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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art ist bei
Lambda-Sonden bekannt (DE 43 20 881 A1). Das Ausgangssignal einer linearen
Lambda-Sonde, die in unmittelbarer räumlicher Nähe, insbesondere auf dem selben
Substrat wie die Referenz-Lambda-Sonde angeordnet ist, wird mit Hilfe einer Referenz-
Lambda-Sonde bei Lambda = 1,0 ermittelt und mit einem dem stöchiometrisch exakten
Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeordneten Sollwert verglichen. Die lineare
Sensorcharakteristik wird um den festgestellten Offset verschoben.
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Es ist auch ein Verfahren zur Kalibrierung einer in einem Regelkreis einer
Brennkraftmaschine für ein Kraftstoff-Luft-Gemisch vor oder hinter einem Katalysator
angeordneten Lambda-Sonde bekannt, die Signale in Abhängigkeit von der
Zusammensetzung des aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch entstandenen Abgases abgibt.
Der Katalysator wird bei inaktivem Regelkreis mit Abgasen von einem überfetteten
Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt. Während dieser Zeit werden die Signale der Lambda-
Sonde gemessen und zu einem Korrekturwert weiterverarbeitet, der den
Sondensignalen im Betrieb des Regelkreises wiederum zugeführt wird (DE 195 45 706
C2).
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Eine Korrektur der linearen Sensorcharakteristik ist auch bei der bei Otto-Motoren
üblichen Führungsregelung mit Hilfe einer zweiten Lambda-Sonde hinter dem
Katalysator möglich. Allerdings haben auf die Führungsregelung mehrere Größen
Einfluss. Neben der ersten Lambda-Sonde können auch zum Beispiel
Kraftstoffeigenschaften, Lecks in der Abgasanlage, Katalysatoreigenschaften,
Wasserstoffbildung im Katalysator und Fehler oder Toleranzen der zweiten Lambda-
Sonde zu einer Lambda-Korrektur durch die Führungsregelung führen. Eine eindeutige
Zuweisung des Korrekturwerts zu der ersten Lambda-Sonde ist hier nicht möglich.
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Infolge dessen ist auch eine Korrektur des Lambda-Sonden-Signals problematisch.
Damit ist eine genaue Bestimmung des Lambdas an der ersten Lambda-Sonde nicht
möglich. Aufgrund dessen müssen alle Funktionen, deren Qualität von einem genauen
Lambda abhängt, wie zum Beispiel Katalysator-Diagnose, Abgasrückführung,
Kraftstoffversorgungssystem, Sekundär-Luft oder Tankentlüftung, weiterhin mit einem
unkorrigierten Lambda auskommen. Die Führungsregelung enthält einen Integralanteil,
der die mittlere Lambda-Abweichung hinter dem Katalysator gut kompensieren kann.
Problematisch sind jedoch die langen Einschwingzeiten dieser Regelung, die bis zu
einer Stunde Betriebsdauer erfordern können. Ferner ist eine Diagnose der ersten
Lambda-Sonde aufgrund des Korrekturwertes der Führungsregelung nur ungenau.
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Schließlich ist eine Vorrichtung zum Kompensieren der Temperaturdrift einer, bezogen
auf ihr Ausgangssignal zumindest teilweise eine lineare Charakteristik aufweisende
Lambda-Sonde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas einer
Brennkraftmaschine bekannt. Die Lambda-Sonde weist eine Heizeinrichtung und einen
Temperatursensor auf. Das von der Lambda-Sonde ausgegebene Signal wird einer
Regeleinrichtung zugeführt, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch für die Verbrennungs-
Kraftmaschine so einstellt, dass im jeweiligen Betriebszustand eine optimale
Verbrennung stattfindet. In einem Speicher ist ein Kennfeld abgelegt, in dem abhängig
von der Arbeitstemperatur der Lambda-Sonde zugehörige Werte für das
Ausgangssignal bei einem bestimmten Lambdawert abgelegt sind. Jeweils einem
Sollwert für die Arbeitstemperatur ist ein vorgegebener Ausgangssignal-Sollwert
zugeordnet. Die temperaturabhängige Signalverschiebung vom Sollwert bei der
aktuellen Arbeitstemperatur wird mittels des Kennfelds bestimmt und die
Heizeinrichtung so eingestellt, dass der Arbeitstemperatursollwert erreicht wird (DE 196
29 552 C1).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
schnellen, möglichst präzisen Kompensation des Offsets der linearen
Sensorcharakteristik eines im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten
Breitband-Sensors anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der dem Oberbegriff des Patentanspruch 1
beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Signal der
Referenzsonde auf das Einschwingen in ein Toleranzfeld im Bereich des Sollwerts des
Referenzsensors überwacht wird und dass nach dem Einschwingen des Signals des
Referenzsensors in das Toleranzfeld ein Zeitfenster angestoßen wird und das vom
Breitband-Sensor erzeugte Signal gemessen und nur dann für die Bestimmung eines
Kompensationswerts für den Offset freigegeben wird, wenn das Signal des
Referenzsensors für ein vorgegebnes Zeitintervall, vorzugsweise für wenigstens ca.
eine Sekunde oder länger, innerhalb des Toleranzfelds verlaufen ist. Es hat sich
gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Offset der linearen
Sensorcharakteristik vom Sollwert beim Lambdawert = 1 mit hoher Genauigkeit
gemessen werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Freigabebedingung wird
vermieden, dass Signalanteile mit steilen zeitlichen Übergängen in die Messwerte des
Sensors einbezogen werden und damit die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
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Die während des Verlaufs des Signals des Referenzsensors von vorzugsweise
wenigstens einer Sekunde Dauer innerhalb des Toleranzfelds gemessene Werte des
Signals des Breitband-Sensors werden vom Sollwert subtrahiert und der linearen
Sensorkennlinie vorzeichenrichtig überlagert.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird der Kompensationswert für den Offset
aus der Differenz zwischen dem Sollwert und einem der Abweichung des Signals des
Breitband-Sensors bei einem Lambdawert = 1 entsprechenden auf die
Freigabebedingungen bezogenen Offsetwert bestimmt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere folgende Vorteile
erreichen:
Präzisere Lambda-Regelung durch die Kompensation von Lambda-Sondenfehlern,
Emissionsverbesserungen, da den Anforderungen des Katalysators durch die präzisere
Lambda-Regelung besser entsprochen werden kann,
Senkung von Bauteilkosten für lineare Lambda-Sonden, da aufgrund der
Fehlerkompensation gröber tolerierte Lambda-Sonden verwendet werden können,
Steigerung der effektiven Lebensdauer von linearen Lambda-Sonden, da
alterungsbedingte Kennlinienänderungen kompensiert werden können,
einfachere On-Board-Diagnose.
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Bevorzugt weist das Toleranzfeld einen oberen und einem unteren Grenzwert
beiderseits des Lambdawerts 1 auf.
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Vorzugsweise ist die Differenz zwischen dem oberen Grenzwert und dem Sollwert
+0,04 Volt und die Differenz zwischen dem unteren Grenzwert und dem Sollwert -0,04
Volt.
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Es ist günstig, wenn für die Kompensation des Offsets aus den über längere Zeit
gemessenen freigegebenen Messwerten des Breitband-Sensors ein gleitender
arithmetischer Mittelwert gebildet wird, mit dem der Offsetwert für die Kompensation der
linearen Sensorcharakteristik bestimmt wird. Mit dieser Ausführungsform können
Einflüsse, die sich ungünstig bei einem einzelnen Messergebnis auswirken würden,
ausgeglichen werden.
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Bei einer anderen günstigen Ausführungsform werden zahlreiche unter
Freigabebedingungen gemessenen Werte sowohl der Signale des Breitband-Sensors
als auch des Referenzsensors in Abhängigkeit von der Anzahl der Messwerte
aneinander gereiht und durch eine Regressionsfunktion zur Bestimmung des Sollwerts
bei dem Lambdawert = 1 verarbeitet werden. Mit dieser Ausführungsform lässt sich der
Sollwert für den Lambdawert = 1 mit hoher Genauigkeit bestimmen.
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Bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 beschriebenen Art wird
das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Breitband-Sensor 2 mit linearer
Sensorcharakteristik und der Referenzsensor 3 mit sprungförmiger Sensorcharakteristik
jeweils an einen Analog-Digital-Umsetzer 6, 7 wenigstens eines Prozessors 8
angeschlossen sind, dass der Prozessor 8 ein Programm aufweist, mit dem das Signal
des Referenzsensors 3 auf das Einschwingen in den Bereich einer Toleranzzone eines
dem Lambdawert = 1 zugeordneten Sollwerts des Referenzsensors 3 überwacht wird
und dass mit dem Programm nach dem Einschwingen des Signals des Referenzsensors
3 in die Toleranzzone das von dem Breitband-Sensor abgegebene Signal erfasst und
ein Zeitfenster angestoßen wird und der gemessene Wert des Signals des Breitband-
Sensors 2 nur dann für Bestimmung eines Kompensationswerts freigegeben wird, wenn
das Signal des Referenzsensors 3 für ein vorgegebenes Zeitintervall, vorzugsweise
wenigstens für wenigstens eine Sekunde oder länger innerhalb der Toleranzzone
verlaufen ist.
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Insbesondere ist der Breitband-Sensor eine Lambda-Sonde, die wenigstens eine
Sauerstoff-Pumpzelle und eine Messzelle für Sauerstoff aufweist, wobei das Signal der
Sauerstoff-Pumpzelle die sprungförmige Sensorcharakteristik aufweist.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist der Breitband-Sensor mit linearer
Sensorcharakteristik Teil eines NOx-Sensors, der wenigstens eine Sauerstoff-
Pumpzelle, eine erste Sauerstoff-Messzelle und eine zweite Sauerstoff-Messzelle
aufweist, wobei = das Signal der Sauerstoff-Pumpzelle die sprungförmige
Sensorcharakteristik aufweist. Ein derartiger NOx-Sensor ist an sich in der EP 0936349 A2
beschrieben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Merkmale, Einzelheiten
und Vorteile ergeben.
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung mit einer Sonde mit einem
Breitband-Sensor und einer Referenz-Sonde mit sprungförmiger
Sensorcharakteristik und mit einer Steuer- und Auswerteschaltung für die Sonde,
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Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Signalen des Breitband-
Sensors und der Referenz-Sonde im Bereich des Übergangs des Kraftstoff-Luft-
Gemischs von einer mageren Zusammensetzung über eine stöchiometrisch
exakte zu einer kraftstoffreichen Zusammensetzung,
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Fig. 3 die Amplituden der unter Freigabebedingungen festgestellten Signale
des Breitband-Sensors und des Referenzsensors,
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Fig. 4 ein Ablaufdiagramm für die Erfassung der Messwerte zur Offset-
Kompensation,
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Fig. 5 ein Blockdiagramm für die Offset-Ermittlung und -korrektur,
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Fig. 6 die Amplituden der unter Freigabebedingungen gemessenen Signale der
Referenz-Sonde in Abhängigkeit vom Lambdawert.
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Eine Sonde 1 zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgas einer nicht
dargestellten Verbrennungskraftmaschine ist im Abgaskanal einer mobilen
Vorrichtung, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Sonde 1 besteht
aus einem Breitband-Sensor 2 mit linearer Sensorcharakteristik. Unter "linear" ist
hierbei ein linienförmiger stetiger Kurvenverlauf zu verstehen. Der Breitband-
Sensor 2 weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt und katalytisch
aktive, poröse Messelektroden für Sauerstoff auf. Eine der Messelektroden ist im
Abgaskanal angeordnet, die andere der Umgebungsluft ausgesetzt. Weiterhin
enthält die Sonde 1 einen Referenzsensor 3 mit sprungförmiger
Sensorcharakteristik. Der Sprung in der Sensorcharakteristik des Sensors 3 tritt
dann auf, wenn sich das der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Kraftstoff-
Luft-Gemisch von der mageren Zusammensetzung über die stöchiometrisch
exakte zur Kraftstoffreichen bzw. fetten Zusammensetzung oder in umgekehrter
Richtung ändert. Der Referenzsensor 3 weist ebenfalls einen
sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt und für Sauerstoff katalytisch aktive,
poröse Messelektroden auf, von denen eine dem Abgas und die andere der
Umgebungsluft ausgesetzt ist. Während der Breitband-Sensor 2 eine Nernst-
Zelle ist, ist der Referenzsensor 3 eine Sauerstoff-Pump-Zelle. Die Sonde 1 ist
mit den Sensoren 2, 3 über nicht näher bezeichnete Stecker an eine
Steuerschaltung 4 in Form einer integrierten Schaltung angeschlossen. Die
Steuerschaltung 4 wird von einem Spannungsregler 5 mit gleichbleibender
Spannung versorgt und erzeugt die Ströme für den Sensor 2 und den
Referenzsensor 3. Weiterhin kann die Steuerschaltung 4 die von den Sensoren 2
und dem Referenzsensor 3 abgegebenen Spannungen jeweils zu analog-digital-
Umsetzern 6 und 7 eines Prozessors 8 weiterleiten. Alternativ hierzu ist auch ein
direkter Abgriff der Spannungen an den Sonden möglich. Der Prozessor steuert
einen elektrischen Leistungssteller 9, der einen Heizwiderstand 10 im Sensor 1
speist. Sonden mit Breitband-Sensoren 2 der vorstehend beschriebenen Art
werden im Abgastrakt in Otto-Motoren vor oder hinter dem Katalysator
angeordnet, um das Luft-Kraftstoffverhältnis Lambda anhand des
Restsauerstoffgehalts im Abgas zu messen. Ihr Signal wird zur Gemischregelung
bzw. Lambda-Regelung herangezogen. Aufgabe der Lambda-Regelung ist es,
den Lambdawert (λ) möglichst genau auf einen Sollwert zu regeln, um
möglichst gute Schadstoff-Konvertierungseigenschaften des Katalysators zu
erzielen.
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Sonden 2 zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts werden im Folgenden auch als
Lambda-Sonden bezeichnet. Lambda-Sonden werden seit mehreren Jahren in
der Serienproduktion verbaut. Stand der Technik sind binäre oder sogenannte 2-
Punkt Lambda-Sonden, die eine stark nichtlineare Kennlinie mit einem sehr
steilen Übergang bei Lambdawert = 1 aufweisen. Sie sind nur in der Lage zwei
Zustände anzuzeigen: Fetter als der Lambdawert = 1 oder magerer als der
Lambdawert = 1. Seit einiger Zeit ist eine neue Generation von Lambda-Sonden
die sogenannte lineare Lambda-Sonde, kommerziell eingeführt. Dieser
Sondentyp weist eine stetige gekrümmte Kennlinie auf, so dass die Möglichkeit
besteht, das Lambda von ca. 0,7 bis 5 zu messen.
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Die herkömmliche Art der Lambda-Regelung mit einer 2-Punkt-Lambda-Sonde
erlaubt nur eine Regelung auf einen eng begrenzten Lambdawert 0,97-1,03.
Dabei springt der Lambdawert aufgrund der 2-Punkt-Charakteristik ständig um
den Sollwert mit einer Amplitude von ca. +/- 1-3% herum. Dagegen könnte
eine auf der linearen Lambda-Sonde aufbauende lineare Lambda-Regelung als
kontinuierliche Regelung ausgeführt werden, deren Sollwert im gesamten
Messebereich der linearen Lambda-Sonde liegen kann. Ihre Vorteile gegenüber
der 2-Punkt-Lambda-Regelung, wären ein schnelleres und genaueres
Einregelung des Lambda, sowie ein Betrieb außerhalb des Lambdawerts 1, der
zum Beispiel bei Kaltstart in der Volllast oder für Mager- oder
Schichtlademotoren bei Lambda < 1 sinnvoll sein kann.
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Wie jeder Sensor weisen auch lineare Lambda-Sonden ein Fehlerband auf, das
auf Fertigungstoleranzen oder Alterungs- oder Vergiftungseinflüsse
zurückgeführt werden kann. Beim Lambdawert = 1 ist das Ausgangssignal von
zum Beispiel 2,5 Volt vergleichsweise eng toleriert. Mit zunehmender Entfernung
vom Lambdawert = 1 sowohl zum fetten als auch zum mageren Gemisch weitet
sich das Toleranzband auf. Besonders große Lambda-Fehler treten im Mageren
bei Werten von Lambda < 3 aufgrund der dort sehr flachen Kennlinie der linearen
Lambda-Sonde auf. Diese Fehler sind auf Fehler oder Toleranzen der
Kennliniensteigung zurückzuführen. Ferner haben Kraftstoffeigenschaften und
die Gaszusammensetzung Einfluß auf die Lambda-Sonden-Kennlinie.
Beispielsweise verursacht ein hoher Wasserstoffanteil eine
Kennlinienverschiebung zum Fetten hin.
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In Ausnahmefällen kann es auch zu einer Kennlinienverschiebung oder einem
Kennlinien-Offset kommen, deren Fehler unabhängig von Lambda ist, also auch
beim Lambdawert = 1 große Fehler zur Folge haben kann.
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Die Kennlinienfehler führen dazu, dass die Lambda-Regelung ein falsches
Lambda einregelt. Die Folge davon können Beeinträchtigungen der
Verbrennungsqualität, höhere Rohemissionen und insbesondere deutlich höhere
Schadstoffemissionen nach dem Katalysator sein.
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Im Gegensatz zum linearen Lambda-Signal ändert sich die Kennlinie des
Lambda-Sprungsignals im entscheidenden Bereich um den Lambdawert = 1 nur
sehr wenig. Eine Kennlinienverschiebung im steilen Bereich der Kennlinie führt
somit nur zu sehr kleinen Fehlern im Lambdawert.
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Diese Eigenschaft wird erfindungsgemäß genutzt, um den Offsetfehler des
Signals des Breitband-Sensors 2 beim Lambdawert 1 zu ermitteln: Immer dann,
wenn anhand des Lambda-Sprungsignals des Sensors 3 erkannt wird, dass im
Abgas der Lambdawert genau beim Wert 1 liegt, kann der Offset des linearen
Lambda-Signals ermittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass vor allem solche
Signalanteile des linearen Lambda-Signals geeignet sind, bei denen:
- - sich das Lambda-Sprungsignal für eine Mindestdauer von einigen Sekunden
- - in einem engen Bereich ca. +/- 0,02 Volt um den Lambdawert = 1 findet.
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Bei Stickoxyd-(NOx)-Sensoren, deren einer Teil einer linearen Lambda-Sonde
sehr ähnlich ist, steht neben dem Stickoxyd-Signal und dem linearen Lambda-
Signal gleichzeitig auch ein Lambda-Sprungsignal zur Verfügung. Aus der
EP 0892265 A1 ist in diesem Zusammenhang bereits ein Gas-Sensor für die
Messung von Gas-Oxyden bekannt, bei dem Abgas zur Messung in ein Doppel-
Diffusionskammersystem geführt wird. Die Diffusionskammern weisen für die
Messung Nernst-Zellen auf. Während in der ersten Diffusionskammer
Sauerstoffmoleküle dem Gasgemisch entzogen werden, wird in der zweiten
Diffusionskammer das zu messende Gas-Oxyd, beispielsweise Stickoxyd, in
Stickstoff und Sauerstoff zerlegt. Eine an die erste Kammer angelegte
Pumpzellenspannung wird auf einen konstanten Wert geregelt, der einer
konstanten Sauerstoffkonzentration in dieser Kammer entspricht. Die
Arbeitsweise dieses Sensors ermöglicht ebenso wie die des in der EP 0936 349
A2 beschriebenen NOx-Sensors dem Lambdawert des Abgases zugeordnete
Lambdasignale zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß kann bei NOx-Sensoren der Offset des linearen Lambda-
Signals bzw. linearen O2-Signals ermittelt und korrigiert werden. Dazu wird das
Lambda-Sprungsignal, das dem Signal einer herkömmlichen 2-Punkt-Lambda-
Sonde entspricht, zu Hilfe genommen. Der hardwaretechnische Aufwand
gegenüber der herkömmlichen Lambda-Regelung im Motorsteuergerät besteht
insbesondere darin, einen Analog-Digital-Wandlereingang bereitzustellen und
diesen mit dem Sondensignal zu beaufschlagen.
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In Fig. 2 sind die Amplituden der Signale des Breitband-Sensors 2 mit linearer
Charakteristik in Abhängigkeit von der Zeit t bei einem Wechsel des Kraftstoff-
Luft-Gemischs vom mageren Verhältnis über das stöchiometrisch exakte zum
fetten Verhältnis und umgekehrt dargestellt und mit 11 bezeichnet.
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Die Amplituden des Signals des Referenzsensors 3 sind in Abhängigkeit von der
Zeit t bei der vorstehend angegebenen Änderung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in
Fig. 2 ebenfalls dargestellt und mit 12 bezeichnet. Die Änderung des Kraftstoff-
Luft-Gemischs mit einem Lambdawert < 1 über das stöchiometrisch exakte
Verhältnis zu einem Verhältnis mit einem Lambdawert > 1 setzt zum Zeitpunkt t1
ein. Der einem Lambdawert = 1 entsprechende Sollwert der Amplitude des
Signals der Referenzsonde 3 ist in Fig. 2 mit U2S bezeichnet.
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Nach dem Zeitpunkt t1 treten sowohl im Verlauf des Signals 11 als auch des
Referenzsignals 12 Bereiche auf, die sich aus dem Fahrzyklus ergeben, und in
denen die Amplituden des Referenzsignals 12 nahe dem den Lambdawert = 1
entsprechenden Sollwert U2S liegen. Das Referenzsignal 12 wird insbesondere
bei Erreichen des oben erwähnten unteren Grenzwerts, der in Fig. 2 mit U2U
bezeichnet ist, überwacht. Erreicht die Amplitude des Referenzsignals 12 den
Wert U2U, wird ein Zeitfenster angestoßen, das beendet wird, wenn die
Amplitude einen oberen Grenzwert U2O erreicht. Die Werte U2O und U2U
weichen vorzugsweise um eine Betrag von +/- 0,04 Volt von dem Wert U2S ab.
Während des Zeitfensters wird das Signal 11 gemessen. Die Dauer des
Zeitfensters wird mit einem vorab eingestellten Grenzwert verglichen, der ca.
eine Sekunde oder mehr beträgt. Zu einem Zeitpunkt t2 überschreitet
beispielsweise das Referenzsignal 12 den Grenzwert U2U. Es wird das
Zeitfenster angestoßen, das zum Zeitpunkt t3, an dem vom Referenzsignal 12
U2O überschritten wird, beendet wird. Da die Dauer des Zeitfensters in diesem
Fall beachtlich kleiner als eine Sekunde ist, wird der Messwert des Signals 11
nicht weiter verarbeitet. Zum Zeitpunkt t4 übersteigt die Amplitude des
Schwingungen aufweisenden Referenzsignal 12 wiederum den Grenzwert U2U,
wodurch das Zeitfenster erneut angestoßen wird. Zu einem Zeitpunkt t5
übersteigt die Amplitude des Referenzsignals 12 den oberen Grenzwert U2O,
wodurch das Zeitfenster beendet wird. Da die Dauer des Zeitfensters in diesem
Fall größer als eine Sekunde ist, wird der Messwert des Signals 11 für die
Kompensation des Offsets weiter verarbeitet. Durch diese Freigabebedingungen
wird insbesondere vermieden, dass Signalanteile mit steilen zeitlichen
Übergängen in die nachfolgende Auswertung mit einbezogen werden, womit
eine höhere Genauigkeit des ermittelten Lambdawertes erreicht werden kann.
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Die unter Freigabebedingungen gemessenen Werte des Signals 11 werden wie
in Fig. 3 dargestellt ist, fortlaufend in Bezug auf ihre Amplituden und die
Zeitdauern gespeichert und in Form einer lückenlosen Reihe weiterverarbeitet.
Diese in Fig. 3 dargestellten, in Abhängigkeit von Freigabebedingungen
gewonnenen Signale werden im folgenden mit λlinF und U2PF beziehungsweise
mit den Bezugszeichen 22 und 23 bezeichnet. Das lineare Lambdasignal λlin
weist einen negativen Offset auf. Es befindet sich nicht bei einem Spannungwert,
der Lambda = 1,0 entspricht, sondern die Signalspannung entspricht einem
Lambda zwischen 0,97 und 0,98. Ferner ist anhand der gefilterten Signale zu
erkennen, dass auch in diesem eingeengten Lambdabereich eine gegenseitige
Abhängigkeit der beiden Signale U2PF und λlinF erhalten bleibt. D. h. wird das
lineare Lambda λlinF fetter, wird auch das 2-Punkt-Lambdasignal U2PF fetter und
umgekehrt.
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Die Signale 21 und 22 können zusätzlich einer Tiefpassfilterung unterzogen
werden.
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Eine genauere Bestimmung des Offsetwertes λlinO kann aus den Signalverläufen
U2PF und λlinF innerhalb der freigegeben Zeitabschnitte durch folgende
Massnahmen erfolgen:
Wahl sehr enger Freigabebedingungen, d. h. lange Zeit- und enge
Spannungsfenster für das 2-Punkt-Lambdasignal U2P.
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Mittelung des linearen Lambdasignals λlinF über einen längeren Zeitbereich, ggf.
über mehrere solcher Zeitabschnitte, in denen die Freigabebedingungen erfüllt
sind. In diesem Fall ist
λlinOM = Mittelwert (λlinF).
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Verwendung einer linearen Regressionsrechnung, die den Zusammenhang
zwischen den beiden Lambdasignalen U2PF und λlinF mit Hilfe einer
Geradengleichung beschreibt,
λlinF = a0 + a1.U2PF
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Die Koeffizienten a0 und a1 werden mittels Regressionsrechung aus U2PF und
λlinF ermittelt. Der Offsetwert von Lambda wird dann berechnet nach folgender
Gleichung:
λlinOR = a0 + a1.U2Pλ 1 mit U2Pλ 1 = U2P(λ = 1)
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U2Pλ 1 ist dabei die Spannung des 2-Punkt-Lambdasignals U2P bei λ = 1. Diese
Vorgehensweise ist rechentechnisch umfangreicher, hat jedoch die Vorteile,
dass der Offsetwert λlinOR genauer bestimmt werden kann und dass gröbere
Freigabebedingungen als bei der Mittelwertbildung gewählt werden können.
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Dadurch liegt im praxisüblichen Fahrbetrieb schneller ein Ergebnis vor, da die
gröberen Freigabebedingungen häufiger angetroffen werden.
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Ferner können andere Rechenmethoden, insbesondere Modellbildungsverfahren
eingesetzt werden, die den oben geschilderten Zusammenhang zwischen den
Lambdasignalen berücksichtigen. Hier liegen insbesondere gute Erfahrungen bei
der Verwendung von an sich bekannten Neuronalen Netze vor. Neuronale
Netzen können als Black Box betrachtet werden, die nach einer Trainingsphase
ein Systemverhalten "nachahmen" kann. Im Rahmen der Trainingsphase werden
Beispieldaten für die Eingangssignale und die gewünschten Ausgangssignale
vorgegeben. Die Eigenschaften des Neuronalen Netzes werden iterativ so lange
angepasst, bis seine Ausgangssignale den gewünschten Ausgangssignalen
ausreichend gut entsprechen. Vorteile erscheinen insbesondere gegeben für
eine Online-Berechnung im Motorsteuergerät, da gegenüber der
Regressionsrechnung deutlich geringere Rechenzeiten zu erwarten sind.
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Ein Neuronales Netz könnte beispielsweise dazu genutzt werden, aus den
Signalen U2PF und λlinF der Fig. 3 einen Offsetwert λlinONN zu berechnen. Für
Konfiguration und Training des Netzes würden dann die beiden Eingangssignale
U2PF und λlinF sowie der gewünschte Verlauf des Offsetwertes λlinONN_soll
herangezogen werden. λlinONN_soll könnte z. B. offline mit einem der anderen oben
erläuterten Verfahren berechnet werden.
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Die Verfahrensschritte zur Ermittlung der für die Weiterverarbeitung geeigneten
Messwerte des Signals 11 sind in Fig. 4 in einem Ablaufdiagramm dargestellt.
Nach einem Startschritt 13 wird in Schritt 16 geprüft, ob das Signal 12 für die
voreingestellte Zeit von ca. 1 Sekunde oder mehr ununterbrochen im Bereich
zwischen U2U und U2O ist. Ist dies der Fall, wird der Messwert des Signals 11
im Schritt 14 für die Offsetermittlung weiterverarbeitet, worauf sich das
Verfahrensende 15 anschließt. Ist die Freigabebedingung nicht erfüllt, wird
wiederum auf den Schritt 16 zurückgegangen.
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Ist der Offsetfehler λlinO der Sonde ermittelt, kann er im folgenden zur Korrektur
des linearen Lambdasignals gemäß der folgenden Gleichung
λlinK = λlin - λlinO
herangezogen werden.
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In Fig. 5 ist in einem Blockschaltbild die Kompensation des Offsets der linearen
Sensorcharakteristik dargestellt. Die Sonde 1 enthält, wie oben erwähnt, zwei
Sensoren, von denen eine eine lineare Charakteristik aufweist und zum Beispiel
das Signal 11 (Fig. 2) erzeugt, das in Fig. 5 als lineares Lamabda-Signal
bezeichnet ist. Der zweite Sensor ist ein binärer Sensor und erzeugt zum
Beispiel das Referenzsignal 12 (Fig. 2), das in Fig. 5 als 2 Punkt-Lambda
bezeichnet ist. Das Referenzsignal 12 (Fig. 2) wird in einer Vorrichtung 17 der
in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten Freigabeprüfung unterworfen, deren
Komponenten in Fig. 5 mit 18 bezeichnet sind. Erlaubt die Prüfung die Freigabe
des Signals 11, dann wird in einer Vorrichtung 19, der das Signal 11 zugeführt
wird und die den Sollwert der binären Sensor-Charakteristik beim Lambdawert =
1 enthält, der Offset gebildet und in einer Vorrichtung 20 den Signalen des
Breitband-Sensors mit linearer oder nahezu linearer Sensor-Charakteristik
vorzeichenrichtig überlagert, wodurch der Offset der linearen
Sensorcharakteristik kompensiert wird.
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In Fig. 6 sind die tiefpass gefilterten Werte 25 des Referenzsignals U2PF in
Abhängigkeit von den Signalen λlinF dargestellt. Es ergibt sich eine
Regressionsgerade 26, aus der sich ein korrigierter Sollwert des Signals U2P für
das Referenzsignal 12 ergibt, dem das oben angegebene Toleranzfeld
zugeordnet wird. Ein Vergleich des mit dem Regressionsrechnungsverfahren
erhaltenen Wertes 28 für den Offset des linearen Lambdasignals mit dem durch
Mittellung erhaltenen Wert 27 ergibt nur geringe Abweichungen zwischen den
jeweiligen Ergebnissen. Der durch Mittelung berechnete Offset des linearen
Lambdasignals λlinOM betrug 0,9759. Die Regressionsrechnung lieferte die
eingetragene Regressionsgerade. Für den Sollwert für Lambda = 1 von U2P = 2,3
V ergab sich ein Wert für den Offset des linearen Lambdasignals λlinOR von
0,9744.
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Außer zur Korrektur des linearen Lambdasignals kann der Offset λlinO auch zu
einer einfachen Onboard-Diagnose herangezogen werden. Dazu wird geprüft, ob
der Offset λlinO, gegebenenfalls in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine, einen maximal zulässigen Wert überschreitet. Ist dies der
Fall wird ein Lambdasondenfehler gemeldet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Offsetfehlern der
linearen Sensorcharakteristik eines Breitband-Sensors für Lambdawerte oder
eines Stickoxyd-Sensors unter Ausnutzung des Lambda-Sprungsignals ist von
Vorteil für eine präzise Regelung der Lambdawerte, für eine Verminderung der
Schadstoffemissionen, da den Anforderungen eines Katalysators durch die
genauere Lambda-Regelung besser entsprochen werden kann, und für einen
wirtschaftlicheren Einsatz von linearen Sensoren für Lambdawerte, da aufgrund
der Kompensation des Offsets gröber tolerierte und damit kostengünstigere
Breitband-Sensoren verwendet werden können. Da alterungsbedingte
Veränderungen der Sensorcharakteristik durch die Offsetermittlung ausgeglichen
werden können, ist es möglich, die Einsatzdauer der Sensoren zu verlängern.
Die Kompensation ermöglicht auch eine einfachere Onboard-Diagnose von
Sensoren mit linearer oder nahezu linearer Sensorcharakteristik für die Messung
des Gehalts an Gasen im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen.