DE102008012899A1

DE102008012899A1 - Verfahren zum Betreiben eines Gassensors

Info

Publication number: DE102008012899A1
Application number: DE102008012899A
Authority: DE
Inventors: Berndt Cramer; Thomas Classen; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-10
Also published as: JP2011513720A; KR20100133967A; JP5138051B2; US20110125414A1; EP2252882A1; WO2009109420A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors bereitgestellt, das zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas vorgesehen ist. Hierbei wird der Gassensor in wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben, wobei ein erster Betriebsmodus (1) ein Messverfahren mit wenigstens zwei Operationen pro Messwert und ein zweiter Betriebsmodus (2) ein schnelleres Messverfahren mit weniger und/oder schnelleren Operationen als im ersten Betriebsmodus pro Messwert umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
Zur Messung von Gaskonzentrationen in Messgasen werden Gassensoren eingesetzt. Insbesondere bei Abgasen von Brennkraftmaschinen ist die Bestimmung von Gaskonzentrationen von Bedeutung, um ein für die Verbrennung optimales Verhältnis von Luft zu Kraftstoff einstellen zu können. Zur Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas insbesondere in Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Lambda-Sonden eingesetzt. Eine Lambda-Sonde vergleicht den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit dem Luftsauerstoffgehalt und leitet diesen Wert üblicherweise als analoges elektrisches Signal an ein Steuergerät weiter.
Neben sogenannten Sprungsonden, die im Bereich von Lambda = 1, also bei einem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, arbeiten, kommen für Dieselmotoren und Ottomotoren, die auch außerhalb des Lambda = 1-Bereichs betrieben werden, sogenannte Breitbandlambdasonden zum Einsatz. Breitbandlambdasonden können den Restsauerstoffgehalt im Abgas über einen weiten Bereich zuverlässig erfassen. Sie be stehen im Wesentlichen aus einer Kombination einer herkömmlichen, als galvanische Zelle wirkenden Konzentrationssonde (Nernstsonde) sowie einer Grenzstrom- oder Pumpzelle. Dieser komplexe Aufbau ermöglicht die Bestimmung der Luftzahl über einen weiten Bereich, erfordert jedoch auch eine erhöhte Anzahl von Elektroden, ein Heizelement und eine entsprechende Anzahl von Leitungen. Beispielsweise umfasst eine übliche Breitbandlambdasonde eine äußere Pumpelektrode, eine innere Pumpelektrode sowie eine Referenzelektrode und ein Heizelement. Dies erfordert fünf Leitungen bzw. Drähte.
Aus Gründen der Kostenreduktion existieren verschiedene Ansätze, die Sensorgeometrie und die Anbindung des Sensorelements bei Breitbandlambdasonden zu vereinfachen. Dies lässt sich beispielsweise mit einer Sonde, die lediglich zwei Elektroden und vier Leitungen oder sogar nur drei Leitungen aufweist, realisieren. Allerdings erlauben Breitbandlambdasonden mit reduzierter Elektrodenanzahl oftmals nicht mehr ein analoges Messprinzip mit einem kontinuierlichen Messsignal wie bei herkömmlichen Lambdasonden. Es werden daher sogenannte transiente Messverfahren durchgeführt. Hierbei werden anstatt einer kontinuierlichen Messung einer Spannung oder eines Stromes nacheinander mehrere Operationen ausgeführt, mit denen die Sauerstoffkonzentration oder die Konzentration einer anderen Gaskomponente ermittelt werden kann. Diese Operationen können Messvorgänge sein, z. B. die Messung eines Pumpstroms bei festgehaltener Pumpspannung, die Messung eines Spannungsverlaufs zwischen den Elektroden im stromlosen Betrieb und ähnliches. Weiterhin können die Operationen beispielsweise Pumpvorgänge umfassen, wobei beispielsweise eine definierte Sauerstoffmenge von einer Elektrode zur nächsten gepumpt wird. Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 006 501 A1 beschreibt beispielsweise einen Gasmessfühler mit zwei Elektroden, die getaktet angesteuert und in jeder Taktperiode mit einem Potential wechselnder Polarität belegt werden. Für derartige transiente Messverfahren können beispielsweise ein bis zwei Pumpvorgänge mit ein bis zwei Messvorgängen als mehrere Operationen in einem Zyklus kombiniert werden. Aus einer entsprechenden Verrechnung der erhaltenen Einzelmesswerte kann damit ein eindeutiger und ausreichend genauer Wert für die Gaskonzentration im Messgas, insbesondere die Sauerstoffkonzentration, erhalten werden.
Mit transienten Messverfahren können bei reduzierter Elektrodenanzahl einer Lambdasonde genaue Werte für die Sauerstoffkonzentration erhalten werden. Allerdings hat das transiente Messverfahren den Nachteil, dass der Messwert erst nach Abschluss eines Zyklus, der mehrere Operationen umfasst, erhalten wird. Es ist also eine entsprechende Zeitdauer erforderlich, so dass dieses Messverfahren verhältnismäßig langsam ist. Dieses langsame Messverfahren ist insbesondere bei dem Einsatz von Gassensoren in Kraftfahrzeugen unbefriedigend, da hier oftmals schnelle Änderungen der Gaskonzentration, insbesondere schnelle Wechsel der Luftkennzahl Lambda als Maß für den Restsauerstoffgehalt im Abgas, erfasst werden sollen.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors und insbesondere einer Lambdasonde bereitzustellen, die bei reduzierter Elektrodenanzahl eine zuverlässige Erfassung der Konzentration einer Gaskomponente im Messgas ermöglicht und zudem auch den Anforderungen an die Erfassung von schnellen Wechseln der Konzentration der Gaskomponente im Messgas gerecht wird. Hierdurch sollen für Gassensoren mit reduzierter Elektrodenanzahl erweiterte Einsatzmöglichkeiten bereitgestellt und die Anforderungen an eine genaue und schnelle Messbarkeit von Gaskonzentrationen erfüllt werden. Weiterhin sollen mit dem Verfahren der Aufwand und die Kosten für die Messung von Gaskomponenten im Messgas gesenkt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors gelöst, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gassensors dient zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor in wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben wird. Ein erster Betriebsmodus umfasst ein Messverfahren mit wenigstens zwei Operationen pro Messwert. Ein zweiter Betriebsmodus umfasst ein schnelleres Messverfahren mit weniger und/oder insgesamt schnelleren Operationen als im ersten Betriebsmodus, beispielsweise mit einer Operation pro Messwert. Bei dem ersten Betriebsmodus handelt es sich um ein transientes Messverfahren im oben beschriebenen Sinne. Dieser Betriebsmodus erfordert mehrere Schritte bzw. Operationen für die Gewinnung eines Messwertes, der die Konzentration der Gaskomponente im Messgas wiedergibt. Bei den Operationen kann es sich beispielsweise um Pumpvorgänge und/oder Messvorgänge handeln. Die mehreren Schritte bzw. Operationen sind in einen Zyklus zusammengefasst. Dieser Zyklus wird durchlaufen, bevor der Messwert erhalten wird. In diesem Betriebsmodus wird ein genauer Messwert erhalten. Hierfür ist eine gewisse Zeitdauer, insbesondere die Zyklusdauer, erforderlich. Es handelt sich insbesondere um ein zeitdiskretes Messverfahren. Dieser Betriebsmodus arbeitet also verhältnismäßig langsam.
In dem zweiten Betriebsmodus werden weniger Operationen und/oder insgesamt schnellere Operationen als im ersten Betriebsmodus durchgeführt, um einen Messwert zu erhalten. Insbesondere wird eine Operation pro Messwert durchgeführt. Dieses Messverfahren kann zeitdiskret oder kontinuierlich durchgeführt werden. Dadurch kann verhältnismäßig schnell ein Messwert erhalten werden, der unter Umständen eingeschränkt aussagekräftig ist. Vorteilhafterweise ist der Aussagegehalt des Messwertes im zweiten Betriebsmodus jedoch ausreichend, um die Konzentration der Gaskomponente im Messgas zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gassensors erzielt damit den Vorteil, dass durch die Kombination eines verhältnismäßig langsamen Betriebsmodus bei genauer Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente und eines zweiten schnelleren Betriebsmodus eine ausreichend genaue und schnelle Erfassung von Konzentrationen der Gaskomponente im Messgas möglich ist. Dieses Verfahren erlaubt, die Einsatzmöglichkeiten einer Sonde mit reduzierter Elektrodenzahl, beispielsweise einer Lambdasonde mit lediglich zwei Elektroden, insbesondere in Form einer 4-Draht-Sonde oder einer 3-Draht-Sonde, stark zu erweitern. Gleichzeitig erfordert das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Sonde bzw. eines Sensors keinen oder kaum zusätzlichen Aufwand bei der Realisierung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im zweiten Betriebsmodus, der weniger und/oder insgesamt schnellere Operationen als im ersten Betriebsmodus, beispielsweise eine Operation pro Messwert, umfasst, für die Auswertung des Messwerts zur Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente im Messgas der Messwert mit einer oder mehreren weiteren Informationen kombiniert. Hierdurch kann die Aussagekraft des im zweiten Betriebsmodus erhaltenden Messwerts erheblich gesteigert werden. Insbesondere kann hierdurch bei einem beispielsweise mehrdeutigen Messwert zuverlässig auf die tatsächliche Konzentration der Gaskomponente rückgeschlossen werden.
In bevorzugter Weise können die weiteren Informationen vom Motorsteuergerät bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Motorsteuergerät Informationen bezüglich des zu erwartenden Messwertes liefern. So kann z. B. aus einer Information hinsichtlich der eingespritzten Kraftstoffmenge gefolgert werden, ob ein fettes oder ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch mit entsprechender Luftkennzahl zu erwarten ist. Bei einem mehrdeutigen Messwert im zweiten Betriebsmodus, der entweder auf ein fettes oder ein mageres Gemisch hindeutet, kann mithilfe dieser Information vom Motorsteuergerät eine exakte Aussage zur tatsächlichen Konzentration der Gaskomponente im Messgas getroffen werden. Auf diese Weise kann durch Informationen des Motorsteuergerätes eine kurzzeitige Doppel- oder Mehrdeutigkeit von einem im zweiten Betriebsmodus ermittelten Messwert aufgrund des Kontextes im Nachhinein aufgelöst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die weiteren Informationen zur Auswertung des Messwertes im zweiten Betriebsmodus von der Steuerelektronik des Gassensors bereitgestellt. Weiterhin können diese weiteren Informationen durch Berücksichtigung von wenigstens einem zuvor gemessenen Messwert bereitgestellt werden, beispielsweise durch Vergleich mit dem vorherigen Messwert unter geeigneten Plausibilitätsannahmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zur Auswertung des Messwertes, der im zweiten Betriebsmodus gemessen wurde, eine Einschränkung des Konzentrationsbereichs der Gaskomponente herangezogen. Auch hierdurch kann beispielsweise eine Doppel- oder Mehrdeutigkeit des Messwertes aufgelöst werden, indem nur ein zuvor bestimmter Konzentrationsbereich für beispielsweise die Luftkennzahl in der Auswertung berücksichtigt wird.
Weiterhin kann beispielsweise eine verringerte Anforderung an die Genauigkeit des Messwertes im zweiten Betriebsmodus zur Auswertung dieses Messwertes herangezogen werden, beispielsweise indem diesem Messwert eine höhere Fehlertoleranz zugemessen wird. Weiterhin kann für die Auswertung des Messwertes im zweiten Betriebsmodus beispielsweise ein systematischer Fehler, zum Beispiel eine Fettverschiebung, als weitere Information berücksichtigt werden, die durch einen Vergleich mit den Messwerten des ersten Betriebsmodus kompensiert werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Durchführung des zweiten Betriebsmodus eine Operation des ersten Betriebsmodus für die Messung des Messwertes genutzt. Hierdurch können beide Betriebsmodi etwa zeitgleich durchgeführt werden, indem beim ersten Betriebsmodus der gesamte Zyklus von zwei oder mehr Operationen durchlaufen wird, bevor ein Messwert erhalten wird und für den zweiten Betriebsmodus die einzelnen Operationen des Zyklus zur Erzielung eines Messwertes herangezogen werden.
Erfindungsgemäß kann die Durchführung von zwei Betriebsmodi, wie oben beschrieben, vorgesehen sein. Es kann auch bevorzugt sein, mehr als zwei unterschiedliche Betriebsmodi im erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen. Hierbei kann beispielsweise ein erster Betriebsmodus mit mehr als zwei Operationen pro Messwert vorgesehen sein, der sehr genaue Messwerte liefert. Ein weiterer Betriebsmodus kann mit beispielsweise zwei Operationen pro Messwert und ein dritter Betriebsmodus mit einer Operation pro Messwert vorgesehen sein. Dieser dritte Betriebsmodus ermöglicht eine sehr schnelle Erzielung von Messwerten, die allerdings mit entsprechenden Ungenauigkeiten behaftet sind. Der in dieser Ausführungsform zweite Betriebsmodus ermöglicht eine relativ genaue und relativ schnelle Erzielung von Messwerten. In entsprechender Weise können weitere Betriebsmodi vorgesehen sein. Die obige Beschreibung von erstem und zweitem Betriebsmodus ist bei der Durchführung von mehreren Betriebsmodi entsprechend auf den ersten und die weiteren Betriebsmodi anwendbar. Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mehr als zwei verschiedene Betriebsmodi vorsehen, können mit diesen weiteren Betriebsmodi Abstufungen der Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit und der Geschwindigkeit zur Gewinnung von Messwerten durch den Einsatz der verschiedenen Betriebsmodi vorgenommen werden. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Sensorgeometrie bzw. eine Sensoranordnung sehr flexibel an unterschiedliche Anforderungen ausgerichtet und angepasst werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können sich die wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Verfahrens in der erforderlichen Dauer für die Durchführung der Operationen in den einzelnen Betriebsmodi unterscheiden. Beispielsweise kann im ersten Betriebsmodus das Messverfahren zwei Operationen umfassen, die jeweils verhältnismäßig langsam sind bzw. eine verhältnismäßig lange Zeitdauer umfassen. Im zweiten Betriebsmodus können ebenfalls zwei Operationen vorgesehen sein, von welchen zumindest eine Operation schneller ist bzw. eine kürzere Zeitdauer erfordert als die Operationen des ersten Betriebsmodus. In dieser Ausführungsform werden in beiden Betriebsmodi die gleiche Anzahl von Operationen durchgeführt. Der zweite Betriebsmodus ist jedoch verhältnismäßig schneller und auch ungenauer, da zumindest eine der durchgeführten Operationen des zweiten Betriebsmodus schneller und gegebenenfalls weniger aussagekräftig ist.
Erfindungsgemäß wird zwischen den verschiedenen Betriebsmodi des Verfahrens gewechselt. Besonders bevorzugt ist es, wenn zwischen den Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Konzentration der Gaskomponente im Messgas gewechselt wird. Vorzugsweise kann bei im zeitlichen Verlauf wenig variierender Gaskonzentration der erste Betriebsmodus, der verhältnismäßig langsam Messwerte erzielt, durchgeführt werden. Bei stärker variierender Gaskonzentration kann der zweite Betriebsmodus, der verhältnismäßig schnell Messwerte liefert, durchgeführt werden. Mit besonderem Vorteil kann ein Wechsel des Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Differenz zwischen zwei gemessenen Messwerten erfolgen. Beispielweise kann im ersten, schnellen und genauen Betriebsmodus gemessen werden, solange keine starke Änderung des Lambdawertes stattfindet bzw. detektiert wird. Dies liefert dem Steuergerät ein möglichst genaues Bild der Zusammensetzung des Abgases bzw. der Konzentration der Gaskomponente im Messgas. Wird beim Vergleich der letzten beiden Messwerte oder auch der Teilmesswerte innerhalb eines Zyklus eine verhältnismäßig starke Differenz bzw. Änderung festgestellt, so kann in den zweiten Betriebsmodus gesprungen werden, der verhältnismäßig schnell Messwerte bereitstellt. Nach dem Wechsel in den zweiten Betriebsmodus kann cm im Vergleich zum vorherigen Wert aus dem ersten Betriebsmodus möglicherweise ungenaues, aber schnelles Signal erzeugt werden. Wenn die Signal- bzw. Messwertänderung pro Zeit wieder geringer wird, kann in den ersten, relativ langsamen aber genauen Betriebsmodus gewechselt werden.
Der Wechsel der Betriebsmodi kann beispielsweise durch externe Signale bzw. Vorgaben erfolgen, beispielsweise mit Hilfe des Motorsteuergerätes oder mittels der Steuerelektronik einer Lambdasonde. Den Befehl zum Wechsel zwischen erstem oder zweitem Betriebsmodus kann beispielsweise das Motorsteuergerät über den CAN-Bus geben. Inmitten einer Fettphase können z. B. durch Messung im ersten Betriebsmodus genaue Lambdawerte erfasst werden. Sobald wieder in eine magere Phase zurückgesprungen wird, gibt das Motorsteuergerät insbesondere der Lambda-Steuerelektronik die Anweisung, in den zweiten Betriebsmodus zu wechseln. Hierdurch kann der Wechsel zeitnah verfolgt werden. Bei einer Steuerung durch das Motorsteuergerät wird daher mit Vorteil erreicht, dass ein Lambdawechsel nicht erst mit Aufwand erkannt werden muss, sondern dass ein solcher Wechsel gezielt abgetastet werden kann. Ein Wechsel zwischen den Betriebsmodi kann daher mit besonderem Vorteil durch eine externe Triggerung, insbesondere über das Motorsteuergerät erfolgen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Wechsel zwischen den Betriebsmodi als Reaktion auf eine Analyse der Messwerte erfolgen. Hierbei kann die Plausibilität oder die Stärke der letzten Änderung der Messwerte oder die Variation der gemessenen Signale berücksichtigt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gassensor eine Lambdasonde, die insbesondere zur Messung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas einer Brennkraftmaschine bzw. eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Lambdasonde um eine Lambdasonde mit reduzierter Elektrodenanzahl, insbesondere um eine Lambdasonde mit zwei Elektroden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit Vorteil für Breitbandlambdasonden einsetzbar. Darüber hinaus kann es auch bei sogenannten Sprungsonden bzw. Zweipunktsonden eingesetzt werden. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Sensortypen anwendbar, beispielsweise Stickoxidsensoren oder Kohlenmonoxidsensoren, die bei der Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Messgas eingesetzt werden können.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Mit besonderem Vorteil kommen die erfindungsgemäßen Computerprogramme bzw. Computerprogrammprodukte bei der Ausführung von Fahrzeugen zum Einsatz, um insbesondere bei Verwendung von Sensoren mit reduzierter Elektrodenanzahl die Konzentration von Gaskomponenten im Abgas zuverlässig und schnell zu bestimmen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen hervor. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 einen schematischer Verlauf des Sauerstoffgehalts mit zwei zeitdiskreten Betriebsmodi gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 einen schematischer Verlauf des Sauerstoffgehalts mit einem zeitdiskreten und einem doppeldeutigen kontinuierlichen Betriebsmodus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt in schematischer Weise eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei sind ein erster Betriebsmodus 1 und ein zweiter Betriebsmodus 2 dargestellt. Der Betriebsmodus 1 beinhaltet ein Messverfahren mit wenigstens zwei Operationen pro Messwert zur Ermittlung der Gaskonzentration einer Gaskomponente in einem Messgas. Der zweite Betriebsmodus 2 beinhaltet ein Messverfahren mit weniger und/oder insgesamt schnelleren Operationen als im ersten Betriebsmodus, beispielsweise mit einer Operation pro Messwert, zur Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente im Messgas. Das Messverfahren im ersten Betriebsmodus 1 ist ein verhältnismäßig langsames Messverfahren, das die genaue Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente ermöglicht. Das Messverfahren im zweiten Betriebsmodus 2 ist ein relativ schnelles Messverfahren, das ebenfalls zur Ermittlung der Konzentration der Gaskomponente dient, das jedoch unter Umständen eingeschränkt aussagekräftig ist. Zwischen beiden Betriebsmodi wird gewechselt, so dass im Ergebnis ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors bereitgestellt wird, das auch bei reduzierter Gestaltung des Sensors, beispielsweise einer reduzierten Elektrodenanzahl, eine ausreichend genaue und ausreichend schnelle Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente im Messgas erlaubt. Der Wechsel zwischen den Betriebsmodi 1 und 2 erfolgt mittels eines Auswahlelements 3, beispielsweise eines Schalters. Dieses Auswahlelement 3 wird durch eine Vorgabe 4 gesteuert. Bei dieser Vorgabe 4 kann es sich beispielsweise um ein Signal aus einem Steuergerät, insbesondere dem Motorsteuergerät, handeln. Weiterhin kann es sich um andere externe oder interne Signale handeln, beispielsweise Signale der Steuerelektronik des Sensors. Weiterhin kann sich diese Vorgabe 4 auf Messwerte beziehen, die die Variation der Konzentration der Gaskomponente im Messgas widerspiegeln. Beispielsweise kann hierbei eine Differenz von zwei gemessenen Messwerten, insbesondere von in Folge gemessenen Messwerten, herangezogen werden, um ein Signal zum Wechsel über das Auswahlelement 3 zu induzieren. So kann bei wenig variierender Gaskonzentration im Messgas beispielsweise der erste Betriebsmodus 1 angesteuert werden. Bei stärker variierender Gaskonzentration, insbesondere bei größerer Differenz zwischen zwei gemessenen Messwerten, kann der zweite Betriebsmodus 2 über das Auswahlelement 3 angesteuert werden. Die in den verschiedenen Betriebsmodi 1 und 2 er fassten Messwerte, insbesondere die damit ermittelten Konzentrationen von Gaskomponenten, können als weitere Informationen bzw. Signale auf das Auswahlelement 3 einwirken.
2 zeigt in schematischer Weise den zeitlichen Verlauf der Luftkennzahl Lambda, der um 1 alterniert. Der Sauerstoffgehalt wird mittels einer Lambdasonde gemessen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Lambda als Maß für die Sauerstoffkonzentration in einem Messgas in mindestens zwei verschiedenen Betriebsmodi gemessen. In diesem Beispiel handelt es sich bei beiden Betriebsmodi jeweils um ein zeitdiskretes Messverfahren (durchgezogene Linien) mit einem bestimmten Fehlerintervall (gestrichelte Linien). Dieses Fehlerintervall spiegelt die Genauigkeit der Messung des jeweiligen Betriebsmodus wider. Im ersten Betriebsmodus 11 ist das Fehlerintervall verhältnismäßig klein bei verhältnismäßig langem Messintervall. Beim Betriebsmodus 12 ist das Fehlerintervall verhältnismäßig groß bei relativ kurzer Messdauer. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zwischen beiden Betriebsmodi gewechselt wird. Für Bereiche mit schwach variierender Luftkennzahl Lambda wird der langsamere, aber genauere Betriebsmodus 11 verwendet. Für die Bereiche mit stärker variierender Luftkennzahl Lambda wird der schnellere, aber stärker fehlerbehaftete Betriebsmodus 12 eingesetzt.
3 zeigt in vergleichbarer Weise den zeitlichen Verlauf der Luftkennzahl Lambda als kennzeichnende Größe für den Sauerstoffgehalt in einem Messgas, wobei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei unterschiedliche Betriebsmodi vorgesehen sind. Der zeitdiskrete erste Betriebsmodus 21 liefert bei verhältnismäßig langer Messdauer einen verhältnismäßig genauen Messwert. Im zweiten Betriebsmodus 22 wird die Luftkennzahl Lambda kontinuierlich gemessen. Allerdings ergibt diese kontinuierliche Messung doppeldeutige Messwerte, die als zwei mögliche Zuordnungen 22, 22' mit ihren jeweiligen Fehlerbereichen (gestrichelte Linien) dargestellt sind. Die Auswahl der richtigen Zuordnung 22 und damit die Auswertung der Messwerte im zweiten Betriebsmodus erfolgt anhand der zuvor gemessenen zeitdiskreten Messwerte, die im verhältnismäßig genauen ersten Betriebsmodus 21 erzielt wurden. Anhand dieser Informationen aus den Messwerten des ersten Betriebsmodus 21 lassen sich die im zweiten Betriebsmodus erzielten doppeldeutigen Messwerte 22, 22' eindeutig auflösen und den tatsächlichen Sauerstoffkonzentrationen zuordnen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen Sensortyp, der als Breitbandlambdasonde zur Bestimmung des Restsauerstoffgehalts im Abgas eine Brennkraftmaschine lediglich zwei Elektroden aufweist. Dieser Sensortyp zeichnet sich durch eine annähernd lineare Kennlinie im mageren und eine weitere annährend lineare Kennlinie im fetten Abgas aus. Eine eindeutige Zuordnung eines Pumpstrommesswertes ist damit nicht möglich, da jeder Pumpstromwert sowohl einem Lambdawert im Mageren als auch einem Lambdawerte im Fetten zugeordnet werden kann (V-Kennlinie). Mittels einer periodischen Umpolung der Pumpspannung kann daraus ein eindeutiger Wert für Lambda ermittelt werden. Dies erfordert eine bestimmte Zeitspanne T, die eine erste Phase zur Messung in positiver Polarität, eine zweite Phase zum Umladen der Elektroden durch Anlegen geeigneter negativer Spannungen, eine dritte Phase zur Messung in negativer Polarität und eine vierte Phase zum Umladen der Elektroden durch Anlegen geeigneter positiver Spannung umfasst. Nach Durchlaufen dieser verschiedenen Operationen in einem Zyklus wird ein eindeutiger Messwert erzielt. Dieser Betriebsmodus wird erfindungsgemäß als erster Betriebsmodus bezeichnet, der verhältnismäßig langsam ist. Jede Einzelmessung jeder Polarität erzeugt einen Messwert für Lambda, der jedoch doppeldeutig ist. Wenn die Information hinzugezogen wird, ob Lambda größer oder kleiner als 1 ist, kann mit diesen Messwerten eindeutig auf den tatsächlichen Lambdawert geschlossen werden. Im zweiten Betriebsmodus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher ein Messwert in nur einer Polarisation gemessen und aus diesem Messwert auf den tatsächlichen Lambdawert geschlossen. Dies ist solange möglich, solange kein Lambda-1-Durchgang stattfindet. Im zweiten Betriebsmodus wird daher nur in einer Polarisation gemessen, vorzugweise in der Polarisation, die im jeweiligen Moment anliegt. Solange kein Lambda-1-Durchgang stattfindet, ist damit eine kontinuierliche Messung mit eindeutiger Auswertung der Messwerte möglich. Findet ein Lambda-1-Durchgang statt, kann dies anhand des erst fallenden und dann wieder steigenden Pumpstroms detektiert werden, solange die Lambda-Änderung stetig ist. Beim normalen Benzinbetrieb können also im fetten bzw. im mageren Zustand eine oder mehrere genaue Messungen im zweiten Betriebsmodus erfolgen. Danach verfolgt der Sensor im zweiten Betriebsmodus die Lambda-Änderung, gegebenenfalls mit Detektion des Lambda-1-Durchgangs. Der Rückwechsel zum ersten, genauen Betriebsmodus findet zum Beispiel über einen Befehl des Motorsteuergeräts statt, das einen neuen statischen Lambdawert erwartet und/oder detektiert. Der Wechsel kann auch erfolgen, wenn die Pumpstromänderung pro Zeit gering genug geworden ist, oder wenn die Steuerelektronik der Lambdasonde aufgrund der aufgezeichneten Historie dem gemessenen Lambdawert einen zu geringen Verlässlichkeitswert zuordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005006501 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor in wenigstens zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben wird, wobei ein erster Betriebsmodus (1) ein Messverfahren mit wenigstens zwei Operationen pro Messwert und ein zweiter Betriebsmodus (2) ein schnelleres Messverfahren mit weniger und/oder insgesamt schnelleren Operationen als im ersten Betriebsmodus pro Messwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus für eine Auswertung des Messwerts zur Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente in dem Messgas der Messwert mit weiteren Informationen kombiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Informationen vom Motorsteuergerät bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Informationen von der Steuerelektronik des Gassensors bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Informationen durch Berücksichtigung von wenigstens einem zuvor gemessenen Messwert bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Informationen eine Einschränkung des Konzentrationsbereichs der Gaskomponente sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten Betriebsmodus eine Operation des ersten Betriebsmodus für die Messung des Messwerts genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Konzentration der Gaskomponente in dem Messgas gewechselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei im zeitlichen Verlauf wenig variierender Gaskonzentration im Messgas der erste Betriebsmodus und/oder bei stärker variierender Gaskonzentration im Messgas der zweite Betriebsmodus durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel des Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Differenz zwischen zwei gemessenen Messwerten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel des Betriebsmodus extern gesteuert wird, insbesondere durch das Motorsteuergerät.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine Lambdasonde, insbesondere eine Lambdasonde mit zwei Elektroden, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor ein Stickoxidsensor ist.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.