Beschreibung Titel
SONDENSTECKER FÜR ABGASSONDE
Die Erfindung betrifft eine Abgassonde zur Messung von Eigenschaften des Abgases von Brennkraftmaschinen und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgassonde.
Stand der Technik
Derartige Abgassonden sind beispielsweise Konzentrationssonden, beispielsweise Sauerstoffkonzentrationssensoren, auch Lambdasonden genannt, wie sie beispielsweise aus der Buchveröffentlichung Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 25. Auflage 2003, Seiten 133 ff hervorgehen. Ferner können derartige Sonden abgastaugliche Temperaturfühler, gasselektive Abgassonden, die z.B. Ammoniak- bzw. Stickoxidgehalte messen, Kohlenwasserstoffsensoren sowie Partikelmassen- bzw. Partikelanzahlsensoren, z.B. Rußsensoren, sein.
Diese Sonden müssen kalibriert werden, d.h. bauartbedingte Toleranzen müssen ausgeglichen werden. Dies kann beispielsweise durch einen Trimmprozess am Sensorelement geschehen, indem beispielsweise ein Heizwiderstand, d.h. ein gewünschter Funktionswert auf einen Zielwert eingestellt wird.
Sind derartige Sonden entsprechend abgeglichen, werden sie mittels eines Steckers mit einem Motorsteuergerät verbunden, welches die von der Sonde erfass- ten Daten ausliest und verarbeitet.
Darüber hinaus existieren Abgassonden, bei denen Funktionsveränderungen, beispielsweise eine Kennliniendrift, eine Heizwiderstandsdrift oder dergleichen über die Sondenlebensdauer in Kauf genommen werden müssen, da keinerlei Möglichkeit einer Kompensation besteht. Schließlich sind Beitbandsonden (siehe
obengenannte Buchveröffentlichung, Seiten 133, 134) bekannt, bei denen in einem Adapterelement bereits eine Vorauswertung des Sondensignals stattfindet.
Bekannt ist es auch, in dem Stecker der Sonde bereits Abgleichselemente vorzusehen, beispielsweise einen Trimmwiderstand vorzusehen, der mittels eines Laserstrahls abgeglichen wird und der so geschaltet ist, dass er einen Teil eines Stromteilers in einer Auswerteschaltung in dem Steuergerät bildet. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Laserabgleich im Sensorelement selbst bei offenliegender Diffusionsbarriere vorzunehmen oder die Diffusionsbarriere an ihren äußeren Kanten entsprechend abzuschleifen und dergleichen.
Durch all die vorbeschriebenen Maßnahmen ist eine optimale Anpassung der Sensoreigenschaften bzw. auch der alterungsbedingten Veränderung der Sensoreigenschaften nicht ohne Weiteres möglich. Es können lediglich fertigungsbedingte Toleranzen bei der Herstellung der Sensorelemente, z.B. Heizerkaltwiderstände und Funktionswerte erfasst werden. Ein Abgleich ist in einigen Fällen nur aufgrund von aufwendigen Laserapparaturen und Trimmprozessen möglich. Eine Adaption der Sensoreigenschaften während des Betriebs der Sensorelemente ist jedoch nicht möglich.
Insbesondere können keine Alterungs- und Vergiftungseffekte, die beispielsweise bei Lambdasonden auftreten können, berücksichtigt werden. Das Gleiche gilt für alterungsbedingte Änderungen der Sondeneigenschaften.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgassonde zu vermitteln, bei welcher nicht nur sowohl alterungsbedingte Veränderungen ihrer Eigenschaften als auch beispielsweise aufgrund von Vergiftungs- und Ablagerungseffekten hervorgerufene Veränderungen kompensierbar sind, sondern bei der auch sondenspezifische Eigenschaften, die beispielsweise aufgrund ihrer Herstellung bedingt sind, berücksichtigt werden können.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Abgassonde zur Messung von Eigenschaften des Abgases von Brennkraftmaschinen dadurch gelöst, dass in einer der Sonde zugeordneten Schaltung, die insbesondere in einem Sondenstecker
oder einem diesem entsprechenden Verbindungselement angeordnet ist, eine Datenspeichereinheit angeordnet ist, in der die die Sonde charakterisierenden Eigenschaften und/oder Adaptionsfunktionen gespeichert sind. Die Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgassonde, bei dem wenigstens eine der die Sonde charakterisierenden Eigenschaften und/oder Adaptionsfunktionen in wenigstens einer der Sonde zugeordneten Daten der Speichereinheit gespeichert werden.
Diese Adaptionsfunktionen umfassen:
- fertigungstechnisch bedingte Schwankungen von Heizerwiderständen
und/oder
- Parameter, welche die Alterung der Sonde charakterisieren, und/oder
- den Ausschaltzustand, insbesondere Daten, welche die Durchführung einer Intervallmessung zur Regeneration der Abgassonde oder eines Nachlaufs charakterisieren, und/oder
- Daten zur Anpassung der Sonde an unterschiedliche Steuergeräte von
Brennkraftmaschinen und/oder
- die Anzahl der Betriebsstunden der Sonde und/oder
- die Betriebsparameter der Sonde in einem vergangenen vorgebbaren Zeitraum.
Grundidee der Erfindung ist es, keinen Abgleich beispielsweise herstellungsbedingter Streuungen der Sondeneigenschaften vorzunehmen, sondern diese Streuung gewissermaßen in Kauf zu nehmen und die Sonde entsprechend charakterisierende Eigenschaften zu erfassen und in dem Stecker oder in einem entsprechenden Verbindungselement der Sonde zu hinterlegen, um diese Werte dann später in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine berücksichtigen zu können.
Darüber hinaus sind in dem Stecker oder Verbindungselement der Abgassonde Adaptionsfunktionen hinterlegt, die eine Kompensation der über einen Zeitraum sich einstellenden Änderungen der Sondeneigenschaften, beispielsweise Alte- rungsdrifts, Drifts aufgrund von Vergiftungserscheinungen und dergleichen, ermöglichen.
Es ist also sowohl eine Kompensation von herstellungsbedingten Streuungen möglich als auch eine Kompensation von alterungsbedingten Änderungen.
Das Aufzeichnen der Betriebsparameter der Sonde für einen abgelaufenen vorgebbaren Zeitraum kann gewissermaßen als ein„Mitschreiben" angesehen werden.„Mitschreiben" bedeutet also laufendes Aufzeichnen und Speichern in der Speichereinheit in dem Sondenstecker oder dem Verbindungselement. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Adaption und eine gewissermaßen kontinuierliche Kalibrierung der Sonde möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
So ist beispielsweise vorgesehen, dass die in der Speichereinheit gespeicherten Daten in digitaler Form an das Steuergerät übermittelt werden und von diesem verarbeitet werden.
Dabei ist es möglich, eine Adaption der Daten an unterschiedliche Steuergeräte vorzunehmen, wenn beispielsweise eine in einem Abgassystem verbaute Abgas- sonde ausgetauscht wird und insoweit ein anderes Steuergerät„sieht".
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die die Sonde charakterisierenden Eigenschaften und/oder die Adaptionsfunktionen eine Kennlinienbibliothek und wenigstens einen, vorzugsweise mehrere unterschiedliche, die Alterung der Sonde charakterisierende Alterungsfaktoren umfassen.
Der Alterungsfaktoren umfassen dabei sowohl eine temperaturbeeinflusste Alterung wie auch eine vergiftungsbeeinflusste Alterung der Sonde.
Dabei sind für eine Kompensation der temperaturbeeinflussten Alterung eine oder mehrere der folgenden Größen vorgesehen: die Heizerbetriebsdauer,
die Heizerbetriebsleistung,
die Zeit, in der die Abgassonde wenigstens eine vorgebbare Schwellentemperatur überschritten hat.
Zur Kompensation der vergiftungsbeeinflussten Alterung sind bevorzugt eine oder mehrere der folgenden Größen vorgesehen: die Zeitdauer, während der die Brennkraftmaschine eingeschaltet ist;
die Zeitdauer, während der die Sonde Mager- oder Fettgas ausgesetzt war; die Anzahl der Regenerationszyklen des Abgassystems.
Abhängig von dem wenigstens einen Alterungsfaktor können aus der Kennlinienbibliothek die geeigneten Kennlinien ausgewählt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Dabei können die nachfolgend beschriebenen Merkmale einzeln oder kombiniert miteinander verwirklicht sein.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Ab- gassonde;
Fig. 2a schematisch eine alterungsbedingte Kennliniendrift;
Fig. 2b eine alterungsbedingte Widerstandsdrift einer Sensorelementheizung und
Fig. 3 schematisch eine Adaptionsfunktion einer Sondenkennlinie. Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 dargestellt, in deren Abgaskanal 1 10 eine Abgassonde 120 angeordnet ist, die über eine Verbindungsleitung 121 über einen Sondenstecker 130, der Steckkontakte 137 aufweist, mit einem Steuergerät 140 verbunden ist, wobei das Steuergerät 140 eine entsprechende an die Steckkontakte 137 angepasste Steckerbuchse 142 umfasst, die Steckkontakte 147 aufweist.
Der Stecker 130 weist eine Speichereinheit 135 auf, in der nachfolgend zu beschreibende, die Abgassonde 120 charakterisierende Eigenschaften und Adaptionsfunktionen hinterlegt und gespeichert sind bzw. werden.
So kann beispielsweise eine Kompensation des Neuwertes dadurch vorgenommen werden, dass nicht - wie aus dem Stand der Technik bekannt geworden - fertigungstechnisch bedingte Schwankungen von Heizerwiderständen oder Funktionswerten durch einen Trimmprozess korrigiert werden, sondern dass funkti- onsbezogene Neuwerte der Abgassonde innerhalb größerer Toleranzen unkorri- giert in der Datenspeichereinheit 135 im Stecker abgespeichert werden und die Kompensation durch Kompensationsfunktionen in dem Steuergerät 140 vorgenommen wird.
Darüber hinaus kann eine Kompensation der Sondenalterung vorgenommen werden, indem relevante Parameter, die wesentlichen Einfluss auf die Alterung der Sonde haben, z.B. die Betriebsdauer, während der sich die Sonde 120 oberhalb einer definierten Temperatur befindet, kontinuierlich erfasst und in der Datenspeichereinheit 135 im Stecker 130 abgespeichert werden. Generell kann die Anzahl der Betriebsstunden in der Datenspeichereinheit 135 hinterlegt werden. Darüber hinaus können die Betriebsparameter, die innerhalb eines abgelaufenen vorgebbaren Zeitraums, beispielsweise innerhalb der letzten zwei Minuten, gemessen und aufgezeichnet werden, gespeichert werden. Dies ermöglicht eine vereinfachte Fehlersuche bei als defekt gemeldeten Sonden.
Im Folgenden werden die alterungsrelevanten Betriebsparameter als„Alterungsfaktoren" bezeichnet. Diese Alterungsfaktoren werden für Kompensationsfunktionen in dem Steuergerät 140 verwendet. Dabei kann vorzugsweise auch der Ausschaltzustand mit abgespeichert werden, ob z.B. eine intervallmäßige Regeneration der Sonde 120 schon durchgeführt wurde, oder ein notwendiger Nachlauf bereits durchgeführt wurde. Die Datenspeichereinheit 135 in dem Stecker 130 hat darüber hinaus den Vorteil, dass Daten eingespielt werden können, die den Sondenbetrieb mit einem anderen Steuergerät 140 ermöglichen. Die in dem Stecker 130 in der Speichereinheit 135 hinterlegten Daten ermöglichen auf diese Weise eine steuergerätespezifische Kennlinienanpassung. Auch dies ist unter „Adaptionsfunktion" zu verstehen. Dies ist besonders vorteilhaft im Falle einer Nachrüstung oder im Falle eines Austausches der Sonde 120. Weiter ist vorteil-
haft, dass die Anordnung der Speichereinheit 135 in dem Stecker 130 aus Kostengesichtspunkten wesentlich günstiger ist als ein Abgleich beispielsweise mittels eines Laserstrahls. Darüber hinaus sind zwischen Steuergerät 140 und Stecker 130 nur Datenleitungen oder -kontakte erforderlich, sodass zusätzliche Anschlussleitungen für einen Stromteiler, wie sie beispielsweise im Falle eines Widerstands im Stecker erforderlich sind, entfallen können.
Im Folgenden wird in Verbindung mit den Fig. 2a, 2b und 3 der Aufbau der Sonde und deren Stecker detailliert beschrieben.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in der Speichereinheit 135 in dem Stecker 130 eine sogenannte Kennlinienbibliothek und wenigstens ein Alterungsfaktor hinterlegt. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist dabei, dass eine„Wechselwirkung" zwischen der Kennlinienbibliothek und dem wenigstens einen Alterungsfaktor während des Betriebs der Sonde 120 und damit während des Betriebs der Brennkraftmaschine 100 vorgenommen werden kann.
Die Kennlinienbibliothek kann beispielsweise als Kennlinienschar hinterlegt sein, wie sie in Fig. 2a schematisch als alterungsbedingte Kennliniendrift dargestellt ist. Die Kennlinienschar eines Signals S ändert sich über die Zeit, wie es anhand der Kurven 201 , 202, 203, 204 dargestellt ist. Eine solche Kennlinienschar kann beispielsweise auch die alterungsbedingte Drift des Heizerwiderstands des Sensorelements repräsentieren, wie sie anhand der den Heizerwiderstand RH über der Temperatur T charakterisierenden Kurven 21 1 , 212, 213, 214 in Fig. 2b dargestellt ist.
Eine derartige Kennlinienschar zeigt Funktionskennlinien des Sensors 120 im Neuzustand und in Zwischenstufen in gealterten Zuständen (vergl. Fig. 2a). Diese Werte können fertigungsbedingt variieren. Auch eine Alterung über die Lebensdauer, wie sie beispielsweise anhand der Widerstandsdrift eines integrierten Heizers bzw. der integrierten Nernst-Zelle über die Lebensdauer der Sonde in Fig. 2b dargestellt ist, kann auftreten.
Aus diesem Grund ist in der Speichereinheit 135 in dem Stecker 130 vorgesehen, einen oder mehrere Alterungsfaktoren zu hinterlegen. Es wird damit die zeit-
liehe Einwirkung der Veränderung von Betriebsparametern, also die alterungsbedingte Veränderung der Betriebsparameter in der Speichereinheit 135 des Sondensteckers 130 gespeichert.
Je nach Sondentyp und Applikation können die Alterungsfaktoren eine oder mehrere Messgrößen sein, von denen bekannt ist, dass sie besonders starken Ein- fluss auf die Kennliniendrift (vergl. Fig. 2a, 2b) der Abgassonde 120 ausüben.
Die Verknüpfung der Kennlinienbibliothek mit dem Alterungsfaktor erfolgt durch ein„Umschalten" auf eine„stärker gealterte Kennlinie" in der Kennlinienbibliothek bzw. ein„Umschalten" auf einen größeren Korrekturwert immer dann, wenn vorgegebene und voreingestellte Grenzen des Alterungsfaktors überschritten werden. Dies ist schematisch in Fig. 3 erläutert, wo rechts im mit I gekennzeichneten Bereich das Sondensignal S' einer gealterten Sonde dargestellt ist und links im mit II bezeichneten Bereich das Sondensignal S einer neuen Sonde. Durch eine Korrektur K wird die Kennlinie S' der gealterten Sonde in die Kennlinie S der neuen Sonde überführt. Dieses Überführen meint das oben so bezeichnete„Umschalten".
Eine temperaturbedingte oder vergiftungsbedingte Sondenalterung lässt sich in der Regel nicht in Einzelmechanismen aufspalten, sondern beide Erscheinungen treten zusammen auf und wirken zusammen.
Ein weiteres wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Abgassensors besteht in einem„Mitschreiben" von Betriebsbedingungen, die über einen oder mehrere Mechanismen besonders großen Einfluss auf die Alterung (Kennlinien- /Heizerdrift) der Sonde ausüben. Diese Betriebsbedingungen können je nach Sondentyp die Zeitdauer sein, während der das Sensorsystem besonders hohen Temperaturen ausgesetzt ist oder beispielsweise auch die Kombination einer hohen Temperatur mit einer Fettgasatmosphäre bei bestimmten anderen Gassensoren und dergleichen.
Die fortlaufend mitgeschriebenen, d.h. erfassten und gespeicherten Alterungsfaktoren können dementsprechend folgende Messgrößen umfassen:
Bei einer temperaturbeeinflussten Alterung: Die Zeitdauer, während der die Sonde 120 eingeschaltet ist (die Heizerbetriebsdauer) oder das Integral der Heizerbetriebsleistung oder die Zeitdauer, während der die Sonde 120 einer Temperatur größer als eine vorgebbare Schwellentemperatur, beispielsweise größer als 800°C ausgesetzt war, oder gewissermaßen gestaffelt eine erste Zeitdauer, während der die Sonde 120 einer Temperatur größer einer vorgegebenen ersten Temperatur, beispielsweise größer als 400°C, und anschließend eine zweite Zeitdauer, während der die Sonde 120 einer Temperatur ausgesetzt war, die größer ist als eine vorgebbare zweite Temperatur, beispielsweise 800°C.
Bei vergiftungsbedingten Alterungen können beispielsweise folgende Größen unterschieden werden: die Zeitdauer, während der die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs eingeschaltet war, die Zeitdauer, während der eine Exposition der Sonde in Mager- oder Fettgas vorlag, oder die Anzahl der Regenerationszyklen im Abgassystem. Der Datensatz dieser Alterungsfaktoren wird in der Speichereinrichtung 135 des Sondensteckers 130 abgelegt. Die Kennlinienbibliothek wird ebenfalls in dem Speicher 135 in dem Stecker 130 abgelegt, sie kann rein prinzipiell aber auch im Steuergerät 140 hinterlegt sein.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass insbesondere bei Breitband- Lambdasonden zur Kompensation nicht nur die Kennliniensteigung, sondern auch ein Offset und die Kennlinienkrümmung, insbesondere im Magerast, und, vorzugsweise getrennt hiervon, die Steigung des Magerastes und des Fettastes hinterlegt sind. Dies geschieht am vorteilhaftesten mit einer vollständig hinterlegten Schar der gesamten Kennlinie in der Speichereinheit 135 des Steckers 130. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, die ermittelte Betriebsdauer direkt in die für den jeweiligen Sondentyp erwartete Kennlinienänderung umzurechnen. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass das obengenannte„Mitschreiben" lediglich die Betriebszeiten erfasst, während der eine Überschreitung eines Grenzwerts, z.B. reine Magerbetriebsstunden, oder ein Heißbetrieb erfasst und für die Kennlinienkorrektur im Steuergerät 140 verwendet werden.
Für Umrechnungsfunktionen in dem Stecker 130 können darüber hinaus Recheneinheiten (nicht dargestellt) in dem Stecker 130 vorgesehen sein, die mit der Speichereinheit 135 kommunizieren.