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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Auftretens einer offenen Leitung in einem Sensor. Das vorliegende Verfahren ist hierbei auf eine Verwendung in einem Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, gerichtet. Die vorliegenden Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des genannten Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine elektronische Steuerungseinheit, welche ein derartiges elektronisches Speichermedium umfasst.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Sensoren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils eines Gases oder von Partikeln in einem Gasgemisch, bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Sensoren beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils, insbesondere eines Partialdrucks und/oder eines Volumenanteils und/oder eines Massenanteils, eines Gases oder von Partikeln in einem Gasgemisch dienen. Bei dem Gas um ein kann es sich um Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Als Sensor zur Erfassung des Gasanteils können insbesondere eine Lambda-Sonde, ein NOx-Sensor, ein SOx-Sensor, ein COx-Sensor oder ein Partikelsensor dienen. Derartige Sensoren sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K.-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 beschrieben.
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Lambdasonden, insbesondere universelle Lambdasonden, stellen zwei Stoffströme, insbesondere Sauerstoffströme, zwischen zwei Volumina, bei welchen es sich um einen Gasraum außerhalb der Vorrichtung oder um einen Hohlraum in der Vorrichtung handeln kann, in ein Gleichgewicht. Einer der Stoffströme wird hierbei durch Konzentrationsunterschiede über eine Diffusionsbarriere getrieben. Ein weiterer Stoffstrom wird über einen Festkörperelektrolyten und zwei Elektroden, insbesondere zwei Pumpelektroden, gesteuert durch einen angelegten Pumpstrom, getrieben. Der Pumpstrom wird dabei vorzugsweise so eingeregelt, dass sich in dem Hohlraum eine konstante und sehr geringe Sauerstoff-Konzentration einstellt. Ein Konzentrationsprofil über die Diffusionsbarriere ist durch einen konstanten Regelpunkt in dem Hohlraum, insbesondere eine konstante Sollspannung resultierend in einer Sauerstoff-Konzentration, und durch eine abgasseitige Sauerstoff-Konzentration eindeutig bestimmt. Ein Zustrom von Sauerstoffmolekülen aus dem Messgasraum zum Hohlraum stellt sich entsprechend diesem eindeutigen Konzentrationsprofil ein und entspricht dem eingeregelten Pumpstrom. Daher kann der Pumpstrom als Messwert für die Sauerstoff-Konzentration im Messgasraum, insbesondere für die abgasseitig anliegende Sauerstoff-Konzentration, dienen.
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Weiterhin sind Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente, insbesondere eines Stickoxids NO
x, eines Schwefeloxids SO
x oder eines Kohlenoxids CO
x, mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff bekannt. Die
EP 0769693 A1 offenbart ein Verfahren und einen NO
x-Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, insbesondere das Stickoxid NO
x, in einem Gasgemisch durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff, insbesondere durch die Reduktion des Stickoxids NO
x mittels eines für diesen Zweck geeigneten Katalysators. Der Sensor umfasst eine erste Pumpzelle, die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgasraum in Verbindung steht, wobei die erste Pumpzelle dazu dient, Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum zu transportieren, wodurch sich ein geringerer Sauerstoff-Partialdruck in dem ersten Hohlraum einstellt. Der Sensor umfasst weiterhin eine Referenzzelle, die an einem Referenzgasraum anliegt und welche dazu dient, um Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum derart zu transportieren, dass ein Sauerstoff-Partialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten Hohlraum derart reguliert werden kann, dass der Sauerstoff-Partialdruck einen Wert aufweist, der die Erfassung des Anteils der Messgaskomponente nicht beeinträchtigt. Der Sensor umfasst schließlich eine zweite Pumpzelle, die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei eine an dem zweiten Hohlraum anliegende Elektrode, insbesondere durch einen hierzu in die Elektrode eingebrachten Katalysator, dazu eingerichtet ist, die Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff, vorzugsweise ein Stickoxid NO
x, in der in den zweiten Hohlraum eingeleiteten Atmosphäre zu reduzieren oder abzubauen. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NO
x stammt, wird mittels des zweiten Pumpstroms in den Referenzgasraum transportiert und dessen Anteil mit Hilfe eines Wertes, auf welchen der zweite Pumpstrom eingeregelt wird, nachgewiesen. Damit lässt sich mittels einer Kaskade von mindestens drei hintereinander angeordneten Pumpzellen der Anteil des Stickoxids NO
x in einem Gasgemisch, das neben dem Stickoxid NO
x auch weiterhin Sauerstoff umfasst, in einem Messgasraum bestimmen.
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Hierbei ist es erforderlich, wenn das in dem Sensor angeordnete Sensorelement während der Aufnahme eines Messwertes bereits die Betriebstemperatur, welche im Fall eines NOx-Sensors einen Wert von 600 °C bis 800 °C annimmt, erreicht hat, da für den Fall, dass die für den betreffenden Sensor Betriebstemperatur noch nicht erreicht wurde oder nicht innerhalb von vorgegebenen Grenzen gehalten werden kann, insbesondere die Genauigkeit der von dem Sensorelement erfassten Messwerte teilweise stark beeinträchtigt wird. Daher verfügt der Sensor vorzugsweise über mindestens ein steuerbares Heizelement, welches dazu eingerichtet ist, um das Sensorelement auf die Betriebstemperatur zu bringen und die Temperatur des Sensorelements innerhalb der vorgegebenen Grenzen zu halten.
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Von der Gesetzgebung wird verlangt, dass derartige Sensoren, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases oder von Partikeln in dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine dienen, einer ständigen Überwachung unterzogen werden. Die Überwachung muss hierbei insbesondere dazu eingerichtet sein, um einen Kurzschluss (engl. short circuit) und/oder um eine offene Leitung (engl. open circuit) in elektrischen Verbindungen zwischen dem Sensorelement einerseits und der Batterie oder der Masse andererseits befinden, erkennen zu können. Hierbei ist es insbesondere vorgeschrieben, dass die Überwachung, soweit technisch möglich, mit einer Abtastrate von mindestens 2 Hz erfolgt.
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Insbesondere bei NOx-Sensoren und bei Partikelsensoren stellt diese gesetzliche Anforderung eine hohe technische Herausforderung dar, da der Sensor in dieser Art von Sensoren typischerweise ein sehr geringes Sensorsignal nahe bei Null anzeigt, da in einem bereinigtem Abgas weder NOx-Moleküle noch Partikel in einem nennenswertem Anteil vorhanden sind. In Folge dieses Umstands ist das sehr geringe Sensorsignal praktisch kaum von einer offenen Leitung zu unterscheiden. Daher erfolgt bei NOx-Sensoren eine Erkennung eines Auftretens einer offenen Leitung üblicherweise durch ein einmaliges Erzwingen eines Stromflusses durch den Sensor beim Start des Sensors. Kann hierbei ein Stromfluss nachgewiesen werden, lässt sich eine offene Leitung ausschließen. Allerdings kann auf dies Weise die oben genannte gesetzliche Anforderung, dass die Überwachung des Sensors mit einer Abtastrate von mindestens 2 Hz erfolgt, nicht erfüllt werden. Ein Erzwingen eines Stromflusses durch den Sensor während des Betriebs des Sensors ist zudem dadurch nachteilig, dass hierdurch eine Messfähigkeit des Sensors beeinträchtig wird und es außerdem eine längere Zeit, die typischerweise 20 s betragen kann, bis der Sensor wieder in einem festgelegten Bereich einsetzbar ist. Da der NOx-Sensor dazu eingerichtet ist, um auch geringe Änderungen des Gasanteils sehr sensitiv nachweisen zu können, bleibt dieser Nachteil auch dann bestehen, auch wenn der erzwungene Stromfluss sehr gering gehalten wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Erkennung eines Auftretens einer offenen Leitung in einem Sensor, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine elektronische Steuerungseinheit, welche ein derartiges elektronisches Speichermedium umfasst, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen des vorliegenden Verfahrens.
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Der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens eingesetzte Sensor umfasst ein Sensorelement, welches zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungsmaschine, vorzugsweise mit den eingangs beschriebenen Eigenschaften eingerichtet ist. Das Sensorelement ist hierbei insbesondere dazu eingerichtet, um eine Vielzahl von Messsignalen zu erzeugen, aus welchen sich die mindestens eine Eigenschaft des fluiden Mediums bestimmen lässt. Bei dem Sensor handelt es sich hierbei insbesondere um eine Lambda-Sonde, einen NOx-Sensor, einen SOx-Sensor, einen COx-Sensor oder einen Partikelsensor, wobei der NOx-Sensor und der Partikelsensor besonders bevorzugt sind. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das jeweilige Sensorelement wird hierzu auf die obige Beschreibung und den Stand der Technik verwiesen.
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Der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens eingesetzte Sensor umfasst weiterhin mindestens ein steuerbares Heizelement, welches dazu eingerichtet ist, um während zumindest eines Zeitraums das Sensorelement mit einer gewählten Heizleistung zu beaufschlagen. Das Heizelement dient daher insbesondere dazu, um das Sensorelement durch Beaufschlagung mit der Heizleistung auf eine Betriebstemperatur, welche im Fall eines NOx-Sensors einen Wert von 600 °C bis 800 °C annehmen kann, zu bringen und die Temperatur des Sensorelements bei der Betriebstemperatur innerhalb von vorgegebenen Grenzen zu halten. Auf diese Weise kann eine möglichst hohe Genauigkeit der von dem Sensorelement erfassten Messwerte ermöglicht werden.
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Außerhalb des Zeitraums unterbleibt eine Beaufschlagung des Sensorelements mit der gewählten Heizleistung. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann als Grund hierfür angegeben werden, dass insbesondere NOx-Sensoren und Partikelsensoren als sogenannte „High-Z Sensoren“ in der Regel mit hohen Isolationswiderständen der Sensorleitung ausgestattet sind. Da aber die von dem Sensorelement erfassten Messsignale sehr gering sind, kann trotz der hohen Isolationswiderstände ein Übersprechen der an dem Heizelement anliegenden Heizspannung auf die die von dem Sensorelement erfassten Messsignale auftreten. Durch das Heizelement und einen zugehörige Betrieb des Heizelements kann so eine Störung der Messsignale der Sensoren, insbesondere der NOx-Sensoren und der Partikelsensoren, erzeugt werden. Dieses Phänomen wird üblicherweise unter dem Begriff Heizereinkopplung (HEK) zusammengefasst. Die Heizereinkopplung kann in einzelnen Fällen ein derartiges Ausmaß annehmen, dass das Messsignal vorgegebene Spezifikationen nicht mehr erfüllen kann. Um derartige Auswirkungen zu verhindern, werden daher in einer bevorzugten Ausgestaltung nur diejenigen Messsignale ausgewertet, die außerhalb des genannten Zeitraums, d.h. während die Beaufschlagung des Sensorelements mit der gewählten Heizleistung unterbleibt, erfasst werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Heizelement mittels eines ausgewählten Heizzyklus betrieben werden, besonders bevorzugt mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung. Andere Arten von Heizzyklen sind jedoch ebenfalls möglich. Hierbei bezeichnet der Begriff der „Pulsweitenmodulation“, kurz auch „PWM“ eine Art der Ansteuerung, welche einen Zyklus mit einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden ersten Zeitdauern und zweiten Zeitdauern festlegt. Einerseits wird hierzu das Sensorelement während der ersten Zeitdauern, die in dem vorliegenden Zyklus auch als „PWN = ON“ bezeichnet werden können, von dem Heizelement mit der Heizleistung beaufschlagt; andererseits unterbleibt jedoch während der zweiten Zeitdauern, die in dem vorliegenden Zyklus auch als „PWN = OFF“ bezeichnet werden können, eine Beaufschlagung des Sensorelements mit der Heizleistung. Die Pulsweitenmodulation kann insbesondere dadurch eingerichtet werden, indem das Heizelement während der ersten Zeitdauern mit voller Batteriespannung beaufschlagt wird und während der zweiten Zeitdauern nicht mit einer Spannung beaufschlagt wird, so dass das Heizelement nur während der ersten Zeitdauern das Sensorelement mit der Heizleistung beaufschlagen kann.
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Für die pulsweitenmodulierte Ansteuerung kann eine Wiederholrate zwischen den jeweiligen ersten Zeitdauern, d.h. wenn der zugehörige Zyklus in einen Bereich mit „PWN = ON“ eintritt, festgelegt werden. Insbesondere um die oben genannten Vorgaben zur Erkennung des Auftretens einer offenen Leitung in dem Sensor zu erfüllen, kann die Wiederholrate vorzugsweise auf einen Wert von mindestens 2 Hz eingestellt werden. Andere Werte für die Wiederholrate sind jedoch denkbar, typische Werte für die pulsweitenmodulierte Ansteuerung liegen in einem Bereich von 20 Hz bis 300 Hz.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, auf im Folgenden beschriebene Weise eine Erkennung eines Auftretens einer offenen Leitung in dem Sensor auszuführen. Der Sensor kann hierzu über eine Mehrzahl von eine elektrischen Leitungen verfügen, insbesondere jeweils eine elektrische Leitung, welche das Sensorelement mit einer Spannungsquelle, insbesondere einer Batterie oder einem Akkumulator, und mit einer Masse, insbesondere der Masse des Kraftfahrzeugs, in Verbindung steht. Weitere Leitungen können etwa dazu dienen, das Sensorelement oder Teile hiervon anzusteuern und/oder Messwerte aus dem Sensorelement auszulesen. Der Begriff der „offenen Leitung“, die auch als „unterbrochene Leitung“ bezeichnet werden kann, bezieht sich hierbei auf eine elektrische Leitung, welche an irgendeinem Punkt unterbrochen worden sein kann und daher keinen geschlossenen Stromkreis ausbilden kann. Bei Auftreten einer offenen Leitung kann daher der Sensor, je nach Art und/oder Stelle der Unterbrechung der betreffenden elektrischen Leitung, eine ihm zugewiesene Messaufgabe nicht, nur unzureichend oder in zumindest teilweise fehlerhafter Weise ausführen. Der Begriff des „Auftretens“ bezieht sich hierbei auf ein tatsächliches Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer offenen Leitung in dem Sensor. Der Begriff der „Erkennung“ bezeichnet hierbei einen Vorgang, welcher das Auftreten oder das Nichtauftreten einer offenen Leitung in dem Sensor möglichst zweifelsfrei nachweisen kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann hierbei das Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor an eine elektronische Steuerungseinheit und/oder einen Benutzer ausgegeben werden, wodurch insbesondere Gegenmaßnahmen ausgelöst werden können.
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Um das Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor zu bestimmen, wird zunächst vorgeschlagen, dass das Sensorelement mindestens ein erstes Sensorsignal und mindestens ein zweites Sensorsignal erzeugt. Das mindestens eine erste Sensorsignal wird hierbei während des Zeitraums, insbesondere während des mindestens einen ersten Zeitraums, in welchem sich bei der zugehörige Zyklus der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements in einen Bereich mit „PWN = ON“ befindet, erfasst. Demgegenüber wird das mindestens eine zweite Sensorsignal außerhalb des Zeitraums, insbesondere während des mindestens einen zweiten Zeitraums, in welchem sich der zugehörige Zyklus bei der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements sich in einen Bereich mit „PWN = OFF“ befindet, erfasst.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, das Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor dadurch nachzuweisen, dass das mindestens eine zweite Sensorsignal innerhalb eines Schwellwertes dem mindestens einen ersten Sensorsignal entspricht. Hierzu kann vorzugsweise eine Differenz zwischen dem mindestens einen ersten Sensorsignal und dem mindestens einen zweiten Sensorsignal gebildet und überprüft werden, ob die Differenz unterhalb des Schwellwertes liegt, was dem Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor entspricht. Falls jedoch die Differenz oberhalb des Schwellwertes liegt, kann kein Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor nachgewiesen werden. Andere Arten des Vergleichs zwischen den beiden Arten der Messsignale sind jedoch möglich. Darüber hinaus können die Messsignale vor der Differenzbildung zunächst einer Behandlung, insbesondere einer Filterung, unterzogen werden, etwa um eine verbesserte Unterdrückung eines Rauschens zu ermöglichen. Der Begriff des „Schwellwertes“ bezeichnet hierbei einen festgelegten Wert, bei dessen Unterschreitung oder Überschreitung eine festgelegte Konsequenz eintritt. Im vorliegenden Falle entspricht eine Unterschreitung des Schwellwertes durch die genannte Differenz einem Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor, während eine Überschreitung des Schwellwertes durch die Differenz ein Nichtauftreten einer offenen Leitung in dem Sensor nachweist. Der Schwellwert kann hierbei über eine Höhe verfügen, die der Fachmann aufgrund von einfachen Versuchen ohne besondere Hinweise festlegen kann. Beispielsweise kann der Schwellwert einen Wert von 50 bis 100 nA annehmen.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann durch Anwendung der obigen Darstellung der Funktionsweise des Sensors nachvollzogen werden. Bei Auftreten einer Störung durch die Heizereinkopplung kann davon ausgegangen werden, dass die von dem Sensorelement erzeugten Messsignale während des Zeitraums, d.h. im Zyklus bei PWM = ON, zumindest im Mittel höher liegen. Die Störung durch die Heizereinkopplung kann jedoch nur dann auftreten, wenn die Leitung funktional ist, d.h. keine offene Stelle an den Leitungen im Sensor vorliegt. Im Gegensatz hierzu kann die Heizereinkopplung bei einer offenen Leitung keine Störung des Messsignals bewirken, so dass sich das Messsignal in diesem Falle innerhalb und außerhalb des Zeitraums in Folge der Heizereinkopplung nicht verändern kann.
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In einer besonderen Ausgestaltung kann die genannte Differenz zwischen einer Mehrzahl von ersten Messsignalen und einer Mehrzahl von zweiten Messsignalen gebildet werden. Hierzu können, insbesondere jeweils während des Zeitraums, d.h. im Zyklus bei PWM = ON, eine Mehrzahl von ersten Messsignalen aufgenommen werden. Ebenso können, insbesondere jeweils außerhalb des Zeitraums, d.h. im Zyklus bei PWM = OFF, ein Mehrzahl von zweiten Messsignalen aufgenommen werden. Hierbei kann aus der Mehrzahl der jeweiligen Messwerte ein Mittelwert erstellt und miteinander verglichen werden. Andere Arten der Auswertung sind jedoch möglich.
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In einer besonderen Ausgestaltung kann eine Mehrzahl von Differenzen zwischen jeweils genau einem ersten Messsignal und genau einem zweiten Messsignal gebildet werden, wobei das genau eine zweite Messsignal außerhalb des Zeitraums zeitlich auf das genau eine erste Messsignal innerhalb des Zeitraums folgen kann. Aus der Mehrzahl der Differenzen lässt sich ein gemeinsamer Mittelwert ermitteln, wobei, für den Fall, dass der gemeinsame Mittelwert der Differenzen unterhalb des Schwellwertes liegt, das Auftreten einer offenen Leitung in dem Sensor erkannt werden kann.
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Unabhängig von der Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens kann dieses eine Erkennung eines Auftretens einer offenen Leitung in einem Sensor mit einer sehr hohen Wiederholrate leisten, wobei grundsätzlich eine quasi-kontinuierliche Erkennung möglich ist, welche lediglich von einer Messrate des Sensorelements abhängen kann. Zusätzlich kann darüber hinaus auch ein unabhängiger Nachweis gemäß dem oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung eines Erzwingen eines Stromflusses durch den Sensor, insbesondere beim Start des Sensors oder zwischen zwei Messphasen des Sensors, erfolgen, welche insbesondere dazu eingesetzt werden kann, um eine mögliche Fehldetektion basierend auf einer alleinigen Anwendung des vorliegenden Verfahrens ausschließen zu können.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein elektronisches Speichermedium, welches dazu eingerichtet ist, um ein derart ausgestattetes Computerprogramm zu speichern.
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In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine elektronische Steuerungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, um ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen, gespeichert ist, zu umfassen.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Verhaltens eines Sensors in Abhängigkeit von einem Heizzyklus (1C) für einen Sensor mit funktionalen Leitungen (1A) bzw. für einen Sensor mit mindestens einer offenen Leitung (1B);
- 2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs eines gefilterten Messsignals aus einem NOx-Sensor;
- 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
- 4 eine schematische Darstellung eines zweiten von zwei aufeinander folgenden Messsignalen in einem Sensor bei einem Wechsel im Heizzyklus zwischen den beiden Messsignalen; und
- 5 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Durchführung des vorliegenden Verfahrens am Beispiel eines NOx-Sensors, welcher über ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, und mindestens ein Heizelement verfügt. Andere Arten von Sensoren sind jedoch ebenfalls möglich, insbesondere Partikelsensoren.
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Wie in 1 C dargestellt, wird das Sensorelement mittels eine Heizzyklus 110 beaufschlagt, wobei der hier schematisch dargestellte Heizzyklus 110 einer Pulsweitenmodulation (PWN) 112 der Ansteuerung des Heizelements entspricht. Andere Arten von Heizzyklen sind jedoch ebenfalls möglich. Bei der hier verwendeten Pulsweitenmodulation 112 wird das Sensorelement während erster Zeitdauern 114, die auch als „PWN = ON“ bezeichnet werden, von dem Heizelement mit einer Heizleistung beaufschlagt, wobei während zweiter Zeitdauern 116, die auch als „PWN = OFF“ bezeichnet werden, die Beaufschlagung des Sensorelements mit der Heizleistung unterbleibt. Die Pulsweitenmodulation 112 kann insbesondere dadurch eingerichtet werden, indem das Heizelement während der ersten Zeitdauern 114 mit voller Batteriespannung, hier mit 12 V, beaufschlagt wird, während der zweiten Zeitdauern 116 jedoch nicht mit Spannung, d.h. mit 0 V, beaufschlagt wird. Für die Pulsweitenmodulation 112 kann durch Wahl eines Zeitabstands 118 zwischen zwei aufeinanderfolgende ersten Zeitdauern 114 eine Wiederholrate festgelegt werden, die, insbesondere um die oben genannten Vorgaben zur Erkennung des Auftretens einer offenen Leitung in dem Sensor zu erfüllen, auf höchstens 2 Hz eingestellt werden kann. Andere Werte für die Wiederholrate sind jedoch denkbar, bis hin zu einer quasikontinuierlichen Erfassung von Messsignalen.
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1A zeigt für einen Sensor mit funktionalen Leitungen, d.h. für einen Sensor, welcher über keine offene Leitung verfügt, einen ersten zeitlichen Verlauf 120 von Messsignalen. Hierbei werden erste Messsignale 122, welche innerhalb der ersten Zeitdauern 114 mit PWN = ON aufgenommen wurden, mit einem „o“ bezeichnet, während zweite Messsignale 124, welche innerhalb der zweiten Zeitdauern 116 mit PWN = OFF aufgenommen wurden, mit einem „x“ bezeichnet werden. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich eine erste Signalhöhe 126 der ersten Messsignale 122, welche etwa bei einem Wert von 10 ppm NOx liegt, und eine zweite Signalhöhe 128 der zweiten Messsignale 124, welche etwa bei einem Wert von 0 ppm NOx liegt, um eine Differenz Δ deutlich voneinander unterscheiden. Wie oben dargestellt, kann dieser Unterschied zwischen der ersten Signalhöhe 126 und der zweiten Signalhöhe 128 auf ein Übersprechen der an dem Heizelement anliegenden Heizspannung auf die die von dem Sensorelement erfassten Messsignale zurückzuführen sein, wodurch eine Störung der Messsignale der NOx-Sensoren erzeugt werden kann, die üblicherweise als Heizereinkopplung (HEK) bezeichnet wird.
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Im Gegensatz hierzu zeigt 1 B einen beispielhaften zweiten zeitlichen Verlauf 130 für einen fehlerbehafteten Sensor, in welchem eine offene Leitung vorhanden ist. Hieraus geht hervor, dass das mindestens eine zweite Messsignal 124 innerhalb eines Schwellwertes 132 dem mindestens einen ersten Messsignal 122 entspricht; das in 1A erkennbare Phänomen der Heizereinkopplung ist hier nicht erkennbar. Der Schwellwert kann hierbei beispielsweise einen Wert von 50 bis 100 nA annehmen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von gefilterten ersten Messsignalen 122 aus einem NOx-Sensor, welcher über funktionale Leitungen verfügt, über der Zeit t. Hierbei sind die Messsignale nach einer ersten Kurve 136, welche nur die ersten Messsignale 122 mit PWN = ON zeigt, und nach einer zweiten Kurve 138, welche nur die zweiten Messsignalen 124 mit PWN = OFF darstellt, voneinander getrennt, wobei sich auch in dieser Art der Darstellung die ersten Signalhöhen 126 um die Differenz Δ deutlich von den zweiten Signalhöhen Höhe 128 unterscheiden.
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Der Unterschied zwischen dem ersten Verlauf 120 gemäß 1A und dem zweiten Verlauf 130 gemäß 1B kann entsprechend dem vorliegenden Verfahren dazu eingesetzt werden, um das Auftreten einer offenen Leitung in einem Sensor zu erkennen.
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In einer ersten Ausführung entsprechend eines ersten Ablaufdiagramms 138 können, wie aus 3 hervorgeht, eine Vielzahl von Messsignalen 140 erfasst und nach einer Entscheidung 142, in welchem Teil der Pulsweitenmodulation 112 sich der Heizzyklus 110 befindet, d.h. bei PWN = ON oder PWN = OFF, jeweils einer Kohorte zugeordnet und hierbei vorzugsweise jeweils einer Filterung 144 unterzogen werden. Wie oben dargestellt, werden hierbei nur die bei PWN = OFF aufgenommenen zweiten Messsignale 124 als Sensorsignale 146 verwendet. Zwischen den Messsignalen 140 der beiden Kohorten für PWN = ON bzw. PWN = OFF ergibt sich die Differenz Δ zwischen den Messsignalen 140. Die so erhaltene Differenz Δ kann in einer Vergleichseinheit 148 mit dem Schwellwert 132 verglichen werden. Hieraus kann ein Diagnoseergebnis 150 ermittelt und ausgegeben werden, das für einen ersten Fall, in welchem die Differenz Δ unterhalb des Schwellwertes 132 liegt, besagen kann, dass der Sensor mindestens eine offene Leitung aufweist, und einem zweiten Fall, in welchem die Differenz Δ oberhalb des Schwellwertes 132 liegt, besagen kann, dass der Sensor über funktionale Leitungen verfügt. Abhängig von einer Messrate des Sensorelements kann somit die Erkennung des Auftretens einer offenen Leitung in dem Sensor mit einer sehr hohen Wiederholrate erfolgen, wobei dass grundsätzlich eine quasi-kontinuierliche Ausgabe des Diagnoseergebnisses 150 möglich ist.
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4 zeigt schematisch eine Darstellung eines zweiten von zwei aufeinanderfolgenden Messsignalen in einem NOx-Sensor, wobei zwischen den beiden Messsignalen ein Wechsel im Heizzyklus 110 von PWN = ON zu PWN = OFF stattfindet. Für den ersten Fall, in welchem der Sensor mindestens eine offene Leitung aufweist, liegt ein später aufgenommenes Messsignal 152 auf derselben Stelle wie ein zuvor aufgenommenes Messsignal 154, während in dem zweiten Fall, in welchem der Sensor über funktionale Leitungen verfügt, ein später aufgenommene Messsignal 156 einen um die Differenz Δ höheren Signalwert 158 als das zuvor aufgenommene Messsignal 154 annimmt.
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Basierend auf der Darstellung gemäß 4 können in einer zweiten Ausführung gemäß 5, um das Auftreten einer offenen Leitung in einem Sensor zu erfassen, zwei aufeinanderfolgende, gesonderte Messsignale 140 entsprechend eines zweiten Ablaufdiagramms 160 erfasst werden, wobei zwischen den beiden Messsignalen 140 ein Wechsel 162 im Heizzyklus 110 von PWN = ON zu PWN = OFF stattfindet. Hieran anschließend wird die Differenz Δ zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Messsignalen 140 gebildet. Aus einer Mehrzahl von derart gebildeten Differenzen Δ kann ein Mittelwert 164 bestimmt werden, welcher in der Vergleichseinheit 148 mit dem Schwellwert 132 verglichen werden kann. Auch hier kann das Diagnoseergebnis 150 ausgegeben werden, das für den ersten Fall, in welchem die Differenz Δ unterhalb des Schwellwertes 132 liegt, besagen kann, dass der Sensor mindestens eine offene Leitung aufweist, und für den zweiten Fall, in welchem die Differenz Δ oberhalb des Schwellwertes 132 liegt, dass der Sensor über funktionale Leitungen verfügt. Somit kann auch hier die Erkennung des Auftretens einer offenen Leitung in dem Sensor mit einer sehr hohen Wiederholrate erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K., Deitsche, K.-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 [0002]
