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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit
einer Lambda-Sonde mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
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Stand der Technik
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Lambda-Sonden,
die in Fahrzeugen zur Messung der Abgaszusammensetzung eingesetzt werden,
werden nach Fertigstellung und/oder Montage einer Funktionsprüfung unterzogen.
Um eine elektrische so genannte Schlussprüfung durchzuführen, wird
bei auch als Sprungsonden bezeichneten Lambdasonden der Referenzkanal
der an Luft betriebenen Sprungsonde leergepumpt und anhand des sich
dabei einstellenden Grenzstroms erkannt, ob die Sonde defekt ist,
beispielsweise einen Riss aufweist, oder ob sie verpolt wurde, also
die Anschlüsse
für die
Referenzelektrode und die Außenelektrode
vertauscht wurden. Der Sauerstoff wird dabei durch Anlegen einer
Spannung an die Referenz- und Außenelektrode von der Referenzelektrode
zur Außenelektrode
gepumpt, wobei eine Heizspannung oberhalb der Betriebsspannung verwendet
wird, um die Sonde schnell aufzuheizen und die Prüfungszeit
möglichst zu
verkleinern. Eine derartige Prüfung
erfordert bei an sich bekannten Lambda-Sonden etwa eine Zeitspanne
von 20 Sekunden.
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Problematisch
ist nun, dass Sprungsonden mit einer gepumpten Referenz bei Wiederholungsmessungen
verschiedene Kurvenverläufe
des Pumpstroms über
der Zeit und darüber hinaus
zum Teil auch sehr kleine Grenzströme zeigen. Die Wiederholbarkeit
der Messungen ist damit nicht ohne Weiteres gegeben.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Prüfung
der Funktionsfähigkeit
einer Lambda-Sonde mit gepumpter Referenz zu vermitteln, die nicht
nur eine Prüfung
in wesentlich kürzerer
Zeit ermöglicht,
sie soll darüber
hinaus auch bei unterschiedlichen Sondentypen reproduzierbar sein.
Auch die Ermittlung weiterer sondenspezifischer Daten, wie beispielsweise
der Verlauf der Magerspannung beim Einschalten (Light-Off) soll mithilfe
der Vorrichtung zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
der Lambda-Sonde bestimmbar und insbesondere quantitativ bestimmbar
sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
einer Lambda-Sonde
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine gewünschte,
vorgegebene Sauerstoff- Menge durch Anschließen des vorgebbaren Lastwiderstandes
in die Sonde hineingepumpt werden kann. Die Prüfung findet dabei vorzugsweise
an Luft statt. Hierbei stellt sich bereits nach sehr kurzer Zeit, insbesondere
nach wesentlich kürzerer
Zeit als bei den aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannten
Vorrichtungen und Verfahren zur Funktionsprüfung von Lambda-Sonden, abhängig von
der verwendeten Heizspannung an der Referenzelektrode ein Überdruck
ein, der vom Grenzstrom bzw. vom angelegten Sauerstoffionen-Referenzpumpstrom
abhängt.
Auf diese Weise kann daher auch sehr vorteilhaft der Grenzstrom
bestimmt werden.
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Darüber hinaus
ist eine Wiederholbarkeit der Messung gegeben, da das dynamische
Gleichgewicht, welches sich dadurch einstellt, dass Sauerstoff einerseits
hineingepumpt wird und andererseits durch den porösen Referenzluftkanal
hinausströmt/diffundiert,
unabhängig
von der Vorgeschichte eingestellt wird und durch Messung der Sondenspannung
die elektrochemischen Speichereffekte, die als elektrische Nebenschlüsse auftreten
können,
nicht sichtbar sind. Die elektrischen Nebenschlüsse liegen typischerweise in
der Größenordnung
von 1 ~ 2–10 μA. Dies führt zu Veränderungen
der Nernstspannung im Bereich kleiner als 2 mV, die für die Prüfung zu
vernachlässigen
sind.
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Die
Vorrichtung zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
der Lambdasonde kann dabei sowohl bei sogenannten Sprungsonden als
auch bei Breitband-Lambdasonden eingesetzt werden, die beide Nernst-Zellen
umfassen.
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Bevorzugt
wird durch die Mess- und Auswerteschaltungseinheit der zeitliche
Verlauf der Sondenspannung erfasst, der einen Schluss darüber zulässt, ob
beispielsweise eine Verpolung oder ein Riss in der Sonde vorliegt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
sieht dabei vor, dass durch die Mess- und Auswerteschaltungseinheit
ein Vergleich der sich nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne
einstellenden Sondenspannung mit vorgebbaren oberen und unteren
Schwellenwerten durchführbar
ist und ein Schließen
auf eine funktionsfähige
Lambda-Sonde dann erfolgt, wenn die Sondenspannung größer als
der untere und kleiner als der obere Schwellenwert ist. Eine solche
Messung hat den Vorteil, dass eine sehr schnelle Entscheidung getroffen
werden kann, ob die Sonde funktionsfähig ist oder nicht. Die Schwellenwerte
werden dabei zuvor auf der Basis der bekannten physikalischen Eigenschaften
ermittelt und beispielsweise in einem Steuergerät, in dem die Mess- und Auswerteschaltungseinheit
impliziert ist, gespeichert.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
sieht des Weiteren vor, dass die Mess- und Auswerteschaltungseinheit
den zeitlichen Verlauf der Sondenspannung mit einem zuvor bestimmten
und gespeicherten zeitlichen Verlauf vergleicht und hieraus auf
eine Verpolung oder Fehlkontaktierung und/oder auf mechanische Defekte,
insbesondere Risse in der Lambda-Sonde
schließt.
Unter Bestimmung oder Messung des zeitlichen Verlaufs wird vorliegend
entweder eine Erfassung des kompletten zeitlichen Verlaufs oder auch
nur eine Erfassung von mehreren, beispielsweise zwei oder drei Messwerten
an bestimmten Zeitpunkten verstanden.
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Die
Vorrichtung ermöglicht
darüber
hinaus auf vorteilhafte Weise die Bestimmung von Sondendaten, die
für die
Anwender dieser Sonden von besonderem Interesse sind. So kann in
der Mess- und Auswerteschaltungseinheit aus der Sondenspannung der
Grenzstrom bestimmt werden. Aufgrund einer in der Mess- und Auswerteschalteinheit
vorgenommen Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Sondenspannung
können
ferner das Einschaltverhalten sowie die Magerspannung der Lambdasonde bestimmt
werden. Die Vorrichtung eignet sich daher nicht nur zur sogenannten
Schlussprüfung,
das heißt zur
Prüfung
der Funktionsfähigkeit
der Sonde nach deren Fertigstellung und/oder zur Überprüfung, ob eine
Verpolung der Sonde vorliegt, sie ermöglicht auch während der
Schlussprüfung
die Bestimmung von charakteristischen Sondendaten, nämlich des Grenzstroms,
des Einschaltverhaltens und der Magerspannung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
den Aufbau einer Abgassonde, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Einsatz kommt;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer von der Erfindung Gebrauch machenden Vorrichtung zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit
der Lambda-Sonde;
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3 die
Sondenspannung über
der Zeit bei unterschiedlichen Lastwiderständen, aufgenommen durch die
in 2 dargestellte Vorrichtung zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit
der Lambda-Sonde;
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4 die
Sondenspannung über
der Zeit bei unterschiedlichen Lastwiderständen sowie bei mechanischen
Defekten und Verpolungen der Elektroden der in 1 dargestellten
Sonde, aufgenommen durch die in 2 dargestellte
Vorrichtung zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
der Lambda-Sonde und
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5 die
Sondenspannung über
dem Grenzstrom einer Lambda-Sonde mit gepumpter Referenz an einem
Messzeitpunkt tM = 10 s.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine
Abgassonde, dargestellt in 1, weist einen
Festelektrolyten 100 auf, in/an dem auf an sich bekannte
Weise eine Referenzelektrode 110 und eine Abgaselektrode 120 angeordnet
sind. Die Abgaselektrode 120 ist einem Abgas 150 ausgesetzt,
sie ist durch eine ein- oder mehrlagige poröse Schutzschicht 130 überdeckt.
Die Referenzelektrode 110 ist in einem porös ausgebildeten
Referenzluftkanal 160 angeordnet. Die Abgassonde mit der
Abgaselektrode 120 und der Referenzelektrode 110 bilden
eine eigenständige
Spannungsquelle (vgl. 2). Die Sonde weist eine Heizung 180 auf,
mit der sie auf Betriebstemperatur gebracht wird.
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Die
gezeigte Anordnung stellt eine Sprungsonde mit gepumpter Referenz
dar. Eine solche Anordnung bildet eine Nernst-Zelle. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf eine solche Sprungsonde mit gepumpter Referenz
beschränkt.
Rein prinzipiell ist es auch möglich,
die nachfolgend beschriebene Vorrichtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit
bei einer so genannten Breitband-Lambdasonde einzusetzen, bei der
die Nernst-Zelle integraler Bestandteil dieser Sonde ist und in
diesem Falle die Außenelektrode nicht
unmittelbar dem Abgas ausgesetzt ist, sondern sich in einem Hohlraum
befindet, der über
einen Kanal mit dem Abgas verbunden und von diesem durch eine poröse Schicht
getrennt ist. Wenn im Nachfolgenden daher von „Lambda-Sonde" gesprochen wird,
so ist hiermit nicht nur eine Lambda-Sonde mit gepumpter Referenz
in Form einer Sprungsonde, sondern auch eine solche Breitband-Lambdasonde gemeint.
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In 2 ist
eine Vorrichtung zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
einer derartigen Lambda-Sonde schematisch dargestellt. Eine solche
Vorrichtung umfasst einen als Ganzes mit 200 bezeichneten
Spannungsteiler, umfassend einen Lastwiderstand RL 210 und
die Sonde 220. In 2 ist das
Ersatzschaltbild der Lambda-Sonde mit einer Urspannungsquelle 222 und
einem Innenwiderstand 222 dargestellt. Der Spannungsteiler
wird mit einer vorgebbaren Spannung UV von
beispielsweise 1,8 V betrieben, die an der Sonde 220 abfallende
Spannung US, die Sondenspannung, wird durch
eine Messeinrichtung 240 erfasst und in einer Mess- und
Auswertungsschaltungseinheit 250 ausgewertet.
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Grundidee
der Erfindung ist es nun, eine elektrische Schlussprüfung der
Lambda-Sonde 220 mit gepumpter Referenz dadurch vorzunehmen, dass
gezielt Sauerstoff in die Sonde 220 hineingepumpt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass der definierte vorgebbare Lastwiderstand
RL 210 in Reihe zur Sonde 220 geschaltet
wird. Die Prüfung
erfolgt durch Auswertung der Sondenspannung US des
so entstehenden Spannungsteilers 200. Die Prüfung findet
vorzugsweise an Luft statt. In diesem Falle ist der Referenzluftkanal 160 mit
der Umgebungsluft verbunden. Dabei stellt sich bereits innerhalb
von ca. 10 Sekunden, abhängig
von der verwendeten Heizspannung an der Heizung 180, mit
der die Sonde 220 auf Betriebstemperatur gebracht wird,
an der Referenzelektrode 110 ein Sauerstoffüberdruck
ein, der vom Grenzstrom bzw. vom angelegten Sauerstoffionen-Referenzpumpstrom
abhängt.
Es ergibt sich dabei folgende Sondenspannung US = UNernst + R·Imit:
UNernst = (RT/4F)·ln (P(O2,
ref)/P(O2, Abgas)),
wobei R der Innenwiderstand 222 der
Lambda-Sonde und UNernst die Nernstspannung
sind. Die Nernstspannung hängt
von der Temperatur T und dem Verhältnis der Sauerstoff-Partialdrücke im Referenzvolumen
PO2, ref sowie im Abgas PO2,
Abgas – hier
an Luft – auf
die vorbeschriebene, an sich bekannte Weise ab.
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Eine
Wiederholbarkeit der Messung ist nach einer Wartezeit gegeben, da
sich das dynamische Gleichgewicht, welches sich dadurch einstellt,
dass der Sauerstoff einerseits hineingepumpt wird und andererseits
durch den Referenzluftkanal 160 strömt/hinausdiffundiert, unabhängig von
der Vorgeschichte der Lambda-Sonde 220 einstellt und insbesondere keine
Speichereffekte auftreten.
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Die
Funktionstüchtigkeit
der Sonde 220 wird auf nachfolgend beschriebene Weise geprüft.
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Die
Sonde 220 wird mit einer gepumpten Referenz über den
definierten Widerstand RL 210 mit
einer definierten Vorspannung UV beaufschlagt.
Nach Einschalten der Sonden-Heizung 180 zeichnet
die Mess- und Auswerteschaltungseinheit 250 das Sondensignal
US über
der Zeit auf Dabei bedeutet „Aufzeichnen" entweder eine komplette
Erfassung der erzeugten Spannung US über der
Zeit oder eine punktuelle Erfassung der Sondenspannung, das heißt eine
Erfassung der Sondenspannung zu vorgebbaren Zeiten, beispielsweise
an zwei bis drei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten.
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In 3 sind
schematisch Spannungsverläufe über der
Zeit bei unterschiedlichen Lastwiderständen RL 210 dargestellt.
Das Signal "startet" bei der Vorspannung
UV, die beispielsweise 1,8 V beträgt, und
sinkt dann innerhalb von ca. 10 Sekunden, ein Zeitraum, der bei
vorliegender Prüfung
typischerweise als Prüfzeit
tM verwendet wird, auf eine sogenannte Magerspannung 310 ab,
die abhängig
ist von dem Lastwiderstand RL 210 und
von dem dynamischen Gleichgewicht, das sich einstellt zwischen dem
Sauerstoff, der in den Referenzluftkanal hineingepumpt wird und
dem Sauerstoff, der aus dem Referenzluftkanal hinausdiffundiert
oder strömt.
Daraus lassen sich die Funktionalität der gepumpten Referenz der
Lambda-Sonde 200 und die Magerspannung 310 bestimmen.
Liegt die Magerspannung 310 bei einem vorgebbaren Lastwiderstand
RL 210, der beispielsweise 10 kOhm
beträgt,
innerhalb vorgebbarer Grenzen 320, 330, d.h. ist
die Magerspannung 310 bei diesem Lastwiderstand RL größer als
die untere Grenze 320 und kleiner als die obere Grenze 330,
wie es in 3 dargestellt ist, wird in der
Mess- und Auswerteschaltungseinheit 250 auf eine funktionsfähige Sonde 220 geschlossen.
Entsprechende obere und untere Grenzwerte können für den in 3 ebenfalls
dargestellten Lastwiderstand RL = 500 kOhm
bestimmt werden. Die Grenzen werden im Vorfeld aus den bekannten
physikalischen Eigenschaften der Anordnung bestimmt und in einer
Speichereinrichtung (nicht dargestellt), die Teil der Mess- und
Auswerteschaltungseinheit 250 ist, hinterlegt.
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Durch
die Vorrichtung kann während
der Schlussprüfung
auch die Sondenbereitschaft überprüft werden.
So kann das Einschaltverhalten geprüft werden. Dieses ist gegeben,
wenn die Sondenspannung US innerhalb einer
vorgebbaren Zeit und innerhalb der vorgebbaren Grenzen 320, 330 unter
eine Einschaltspannung UE, die beispielsweise
300 mV beträgt,
absinkt. Mit der Vorrichtung kann darüber hinaus die Magerspannung 310 quantitativ
bestimmt werden, die ebenfalls bei der Schlussprüfung vorteilhafterweise erfasst
und in dem Datenblatt der Sonde ausgewiesen wird.
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Ein
Riss in der Sonde 220, der den Referenzkanal betrifft,
oder eine Verpolung oder ein Kurzschluss lassen sich ebenfalls anhand
des zeitlichen Verlaufs der Sondenspannung US über der
Zeit feststellen. So lässt
beispielsweise der in 4 dargestellte Kurvenverlauf 410 auf
einen Riss schließen.
In diesem Falle erreicht der Sauerstoffpartialdruck auf der Referenzseite
nicht den Sollwert. Die Sondenspannung US liegt
dann nach der hierfür
vorzusehenden Prüfzeit
tM von etwa 10 Sekunden, wie empirische
Messungen gezeigt haben, zwischen –10 mV und dem unteren Schwellenwert 330 (vergl. 3).
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Die
vorbeschriebene Vorrichtung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit
der Lambda-Sonde 220 weist den großen Vorteil auf, dass bereits
nach 10 Sekunden eine Aussage über
die Funktionsfähigkeit der
Sonde 220 getroffen werden kann. Durch diese Verkürzung der
Prüfzeit
tM gegenüber
aus dem Stand der Technik bekannten Prüfzeiten können wesentlich mehr Sonden 220 innerhalb
einer vorgegebenen Zeit geprüft
werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten und eingangs
beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zur Schlussprüfung.
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Darüber hinaus
können
charakteristische Daten der Sonde 220, wie die Magerspannung
und der Grenzstrom der Sonde 220 präziser bestimmt werden. Ein
besonderer Vorteil liegt auch darin, dass keine Speichereffekte
auftreten, wodurch die Wiederholbarkeit der Messungen gewährleistet
ist.
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Schließlich ist
auf einfache Weise auch eine Verpolungsprüfung der Sonde 220 möglich. Der
in 4 dargestellte gestrichelte Kurvenverlauf, bei dem
die Sondenspannung in negative Bereiche in dem zweiten Quadranten
abfällt,
lässt nämlich auf
ein Vertauschen der Anschlüsse
für die
Abgaselektrode 120 und die Referenzelektrode 110 schließen, da
bei einer Vertauschung der Elektroden kein „Aufpumpen" der Referenz mit Sauerstoff sondern
ein Leerpumpen der Referenz stattfindet, wodurch der Sauerstoff-Partialdruck
absinkt und die Nernstspannung negativ wird. Ist die Sondenspannung
US mit der Abszisse identisch, d.h. über den
gesamten Zeitraum gleich Null, kann darauf geschlossen werden, dass
ein Kurzschluss vorliegt (Kurvenverlauf 440). Bleibt die Sondenspannung
dagegen über
den gesamten Messzeitraum unverändert
auf dem Wert der Vorspannung UV, (Linie 430),
kann darauf geschlossen werden, dass eine Kontaktstörung des
Heizers 180 vorliegt, wenn beispielsweise ein Anschlusskontakt des
Heizers 180 und ein Anschlusskontakt der Außenelektrode 120 oder
der Referenzelektrode 110 vertauscht wurden.
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Die
vorstehend beschriebene Prüfung
kann angewendet werden bei Sonden, die einen Grenzstrom von bis
zu etwa 30 μA
aufweisen. In 5 ist schematisch die Sondenspannung
US über
dem Grenzstrom IgRK für
mehrere Sonden aufgetragen. Im Bereich des Grenzstroms von ca. 0,2 μA bis 30 μA weist die
Sondenspannung eine starke Steigung auf, die eine sehr gute Bestimmung
des Grenzstroms IgRK aus der Sondenspannung US ermöglicht.
Bei größeren Grenzströmen verläuft die
Kurve dagegen sehr flach, sodass der Grenzstrom IgRK aus der Messung
der Sondenspannung US nur ungenau zu bestimmen
ist. Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit
einer Lambda-Sonde mit gepumpter Referenz kann demnach aus der Sondenspannung
US auch der Grenzstrom bestimmt werden.