DE102013223049A1

DE102013223049A1 - Verfahren zur Diagnose einer Lambda-Sonde im laufenden Betrieb

Info

Publication number: DE102013223049A1
Application number: DE201310223049
Authority: DE
Inventors: Bernhard Ledermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2015-05-13
Also published as: US20160252479A1; CN105705753A; CN105705753B; WO2015071302A1; US10697930B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Lambda-Sonde im laufenden Betrieb. Diese umfasst das Bestromen der Lambda-Sonde mit einem zu einem Pumpstrom (2) additiven Pumpstrompuls (21) und einem zu dem Pumpstrom (2) additiven Pumpstromgegenpuls (22), und das Ermitteln einer Fehlfunktionalität der Lambda-Sonde aus elektrischen Spannungen, die an einer Pumpzelle und/oder an einer Nernst-Zelle der Lambdasonde während der Bestromung durch die Pulse (21, 22) gemessen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Lambda-Sonde im laufenden Betrieb. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft, sowie einen Datenträger, der dieses Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Stand der Technik
Gesetzliche Regelungen schreiben die Überwachung der Zusammensetzung des Abgases von Brennkraftmaschinen auf Einhaltung von Grenzwerten vor. Dazu werden im Abgas mittels geregelter 3-Wege-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 Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffluftgemisch in einem bestimmten Zusammensetzungsbereich um eine stöchiometrische Zusammensetzung liegt. Diese wird mit dem Parameter λ = 1 bezeichnet. Die Zusammensetzung des Kraftstoffluftgemischs wird mit im Abgaskanal der Brennkraftmaschinen vorgesehenen Abgassensoren, beispielsweise in Form von Breitband-Lambdasonden, überwacht, die den Sauerstoffpartialdruck bestimmen.
Die korrekte Funktion der Abgassensoren und insbesondere auch deren Alterungsbeständigkeit hängen stark von deren elektronischer Beschaltung ab. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Lambdaregelung zu, wobei die im Markt erhältlichen Abgassonden unterschiedlicher Charakteristika hinsichtlich der Ansprechdynamik und der Totzeiten aufweisen können. Um eine stabile Regelung gewährleisten zu können, müssen beispielsweise in Motorsteuergeräte verbaute Lambdaregler mit zusätzlichen elektronischen Beschaltungen ergänzt werden, wenn Abgassonden, insbesondere von unterschiedlichen Anbietern, verbaut werden. Hierzu wird beispielsweise ein als „CJ135 Lambda Probe Interface IC“ bekannter Lambdaregler eingesetzt, der einen PID-Regler beinhaltet.
Kalibrier- und Diagnosemessungen haben beim Betrieb und der Auswertung von Lambdasonden meist eine kurzzeitige Signalungültigkeit zur Folge, da das Regelsystem typischerweise aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Je nach Länge der Signalungültigkeit kann es zu Gesetzesverletzungen bezüglich Überwachung und Emissionen kommen. Um dies zu vermeiden, werden einige Lambdasensor-Diagnosemessungen in den Nachlauf- oder in Start-Stopp-Phasen der Brennkraftmaschine gelegt, was oftmals von den Automobilherstellern nicht erwünscht ist. Der CJ135 Lambdaregler bietet intrinsisch schon die Fähigkeit an, Kalibriermessungen parallel zum Pumpstrombetrieb laufen zu lassen, ohne diesen dadurch zu beeinflussen. Solche Diagnosemessungen führen jedoch bei ihrer Durchführung parallel zum Pumpstrombetrieb meist immer noch zu einer temporären Ungültigkeit des Signals.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde im laufenden Betrieb umfasst das Bestromen der Lambdasonde mit einem zu einem Pumpstrom additiven Pumpstrompuls und einem zu dem Pumpstrom additiven Pumpstromgegenpuls und das Ermitteln einer Fehlfunktionalität der Lambdasonde aus elektrischen Spannungen, die an einer Pumpzelle und/oder an einer Nernstzelle der Lambdasonde während der Bestromung durch Impulse gemessen werden. Unter „additiv“ wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Wert eines Strompulses zu dem für den laufenden Betrieb der Lambdasonde vorgesehenen Pumpstrom addiert wird. Dieser addierte Wert kann negativ sein, sodass eine Subtraktion seines Betrages erfolgt. Unter dem Pumpstromgegenpuls wird erfindungsgemäß ein Strompuls verstanden, dessen Vorzeichen sich von dem des Pumpstrompulses unterscheidet. Es ist also möglich, dass der Pumpstrompuls positiv und der Pumpstromgegenpuls negativ ist, oder dass der Pumpstrompuls negativ und der Pumpstromgegenpuls positiv ist. Dieses Verfahren ermöglicht es, eine Diagnosemessung durchzuführen, bei der der Pumpstrombetrieb nur für sehr kurze Zeit unterbrochen ist. Bei der Fehlfunktionalität, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann, kann es sich beispielsweise um eine zu schwache Luftreferenz durch einen beispielsweise mechanischen Schaden am Referenzvolumen der Lambdasonde handeln. Weiterhin kann eine Fehlfunktionalität aufgrund einer Beeinträchtigung der Kapazitäten an der Pumpzelle und der Nernstzelle der Lambdasonde ermittelt werden, die zu einer Fehlinterpretation des Pumpstroms im Sinne des Nernstprinzips führt.
Es ist bevorzugt, dass der Pumpstrompuls und der Pumpstromgegenpuls so gewählt werden, dass sich Änderungen der Nernstspannung der Lambdasonde durch den Pumpstrompuls, den Pumpstromgegenpuls und zwischen diesen Pulsen auftretende Diffusionseffekte und Strömungseffekte neutralisieren. Dadurch befindet sich das Regelsystem der Lambdasonde nach Beendigung des Pumpstromgegenpulses sofort wieder in einem eingeschwungenen Zustand.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses über mehrere Diagnosezyklen so eingeregelt wird, dass sich Änderungen der Nernstspannung der Lambdasonde durch den Pumpstrompuls, den Pumpstromgegenpuls und zwischen diesen Pulsen auftretende Diffusionseffekte und Strömungseffekte neutralisieren. Unter einer Delta-Amplitude wird erfindungsgemäß die Amplitudendifferenz zwischen dem Pumpstrompuls bzw. dem Pumpstromgegenpuls und dem Pumpstrom verstanden. Am Ende der Diagnose sollte für typische Lambdasonden keinerlei Beeinflussung des folgenden Pumpstroms mehr vorhanden sein. Für Lambdasonden mit einem Verhalten an den Grenzen der spezifischen Fertigungsstreuung ermöglicht es diese Einregelung innerhalb weniger Zyklen der Diagnose zu gewährleisten, dass auch für diese Lambdasonden keinerlei Beeinflussung des nachfolgenden Pumpstroms auftritt. Für die Einregelung wird insbesondere ein Zielzustand definiert, der beispielsweise darin bestehen kann, dass die Nernstspannung der Lambdasonde ihrer Regelspannung entspricht oder dass der Pumpstrom der Lambdasonde nach der Diagnose dem Pumpstrom der Lambdasonde vor der Diagnose entspricht.
Es ist ganz besonders bevorzugt, dass aus dem Verhältnis zwischen der Delta-Amplitude des Pumpstrompulses und der Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses mindestens eine Diffusionseigenschaft und/oder mindestens eine Strömungseigenschaft einer Diffusionsbarriere der Lambdasonde ermittelt wird.
Auf diese Weise kann die Einregelung der Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses genutzt werden, um aktuelle Parameter der Lambdasonde zu bestimmen.
Grundsätzlich kann die Dauer des Pumpstrompulses und die Dauer des Pumpstromgegenpulses in dem erfindungsgemäßen Verfahren beliebig sein. Es ist allerdings bevorzugt, dass die Dauer des Pumpstrompulses im Wesentlichen der Dauer des Pumpstromgegenpulses entspricht. Unter „im Wesentlichen entspricht“ wird insbesondere verstanden, dass die Dauer des Pumpstrompulses 90 % bis 110 % der Dauer des Pumpstromgegenpulses entspricht. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Dauer des Pumpstrompulses und die Dauer des Pumpstromgegenpulses jeweils mindestens 20 Millisekunden betragen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Dauer des Pumpstrompulses und die Dauer des Pumpstromgegenpulses jeweils höchstens 250 Millisekunden betragen.
Grundsätzlich können die Delta-Amplitude des Pumpstrompulses und die Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses in dem erfindungsgemäßen Verfahren beliebige Werte annehmen. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Delta-Amplitude des Pumpstrompulses größer als die Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses ist. Dies ist vorteilhaft, um zwischen dem Pumpstrompuls und dem Pumpstromgegenpuls auftretende Diffusions- und Strömungseffekte auszugleichen.
Besonders vorzugsweise wird die Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses in Abhängigkeit von mindestens einer Diffusionseigenschaft und/oder mindestens einer Strömungseigenschaft einer Diffusionsbarriere der Lambdasonde gewählt. Diese Eigenschaften können für Standard-Lambdasonden einmalig aus Messungen oder Rechnungen mit Strömungs- und Diffusionsgleichungen bestimmt werden. Für fertigungsbedingt davon abweichende Sonden kann die Delta-Amplitude des Pumpstromgegenpulses wie voranstehend beschrieben über mehrere Diagnosezyklen eingeregelt werden.
Es ist im erfindungsgemäßen Verfahren möglich, zwischen dem Pumpstrompuls und dem Pumpstromgegenpuls weitere Pumpstromzwischenpulse vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in einem vorhandenen Steuergerät zu implementieren, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu führt es alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Der erfindungsgemäße Datenträger speichert das erfindungsgemäße Computerprogramm. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein Steuergerät wird das erfindungsgemäße Steuergerät erhalten, das dazu ausgebildet ist, eine Lambdasonde im laufenden Betrieb mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu diagnostizieren. Das Steuergerät umfasst als Lambdaregler vorzugsweise ein CJ135 Lambda Probe Interface IC.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Breitbandlambdasonde, die mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im laufenden Betrieb diagnostiziert werden kann.
2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Nernstspannung einer Lambdasonde sowie eines Pumpstrompulses und eines Pumpstromgegenpulses bei einer Diagnose einer Lambdasonde mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein Ausschnitt einer herkömmlichen Breitbandlambdasonde 1 ist in 1 dargestellt. Diese umfasst eine Pumpzelle 11, eine Nernstzelle 12, eine Diffusionsbarriere 13, einen Lambda-1-Hohlraum 14 und eine Luftreferenz 15. Die Nernstzelle 12 wird in einer herkömmlichen Betriebsstrategie der Lambdasonde 1 unter Ausnutzung eines Referenzpumpstroms auf eine Nernstspannung Un von 450 mV geregelt, sodass der Lambda-1-Hohlraum 14 innerhalb der Lambdasonde 1 im Wesentlichen als sauerstofffei anzusehen ist. Dies geschieht durch Anlegen eines Pumpstroms an die Pumpzelle 11, die den Lambda-1-Hohlraum 14 mit dem Abgas A einer Brennkraftmaschine verbindet. Das Abgas A ist mit dem Lambda-1-Hohlraum 14 ebenfall über die Diffusionsbarriere 13 verbunden, durch die Sauerstoff aus dem Abgas A in die Nernstzelle 12 gelangen kann, von wo aus dieser prinzipbedingt über die Pumpzelle 11 wieder zurück ins Abgas gepumpt wird. Der benötigte Pumpstrom wird über einen Nernstspannungsregler bestimmt und ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration bzw. den Lambdawert des Abgases A.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine derartige Lambdasonde 1, deren Lambdaregelung über ein CJ135 Lambda Probe Interface IC erfolgt, im laufenden Betrieb diagnostiziert. In 2 ist der Verlauf der Nernstspannung Un der Lambdasonde 1 vor, während und nach der erfindungsgemäße Diagnose dargestellt. Über die CJ135-Betriebsart „gestellter Pumpstrom“ werden in einem Diagnosezeitraum ein Pumpstrompuls 21 und ein Pumpstromgegenpuls 22 erzeugt. Diese sind in 2 durch die Änderung eines dimensionslosen Pumpstrom-Ansteuerungssignals 2 dargestellt. Zunächst wird für einen Zeitraum T21 von 70 ms ein Pumpstrompuls 21 mit einer bekannten negativen Delta-Amplitude Δ21 zum zuvor eingeregelten Zustand gestellt, der den Lambda-1-Hohlraum 14 mit einem Überdruck an Sauerstoffionen füllt. Direkt danach erfolgt ein Pumpstromgegenpuls 22 mit der gleichen Dauer T22 von 70 ms und einer gegenüber der Delta-Amplitude Δ21 des Pumpstrompulses 21 verringerten Delta-Amplitude Δ22 in die entgegengesetzte Richtung, sodass sich am Ende des Pumpstromgegenpulses 22 die Nernstspannung Un wieder auf 450 mV befindet und sich der Pumpstrom 2 sofort wieder als eingeregelt bezeichnen lässt. Das Wiedererreichen der Pumpstromgültigkeit erfolgt somit in diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 140 ms.

Claims

Verfahren zur Diagnose einer Lambda-Sonde (1) im laufenden Betrieb, umfassend – Bestromen der Lambda-Sonde (1) mit einem zu einem Pumpstrom (2) additiven Pumpstrompuls (21) und einem zu dem Pumpstrom (2) additiven Pumpstromgegenpuls (22), und – Ermitteln einer Fehlfunktionalität der Lambda-Sonde (1) aus elektrischen Spannungen, die an einer Pumpzelle (11) und/oder an einer Nernst-Zelle (12) der Lambdasonde (1) während der Bestromung durch die Pulse (21, 22) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrompuls (21) und der Pumpstromgegenpuls (22) so gewählt werden, dass sich Änderungen der Nernst-Spannung (Un) der Lambda-Sonde (1) durch den Pumpstrompuls (21), den Pumpstromgegenpuls (22) und zwischen diesen Pulsen (21, 22) auftretende Diffusionseffekte und Strömungseffekte neutralisieren.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Delta-Amplitude (Δ22) des Pumpstromgegenpulses (22) über mehrere Diagnosezyklen so eingeregelt wird, dass sich Änderungen der Nernst-Spannung (Un) der Lambda-Sonde (1) durch den Pumpstrompuls (21), den Pumpstromgegenpuls (22) und zwischen diesen Pulsen (21, 22) auftretende Diffusionseffekte und Strömungseffekte neutralisieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verhältnis zwischen der Delta-Amplitude (Δ21) des Pumpstrompulses (21) und der Delta-Amplitude (Δ22) des Pumpstromgegenpulses (22) mindestens eine Diffusionseigenschaft und/oder mindestens eine Strömungseigenschaft einer Diffusionsbarriere (13) der Lambdasonde (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (t21) des Pumpstrompules (21) im Wesentlichen der Dauer (t22) des Pumpstromgegenpulses (22) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Delta-Amplitude (Δ21) des Pumpstrompules (21) größer als die Delta-Amplitude (Δ22) des Pumpstromgegenpulses (22) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Delta-Amplitude (Δ22) des Pumpstromgegenpulses (22) in Abhängigkeit von mindestens einer Diffusionseigenschaft und/oder mindestens einer Strömungseigenschaft einer Diffusionsbarriere (13) der Lambdasonde (1) gewählt wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft.
Datenträger, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Computerprogramm nach Anspruch 8 speichert.
Steuergerät das dazu ausgebildet ist, eine Lambda-Sonde (1) mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 im laufenden Betrieb zu diagnostizieren.