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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Luftzahl Lambda mit einem Gas-Sensor mit einem Keramik-Messelement, wobei sich eine Ausgangsspannung des Gas-Sensors bei Änderung von Lambda im Bereich um Lambda = 1 sprunghaft ändert und wobei der Gas-Sensor eine von der Temperatur des Gas-Sensors abhängige Sprung-Spannung aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Luftzahl Lambda mit einem Gas-Sensor mit einem Keramik-Messelement, mit einem Steuergerät zur Auswertung einer Ausgangsspannung des Gas-Sensors, wobei die Ausgangsspannung des Gas-Sensors eine Kennlinie aufweist, die sich im Bereich um Lambda = 1 sprunghaft ändert und wobei der Gas-Sensor eine von der Temperatur des Gas-Sensors abhängige Sprung-Spannung aufweist.
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Gesetzliche Regelungen schreiben die Überwachung der Zusammensetzung des Abgases von Brennkraftmaschinen auf Einhaltung von Grenzwerten vor. Dazu werden im Abgas mittels geregelter Dreiwege-Katalysatoren unerwünschte Stoffe wie Stickoxide und Kohlenmonoxid in als unkritisch anzusehende Stoffe wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff umgewandelt. Diese Umwandlung setzt voraus, dass das der Brennkaftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem bestimmten Zusammensetzungsbereich um eine stöchiometrische Zusammensetzung liegt. Diese Zusammensetzung wird mit dem Parameter Lambda = 1 bezeichnet. Die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird mit im Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehenen Abgas-Sensoren, beispielhaft in Form von Breitband-Lambdasonden, überwacht, die den Sauerstoff-Partialdruck bestimmen. Breitband-Lambdasonden bestehen unter anderem aus einer Nernst-Zelle, die die Sauerstoff-Konzentration bestimmt, einer Pumpzelle, die die Sauerstoff-Konzentration einstellt, einem Hohlraum mit dem beiden Zellen verbunden sind und einer Diffusionsbarriere, durch die Abgas aus dem Abgaskanal in den Hohlraum diffundieren kann. In einer alternativen Ausführung wird die Sauerstoffkonzentration mit einer Lambda-Sprungsonde, auch Zweipunkt-Lambdasonde genannt, bestimmt, deren Signal in einem engen Bereich um Lambda = 1 eine sprunghafte Änderung des Ausgangssignals zeigt.
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In beiden Fällen basiert die Lambdasonde auf einem Festkörper-Elektrolyten, der bei einer Temperatur oberhalb 350°C, genannt Aktivierungstemperatur, für Sauerstoffionen leitend wird. Die Arbeitstemperatur der Abgassonde, auch Nominaltemperatur genannt, liegt typisch zwischen 650°C und 850°C. Die Temperatur, ab der die Lambdasonde betriebsbereit ist und die Anforderungen in einem Motorsteuerungssystem erfüllt, liegt zwischen der Aktivierungstemperatur und der Nominaltemperatur der Sonde. Ab dieser Temperatur kann die Lambdaregelung aktiviert werden und zur Verminderung des Ausstoßes an unerwünschten Bestandteilen im Abgas der Brennkraftmaschine beitragen. Im Sinne einer Verminderung der Abgasemissionen muß daher einerseits die Lambdasonde möglichst schnell eine geeignete Temperatur erreichen und andererseits die Betriebsbereitschaft möglichst schnell erkannt werden. Diese Erkennung basiert auf einer Messung der Temperatur der Lambdasonde.
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Lambda-Sprungsonden können so ausgebildet sein, dass eine elektrische Spannung an einem Festkörper-Elektrolyten abgegriffen wird, wobei eine Seite einem Abgas einer Brennkraftmaschine und eine andere Seite der Außenluft als einem Referenzgas ausgesetzt ist. Aus der
WO2009/156007 ist eine solche Anordnung bekannt, bei der als Referenzgas eine gepumpte Sauerstoff-Referenz verwendet wird. Die
WO2009/156007 beschreibt eine Lambdasonde zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgasbereich eines Verbrennungsmotors, die eine erste Elektrode (
20) enthält, die in einem mit dem Abgas verbundenen Messgas-Hohlraum (
18) angeordnet ist, die eine zweite Elektrode (
24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (
22) mit der ersten Elektrode (
20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (
26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzgaskanal (
28) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (
40,
50,
62,
70) vorgesehen ist. Eine solche Lambda-Sprungsonde wird vom Hersteller Bosch unter der Bezeichnung „LSF Xfour“ vertrieben.
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Der Einfluss der Temperatur der Lambda-Sonde auf deren Ausgangssignal und auf die Genauigkeit bei der Bestimmung der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs ist bekannt. Aus der
DE 102008005110 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Lambda-Sonde in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln eines Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Abgasanlage wenigstens ein Heizelement zum Aufheizen der Lambda-Sonde aufweist, welches in einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird, und das Heizelement durch eine Heizelementsteuerung geregelt aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- – in einer ersten Gruppe von Schritten wenigstens zwei der folgenden Parameter der Lambda-Sonde verwendet und/oder erfasst werden;
Beaufschlagen mit einer definierten oder undefinierten Heizleistung;
- – Erfassen des ohmschen Widerstandes des Heizelements der Lambda-Sonde;
- – Erfassen des ohmschen Widerstandes der Signal-Elektroden der Lambda-Sonde;
- – Erfassen des elektrischen Sensorsignals der Lambda-Sonde;
- – in einer zweiten Gruppe von Schritten aus wenigstens einem erfassten Parameterwert eine Änderung des erfassten Parameters ermittelt oder erfasst wird,
- – in einer dritten Gruppe von Schritten jeweils ein Vergleich der ermittelten Änderung des erfassten Parameters mit einem vorgegebenen Referenzwert für die erwartete korrelierende Änderung des/der anderen verwendeten und/oder erfassten Parameter(s) ausgeführt wird, und mit dem Ergebnis des Vergleiches zu einer vierten Gruppe von Schritten fortgeschritten wird, und
- – in einer vierten Gruppe von Schritten ein Korrekturwert bestimmt wird, wobei wenigstens ein Betriebs-Referenzwert aus einer Referenzwertvorrats-Vorrichtung entnommen und mit dem bestimmten Korrekturwert zu einem Betriebs-Sollwert der Lambda-Sonde ergänzt wird.
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Ziel des Verfahrens und der zugehörigen Steuerung ist die Korrektur des Ausgangssignals der Lambda-Sonde hinsichtlich der Einflüsse herstellbedingter Streuungen oder Alterung und unter anderem auch der Temperaturcharakteristik des Innenwiderstands der Lambda-Sonde. Es wird in der Schrift nicht auf eine Erweiterung des Messbereichs der Lambda-Sonde zu niedrigeren Betriebstemperaturen eingegangen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur schnelleren Erreichung der Betriebsbereitschaft einer Abgas-Sonde bereitzustellen.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Schwellwert für die Sprung-Spannung für eine Grenze zwischen einem Lambda unter und über 1 in Abhängigkeit von der Temperatur des Gas-Sensors festgelegt wird. Keramik-Messelemente von Lambda-Sprungsonden weisen eine Abhängigkeit der Ausgangsspannung bei vorgegebenem Lambda von der Temperatur der Keramik auf. Auch die Spannung für einen Lambdawert = 1 hängt von der Temperatur ab. Erst in einem Bereich über 700°C ist die Sprungtemperatur annähernd konstant und liegt beispielhaft bei einem Wert von 455mV. Dies ist einer der Gründe, aus dem solche Gas-Sensoren bei einer Betriebstemperatur im Bereich über 700°C verwendet werden. Eine Lambdaregelung einer Brennkraftmaschine kann erst wirksam werden, wenn diese Betriebstemperatur erreicht ist. Zur Minimierung des Ausstoßes der Brennkraftmaschine an unerwünschten Substanzen, muss daher die Betriebsbereitschaft des Gas-Sensors möglichst früh erreicht werden. Die Gas-Sensoren werden zwar elektrisch und durch Abgase beheizt, dennoch vergeht ein erheblicher Zeitraum, bis die genannte Betriebstemperatur erreicht ist und es wäre vorteilhaft, den Gas-Sensor bereits bei einer niedrigeren Temperatur verwenden zu können. Erfindungsgemäß wird dies erreicht, indem ab einer Temperatur des Keramik-Messelements von 300°C die Spannung für ein fettes und für ein mageres Gemisch bestimmt wird und indem aus diesen Spannungen ein Schwellwert für die Sprung-Spannung für die Grenze zwischen einem Lambda unter und über 1 in Abhängigkeit von der Temperatur festgelegt wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Luftzahl Lambda in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine oder in einem mit dem Abgaskanal über eine Diffusionsbarriere verbundenen Messraum einer Abgas-Sonde bestimmt. Hierdurch läßt sich das Verfahren auf eine Lambda Sprung-Sonde im Abgaskanal oder auf eine Nernst-Zelle einer Breitband-Lambda-Sonde anwenden.
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Eine besonders robuste und kostengünstige Ausführung sieht vor, dass die Temperatur des Gas-Sensors aus einem Innenwiderstand des Keramik-Messelements des Gas-Sensors bestimmt wird. In dieser Ausführung ist kein zusätzlicher Temperatursensor erforderlich und die Temperatur wird direkt an dem Keramikbauteil bestimmt.
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Wird der Schwellwert für die Sprung-Spannung aufgrund einer Prognose eines Verlaufs der Temperatur des Gas-Sensors oder eines Verlaufs des Innenwiderstands des Keramik-Messelements festgelegt, kann die Anzahl der Temperatur-Messungen reduziert werden und so eine Polarisation des Gas-Sensors vermindert werden, die das Messergebnis beeinflussen könnte. Weiterhin kann durch die Verwendung von Prognosewerten der Einfluss von elektrischen Störungen vermindert werden.
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Wird die Prognose für den Verlauf der Temperatur des Gas-Sensors oder des Verlaufs des Innenwiderstands des Keramik-Messelements durch Messung der Temperatur oder des Innenwiderstands überprüft und/oder korrigiert, kann die Prognose an aktuelle Verhältnisse des Wärme-Zu- und Abflusses am Ort des Gas-Sensors angepasst werden. Die Prognose kann dabei in Form einer Formel oder in Form von Einzelwerte einer Tabelle vorliegen.
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Eine besonders schnelle Betriebsbereitschaft wird erreicht, indem der Gas-Sensor bei einer Temperatur des Keramik-Messelements im Bereich zwischen 300 und 600°C, bevorzugt m Bereich unter 500°C verwendet wird. In diesem Temperaturbereich wird zusätzlich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gas-Sensors vermindert, da das Keramik-Messelement hier unempfindlich gegen Wasserschlag aus Kondensat im Abgas ist.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Steuergerät eine Einrichtung zur Bestimmung eines Schwellwerts für eine Grenze der Ausgangsspannung des Gas-Sensors zwischen einem Lambda unter und über 1 in Abhängigkeit von der Temperatur des Keramik-Messelements enthält. Da die Ausgangsspannung eines Gas-Sensors mit Festkörper-Elektrolyt bei vorgegebenem Lambda von der Temperatur abhängt, kann erfindungsgemäß der Arbeitsbereich des Gas-Sensors zu niedrigen Temperaturen erweitert werden, indem durch eine Rechenvorschrift, eine Wertetabelle oder eine Schaltungsanordnung für diesen Temperaturbereich ein temperaturabhängiger Schwellwert für eine Ausgangsspannung des Gas-Sensors bestimmt wird, der eine Bereich von Lambda unter 1 von einem Bereich Lambda über 1 trennt. In dem Steuergerät kann in einer Lernphase der Schwellwert festgelegt werden und im Betrieb durch Adaption an aktuelle Änderungen, beispielhaft durch Alterung des Gas-Sensors, angepasst werden.
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Eine besonders kostengünstige Anordnung sieht vor, dass der Gas-Sensor als Zweipunkt-Lambdasonde ausgebildet ist.
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Weist der Abgas-Sensor eine gepumpte Sauerstoff-Referenz auf, ist er von Beimengungen in der Außenluft unabhängig und Ablagerungen auf dem Gas-Sensor werden vermieden, die die Messgenauigkeit beeinflussen können.
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In einer bevorzugten Anwendung werden eine Vorrichtung oder ein Verfahren nach der Beschreibung zur Bestimmung eines Sauerstoffgehalts im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine zur Ermittlung einer Zusammensetzung eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs verwendet. Die Erfindung ermöglicht es, den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine zu vermindern.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Diagramm des Zusammenhangs von Temperatur und Innenwiderstand eines Gas-Sensors
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2 ein Signaldiagramm eines Gas-Sensors
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1 zeigt in einem Widerstandsdiagramm 10 entlang einer Temperaturachse 17 und einer Widerstandsachse 11 einen Widerstandsverlauf 12 eines Innenwiderstands eines Gas-Sensors mit Keramik-Messelement auf Basis eines Festkörper-Elektrolyten. Charakteristisch für den Widerstandsverlauf 12 ist eine starke Abnahme des Widerstandswerts mit zunehmender Temperatur. In dem Widerstandsdiagramm 10 ist ein Widerstands-Sollwert 15 eingetragen, bei dem der durch eine Temperatur charakterisierte Arbeitspunkt 16 des Gas-Sensors erreicht wird. Weiterhin ist eine Betriebsbereitschafts-Temperatur 14 eingetragen, die gemäß dem Stand der Technik erreicht werden muss, bevor eine Lambda-Regelung betriebsbereit ist. Dieser Betriebsbereitschafts-Temperatur 14 ist ein Widerstands-Maximalwert 13 zugeordnet, ab dem eine Steuerung die Betriebsbereitschaft der Lambda-Regelung feststellt.
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2 zeigt ein Signaldiagramm 20 mit einer Spannungsachse 21 und einer Temperaturachse 27, entlang derer die Ausgangsspannung von Gas-Sensoren abgetragen ist. Eine erste untere Kurve 22 stellt die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung bei einem Gas-Sensor in einem vorgegebenen mageren Gas-Gemisch dar. Eine erste obere Kurve 24 stellt die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung des Gas-Sensors in einem vorgegebenen fetten Gas-Gemisch dar. Eine temperaturabhängige Signalschwelle 23 stellt für den betrachteten Gas-Sensor die Ausgangs-Spannung an der Schwelle zwischen Mager- und Fett-Bereich dar. Mit Hilfe dieser Vergleichs-Spannung kann auch bei einer Temperatur wesentlich unter der Betriebsbereitschafts-Temperatur 14 aus 1 das Ausgangssignal des Gas-Sensors zur Lambda-Regelung verwendet werden. Hierdurch ist eine Verkürzung der Dauer zwischen dem Start der Brennkraftmaschine und dem Beginn der Lambdaregelung erreichbar und der Ausstoß unerwünschter Abgasbestandteile kann vermindert werden.
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Eine zweite untere Kurve 25 zeigt den temperaturabhängigen Verlauf der Ausgangsspannung eines Gas-Sensors einer anderen Bauart, wenn dieser einem vorgegebenen mageren Gas-Gemisch ausgesetzt ist. Der zweiten unteren Kurve 25 zugehörig zeigt eine zweite obere Kurve 26 den Verlauf der Ausgangsspannung des Gas-Sensors, wenn dieser einem vorgegebenen fetten Gas-Gemisch ausgesetzt ist. Aus diesen Kurven kann ebenfalls eine Schwellspannung abgeleitet werden, so dass auch dieser Sensortyp bereits bei einer niedrigeren als der derzeit verwendeten Temperatur für eine Regelung verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/156007 [0005, 0005]
- DE 102008005110 A1 [0006]