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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgassonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgassonde wenigstens ein Heizelement zum Erreichen einer Nominaltemperatur einer Messzelle in der Abgassonde aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen und ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Zur Reduktion der Emissionen in PKW mit Ottomotoren werden üblicherweise 3-Wege-Katalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgase konvertieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde gemessen. Das Speichervermögen einer derartigen Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass oxidierbare Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Eine der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde dient dabei der Überwachung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit muss im Rahmen der On-Bord-Diagnose (OBD) überwacht werden, da sie ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage darstellt. Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit wird entweder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Magerphase mit Sauerstoff belegt und anschließend in einer Fettphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge entleert oder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Fettphase von Sauerstoff entleert und anschließend in einer Magerphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge aufgefüllt. Die Magerphase wird beendet, wenn die der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde den Sauerstoff detektiert, der nicht mehr von der Abgasreinigungsanlage gespeichert werden kann. Ebenso wird eine Fettphase beendet, wenn die Abgassonde den Durchtritt von fettem Abgas detektiert. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage entspricht der während der Fettphase zur Entleerung zugeführten Menge an Reduktionsmittel bzw. der während der Magerphase zur Auffüllung zugeführten Menge an Sauerstoff. Die genauen Mengen werden aus dem Signal der vorgelagerten Abgassonde und dem aus anderen Sensorsignalen ermittelten Abgasmassenstrom berechnet.
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In heutigen Motorsteuerungssystemen werden Lambdasonden zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas und zur Lambdaregelung des Motors verwendet. Man unterscheidet hierbei zwischen einer stetigen Sonde oder auch Breitband-Lambdasonde und einer Zweipunkt-Lambdasonde oder Sprungsonde. Eine Lambdasonde beruht auf einer galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt. Der Festkörperelektrolyt wird typischerweise bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 350°C für Sauerstoff-Ionen leitend. Die Nominaltemperatur der Sonde liegt in der Regel deutlich höher, typischerweise zwischen 650°C und 850°C. Die Temperatur, bei der die Lambdasonde betriebsbereit wird und die Anforderungen in einem Motorsteuerungssystem erfüllt, liegt zwischen der Aktivierungstemperatur und der Nominaltemperatur der Sonde. Eine Breitband-Lambdasonde nach dem Stand der Technik und deren Aufbau ist beispielsweise in der
DE 10 2008 042 268 A1 beschrieben.
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Sobald die Sonde betriebsbereit ist, kann das Sondensignal für Regel- und Diagnosezwecke verwendet werden. Insbesondere kann erst mit einer betriebsbereiten Sonde die Lambdaregelung aktiviert werden. Da eine aktive Lambdaregelung zur Verringerung der Schadstoff-Emission führt, muss die Betriebsbereitschaft der Lambdasonde schnellstmöglich nach dem Motorstart erreicht werden.
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Aus diesem Grund wird die Sonde in der Regel aktiv elektrisch beheizt. Die Lambdasonde besitzt zu diesem Zweck ein elektrisches Heizelement, das von einem Steuergerät angesteuert wird. Üblich ist ein Sensorelement aus Zirkondioxid mit einem integrierten Platin-Heizelement.
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Das Funktionsprinzip einer Zweipunkt-Lambdasonde basiert auf dem Vergleich der Sauerstoffpartialdrücke an einer Abgaselektrode und an einer Referenzelektrode. Es stellt sich eine vom Sauerstoffpartialdruck im Abgas abhängige Sondenspannung ein.
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Im Motorsteuergerät befindet sich in der Regel eine Spannungsquelle, die parallel zur Zweipunkt-Lambdasonde geschaltet ist. Diese Spannungsquelle erzeugt eine konstante Gegenspannung und weist einen im Vergleich zu einer kalten Sonde geringen Innenwiderstand auf. Da die Sonde selbst ebenfalls eine Spannungsquelle darstellt, handelt es sich um eine Parallelschaltung zweier Spannungsquellen. Die Ausgangsspannung dieser Parallelschaltung kann gemessen werden und ist eine Überlagerung der Sondenspannung und der Gegenspannung, wobei die Spannung der Spannungsquelle mit dem geringen Innenwiderstand überwiegt.
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Der Nominalwert der Gegenspannung wird in der Steuergerätesoftware an zahlreichen Stellen verwendet. In üblichen Systemen wird mithilfe der Gegenspannung beispielsweise ein temperaturunabhängiges Sondensignal berechnet. Auch Diagnosen verwenden die Gegenspannung. Beispielsweise wird zur Erkennung einer Unterbrechung im Sondensignalkreis die gemessene Sondenspannung mit dem Nominalwert der Gegenspannung verglichen.
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In der Praxis ist die Gegenspannung toleranzbehaftet. Ihr tatsächlicher Wert kann vom Nominalwert abweichen. Grund dafür sind Toleranzen der Bauteile, die im Steuergerät zur Erzeugung der Gegenspannung verwendet werden. Durch diese Abweichungen der tatsächlichen Gegenspannung von ihrem Nominalwert, werden abgeleitete Größen z.B. das temperaturunabhängige Sondensignal verfälscht. Darüber hinaus müssen die Toleranzen der Gegenspannung bei allen Vergleichen berücksichtigt werden, um beispielsweise Fehldiagnosen zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte:
- a) Auswählen eines Betriebspunktes der Abgassonde, bei dem eine Ausgangspannung einer Parallelschaltung aus einer Sondenspannung der Abgassonde am Ausgang einer elektrischen Beschaltung der Messzelle und einer Gegenspannung einer in einer Steuereinheit integrierten Spannungsquelle der Gegenspannung der in der Steuereinheit integrierten Spannungsquelle entspricht,
- b) Auslesen der Ausgangsspannung der Parallelschaltung bei dem in Schritt a) ausgewählten Betriebspunkt, bei der die Ausgangsspannung der Parallelschaltung der Gegenspannung der in der Steuereinheit integrierten Spannungsquelle entspricht und
- c) Verwenden der in Schritt b) ausgelesenen Ausgangsspannung als tatsächliche Gegenspannung.
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Der Ausdruck „eine Ausgangsspannung entspricht einer Gegenspannung“ bedeutet im Folgenden insbesondere, dass der mögliche Wertebereich der Ausgangspannung sich mit dem möglichen Wertebereich der Gegenspannung überschneidet. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang ähnliche oder komplett identische Wertebereiche und damit ähnliche oder identische Spannungen ermittelbar.
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Somit wird die tatsächliche Gegenspannung in einem definierten Betriebspunkt gemessen, in dem kein Einfluss durch die angeschlossene Sonde besteht. Die gemessene Gegenspannung wird im Steuergerät gespeichert und statt des Nominalwerts in der Steuergerätesoftware verwendet. Vorteilhafterweise ist die Signalqualität von Größen, die mithilfe der gemessenen Gegenspannung berechnet werden, besser als bei Verwendung des Nominalwerts der Gegenspannung. Insbesondere im Niedertemperaturbetrieb der Sonde, wo der Einfluss der Gegenspannung besonders groß ist, wird die Genauigkeit des berechneten Sondensignals weiter verbessert. Damit wird die Qualität der Lambdaregelung verbessert und der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen werden reduziert. Auch die Robustheit der Diagnosen wird erhöht. Bei Diagnosen, die einen Vergleich der Sondenspannung mit der Gegenspannung beinhalten, wird eine höhere Trennschärfe erreicht, wenn die gemessene Gegenspannung statt ihres Nominalwerts verwendet wird, weil die Toleranzen der elektrischen Beschaltung nicht oder zumindest nicht in demselben Umfang berücksichtigt werden müssen.
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Eine Idee der Erfindung besteht darin, dass eine Regelung der Heizleistung nicht in jedem Fall notwendig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert prinzipiell auch mit einer reinen Vorsteuerung der Heizleistung. Vorteilhafterweise kann auch eine unbeheizte Sonde im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit zum Betreiben einer Abgassonde bereitgestellt, bei der die tatsächliche Gegenspannung ermittelbar wird und dabei mögliche Toleranzen korrekt berücksichtigt werden. Zugleich werden die Signalqualität von abgeleiteten Größen und auch die Trennschärfe von Diagnosen des Sondensignals verbessert.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Betriebspunkt bei einer vorbestimmten Betriebsbedingung ausgewählt, wobei die vorbestimmte Betriebsbedingung wenigstens einen Zustand aus nicht-angeschlossener Abgassonde und kalter Abgassonde umfasst. Der Ausdruck „kalte Abgassonde“ wird im Folgenden insbesondere für den Betrieb einer Abgassonde bei Temperaturen von weniger als 100°C verwendet.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Sondenspannung am Ausgang der elektrischen Beschaltung der Messzelle durch einen Analog-Digital-Konverter (ADC) bestimmt. Dabei wird die Ausgangsspannung einer Parallelschaltung von zwei Spannungsquellen, der Spannungsquelle, welche eine Gegenspannung erzeugt und in einer Steuereinheit integrierbar ist, und der Spannungsquelle der Messzelle der Abgassonde, gemessen. Mithilfe des ADCs können die Signale der Abgassonde zur Weiterverarbeitung in entsprechende digitale Signale umgewandelt werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die tatsächliche Gegenspannung zur Lambda-Bestimmung und/oder zur Lambda-Regelung der Abgassonde verwendet. Damit kann eine genauere Lambda-Regelung ermöglicht werden. Einschaltbedingungen der Lambda-Regelung können damit weniger restriktiv ausgelegt werden. Die Lambda-Regelung kann daher häufiger aktiviert werden, was den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoff-Emission reduzieren hilft.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die tatsächliche Gegenspannung bei der Berechnung eines temperaturunabhängigen Sondensignals verwendet. Dabei kann es sich bei dem Sondensignal um eine Sondenspannung handeln. Die gemessene und abgespeicherte Gegenspannung wird bei der Berechnung verwendet, um die Genauigkeit des temperaturunabhängigen Sondensignals zu verbessern. Vorteilhafterweise können Spannungsschwellen, die in Diagnosen für einen Vergleich der Sondenspannung mit der Gegenspannung verwendet werden, an die gemessene Gegenspannung angepasst werden, um die Trennschärfe dieser Diagnosen zu verbessern.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Abgassonde eine Breitband-Lambdasonde, eine Zweipunkt-Lambdasonde, eine andere Abgassonde oder ein Gassensor verwendet. Bei den genannten Abgassonden ist besonders wichtig, dass diese für eine optimale Funktion sehr schnell auf ihre optimale Betriebstemperatur hochgeheizt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass jede der im Abgaskanal der Brennkraftmaschine verbauten Lambdasonden mit dem vorgestellten Verfahren und seinen Varianten betrieben wird. Grundsätzlich lässt sich das Verfahren auch auf andere Abgassonden, beispielsweise auf NOx-Sensoren oder auf Gassensoren mit temperaturabhängigem Ausgangssignal, anwenden. Derartige Gassensoren können auch an anderer Stelle, beispielsweise im Zuluftkanal, verbaut sein. Insbesondere bei Abgassonden mit einer TSP-Schutzschicht (Thermal Shock Protection) kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erhebliche Reduzierung der Kaltemission eines Verbrennungsmotors erzielt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Computerprogramm bereitgestellt, welches alle Schritte des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausführt, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in einem Steuergerät, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abgassonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine bereitgestellt, wobei die Abgassonde wenigstens ein Heizelement zum Erreichen einer Nominaltemperatur einer Messzelle in der Abgassonde aufweist, wobei eine Steuereinheit oder eine übergeordnete Motorsteuerung eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchzuführen. Somit wird in der Steuergerätesoftware die tatsächliche gemessene oder berechnete Gegenspannung anstatt des Nominalwerts verwendet. Da die Gegenspannung im Steuergerät nicht direkt gemessen werden kann, wird die Ausgangsspannung der Parallelschaltung aus Gegenspannungsquelle und Sondenspannungsquelle unter Betriebsbedingungen gemessen, bei denen diese Ausgangsspannung nahezu oder komplett unbeeinflusst durch die angeschlossene Sonde ist. Ideale Bedingungen sind bei nicht angeschlossener Sonde gegeben, aber auch bei kalter Sonde sind solche Voraussetzungen gegeben. Denn bei kalter Sonde ist der Innenwiderstand der Sonde sehr hoch, typischerweise sehr viel größer als 10 MΩ, im Vergleich zum Innenwiderstand der Gegenspannungsquelle, die typischerweise einen Wert von ca. 50 kΩ aufweist. Weil die am ADC anliegende Spannung eine Überlagerung der Sondenspannung und der Gegenspannung ist, wobei die Spannung mit dem geringeren Innenwiderstand überwiegt, misst man in diesem Fall am ADC die reine Gegenspannung. Vorteilhafterweise spielt die Nernstspannung der Sonde und damit das Abgaslambda, bei dem diese Messung stattfindet, keine Rolle.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.
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1 zeigt in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung angewendet wird; und
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2 illustriert schematisch die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt schematisch an einem Beispiel eines Otto-Motors das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Signalaufbereitung einer Abgassonde 1, 5 eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 3 wird Luft über eine Luftzuführung 6 zugeführt und deren Masse mit einem Luftmassenmesser 7 bestimmt. Der Luftmassenmesser 7 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgeführt sein. Das Abgas der Brennkraftmaschine 3 wird über einen Abgaskanal 2 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 3 eine Abgasreinigungsanlage 9 vorgesehen ist. Die Abgasreinigungsanlage 9 umfasst üblicherweise mindestens einen Katalysator.
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Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 3 ist eine Motorsteuerung 4 vorgesehen, die zum einen der Brennkraftmaschine 3 über eine Kraftstoffdosierung 8 Kraftstoff zuführt und der zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 7 und der in dem Abgaskanal 2 angeordneten Abgassonde 5 sowie einer weiteren in der Abgasableitung 2 angeordneten Abgassonde 1 zugeführt werden. Die Abgassonde 5 bestimmt im ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Lambda-Istwert eines der Brennkraftmaschine 3 zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs. Sie kann als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambda-Sonde ausgeführt sein. Die Abgassonde 1 bestimmt die Abgaszusammensetzung nach der Abgasreinigungsanlage 9. Die Abgassonde 1 kann als Sprungsonde oder als Zweipunkt-Lambdasonde ausgebildet sein.
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Die Abgassonde 5 weist als Hauptkomponente eine Messzelle mit einem integrierten Heizelement auf, die ein vom Sauerstoffgehalt im Abgaskanal 2 abhängiges Ausgangssignal liefert, welches als Eingangssignal einer Lambdaregelung dient. Die Messzelle kann dabei als Nernst-Zelle ausgeführt sein. Die Lambdaregelung ist üblicherweise Bestandteil der Motorsteuerung 4. Entsprechend kann anstelle der Abgassonde 5 oder zusätzlich zu dieser die Abgassonde 1 mit ihrem Heizelement sowie ihrer Messzelle an die Motorsteuerung 4 angeschlossen sein.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der als Zweipunkt-Lambdasonde ausgeführten Abgassonde 1 erläutert. Dieses lässt sich sinngemäß auch auf andere Abgassonden mit temperaturabhängigem Ausgangssignal anwenden.
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Üblicherweise befindet sich im Steuergerät bzw. in der Motorsteuerung 4 eine Spannungsquelle, die parallel zur Abgassonde 1 geschaltet ist. Diese Spannungsquelle erzeugt eine konstante Gegenspannung und weist einen im Vergleich zu einer kalten Abgassonde 1 geringen Innenwiderstand auf. Da die Abgassonde 1 selbst ebenfalls eine Spannungsquelle darstellt, handelt es sich um eine Parallelschaltung zweier Spannungsquellen. Die Ausgangsspannung dieser Parallelschaltung wird mithilfe eines ADC gemessen und ist eine Überlagerung der Nernst-Spannung der Abgassonde 1 und der Gegenspannung, wobei die Spannung der Spannungsquelle mit dem kleineren Innenwiderstand überwiegt. Bei kalter Sonde besitzt diese einen hohen Innenwiderstand, sodass die Gegenspannung dominiert. Bei einer heißen Sonde ist der Innenwiderstand dagegen sehr klein, sodass die Nernst-Spannung der Sonde dominiert.
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Die im Steuergerät befindliche Spannungsquelle erzeugt eine konstante Gegenspannung. Diese Gegenspannung beträgt beispielsweise 1.6 V im Fall einer Zweipunkt-Lambdasonde mit gepumpter Sauerstoffreferenz und 0.45 V im Fall einer Sonde ohne gepumpte Sauerstoffreferenz. Die Gegenspannung wird typischerweise aus einer im Steuergerät verfügbaren Festspannung, beispielsweise 5 V oder 3.3 V, über einen Spannungsteiler erzeugt. Sowohl die Festspannung als auch die Widerstände des Spannungsteilers sind in der Regel toleranzbehaftet. In dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die tatsächliche Gegenspannung im Bereich beispielsweise zwischen 1.3 V und 1.9 V.
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2 illustriert schematisch die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Nach dem Start 10 des Verfahrens wird in einem ersten Schritt 11 ein Betriebspunkt der Abgassonde 1 ausgewählt, bei dem eine Ausgangspannung einer Parallelschaltung aus einer Sondenspannung der Abgassonde 1 und einer Gegenspannung einer in einer Steuereinheit 4 integrierten Spannungsquelle der Gegenspannung der in der Steuereinheit 4 integrierten Spannungsquelle entspricht. Hierzu werden die durchlaufenden Betriebspunkte gegebenenfalls solange beobachtet bis ein Betriebspunkt die vorgenannte Bedingung erfüllt. In einem zweiten Schritt 12 wird dann die Ausgangsspannung der Parallelschaltung bei dem in dem ersten Schritt ausgewählten Betriebspunkt ausgelesen. In einem dritten Schritt 13 wird die in dem zweiten Schritt 12 ausgelesene Ausgangsspannung als tatsächliche Gegenspannung verwendet bevor eine Beendigung 14 des Verfahrens erfolgt.
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Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Messung der Gegenspannung nach der Fahrzeugmontage am Bandende vor dem ersten Motorstart durchgeführt. Dabei wird entweder die Sonde angeschlossen oder die Sonde bleibt nicht angeschlossen. Eine solche Messung ist sehr einfach in den Ablauf am Bandende integrierbar, da sie lediglich die kurze Zeit für eine Spannungsmessung, üblicherweise kleiner als eine Sekunde, benötigt. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Messung der Gegenspannung auch später im Fahrzeugleben wiederholt, wenn durch entsprechende Einschaltbedingungen sichergestellt ist, dass die Sonde kalt ist, beispielsweise nach ausreichend langer Abstellzeit des Verbrennungsmotors. Durch regelmäßige Wiederholungsmessungen wird eine Langzeitdrift der Gegenspannung erkannt und berücksichtigt. Vorteilhafterweise wird dabei der gemessene Wert der Gegenspannung im Steuergerät dauerhaft gespeichert und statt des Nominalwerts in der Steuergerätesoftware verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042268 A1 [0003]
