DE102006011722B3 - Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Lambdasonde - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Breitbandlambdasonde einer Brennkraftmaschine. Im Rahmen dieses Verfahrens wird der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den durch die Breitbandlambdasonde bestimmten Lambdawert erkannt und mit Hilfe eines Kompensationsmodells herausgerechnet. Zu diesem Zweck wird eine gemessene Luftfeuchtigkeit in die Kalibrierung der Breitbandlambdasonde während einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine einbezogen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Lambdasonde, insbesondere unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit der durch eine Brennkraftmaschine angesaugten Luft.
- Die Anforderungen an heutige Brennkraftmaschinen nehmen ständig zu. Dies gilt sowohl für Brennkraftmaschinen, die mit Dieselkraftstoff arbeiten, als auch für jene, die mit Benzin oder anderen Kraftstoffen betrieben werden. Neben einer ständig steigenden Leistung fordert man ebenfalls von der Brennkraftmaschine eine sukzessive Reduktion schädlicher Abgasemissionen.
- Niedrige Emissionen von schädlichen Abgasen werden mit Hilfe von Niedrigemissionskonzepten realisiert. Diese stützen sich technisch beispielsweise auf die Anwendung von Katalysatoren und Breitbandlambdasonden. Das Ausgangssignal von Breitbandlambdasonden ist jedoch mit Ungenauigkeiten behaftet. Zum effektiven Ausgleich dieser Ungenauigkeiten und zum Kalibrieren der verwendeten Breitbandlambdasonde offenbart die DE-A-198 42 425 C2 ein Verfahren zur Korrektur der Kennlinie der Lambdasonde. Diese Korrektur bzw. die Anpassung der Breitbandlambdasonde wird in einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine, d. h. ohne Einspritzung von Kraftstoff, durchgeführt. Somit kann innerhalb dieser Schubabschaltphase der durch die Breitbandlambdasonde gemessene Wert mit dem Sollwert für reine Luft verglichen werden. Zur Kalibrierung des gemessenen Werts auf den Sollwert für reine Luft wird ein Kalibrierfaktor bestimmt. Aufgrund der Einfachheit und Verlässlichkeit des Verfahrens der DE-A-198 42 425 C2 wird es in serienmäßig gefertigten Kraftfahrzeugen eingesetzt.
- Nachteilig ist jedoch, dass bei dem durch die DE-A-198 42 425 C2 beschriebenen Verfahren ein Einfluss der Luftfeuchtigkeit der angesaugten Luft der Brennkraftmaschine unberücksichtigt bleibt. Beim Ansaugen von gesättigter Luft von 30°C wird beispielsweise gemäß Herstellerangaben der Breitbandlambdasonde durch den Einfluss der Luftfeuchtigkeit eine Ungenauigkeit von über 4% hervorgerufen. Diese Toleranz besitzt einen erheblichen Einfluss auf die Emissionen der Brennkraftmaschine und soll daher verringert werden.
- Aus
US 6,882,929 B2 ist es bekannt, im Rahmen eines Modells einen Nach-Kat NOX-Sensor zu modellieren. Hierbei wird auch die Luftfeuchte in die Betrachtung des Modells mit einbezogen. Die vorausbestimmten NOX-Nach-Kat-Werte werden mit den gemessenen Werten verglichen und eine etwaige Abweichung zum Anlaß genommen, das Modell zur Berechnung der NOX-Werte zu korrigieren. - Aus
US 6,820,461 B2 ist es bekannt, bei der Berechnung des Luftmassenstroms in dem Katalysator die Luftfeuchte zu berücksichtigen. - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Breitbandlambdasonde einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
- Die obige Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen dieses Verfahrens gehen aus der folgenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen hervor.
- Das obige Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Breitbandlambdasonde einer Brennkraftmaschine umfasst die folgenden Schritte: a) Erkennen einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine und Erfassen einer Abgaszusammensetzung mit Hilfe der Breitbandlambdasonde in der Schubabschaltphase, so dass die Breitbandlambdasonde auf eine bekannte Abgaszusammensetzung kalibrierbar ist, b) Erfassen einer Luftfeuchtigkeit einer durch die Brennkraftmaschine angesaugten Luft und c) Berechnen eines Kalibrierfaktors einer Kennlinie der Breitbandlambdasonde unter Einbeziehung der erfassten Abgaszusammensetzung und der erfassten Luftfeuchtigkeit.
- Im Vergleich zum Stand der Technik, zu dem der Verfahrensschritt a gehört, wird die bisher nicht berücksichtigte Erkenntnis genutzt, dass die in der angesaugten Luft einer Brennkraftmaschine enthaltene Luftfeuchtigkeit Schwankungen in der Ermittlung der Abgaszusammensetzung durch eine Breitbandlambdasonde hervorruft. Diese Schwankungen sind so groß, dass sie nicht vernachlässigt werden dürfen, um Niedrigemissionskonzepte heutiger Brennkraftmaschinen und Kraftfahrzeuge zu erfüllen. Aus diesem Grund wird das aus der DE-A-198 42 425 C2 bekannte Verfahren zur Korrektur der Kennlinie der Breitbandlambdasonde um eine Korrektur unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit erweitert. Bisher wurde nämlich der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den Betrieb der Breitbandlambdasonde vernachlässigt.
- Als Grundlage für das obige Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals der Breitbandlambdasonde wird die Luftfeuchtigkeit der durch die Brennkraftmaschine angesaugten Luft ermittelt. Dieser Wert für die Luftfeuchtigkeit wird im Rahmen eines Kalibrierfaktors der Kennlinie der Breitbandlambdasonde berücksichtigt, um die Kennlinie der Breitbandlambdasonde während einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine auf die erfasste Abgaszusammensetzung reiner Luft zu kalibrieren. Durch das Erfassen der Luftfeuchtigkeit wird im Kalibrierfaktor berücksichtigt, dass die in der angesaugten Luft gespeicherte Feuchtigkeit den Sauerstoffanteil der angesaugten Luft reduziert. Auf diese Weise erfolgt eine Genauigkeitssteigerung der Breitbandlambdasonde, die einen reduzierten Ausstoß schädlicher Abgase der Brennkraftmaschine gewährleistet.
- Gemäß einer Alternative der vorliegenden Erfindung beschreibt man eine Empfindlichkeit der Breitbandlambdasonde gegenüber der Luftfeuchtigkeit mit einem Luftfeuchtigkeitsfaktor und rechnet diesen Luftfeuchtigkeitsfaktor in oben genannten Kalibrierfaktor ein (Anspruch 2).
- Es ist des Weiteren bevorzugt, die Luftfeuchtigkeit über einen Luftfeuchtigkeitssensor zu erfassen, der beispielsweise in einem Ansaugtrakt, einer Klimaanlage oder anderswo im Kraftfahrzeug angeordnet ist (Anspruch 3).
- Es ist ebenfalls denkbar, den Luftfeuchtigkeitsfaktor auf der Grundlage von Herstellerangaben zu definieren, die die Empfindlichkeit der genutzten Breitbandlambdasonde gegenüber einer in der Luft gespeicherten Feuchtigkeit charakterisieren. Als weitere Alternative wird eine Abhängigkeit eines Messverhaltens der Breitbandlambdasonde von der Luftfeuchtigkeit bei gezielter Änderung der Luftfeuchtigkeit ermittelt, um daraus einen Luftfeuchtigkeitsfaktor oder eine Funktion für den Luftfeuchtigkeitsfaktor zu bestimmen.
- Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Genauigkeit des Ausgangssignals einer Breitbandlambdasonde einer Brennkraftmaschine im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert. Breitbandlambdasonden sind allgemein bekannt und werden von verschiedenen Herstellern angeboten.
- Zur Kalibrierung der Breitbandlambdasonde wird eine Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine erkannt oder gezielt angesteuert. Nachfolgend wird während dieser Schubabschaltphase die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine mit Hilfe der Breitbandlambdasonde gemessen. Da in der Schubabschaltphase keine Verbrennung stattfindet, ist mit Hilfe der Breitbandlambdasonde die durch die Brennkraftmaschine angesaugte Luft auswertbar. Diese hat einen bekannten Sauerstoffgehalt von ca. 21%. Auf diese Weise ist der tatsächliche Messwert der Breitbandlambdasonde und somit auch ihre Kennlinie auf den Sollwert des Sauerstoffgehalts von 21% kalibrierbar.
- Die Kalibrierung wird mit Hilfe eines Korrekturfaktors realisiert, mit dem beispielsweise auch Bauteiltoleranzen und eine Drift des Messsignals der Breitbandlambdasonde aufgrund ihrer Alterung berücksichtigt werden. Die Bestimmung, Form und Funktion dieses Korrekturfaktors ist ausführlich in der DE-A-198 42 425 C2 beschrieben, so dass für weitere Details der Kalibrierung auf dieses Dokument verwiesen wird.
- Im Rahmen der Kalibrierung werden durch verschiedene Einflüsse bewirkte Toleranzen der Breitbandlambdasonde mit Hilfe des Kalibrierfaktors K gemeinsam berücksichtigt. Beispielgebend sind einige Einflüsse und die dadurch bewirkten Toleranzen im Signal der Breitbandlambdasonde in der folgenden Tabelle dargestellt.
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- In der ersten Spalte der obigen Tabelle sind die Größen genannt, die einen Einfluss auf das Signal der Breitbandlambdasonde ausüben. Zu ihnen zählen die Luftfeuchtigkeit, der Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen, die Funktionsgenauigkeit der Lambdasonde, eine Temperaturabhängigkeit des Pumpstroms Ip der Breitbandlambdasonde, der Abgasgegendruck, ein allgemeiner Offset der Breitbandlambdasonde für einen Pumpstrom von Ip = 0. Diese Einflussgrößen erzeugen Schwankungen im Pumpstrom Ip der Breitbandlambdasonde. Diese Schwankungen sind in der zweiten Spalte der Tabelle dargestellt. Die dritte Spalte enthält jeweils die Einheit der in der ersten Spalte aufgelisteten Einflussgrößen. In der vierten Spalte ist der Fehleranteil dargestellt, der sich aufgrund der jeweiligen Einflussgröße unter Annahme typischer Ausfalldaten für eine typische dieselmotorische Anwendung im bereits oben genannten Kalibrierfaktor K ergibt.
- In der vierten Spalte kann man erkennen, dass aufgrund der Luftfeuchtigkeit der größte Fehleranteil in den Kalibrierfaktor K eingebracht wird. Um diesen störenden Einfluss der Luftfeuchtigkeit zu reduzieren, wird ein Kompensationsmodell auf den oben beschriebenen Kalibrierfaktor K angewandt. Das Kompensationsmodell korrigiert das Messsignal oder die Kennlinie der Breitbandlambdasonde in Abhängigkeit von einer erfassten Luftfeuchtigkeit. Als Ausführungsbeispiel nutzt das Kompensationsmodell das Signal eines Luftfeuchtigkeitssensors, der beispielsweise in der Klimaanlage von Kraftfahrzeugen verbaut ist. Alternativ ist es ebenfalls denkbar ein für die Luftfeuchtigkeit repräsentatives Signal mit Hilfe eines Luftfeuchtigkeitsensors im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine oder an einer anderen geeigneten Stelle im Kraftfahrzeug zu generieren.
- Mit Hilfe eines vom Hersteller der Breitbandlambdasonde angegebenen Empfindlichkeitsfaktors bzw. eines Luftfeuchtigkeitsfaktors wird die Fehlerempfindlichkeit der Breitbandlambdasonde in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit beschrieben. Gemäß einer weiteren Alternative wird zunächst die Abhängigkeit eines Messverhaltens der Breitbandlambdasonde bei gezielter Änderung der Luftfeuchtigkeit ermittelt und nachfolgend als funktioneller Zusammenhang in das Kompensationsmodell eingegeben. Wendet man nun das Kompensationsmodell auf den obigen Kalibrierfaktor K an, wird mit Hilfe der Feuchteangabe der durch die Luftfeuchtigkeit bedingte Messfehler quantitativ erkannt und im oben beschriebenen Kalibrierfaktor entsprechend berücksichtigt. Dies steigert deutlich die Genauigkeit der Adaption der Breitbandlambdasonde aus der DE-A-198 42 425 C2, da mit dem Feuchteeinfluss der Parameter mit dem höchsten Fehlerbeitrag herausgerechnet wird.
- Eine Kalibrierung der Breitbandlambdasonde wird bevorzugt über den Pumpstrom Ip der Breitbandlambdasonde durchgeführt. Der obige Kalibrierfaktor K kalibriert dann den gemessenen Pumpstrom Ip puc während der Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine auf einen Soll-Pumpstrom Ip soll entsprechend der Sauerstoffkonzentration in der gemessenen Luft. Dieser Zusammenhang ist in der folgenden Gleichung dargestellt.
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- Es ergibt sich für den Betrieb der Breitbandlambdasonde die Berechnung des Pumpstroms Ip als Quotient aus einem gemessenen Pumpstrom IM und dem Kalibrierfaktor K:
- Um den durch die Luftfeuchtigkeit erzeugten Fehler zu reduzieren, wird während der Berechnung des Kalibrierfaktors K die Luftfeuchtigkeit berücksichtigt. Dies erfolgt mit Hilfe des Feuchtigkeitsfaktors FFeuchte, der die Empfindlichkeit der Breitbandlambdasonde gegenüber der Luftfeuchtigkeit LF beschreibt. Aus diesem Grund wird vor oder während der Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine die Luftfeuchtigkeit LF bestimmt. Im Zusammenhang mit dem Feuchtigkeitsfaktor FFeuchte wird dann der bestimmte Wert für die Luftfeuchtigkeit LF in die Bestimmung des Kalibrierfaktors K einbezogen. Dieser Vorgang erfolgt bevorzugt während oder nach der Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine gemäß der Gleichung:
- Durch die Berücksichtigung des Feuchtigkeitsfaktors FFeuchte wird daher der negative Einfluss der Luftfeuchtigkeit LF minimiert. Ohne den Luftfeuchtigkeitsfaktor muss die Standardtoleranz von 5,5% (vgl. obige Tabelle) auf den Pumpstrom Ip der Breitbandlambdasonde angewandt werden. Daher setzt sich entsprechend diesen 5,5% ein Fehler in dem ermittelten Lambdawert fort. Berücksichtigt man den Luftfeuchtigkeitsfaktor, so ergibt sich eine neue Standardtoleranz des Pumpstroms Ip, die um den Fehlerbeitrag von 4,2% der Luftfeuchtigkeit reduziert ist. Es folgt somit eine deutlich reduzierte neue Standardtoleranz der Breitbandlambdasonde von 3,6%. Da der Fehler bei der Bestimmung des Lambdawerts mit Hilfe der Breitbandlambdasonde basierend auf dem obigen Verfahren deutlich reduziert wird, wird auf diese Weise ebenfalls die Realisierung von Niedrigemissionskonzepten in modernen Brennkraftmaschinen unterstützt.
Claims (4)
- Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Breitbandlambdasonde einer Brennkraftmaschine, das die folgenden Schritte aufweist: a) Erkennen einer Schubabschaltphase der Brennkraftmaschine und Erfassen einer Abgaszusammensetzung mit Hilfe der Breitbandlambdasonde, so dass die Breitbandlambdasonde auf eine bekannte Abgaszusammensetzung kalibrierbar ist, b) Erfassen einer Luftfeuchtigkeit einer Umgebungsluft der Brennkraftmaschine und c) Berechnen eines Kalibrierfaktors der Breitbandlambdasonde unter Einbeziehung der bekannten Abgaszusammensetzung und der erfassten Luftfeuchtigkeit.
- Verfahren gemäß Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt: Beschreiben einer Empfindlichkeit der Breitbandlambdasonde gegenüber der Luftfeuchtigkeit mit einem Luftfeuchtigkeitsfaktor und Einrechnen des Luftfeuchtigkeitsfaktors in den Kalibrierfaktor.
- Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem weiteren Schritt: Erfassen der Luftfeuchtigkeit über einen Luftfeuchtigkeitssensor, insbesondere in einem Ansaugtrakt oder einer Klimaanlage der Brennkraftmaschine.
- Verfahren gemäß Anspruch 2 mit dem weiteren Schritt: Anwenden eines Luftfeuchtigkeitsfaktors gemäß Herstellerangaben für die Breitbandlambdasonde oder Ermitteln einer Abhängigkeit eines Messverhaltens der Breitbandlambdasonde bei gezielter Änderung der Luftfeuchtigkeit.
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