Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Anspruchs 1.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Elektrochemische Gassensoren in Form von Lambda-Sonden werden in großer Zahl in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um für die Motorsteuerung Signale über die Abgaszusammensetzung bereitstellen zu können. Auf diese Weise kann der Motor so betrieben werden, dass die Abgase eine optimale Zusammensetzung für die Nachbehandlung mit im Abgassystem heute üblicherweise vorhandenen Katalysatoren aufweisen.

In Fig. 1 ist ein derartiger Gassensor dargestellt. Das Sensorelement 100 weist ein Gaszutrittsloch 115 auf, durch welches Abgas einströmt und durch eine Diffusionsbarriere 120 in einen Messraum 130 gelangt. Eine erste Elektrode, auch als Außenelektrode oder äuße-

re Pumpelektrode 150 bezeichnet, ist an der Außenseite des Festelektrolyten 110 und unter einer porösen Schutzschicht 155 angeordnet dem Abgas einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine ausgesetzt. In dem Messraum ist eine zweite Elektrode, auch als Innenelektrode oder innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet. Ferner ist eine Referenzelektrode 145 vorgesehen, die entweder durch einen offenen Kanal zum Anschlusskontaktbereich oder durch Anlegen einer Pumpspannung mit Sauerstoff versorgt wird.

Zwischen der inneren Pumpelektrode 140 und der äußeren Pumpelektrode 150 wird eine Pumpspannung U _P angelegt, sodass ein Pumpstrom I _P fließt. Eine Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode 140 und Referenzelektrode 145 und der Pumpstrom I _p werden in einer Schaltungseinheit, die Teil eines Steuergeräts 190 ist, erzeugt und ausgewertet, wobei der Pumpstrom I _P so eingeregelt wird, dass sich eine vorgebbare SoIl- Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode 140 und Referenzelektrode 145 einstellt. In dem Festelektrolyten 110 ist ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion des Sensorelements 100 gestattet.

Eine planare Breitband-Lambda-Sonde nach dem Grenzstromprinzip kann auch als Einzeller aufgebaut sein. Hierbei sind zwei Elektroden auf der Abgasseite angeordnet. Zumindest die Kathode ist unter einer Diffusionsbarriere angeordnet.

Ferner existieren Sonden nach dem Grenzstromprinzip, bei denen eine Elektrode unter einer Diffusionsbarriere im Abgas angeordnet ist, während die andere in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom angeordnet ist.

Derartige Breitband-Lambda-Sonden nach dem Grenzstromprinzip werden mit einer festen Pumpspannung U _P beaufschlagt. Die feste Pumpspannung erzeugt bei einem mageren Abgas, d. h. bei einem Abgas mit Luftüberschuss, einen positiven Pumpstrom, der mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases und dem Transport- bzw. Diffusionsweg des Sauerstoffs zur Kathode eindeutig zusammenhängt.

Das Signal eines solchen Gassensors hängt nun neben der Abgaskonzentration auch vom Absolutdruck ab. Diese Abhängigkeit wird als „statische Druckabhängigkeit" bezeichnet. Die Kenntnis des Absolutdrucks ist für eine Korrektur des Sondensignals sowie auch zur Realisierung anderer Funktionen im Fahrzeug von Bedeutung. Um den Druck zu erfassen, kann rein prinzipiell ein zusätzlicher Drucksensor im Abgasbereich angeordnet werden. Die Anordnung eines solchen Drucksensors ist jedoch nicht nur mit einem erhöhten Montageaufwand und erhöhten Kosten verbunden, ein solcher Drucksensor erfordert auch einen erhöhten Schaltungsaufwand und er muss - da er ein abgasrelevantes Teil ist - auch kontinuierlich auf Funktionsfähigkeit überwacht werden, beispielsweise ob ein Defekt des Drucksensors vorliegt oder eine Leitungsunterbrechung der Versorgungs- bzw. Signalleitungen des Drucksensors aufgetreten ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zu vermitteln, welches nicht nur eine Erfassung der Abgaskonzentration, sondern auch des Absolutdrucks auf technisch einfach zu realisierende Weise ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten der eingangs beschriebenen Art gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Grundidee der Erfindung ist es, den Gassensor so zu betreiben, dass alleine aufgrund der Sensorsignale des Gassensors auf den Absolutdruck geschlossen werden kann. Hierzu sieht die Erfindung vor, den Gassensor bei Vorliegen eines stöchiometrischen oder mageren Gasgemisches im Abgas der Brennkraftmaschine, also eines Gasgemisches mit Sau- erstoffüberschuss, mit einer Pumpspannung zu beaufschlagen, die mindestens so groß ist, dass eine Zersetzung von im Abgas enthaltenem Wasser und/oder Kohlendioxid stattfindet, und aus dem sich dabei einstellenden Pumpstrom auf den im Abgas herrschenden Absolutdruck zu schließen. Die Pumpspannung, die mindestens so groß ist, dass eine

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Zersetzung von im Abgas enthaltenem Wasser und/oder Kohlendioxid stattfindet, wird nachfolgend kurz „Zersetzungsspannung" genannt.

Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass bei λ > 1 , also im stöchiometrischen oder mageren Betrieb, der gesamte eingespritzte Kraftstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid reagiert. Da der dabei eingestellte Kraftstoffverbrauch bekannt ist, er entspricht der eingespritzten Kraftstoffmenge, die bekannt ist, kann die Produktionsrate der erzeugten Wasser- und Kohlendioxidmoleküle bestimmt, beispielsweise errechnet werden. Unter der Annahme, dass die Gasdurchflussgeschwindigkeit im Abgasstrang bei Normaldruck bekannt ist bzw. durch beispielsweise einen Heißfilm-Luftmassen- Durchflussmesser gemessen werden kann, kann auf die Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration im Abgasstrang bei Normaldruck geschlossen werden. Die Abgaskonzentration bei λ = 1 kann unabhängig vom Absolutdruck exakt eingestellt werden, da hierbei kein Pumpstrom fließt. Zusätzlich ergibt sich bei bekannter Kraftstoffart aus der λ = 1 - Einstellung der Brennkraftmaschine ein festes Verhältnis des Kraftstoffflusses zum Gas- durchfluss, das zur Absicherung der vorstehenden Bestimmung dienen kann.

Wenn bei diesem Lambdawert eine konstante positive Pumpspannung in der Größe der Zersetzungsspannung des Wassers an die Pumpzelle angelegt wird, ist der Pumpstrom proportional zur Konzentration der Wassermoleküle im Abgas. Diese hängt neben der Einspritzmenge auch vom Absolutdruck ab. Ein Vergleich der auf diese Weise gemessenen Wasserkonzentration mit der errechneten Wasserkonzentration für Normaldruckbedingungen liefert anhand der an sich bekannten statischen Druckabhängigkeit des Sondensignals die Information über den Absolutdruck.

Vorteilhafterweise kann auch auf jegliche Konzentrationsberechnung verzichtet werden, indem der Pumpstrom, der sich bei einer definierten Zersetzungsspannung, definierter Einspritzmenge von Kraftstoff und definierter Sauerstoff-Zugabe in einem definierten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, das heißt bei definiertem Abgasstrom einstellt, verglichen wird mit dem in einem Datenspeicher gespeicherten Soll-Pumpstrom unter denselben definierten Bedingungen und bei Normaldruck. Anhand einer empirisch ermittelten Kalibrationskurve wird der Abweichung vom Soll-Pumpstrom ein Absolutdruck zugeordnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. So wird vorteilhafterweise der Gassensor zunächst mit einer Pumpspannung beaufschlagt, die so groß ist, dass ein Abpumpen von Sauerstoff stattfindet. Der sich dabei einstellende Pumpstrom wird erfasst und als Untergrundstrom von dem sich bei Beaufschlagung des Gassensors mit der Zersetzungsspannung ergebenden Pumpstrom subtrahiert.

Die Zersetzungsspannung beträgt vorzugsweise zwischen 1500 und 1800 mV.

Die Pumpspannung zum Abpumpen des Sauerstoffs beträgt zwischen 750 und 850, insbesondere 800 mV.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, abwechselnd zwischen zwei verschieden großen Zersetzungsspannungen hin- und herzuschalten. Die betragsmäßig geringere Spannung wird dabei so gewählt, dass dort, neben dem eventuell vorhandenen Sauerstoffuntergrund, nur Wasser oder Kohlendioxid zersetzt wird. Die betragsmäßig größere Spannung wird so gewählt, dass zusätzlich das bisher noch nicht zersetzte Produktmolekül, also entweder Kohlendioxid oder Wasser, zersetzt wird. Nach Abzug eines Sauerstoff-Offsetstroms, der bestimmt werden kann, lässt sich aus dem Vergleich der sich hierbei einstellenden Pumpströme unabhängig vom Absolutdruck das Verhältnis von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen bestimmen, das heißt errechnen und so auf die Kraftstoffart schließen, also die Kraftstoffart identifizieren.

Das vorbeschriebene Verfahren ist bevorzugt Gegenstand eines Computerprogramms, das insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine zur Realisierung des Verfahrens abläuft. Insoweit ist es auch bei bestehenden Steuergeräten „nachrüstbar", da ein zusätzlicher Schaltungsaufwand durch zusätzliche Sensoren bei diesem Verfahren vollständig entfällt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen als Zweizeiler ausgebildeten Gassensor in Form einer Breitbandlamb- dasonde und; Fig. 2 einen als Einzeller ausgebildeten Gassensor in Form einer Breitbandlambda- sonde, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt.

Ausführungsformen der Erfindung

Ein in Fig. 1 dargestellter Gassensor, der nach dem Doppelzellenprinzip arbeitet und bei dem das erfindungemäße Verfahren zum Einsatz kommt, weist ein Sensorelement 100 auf, das durch einen in Schichtbauweise ausgebildeten Festelektrolyten 110 gebildet wird. Auf der Außenseite des Sensorelements 100 ist dem Abgas ausgesetzt eine erste Elektrode, auch als äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet, angeordnet, die durch eine offenporige Schutzschicht 155 überdeckt ist. In dem Festelektrolyten 110 ist ein Messvolumen 130 ausgebildet, in dem eine zweite Elektrode, auch als innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet ist. Zudem ist in dem Festelektrolyten 110 eine Referenzelektrode 145 angeordnet, die entweder über einen anschlusskontaktseitigen Referenzkanal (nicht dargestellt) oder durch internes Pumpen mit Sauerstoff versorgt wird.

In dem Festelektrolyten 110 ist ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion des Sensorelements 100 gestattet. Das Abgas eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors strömt durch ein Gaszutrittsloch 115 über eine Diffusionsbarriere 120 in das Messvolumen 130.

Durch eine schematisch dargestellte elektronische Schaltung, die beispielsweise Teil eines Steuergerätes 190 sein kann, wird zwischen der äußeren Pumpelektrode 150 und der in dem Messvolumen 130 angeordneten inneren Pumpelektrode 140 eine konstante Pumpspannung U _P erzeugt, die so geregelt wird, dass sich aufgrund des Pumpstroms ein λ=l -Gasgemisch in dem Messvolumen 130 einstellt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Pumpstrom auf eine Nernstspannung U _N = 450 mV zwischen der inneren Pumpelektrode und der „sauerstoffbespülten" Referenzelektrode 145 geregelt wird.

Anders verhält es sich bei Lambda-Sonden nach dem Grenzstromprinzip, die als sogenannte Einzeller aufgebaut sind und bei denen die beiden Elektroden 140, 150 auf der Abgasseite unter einer Diffusionsbarriere 159 angeordnet sind, wobei eine feste Pumpspannung Up an diesen Elektroden anliegt. In diesem Falle können wie in Figur 2 dargestellt die beiden Pumpelektroden 140, 150 unter einen gemeinsamen Diffusionsbarriere 159 angeordnet sein. Es ist aber auch möglich nur die Kathode unter einer Diffusionsbarriere anzuordnen oder eine Elektrode im Abgas unter einer Diffusionsbarriere anzuordnen und die andere Elektrode in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom. Bei diesen Sonden wird durch die feste Pumpspannung bei magerem Abgas ein positiver Pumpstrom erzeugt, der eindeutig mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases zusammenhängt. Auch eine solche Sonde weist eine Schicht 162 mit Heizelementen 160 auf, beispielsweise mäander- förmig verlaufende Heizelemente, die über Heizerzuleitungen 161 mit Strom und Spannungen versorgbar sind. In Figur 2 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in Figur 1.

Das Signal derartiger Breitbandlambdasonden hängt nun neben der Abgaskonzentration auch vom Absolutdruck ab. Diese Abhängigkeit wird als „statische Druckabhängigkeit" bezeichnet. Die Kenntnis des Absolutdrucks ist für eine Korrektur des Sondensignals sowie auch für weitere Funktionen zur Steuerung der Brennkraftmaschine von Bedeutung. Rein prinzipiell könnte der Absolutdruck im Abgasstrang durch Einbau eines Drucksensors gemessen werden. Ein solcher Sensor würde allerdings einen erhöhten Montageaufwand, der wiederum mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, nach sich ziehen. Darüber hinaus wäre ein solcher Drucksensor störanfällig und müsste im Rahmen einer On-board-Diagnose kontinuierlich auf Fehler überwacht werden.

Grandidee der vorliegenden Erfindung ist es, vorstehend beschriebene Gassensoren nun so zu betreiben, dass mit ihrer Hilfe auch der Absolutdrack im Abgas gemessen werden kann. Hierzu sind zwei Betriebsarten vorgesehen. Die eine Betriebsart findet bei einem stöchiometrischen Abgas statt, also bei einem Wert λ = 1. In diesem Falle wird eine konstante positive Pumpspannung U _P angelegt, die einen so hohen Wert aufweist, dass eine Zersetzung des Wassers und/oder des Kohlendioxids stattfindet. Diese Zersetzungsspannung beträgt zum Beispiel zwischen 1500 und 1800 mV. Mit Hilfe dieser Spannung findet eine vollständige Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers und/oder des Kohlendioxids statt. Eine Abgaskonzentration bei λ = 1 kann unabhängig vom Absolutdrack exakt eingestellt werden, da hierbei kein Pumpstrom fließt. Wenn bei diesem Lambda- wert eine konstante positive Pumpspannung in Höhe der Zersetzungsspannung des Wassers und/oder des Kohlendioxids an die Pumpzelle angelegt wird, ist der Pumpstrom I _P proportional zur Konzentration der Wasser- und/oder Kohlendioxidmoleküle im Abgas. Diese hängt neben der Einspritzmenge, die bekannt ist, auch vom Absolutdrack ab. Ein Vergleich der auf diese Weise gemessenen Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration mit einer zuvor bestimmten Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration für Normal- drackbedingungen liefert anhand der an sich bekannten statischen Drackabhängigkeit des Sondensignals die Information über den Absolutdrack p im Abgas. Die Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration bei Normaldrackbedingungen kann auch im mageren Abgas gemessen werden. In diesem Falle reagiert der gesamte eingespritzte Kraftstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid. Da die Einspritzmenge bekannt ist, kann die Produktionsrate der erzeugten Wasser- und/oder Kohlendioxidmoleküle errechnet werden. Unter Berücksichtigung der ebenfalls bekannten Gasdurchflussgeschwindigkeit im Abgasstrang bei Normaldruck kann auf diese Weise die Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration im Abgasstrang bei Normaldruck errechnet werden.

Ein möglicher Quereinfluss durch Schwankungen des Stickstoff/Sauerstoffverhältnisses in Luft kann durch Messung des Sauerstoffgrenzstroms an Luft im Schubbetrieb ermittelt und rechnerisch kompensiert werden.

Die Bestimmung des Absolutdrucks p bei einem mageren Abgasgemisch, d. h. bei λ > 1 erfolgt dadurch, dass zunächst die Pumpelektroden mit einem Pumpstrom beaufschlagt werden, der für das Abpumpen des Sauerstoffs aus dem Messhohlraum im Falle einer als

Zweizeller ausgebildeten Breitbandlambdasonde bzw. aus der Kathodenschicht im Falle eines Einzellers ausreichend ist. Eine dafür benötigte Pumpspannung beträgt ca. 800 mV. Daraufhin wird bei demselben Lambdawert eine konstante positive Pumpspannung in Höhe der Zersetzungsspannung des Wassers und/oder Kohlendioxids angelegt, um zusätzlich das im Abgas enthaltene Wasser und/oder auch das Kohlendioxid zu reduzieren. Der dabei auftretende Pumpstrom wird gemessen und von diesem wird der Untergrundstrom, d. h. der Pumpstrom, der sich beim Abpumpen des Sauerstoffs einstellt, subtrahiert. Die Differenz ist ein Maß für den Absolutdruck p in dem Abgas.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung zielt darauf ab, abwechselnd zwischen zwei verschieden großen Zersetzungsspannungen hin- und herzuschalten. Die betragsmäßig geringere Spannung wird so gewählt, dass dort, neben dem eventuell vorhandenen Sauerstoffuntergrund, nur Wasser oder nur Kohlendioxid zersetzt wird. Die betragsmäßig größere Spannung wird so gewählt, dass zusätzlich das bisher noch nicht zersetzte Produktmolekül, also entweder Kohlendioxid oder Wasser, zersetzt wird. Nach Abzug eines Sau- erstoff-Offsetstroms lässt sich aus dem Vergleich der sich hierbei einstellenden Pumpströme, unabhängig vom Absolutdruck, das Verhältnis von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen im Kraftstoff errechnen und so die Kraftstoffart identifizieren.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät 190 einer Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät 190 lesen kann. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern rein prinzipiell das Verfahren auch als Schaltung realisiert sein kann, die in diesem Falle bevorzugt Teil des Steuergeräts 190 ist. Die Schaltung kann dabei als integrierte Schaltung oder auch als diskrete Schaltung aufgebaut sein.