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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Sensors, der mindestens eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Sauerstoffgehalts von in den Sensor eingetretenem Abgas mittels einer elektrischen Größe und mindestens eine einen den NOx-Gehalt des Abgases charakterisierenden Messwert ausgebende Messeinrichtung aufweist, bei welchem Verfahren mit der Einstelleinrichtung durch Einstellen eines definierten Diagnosewerts der elektrischen Größe ein definierter Sauerstoffgehalt in dem in den Sensor eingetretenen Abgas eingestellt wird, ein entsprechender Messwert der Messeinrichtung mit einem zu dem definierten Sauerstoffgehalt gehörenden Referenzwert verglichen wird, und anhand des Vergleichsergebnisses eine Diagnose des NOx-Sensors durchgeführt wird.
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Stickoxid- oder NOx-Sensoren erlauben eine Messung der Stickoxidkonzentration im Abgas von Otto- oder Dieselmotoren. Dadurch wird beispielsweise eine optimale Regelung und Diagnose von NOx-Katalysatoren durch die Motorsteuerung ermöglicht und On-Board-Diagnosis (OBD) Anforderungen können erfüllt werden. Ein derartiger NOx-Sensor ist beispielsweise bekannt aus Basshuysen/Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor, 2. Auflage, 2002, S. 589ff.
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Zur Überprüfung der Funktion derartiger Abgassensoren kann eine Eigendiagnose durchgeführt werden. Dazu ist vorgeschlagen worden, über einen definierten elektrischen Pumpstrom (Diagnosepumpstrom) eine definierte Sauerstoffmenge des in den Sensor eingetretenen Abgases einzustellen. In diesem Zustand wird ein den NOx-Gehalt des Abgases charakterisierender Messwert ermittelt und mit einem beispielsweise im Rahmen einer vorhergehenden Kalibrierung erstellten Referenzwert zu der definierten Sauerstoffmenge verglichen. Aus dem Vergleich zwischen dem Messwert bei dem definierten Sauerstoffgehalt mit dem Referenzwert kann die Funktion des Sensors überprüft werden. Auf diese Weise können Defekte des Sensors, beispielsweise durch eine Vergiftung des Sensors beispielsweise durch Schwefel im Abgas oder eine Alterung etc. rechtzeitig festgestellt werden und es können geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden.
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Ein Problem bei diesem Verfahren besteht jedoch darin, dass die zum Einstellen des definierten Sauerstoffgehalts genutzte elektrische Größe, beispielsweise der elektrische Strom, zwar schnell auf den definierten Diagnosewert eingestellt werden kann, der zugehörige Sauerstoffgehalt des Abgases aber eine verhältnismäßig lange Zeit benötigt, um sich auf dem entsprechenden definierten Gehalt zu stabilisieren. Ein solcher stabiler Sauerstoffgehalt ist jedoch erforderlich, um verlässliche und reproduzierbare Diagnoseergebnisse zu erhalten. Bislang ist daher eine entsprechend lange Wartezeit zwischen dem Einstellen des Diagnosewerts der elektrischen Größe, z. B. des Pumpstroms, und der Auswertung der Diagnose erforderlich.
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Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem das Diagnoseverfahren beschleunigt werden kann.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2006 053 841 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose eines NOx-Messaufnehmers. Der NOx-Messaufnehmer weist zwei Messzellen auf, wobei der ersten Messzelle das zu messende Abgas zugeführt wird und mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes eine Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. Die zweite Messzelle ist mit der ersten Messzelle verbunden, und mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes wird eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt und beide Messzellen liegen in einem Festkörperelektrolyten. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird laufend die NOx-Konzentration mittels des NOx-Messaufnehmers gemessen und überprüft, ob vorgegebene Diagnosebedingungen erfüllt sind. Bei Erfülltsein der Bedingungen wird vom Messbetrieb auf einen Diagnosebetrieb umgeschaltet, indem der Sollwert für den Sauerstoffionen-Pumpstrom der ersten Messzelle von einem vorgegebenen ersten Wert auf einen vorgegebenen zweiten Wert derart geändert wird, dass NOx in der ersten Messzelle zerstört wird. Nach Erreichen eines stabilen Wertes für die NOx-Konzentration wird dieser Wert mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches des NOx-Messaufnehmers hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit bewertet.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und den Figuren.
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Die Erfindung löst die Aufgabe für das eingangs genannte Verfahren dadurch, dass zum Einstellen des Diagnosewerts zunächst mindestens ein von dem Diagnosewert abweichender Wert der elektrischen Größe eingestellt wird und die elektrische Größe anschließend auf den Diagnosewert eingestellt wird.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der definierte Diagnosewert der elektrischen Größe nicht sofort eingestellt wird, sondern über ein Profil, nämlich mindestens einen von dem Diagnosewert abweichenden Wert der elektrischen Größe angefahren wird. Es wird also vor dem Einstellen des Nennwerts oder Diagnosewerts zunächst ein von diesem Wert abweichender Wert eingestellt. Auf diese Weise ist die Einstellung des definierten Sauerstoffgehalts, und insbesondere die Dauer bis zum Erreichen des gewünschten Sauerstoffgehalts, präzise steuerbar. Insbesondere ist es dabei möglich, die Dauer bis zur Stabilisierung des definierten Sauerstoffgehalts im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem die elektrische Größe direkt auf den Diagnosenennwert eingestellt wird, signifikant zu beschleunigen.
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Aus Vorlesung „Methoden der Prozessregelung”, Universität Bremen, WS 2000/2001, Dr.-Ing. Ch. Ament, Blatt 2-1 und 2-2 ist das Prinzip der Vorsteuerung in Verbindung mit der Temperaturregelung eines Dampfüberhitzers bekannt. Aus einem zugehörigen Diagramm lässt sich ein schnelleres Erreichen des einzustellenden Regelwertes entnehmen.
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Zur Diagnose des Sensors erfolgt zunächst ein Einstellen eines definierten Sauerstoffgehalts über eine elektrische Größe definierter Höhe, also einen Nennwert oder Diagnosewert der elektrischen Größe. Der zu dem definierten Sauerstoffgehalt von dem Sensor ausgegebene Messwert des NOx-Gehalts des Abgases wird dann mit einem Referenzwert verglichen. Der Referenzwert gibt dabei den Messwert eines funktionstüchtigen Sensors zu dem definierten Sauerstoffgehalt an. Weicht der im Rahmen der späteren Diagnose zu dem Sauerstoffgehalt ermittelte Messwert von dem zuvor ermittelten Referenzwert ab, kann auf eine mangelnde Funktionstüchtigkeit, beispielsweise eine Vergiftung des Sensors geschlossen werden. Dazu kann beispielsweise eine Grenzdifferenz zwischen dem Messwert und dem Referenzwert definiert werden, oberhalb der ein Defekt des Sensors diagnostiziert wird.
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Der Referenzwert wird im Rahmen einer vorherigen Kalibrierung des jeweiligen Sensors erstellt. Dazu wird beispielsweise bei erster Inbetriebnahme eines neuen Sensors bei bestimmten Betriebsparametern, beispielsweise wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis stöchiometrisch ist (λ = 1), ein zu einem eingestellten Sauerstoffgehalt gehöriger Messwert des Sensors als Referenzwert für spätere Diagnosen gespeichert. Durch einen individuell für einen Sensor erstellten Referenzwert können Verfälschungen der Diagnose aufgrund von beispielsweise Produktionsschwankungen vermieden werden.
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Für den Vergleich des Messwerts mit dem Referenzwert und die anschließende Diagnose kann eine entsprechende Auswerteeinrichtung vorgesehen sein. Die Referenzwerte zu verschiedenen Parametern, nämlich verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, abgelegt (Schubbetrieb, Volllastbetrieb etc.). Bei der Diagnose wird dann der jeweilige bei der Diagnose herrschende Betriebszustand berücksichtigt und der entsprechende Referenzwert zu diesem Betriebszustand und zu diesem definierten Sauerstoffgehalt für die Diagnose herangezogen. Die Referenzwerte können beispielsweise in einem Kennfeld abgelegt sein.
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Die Eigendiagnose des Sensors kann im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine periodisch wiederholt ausgelöst (getriggert) und durchgeführt werden. Sie erfolgt bevorzugt dann, wenn ein möglichst stabiler Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorliegt. Ein bevorzugter Betriebszustand zur Durchführung der Diagnose liegt vor, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis stöchiometrisch ist (λ = 1). In diesem Fall wird sämtlicher Sauerstoff des Kraftstoff-Luftgemisches verbrannt, so dass in dem dem Sensor zugeführten Abgas kein das Diagnoseergebnis störender Sauerstoff mehr vorhanden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann der mindestens eine von dem Diagnosewert abweichende Wert der elektrischen Größe größer sein als der Diagnosewert. Dieser von dem Diagnosewert abweichende Wert der elektrischen Größe kann insbesondere erheblich größer sein als der Diagnosewert, beispielsweise doppelt so groß. Auf diese Weise lässt sich die Dauer von der Auslösung des Diagnosevorgangs bis zur Stabilisierung des definierten Sauerstoffgehalts signifikant verkürzen. Der Diagnosevorgang wird entsprechend beschleunigt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können mehrere von dem Diagnosewert abweichende Werte der elektrischen Größe eingestellt werden. In diesem Fall werden vor Einstellung des definierten Werts der elektrischen Größe also mehrere von diesem definierten Wert abweichende Werte der elektrischen Größe eingestellt. Der Verlauf der Stabilisierung des definierten Sauerstoffgehalts lässt sich auf diese Weise präziser steuern und in einer gewünschten Weise anpassen, beispielsweise vergleichmäßigen.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Diagnosewert ausgehend von dem mindestens einen von dem Diagnosewert abweichenden Wert der elektrischen Größe mit einem stufenweisen Verlauf eingestellt wird. Bei diesem Beispiel wird der definierte Diagnosewert der elektrischen Größe über ein Stufenprofil angefahren. Eine solche Einstellung des Diagnosewerts ist besonders einfach zu realisieren, wobei sich gleichzeitig eine besonders schnelle Stabilisierung des Sauerstoffgehalts erreichen lässt. Es ist gemäß einer alternativen Ausgestaltung aber auch möglich, dass der Diagnosewert ausgehend von dem mindestens einen Diagnosewert abweichenden Wert der elektrischen Größe mit einem stetigen Verlauf eingestellt wird. In diesem Fall wird der definierte Diagnosewert der elektrischen Größe also über ein stetiges Profil angefahren. Das Anfahrprofil weist dann keine Sprünge auf.
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In an sich bekannter Weise kann der NOx-Sensor zwei Kammern aufweisen, in die das Abgas nacheinander eintritt, wobei die Einstelleinrichtung der Kammer zugeordnet ist, in die des Abgas zuerst eintritt, also der ersten Kammer. In ebenfalls an sich bekannter Weise kann die Messeinrichtung der Kammer zugeordnet sein, in die das Abgas nach der ersten Kammer eintritt, also der zweiten Kammer. Die Einstelleinrichtung und die Messeinrichtung können beispielsweise jeweils Elektroden aufweisen (z. B. Nernst-Zellen), von denen jeweils mindestens eine mit dem eintretenden Abgas in Kontakt steht. Über diese Elektroden kann eine elektrische Größe angelegt bzw. abgegriffen werden. Die Messeinrichtung kann insbesondere eine Einrichtung aufweisen, die katalytisch aktiv ist und Stickoxide in dem Abgas zersetzt. Dabei kann es sich um eine der Elektroden, handeln. Entsprechend kann die zur Einstellung des Sauerstoffgehalts dienende elektrische Größe ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein. Die Spannung kann beispielsweise über die Elektroden angelegt werden. Zwischen diesen fließt dann ein elektrischer Strom. Der von der Messeinrichtung ausgegebene Messwert kann entsprechend ein den NOx-Gehalt des Abgases charakterisierender elektrischer Strom oder eine den NOx-Gehalt charakterisierende elektrische Spannung sein. Die Spannung bzw. der Strom können insbesondere zwischen den Elektroden der Einstell- bzw. Messeinrichtung anliegen. Derartige NOx-Sensoren sind dem Fachmann an sich bekannt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch;
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1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einstellung des definierten Sauerstoffgehalts gemäß dem Stand der Technik, und
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2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einstellung des definierten Sauerstoffgehalts gemäß der Erfindung.
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In dem in 1 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit t dargestellt. Auf der Ordinate ist zum einen mit durchgezogener Linie der Sauerstoffgehalt S von in einen NOx-Sensor eingetretenem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine aufgetragen. Zum anderen ist auf der Ordinate punktiert ein durch eine Einstelleinrichtung des Sensors zum Einstellen des Sauerstoffgehalts S in dem Abgas erzeugter elektrischer Pumpstrom I aufgetragen.
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Der NOx-Sensor des dargestellten Beispiels weist in an sich bekannter Weise zwei Kammern auf, in die das Abgas nacheinander eintritt. Die Einstelleinrichtung zum Einstellen des Sauerstoffgehalts S von in den Sensor eingetretenem Abgas ist dabei der ersten Kammer zugeordnet. Der zweiten Kammer des Sensors ist eine Messeinrichtung zugeordnet, die einen den NOx-Gehalt des Abgases charakterisierenden Messwert ausgibt.
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Bei dem in 1 dargestellten bekannten Verfahren wird zum Zeitpunkt t1 eine Diagnose des Sensors ausgelöst. Zu diesem Zeitpunkt wird der elektrische Pumpstrom I auf einen definierten Diagnosenennwert ID eingestellt. Mit Einsetzen des Pumpstroms I mit dem Diagnosewert ID steigt der Sauerstoffgehalt S an. Er nähert sich dabei einem definierten, dem Diagnosewert ID des elektrischen Stroms zugeordneten Sauerstoffgehalt SD an. Zum Zeitpunkt t2 hat der Sauerstoffgehalt S dabei etwa den definierten Sauerstoffgehalt SD erreicht und sich auf diesem Niveau stabilisiert. Bei dem bekannten Verfahren ist ab diesem Zeitpunkt t2 somit eine Auswertung der Diagnose zuverlässig möglich. Dabei ist der Abstand zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 verhältnismäßig groß. Das Diagnoseverfahren verzögert sich entsprechend.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren veranschaulicht. Dieses entspricht grundsätzlich dem in 1 dargestellten Verfahren. Im Unterschied zu dem aus 1 bekannten Verfahren werden bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Einstellen des Diagnosestroms ID jedoch zunächst zwei von dem Diagnosewert ID abweichende Stromwerte I1, I2 eingestellt und der elektrische Strom I erst anschließend auf den Diagnosewert ID eingestellt. Beide von dem Diagnosewert ID abweichende Stromwerte I1, I2 sind dabei größer als der Diagnosewert ID, wobei der als erstes eingestellte Stromwert I1 größer ist als der anschließend eingestellte Stromwert I2. Der erste Stromwert I1 ist etwa doppelt so groß wie der Diagnosewert ID. Über die abweichenden Stromwerte I1, I2 wird der Diagnosewert ID mit einem stufenweisen Verlauf, also einem Stufenprofil eingestellt. Die von dem Diagnosewert ID abweichenden Stromwerte I1, I2 können dabei insbesondere für unterschiedliche lange Zeitdauern eingestellt bleiben.
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Aus dem Vergleich der 1 und 2 ist zu erkennen, dass sich der Sauerstoffgehalt S bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund des zu Beginn der Diagnose erhöhten Pumpstroms schneller dem definierten Sauerstoffgehalt SD annähert. Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits zum Zeitpunkt t2', der deutlich früher liegt als der Zeitpunkt t2 aus 1, ein stabilisierter Sauerstoffgehalt S erreicht. Der Abstand zwischen dem Zeitpunkt t1 der Auslösung der Diagnose und dem Zeitpunkt t2' ist deutlich kürzer als der Abstand zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 aus 1. Erfindungsgemäß ist also nach Auslösung der Diagnose zum Zeitpunkt t1 schon früher eine Diagnose des Sensors möglich als beim Stand der Technik nach 1. Das Diagnoseverfahren wird entsprechend beschleunigt.
