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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kennlinie einer
Breitband-Lambda-Sonde.
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Eine
Breitband-Lambda-Sonde ist beispielsweise aus der
DE 102 16 724 C1 bekannt
geworden.
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Bei
derartigen Breitband-Lambda-Sonden wird die Lambda-Kennlinie über eine
eineindeutige Zuordnung des benötigten
Funktionspumpstroms zum Lambda-Wert festgelegt. Die Zuordnung erfolgt
dabei durch Messungen an einem Gasprüfstand und im Kraftfahrzeug
selbst. Die Lambda-Kennlinie, die am Gasprüfstand gemessen wird, wird
in einer technischen Dokumentation angegeben. In einem Motorsteuergerät des Fahrzeugs
ist anstelle der am Gasprüfstand
gemessenen und in der technischen Dokumentation dokumentierten Kennlinie
eine an der Brennkraftmaschine applizierte Kennlinie, beispielsweise
als Datensatz, hinterlegt. Diese Kennlinie wird zur Regelung der
Brennkraftmaschine verwendet. Eine so festgelegte Lambda-Kennlinie
ist für eine
präzise
Regelung nicht ausreichend.
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Eine
Lambda-Sonde, die ein Diffusionselement aufweist, zeigt nämlich immer
eine Diffusionsverschiebung, die daraus resultiert, daß unterschiedliche
Gasarten mit unterschiedlicher Masse unterschiedlich schnell durch
das Diffusionselement hindurchdiffundieren. Diese Diffusionsverschiebung
führt abhängig von
der Abgasmischung zu einer deutlichen Signalabweichung von einer
Nominal-Kennlinie, wie sie im Gasprüfstand gemessen wurde. Die
Diffusionsverschiebung verursacht damit Fehlmessungen im Fahrzeug,
die zu großen Fehlern
in der Lambda-Regelung der Brennkraftmaschine führen können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung
der Kennlinie einer Breitband-Lambda-Sonde dahingehend weiterzubilden,
daß die
vorbeschriebenen Diffusionsverschiebungen der Gaskomponenten oder
das völlige
Fehlen einer oder mehrerer Gaskomponenten bei der Bestimmung des Lambda-Werts
berücksichtigt
werden können.
Die Erfindung umfasst insbesondere auch die Lambdabestimmung bei
Brennkraftmaschinen, die mit Wasserstoff, Ethanol oder CNG (Erdgas)
betrieben werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Grundidee
der Erfindung ist es, der Lambda-Sonde nicht mehr einen starren
Pumpstrom bei einem gemessenen Lambda zuzuordnen, sondern im Grunde
die Empfindlichkeit der Sonde in Abhängigkeit von spezifischen Gaskomponenten
zu messen. Der Pumpstrom kann über
die Empfindlichkeit dem Gasgemisch zugeordnet werden, indem der
resultierende Gesamtpumpstrom für
eine Gasmischung aus der Überlagerung, d.h.
der Summe der einzelnen Empfindlichkeiten der jeweils an der Breitbandsonde
existierenden Gasarten multipliziert mit deren Konzentration berechnet
wird.
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Bei
einem Lambda-Wert kleiner als 1 wird auf diese Weise ein Ersatzpumpstrom
bestimmt, mit dem man gewissermaßen ein Sauerstoff-Defizit
berechnen kann. Für
einen Lambda-Wert größer 1 zieht
man den im Abgas gemessenen Sauerstoff heran. Auf diese Weise kann
mittels der an sich bekannten sogenannten Pischinger-Formel über den
gesamten Lambda-Bereich eine Kennlinie angegeben werden.
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Aufgrund
dieses Verfahrens kann sehr vorteilhaft die Lambda-Regelkennlinie
im Fahrzeug wesentlich präziser
bestimmt werden und so eine wesentlich bessere Vorkat-Regelung vorgenommen
werden. Hierdurch verringern sich die Schadstoffemissionen.
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Darüber hinaus
wird die Regelung wesentlich stabiler. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer
der Katalysatoren und damit im Ergebnis zu einer Einsparung von
für die
Katalysatoren verwendeten Rohstoffen. Als besonders vorteilhaft
für die
Detektion von Fehlern erweist sich dabei, daß die Sondeneigenschaften von den
Einflüssen
des Abgases auf die Kennlinie der Breitband-Lambda-Sonde unterschieden
werden können.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung
zeigen:
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1 schematisch
einen Querschnitt einer Breitband-Lambda-Sonde und ein Blockschaltbild
zu ihrer Ansteuerung;
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2 schematisch
ein Blockdiagramm zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die
in 1 im Querschnitt schematisch skizzierte Breitband-Lambda-Sonde 10 dient
zur Bestimmung von Gaskomponenten, insbesondere der Sauerstoffkonzentration
in Abgasen von Brennkraftmaschinen, um ein Steuersignal zur Einstellung
eines Kraftstoff-Luft-Gemischs
zu erhalten, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird. Die
Lambda-Sonde 10 besitzt eine Meß- oder Nernstzelle 11 mit
einer Meßelektrode 12 und einer
Referenzelektrode 13, die auf einem Festelektrolyten 14 angeordnet
sind, sowie eine Pumpzelle 16 mit einer Außenelektrode 18,
auch äußere Pumpelektrode,
kurz APE genannt, und einer Innenelektrode 17, auch innere
Pumpelektrode, kurz – da
sie mit der Nenstelektrode auf gleichem Potential liegt – IPN genannt – die ebenfalls
auf einem Festelektrolyten 19 angeordnet sind. Als Festelektrolyt
wird ein mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet.
Die Referenzelektrode 13 ist in einem Referenzkanal 15 angeordnet,
der von einem Referenzgas, üblicherweise
Luft beaufschlagt ist. Die Innenelektrode 17 der Pumpzelle 16 ist
zusammen mit einer Meßzelle 12 der
Nernstzelle 11, auch Nernstelektrode genannt, in einem
Meßraum 20 angeordnet, der über eine
Diffusionsbar riere 21 mit dem Abgas der Brennkraftmaschine
in Verbindung steht. Die Außenelektrode 18 ist
mit einer porösen
Schutzschicht 22 überdeckt
und direkt dem Abgas ausgesetzt. Zur Lambda-Sonde 10 gehört ferner
eine Heizeinrichtung 23, die von einem sogenannten Heizmäander gebildet
ist. Die Heizeinrichtung 23 ist mit einer Heizspannung
UH beaufschlagt und wird auf einer konstanten
Betriebstemperatur von z.B. 780 °C
gehalten. Zum Betrieb der Lambda-Sonde 10 ist diese mit
einem Steuergerät 24 verbunden,
das seinerseits Steuersignale zur Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemischs
in der Brennkraftmaschine 31 generiert. In der Figur ist
die Brennkraftmaschine als Block dargestellt, deren Ansteuerung
durch das Steuergerät 24 durch
die Signalleitung 25 symbolisiert ist. Mit dem Steuergerät 24 ist
die Pumpzelle 16 über
die Klemmen 26 und 27 verbunden, wobei die Außenelektrode 18 an
der Klemme 26 und die Innenelektrode 17 an der Klemme 27 angeschlossen
sind. Die Nernstzelle 11 ist über die Klemmen 27, 28 mit
dem Steuergerät 24 verbunden,
wobei die Meßelektrode 12 an
der Klemme 27 und die Referenzelektrode 13 an
der Klemme 28 angeschlossen sind. Zwischen den Klemmen 27 und 28 ist
die Detektions- oder Nernstspannung UN abgreifbar, und
an den Klemmen 26, 27 steht die Pumpspannung UP an. Das Steuergerät 24 weist eine hier
nicht dargestellte Regelschaltung auf, mit der die Pumpspannung
UP in Abhängigkeit von der Nernstspannung
UN eingestellt wird. Letztere ist wiederum
abhängig
von dem Sauerstoffverhältnis,
dem die Meßelektrode 12 und
die Referenzelektrode 13 ausgesetzt sind.
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Mit
dem vorstehend beschriebenen Steuergerät 24 wird die Lambda-Sonde
wie nachfolgend beschrieben betrieben. Aufgrund des vorhandenen
Sauerstoffkonzentrationsunterschieds zwischen Meßelektrode 12 und
Referenzelektrode 13 stellt sich eine bestimmte Nernstspannung
UN ein, die ein Maß für die Sauerstoffkonzentration
im Meßraum 20 ist.
Abhängig
von der Nernstspannung UN wird eine an der
Pumpzelle 16 liegende Pumpspannung UP eingestellt,
die einen Pumpstrom IP über die Pumpzelle 16 treibt.
Je nach Zusammensetzung des Abgases und damit Sauerstoffgehalt des
Abgases ist dieser Pumpstrom IP kathodisch – wie in
der Figur dargestellt – oder
anodisch. Im ersten Falle wird die Außenelektrode 18 als
Anode und die Innenelektrode 17 als Kathode und im zweiten
Fall umgekehrt die Außenelektrode 18 als
Kathode und die Innenelektrode 17 als Anode betrieben.
Bei stabilem Betrieb der Brennkraftmaschine 31 mit einem
im Magerbetrieb liegenden Kraftstoff-Luft-Gemisch ist der Pumpstrom
IP kathodisch, d.h. die Innenelektrode 17 der
Pumpzelle 16 ist kathodisch belastet. Bei stabilem Betrieb
der Brennkraftma schine 31 mit einem im Fettbereich liegenden
Kraftstoff-Luft-Gemisch ist der Pumpstrom IP anodisch,
d.h. die Innenelektrode 17 der Pumpzelle 16 ist
anodisch belastet. Im ersten Fall werden Sauerstoffionen aus dem
Meßraum 20 abgepumpt
und im zweiten Fall werden Sauerstoffionen aus dem Abgas in den
Meßraum 20 hineingepumpt.
Die Pumpspannung UP wird dabei so eingeregelt,
daß im
Meßraum 20 sich
eine konstante Sauerstoffkonzentration einstellt, die eine konstante
Nernstspannung von z.B. 450 mV zur Folge hat. Der sich einstellende
Pumpstrom IP ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration
bzw. das Sauerstoff-Defizit im Abgas und wird als Meßspannung
erfaßt.
Aus einer Kennlinie wird der zugehörige Lambda-Wert bestimmt.
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Zur
Bestimmung einer Lambda-Kennlinie werden zunächst an einem Gasprüfstand offline
die Gasempfindlichkeiten der Breitband-Lambda-Sonde oder auch einer
Zweipunkt-Lambda-Sonde
spezifiziert, indem die Sonde 10 dem jeweils zu messenden
Gas oder Gasgemisch ausgesetzt und der resultierende Pumpstrom IP gemessen wird (2 Schritt 210).
Auf diese Weise werden Empfindlichkeitswerte aller im Abgas einer Brennkraftmaschine
relevanten Abgaskomponenten bestimmt und in einer technischen Dokumentation
hinterlegt.
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Diese
Spezifikation der Gasempfindlichkeiten in Schritt 210 erfolgt
zuvor im Labor. Ebenfalls zuvor offline wird die Messung von Gaskonzentrationsverhältnissen
in der Brennkraftmaschine (Schritt 230) durchgeführt. Während des
Betriebs der Brennkraftmaschine wird in Schritt 220 der
Pumpstrom IP durch die vorstehend beschriebene
Breitband-Lambda-Sonde erfaßt
und an das Steuergerät 24 ausgegeben.
In diesem Steuergerät 24 erfolgt
die Berechnung des Lambda-Werts (Schritt 240), wobei hier
zwischen dem Magerbetrieb unterschieden wird, in dem eine Sauerstoffkonzentration
aus dem Pumpstrom IP und der zuvor offline
bestimmten Sauerstoffempfindlichkeit εO2 berechnet
wird, und dem Fettbetrieb, in dem ein Sauerstoffdefizit berechnet
wird ausgehend von dem gemessenen Pumpstrom IP und
den Gasempfindlichkeiten von Sauerstoff, Wasserstoff und CO: εO2, εH2, εC2 sowie
dem zuvor bestimmten Gaskonzentrationsverhältnis K, d.h. dem Verhältnis von
Wasserstoff zu Kohlenmonoxid im Motor. Dieses Gaskonzentrationsverhältnis K ändert sich
während
es Betriebs der Brennkraftmaschine kaum. Diese Rechenvorschrift
lässt sich
auch bei Brennkraftmaschinen anwenden, bei denen eine oder mehrere
Gaskomponenten fehlen, z.B. bei Wasserstoffmotoren.
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Aus
der so bestimmten Sauerstoffkonzentration im Magerbetrieb bzw. dem
Sauerstoffdefizit im Fettbetrieb wird nun auf nachfolgend näher beschriebene
Weise mittels der sogenannten Pischinger-Formel, einer empirischen
Formel zur Berechnung des Lambda-Werts,
der Lambda-Wert berechnet.
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Nachfolgend
wird die Bestimmung des Lambda-Werts im Fettbetrieb detaillierter
erläutert.
Im Fettbetrieb wird der gemessene Pumpstrom in einen Ersatzpumpstrom
Ip-Ersatz umgerechnet, der dem theoretischen Pumpstrom
Ip des Sauerstoffdefizits entspricht. Zur
Berechnung des Ersatzpumpstroms Ip-Ersatz aus
dem gemessenen Pumpstrom Ip werden zwei
Gleichungen herangezogen. Die erste dieser Gleichungen stellt die
Berechnung des Pumpstroms aus den gemessenen Abgaskonzentrationen
für H2 und CO x_H2 und
x_CO und den Empfindlichkeiten ε_H2 und ε_CO
der Breitband-Lambda-Sonde 10 für diese Gase dar: Ip-gemessen =
X_H2·ε_H2 + x_CO·ε_CO (I)
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Hierbei
ist zu bemerken, daß die
Abgaskonzentrationen diejenigen Werte des sogenannten feuchten Abgases
sind. Die mit Hilfe einer Abgasanalytik gemessenen Werte für die Gase
Kohlenmonoxid CO, Wasserstoff H2 und Sauerstoff
O2 im getrockneten Abgas werden in Werte
für das
feuchte Abgas umgerechnet. Es werden hierbei nur die Werte für Kohlenmonoxid
und Wasserstoff H2 berücksichtigt. Mit der nachfolgenden zweiten
Gleichung für
den Ersatzpumpstrom wird das Sauerstoffdefizit bestimmt: Ip-Ersatz =
(x_H2 + x_CO)·0,5·(–ε_O2) (II)
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Die
Division dieser beiden Gleichungen ergibt unter Berücksichtigung
des Verhältnisses
der Konzentration von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid K = x_H
2/x_CO den folgenden Wert für den Ersatzpumpstrom:
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Der
Ersatzpumpstrom Ip-Ersatz wird demnach aus
dem zuvor offline gemessenen Gaskonzentrationsverhältnis von
Wasserstoff zu Kohlenmonoxid sowie den Empfindlichkeiten der Sonde
gegenüber
Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestimmt.
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Diese
Rechenvorschrift gilt auch dann noch, falls kein Wasserstoff oder
kein Kohlenmonoxid im Abgas vorhanden sind, wenn also K = 0 (kein
Wasserstoff vorhanden) oder K → ∞ (kein
Kohlenmonoxid vorhanden) gilt. Die Formel vereinfacht sich dann
wie folgt:
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Im
Fettbetrieb, d.h. bei IP ≤ 0A wird aus
dem so bestimmten Ersatzpumpstrom Ip-Ersatz und
der bekannten Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff ε_O2 das Sauerstoffdefizit x_O2,
bestimmt: x_O2 = Ip-Ersatz/ε_O2.
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Im
Magerbetrieb, d.h. bei einem Pumpstrom größer als 0A wird die Sauerstoffkonzentration
direkt aus dem gemessenen Wert des Pumpstroms Ip-gemessen und
der Empfindlichkeit der Sonde gegenüber Sauerstoff bestimmt: x_O2 = Ip-gemessen/ε_O2.
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Aus
dem Sauerstoffwert x_O2, d.h. im Falle des
Fettbetriebs aus dem Sauerstoffdefizit oder im Falle des Magerbetriebs
aus der Sauerstoffkonzentration wird nun mit Hilfe einer empirischen
Formel zur Berechnung des Lambda-Werts nach Pischinger der Lambda-Wert bestimmt: λ =
(1 + (((n/m·4)/(1
+ n/m·4))·XO2))/(1 – (4,764·XO2)),mit in, n ∊ {0, 1, 2,
...} aus CmHnOk des Kraftstoffs, XO2 =
O2 – Konzentration/Defizit.
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Der
große
Vorteil dieser Bestimmung des Lambda-Werts mittels der Breitbandsonde
ist darin zu sehen, daß nur
eine Messung, nämlich
die Messung des Pumpstroms Ip erforderlich
ist, um den Lambda-Wert auch im Fettbetrieb sehr genau bestimmen
zu können.
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Die
Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens in einer Verbrennungskraftmaschine
ermöglicht zusätzlich HC-Korrekturen
im Mageren, wodurch die Genauigkeit erhöht wird. Im Mageren wird mit
steigendem Lambda eine größer werdende
Fehlerstreuung und eine steigende Abweichung von dem mittels der
sogenannten Brettschneider-Formel bestimmten Lambda-Wert λ_Brettschneider
beobachtet. Die Ursache hierfür wird
in großen
Variationen der HC-Konzentration vermutet. Unter der Annahme, daß der ungefähre HC-Anteil im
Magerbetrieb in einem Kennfeld abgelegt werden kann, kann unter
der Berücksichtigung
der idealen Verbrennungsgleichung der Pumpstrom Ip-Ersatz durch
eine angenommene Nachverbrennung berechnet werden. CmHn + (m + n/4)·O2 → m·CO2 + n/2·H2O.
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Dabei
reagieren unterschiedliche Kohlenwasserstoffe in folgenden Verhältnissen
mit Sauerstoff O
2:
| 1 Vol.%
C2H4 | 3
Vol.% O2 |
| 1 Vol.%
C3H6 | 4,5
Vol.% O2 |
| 1 Vol.%
C3H8 | 5
Vol.% O2 |
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Das
Verfahren zur HC-Korrektur umfaßt
folgende Schritte:
- 1. Für die Abgaskonzentration des
feuchten Abgases wird der Pumpstrom Ip aus
den Abgaskonzentrationen von O2und HC berechnet.
Die anderen Abgasbestandteile werden dagegen vernachlässigt: Ip-gemessen = Ip O2 + Ip HC Ip-gemessen =
x_O2·ε_O2 + x_HC·ε_HC.
- 2. Der Anteil des gemessenen Ip, der
durch O2 bestimmt wird, ist: Ip O2 = x_O2·ε_O2 = (Ip-gemessen – x_HC·ε_HC). Demnach
ergibt sich für
die O2-Konzentration für IP O2: x_O2 =
(Ip-gemessen – x_HC·ε_HC)/ε_O2.
- 3. Für
die Anwendung der Pischinger-Formel wird der O2-Überschuß berechnet.
Dabei wird angenommen, daß das
vorhandene HC vollständig
mit O2 reagiert: x_O2-Überschuß = x_O2 – (x_HC-ppm_C1/3)·4,5 für C3H6, wobei zu berücksichtigen
ist, daß in
die Formel aufgrund der C3H6-Moleküle nur 1/3
der Kohlenstoffentnahme berücksichtigt
werden.
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Aus
diesem Sauerstoffüberschuß x_O2_Überschuß wird mittels der oben
beschriebenen Pischinger-Formel der Lambda-Wert berechnet. Durch
die vorbeschriebene HC-Korrektur kann die mittlere Abweichung vom Wert λ-Brettschneider deutlich
reduziert werden, so daß sich
im Ergebnis der Lambda-Wert wesentlich genauer bestimmen läßt.
