DE102007020970A1

DE102007020970A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE102007020970A1
Application number: DE200710020970
Authority: DE
Inventors: Thomas Seiler; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements (100) zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch (200), insbesondere der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit an einem Festelektrolyten (110) angeordneten und von dem Gasgemisch (200) durch wenigstens eine Diffusionsbarriere (150) getrennten, durch einen vorgebbaren Pumpstrom (I<SUB>P</SUB>) beaufschlagbaren Pumpelektroden (130, 140), ist dadurch gekennzeichnet, dass in vorgebbaren Betriebsbereichen eine gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten vorgenommen wird und aus der hieraus resultierenden Pumpstromänderung auf die Konzentration der Gaskomponenten geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach der Gattung des Anspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Auf dem Grenzstromprinzip basierende planare Breitbandlambdasonden können als Einzeller oder als Doppelzeller aufgebaut werden. Bei Einzellern existieren zwei Arten von Ausführungsformen. Bei einer ersten Ausführungsform sind zwei Pumpelektroden auf der Abgasseite eines Festelektrolyten angeordnet, die mit einer festen Pumpspannung beaufschlagt werden. Zumindest die Kathode ist unter einer Diffusionsbarriere angeordnet. Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Elektrode unter einer Diffusionsbarriere im Abgas angeordnet, während die andere in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom angeordnet ist.
Eine derartige Breitbandlambdasonde mit fester Pumpspannung erzeugt bei einem mageren Abgas, d. h. bei einem Abgas mit Luftüberschuss einen positiven Pumpstrom, der vom Sauerstoffgehalt des Abgases in umkehrbar eindeutiger Weise abhängt. In einem fetten Abgas, d. h. in einem Abgas mit Kraftstoffüberschuss tritt jedoch aufgrund der Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers an der Kathode auch ein positiver Pumpstrom auf. Die angelegte Pumpspannung liegt zwar deutlich unter der Zersetzungsspannung des Wassers. Da aber Wasserstoff im Abgas existiert, wird die Zersetzung des Wassers energetisch möglich, denn an der anderen Elektrode, der Anode, wird Wasser erzeugt. Der Strom ist also im fetten Betriebsbereich durch den Wasserstoffgehalt begrenzt. Da der Pumpstrom im fetten Bereich dieselbe Richtung aufweist wie der Pumpstrom im mageren Bereich, kann aus dem Pumpstrom nicht in eineindeutiger Weise auf die Abgaszusammensetzung geschlossen werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht demgegenüber, in eineindeutiger Weise Rückschlüsse aus dem Pumpstrom auf die Abgaszusammensetzung sowohl im mageren als auch im fetten Bereich zu ziehen.
Grundidee der Erfindung ist es, in vorgebbaren Betriebsbereichen eine gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten vorzunehmen und aus der hieraus resultierenden Pumpstromänderung auf die Konzentration der Gaskomponenten zu schließen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. So sind die vorgebbaren Betriebsbereiche vorzugsweise der Magerbetrieb oder der Fettbetrieb der Brennkraftmaschine, also Betriebsbereiche, in denen keine stöchiometrische Konzentration der Gaskomponenten (Luftzahl λ = 1) vorherrscht.
Die gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten wird bevorzugt durch eine zeitlich begrenzte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten hin zu größeren Magerwerten oder hin zu größeren Fettwerten vorgenommen.
Im Falle einer zeitlich begrenzten Änderung der Konzentration der Gaskomponenten wird aus einer hieraus resultierenden Vergrößerung des Pumpstroms auf das Vorhandensein eines mageren Abgases und bei einer hieraus resultierenden Verkleinerung des Pumpstroms auf das Vorhandensein eines fetten Abgases geschlossen. Hierdurch ist es möglich, festzustellen, an welchem Punkt der Kennlinie „Pumpstrom über Lambda" das System sich gewissermaßen befindet. Da nämlich der Pumpstrom sowohl bei Werten Lambda < 1 als auch bei Werten Lambda > 1 positive Werte annimmt, in gewisser Weise sich also verhält wie eine Betragsfunktion, ist es nicht möglich, festzustellen, ob ein mageres Gasgemisch mit Werten Lambda > 1 oder ein fettes Gasgemisch mit Werten Lambda < 1 vorliegt. Durch gezielte Veränderung der Luftzahl Lambda auf die beschriebene Weise ist eine solche Zuordnung möglich, da sich durch diese Lambda-Änderung eine Verschiebung auf der Kennlinie des Pumpstroms als Funktion der Luftzahl ergibt und hieraus resultierend eine Änderung des Pumpstroms, der eine eineindeutige Zuordnung zur Luftzahl Lambda ermöglicht.
Bevorzugt wird eine gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten immer dann vorgenommen, wenn der Pumpstrom den Wert Null angenommen hat. In diesem Falle ist es nämlich möglich, dass ein Wechsel von fett nach mager oder von mager nach fett erfolgt ist.
Die zeitlich begrenzte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten erfolgt bevorzugt impulsförmig. Eine solche impulsförmige Änderung zieht auch eine entsprechend impulsförmige Änderung des Pumpstroms nach sich, die besonders gut detektiert werden kann.
Die gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten erfolgt durch Änderung der die Einspritzvorgänge der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen.
Das vorbeschriebene Verfahren ist bevorzugt Gegenstand eines Computerprogramms, das insbesondere auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und auf einem Computer und insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine zur Realisierung des Verfahrens abläuft.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen Gassensor, wie er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird;
2 den Pumpstrom über der Luftzahl Lambda bei dem in 1 dargestellten Gassensor;
3a schematisch die Amplitude eines Einspritzvorgangs zur Änderung der Konzentration der Gaskomponenten;
3b die Änderung der durch den Einspritzvorgang hervorgerufenen Luftzahl über der Zeit und
3c die Änderung des hieraus resultierenden Pumpstroms über der Zeit zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Gassensor 100 weist auf einem Festelektrolyten 110 angeordnete Pumpelektroden 130, 140 auf, die durch eine Diffusionsbarriere 150 von einem Gasgemisch 200, insbesondere dem Gasgemisch einer Brennkraftmaschine, ausgesetzt sind.
In dem Festelektrolyten 110 sind in einer Schicht 162 Heizelemente 160, beispielsweise mäanderförmig verlaufende Heizelemente angeordnet, die über Heizerzuleitungen 161 mit Strom und Spannung versorgbar sind.
Durch eine schematisch dargestellte elektronische Schaltung, die beispielsweise Teil eines Steuergeräts 190 einer Brennkraftmaschine sein kann, wird zwischen den Pumpelektroden 130, 140 eine konstante Pumpspannung U_p erzeugt. Der sich einstellende Pumpstrom I_p wird erfasst und auf nachfolgend beschriebene Weise ausgewertet.
Der Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom I_p und der Luftzahl Lambda ist schematisch in 2 dargestellt. Demnach stellt sich sowohl bei Werten Lambda < 1 als auch bei Werten Lambda > 1, also sowohl im mageren Betriebsbereich als auch im fetten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein positiver Pumpstrom I_p ein. Dieser Verlauf des Pumpstroms I_p über Lambda, der gewissermaßen einer „Betragsfunktion" entspricht, erlaubt es nicht, in eineindeutiger Weise einen Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom I_p und der Luftzahl Lambda herzustellen. Um feststellen zu können, ob ein mageres oder ein fettes Abgas vorliegt, nachdem der Pumpstrom I_p den Wert Null, in dem Lambda = 1 ist, angenommen hat, wird nun eine Testamplitude eingespeist, die eine gezielte Veränderung der Gaskonzentrationen in dem Gasgemisch hervorruft und in 3a schematisch dargestellt ist. Hierzu werden die den Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen so verändert, dass sich die gewünschte gezielte Änderung der Gaskonzentration ergibt. Dies ist schematisch in 3 durch Rechteckimpulse 310 dargestellt.
Dadurch entstehen im zeitlichen Verlauf der Luftzahl im mageren Bereich M Rechteckimpulse 320, die oberhalb des Werts Lambda = 1 liegen, und im fetten Bereich F Rechteckimpulse 330, die unterhalb des Wertes Lambda = 1 liegen. Es wird dabei der hieraus resultierende Pumpstrom I_p in der elektronischen Schaltung des Steuergeräts 190 erfasst und ausgewertet. Im Falle des Vorliegens einer mageren Gaszusammensetzung zeigt der Pumpstrom I_p in diesem Falle, das heißt bei einem Abmagern des Gasgemischs während der Testamplitude, einen positiven Rechteckimpuls 340. Liegt dagegen eine fette Gaszusammensetzung vor, zeigt der Pumpstrom einen ins Negative verlaufenden Impuls 350. Durch die gezielte Änderung der Gaskonzentration über einen vorgebbaren Zeitraum kann aus dem sich hieraus einstellenden Pumpstrom I_p demnach entschieden werden, ob sich der hier interessierende Betriebsbereich im ersten Quadranten oder im vierten Quadranten in 2 befindet.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann auch bei einer Einzel-Zylinder-Regelung eingesetzt werden. Hierbei wird ein einzelner Zylinder gezielt „angefettet" oder „angemagert", um anhand der Form des Lambdasondensignals zu untersuchen, ob er vertrimmt ist. Parallel dazu kann anhand der Information, ob der Strom mit einem Anstieg oder Abfall auf die Lambdaänderung reagiert, unterschieden werden, ob eine fette oder eine magere Abgaszusammensetzung vorliegt.
Das Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät 190 einer Brennkraftmaschine implementiert werden und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät 190 lesen kann. Auf diese Weise kann das Verfahren auch bei bestehenden Steuergeräten „nachgerüstet" werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements (100) zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch (200), insbesondere der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit an einem Festelektrolyten (110) angeordneten und von dem Gasgemisch (200) durch wenigstens eine Diffusionsbarriere (150) getrennten, durch einen vorgebbaren Pumpstrom (I_p) beaufschlagbaren Pumpelektroden (130, 140), dadurch gekennzeichnet, dass in vorgebbaren Betriebsbereichen eine gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten vorgenommen wird und aus der hieraus resultierenden Pumpstromänderung auf die Konzentration der Gaskomponenten geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Betriebsbereiche der Magerbetrieb oder der Fettbetrieb der Brennkraftmaschine sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten durch eine zeitlich begrenzte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten hin zu größeren Magerwerten oder hin zu größeren Fettwerten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer zeitlich begrenzten Änderung der Konzentration der Gaskomponenten hin zu größeren Magerwerten aus einer hieraus resultierenden Vergrößerung des Pumpstroms (I_p) auf das Vorhandensein eines mageren Abgases und bei einer hieraus resultierenden Verkleinerung des Pumpstroms (I_p) auf das Vorhandensein eines fetten Abgases geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten immer dann vorgenommen wird, wenn der Pumpstrom (I_p) den Wert Null angenommen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten impulsförmig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Änderung der Konzentration der Gaskomponenten durch Änderung der die Einspritzvorgänge der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen erfolgt.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn es auf einem Computer abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät (190) einer Brennkraftmaschine ausgeführt wird.