DE102007034921B4

DE102007034921B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Abgassonde mit interner Regelung

Info

Publication number: DE102007034921B4
Application number: DE102007034921.3A
Authority: DE
Inventors: Muammer Kilinc; Tim Walde
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2027-07-25
Also published as: DE102007034921A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mit einem Regler (PID) gekoppelten Abgassonde (2) mit interner Regelung umfassend – mindestens eine Messkammer, die dazu ausgebildet ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten (4) mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren, – mindestens eine Pumpzelle, die zumindest eine erste Pumpelektrode (18) umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist und die einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt ist, und die zumindest eine zweite Pumpelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, – eine Messzelle, die eine erste Messelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, und die eine zweite Messelektrode umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) in einer Referenzluftkammer (8) angeordnet ist, bei dem – die Pumpzelle mit einem vorgegebenen Testsignal (TEST_SIG) angesteuert wird, – eine Reaktion der Messzelle erfasst wird, – abhängig von der erfassten Reaktion der Messzelle zumindest ein Parameterwert (PAR) angepasst wird, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung auswirkt, und – als Parameterwert (PAR) eine Reglerverstärkung des Reglers (PID) angepasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abgassonde mit interner Regelung. Die Abgassonde mit interner Regelung ist mit einem Regler gekoppelt und umfasst mindestens eine Messkammer, mindestens eine Pumpzelle und eine Messzelle. Die Messkammer ist dazu ausgebildet, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren. Die Pumpzelle umfasst zumindest eine erste und eine zweite Pumpelektrode. Die erste Pumpelektrode ist auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet und einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt. Die zweite Pumpelektrode ist in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet. Die Messzelle umfasst eine erste und eine zweite Messelektrode. Die erste Messelektrode ist in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet. Die zweite Messelektrode ist auf dem Festkörperelektrolyten in einer Referenzluftkammer angeordnet.
Eine Abgassonde mit interner Regelung wird regelmäßig zum Erfassen eines Schadstoffgehalts eines Abgases einer Brennkraftmaschine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Die Abgassonde mit interner Regelung kann beispielsweise eine lineare Lambdasonde oder ein Stickoxidsensor sein. Dass die Abgassonde eine interne Regelung aufweist, bedeutet in diesem Zusammenhang, dass innerhalb der Abgassonde eine Betriebsgröße der Abgassonde mittels des Reglers auf einen Sollwert der Betriebsgröße hin geregelt wird und dass innerhalb der Abgassonde eine Stellgröße zum Einstellen des Sollwerts der Betriebsgröße als Ausgangssignal der Abgassonde zum Ermitteln des Schadstoffgehalts des Abgases herangezogen wird. Der Regler kann innerhalb oder außerhalb der Abgassonde angeordnet sein. Die Betriebsgröße ist beispielsweise ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer Messkammer der Abgassonde. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases wird in diesem Zusammenhang auch als Lambdawert bezeichnet. Vorzugsweise wird der Lambdawert auf den Sollwert 1 geregelt. Die Stellgröße zum Einstellen des Lambdawerts 1 ist dann ein Pumpstrom, durch den Sauerstoff über einen Festkörperelektrolyten der Messkammer zugeführt oder aus der Messkammer abgeführt wird, so dass sich der Lambdawert 1 in der Messkammer einstellt. Der Pumpstrom oder eine Pumpspannung zum Bereitstellen des Pumpstroms ist dann ein Maß für den Schadstoffgehalt des Abgases.
Der Festkörperelektrolyt umfasst vorzugsweise Zirkoniumdioxid. Der Festkörperelektrolyt ist beispielsweise mit Yttriumdioxid dotiert und erlaubt bei einer Temperatur über 350°C einen ionischen Sauerstofftransport. Der Festkörperelektrolyt und je zwei Elektroden, die vorzugsweise auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet sind und die vorzugsweise Platin umfassen, bilden dann je eine Zelle. An der Dreiphasengrenze Festkörperelektrolyt-Elektrode-Referenzluft wird Sauerstoff in den Festkörperelektrolyten eingebaut. In der Messkammer, in der der Lambdawert 1 sein soll, wird der Sauerstoff aus dem Festkörperelektrolyten abgebaut. Der Ladungstransport durch den Festkörperelektrolyten kommt im Gleichgewicht mit dem entstehenden elektrischen Gegenfeld zum Erliegen. Die Partialdruckverhältnisse in den Messammern und der Referenzluftkammer geben die an den Messelektroden anliegende Nernstspannung vor. Die Nernstspannung wird mit einer Referenzspannung, beispielsweise 450 mV, verglichen. Der Pumpstrom für die Pumpzelle ist dann proportional zu dem Unterschied zwischen der Nernstspannung und der Referenzspannung.
Mit zunehmendem Alter der Abgassonde verändern sich die Eigenschaften der Elektroden und des Festkörperelektrolyten. Dies kann dazu führen, dass die interne Regelung der Abgassonde instabil wird. Dies führt regelmäßig dazu, dass der Schadstoffgehalt des Abgases, der durch eine Zuordnung des Ausgangssignals der Abgassonde zu dem Schadstoffgehalt des Abgases ermittelt wird, mit zunehmendem Alter der Abgassonde immer weniger mit dem realen Schadstoffgehalt des Abgases übereinstimmt.
Die DE 198 38 456 C2 offenbart ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Messfühlers zum Bestimmen einer Stoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen. Eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von einer Nernst-Messzelle gelieferte Detektionsspannung wird ausgewertet. Der Messfühler wird mittels einer Heizeinrichtung auf eine Betriebstemperatur eingeregelt und die aktuelle Betriebstemperatur wird aus einer Messung eines Wechselstrominnenwiderstands der Nernst-Messzelle ermittelt. Bei Inbetriebnahme und/oder Wiederinbetriebnahme des Messfühlers wird ein Wechselstrominnenwiderstand einer Zuleitung von Elektroden der Nernst-Messzelle ermittelt und der ermittelte aktuelle Wechselstrominnenwiderstand wird bei der Ermittlung der Betriebstemperatur berücksichtigt.
Die DE 600 01 005 T2 offenbart ein Verfahren zum Steuern und Diagnostizieren einer Heizvorrichtung eines Sensors, der empfindlich für die Zusammensetzung des Abgases eines Motors ist. Der Sensor weist mindestens eine für Sauerstoffionen empfindliche, elektrolytische Zelle auf und liefert Information über das Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches. Ein Korrekturschritt zum Berechnen eines korrigierten Innenwiderstandswerts der Zelle wird durchgeführt, indem ein berechneter Innenwiderstandswert mit einem Korrekturparameter abhängig von dem Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches multipliziert wird, um die laufende Sauerstoffkonzentration des Abgases zu berücksichtigen. Der Korrekturparameter wird aus dem Ausgang einer elektronischen Tabelle gewonnen, die den Korrekturparameter als eine Kurve ausdrückt, die eine Funktion des Verhältnisses des dem Motor zugeführten Gemisches ist.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abgassonde mit interner Regelung zu schaffen, die ein präzises Ermitteln eines Schadstoffgehalts eines Abgases einer Brennkraftmaschine mittels der Abgassonde über eine lange Lebensdauer der Abgassonde ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich aus gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abgassonde mit interner Regelung. Die Abgassonde ist mit einem Regler gekoppelt und umfasst mindestens eine Messkammer, mindestens eine Pumpzelle und eine Messzelle. Die Messkammer ist dazu ausgebildet, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren. Die Pumpzelle umfasst zumindest eine erste und eine zweite Pumpelektrode. Die erste Pumpelektrode ist auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet und einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt. Die zweite Pumpelektrode ist in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet. Die Messzelle umfasst eine erste und eine zweite Messelektrode. Die erste Messelektrode ist in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten angeordnet. Die zweite Messelektrode ist auf dem Festkörperelektrolyten in einer Referenzluftkammer angeordnet. Zum Betreiben der Abgassonde wird die Pumpzelle mit einem vorgegebenen Testsignal angesteuert. Eine Reaktion der Messzelle wird erfasst. Abhängig von der erfassten Reaktion der Messzelle wird zumindest ein Parameterwert angepasst, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung auswirkt. Als Parameterwert wird eine Reglerverstärkung des Reglers angepasst.
Durch das Anpassen des Parameterwerts können Eigenschaften der Abgassonde berücksichtigt werden, die sich mit zunehmendem Alter der Abgassonde verändern. Dabei wird der Parameterwert vorzugsweise so angepasst, dass die interne Regelung stabil ist. Dies trägt dazu bei, dass abhängig von dem Ausgangssignal der Lambdasonde vorzugsweise möglichst präzise der Schadstoffgehalt des Abgases ermittelt werden kann. Dies trägt dazu bei, dass der Schadstoffgehalt des Abgases der Brennkraftmaschine mittels der Abgassonde über eine lange Lebensdauer der Abgassonde besonders präzise ermittelt werden kann. Das vorgegebene Testsignal umfasst einen Strom oder eine Spannung. Insbesondere umfasst das vorgegebene Testsignal eine Variation des Pumpstroms oder der Pumpspannung, mit denen die Pumpzelle betrieben wird. Die Luft in der Referenzluftkammer weist einen vorgegebenen Sauerstoffgehalt auf. Der vorgegebene Sauerstoffgehalt kann durch eine Verbindung der Referenzluftkammer mit einer Umgebung der Brennkraftmaschine und/oder durch Pumpen von Sauerstoff in die Referenzluftkammer vorgegeben werden.
Die Stabilität der Regelung ist durch vorgegebene Bedingungen charakterisiert. Die vorgegebenen Bedingungen umfassen vorzugsweise, dass ein Produkt aus einer Regelstreckenverstärkung und einer Reglerverstärkung kleiner als eins ist und dass eine Phasenverschiebung zwischen der Pumpspannung und einer Messspannung kleiner als 180 Grad ist. Die Regelstreckenverstärkung ist ein Faktor, der repräsentativ dafür ist, wie stark die Messzelle auf eine Störgröße, beispielsweise einen veränderten Sauerstoffgehalt des Abgases oder das Testsignal, reagiert. Die Reglerverstärkung ist ein Quotient aus einem Wert einer am Reglerausgang des Reglers anliegenden Größe durch einen Wert einer am Reglereingang des Reglers anliegenden Größe. Das Anpassen der Reglerverstärkung des Reglers kann einfach dazu beitragen, dass die interne Regelung stabil ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung wird abhängig von der erfassten Reaktion der Messzelle ein Alterszustand der Abgassonde ermittelt. Abhängig von dem ermittelten Alterszustand wird der Parameterwert angepasst. Dies ermöglicht einfach, abhängig von der erfassten Reaktion den Parameterwert anzupassen.
Die Erfindung zeichnet sich aus gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben der mit dem Regler gekoppelten Abgassonde mit interner Regelung, bei denen eine Referenzspannung der Messzelle abhängig von dem vorgegebenen Testsignal variiert wird. Eine Reaktion der Pumpzelle wird erfasst. Abhängig von der erfassten Reaktion der Pumpzelle wird zumindest der Parameterwert angepasst, der sich auf die Stabilität der Regelung auswirkt. Als Parameterwert wird die Reglerverstärkung des Reglers angepasst.
Dies ermöglicht alternativ zu dem Variieren des Pumpstroms abhängig von dem vorgegebenen Testsignal, den Parameterwert so anzupassen, dass die interne Regelung vorzugsweise möglichst stabil ist. Das vorgegebene Testsignal dient in diesem Zusammenhang zum Variieren der Referenzspannung. Das Anpassen der Reglerverstärkung kann einfach dazu beitragen, dass die interne Regelung stabil ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts der Erfindung wird abhängig von der erfassten Reaktion der Pumpzelle der Alterszustand der Abgassonde ermittelt. Abhängig von dem ermittelten Alterszustand wird der Parameterwert angepasst. Dies ermöglicht einfach, abhängig von der Reaktion der Pumpzelle den Parameterwert anzupassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Aspekts der Erfindung wird als Parameterwert die Regelstreckenverstärkung der Abgassonde angepasst. Dies kann einfach dazu beitragen, dass die interne Regelung stabil ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Aspekts der Erfindung wird als Testsignal ein Sprungsignal vorgegeben. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Pumpstrom, die Pumpspannung oder die Referenzspannung mit einem sprungartig ansteigenden oder abfallenden Testsignal, beispielsweise einer rechteckförmigen Spannung oder einem rechteckförmigen Strom, moduliert werden. Dies ermöglicht, eine besonders gut erkennbare Reaktion der Messzelle oder der Pumpzelle hervorzurufen, so dass der Reaktion eindeutig der Alterszustand zugeordnet werden kann und/oder so der Parameterwert besonders präzise angepasst werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Aspekts der Erfindung wird als Testsignal ein sich kontinuierlich veränderndes Signal erzeugt. Dies kann dazu beitragen, den Parameterwert einfach anzupassen. Dies kann dazu beitragen, den Parameterwert in unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine anzupassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Abgassonde mit interner Regelung,
2 eine Prinzipskizze der Regelung der Abgassonde,
3 ein Ablaufdiagramm eines ersten Programms zum Betreiben der Abgassonde,
4 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Programms zum Betreiben der Abgassonde.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind Figuren übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Abgassonde 2 (1) mit interner Regelung umfasst einen Festkörperelektrolyten 4, zumindest eine Messkammer, beispielsweise eine erste und eine zweite Messkammer 20, 14 und eine Referenzluftkammer 8. Der Festkörperelektrolyt 4 umfasst vorzugsweise Zirkoniumdioxid und ist beispielsweise mit Yttriumdioxid dotiert. Der Festkörperelektrolyt 4 erlaubt bei einer Eigentemperatur von über 350°C einen ionischen Sauerstofftransport. Der Festkörperelektrolyt 4 ist vorzugsweise schichtweise aufgebaut, um eine Stabilität der Abgassonde 2 zu erhöhen, insbesondere um eine Zugfestigkeit zu erhöhen und eine geringere Wärmeleitfähigkeit zu erzielen. Ferner kann die schichtweise Bauart des Festkörperelektrolyten 4 die Herstellungskosten zum Herstellen der Abgassonde 2 verringern gegenüber einem Festkörperelektrolyten 4, der einstückig gefertigt ist.
Die erste Messkammer 20 kommuniziert über eine erste Diffusionsbarriere 26 mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Die zweite Messkammer 14 kommuniziert über eine zweite Diffusionsbarriere 24 mit der ersten Messkammer 20. Die Diffusionsbarrieren umfassen beispielsweise eine Keramik, die Ausnehmungen mit einer vorgegebene Größe aufweist. Alternativ dazu können die Diffusionsbarrieren durch schmale Ausnehmungen in dem Festkörperelektrolyten 4 gebildet sein. Tritt mageres Abgas, das einen Sauerstoffüberschuss aufweist, durch die Diffusionsbarrieren in die Messkammern, so werden zumindest mittels einer Pumpspannung VPX, insbesondere mittels einer ersten, zweiten und/oder dritten Pumpspannung VP0, VP1, VP2, Sauerstoffmoleküle elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festkörperelektrolyten 4 zu einer ersten Pumpelektrode 18 transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Bei fettem Abgas und damit Kraftstoffüberschuss im Abgas diffundieren verschiedene Gaskomponenten durch die Diffusionsbarrieren, beispielsweise Kohlenwasserstoff, Wasserstoffmoleküle und/oder Kohlenmonoxid. Die Sauerstoffkomponenten oxidieren an zumindest einer zweiten Pumpelektrode, die in einer der Messkammern angeordnet ist und die beispielsweise eine Pumpelektrode 22 der ersten Messkammer 20, eine Pumpelektrode 16 der zweiten Messkammer 14 bzw. eine Messelektrode 12 der zweiten Messkammer 14 umfasst.
Eine Pumpzelle der Abgassonde 2 umfasst zumindest die erste Pumpelektrode 18 und eine der zweiten Pumpelektroden. Ferner umfasst die Pumpzelle den Festkörperelektrolyten 4, der zwischen der ersten und der zweiten Pumpelektrode 18 angeordnet ist und der insbesondere zwischen der ersten und der zweiten Pumpelektrode 18 mit Yttriumdioxid dotiert ist.
Eine Messzelle der Abgassonde 2, die vorzugsweise eine Nernstzelle ist, umfasst eine erste Messelektrode, die in einer der Messkammern auf dem Festkörperelektrolyten 4 angeordnet ist und die beispielsweise die Pumpelektrode 22 der ersten Messkammer 20, die Pumpelektrode 16 der zweiten Messkammer 14 bzw. die Messelektrode 12 der zweiten Messkammer 14 umfasst. Eine zweite Messelektrode der Messzelle ist in der Referenzluftkammer 8 angeordnet und umfasst vorzugsweise eine Messelektrode 10 der Referenzluftkammer 8. Mittels einer Heizvorrichtung 6, an der eine Heizspannung VH anliegt, kann die Abgassonde 2 auf eine Eigentemperatur von über 350°C erhitzt werden. Die Pumpelektroden und die Messelektroden umfassen vorzugsweise Platin. An der Dreiphasengrenze Festkörperelektrolyt-Platin-Referenzluft wird an der Messelektrode 10 der Referenzluftkammer 8 Sauerstoff in den Festkörperelektrolyten 4 eingebaut. An den Messelektroden in den Messkammern läuft die Reaktion umgekehrt ab und Sauerstoff wird aus dem Festkörperelektrolyten 4 abgebaut. Der Ladungstransport, der durch die Sauerstoffionen repräsentiert ist, kommt im Gleichgewicht mit dem entstehenden elektrischen Gegenfeld zum Erliegen. Abhängig von Partialdruckverhältnissen in den Messkammern und der Referenzluftkammer 8 liegt dann eine Messspannung VX, insbesondere eine erste, eine zweite und/oder eine dritte Messspannung V0, V1, V2, die jeweils eine Nernst-Spannung repräsentieren, zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode an.
Die Messspannungen wirken sich auf die Pumpspannungen VPX aus, die zwischen der ersten Pumpelektrode 18 und einer der zweiten Pumpelektroden anliegen. Insbesondere wirkt sich die erste Messspannung V0 auf die erste Pumpspannung VP0, die zweite Messspannung V1 auf die zweite Pumpspannung VP1 und die dritte Messspannung V2 auf die dritte Pumpspannung VP2 aus.
Die Referenzluftkammer 8 kommuniziert vorzugsweise mit einer abgasfreien Umgebung der Brennkraftmaschine. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Frischluft aus der abgasfreien Umgebung der Brennkraftmaschine vorzugsweise ungestört in die Referenzluftkammer 8 diffundieren kann. Alternativ oder zusätzlich kann Sauerstoff in die Referenzluftkammer 8 gepumpt werden. Falls beispielsweise in der zweiten Messkammer 14 ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis vorliegt und somit ein Lambdawert in der zweiten Messkammer 14 näherungsweise gleich 1 ist, ändert sich bei minimalen Änderungen des Lambdawerts die dritte Messspannung V2 sehr stark.
Zwischen der ersten Pumpelektrode 18 und der Messelektrode 10 der Referenzluftkammer 8 liegt eine Nernstspannung an, durch die unabhängig von Pumpströmen IPX die Abgaszusammensetzung im Abgastrakt des Fahrzeugs ermittelbar ist. Eine Referenzspannung VREF für die Pumpstromregelungen wird mittels Hardware- oder Software vorgegeben. Bei zunehmendem Sauerstoffgehalt in den Messkammern ändern sich die entsprechenden Messspannungen VX so, dass die entsprechenden Pumpspannungen VPX die entsprechenden Pumpströme IPX bewirken, die jeweils einen Sauerstofftransport aus der entsprechenden Messkammer zu der ersten Pumpelektrode 18 bewirken. Insbesondere bewirkt die erste Pumpspannung VP0 einen ersten Pumpstrom IP0, die zweite Pumpspannung VP1 einen zweiten Pumpstrom IP1 und die dritte Pumpspannung VP2 einen dritten Pumpstrom IP2. Der erste Pumpstrom IP0 bewirkt den Sauerstofftransport aus der ersten Messkammer 20, der zweite und der dritte Pumpstrom IP1, IP2 bewirken den Sauerstofftransport aus der zweiten Messkammer 14.
Falls in einer der Messkammern Sauerstoffmangel herrscht, so wirkt sich das so auf die entsprechenden Messspannungen VX aus, dass der entsprechende Pumpstrom IPX Sauerstoff in die entsprechende Messzelle transportiert. So regelt die Abgassonde 2 intern den Lambdawert zumindest in der zweiten Messkammer 14 auf 1. Somit hat die Abgassonde 2 eine interne Regelung. Einer der Pumpströme IPX und/oder eine der Pumpspannungen VPX sind dann repräsentativ für einen Schadstoffgehalt in dem Abgas.
Je nachdem, wie die Abgassonde 2 ausgelegt ist, kann sich der Schadstoffgehalt auf einen Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases oder auf einen Stickoxidgehalt des Abgases beziehen. Dem entsprechenden Pumpstrom IPX oder der entsprechenden Pumpspannung VPX kann dann beispielsweise mittels eines empirisch ermittelten Kennfelds der Schadstoffgehalt zugeordnet werden.
Mit zunehmendem Alter der Abgassonde 2 ändern sich die Eigenschaften des Festkörperelektrolyten 4 und der Elektroden. Dies bewirkt, dass eine Zuordnung der Pumpströme IPX bzw. der Pumpspannungen VPX zu dem Schadstoffgehalt nicht mehr repräsentativ ist für den realen Schadstoffgehalt des Abgases. Daher wird vorzugsweise regelmäßig ein Alterswert AGE ermittelt, der repräsentativ für einen Alterszustand der Abgassonde 2 ist. Abhängig von dem Alterswert AGE wird ein Parameterwert PAR angepasst, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung der Abgassonde 2 auswirkt. Der Parameterwert PAR umfasst beispielsweise eine Reglerverstärkung und/oder eine Reglerstreckenverstärkung der. internen Regelung der Abgassonde 2.
Die interne Regelung der Abgassonde 2 wird vorzugsweise mittels eines Reglers PID durchgeführt (2). Der Regler PID kann ein reales Bauelement und/oder eine Software umfassen, die beispielsweise auf einem Speichermedium, beispielsweise einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine, abgespeichert ist. Der Regler PID erzeugt abhängig von einem Eingangssignal des Reglers PID ein Ausgangssignal des Reglers PID. Das Eingangssignal umfasst vorzugsweise einen Unterschied DELTA zwischen der Referenzspannung VREF und einer der Messspannungen VX. Der Unterschied DELTA wird vorzugsweise an einem ersten Additionspunkt A_1 ermittelt. Das Ausgangssignal umfasst einen der Pumpströme IPX. Zu dem Ausgangssignal kann in einem zweiten Additionspunkt A_2 eine Störgröße TRO addiert werden. Das Ausgangssignal und gegebenenfalls die Störgröße TRO wirken sich auf eine Regelstrecke STR der internen Regelung aus. Die Regelstrecke STR umfasst den Festkörperelektrolyten 4, die Elektroden und die Kammern. Die Messspannungen VX repräsentieren eine Reaktion der Regelstrecke STR.
Ein Quotient aus dem Ausgangssignal des Reglers PID und dem Eingangssignal des Reglers PID repräsentiert die Reglerverstärkung. Ein Quotient aus einer der Messspannungen VX und einer Summe aus dem entsprechenden Pumpstrom IPX und der Störgröße TRO repräsentiert die Reglerstreckenverstärkung.
Auf dem Speichermedium der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise ein erstes Programm (3) zum Betreiben der Abgassonde 2 abgespeichert. Das erste Programm zum Betreiben der Abgassonde 2 dient dazu, den Alterszustand der Abgassonde 2 zu ermitteln und den PAR so anzupassen, dass die interne Regelung stabil ist und somit der Schadstoffgehalt auch über eine lange Lebensdauer der Abgassonde 2 sehr präzise ermittelt werden kann. Die stabile interne Regelung ist dadurch charakterisiert, dass ein Produkt aus der Regelstreckenverstärkung und der Reglerverstärkung kleiner als eins ist und dass eine Phasenverschiebung zwischen je einer der Pumpspannungen VPX und der entsprechenden Messspannung VX kleiner als 180 Grad ist.
Das erste Programm wird vorzugsweise in einem Schritt Si gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S2 wird die Pumpzelle mit einem vorgegebenen Testsignal TEST_SIG angesteuert. Das bedeutet in diesem Zusammenhang vorzugsweise, dass zumindest eine der Pumpspannungen VPX oder der entsprechende Pumpstrom IPX abhängig von dem vorgegebenen Testsignal TEST_SIG variiert wird, beispielsweise wird die entsprechende Pumpspannung VPX bzw. der entsprechende Pumpstrom IPX mittels des vorgegebenen Testsignals TEST_SIG moduliert. Dabei kann das Testsignal TEST_SIG ein sprungartiges Testsignal TEST_SIG umfassen, beispielsweise eine Rechteckspannung. Das Testsignal TEST_SIG kann aber auch eine kontinuierliche Veränderung der entsprechenden Pumpspannung VPX oder des entsprechenden Pumpstroms IPX bewirken. Alternativ dazu kann als Testsignal TEST_SIG eine Störgröße TRO zu der Pumpspannung IPX oder dem Pumpstrom IPX addiert werden.
In einem Schritt S3 wird die entsprechende Messspannung VX erfasst, die zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode anliegt. Eine Reaktion der Messzelle, die durch eine Veränderung der entsprechenden Messspannung VX charakterisiert ist, wird dann beispielsweise mittels eines Kennfelds in einem Schritt S4 dem Alterswert AGE zugeordnet. Der Alterswert AGE ist repräsentativ für den Alterszustand der Abgassonde 2. Das Kennfeld und gegebenenfalls ein oder mehrere weitere Kennfelder können beispielsweise an einem Motorprüfstand aufgezeichnet werden. Alternativ zu dem bzw. den Kennfeldern kann auch eine Modellrechnung ermittelt werden, durch die der Reaktion der Messzelle der Alterszustand zuordenbar ist.
In einem Schritt S5 kann beispielsweise mittels eines zweiten Kennfelds dem Alterswert AGE der Parameterwert PAR zugeordnet werden. Mit anderen Worten wird abhängig von dem Alterswert AGE der Parameterwert PAR angepasst. Beispielsweise kann ein abgespeicherter Parameterwert PAR mit einem Korrekturwert korrigiert werden. Der Korrekturwert wird dann abhängig von dem Alterswert AGE ermittelt. Alternativ dazu kann direkt abhängig von der entsprechenden ermittelten Messspannung VX der Parameterwert PAR ermittelt bzw. korrigiert werden.
In einem Schritt S6 kann das erste Programm beendet werden. Vorzugsweise wird das erste Programm jedoch regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet. Das erste Programm kann bei aktiver Lambdaregelung oder bei nicht aktiver Lambdaregelung durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist ein zweites Programm zum Betreiben der Abgassonde 2 auf dem Speichermedium gespeichert (4). Das zweite Programm dient gemäß dem ersten Programm dazu, den Parameterwert PAR so anzupassen, dass die interne Regelung stabil ist und dass über die lange Lebensdauer der Abgassonde 2 präzise der Schadstoffgehalt des Abgases ermittelt werden kann.
Das zweite Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S7 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S8 wird die Referenzspannung VREF der Messzelle abhängig von dem vorgegebenen Testsignal TEST_SIG variiert. Das bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Referenzspannung VREF abhängig von dem vorgegebenen Testsignal TEST_SIG moduliert wird. Das vorgegebene Testsignal TEST_SIG kann entsprechend dem vorgegebenen Testsignal TEST_SIG des ersten Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine ausgebildet sein.
In einem Schritt S9 wird eine Reaktion der Pumpzelle erfasst. Insbesondere kann in dem Schritt S9 zumindest einer der Pumpströme IPX oder die entsprechende Pumpspannung VPX überwacht werden. Die Reaktion der Pumpzelle ist repräsentativ für den Alterszustand der Abgassonde 2.
In einem Schritt S10 wird abhängig von dem überwachten Pumpstrom IPX bzw. der überwachten Pumpspannung VPX der Alterswert AGE ermittelt.
In einem Schritt S11 wird abhängig von dem Alterswert AGE der Parameterwert PAR angepasst. Die Schritte S10 und S11 des zweiten Programms können analog zu den Schritten S4 und S5 des ersten Programms ausgeführt werden.
In einem Schritt S12 kann das zweite Programm beendet werden. Vorzugsweise wird das zweite Programm jedoch regelmäßig während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können das erste und/oder das zweite Programm in einem Programm implementiert sein oder in weitere Unterprogramme unterteilt sein. Ferner kann die Abgassonde 2 lediglich eine Messkammer aufweisen, insbesondere wenn die Abgassonde 2 zum Ermitteln des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases ausgelegt ist.
Bezugszeichenliste

2: Abgassonde
4: Festkörperelektrolyt
6: Heizvorrichtung
8: Referenzluftkammer
10: Messelektrode Referenzluftkammer
12: Messelektrode zweite Messkammer
14: zweite Messkammer
16: Pumpelektrode zweite Messkammer
18: erste Pumpelektrode
20: erste Messkammer
22: Pumpelektrode erste Messkammer
24: zweite Diffusionsbarriere
26: erste Diffusionsbarriere
VH: Heizspannung
VX: Messspannung
V0: erste Messspannung
V1: zweite Messspannung
V2: dritte Messspannung
IPX: Pumpstrom
IP0: erster Pumpstrom
IP1: zweiter Pumpstrom
IP2: dritter Pumpstrom
VPX: Pumpspannung
VP0: erste Pumpspannung
VP1: zweite Pumpspannung
VP2: dritte Pumpspannung
A_1: erster Additionspunkt
A_2: zweiter Additionspunkt
PID: Regler
STR: Regelstrecke
TRO: Störgröße
DELTA: Unterschied
VREF: Referenzspannung
START: Programmstart
TEST_SIG: Testsignal
AGE: Alterungswert
PAR: Parameterwert
END: Programmende
S1–S12: Schritte eins bis zwölf

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mit einem Regler (PID) gekoppelten Abgassonde (2) mit interner Regelung umfassend – mindestens eine Messkammer, die dazu ausgebildet ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten (4) mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren, – mindestens eine Pumpzelle, die zumindest eine erste Pumpelektrode (18) umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist und die einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt ist, und die zumindest eine zweite Pumpelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, – eine Messzelle, die eine erste Messelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, und die eine zweite Messelektrode umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) in einer Referenzluftkammer (8) angeordnet ist, bei dem – die Pumpzelle mit einem vorgegebenen Testsignal (TEST_SIG) angesteuert wird, – eine Reaktion der Messzelle erfasst wird, – abhängig von der erfassten Reaktion der Messzelle zumindest ein Parameterwert (PAR) angepasst wird, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung auswirkt, und – als Parameterwert (PAR) eine Reglerverstärkung des Reglers (PID) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem abhängig von der erfassten Reaktion der Messzelle ein Alterszustand der Abgassonde (2) ermittelt wird und bei dem abhängig von dem ermittelten Alterszustand der Parameterwert (PAR) angepasst wird.
Verfahren zum Betreiben einer mit einem Regler (PID) gekoppelten Abgassonde (2) mit interner Regelung umfassend – mindestens eine Messkammer, die dazu ausgebildet ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten (4) mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren, – mindestens eine Pumpzelle, die zumindest eine erste Pumpelektrode (18) umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist und die einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt ist, und die zumindest eine zweite Pumpelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, – eine Messzelle, die eine erste Messelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, und die eine zweite Messelektrode umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) in einer Referenzluftkammer (8) angeordnet ist, bei dem – eine Referenzspannung (VREF) der Messzelle abhängig von einem vorgegebenen Testsignal (TEST_SIG) variiert wird, – eine Reaktion der Pumpzelle erfasst wird, – abhängig von der erfassten Reaktion der Pumpzelle zumindest ein Parameterwert (PAR) angepasst wird, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung auswirkt, und – als Parameterwert (PAR) eine Reglerverstärkung des Reglers (PID) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem abhängig von der erfassten Reaktion der Pumpzelle ein Alterszustand der Abgassonde (2) ermittelt wird und bei dem abhängig von dem ermittelten Alterszustand der Parameterwert (PAR) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Parameterwert (PAR) eine Regelstreckenverstärkung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Testsignal (TEST_SIG) ein Sprungsignal vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Testsignal (TEST_SIG) ein sich kontinuierlich veränderndes Signal erzeugt wird.
Vorrichtung zum Betreiben einer mit einem Regler (PID) gekoppelten Abgassonde (2) mit interner Regelung umfassend – mindestens eine Messkammer, die dazu ausgebildet ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten (4) mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren, – mindestens eine Pumpzelle, die zumindest eine erste Pumpelektrode (18) umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist und die einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt ist, und die zumindest eine zweite Pumpelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, – eine Messzelle, die eine erste Messelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, und die eine zweite Messelektrode umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) in einer Referenzluftkammer (8) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung den Regler (PID) aufweist, der dazu ausgebildet ist, – die Pumpzelle mit einem vorgegebenen Testsignal (TEST_SIG) anzusteuern, – eine Reaktion der Messzelle zu erfassen, – abhängig von der Reaktion der Messzelle zumindest einen Parameterwert (PAR) anzupassen, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung auswirkt, – als Parameterwert (PAR) eine Reglerverstärkung des Reglers (PID) anzupassen.
Vorrichtung zum Betreiben einer mit einem Regler (PID) gekoppelten Abgassonde (2) mit interner Regelung umfassend – mindestens eine Messkammer, die dazu ausgebildet ist, über mindestens eine Diffusionsbarriere und einen Festkörperelektrolyten (4) mit einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zu kommunizieren, – mindestens eine Pumpzelle, die zumindest eine erste Pumpelektrode (18) umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist und die einem Abgas in dem Abgastrakt ausgesetzt ist, und die zumindest eine zweite Pumpelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, – eine Messzelle, die eine erste Messelektrode umfasst, die in der Messkammer auf dem Festkörperelektrolyten (4) angeordnet ist, und die eine zweite Messelektrode umfasst, die auf dem Festkörperelektrolyten (4) in einer Referenzluftkammer (8) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung den Regler (PID) aufweist, der dazu ausgebildet ist, – eine Referenzspannung (VREF) der Messzelle abhängig von einem vorgegebenen Testsignal (TEST_SIG) zu variieren, – eine Reaktion der Pumpzelle zu erfassen, – abhängig von der erfassten Reaktion der Pumpzelle zumindest einen Parameterwert (PAR) anzupassen, der sich auf eine Stabilität der internen Regelung auswirkt, und – als Parameterwert (PAR) eine Reglerverstärkung des Reglers (PID) anzupassen.