DE102005056515A1

DE102005056515A1 - Verfahren zur Erkennung der Diffusionsgaszusammensetzung in einer Breitband-Lambdasonde

Info

Publication number: DE102005056515A1
Application number: DE102005056515A
Authority: DE
Inventors: Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-05-31
Also published as: JP2007147615A; US20070119719A1; JP5009597B2; US7744740B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erkennung der Gaszusammensetzung eines einer Breitband-Lambdasonde zugeführten, aus wenigstens zwei Gasen vorzugsweise unterschiedlichen Diffusionsverhaltens bestehenden Gasgemisches, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die Lambdasonde eine Pumpzelle mit wenigstens einem Messgasraum aufweist, ist insbesondere vorgesehen, dass die Erkennung der Gaszusammensetzung des Gasgemisches mittels Modulation des Gases im Messgasraum erfolgt. Bevorzugt wird dabei die Luftzahl im Messgasraum der Pumpzelle periodisch verändert, wodurch die Empfindlichkeit der Lambdasonde für die wenigstens zwei Gase sich ebenfalls periodisch ändert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Abgasnachbehandlung insbesondere bei mittels Brennkraft betriebenen Kraftfahrzeugen und im Speziellen ein Verfahren zur Erkennung der Gaszusammensetzung eines einer Breitband-Lambdasonde zugeführten Gases.
Eine Lambda-Regelung ist, in Verbindung mit einem Katalysator, heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Erst im Zusammenspiel mit heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz eines Dreiwege- oder Selektiv-Katalysators. Dieser Katalysatortyp hat die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einem Bereich von etwa 1% um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit LAMBDA = 1 betrieben wird. Dabei gibt die auch als „Luftzahl" bezeichnete Größe LAMBDA an, wie weit das tatsächliche vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem Wert LAMBDA = 1 abweicht, der einem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin entspricht, d.h. LAMBDA ist der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf.
Bei der Lambda-Regelung wird das jeweilige Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend dem Messergebnis mittels bspw. des Einspritzsystems sofort korrigiert. Als Messfühler wird eine Lambdasonde verwendet, die exakt bei LAMBDA = 1 einen Spannungssprung aufweist und so ein Signal liefert, das anzeigt, ob das Gemisch fetter oder magerer als LAMBDA = 1 ist. Die Wirkungsweise der Lambdasonde beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt.
Als Zweipunktsonden ausgeführte Lambdasonden arbeiten in an sich bekannter Weise nach dem Nernst-Prinzip, und zwar auf einer Nernst-Zelle basierend. Der Festkörperelektrolyt besteht aus zwei durch eine Keramik getrennte Grenzflächen. Das verwendete Keramikmaterial wird bei etwa 350°C für Sauerstoffionen leitend, sodass dann bei unterschiedlichem Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Keramik zwischen den Grenzflächen die sogenannte Nernstspannung erzeugt wird. Diese elektrische Spannung ist ein Maß für den Unterschied des Sauerstoffanteils zu beiden Seiten der Keramik. Da der Restsauerstoffgehalt im Abgas eines Verbrennungsmotors in starkem Maße vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches abhängig ist, ist es möglich, den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das tatsächlich vorliegende Luft-Kraftstoff-Verhältnis heranzuziehen.

Bei den sogenannten Breitbandsonden ist der Messfühler als Breitbandsensor ausgeführt. Dieser wird von Festelektrolytschichten sowie einer Anzahl von Elektroden gebildet. Ein solcher Aufbau geht aus der DE 19 912 102 A1 , insbesondere den dortigen Seiten 8 und 9 nebst dortiger 1, hervor, auf die in dem vorliegenden Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen wird. Diese Elektroden sind in der nachfolgend noch im Detail beschriebenen 1 schematisch wiedergegeben. Ein Teil der genannten Elektroden bildet bei diesem Sensor eine sogenannte Pumpzelle, der andere Teil eine sogenannte Konzentrationszelle. Ferner wird durch die Festelektrolytschichten ein erster Hohlraum (im Folgenden „Messgasraum") ausgebildet.

An die Elektroden der Pumpzelle wird eine Pumpspannung angelegt, mittels der im ersten Messgasraum durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter Sauerstoffpartialdruck, d.h. auch eine entsprechende Luftzahl LAMBDA, eingestellt wird. Dabei wird die Pumpspannung derart geregelt, dass sich an den Elektroden der Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert von 450 mV einstellt. Diese Spannung entspricht einem Wert von LAMBDA = 1.

Bei Breitband-Lambdasonden nach dem genannten Doppelzellprinzip wird die Luftzahl im Messgasraum der Pumpzelle auf einen bestimmten Wert geregelt, der vorzugsweise konstant auf LAMBDA = 1 gehalten wird. Die Luftzahl im Messgasraum der Pumpzelle wird durch die genannte, vom Steuergerät der Brennkraftmaschine erzeugte Vergleichsspannung für die Nernstzelle vorgegeben.

Vor der Nernstzelle liegt eine Diffusionsbarriere. Jedes durch die Diffusionsbarriere eindiffundierende Gas verursacht aufgrund der Änderung der Gaszusammensetzung im genannten Messgasraum, und der damit verbundenen Änderung der Nernstspannung, über die genannte Regelung einen Pumpstrom, der ein Maß für die Partialdruckdifferenz, den Diffusionskoeffizienten und den Sauerstoffbedarf pro Molekül des betreffenden Gases darstellt.

Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit zum Zwecke der Regeneration eines bei der Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters nacheingespritztem Kraftstoff muss die Breitbandsonde im Magerbetrieb gleichzeitig den Sauerstoff und das Fettgas detektieren können. Aufgrund der verschiedenen Diffusionskoeffizienten dieser beiden Gase wird das relativ schwere Fettgas (HC) für seinen Sauerstoffbedarf weniger stark bewertet als der Sauerstoff und daher Wasserstoff entsprechend zu stark bewertet. Gleiches gilt für eine Mischung aus Fettgasen, welche bspw. in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine im Fettbetrieb oder bei der Regeneration eines Speicherkatalysators in einer selbstzündenden Brennkraftmaschine auftritt. Daher ist eine Bewertung des eingestellten LAMBDA-Wertes nur bei Kenntnis des Anteils von HC bzw. H₂ möglich. Mit den bekannten Lambdasonden kann somit nur der Partialdruck einer Gaskomponente korrekt gemessen werden.

Da die bekannten Lambdasonden nur ein Ausgangssignal (und zwar den genannten Pumpstrom liefern, kann die Information nicht gleichzeitig den Partialdruck und die Gaszusammensetzung liefern. Es ist daher wünschenswert, bei einer hier betroffenen Lambdasonde ein Verfahren zu ihrem Betrieb bereitzustellen, mittels dessen gleichzeitig der Partialdruck und die Gaszusammensetzung bestimmt werden können.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Gaszusammensetzung bzw. Gasart eines einer Breitband-Lambdasonde zugeführten Gases, bevorzugt eines Abgases der Brennkraftmaschine, mittels modulierter Messgasänderung zu erkennen. Insbesondere wird durch periodische Anpassung der Luftzahl im Messgasraum der Lambdasonde die Empfindlichkeit der Sonde für verschiedene Gase periodisch geändert. Dabei mindert eine Erhöhung der Nernstspannung auf einen Wert > 450 mV die Empfindlichkeit für Fettgase, wohingegen eine Verringerung der Nernstspannung unterhalb des Wertes 450 mV die Empfindlichkeit für Magergase vermindert. So kann bei einem Gasgemisch aus der Reaktion auf die genannte periodische Änderung (Modulation) der Empfindlichkeit der Sonde auf die Anwesenheit einer Fett- und einer Magerkomponente geschlossen werden.

Zusätzlich liegt der Erfindung der Effekt zugrunde, dass der Diffusionskoeffizient für leichtere Moleküle bzw. Moleküle mit geringerem Streuquerschnitt größer ist als für schwerere Moleküle, da die kinetische Energie pro Freiheitsgrad über die geringere Masse zu einer höheren Geschwindigkeit führt. Daraus resultiert eine erhöhte Empfindlichkeitsänderung für kleine Moleküle, denn die Partialdruckänderung im Messgasraum ist größer als die zu beiden Seiten der Diffusionsbarriere vorliegende Partialdruckdifferenz.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können im Betrieb der Lambdasonde gleichzeitig der Partialdruck des einströmenden Gases und dessen Gaszusammensetzung ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich beispielsweise in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise in Form eines Programmcodes oder einer geeigneten elektronischen Schaltung, realisieren.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der beigefügten Zeichnungen, anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert. Dabei zeigen

1 schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Breitband-Lambdasonde;

2a einen typischen Verlauf des Pumpstroms I_Pump als Funktion von LAMBDA in einer Breitband-Lambdasonde;

2b einen typischen Verlauf des Sauerstoff-Partialdrucks in einer Breitband-Lambdasonde;

3a–3c einen typischen zeitlichen Verlauf des Sollwerts der Nernstspannung, der Nernstspannung und des Pumpstroms gemäß dem Stand der Technik;

4a–4c einen zeitlichen Verlauf des Sollwerts der Nernstspannung, der Nernstspannung und des Pumpstroms gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Lambdasonde mit modulierter Nernstspannung;

5a–5c beispielhafte Partialdruckverläufe von Wasserstoff und Sauerstoff zur Illustration der erfindungsgemäßen Bestimmung der relativen Gaszusammensetzung aus den beiden diffundierenden Gasen Wasserstoff und Sauerstoff; und

6a, b beispielhafte Verläufe der Nernstspannung U_N und der daraus resultierenden Pumpströme I_P für die verschiedenen Gaskomponenten eines typischen Abgases einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, und zwar für den verallgemeinerten Anwendungsfall mit LAMBDA ≠ 1.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bei der in der 1 gezeigten Breitband-Lambdasonde 10 gelangt Abgas 12 durch eine kleine Öffnung 14 einer Pumpzelle 16 und eine (nicht gezeigte) Diffusionsbarriere in den eigentlichen Messgasraum 18 einer Nernstzelle 20. An die Nernstzelle 20 schließt sich ein Referenzgasraum 19 an, in dem ein Sauerstoff-Referenzgas enthalten ist. In dem Messgasraum 18 wird stets ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt. Eine in einem Steuergerät 21 oder dergleichen angeordnete Auswerte- und Regelschaltung 22 regelt eine an der Pumpzelle 16 anliegende Pumpspannung U_Pump so, dass die Zusammensetzung des Gases im Messgasraum 18 konstant bei LAMBDA = 1 liegt. Bei magerem Abgas 12 pumpt die Pumpzelle 16 Sauerstoff vom Messgasraum 18 nach außen. Bei fettem Abgas 12 muss dagegen der Sauerstoff aus dem Abgas 12 der Umgebung in den Messgasraum 18 gepumpt werden und damit die Richtung des elektrischen Pumpstroms I_Pump umgekehrt werden. Der Pumpstrom ist dabei proportional zur Sauerstoffkonzentration bzw. dem Sauerstoffbedarf. So ist der Pumpstrom I_Pump ein Maß für LAMBDA im Abgas. Ein integrierter Heizer 24 sorgt für eine Betriebstemperatur von mindestens 600°C, welche nach einem Kaltstart allerdings erst nach einer gewissen Vorheizzeit erreicht wird.
Die Einstellung des Pumpstroms erfolgt über die Auswerte- und Regelschaltung 22, welche die Nernstspannung U_Nernst mit einer intern erzeugten Referenzspannung U_Ref von 450 mV vergleicht. Sobald eine Abweichung Delta(U_Nernst, U_Ref) vorliegt, wird diese Abweichung in der Schaltung 22 verstärkt und als der Pumpstrom I_Pump in die Pumpzelle 16 eingespeist. Dadurch wird Sauerstoff in bzw. aus dem Messgasraum 18 gepumpt und die Nernstspannung U_Nernst stabilisiert sich auf 450 mV. Der notwendige Pumpstrom I_Pump oder die über einen Widerstand (R1) 26 abfallende Ausgangsspannung U_Sonde wird als Ausgangssignal der Sonde 10 ausgewertet.
Es ist anzumerken, dass zum Betrieb einer Breitband-Sonde 10 mit gepumpter Referenz die Referenzelektrode über einen Festwiderstand von z.B. 100 kOhm an +5V gelegt wird, um über die Nernstzelle 20 dem Referenzgasraum 19 ständig Sauerstoff zuzuführen.
Das Ausgangssignal I_Pump wird an eine nicht gezeigte weitere elektronische Steuerung übermittelt, welche ihrerseits einem Gemischbildner, bspw. eine Einspritzanlage oder einen elektronisch geregelten Vergaser, über ein Steuersignal signalisiert, ob das Gemisch angefettet oder abgemagert werden muss. Ist das Gemisch zu mager, wird mehr Kraftstoff zugegeben; ist das Gemisch zu fett, wird die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge wieder reduziert.
Ein typischer qualitativer Verlauf des Pumpstroms I_Pump als Funktion von LAMBDA ist in der 2a gezeigt. Bei magerem Abgas stellt sich ein positiver Pumpstrom ein, um im Messgasraum eine stöchiometrische Zusammensetzung mit LAMBDA = 1 einzuhalten. Bei fettem Abgas ist dagegen ein negativer Pumpstrom vorhanden. Da man hier nicht mehr von der stufenförmigen Spannungscharakteristik der Nernst-Zelle abhängig ist, kann LAMBDA in einem Bereich von 0,6 bis unendlich stetig gemessen werden. Eine Messung für LAMBDA gleich unendlich wird bspw. für den Schubabgleich benötigt.
Einen typischen Verlauf des Partialdrucks p_O2 von Sauerstoff O₂ in einer Lambdasonde eines Kraftfahrzeugs zeigt die 2b. In dem im rechten Bildteil dargestellten Messgasraum liegt der Luftwert LAMBDA = 1 vor, d.h. nur dort ergibt sich eine stöchiometrische Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches. Im vorliegend in der linken Bildhälfte dargestellten Außenbereich der Lambdasonde, demzufolge im Abgas der Brennkraftmaschine, liegt ein höherer Partialdruck p_O2 vor. Dort liegt demnach ein Wert von LAMBDA = ∝ (unendlich) vor. In dem Übergangsbereich zwischen Abgas und Messgasraum fällt der Sauerstoffpartialdruck in typischer Weise stetig ab.
Die 3a–3c zeigen den im Stand der Technik bekannten Verlauf des Sollwerts der Nernstspannung, der sich schlussendlich ergebenden Nernstspannung sowie des Pumpstroms gemäß dem Stand der Technik. Die 3a zeigt den Verlauf des Sollwertes der Nernstspannung über die Zeit. Die Nernstspannung beträgt in dem Ausführungsbeispiel die eingangs genannten 450 mV bei der Verwendung der Lambdasonde im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik. Es ist allerdings hervorzuheben, dass die erfindungsgemäßen Konzepte auch in anderen Bereichen der Technik Anwendung finden können, bspw. im Bereich der chemischen Industrie, und zwar überall dort, wo Abgase bevorzugt aus Umweltgründen nachbehandelt werden.
Die 3b zeigt den sich wirklich ergebenden Verlauf der Nernstspannung als Funktion der Zeit und die 3c den in der eingangs beschriebenen Weise gemessenen Pumpstrom, ebenfalls als Funktion der Zeit. Bei der vorliegend im Wesentlichen konstant verlaufenden Nernstspannung (3b) ergibt sich bei konstantem Partialdruck im Abgas ein ebenfalls im Wesentlichen konstant verlaufender Pumpstrom (3c).
Trotz der Modulation der Nernstspannung und der sich ergebenden Luftzahlschwankung wird in bevorzugter Weise der Mittelwert von LAMBDA im Messgasraum über die Zeit auf einem Wert von vorzugsweise LAMBDA = 1 gehalten, was einer mittleren Nernstspannung U_N von U_N0 = 450 mV entspricht.
Aus dem gemessenen mittleren Pumpstrom I_p0 und der Pumpstromänderung ΔI_p lässt sich bei hinreichend stationärem Abgas (d.h. keine weiteren Partialdruckschwankungen) auf den wahren LAMBDA-Wert schließen, und zwar erfindungsgemäß unabhängig von der jeweiligen Gaszusammensetzung. Es ist allerdings anzumerken, dass die vorliegende Methode bei Fett- und Magerkomponenten aufweisenden Gasgemischen, vorzugsweise bei Gasgemischen mit Gaskomponenten unterschiedlicher Diffusionskoeffizienten, angewandt werden kann. So kommt es aber auch nur bei solchen Gasgemischen zu den eingangs beschriebenen Fehlmessungen.
Dies soll anhand des in den 4a–4c gezeigten Ausführungsbeispiels verdeutlicht werden. In der 4a ist der Verlauf des Sollwerts der Nernstspannung U_N dargestellt und in der 4b der tatsächliche Verlauf der Nernstspannung U_N. In der 4c ist schließlich der aus dem erfindungsgemäßen Betrieb mit der gemäß 4a und 4b modulierten Nernstspannung U_N resultierende Verlauf des Pumpstroms I_P dargestellt.
Der Sollwert der Nernstspannung U_N (4a) wird mit einer mittleren Frequenz von 1 Hz bis 20 Hz, vorzugsweise mit 5 Hz, sinusförmig moduliert. Die Amplitude des modulierten Signals beträgt dabei 25 mV bis 450 mV, vorzugsweise aber 100 mV. Für die Auswertung wird der synchron zum Verlauf der Nernstspannung U_N (d.h. der dadurch verursachten Anregung des Pumpstroms I_P), wie im Stand der Technik, als Ausgangssignal herangezogen. Zusätzlich wird allerdings aus der Amplitude der Pumpstromschwankung ΔI_p, d.h. aus der mittleren Schwankung des Pumpstroms I_P bei 90° und bei 270°, anhand der genannten Berechnungsweise auf die Gaszusammensetzung geschlossen und damit im Ergebnis das Ausgangssignal der Lambdasonde in einen tatsächlichen LAMBDA-Wert umgerechnet.
Der in der 4c gezeigte Verlauf des Pumpstroms I_P variiert in der dort gezeigten Weise, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweils zu detektierenden Gasgemisch. Im Falle der Detektion von leichterem Fettgas ergibt sich der Verlauf 100, wohingegen sich bei der Detektion von schwererem Fettgas der gestrichelte Verlauf 105 ergibt. Anhand des Verlaufs der Messkurve im Bereich der Phase 180° wird Sauerstoff (O₂) detektiert 102. Anhand der alternativen Verläufe 104, 105 des Pumpstroms I_P lässt sich schwereres Magergas 104 und/oder schwereres Fettgas 105 detektieren.
In einer Abgasnachbehandlung in einer Brennkraftmaschine handelt es sich bevorzugt um zwei Gase, nämlich um eine Kombination eines leichteren Zusatzgases mit Sauerstoff, vorzugsweise Wasserstoff (H₂), oder eine Kombination eines schwereren Zusatzgases mit Sauerstoff (O₂), vorzugsweise HC. Wie eingangs bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß der Wert der Luftzahl LAMBDA im Messgasraum periodisch verändert und die entsprechende Veränderung des Pumpstroms detektiert (4a–4c). Aus dem sich ergebenden, ebenfalls periodischen Verlauf des Pumpstrom-Signals lässt sich die relative Gaszusammensetzung aus den beiden diffundierenden Gasen erfindungsgemäß, wie nachfolgend anhand der 5a–5c beschrieben, bestimmen.
Die Ausgangssituation stelle ein Gasgemisch dar, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel H₂ + O₂, welches einen stabilen LAMBDA-Wert, vorzugsweise mit einem zugeordneten Pumpstrom I_P = 0 als Ausgangssignal liefert (5b). Dieser Pumpstromwert wird als LAMBDA = 1 interpretiert, wobei ferner angenommen wird, dass das Verhältnis D_O2 : D_H2 der Diffusionskonstanten von Sauerstoff und Wasserstoff in der genannten Diffusionsbarriere gleich 1 ist.
Sobald die Nernstspannung U_N aufgrund der Modulation erhöht wird (5a), stellt sich durch Herauspumpen von O^2--Ionen im Messgasraum ein fettes Gemisch ein. Dies bedeutet, dass ein erhöhter Wasserstoff-Partialdruck p_H2 vorliegt. Dadurch wird der Partialdruckgradient Δp, der die Eindiffusion treibt, für H₂ kleiner, bleibt aber für O₂ zumindest im Wesentlichen gleich.
Im statischen Grenzfall müssen demnach noch O^2--Ionen aus dem Messgasraum herausgepumpt werden, anstatt der in der 5b gezeigten, sich gegenseitig kompensierenden H₂ und O₂-Eindiffusionen in den Messgasraum. Ein positiver Pumpstrom in der positiven Modulationshalbwelle der Nernstspannung U_N zeigt somit eine Fettkomponente im Gemisch an.
Sobald die Nernstspannung U_N verkleinert wird (5c), erhöht sich der Partialdruck p_O2 für Sauerstoff im Messgasraum. Dadurch verringert sich die Partialdruckdifferenz Δp_O2, so dass nur noch H₂ in den Messgasraum eindiffundiert. Dies erfordert wiederum einen negativen Pumpstrom. Dieser negative Pumpstrom in der negativen Halbwelle zeigt demnach eine Magerkomponente im Gasgemisch an.
Im Grenzfall eines nur Sauerstoff O₂ aufweisenden Gasgemisches mit LAMBDA = 1 würde nur der zuvor genannte negative Pumpstrom I_p in Erscheinung treten, nicht aber ein positiver Pumpstrom I_p bei erhöhter Nernstspannung U_N. Nur wäre in diesem Fall die Amplitude der Kurve 102 aufgrund des geringeren Wertes von p_O2 bei LAMBDA = 1 entsprechend kleiner.
Liegt dagegen ein Gasgemisch mit LAMBDA = 1 vor, welches sich aus einem schweren HC-Molekül und Wasserstoff H₂ zusammensetzt, so weist dieses Gemisch einen erhöhten Partialdruck p_HC auf, da das erforderliche O₂-Gas aufgrund des relativ geringen Diffusionskoeffizienten langsamer eintransportiert wird. Daher wird im Ausführungsbeispiel gemäß der 5a, in dem eine erhöhte Nernstspannung U_N im Messgasraum angenommen wird, der Anstieg des Partialdrucks nur zum Teil durch die Eindiffusion von HC-Gas abgebremst. Daher fällt die Erhöhung des Pumpstroms I_p bei schwereren Molekülen geringer aus.
Im Falle einer verringerten Nernstspannung U_N liegen die oben anhand der 5c beschriebenen unveränderten Verhältnisse vor. Eine geringe Reaktion eines positiven Pumpstroms I_p in der positiven Halbwelle zeigt dann eine schwere Fettgaskomponente an.
Analoges gilt auch für unterschiedlich schwere Magerkomponenten, dann allerdings für den negativen Pumpstrom I_P in der negativen Halbwelle. Verallgemeinernd ergibt sich somit für Gasgemische mit LAMBDA ≠ 1 gemäß den 6a und 6b die nachfolgend beschriebenen Zusammenhänge. Ausgangssituation ist wiederum ein Gasgemisch, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehend aus H₂, O₂, HC und NO. Die 6a zeigt den zeitlich modulierten (vorliegend sinusförmigen) Verlauf 602 der Nernstspannung U_N. Eine erhöhte am Messgasraum anliegende Nernstspannung U_N gemäß der ersten Halbwelle in 6a führt in diesem Ausführungsbeispiel, wie aus der 6b zu ersehen, zu einem Abfall des Pumpstroms 605 von schwererem HC gegenüber dem Pumpstrom 600 für das leichtere H₂-Gas. Entsprechend führt eine erniedrigte Nernstspannung U_N gemäß der zweiten Halbwelle in 6a zu einem gegenüber dem Pumpstrom 610 für O₂ erniedrigten Pumpstrom 615 für NO (6b), d.h. im Ergebnis zu einem geringeren O₂-Bedarf im Messgasraum.

Claims

Verfahren zur Erkennung der Gaszusammensetzung eines einer Breitband-Lambdasonde zugeführten, aus wenigstens zwei Gasen vorzugsweise unterschiedlichen Diffusionsverhaltens bestehenden Gasgemisches, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die Lambdasonde eine Pumpzelle mit wenigstens einem Messgasraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung der Gaszusammensetzung des Gasgemisches mittels Modulation des der Lamdasonde zugeführten Gasgemisches im Messgasraum erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl im Messgasraum der Pumpzelle periodisch verändert wird, wodurch sich die Empfindlichkeit der Lambdasonde für die wenigstens zwei Gase ebenfalls periodisch ändert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nernstspannung zeitlich moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nernstspannung zeitlich sinusförmig moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Nernstspannung so durchgeführt wird, dass sich der zeitliche Mittelwert der Luftzahl LAMBDA = 1 im Messgasraum einstellt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nernstspannung mit einer Frequenz von 1 Hz bis 20 Hz, vorzugsweise mit 5 Hz, sinusförmig moduliert wird, wobei die Amplitude des modulierten Signals zwischen 25 mV und 450 mV, vorzugsweise 100 mV, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen synchron zur Nernstspannung verlaufende Pumpstrom und die Amplitude der Pumpstromschwankung ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der mittleren Schwankung des Pumpstroms bei wenigstens zwei Winkelwerten des periodischen Verlaufs der Nernstspannung, bevorzugt bei 90° und bei 270°, auf die Gaszusammensetzung geschlossen wird und der gemessene Pumpstrom in einen echten LAMBDA-Wert umgerechnet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der mittleren Schwankung des Pumpstroms bei wenigstens zwei Winkelwerten des periodischen Verlaufs der Nernstspannung auf die Gaszusammensetzung geschlossen wird und der gemessene Pumpstrom in einen echten LAMBDA-Wert umgerechnet wird.
Steuergerät zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde, gekennzeichnet durch ein Steuerprogramm zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.