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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
DE 196 36 226 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands einer solchen Abgassonde bekannt geworden, bei dem die Abgassonde mit einem Stromimpuls beaufschlagt wird und aufgrund des sich hierbei einstellenden Spannungsimpulses der Innenwiderstand der Sonde ermittelt wird. Aufgrund dieses Verfahrens und der Vorrichtung ist eine Messung des Innenwiderstands der Abgassonde mit einer minimalen Hardware-Konfiguration möglich. Der Innenwiderstand wird hierbei insbesondere zur Bestimmung der Temperatur der Sonde gemessen, er kann als Ersatzgröße für die Sondentemperatur herangezogen werden. Die Kenntnis der Sondentemperatur ist für mehrere Zwecke nützlich und erforderlich. Unter anderem erlaubt die Kenntnis der Sondentemperatur eine Diagnose der Sondenheizung, wie sie beispielsweise von der amerikanischen Umweltbehörde CARB gefordert wird.
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Von der amerikanischen Umweltbehörde CARB wird auch die Überwachung der sogenannten „response rate“ für derartige Sonden gefordert. Es existiert nun keine exakte Dynamikdiagnose, die mit dem Abgasemissionsgrenzwert korreliert. Aus diesem Grunde werden Dynamikersatzprüfungen vorgenommen, bei denen die Sonden vorzugsweise im Schubbetrieb beobachtet werden. Die Genauigkeit dieser Ersatzverfahren ist wegen der sich ändernden katalytischen Aktivität der in Strömungsrichtung der Abgase vor den Sonden angeordneten Katalysatoren nicht ausreichend für die geforderte Dynamikdiagnose im Zusammenhang mit der On-Board-Diagnose (OBD).
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In der
JP H04 - 233 447 A wird ein Verfahren zur Bestimmung der Alterung eines Sauerstoffsensors beschrieben. Hierzu wird der Sensor durch Schließen und anschließendes Öffnen eines elektrischen Schalters mit einer Spannung (und damit ein Strompuls) beaufschlagt und die von dem Sensor abgegebene Spannung über der Zeit erfasst. Aus der Differenz der vom Sensor abgegebenen Spannung wird auf die Alterung des Sensors geschlossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand eine deutlich verbesserte Dynamikdiagnose für On-Board-Diagnosen (OBD) ermöglicht wird. Grundidee der Erfindung ist es, den zeitlichen Verlauf des Spannungsimpulses, der sich durch Beaufschlagung der Sonde mit einem Stromimpuls einstellt, auszuwerten und aufgrund wenigstens einer auf dem zeitlichen Verlauf des Spannungsimpulses basierenden Größe auf das dynamische Verhalten der Abgassonde zu schließen. Die Erfindung macht sich hierbei die empirisch gefundene Erkenntnis zunutze, dass der zeitliche Verlauf des Spannungsimpulses das dynamische Verhalten der Sonde widerspiegelt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, den Innenwiderstand der die Abgassonde bildenden Nernst-Zelle zu bestimmen. Das dynamische Verhalten derartiger, auch als Zweipunktsonden bezeichneten Abgassonden hängt nämlich insbesondere von der Temperatur der Nernst-Zelle und von dem Leitwert der verwendeten Elektroden ab. Durch Bestimmung des Innenwiderstands der Abgassonde werden beide Einflussgrößen gemessen. Der gemessene Innenwiderstand ist demnach ein Maß für die Dynamik der Sonde.
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Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird als die auf dem zeitlichen Verlauf der Spannungsgröße basierende Größe eine oder mehrere der folgenden Größen herangezogen: das Zeitintegral des Spannungsimpulses in einem vorgebbaren Zeitintervall, die Amplitude des Spannungsimpulses, die Abklingkonstante des Spannungsimpulses. Diese Ausführungsform erlaubt in besonders vorteilhafter Weise die Bestimmung der Sonden-Dynamik über Polarisationseffekte der Sonde, die durch den Stromimpuls erzeugt werden.
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Sofern zusätzlich eine Erfassung der Heizleistung einer Sondenheizung überwacht wird, beispielsweise durch Erfassung des Heizerwiderstands, kann darüber hinaus unterschieden werden, ob eine Heizleistungsminderung vorliegt, oder ob sich das dynamische Verhalten der Sonde verändert hat. Das dynamische Verhalten der Sonde wird nämlich auch durch die Temperatur der Sonde wesentlich beeinflusst. Im Falle einer defekten Sondenheizung kann so nicht ohne weiteres auf das dynamische Verhalten der Sonde geschlossen werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Abgassonde, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt;
- 2 schematisch eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs eines Spannungsimpulses, der aufgrund der Beaufschlagung der Abgassonde mit einem Stromimpuls entsteht, und
- 3 die zeitlichen Verläufe des Stromimpulses, mit dem die Abgassonde beaufschlagt wird, und des sich einstellenden Spannungsimpulses zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt im Schnitt eine Abgassonde. Die Abgassonde 120 ist in einem Abgasrohr, von dem eine Wand 105 dargestellt ist, angeordnet. Diese Wand trennt das Abgas einer Brennkraftmaschine 102 von der Umgebungsluft 103. Die Abgassonde 120 weist in ihrem abgasseitigen Teil einen Festelektrolyten 130 zwischen einer dem Abgas 102 ausgesetzten Messelektrode 140 und einer Referenzelektrode 150 auf. Ein mit der Referenzelektrode 150 in Verbindung stehendes Referenzgasvolumen 160 steht weder mit dem Abgas 102 noch mit der Umgebungsluft in direktem Kontakt. Ein sich eventuell aufbauender Überdruck im Referenzgasvolumen 160 wird über eine indirekte Verbindung zur Umgebungsluft, beispielsweise durch eine porös ausgeführte Messzuleitung 110 abgebaut.
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In 2 ist das Ersatzschaltbild einer solchen Abgassonde mit einer die Nernst-Spannung liefernden Urspannungsquelle 202 und dem Innenwiderstand 203 dargestellt. Der Sonde 201 parallel geschaltet ist eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle 204, die etwa die halbe Nernst-Spannung einer derartigen Sonde, d.h. etwa 450 mV liefert, und einem Widerstand 205, der etwa dem Wert des Sondeninnenwiderstandes beim Einsetzen der Betriebsbereitschaft infolge zunehmender Erwärmung der Sonde 201 entspricht. Der Pluspol der Sonde 201 ist über einen Analog/Digital-Wandler ADC 206 auf einen Rechnereingang 207 geführt. Des weiteren ist der Pluspol über einen Mess- oder Belastungswiderstand 208 und einen Rechnerport 209 mit einer Versorgungsspannüngsquelle von beispielsweise 5 V geführt. Der Rechner kann durch ein Motorsteuergerät 220 gebildet werden, in dem auch der Analog/Digital-Wandler 206 angeordnet ist. Der Rechnerport 209 öffnet und schließt die genannte Verbindung 210 durch ein rechnerinternes Signal, dessen zeitlicher Verlauf rechteckförmig periodisch ist. Beispielsweise wird die Verbindung über den Port 209 periodisch alle 5 sec. für eine Dauer von 10 ms geschlossen. Dieses Zeitraster folgt daraus, dass die Erfassung des Sondensignals in einem Zeitraster von 10 ms stattfindet. Es ist daher zweckmäßig, alle 3 bis 5 sec. eine Messung vorzunehmen, indem der Rechnerport 209 die genannte Verbindung für ca. 10 ms schließt. Bei der Wahl dieses Zeitrasters wirkt sich die Zahl der Ausfälle regulärer Messungen nicht negativ aus.
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Das Verfahren zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften der sogenannten response rate einer derartigen Sonde 201 wird nachfolgend in Verbindung mit 3 beschrieben. In 3 sind der Stromimpuls Ip , mit dem die Sonde 201 (vergl. 2) beaufschlagt wird, über der Zeit und der sich daraus ergebende zeitliche Verlauf der Sondenspannung Us dargestellt, wobei insgesamt drei Spannungsverläufe 321, 322, 323 dargestellt sind, die Sonden mit unterschiedlichem dynamischem Verhalten entsprechen.
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Grundidee der Erfindung ist es, aufgrund dieses zeitlichen Spannungsverlaufs eine Größe zu bestimmen, die ein Maß für das Dynamikverhalten der Abgassonde
201 darstellt. Eine erste Ausführungsform sieht hierbei vor, die Dynamik einer solchen Zweipunktsonde indirekt über den Innenwiderstand
203 der Sonde zu erfassen. Das dynamische Verhalten einer derartigen Sonde hängt insbesondere von der Temperatur der Nernst-Zelle, welche die Sauerstoffionenleitfähigkeit beeinflusst, und von dem Leitwert der verwendeten Elektroden ab. Die Innenwiderstandsmessung macht sich dabei zunutze, dass die Einflussgröße als Reihenwiderstand der Einzelwiderstände gemessen werden kann. Diese Einzelwiderstände setzen sich zusammen aus dem Widerstand der zumeist aus Platin bestehenden Elektroden und deren Zuleitung, dem Widerstand des Elektrolyten sowie dem Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten, wobei eine derartige Reihenschaltung für beide Elektroden anzunehmen ist. Zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens kann nun der Innenwiderstand bestimmt werden auf eine Weise, wie sie aus der
DE 196 36 226 A1 , insbesondere dort Spalte
2, Zeile
25 bis Spalte
3, Zeile
25, auf die vorliegend Bezug genommen wird und die in diese Anmeldung einbezogen wird, beschrieben ist.
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Der Innenwiderstand bildet eine die Sondendynamik charakterisierende Größe, wobei ein kleiner Innenwiderstand auf eine große Dynamik und umgekehrt ein großer Innenwiderstand auf eine kleine Dynamik schließen lassen. Dynamik bedeutet hierbei das Antwortverhalten der Sonde. Große Dynamik bedeutet ein sehr schnelles Antwortverhalten, kleine Dynamik in entsprechender Weise ein langsames oder verzögertes Antwortverhalten. Für den Einsatz in beispielsweise einem Automobil mit Verbrennungskraftmaschine ist ein sehr schnelles Antwortverhalten wünschenswert. Insbesondere müssen Sonden erkannt werden, welche ein nicht mehr akzeptables Antwortverhalten aufweisen. Derartige Sonden weisen eine (nicht dargestellte) Sondenheizung auf. Falls eine Überwachung dieser Sondenheizung, beispielsweise durch Überwachung des Heizerwiderstandes erfolgt, um eine Heizleistungsminderung festzustellen und damit einen Ausfall der Sonde, kann durch gleichzeitige Heizerwiderstandsmessung und Innenwiderstandsmessung der Sonde festgestellt werden, ob lediglich eine Heizleistungsminderung vorliegt und insoweit sich das Antwortverhalten der Sonde verschlechtert, oder ob sich das dynamische Verhalten der Sonde, beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten verschlechtert hat.
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Neben dem Innenwiderstand als Kenngröße für das dynamische Verhalten der Sonde kann alternativ oder zusätzlich die Dynamik auch über Polarisationseffekte der Sonde ermittelt werden. Die Sondenspannung Us zeigt zunächst nach Anlegen des Messimpulses Ip ein ohm'sches Verhalten in Form eines Spannungssprungs und danach ein mit einer e-Funktion ansteigendes, kapazitives Verhalten, um nach Abschalten des Messimpulses wieder in Form eines abfallenden Sprunges abzusinken und danach abzuklingen, wie es anhand der Abklingkurven 351, 352, 353 in 3 schematisch dargestellt ist. Die Erfassung der Dynamik über Polarisationseffekte der Sonde erfolgt nun beispielsweise durch Ermittlung des Zeitintegrals der Sondenspannung US über ein vorgebbares Zeitintervall von t1 bis t2, in 3 dargestellt durch die Fläche 330 und/oder durch Bestimmung der Spannungsamplitude 340 und/oder durch Bestimmung der Abklingkonstanten der Abklingkurven 351, 352, 353. Dabei kann beispielsweise als Kriterium für eine nicht mehr verwendbare Sonde eine Abklingkonstante herangenommen werden, die unterhalb derjenigen der Kurve 351 liegt und in 3 durch einen schraffierten Bereich 355 gekennzeichnet ist.
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Das vorstehende Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm ausgeführt werden, wobei der Programmcode auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Das Computerprogramm kann im Steuergerät 220 implementiert sein.
