DE102007009157A1

DE102007009157A1 - Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde

Info

Publication number: DE102007009157A1
Application number: DE200710009157
Authority: DE
Inventors: Thomas Seiler; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-08-28
Also published as: CN101256165B; FR2913771A1; CN101256165A; ITMI20080293A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Breitbandlambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen mit zwei als Pumpelektroden wirkenden und eine Pumpzelle bildenden Elektroden und gegebenenfalls zusätzlich mit zwei als Nernstelektrode und Referenzelektrode wirkenden, eine Nernstzelle bildenden Elektroden, ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Die Pumpzelle wird mit einem konstanten, einem vorgebbaren Lambdawert entsprechenden Pumpstrom betrieben, - die den Einspritzvorgang charakterisierenden Größen der Brennkraftmaschine werden so variiert, dass die zwischen der als Nernstelektrode wirkenden Elektrode und der als Referenzelektrode wirkenden Elektrode abgreifbare Nernstspannung einen vorgebbaren Wert einnimmt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde zur Bestimmung der Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
Gegenstand der Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Bestimmung der Luftzahl werden sehr oft sogenannte Breitbandlambdasonden eingesetzt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Kombination von herkömmlicher, als galvanische Zelle wirkender Konzentrationssonde (Nernstsonde) sowie einer Grenzstrom- oder „Pump"-Zelle. An der Pumpzelle, die von gleicher Art ist wie eine an sich bekannte Konzentrationszelle, wird lediglich von außen eine Spannung angelegt. Ist die Spannung groß genug, stellt sich ein „Grenzstrom" ein, der proportional der Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite der Sonde ist. Mit dem Strom werden – polaritätsabhängig – Sauerstoffatome transportiert. Eine elektronische Regelschaltung bewirkt, dass der Konzentrationssonde von der Pumpzelle über einen sehr engen Diffusionsspalt immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas zugeführt wird, dass an ihr der Zustand Lambda = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss im Abgas, im sogenannten Magerbereich, wird demgemäß Sauerstoff abgepumpt, wohingegen bei geringem Restsauerstoff gehalt des Abgases, im sogenannten fetten Bereich, durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt wird. Der jeweilige Pumpstrom, der proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas ist, bildet das Ausgangssignal. Die Messung der Konzentration erfolgt anhand der Bestimmung der Nernstspannung zwischen der als Nernstelektrode wirkenden Elektrode und der als Referenzelektrode wirkenden Elektrode.
Breitbandlambdasonden nach dem Grenzstromprinzip können sowohl als Einzeller als auch als sogenannte Doppelzeller aufgebaut werden.
Beim Einzeller sind zwei Elektroden auf der Abgasseite auf einem Festelektrolyten angeordnet, es liegt eine feste Pumpspannung an, die Kathode befindet sich unter einer Diffusionsbarriere.
Möglich ist es auch, eine Elektrode unter einer Diffusionsbarriere im Abgas anzuordnen, wohingegen die weitere Elektrode in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom angeordnet wird.
Die als Doppelzeller aufgebaute Breitbandlambdasonde weist eine Pumpzelle auf, die durch eine dem Abgasgemisch aussetzbare Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode gebildet wird, welche durch eine poröse Diffusionsbarriere getrennt von dem Gasgemisch in einem Messhohlraum angeordnet ist, sowie eine Nernstzelle, die durch eine Nernstelektrode, die beispielsweise ebenfalls in dem Messhohlraum angeordnet ist, und eine Referenzelektrode gebildet wird.
Bei einer als Doppelzeller ausgeführten Breitbandlambdasonde ist eine aufwendige Regelbeschaltung erforderlich, die das gesamte System anfällig für Schwingungen macht. Zudem reagiert das Sondensignal empfindlich auf Einkopplung von Störsignalen bei Gaswechseln nahe Lambda = 1 (Lambda = 1-Welligkeit) sowie auf Einkopplung des getakteten Heizerstroms. Diese beiden Störfaktoren der Sondendynamik beruhen darauf, dass die einzuregelnde Nernstspannung, die 450 mV beträgt, um wenige mV verändert wird. Bei der Lambda = 1-Welligkeit treten kurzzeitige Ausgleichsströme längs der äußeren Pumpelektrode im Bereich der Pumpzelle auf, die von der bei Gaswechseln auftretenden vorübergehenden inhomogenen Gaskonzentration auf der Fläche der äußeren Pumpelektrode herrühren (Brennstoffzellenprinzip). Diese Ausgleichsströme sind mit einem Potenzialabfall im Elektrolyten verknüpft, der wiederum mit der Potenzialmessung zwischen der Referenzelektrode und der Nernstelektrode bzw. der inneren Pumpelektrode interferiert.
Bei der Heizereinkopplung wird die periodische Potenzialerhöhung der isolierten Heizerelektrode um eine vorgebbare Spannung von beispielsweise 13 V aufgrund der in der Isolationsschicht enthaltenen Natriumionen auf die hochohmig angeschlossene Referenzelektrode teilweise übertragen.
In beiden Fällen ist die Änderung der Nernstspannung zwar gering. Es resultiert jedoch aufgrund der Verstärkung in der Regelelektronik eine große Änderung des Pumpstroms, d. h. des Sondensignals. Diese Störung kann im Extremfall den dynamischen Betrieb der Sonde im Fahrzeug unmöglich machen. Für eine Einzel-Zylinder-Regelfähigkeit müssen diese Störsignale noch weitaus geringer gehalten werden.
Eine als Einzeller aufgebaute Breitbandlambdasonde mit fester Pumpspannung erzeugt bei magerem Abgas einen positiven Pumpstrom mit eindeutigem Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt des Abgases. Im fetten Abgas kommt es jedoch aufgrund der Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers an der Kathode auch zu einem positiven Pumpstrom. Die angelegte Pumpspannung liegt zwar deutlich unter der Zersetzungsspannung des Wassers. Da aber Wasserstoff im Abgas vorhanden ist, wird die Wasserzersetzung energetisch möglich, denn an der gegenüberliegenden Elektrode, der Anode, wird Wasser erzeugt. Der Strom ist also im Fetten durch den Wasserstoffgehalt begrenzt. Da dieser Fett-Pumpstrom dieselbe Richtung aufweist wie der Mager-Pumpstrom, ist eine Schlussfolgerung ausgehend vom Pumpstrom auf die Abgaszusammensetzung nicht mehr eindeutig möglich.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 löst die vorstehenden Probleme sowohl bei einer als Einzeller ausgebildeten Breitbandlambdasonde als auch bei der als Doppelzeller ausgebildeten Breitbandlambdasonde dadurch, dass auf die Regelung des Pumpstroms verzichtet wird und stattdessen ein konstanter, einem gewünschten Lambdawert entsprechender Pumpstrom eingestellt wird. Im Falle der als Doppelzeller aufgebauten Breitbandlambdasonde wird in diesem Falle die Nernstzelle als Sprungsonde verwendet und die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen werden abhängig von dem Sprung der Nernstzellenspannung geregelt.
Im Falle der als Einzeller aufgebauten Lambdasonde wird ebenfalls ein definierter positiver Pumpstrom eingestellt und die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so geregelt, dass die Nernstspannung zwischen den beiden Pumpelektroden einen definierten Wert annimmt. Diese Regelungsweise entspricht dem Betrieb einer Sprungsonde.
Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass auf eine Regelung und damit eine Regelelektronik, welche die vorstehend erwähnte Instabilität gegenüber Schwingungen aufweist, verzichtet werden kann. Darüber hinaus werden die geringen Abweichungen der Nernstspannung aufgrund der Lambda-1-Welligkeit und der Heizereinkopplung nicht mehr verstärkt. Sie fallen gegenüber dem durch einen Gaswechsel bedingten Hub der Nernstspannung wenig ins Gewicht. Auf diese Weise wird die Dynamik der Lambdasonde und ganz besonders im Falle einer Einzelzylinderregelung weniger gestört.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückgezogenen abhängigen Unteransprüche.
So werden beispielsweise im Falle der als Einzeller aufgebauten Lambdasonde für den Fall, dass der vorgegebene Lambdawert im Mageren liegt, die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so auf eine vorgebbare Nernstspannung, insbesondere 450 mV, eingeregelt, dass ein betragsmäßiges Überschreiten der Nernstspannung durch Abmagern des Gemisches beantwortet wird. Ein betragsmäßiges Unterschreiten der Nernstspannung wird durch Anfetten des Gemisches beantwortet. Falls beim Anfetten die Nernstspannung sinkt, wird auch in diesem Falle abgemagert.
Wenn dagegen der gewünschte Lambdawert im Fetten liegt, dann werden die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen derart auf die Nernstspannung von insbesondere 450 mV eingeregelt, dass ein betragsmäßiges Überschreiten der Pumpspannung durch Anfetten des Gemisches beantwortet wird. Entsprechend wird ein betragsmäßiges Unterschreiten der Pumpspannung durch Abmagern des Gemisches beantwortet. Wenn während des Abmagerns die Nernstspannung sinkt, wird wiederum angefettet, d. h. es werden die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so verändert, dass das Gemisch in Richtung fettes Gemisch verändert wird.
Dieses Verfahren ermöglicht beim Einzeller eine eindeutige Abgasbestimmung über den gesamten Betriebsbereich von Mager bis Fett.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch ein System zur Regelung der Einspritzvorgänge bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik;
2 schematisch eine Schaltung zur Regelung der den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik bei einer als Zweizeller aufgebauten Lambdasonde;
3 schematisch die Regelung der den Einspritzvorgang einer Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
4 schematisch eine Schaltung zur Regelung der den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer als Zweizeller aufgebauten Lambdasonde;
5 eine als Einzeller aufgebaute Breitbandlambdasonde, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt und
6 den Verlauf des Pumpstroms sowie der Nernstspannung über Lambda zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist schematisch ein System zur Regelung der den Einspritzvorgang einer Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen dargestellt.
In einem Abgaskanal 105 einer Brennkraftmaschine 100 ist eine Lambdasonde 110 angeordnet, deren Ausgangssignal in einer Steuerelektronik 120, insbesondere einem Motorsteuergerät, verarbeitet wird.
Wenn beispielsweise ein Lambdawert von Lambda = 1,7 eingestellt werden soll, gibt die Steuerelektronik 120 einen vorgebbaren Pumpstrom I_P von beispielsweise 0,94 mA als Regelsollwert für die Motoreinspritzung anhand der in einer Software abgelegten Kennlinie vor.
Eine als Zweizeller aufgebaute Lambdasonde 110, dargestellt in 2, weist eine äußere Pumpelektrode APE, eine innere Pumpelektrode IPE sowie eine Referenzelektrode RE auf. Zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der inneren Pumpelektrode IPE liegt eine Pumpspannung U_P an, zwischen der inneren Pumpelektrode IPE, die auch als Nernstelektrode wirkt, und der Referenzelektrode RE liegt eine Nernstspannung U_N an. Die äußere Pumpelektrode APE und die inneren Pumpelektrode IPE bilden eine Pumpzelle mit einem Innenwiderstand R_P. Die innere Pumpelektrode IPE oder Nernstelektrode und die Referenzelektrode RE bilden eine Nernstzelle mit einem Innenwiderstand R_N. Die an der Referenzelektrode RE abgegriffene Spannung wird auf an sich bekannte Weise dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 210 zugeführt, an dessen nicht invertierendem Eingang eine Referenzspannungsquelle 220 liegt, welche eine Referenzspannung U_Ref in Höhe von 450 mV, der gewünschten Nernstspannung für eine Luftzahl Lambda = 1, erzeugt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 210 wird nach entsprechender Verarbeitung und Verstärkung in einem Verstärker 230 der äußeren Pumpelektrode zugeführt in Form eines vorgegebenen Pumpstroms I_P. Der Wert des Pumpstroms I_P entspricht dem in dem Abgas 105 herrschenden Lambdawert, der mittels eines Analog/Digital-Wandlers 240 in entsprechender Weise ausgegeben und weiterverarbeitet wird.
Die vorbeschriebene Regelschaltung ist sehr empfindlich für Schwingungen. Das Sondensignal reagiert darüber hinaus empfindlich auf Einkopplung von Störsignalen bei einem Gaswechsel nahe Lambda = 1 (Lambda = 1-Welligkeit) sowie auf eine Einkopplung eines getakteten Heizerstroms der Sondenheizung. Diese beiden Störfaktoren der Sondendynamik beruhen darauf, dass die einzuregelnde Nernstspannung von 450 V um wenige mV verändert wird. Bei der Lambda = 1-Welligkeit sind es kurzzeitige Ausgleichsströme längs der äußeren Pumpelektrode APE im Bereich der Pumpzelle, die von der bei einem Gaswechsel auftretenden vorübergehend inhomogenen Gaskonzentration auf der Fläche der äußeren Pumpelektrode APE herrühren (Brennstoffzellenprinzip). Diese Ausgleichsströme sind mit einem Potenzialabfall im Elektrolyten verknüpft, der wiederum mit der Potenzialmessung zwischen der Referenzelektrode RE und der Nernstelektrode bzw. der inneren Pumpelektrode IPE interferiert. Bei der Heizereinkopplung wird die periodische Potenzialerhöhung der isolierten Heizelektrode aufgrund der in der Isolationsschicht enthaltenen Natriumionen auf die hochohmig angeschlossene Referenzelektrode RE teilweise übertragen.
In allen Fällen ist die Änderung der Nernstspannung zwar gering. Sie führt jedoch aufgrund der Verstärkung durch die Regelelektronik zu einer großen Änderung des Pumpstroms, d. h. des Sondensignals. Diese Störung kann im Extremfall den dynamischen Betrieb der Sonde in einem Fahrzeug unmöglich machen, insbesondere bei einer Einzel-Zylinder-Regelung.
Aus diesem Grunde ist es die Grundidee der Erfindung, die Regelung des Pumpstroms entfallen zu lassen. Stattdessen wird ein konstanter, einem gewünschten Lambdawert entsprechender Pumpstrom eingestellt und die Nernstzelle der Breitbandlambdasonde wird als Sprungsonde verwendet. Die Motoreinspritzung wird dann auf den Sprung der Nernstzellenspannung geregelt, wie dies bei einer Sprungsonde der Fall ist. Die Größe des konstanten Pumpstroms bestimmt, bei welchem Lambdawert der Sprung erfolgt. Die Breitbandlambdasonde wird auf diese Weise gewissermaßen als Sprungsonde mit variablem Sauerstoffuntergrund an der Messelektrode betrieben und ist schematisch in 3 dargestellt. In der Steuerelektronik 120 wird nun ein Pumpstrom I_P von 0,94 mA als fest eingestellter Wert vorgegeben und es wird der Sprung der Nernstspannung detektiert.
Die hierfür vorgesehene Schaltung ist schematisch in 4 dargestellt, in der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 2.
Ein Digital-Analog-Wandler 410 gibt einen Pumpstrom I_P vor, der eine Funktion der gewünschten Luftzahl Lambda ist I_P = f(Lambda). Dieser vorgebbare Pumpstrom I_P wird in einem Verstärker 420 verstärkt und der äußeren Pumpelektrode APE zugeführt.
Die Nernstspannung wird nunmehr durch einen Analog-Digital-Wandler 430 ausgelesen und es wird die Motoreinspritzung so eingeregelt, dass die Nernstspannung U_N einen vorgegebenen Wert einnimmt, beispielsweise 450 mV im Falle von Lambda = 1. Bei U_N > 450 mV wird das Gemisch abgemagert, bei U_N < 450 mV angefettet, wie beim Betrieb mit einer Sprungsonde. Der Vorteil dieser Betriebsweise liegt in dem Entfall der Regelelektronik und der daraus folgenden Instabilität gegenüber Schwingungen. Außerdem werden geringe Änderungen der Nernstspannung aufgrund der Lambda = 1-Welligkeit sowie der Heizereinkopplung nicht mehr verstärkt. Sie fallen gegenüber dem durch Gaswechsel bedingten Hub der Nernstspannung von 0 mV auf 800 mV wenig ins Gewicht. Die Dynamik der Sonde wird damit weniger gestört, sodass die Sonde wesentlich besser auch für eine Einzelzylinderregelung einsetzbar ist.
Bei einer derartigen Breitbandlambdasonde wird bei einer definierten Sauerstoffkonzentration mithilfe eines (nicht dargestellten) variablen parallelen Abgleichswiderstands auf an sich bekannte Weise der Pumpstrom kalibriert. Vorzugsweise wird nur das Verhältnis des z. B. im Schubbetrieb gemessenen I_P an Luft zum entsprechenden I_P-Wert der Norm-Kennlinie in dem Steuergerät als Korrekturfaktor ermittelt und abgelegt. Somit ist der Kalibrierungsfaktor bekannt, der für jede Abgaszusammensetzung beschreibt, welcher Pumpstrom nötig ist, um im Hohlraum ein Lambda = 1-Gas einzustellen. Wird nun ein bestimmter Lambdawert für die Motoreinspritzung gewünscht, dann wird anhand dieser Kalibrierungskurve der Pumpstrom eingespeist, der diesem Lambdawert entspricht. Daraufhin wird die Motoreinspritzung wie bei der Sprungsonde so geregelt, dass die Spannung zwischen der Referenzelektrode RE und der inneren Pumpelektrode IPE 450 mV beträgt. Auf diese Weise kann auch die Kalibrierung des Pumpstroms bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren berücksichtigt werden.
Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand einer als Zweizeller aufgebauten Breitbandlambdasonde beschrieben. Das Verfahren ist jedoch nicht auf den Einsatz bei einer als Zweizeller aufgebauten Breitbandlambdasonde beschränkt, sondern kann auch bei einer als Einzeller aufgebauten Breitbandlambdasonde zum Einsatz kommen, wie sie schematisch in 5 dargestellt ist. Eine solche Lambdasonde weist einen Festelektrolytkörper 500 auf, in dem eine Heizung 550 in einer Isolationsschicht 560 eingebettet ist. Die Heizung ist mittels Heizerzuleitungen 570, 580 betreibbar, um den Festelektrolytkörper 500 auf eine gewünschte Betriebstemperatur aufzuheizen.
An der Oberseite des Festelektrolytkörpers 500 sind Pumpelektroden 510, 520 vorgesehen, die durch eine Diffusionsbarriere 540 von dem Abgas der Brennkraftmaschine getrennt sind. Die Pumpelektroden werden durch eine Pumpspannung U_P beaufschlagt. Es fließt ein Pumpstrom I_P. Die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen werden nun nicht wie sonst bei derartigen Breitbandsonden üblich so geregelt, dass sich ein bestimmter Pumpstrom einstellt, sondern es wird an der Breitbandsonde ein definierter Pumpstrom I_P fest eingestellt und die Motoreinspritzung so geregelt, dass sich eine bestimmte Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden 510, 520 einstellt. Diese Soll-Spannung entspricht derjenigen, bei der der Sprung der Nernstspannung als Funktion der Gaskonzentration stattfindet.
Abhängig von einem vorgegebenen gewünschten Lambdawert wird daher an dieser Sonde ein definierter positiver Pumpstrom I_P eingestellt. Daraufhin werden die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine bestimmenden und charakterisierenden Größen so geregelt, dass die Nernstspannung U_N zwischen den beiden Pumpelektroden 510, 520 einen definierten Wert, vorzugsweise 450 mV, annimmt. Diese Regelungsweise entspricht dem Betrieb einer Sprungsonde. Die Strommessung erfolgt über einen Messwiderstand R_M, der zur Pumpzelle in Reihe geschaltet ist. Die Nernstspannung U_N wird ermittelt durch Subtraktion der errechneten ohmschen Spannungsabfälle am Messwiderstand R_M und an der Pumpzelle von der Pumpspannung: U_N = U_P – I_P·R_M – I_P·R_P, wobei R_P den (bekannten) Innenwiderstand der Pumpzelle bezeichnet. Da es sowohl im mageren Betriebsbereich als auch im fetten Betriebsbereich einen Motorbetriebspunkt gibt, bei dem sich die Soll-Nernstspannung einstellt, wird die Regelung auf folgende Weise durchgeführt:
Falls der gewünschte Lambdawert im Mageren liegt, werden die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen derart auf den Sollwert der Nernstspannung U_N von 450 mV eingeregelt, dass ein betragsmäßiges Überschreiten der Nernstspannung durch Abmagern des Gemisches beantwortet wird. Entsprechend wird ein betragsmäßiges Unterschreiten der Nernstspannung durch Anfetten des Gemisches beantwortet.
Falls der gewünschte Lambdawert im Fetten liegt, dann werden die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so eingeregelt, dass ein betragsmäßiges Überschreiten der Pumpspannung durch Anfetten des Gemisches beantwortet wird. Entsprechend wird ein betragsmäßiges Unterschreiten der Pumpspannung durch Abmagern des Gemisches beantwortet.
Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, dass der richtige der beiden Betriebspunkte angefahren wird. Falls nämlich bei einem gewünschten mageren Lambdaverhältnis ein geringfügig zu magerer Betriebspunkt eingestellt ist (Bereich IV in 6b), dann ist die Nernstspannung um mehrere 100 mV kleiner als die Sollspannung, da die Sauerstoffkonzentrationslimitierung entfällt. Das deshalb erfolgende Anfetten korrigiert die Einspritzung in Richtung fett, bis die Nernstspannung auf den Sollwert springt.
Falls bei einem gewünschten mageren Lambdaverhältnis ein geringfügig zu fetter Betriebspunkt eingestellt ist, wie es durch den Bereich III in 6 dargestellt ist, dann ist die Nernstspannung um mehrere 100 mV zu groß, da eine Sauerstoffkonzentrationslimitierung auftritt. Das deshalb erfolgende Abmagern korrigiert die Einspritzung in Richtung mager, bis die Spannung auf den Sollwert springt.
Eine solche Korrektur in die magere Richtung geschieht im gesamten Lambdabereich zwischen den beiden möglichen Betriebspunkten, bei denen die Soll-Nernstspannung erzielbar ist, d. h. in den in 6 dargestellten Bereichen II und III. Sobald sich das System innerhalb dieses Intervalls im Fettbereich befindet (der in 6b mit II bezeichnete Bereich), wird der Pumpstrom durch Wasserzersetzung an der Kathode erzeugt. Da in dem mit II bezeichneten Bereich nicht ausreichend Wasserstoff an der Anode zur Verfü gung steht, stellt sich eine Nernstspannung von ca. 800 bis 1000 mV ein, welche der Zersetzungsspannung des Wassers entspricht. Deshalb wird auch hier ein Abmagern des Gemisches vorgenommen.
Im Ergebnis wird das Einspritzsystem in den erwähnten Lambdabereichen stabil auf den Magersollwert eingeregelt. Lediglich dann, wenn das Abgas zufällig noch fetter ist als der fette Betriebspunkt, der ebenfalls den Sollstrom liefert, ist der Algorithmus zur Durchführung des Verfahrens instabil. Dieser Zustand ist in 6 durch den mit I bezeichneten Bereich gekennzeichnet. In diesem Falle reagiert die Einspritzung wegen der zu niedrigen Nernstspannung aufgrund des Entfalls der Wasserstoffkonzentrationslimitierung an der Anode gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren mit einem weiteren, unbegrenzten Anfetten. Um dem gegenzusteuern wird zusätzlich gefordert, dass das Anfetten mit einem Zunehmen der Pumpspannung verbunden sein muss, wie in dem in 6 mit IV bezeichneten Bereich. Nimmt die Pumpspannung U_P dagegen beim Anfetten geringfügig ab, dann wird erkannt, dass sich das System im kritischen Bereich I (6) befindet. Deshalb müssen in diesem Fall die den Einspritzvorgang charakterisierenden Größen so verändert werden, dass ein „Abmagern" erfolgt, bis die Nernstspannung U_N deutlich über 450 mV liegt (Bereich II). Daraufhin wird wie oben beschrieben der richtige Sollwert „angefahren".
Das vorstehend Erläuterte gilt entsprechend, falls ein Abgaswert im fetten Bereich gewünscht ist. In diesem Falle ist eine Instabilität möglich, falls die Abgaszusammensetzung magerer ist, als der magere Betriebspunkt, der ebenfalls einen Pumpstrom-Sollwert I_Psoll liefert (Bereich IV). Deshalb muss bei einem gewünschten Wert im fetten Bereich zusätzlich gefordert werden, dass das Abmagern mit einem Zunehmen der Nernstspannung U_N verbunden sein muss, wie im Bereich I (6). Nimmt die Nernstspannung dagegen beim Abmagern geringfügig ab, dann wird erkannt, dass ein kritischer Zustand (Bereich IV) vorliegt. Deshalb müssen in diesem Falle die den Einspritzvorgang charakterisierenden Größen so verändert werden, dass ein „Anfetten" stattfindet, bis die Nernstspannung U_N deutlich über 450 mV liegt (Bereich III). Daraufhin ist ein „Anfahren" des richtigen Sollwerts möglich.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine, deren Teil auch die Steuerelektronik 120 ist, implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät lesen kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Breitbandlambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen (100) mit zwei als Pumpelektroden (APE, IPE; 510, 520) wirkenden und eine Pumpzelle bildenden Elektroden und gegebenenfalls mit zwei als Nernstelektrode und Referenzelektrode (RE) wirkenden, eine Nernstzelle bildenden Elektroden, gekennzeichnet durch folgende Schritte – die Pumpzelle wird mit einem konstanten, einem vorgebbaren Lambdawert entsprechenden Pumpstrom (I_P) betrieben – die den Einspritzvorgang charakterisierenden Größen der Brennkraftmaschine (100) werden so variiert, dass die zwischen der als Nernstelektrode wirkenden Elektrode und der als Referenzelektrode wirkenden Elektrode abgreifbare Nernstspannung (U_N) einen vorgebbaren Wert einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdasonde ein Doppelzeller ist, dessen Pumpzelle mit einem konstanten, einem vorgebbaren Lambdawert entsprechenden zur oder von der äußeren Pumpelektrode (APE) fließenden Pumpstrom beaufschlagt wird und dass die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so geregelt werden, dass sich eine vorgebbare Spannung zwischen der Nernstelektrode (IPE) und der Referenzelektrode (RE) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdasonde ein Einzeller ist, der mit einem vorgebbaren Pumpstrom beaufschlagt wird, und dass die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so geregelt werden, dass die zwischen den als Nernstelektrode und als Referenzelektrode wirkenden beiden Pumpelektroden (510, 520) abgreifbare Spannung einen vorgebbaren Wert einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu den beiden Pumpelektroden ein Messwiderstand (R_M) parallel geschaltet ist und dass die Nernstspannung (U_N) ermittelt wird durch Subtraktion der ohmschen Spannungsabfälle am Messwiderstand (R_M) und an der Pumpzelle gemäß folgender Gleichung: UN = UP – IP·RM – IP·RP,wobei U_P die an der Pumpspannung anliegende Spannung, I_P der Pumpstrom und R_P der Innenwiderstand der Pumpzelle bedeuten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so verändert werden, dass ein betragsmäßiges Überschreiten der vorgebbaren Nernstspannung (U_N) zu einer Verschiebung der Abgaszusammensetzung in Richtung mager erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der vorgebbare Lambdawert in einem mageren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (100) liegt, die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so verändert werden, dass ein betragsmäßiges Unterschreiten der vorgebbaren Nernstspannung (U_N) zu einer Verschiebung der Abgaszusammensetzung in Richtung fett und ein betragsmäßiges Überschreiten der vorgebbaren Nernstspannung (U_N) zu einer Abmagerung führen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der vorgebbare Lambdawert im fetten Betriebsbereich liegt, die den Einspritzvorgang der Brennkraftmaschine (100) charakterisierenden Größen so auf die vorgebbare Nernstspannung (U_N) geregelt werden, dass ein betragsmäßiges Überschreiten der Nernstspannung (U_N) zu einem Anfetten des Gemisches und ein betragsmäßiges Unterschreiten zu einem Abmagern des Gemisches führen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abmagern des Gemischs vorgenommen wird, wenn sich durch das Anfetten des Gemischs die Nernstspannung (U_N) verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfetten des Gemisches vorgenommen wird, wenn sich durch das Abmagern des Gemisches die Nernstspannung (U_N) verkleinert.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät (120) einer Brennkraftmaschine (100) ausgeführt wird.