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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit
einer Lambda-Sonde, die als sogenannte Sprungsonde ausgebildet ist. ”Lambda” bezeichnet
das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff in einem Abgas. Eine
Sprungsonde gibt ein Spannungssignal ab, das sich bei Überschreiten
eines bestimmten Werts von Lambda sprunghaft ändert. Typischerweise
liegt der Sprung bei λ = 1, wenn in dem Abgas genau so
viel Luft vorhanden ist, um den gesamten Kraftstoff im Abgas zu verbrennen.
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Die
Sprungsonde, um die es vorliegend geht, im Folgenden auch als erste
Sprungsonde bezeichnet, soll in einem Abgasstrang in Ausströmrichtung eines
aus einem Verbrennungsmotor austretenden Abgases hinter zumindest
einem Abschnitt eines Katalysators mit Sauerstoffspeicherfähigkeit
angeordnet sein.
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Der
Katalysator weist die Fähigkeit zur Speicherung von Sauerstoff
auf, damit kurzfristige Abweichungen vom idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ =
1 gepuffert werden können. Durch eine Regelung wird erreicht,
dass die Extremfälle, dass gar kein Sauerstoff im Katalysator
gespeichert ist oder der Sauerstoffspeicher voll ist, nicht auftreten.
Bei der Regelung werden die Spannungsmesssignale der zu analysierenden
Sprungsonde verwendet. Typischerweise oszilliert der Wert von λ bei
der Regelung um den Wert λ = 1. Nun kann die Sprungsonde
durch Alterung ein verfälschtes Signal abgeben. Durch die
Verfälschung des Signals kann es zu einem Fehllauf bei der
Regelung kommen. Es ist daher erforderlich, ein Verfahren zum Diagnostizieren
der Funktionsfähigkeit der besagten Sprungsonde im Einbauzustand
im Abgasstrang bereitzustellen.
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Die
DE 10 2005 016 075
A1 beschreibt ein Verfahren zum Diagnostizieren der Funktionsfähigkeit
einer Lambda-Sonde. Es wird dem Abgasstrang hierbei Abgas zugeführt,
und zwar bewusst ein sprunghafter Wechsel im Luft-Kraftstoff-Verhältnis von
einem fetten Abgasgemisch (einem Abgasgemisch mit mehr Kraftstoff
als durch die vorhandene Luft verbrennbar) zu einem ma geren Abgasgemisch (einem
Abgasgemisch mit mehr Luft als zum Verbrennen des vorhandenen Kraftstoffs
nötig) oder umgekehrt eingesetzt. Der Wechsel im Luft-Kraftstoff-Verhältnis
führt zu einem Sprung in der als Messsignal fungierenden
Spannung. In der
DE
10 2005 016 075 A1 ist beschrieben, dass ein zeitlicher Abstand
zwischen dem Erfassen eines solchen Sprungs im Signal einer vor
dem Katalysator angeordneten Lambda-Sonde und dem Erfassen eines Sprungs
im Signal hinter dem Katalysator angeordneten Lambda-Sonde gemessen
wird. Es wird nun davon ausgegangen, dass sich dieser zeitliche
Abstand additiv aus einem Beitrag, der durch die Sauerstoffspeicherkapazität
des Katalysators bedingt ist, und einem Beitrag zusammensetzt, der
durch die Sondeneigenschaften bedingt ist. Nach einer bestimmten
Methodik kann auf die einzelnen Beiträge zurückgeschlossen
werden. Der durch die Sondeneigenschaften bedingte Beitrag wird
nach einem Schwellwertkriterium daraufhin untersucht, ob die Sonde
als funktionsfähig einzustufen ist oder nicht.
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In
der
DE 198 28 929
A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung
des Dynamikverhaltens eines Messaufnehmers im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine beschrieben,
bei dem ebenfalls ein Wechsel im Luft-Kraftstoff-Gemisch ausgenutzt
wird: Es wird das Signal des Messaufnehmers während einer
Regenerationsphase überwacht und bei Ausbleiben eines vorbestimmten
Signalverlaufs ein fehlerhaftes Dynamikverhalten diagnostiziert.
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Nachteil
der im Stand der Technik verwendeten Verfahren zum Diagnostizieren
der Funktionsfähigkeit einer Nach-Katalysator-Lambda-Sonde
ist, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators
bei der Auswertung der Signale zu berücksichtigen ist.
Diese ist aber zumeist selbst eine Unbekannte, insbesondere kann
die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators durch
Vergiftung desselben nachgelassen haben, was Effekte verursacht,
die gar nicht oder kaum von durch Sondenalterung bewirkten Effekten
zu unterscheiden sind.
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Es
ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Diagnostizieren
der Funktionsfähigkeit einer Lambda-Sonde in der eingangs
beschriebenen Anordnung bereitzustellen, das einfach durchführbar und
dennoch besonders zuverlässig ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Wie
bereits im Stand der Technik üblich, wird in wechselnder
Folge mageres Abgas und fettes Abgas in den Abgasstrang zugeführt,
um abwechselnd eine Aufnahme von Sauerstoff durch den Katalysator (insbesondere
bis hin zur Kapazitätsgrenze desselben) und eine (insbesondere
vollständige) Wiederabgabe des aufgenommenen Sauerstoffs
durch den Katalysator zu bewirken. Erfindungsgemäß wird
zum Diagnostizieren zumindest ein von der ersten Lambda-Sonde beim
Wechsel von magerem zu fettem Abgas oder umgekehrt aufgenommenes
Signal herangezogen.
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Bevorzugt
werden ausschließlich solche beim Wechsel von der ersten
Lambda-Sonde aufgenommenen Signale herangezogen.
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Das
aufgenommene Signal hat somit nichts mehr mit einem Sprung in den
Messsignalen der Lambda-Sonde zu tun, denn dieser ist erst Folge
des Wechsels und tritt daher nach diesem auf, nicht bei diesem.
Wird beispielsweise zunächst mageres Abgas zugeführt,
sammelt sich Sauerstoff im Sauerstoffspeicher des Katalysators an.
Bei einem Wechsel auf fettes Abgas erfolgt nicht unmittelbar ein Sprung
an der Lambda-Sonde, denn das fette Abgas entzieht dem Sauerstoffspeicher
den darin gespeicherten Sauerstoff. Erst, wenn sich die Menge an
gespeichertem Sauerstoff verringert, ändert sich das Signal
an der Lambda-Sonde deutlich, es kann ein Sprung ermittelt werden.
Die Erfindung beruht allerdings auf der Erkenntnis, dass bei einem
Wechsel zwischen magerem und fettem Abgas bzw. umgekehrt besagter
Puffereffekt nicht in perfekter Form auftritt, sondern dass man
am Messsignal der Lambda-Sonde den Wechsel erkennen kann. Insbesondere
tritt bei einem Wechsel in den Messsignalen einer voll funktionsfähigen
Lambda-Sonde eine charakteristische Spitze auf, welche einem Wendepunkt
in der Kurve entspricht. Altert die Lambda-Sonde, schwächt sich
die Spitze ab und wird schließlich gar nicht mehr erkennbar.
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Diese
Charakteristik in den Sondensignalen jenseits der Spannungssprünge
gefunden zu haben, ist Leistung des Erfinders der vorliegenden Anmeldung.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt das Wissen
aus, um nach einem vorbestimmten Kriterium das bzw. die Signale
beim Wechsel zu analysieren, um zu Diagnostizieren, ob die Lambda-Sonde
funktionsfähig ist oder nicht.
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Das
charakteristische Signal im Messsignal der Lambda-Sonde tritt dann
auf, wenn das neue Abgas, also das nach dem Wechsel zugeführte,
gerade erstmals bei der Lambda-Sonde (Sprungsonde) ankommt. Der
Austausch von Sauerstoff zwischen Abgas und Katalysator kann nicht
verhindern, dass genau zu diesem Zeitpunkt im Sondensignal der Wechsel
erkennbar ist.
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Zwar
können Signale einer zentralen Steuereinheit, welche die
wechselnde Zufuhr von magerem und fettem Abgas bewirkt, ausgewertet
werden, bevorzugt wird jedoch zur Feststellung, wann der Wechsel
erfolgt, eine weitere Lambda-Sonde eingesetzt, die im Folgenden
als zweite Lambda-Sonde bezeichnet wird. Diese soll im Abgasstrang
(in Strömungsrichtung des Abgases) vor der ersten Lambda-Sonde
angeordnet sein, wobei typischerweise zumindest ein Katalysatorabschnitt,
bevorzugt der gesamte Katalysator, zwischen den beiden Lambda-Sonden
angeordnet ist. Die zweite Lambda-Sonde ist üblicherweise
ganz vor dem Katalysator angeordnet, während die erste,
vorliegend einer Diagnose zu unterziehende Lambda-Sonde im Katalysator oder
hinter diesem angeordnet ist.
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Durch
die zweite Lambda-Sonde kann nun der Zeitpunkt eines Wechsels (von
mager zu fett oder umgekehrt) ermittelt werden, z. B. bei Überschreiten eines
Spannungswerts, der den Sprung anzeigt. In Abhängigkeit
von diesem Zeitpunkt wird nun ein Zeitintervall definiert. Ein oder
mehrere in diesem Zeitintervall durch die erste Lambda-Sonde aufgenommene(s)
Signal(e) wird/werden zum Diagnostizieren herangezogen, bevorzugt
ausschließlich Signale aus diesem Zeitintervall.
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Man
kann das Zeitintervall nun direkt mit dem Zeitpunkt des Wechselns
beginnen. Bei einer Verfeinerung beginnt das Zeitintervall jedoch
um eine geschätzte oder ermittelte Durchlaufzeit nach dem Zeitpunkt
des Wechsels, und zwar ist die Durchlaufzeit diejenige Zeit, die
das Abgas zum Durchlaufen des Abgasstrangs von der zweiten Sprungsonde
zur ersten Sprungsonde benötigt.
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Das
Zeitintervall kann im Verhältnis zur Zeitskala des Wechsels
relativ kurz sein. Bevorzugt hat es eine Länge von höchstens
50 ms, besonders bevorzugt von weniger als 20 ms. Ein typischer
Wert für das Zeitintervall beträgt 10 ms, wobei
es um 5 bis 10 ms nach dem Zeitpunkt des Wechsels im Signal der zweiten
Lambda-Sonde beginnt, um die Gaslaufzeit zu berücksichtigen.
Es ist zu beachten, dass diesen Zeitintervallen ein Zeitmaßstab
von 0,5 bis 2,5 s gegenüber zu stellen ist, mit dem jeweils
die Zufuhr von magerem bzw. fettem Abgas erfolgt. Das Zeitintervall,
aus dem beim Wechsel die Sig nale zum Diagnostizieren herangezogen
werden, ist also höchstens ein Zehntel so groß,
bevorzugt höchstens ein Zwanzigstel oder gar Fünfzigstel
so groß wie das Zeitintervall zwischen einem Wechsel von
mager zu fett bzw. umgekehrt.
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Das
spezifische zu analysierende Signal lässt sich an seinem
Zeitverlauf erkennen, so dass bevorzugt die zeitliche Ableitung
eines Spannungssignals der Lambda-Sonde zu zumindest einem Zeitpunkt
aus dem Zeitintervall dazu verwendet wird, einen Ableitungszahlenwert
zu definieren, der zum Diagnostizieren verwendet wird. Der Ableitungszahlenwert
kann der maximale Betrag der zeitlichen Ableitung im Zeitintervall
sein, aber auch der durchschnittliche Betrag dieser zeitlichen Ableitung.
Der Ableitungszahlenwert wird typischerweise nach einem vorbestimmten
Kriterium mit einem Schwellwert verglichen, durch das festgelegt
wird, ob die erste Sonde als funktionsfähig gilt oder nicht.
Anstelle den Ableitungszahlenwert direkt mit einem solchen Schwellwert
festzulegen, kann er auch ins Verhältnis zu einem weiteren
Ableitungszahlenwert als Referenzableitungszahlenwert gesetzt werden
und eine so erhaltene Verhältnisgröße
dann mit einem Schwellwert nach einem vorbestimmten Kriterium verglichen
werden, durch das festgelegt wird, ob die erste Sonde als funktionsfähig
gilt oder nicht. Der weitere Ableitungszahlenwert wird anhand zumindest
eines Signals der ersten Lambda-Sonde in einem weiteren Zeitintervall ermittelt,
das vor dem in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt des Wechsels
ermittelten Zeitintervall liegt (und bevorzugt seinerseits in Abhängigkeit
von dem Zeitpunkt des Wechsels definiert wird). Das weitere Zeitintervall
kann unmittelbar vor dem ersten Zeitintervall liegen oder zur Sicherheit
bei Berücksichtigung der Durchlaufzeit des Abgases durch
den Abgasstrang von der zweiten Sprungsonde zur ersten Sprungsonde
bei der Definition des ersten Zeitintervalls vor dem Zeitpunkt des
Wechsels liegen.
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Der
weitere Ableitungszahlenwert, der für die Verhältnisgröße
verwendet wird, kann der minimale Betrag der zeitlichen Ableitung
im weiteren Zeitintervall sein, insbesondere wenn der zuvor definierte
Ableitungszahlenwert der maximale Betrag der zeitlichen Ableitung
im Zeitintervall ist. Wird für den ersten Ableitungszahlenwert
der durchschnittliche Betrag der zeitlichen Ableitung im Zeitintervall
verwendet, so wird bevorzugt für den weiteren Ableitungszahlenwert
ebenfalls der durchschnittliche Betrag der zeitlichen Ableitung,
und zwar im weiteren Zeitintervall, verwendet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung erläutert,
wobei
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1 eine
Anordnung zeigt, bei der ein Einsatz des erfindungsgemäßen
Verfahrens sinnvoll ist und
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2 schematisch
den Kurvenverlauf einer Vorkatsonde sowie einer Nachkatsonde zeigt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit
einem Abgasstrang 2. Der Abgasstrang 2 umfasst
einen Abgaskatalysator 3, der z. B. als Drei-Wege-Katalysator,
als NOx-Speicherkatalysator oder als ein aktiver Partikelfilter
ausgebildet ist sowie einen integrierten Sauerstoffspeicher 4 beinhaltet.
Der Abgasstrang 2 umfasst ferner eine stromauf des Abgaskatalysators 3 angeordnete
Lambda-Sonde 5, die als Führungssonde dient sowie
eine dem Abgaskatalysator 3 zugeordnete Lambda-Sonde 6,
die als Regelsonde dient.
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Die
Lambda-Sonde 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
stromab des Abgaskatalysators 3 angeordnet. Genauso gut
könnte diese Lambda-Sonde jedoch auch direkt im Abgaskatalysator 3, d.
h. nach einem Teilvolumen des Sauerstoffspeichers 4, angeordnet
sein.
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Es
ist im Folgenden davon ausgegangen, dass sich das Abgas der Brennkraftmaschine
eines zumindest mit einer vorgegebenen Genauigkeit auf ein vorgegebenes
Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ einstellen lässt.
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Vorliegend
wird in wechselnder Folge ein mageres Abgasgemisch und ein fettes
Abgasgemisch abgegeben. Die Lambda-Sonde 5 misst dann die
in der Kurve 10 wiedergegebenen Spannungssignale. Deutlich
zu erkennen ist, dass die Spannung zwischen einem Wert bei 0,8 V
und einem Wert bei 0,1 V hin- und herspringt. Die Sprünge
sind relativ steil, so dass ihnen eindeutige Zeitpunkte zugeordnet werden
können, z. B. anhand eines Schwellwertkriteriums (Unter-
bzw. Überschreiten von 0,45 V o. ä.).
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Bei
Messung der Kurve 10 durch die Sonde 5 misst die
Sonde 6 Signale gemäß der Kurve 12, wenn
sie voll funktionsfähig, z. B. neu, ist. Die Sonde 6 misst
Signale entsprechend der Kurve 14, wenn sie nicht mehr
ausreichend funktionstüchtig ist, z. B. aufgrund von Alterung.
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Die
Kurven 12 und 14 unterscheiden im Verlauf im entsprechend
dem Beispiel angegebenen Zeitfenster von 1,0 bis 2,5 s nach dem
(vorliegend willkürlich gesetzten) Zeit-Nullpunkt. Typischerweise kann
man anhand dieses Verlaufs auf den Alterungsgrad der Sonde zurückschließen.
Der Verlauf wird hierbei insbesondere als Sondenspannungssprung interpretiert,
wenngleich die Kurven 12 und 14 diesbezüglich
auch nicht die Steilheit der Kurve 10 haben.
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Vorliegend
steht gerade nicht der Verlauf in der Sondenspannung zwischen 0,7
und 0,2 V im Zentrum des Interesses. Vielmehr steht ein Zeitintervall
im Bereich um den anhand der Kurve 10 erkennbaren Wechsel
von magerem zu fettem Abgas bzw. umgekehrt im Zentrum des Interesses.
Es lässt sich ein Zeitintervall I1 vor
dem Wechsel und ein Zeitintervall I2 nach
dem Wechsel festlegen. Die Grenze zwischen den Intervallen kann
um eine geschätzte Durchlaufzeit verschoben sein gegenüber
dem Sprung in der Kurve 10, denn das Abgas muss den Weg
von der Lambda-Sonde 5 zur Lambda-Sonde 6 durchlaufen.
Diese Durchlaufzeit ist aber äußerst klein im
Verhältnis zu den Zeitdimensionen, die in 2 dargestellt
sind, und daher nicht in ihr erkennbar. Im Bereich der Zeitintervalle
I1 und I2 ändert
sich der Kurvenverlauf in der Kurve 12, welche durch eine funktionsfähige
Sonde gemessen wird, drastisch: Es gibt einen charakteristischen
Wendepunkt 16 in der Kurve 12, wobei nach dem
Wendepunkt 16 die Kurve 12 in einem Bereich 18 der
Kurve 12 besonders steil abfällt.
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Bei
einer nicht voll funktionsfähigen Sonde wird der Effekt
einer Filterung sichtbar. Die Filterung bei einer gealterten Sonde
ist insbesondere dergestalt, dass nicht mehr ein ausgeprägter
Wendepunkt nach Art des Wendepunkts 16 in der Kurve 14 zu
erkennen ist. Es kommt auch nicht zu einem steilen Abfall nach einem
solchen Wendepunkt.
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Zur
Erkennung der Funktionsfähigkeit einer Sonde genügt
es daher, das Intervall I2 alleine zu betrachten
oder den Kurvenverlauf im Intervall I2 mit dem
im Intervall I1 zu vergleichen. Der steile
Abfall im Bereich 18 der Kurve 12 spiegelt sich
wider in einem betragsmäßig hohen Wert der zeitlichen
Ableitung, gemittelt über das Intervall I2.
Die Abwesenheit dieses steilen Abfalls bei der Kurve 14 spiegelt
sich wider in einem vergleichsweise betragsmäßig
kleinen Wert der gemittelten zeitlichen Ableitung im Intervall I2. Es genügt daher, diese Mittelwerte
miteinander zu vergleichen, z. B. einen Verhältnis wert
festzulegen. Wird ein Schwellwert durch diesen Verhältniswert
unterschritten, kann eine Sonde als nicht mehr ausreichend funktionsfähig
diagnostiziert werden. Da die Kurve 12 im Bereich vor dem
Wendepunkt 16 flacher ist als die Kurve 14 im
Intervall I1 drücken sich Unterschiede
im Kurvenverhalten in einem solchen Verhältniswert noch
stärker aus als in den Absolutwerten für die durchschnittliche
Zeitableitung im Intervall I2 alleine, die
allerdings auch ohne die Werte aus I1 zum Diagnostizieren
herangezogen werden könnten.
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Analoge
Betrachtungen lassen sich zu den Intervallen I3 und
I4 zu dem umgekehrten Wechsel bei Spannungssprung
nach oben in der Kurve 10 machen. So kann anhand der Werte
im Intervall I4, gegebenenfalls unter Berücksichtigung
der Werte im Intervall I3, darauf zurückgeschlossen
werden, ob die Sonde voll funktionsfähig ist oder nicht.
In der Kurve 12 zeigt sich auch hier ein ausgeprägter
Wendepunkt 20 und ein steiler Verlauf der Kurve im Bereich 22, während
bei der Kurve 14 das Verhalten stark abgeschwächt
ist, nämlich durch den Effekt einer Filterung aufgrund
der Alterung der Sonde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005016075
A1 [0004, 0004]
- - DE 19828929 A1 [0005]