DE102019203749A1 - Method for determining an error in an exhaust gas sensor of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgassensors (100), der eine Pumpkavität (120, 220), in der eine Pumpelektrode (114, 224) angeordnet ist, und eine Messkavität (140, 240) aufweist, in der eine Messelektrode (144, 244) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Einbringen von Sauerstoff in die Pumpkavität (120, 220), ein Strömen des Sauerstoffs in die Messkavität (140,240), ein Erzeugen eines Diagnosemesssignals, das eine Sauerstoffmenge in der Messkavität (140, 240) anzeigt, ein Erfassen einer Änderung im Diagnosemesssignal, die sich aufgrund eingebrachten Sauerstoffs ergibt, ein Ermitteln einer Zeitspanne zwischen dem Einbringen des Sauerstoffs und der Änderung des Diagnosemesssignals und ein Feststellen, dass der Abgassensor (100) fehlerhaft ist, wenn die ermittelte Zeitspanne bis zur erfassten Änderung des Diagnosemesswerts von einem vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als einen Zeitschwellenwert abweicht.The invention relates to a method for determining a fault in an exhaust gas sensor (100) which has a pump cavity (120, 220) in which a pump electrode (114, 224) is arranged and a measurement cavity (140, 240) in which one Measuring electrode (144, 244) is arranged. The method according to the invention comprises introducing oxygen into the pump cavity (120, 220), flowing the oxygen into the measurement cavity (140, 240), generating a diagnostic measurement signal which indicates an amount of oxygen in the measurement cavity (140, 240), detecting a change in the diagnostic measurement signal, which results from the oxygen introduced, a determination of a time period between the introduction of oxygen and the change in the diagnostic measurement signal and a determination that the exhaust gas sensor (100) is faulty if the determined time period until the detected change in the diagnostic measurement value from a predetermined value Time reference value deviates by more than one time threshold.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgassensors einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Kombinationsabgassensors zum selektiven Erfassen des Stickoxid- und Ammoniakanteils im Abgas der Brennkraftmaschine.The present invention relates to a method for determining an error in an exhaust gas sensor of an internal combustion engine, in particular a method for determining an error in a combination exhaust gas sensor for selectively detecting the nitrogen oxide and ammonia content in the exhaust gas of the internal combustion engine.
Abgassensoren, wie z. B. Stickoxidsensoren, erlauben eine Messung der Konzentration von Komponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren. Das Abgas der Brennkraftmaschine weist als Komponenten u.a. Ammoniak (NH3) und Stickoxide (NOx) auf, wobei die Kenntnis der jeweiligen Konzentration für die Steuerung der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein kann.Exhaust gas sensors, such as B. nitrogen oxide sensors, allow a measurement of the concentration of components in the exhaust gas of internal combustion engines, such as gasoline or diesel engines. As components, the exhaust gas from the internal combustion engine has i.a. Ammonia (NH3) and nitrogen oxides (NOx), whereby knowledge of the respective concentration can be advantageous for controlling the internal combustion engine.
Die
Ferner ist aus der
Zudem offenbart die
Die
Aus der
Die
In Anbetracht des Standes der Technik ist es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors bereitzustellen, mit dem die Funktionstüchtigkeit und Messgenauigkeit des Abgassensors zuverlässig und effizient erfasst werden kann.In view of the prior art, it is an object of the present invention to provide a method for diagnosing an exhaust gas sensor arranged in an exhaust gas line of an internal combustion engine, with which the functionality and measurement accuracy of the exhaust gas sensor can be detected reliably and efficiently.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with a method according to claim 1. Further advantageous refinements are specified in the subclaims.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Fehler eines zum Messen der Konzentration von Stickoxid und Ammoniak ausgebildeten Abgassensors dadurch festzustellen, dass gezielt Sauerstoff in den Abgassensor eingebracht wird, was sich im Messsignal des Abgassensors signifikant niederschlägt. Unter Kenntnis der Diffusionsrate des Sauerstoffs innerhalb des Abgassensors kann die Zeit zwischen dem Einbringen des Sauerstoffs in den Abgassensor bis zum signifikanten Anstieg des Messsignals des Sauerstoffsensors zum Ermitteln der Funktionstüchtigkeit, insbesondere zum Feststellen, ob die Diffusionspfade in Ordnung sind, herangezogen werden. Bei einem ordnungsgemäß funktionierenden Abgassensor entspricht diese Zeit ungefähr einer vorbestimmten Zeit. Liegt jedoch ein Fehler des Abgassensors vor, wie beispielsweise ein teilweise verstopfter Diffusionspfad innerhalb des Abgassensors, würde die Zeit größer sein als die vorbestimmte Zeit, da der eingebrachte Sauerstoff zumindest teilweise daran gehindert ist, in die Messkammer zu diffundieren, weshalb der signifikante Messsignalanstieg erst später beobachtbar ist.The present invention is based on the idea of determining an error in an exhaust gas sensor designed to measure the concentration of nitrogen oxide and ammonia by specifically introducing oxygen into the exhaust gas sensor, which is significantly reflected in the measurement signal of the exhaust gas sensor. Knowing the rate of diffusion of oxygen within the exhaust gas sensor, the time between the introduction of oxygen into the exhaust gas sensor and the significant increase in the measurement signal of the oxygen sensor can be used to determine the functionality, in particular to determine whether the diffusion paths are OK. With a properly functioning exhaust gas sensor, this time corresponds approximately to a predetermined time. However, if there is a fault in the exhaust gas sensor, such as a partially blocked diffusion path within the exhaust gas sensor, the time would be greater than the predetermined time, since the oxygen introduced is at least partially prevented from diffusing into the measuring chamber, which is why the significant rise in the measurement signal takes place only later is observable.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines einen Hauptkörper aufweisenden und in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors offenbart, der eine im Hauptkörper angeordnete und mit dem Abgas verbundene Pumpkavität, in der eine Pumpelektrode angeordnet ist, und eine im Hauptkörper angeordnete und mit der Pumpkavität über einen Diffusionspfad verbundene Messkavität aufweist, in der eine Messelektrode angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß des ersten Aspekts umfasst dabei ein Einbringen von Sauerstoff in die Pumpkavität mittels der Pumpelektrode, ein Strömen bzw. Gelangen des in die Pumpkavität eingebrachten Sauerstoffs durch den zumindest einen Diffusionspfad zumindest teilweise in die Messkavität, ein Erzeugen eines Diagnosemesssignals mittels der Messelektrode, das eine Sauerstoffmenge in der Messkavität anzeigt, ein Erfassen einer Änderung im Diagnosemesssignal, die sich aufgrund des aus der Pumpkavität durch den zumindest einen Diffusionspfad in die Messkavität gelangenden Sauerstoffs ergibt, ein Ermitteln einer Zeitspanne zwischen dem Einbringen des Sauerstoffs in die Pumpkavität und der Änderung des Diagnosemesssignals und ein Feststellen, dass der Abgassensor fehlerhaft ist, wenn die ermittelte Zeitspanne bis zur erfassten Änderung des Diagnosemesswerts von einem vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als einen Zeitschwellenwert abweicht. Insbesondere zeigt das Diagnosemesssignal die Sauerstoffmenge an, die sich in unmittelbarer Näher der Messelektrode befindet.Accordingly, according to a first aspect of the present invention, a method for determining a fault of an exhaust gas sensor having a main body and arranged in an exhaust gas line of an internal combustion engine is disclosed, which has a pump cavity arranged in the main body and connected to the exhaust gas, in which a pump electrode is arranged, and a has arranged in the main body and connected to the pump cavity via a diffusion path, in which a measuring electrode is arranged. The method according to the invention in accordance with the first aspect comprises introducing oxygen into the pump cavity by means of the pump electrode, flowing or getting the oxygen introduced into the pump cavity through the at least one diffusion path at least partially into the measurement cavity, generating a diagnostic measurement signal by means of the measurement electrode, that indicates an amount of oxygen in the measuring cavity, detecting a change in the diagnostic measurement signal that results from the oxygen coming from the pump cavity through the at least one diffusion path into the measuring cavity, determining a period of time between the introduction of the oxygen into the pump cavity and the change in the Diagnostic measurement signal and a determination that the exhaust gas sensor is faulty if the determined period of time until the detected change in the diagnostic measurement value deviates from a predetermined time reference value by more than a time threshold value. In particular, the diagnostic measurement signal indicates the amount of oxygen that is in the immediate vicinity of the measurement electrode.
Insbesondere stellt der vorbestimmte Zeitreferenzwert eine erwartete Diffusionszeit dar, die der in die Pumpkavität eingebrachte Sauerstoff benötigt, bei einem fehlerfreien Abgassensor aus der Pumpkavität zumindest teilweise in die Messkavität zu gelangen. Somit stellt der vorbestimmte Zeitreferenzwert den erwarteten Zeitwert für einen fehlerfreien Abgassensor dar. Weicht die ermittelte Zeitspanne zwischen Einbringen des Sauerstoffs und der erfassten Änderung des Diagnosemesswerts von diesem vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als den Zeitschwellenwert ab, kann ein Fehler des Abgassensors festgestellt werden.In particular, the predetermined time reference value represents an expected diffusion time that the oxygen introduced into the pump cavity requires to at least partially get into the measurement cavity from the pump cavity in the case of an error-free exhaust gas sensor. The predetermined time reference value thus represents the expected time value for a fault-free exhaust gas sensor. If the determined time period between introduction of the oxygen and the detected change in the diagnostic measurement value deviates from this predetermined time reference value by more than the time threshold value, a fault in the exhaust gas sensor can be determined.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Einbringen von Sauerstoff in die Pumpkavität an der Pumpelektrode ein vorbestimmter Pumpstrom angelegt. Insbesondere sind die Vorzeichen des an der Pumpelektrode angelegten elektrischen Pumpstroms im normalen Messbetrieb und im Eigendiagnosebetrieb zum Feststellen des Fehlers des Abgassensors entgegengesetzt. Im normalen Messbetrieb des Abgassensors wird nämlich normalerweise der Sauerstoff aus dem Abgas in der Pumpkavität herausgepumpt, wohingegen im Eigendiagnosebetrieb des Abgassensors nunmehr definiert eine vorbestimmte Sauerstoffmenge in den Abgassensor, insbesondere in die Pumpkavität des Abgassensors, hereingepumpt wird.In a preferred embodiment of the method according to the invention, a predetermined pump current is applied to the pump electrode in order to introduce oxygen into the pump cavity. In particular, the signs of the electrical pump current applied to the pump electrode are opposite in normal measurement mode and in self-diagnosis mode to determine the fault of the exhaust gas sensor. In normal measurement operation of the exhaust gas sensor, the oxygen is normally pumped out of the exhaust gas in the pump cavity, whereas in the self-diagnostic operation of the exhaust gas sensor a predetermined amount of oxygen is now pumped into the exhaust gas sensor, in particular into the pump cavity of the exhaust gas sensor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Diagnosemesssignal eine Elektrodenspannung, die zwischen der Messelektrode und einer Referenzelektrode anliegt, die in einer im Hauptkörper angeordneten und mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Referenzkavität vorgesehen ist. Insbesondere beschreibt die Elektrodenspannung die sogenannte Nernstspannung, die sich aufgrund des Anlegens des elektrischen Messstroms an der Messelektrode ergibt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the diagnostic measurement signal is an electrode voltage which is present between the measurement electrode and a reference electrode, which is provided in a reference cavity which is arranged in the main body and is connected to the ambient air. In particular, the electrode voltage describes the so-called Nernst voltage, which results from the application of the electrical measuring current to the measuring electrode.
Vorzugsweise beträgt der vorbestimmte Zeitschwellenwert ungefähr 50%, vorzugsweise ungefähr 30%, noch bevorzugter ungefähr 15%. Das heißt, wenn die ermittelte Zeitspanne bis zur erfassten Änderung des Diagnosemesswerts von dem vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als 15 % abweicht, wird ein Fehler des Abgassensors festgestellt.Preferably, the predetermined time threshold is about 50%, preferably about 30%, more preferably about 15%. That is, if the determined period of time until the detected change in the diagnostic measured value deviates from the predetermined time reference value by more than 15%, an error in the exhaust gas sensor is determined.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt der Fehler des Abgassensors einen Fehler des zumindest einen Diffusionspfads an. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the error in the exhaust gas sensor indicates an error in the at least one diffusion path.
Insbesondere hängt die Diffusionszeit des Gasgemischs innerhalb des Hauptkörpers von den Beschaffenheiten des zumindest einen Diffusionspfads ab. Der Diffusionspfad bildet beispielsweise eine Diffusionsbarriere und kann mit einem porösen Füllmaterial gefüllt sein, um eine vorbestimmte Diffusionsrate innerhalb des Abgassensors bereitzustellen. Weicht die ermittelte Zeitspanne vom Zeitreferenzwert um mehr als den vorbestimmten Zeitschwellenwert ab, kann ein Fehler innerhalb des Diffusionspfads erkannt werden. In particular, the diffusion time of the gas mixture within the main body depends on the properties of the at least one diffusion path. The diffusion path forms a diffusion barrier, for example, and can be filled with a porous filler material in order to provide a predetermined diffusion rate within the exhaust gas sensor. If the determined time period deviates from the time reference value by more than the predetermined time threshold value, an error can be recognized within the diffusion path.
Beispielsweise kann ein zumindest teilweise verstopfter Diffusionspfad dann festgestellt werden, wenn die ermittelte Zeitspanne bis zur erfassten Änderung des Diagnosemesswerts den vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als den Zeitschwellenwert überschreitet. Ein beispielsweise durch Abgaspartikel verstopfter Diffusionspfad kann dazu führen, dass es dem Sauerstoff erschwert ist, aus der Pumpkavität in die Messkavität zu gelangen. Aus diesem Grund kann die Zeitspanne bis zum Feststellen der Änderung im Diagnosemesswert erhöht sein, was hier als Fehler des Diffusionspfads, insbesondere als verstopfter Diffusionspfad, erkannt werden kann.For example, an at least partially blocked diffusion path can be determined when the determined time period until the detected change in the diagnostic measured value exceeds the predetermined time reference value by more than the time threshold value. A diffusion path blocked by exhaust gas particles, for example, can make it difficult for oxygen to get from the pump cavity into the measurement cavity. For this reason, the time period until the change in the diagnostic measured value is ascertained, which can be recognized here as an error in the diffusion path, in particular as a blocked diffusion path.
In ähnlicher Weise kann ein zumindest teilweise freigelegter Diffusionspfad festgestellt werden, wenn die ermittelte Zeitspanne bis zur erfassten Änderung des Diagnosemesswerts den vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als den Zeitschwellenwert unterschreitet. Ein zumindest teilweise freigelegter Diffusionspfad kann beispielsweise ein herausgebrochener Teil des Hauptkörpers sein, der zu einer ungewollten Vergrößerung des Diffusionspfad führt. Das kann wiederum dazu führen, dass es dem Sauerstoff erleichtert ist, aus der Pumpkavität in die Messkavität zu gelangen, wodurch sich die Zeitspanne bis zur Änderung des Diagnosemesswerts verringert, da der Sauerstoff schneller aus der Pumpkavität in die Messkavität diffundieren kann. In diesem Fall wird also ein teilweise freigelegter Diffusionspfad erkannt, da die ermittelte Zeitspanne deutlich kleiner ist als der erwartete vorbestimmte Zeitreferenzwert.In a similar way, an at least partially exposed diffusion path can be determined if the determined time period until the detected change in the diagnostic measured value falls below the predetermined time reference value by more than the time threshold value. An at least partially exposed diffusion path can be, for example, a broken-out part of the main body, which leads to an undesired enlargement of the diffusion path. This, in turn, can make it easier for the oxygen to get from the pump cavity into the measurement cavity, which reduces the time until the diagnostic measurement value changes, since the oxygen can diffuse from the pump cavity into the measurement cavity more quickly. In this case, a partially exposed diffusion path is recognized, since the determined time period is significantly smaller than the expected predetermined time reference value.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors offenbart, das ein Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors gemäß dem ersten Aspekt und, wenn ein Fehler des Abgassensors ermittelt worden ist, ein Ansteuern der Elektroden gemäß einem Notbetrieb mit Strömen umfasst, die von den Strömen des fehlerfreien Messbetriebs des Abgassensors abweichen . Alternativ oder zusätzlich kann bei einem Abgassensor mit zwei Messpfaden der Abgassensor im Notbetrieb dadurch betrieben werden, dass der als fehlerfrei diagnostizierte Messpfad als Betriebspfad genutzt wird und der fehlerbehaftete Messpfad unbetrieben ist. In einem solchen Notbetrieb ist das Messsignal des Abgassensors zumindest teilweise fehlerbehaftet (das Stickoxidsignal umfasst auch den Ammoniakanteil), jedoch kann der Abgassensor noch bis zur nächsten Wartung betrieben werden, ohne dass das Fahrzeug liegen bleibt.According to a further aspect of the present invention, a method for operating an exhaust gas sensor arranged in an exhaust gas line of an internal combustion engine is disclosed, which method comprises determining an error in the exhaust gas sensor in accordance with the first aspect and, if an error in the exhaust gas sensor has been determined, actuating the electrodes in accordance with Emergency operation includes currents that differ from the currents of the fault-free measuring operation of the exhaust gas sensor. Alternatively or additionally, in the case of an exhaust gas sensor with two measuring paths, the exhaust gas sensor can be operated in emergency mode by using the measuring path diagnosed as error-free as the operating path and the faulty measuring path being inoperative. In such an emergency mode, the measurement signal of the exhaust gas sensor is at least partially faulty (the nitrogen oxide signal also includes the ammonia portion), but the exhaust gas sensor can still be operated until the next maintenance without the vehicle being left behind.
Weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
-
1 eine schematische Schnittansicht durch einen Abgassensor gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform zeigt, -
2 eine schematische Schnittansicht durch einen Abgassensor gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform zeigt, und -
3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors der1 oder2 zeigt.
-
1 2 shows a schematic sectional view through an exhaust gas sensor according to an exemplary first embodiment, -
2nd 2 shows a schematic sectional view through an exhaust gas sensor according to an exemplary second embodiment, and -
3rd an exemplary flow chart of a method according to the invention for determining an error of the exhaust gas sensor of the1 or2nd shows.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction or function are provided with the same reference symbols in all figures.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „Steuern“ die regelungstechnischen Begriffe „Steuern“ und „Regeln“. Der Fachmann wird jeweils erkennen, wann ein regelungstechnisches Steuern und wann ein regelungstechnisches Regeln anzuwenden ist.In the context of the present disclosure, the term “taxes” includes the technical terms “taxes” and “rules”. The person skilled in the art will recognize in each case when control engineering control and when control engineering control is to be used.
Unter Verweis auf die
Der Abgassensor
Innerhalb des Hauptkörpers
Die erste Messkavität
Der erste Diffusionspfad
In einer alternativen Ausgestaltung des Abgassensors
Der zweite Messpfad
Die zweite Messkavität
Der dritte Diffusionspfad
In einer alternativen Ausgestaltung des Abgassensors
Im Hauptkörper
An einer Außenseite des Hauptkörpers
Innerhalb der ersten Pumpkavität
Mit
Innerhalb der ersten Messkavität
Der an der ersten Pumpelektrode
Innerhalb der zweiten Pumpkavität
Innerhalb der zweiten Messkavität
Der an der zweiten Pumpelektrode
Die unterschiedlichen Diffusionsfähigkeiten von Ammoniak (NH3) und Stickoxid (NO) resultieren aus den auf den molaren Massen basierenden Diffusionskoeffizienten von Ammoniak und Stickstoff. Da Ammoniak-Moleküle leichter sind als Stickoxid-Moleküle, kann Ammoniak besser durch den Hauptköpper
Der erfindungsgemäße Abgassensor
In weiteren alternativen Ausgestaltungen des Abgassensors
Innerhalb des Hauptkörpers
Die
Unter Verweis auf die
Das Verfahren der
In einem darauffolgenden Schritt
In einem darauffolgenden Schritt
Nach dem Erfassen der Änderung im Diagnosemesssignal wird eine Zeitspanne zwischen dem Einbringen des Sauerstoffs in die Pumpkavität
In einem weiteren Schritt
Wird jedoch am Schritt
Ein Abweichen der ermittelten Zeitspanne von dem vorbestimmten Zeitreferenzwert um mehr als den Zeitschwellenwert ist nämlich ein Indiz dafür, dass der in die Pumpkavität
Das vorgenannte Eigendiagnose-Verfahren kann beispielsweise in periodischen Abständen, wie beispielsweise alle 100 Betriebsstunden der Brennkraftmaschine, und/oder in vorbestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie z. B. während einer Schubabschaltungsphase, durchgeführt werden.The aforementioned self-diagnosis method can, for example, at periodic intervals, such as every 100 operating hours of the internal combustion engine, and / or in predetermined operating states of the internal combustion engine, such as. B. during a fuel cut-off phase.
Bevorzugt kann es außerdem sein, dass beim Schritt
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