DE102016225522A1

DE102016225522A1 - Verfahren zur Diagnose und zum Betreiben eines Stickoxidsensors

Info

Publication number: DE102016225522A1
Application number: DE102016225522.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Handler; Moritz Waldorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-21
Also published as: CN108204998A; CN108204998B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Stickoxidsensors. Dieses umfasst ein Erhöhen einer Nernst-Regelspannung des Stickoxidsensors und/oder einer Pumpspannung an einer Sauerstoffzelle des Stickoxidsensors, und ein Messen eines Stickoxidsignals (NOx) an einer Stickoxidzelle des Stickoxidsensors. Ein Offset-Fehlers des Stickoxidsensors wird erkannt, wenn das gemessene Stickoxidsignal (NOx) größer als ein Schwellenwert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Stickoxidsensors. Wenn bei der Diagnose ein Offset-Fehler erkannt wurde, wird hierbei ein Offsets (Off) aus dem gemessenen Stickoxidsignal (NOx) berechnet und der Offsets (Off) beim weiteren Betreiben des Stickoxidsensors kompensiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Stickoxidsensors. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Stickoxidsensors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung Computerprogramme, die jeden Schritt eines der Verfahren ausführen, sowie maschinenlesbare Speichermedien, welche die Computerprogramme speichern. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um zumindest eines der Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Gängige Stickoxidsensoren (NOx-Sensoren) für automobile Anwendungen funktionieren vergleichbar zu Sauerstoffsensoren (Lambda-Sensoren) nach dem Grenzstromprinzip. Dabei wird mit einer elektrochemischen Zelle (Sauerstoffzelle) der Sauerstoff aus einem Hohlraum der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der daraus resultierende Pumpstrom ist proportional zum Sauerstoffgehalt des Abgases. Damit immer die korrekte Menge an Sauerstoff entfernt, beziehungsweise bei fettem Abgas hinzugefügt wird, wird auf die Spannung einer Referenzzelle geregelt. Dies ist die Nernst-Regelspannung. Stickoxidsensoren weisen eine weitere Zelle (Stickoxidzelle) auf, die über eine weitere Diffusionsbarriere mit der Sauerstoffzelle verbunden ist. An der Stickoxidzelle werden die Stickoxide abgepumpt. Der dabei resultierende Pumpstrom ist proportional zur Stickoxidkonzentration des Abgases. Es ist wichtig, dass an der Sauerstoffzelle nicht auch die Stickoxide abgepumpt werden. Anderenfalls würde an der Stickoxidzelle kein Signal mehr gemessen werden. Dies wird durch eine Golddotierung der Sauerstoffzelle erreicht. Außerdem darf die Sauerstoffzelle nur bei niedrigen Pumpspannungen betrieben werden.
Da das Stickoxidsignal um einen Faktor von 1000 kleiner ist als das Sauerstoffsignal, sind besonders hohe Isolationswiderstände zwischen den beiden Zellen erforderlich. Durch verschiedene Effekte im Abgas wie beispielsweise eine Vergiftung oder eine hohe Temperatur können die Isolationswiderstände abgesenkt werden. Eine solche Vergiftung von Stickoxidsensoren kann beispielsweise durch Natrium erfolgen, welches im Abgaskondensat vorhanden ist. Dadurch entsteht ein parasitärer Strom, der zusätzlich zum Stickoxidpumpstrom fließt. Er äußert sich als additiver Beitrag im Stickoxidsignal, der als Stickoxid-Offset bezeichnet wird.
Eine Diagnose eines Stickoxidsensors auf das Vorliegen eines Offsets kann während eines Schubbetriebs eines Kraftfahrzeugs erfolgen. Während des Schubbetriebs wird nach einer entsprechenden Spülmenge mit Luft der Null-Offset des Stickoxidsignals ermittelt und mit applizierbaren Fehlerschwellen verglichen. Bei Überschreiten der Fehlerschwellen wird ein Fehlerspeichereintrag erzeugt oder eine Fehlermeldung an den Fahrer gegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren zur Diagnose eines Stickoxidsensors umfasst ein Erhöhen einer Nernst-Regelspannung des Stickoxidsensors und/oder einer Pumpspannung an einer Sauerstoffzelle des Stickoxidsensors. Hierdurch werden eventuell im Abgas vorhandene Stickoxide bereits in der Sauerstoffzelle dissoziiert. Es ist also zu erwarten, dass an einer Stickoxidzelle des Stickoxidsensors kein Stickoxidsignal mehr gemessen werden kann. Ein Offset-Fehler des Stickoxidsensors wird erkannt, wenn beim anschließenden Messen eines Stickoxidsignals an der Stickoxidzelle das gemessene Stickoxidsignal größer als ein Schwellenwert ist.
Dieses Verfahren ermöglicht eine Diagnose eines Stickoxidsensors auf das Vorliegen eines Stickoxid-Offsets auch außerhalb von Schubphasen eines Kraftfahrzeugs. Zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen von Kraftfahrzeugen werden diese Schubphasen zunehmend durch Leerlaufsegelphasen oder Motorstoppsegelphasen ersetzt. Das vorliegende Verfahren ermöglicht dennoch eine Diagnose des Stickoxidsensors. Es kann insbesondere auch in Hybridfahrzeugen genutzt werden, welche in ihrem Betrieb überhaupt keine Schubphasen aufweisen, da diese für die Rekuperation benötigt werden.
In einem Normalbetrieb eines Stickoxidsensors beträgt die Nernst-Regelspannung typischerweise 425 mV und die Pumpspannung an der Sauerstoffzelle beträgt typischerweise 200 mV. Um eine vollständige Dissoziierung der Stickoxide in der Sauerstoffzelle zu gewährleisten, wird die Nernst-Regelspannung bevorzugt auf mindestens 800 mV, besonders bevorzugt auf mindestens 850 mV erhöht. Alternativ oder zusätzlich wird die Pumpspannung an der Sauerstoffzelle bevorzugt auf mindestens 550 mV, besonders bevorzugt auf mindestens 600 mV erhöht.
Damit das Stickoxidsignal durch eine Veränderung der Nernst-Regelspannung nicht zu stark verfälscht wird, ist es bevorzugt, dass bei einer Erhöhung der Nernst-Regelspannung eine Pumpspannung an der Stickoxidzelle um denselben Betrag erhöht wird, um den die Nernst-Regelspannung erhöht wird. Hierzu kann insbesondere eine Schaltung verwendet werden, welche die Pumpspannung an der Stickoxidzelle immer um einen vorgegebenen Betrag von beispielsweise 25 mV über der Nernst-Regelspannung hält.
Ein geeigneter Betriebszustand für die Durchführung des Verfahrens ist beispielsweise ein Nachlauf eines Verbrennungsmotors. Die Durchführung des Verfahrens im Nachlauf des Verbrennungsmotors ermöglicht es, dieses auch bei modernen Motorkonzepten durchzuführen.
Da durch das Erhöhen der Nernst-Regelspannung und/oder der Pumpspannung an der Sauerstoffzelle eine vollständige Dissoziierung der Stickoxide erwartetet werden kann, wird der Schwellenwert in einer Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt auf maximal 20 ppm, besonders bevorzugt auf maximal 10 ppm, ganz besonders bevorzugt auf 0 ppm gesetzt. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schwellenwert einem Referenzwert entspricht. Dieser kann ermittelt werden, indem bei einer Bandendeprüfung ein Erhöhen der Nernst-Regelspannung und/oder der Pumpspannung an der Sauerstoffzelle und ein anschließendes Messen des Stickoxidgehalts an der Stickoxidzelle erfolgt. Dieser erstmalige Verfahrensdurchlauf zu Referenzierungszwecken verbessert die Genauigkeit der Diagnose.
Wenn ein Diagnoseergebnis vorliegt, so kann dieses in dem Verfahren zum Betreiben des Stickoxidsensors verwendet werden. Dabei wird ein Offset aus dem gemessenen Stickoxidsignal berechnet, wenn ein Offset-Fehler erkannt wurde. Hierzu wird das gemessene Stickoxidsignal mit dem Schwellenwert verglichen. Beim weiteren Betreiben des Stickoxidsensors kann das Offset dann kompensiert werden.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt mindestens eines der Verfahren durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung der Verfahren in einem Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen Stickoxidsensor mittels der Verfahren zu diagnostizieren und/oder zu betreiben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Stickoxidsensor, welcher mittels Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Verfahren diagnostiziert und betrieben werden kann.
2 zeigt in einem Diagramm die Änderung der Nernst-Regelspannung und der Pumpspannungen eines Stickoxidsensors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt in einem Diagramm die Änderung eines Stickoxidsignals eines Stickoxidsensors, welcher kein Stickoxid-Offset aufweist in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt in einem Diagramm die zeitliche Änderung des Stickoxidsignals eines Stickoxidsensors, welcher ein Stickoxid-Offset aufweist in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Stickoxidsensor 10 ist in 1 dargestellt. Eine erste Diffusionsbarriere 11, die für Sauerstoff und Stickoxide durchlässig ist, trennt eine Sauerstoffzelle 12 des Stickoxidsensors 10 von einem Abgasstrang 20 eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. In einem Normalbetrieb des Stickoxidsensors 10 diffundieren die Stickoxide und der Sauerstoff des Abgases durch die erste Diffusionsbarriere 11 in die Sauerstoffzelle 12. Dort wird mittels einer ersten Pumpspannung U_p1 Sauerstoff aus der Sauerstoffzelle herausgepumpt. Die verbleibenden Stickoxide diffundieren durch eine zweite Diffusionsbarriere 13 in eine Stickoxidzelle 14. Dort werden sie durch eine zweite Pumpspannung U_p2 in Stickstoff und Sauerstoff dissoziiert und der so erzeugte Sauerstoff wird aus der Stickoxidzelle 14 herausgepumpt. Aus dem Pumpstrom der Stickoxidzelle 14 wird ein Stickoxidsignal erzeugt. Dieses wird von einem elektronischen Steuergerät 30 erfasst, welches auch die Pumpspannungen U_p1, U_p2 sowie die Nernst-Regelspannung U_n des Stickoxidsensors steuert.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose des Stickoxidsensors 10 wird in einem Nachlauf des Verbrennungsmotors zu einem Zeitpunkt t₁ die Nernst-Regelspannung U_n von 425 mV auf 800 mV erhöht. Die Pumpspannung U_p1 an der Sauerstoffzelle 12 wird gleichzeitig von 200 mV auf 600 mV erhöht. Das elektronische Steuergerät 30 weist eine Schaltung auf, durch welche die Pumpspannung U_p2 an der Stickoxidzelle 14 immer 25 mV über der Nernst-Regelspannung U_n gehalten wird. Dadurch steigt diese zum Zeitpunkt t₁ von 450 mV auf 825 mV an. Dies ist in 2 dargestellt. Nachdem ein stabiler Zustand des Stickoxidsensors 10 erreicht wurde, werden alle Spannungen zu einem Zeitpunkt t₂ wieder auf ihre Anfangswerte zurückgesetzt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält das Abgas im Abgasstrang 20 eine Stickoxidkonzentration NOx von 30 ppm. Wenn der Stickoxidsensor 10 kein Stickoxid-Offset aufweist, fällt das gemessene Stickoxidsignal NOx_mess zwischen dem Zeitpunkt t₁ t₂ auf 0 ppm. Dies ist in 3 dargestellt. Hieraus wird erkannt, dass kein Offset-Fehler des Stickoxidsensors 10 vorliegt.
Wenn hingegen ein Stickoxid-Offset Off von 30 ppm am Stickoxidsensor 10 vorhanden ist, ergibt sich der in 4 dargestellte Verlauf des Stickoxidsignals NOx_mess. Dieses startet im Normalbetrieb des Stickoxidsensors 10 bei einem Wert von 60 ppm, der sich als Summe der Stickoxidkonzentration NOx im Abgas von 30 ppm und des Stickoxid-Offsets Off von 30 ppm ergibt. Im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ fällt das gemessene Stickoxidsignal NOx_mess nicht auf seinen erwarteten Sollwert NOx_soll von 0 ppm, sondern stattdessen auf den Wert des Offsets Off von 30 ppm. Hieraus wird erkannt, dass ein Offset-Fehler des Stickoxidsensors 10 vorliegt. Außerdem kann der Betrag des Offsets Off auf diese Weise ermittelt werden. In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Stickoxidsensors wird beim weiteren Betreiben des Stickoxidsensors 10 das Offset Off kompensiert, indem das gemessene Stickoxidsignal NOx_mess stets um das nun bekannte Offset Off verringert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose des Stickoxidsensors wird dieses erstmalig bei einer Bandendprüfung nach der Herstellung des Stickoxidsensors 10 durchgeführt. Das dabei gemessene Stickoxidsignal wird bei allen weiteren Durchläufen des Verfahrens als Sollwert NOx_soll des gemessenen Stickoxidsignals NOx_mess im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ und somit als Schwellenwert für das Erkennen eines Offset-Fehlers verwendet.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Stickoxidsensors (10), umfassend die folgenden Schritte: - Erhöhen einer Nernst-Regelspannung (U_n) des Stickoxidsensors (10) und/oder einer Pumpspannung (D_p1) an einer Sauerstoffzelle (12) des Stickoxidsensors (10), - Messen eines Stickoxidsignals (NOx_mess) an einer Stickoxidzelle (14) des Stickoxidsensors (10), und - Erkennen eines Offset-Fehlers des Stickoxidsensors (10), wenn das gemessene Stickoxidsignal (NOx_mess) größer als ein Schwellenwert (NOx_soll) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nernst-Regelspannung (U_n) auf mindestens 800 mV erhöht wird und/oder die Pumpspannung (U_p1) an der Sauerstoffzelle (12) auf mindestens 550 mV erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung der Nernst-Regelspannung (U_n) eine Pumpspannung (U_p2) an der Stickoxidzelle (14) um denselben Betrag erhöht wird, um den die Nernst-Regelspannung (U_n) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert maximal 20 ppm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert einem Referenzwert entspricht, der durch Erhöhen der Nernst-Regelspannung (U_n) und/oder der Pumpspannung (U_p1) an der Sauerstoffzelle (12) und anschließendes Messen eines Stickoxidsignals (NOx_mess) an der Stickoxidzelle (14) bei einer Bandendeprüfung ermittelt wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Nachlauf eines Verbrennungsmotors durchgeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Stickoxidsensors (10), umfassend die folgenden Schritte: - Diagnostizieren des Stickoxidsensors (10) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - Berechnen eines Offsets (Off) aus dem gemessenen Stickoxidsignal (NOx_mess), wenn ein Offset-Fehler erkannt wurde, und - Kompensieren des Offsets (Off) beim weiteren Betreiben des Stickoxidsensors (10).
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (30), welches eingerichtet ist, um einen Stickoxidsensor (10) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zu diagnostizieren und/oder den Stickoxidsensor (10) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 7 zu betreiben.