung des λ-Ist-Wertes vom λ- Soll-Wert bilden kann. Dazu erhält der Rechnerkreis 10 die Luftmengensignale des Luftmengenmessers 2 sowie den λ-Ist-Wert, das heißt das Ausgangssignal der Sonde 4 oder das Ersatzsignal des Rechnerkreises 9, sowie den Soll-Wert λ_Soll.

Des weiteren prüft der Rechnerkreis 10, ob dasvor genannte Integral, welches die Sauerstoff-Beladung des Katalysators 5 wiedergibt, zwischen einem Schwellwert für maximale Säuerstoff-Überschußmenge und einem Schwellwert für maximale Sauerstoff-Fehlmenge liegt. Werden diese Grenzwerte erreicht bzw. überschritten, gibt der Rechnerkreis 10 entsprechende Signale an den Regler 12, so daß dieser die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöhen oder vermindern kann, das heißt die Betriebsweise des Motors 1 in Richtung Fett- oder Magerbetriebes verschiebt.

Mit der Abgassonde 6 wird der λ-Wert der an die Atmosphäre abgeführten Abgase erfaßt. Sollte dieser Wert, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vom Rechnerkreis 10 ausgewertet wird, außerhalb eines Toleranzbandes liegen, nähert der Rechnerkreis die vorgenannten Schwellwerte für maximale Sauerstoff-Überschußmengen und maximale Sauerstoff- Fehlmengen der Abgase aneinander an, so daß das Verhalten des Reglers 12 bei Erreichen bzw. Überschreiten entsprechend abgeänderter Schwellwerte vom Rechnerkreis 10 zur Erzielung eines verstärkten Mager- oder Fettbetriebes des Motors 1 verändert wird. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß der Katalysator 5 aufgrund von Alterungsprozessen im Laufe der Zeit zunehmend weniger Sauerstoff zu speichern vermag.

Claims (7)

1. Kraftstoff-Luft-Mengenregeluhg einer Brennkraftmaschine (1), deren Abgasstrang einen schädliche bzw. giftige Abgaskomponenten in ungiftige Gase konvertierenden Katalysator (5) mit begrenzter Kapazität zur Aufnahme von Sauerstoff bei Betrieb des Motors mit magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. zur Abgabe von Sauerstoff bei Betrieb des Motors mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz zwischen Sauerstoff-Überschußmengen und Sauerstoff-Fehlmengen des Abgases ermittelt und dem Motor Verbrennungsluft und/oder Kraftstoff derart gesteuert zugeführt wird, daß die Differenz der vorgenannten Mengen zwischen einem oberen und einem unteren Schwellwert bzw. einem Schwellwert für maximale Überschußmenge und einem Schwellwert für maximale Fehlmenge bleibt.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffanteil der Abgase rechnerisch durch Erfassung von dem Motor zugeführten Luft- und Kraftstoffmengen und/oder durch eine stromauf des Katalysators angeordnete Meßsonde (4) ermittelt wird.

3. Regelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Katalysator (5) eine Meßsonde nachgeschaltet ist und die Schwellwerte aneinander angenähert werden, wenn von der letztgenannten Sonde (6) gelieferte Meßwerte außerhalb eines Toleranzbereiches liegen.

4. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoff- und Luftmengen bei stationärem Betrieb des Motors so gesteuert werden, daß die Differenz zwischen Sauerstoff-Überschußmengen und Sauerstoff-Fehlmengen des Abgases näher am Schwellwert für die maximale Sauerstoff- Überschußmenge bleibt.

5. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest näherungsweise ein Zeitintegral eines Produktes aus Zustrom von Verbrennungsluft zum Motor und positiver bzw. negativer Abweichung des Ist-Wertes des Sauerstoffanteiles der Abgase vom entsprechenden Soll-Wert gebildet und der Motor so gesteuert wird, daß das Zeitintegral zwischen den Schwellwerten für maximale Sauerstoff-Überschußmenge und maximale Sauerstoff-Fehlmenge bleibt.

6. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Startphase der stromauf des Katalysators angeordneten Meßsonde berechnete und bei weiterem Betrieb gemessene Werte für den Sauerstoffanteil der Abgase verwertet werden.

7. Regelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim weiteren Betrieb Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Werten erfaßt und für eine zukünftige Berechnung eine die berechneten Werte an die Meßwerte angleichende Korrektur ermittelt wird.