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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Sonde zur Bestimmung
von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, insbesondere von Abgaskomponenten
in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei wenigstens zwei Elektroden
an einem Sensorelement in Form eines Festelektrolyten angeordnet
sind und bei der anhand eines gemessenen charakteristischen Strom-Spannungsverlaufs
einer an den Elektroden anliegenden Spannung und eines durch den
Festelektrolyten fließenden Stroms auf die Gaskomponenten
geschlossen wird.
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Solche
Sensoren gehen beispielsweise aus der
Buchveröffentlichung
Bosch „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", 25.
Auflage, Seite 133, 134 oder beispielsweise aus der
DE 198 38 456 A1 oder
DE 10 2004 042 027
A1 hervor.
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Stand der Technik
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Derartige
Sonden basieren auf keramischen Sensorelementen, typischerweise
Zirkonoxid, auf/an denen Elektroden angeordnet sind, beispielsweise eine äußere
Pumpelektrode, eine innere Pumpelektrode, eine Referenzelektrode,
eine Nernstelektrode und dergleichen. Die Sonden werden durch eine
Heizung beheizt, wodurch der Effekt ausgenutzt wird, dass bei höheren
Temperaturen, beispielsweise Temperaturen größer
als 400°C Sauerstoffionen in dem keramischen Sensorelement
mobil sind, das heißt Sauerstoffionen in dem Sensorelement „zu wandern” in
der Lage sind. Der ohmsche Widerstand des Ionentransports zwischen
den Funktionselektroden, der normalerweise als hochfrequenter Wechselstromwiderstand
(3 kHz) gemessen wird, korreliert in umkehrbar eindeutiger Weise
mit der Temperatur des Sensorelements. Aus diesem Grunde wird beispielsweise
der Wechselstromwiderstand als Regelgröße der
Heizleistung verwendet, sodass eine stabile Sensortemperatur und
damit eine ordnungsgemäße Sensorfunktion gewährleistet
werden können.
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Nun
altert das keramische Sensorelement über dessen Lebensdauer,
was zur Folge hat, dass sich der Wechselstromwiderstand bei gleicher
Temperatur erhöht. Dies wiederum liefert falsche Informationen
für die vorbeschriebene Heizungsregelung, nämlich
die Information, dass das Sensorelement zu kalt ist. Aus diesem
Grunde wird mit zunehmender Alterung des keramischen Sensorelements
eine größere Heizleistung eingespeist, um schließlich
den Nominal-Widerstand zu erreichen. Eine Überheizung des
Sensorelements um ca. 100°C erfordert einen künstlich überhöhten
Heizspannungsbedarf. Hierdurch können die Sensorsignale
verändert werden und es muss darüber hinaus die
Temperaturfestigkeit der Keramikmaterialien und der Elektroden auch
bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei 800°–900°C,
sichergestellt werden. Die präzise Bestimmung der Temperatur
des keramischen Sensorelements stellt mit anderen Worten ein nicht
unerhebliches Problem dar. Der vorliegenden Erfindung liegt daher
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Sensorelements zu vermitteln, welches eine sehr präzise
Bestimmung der Temperatur des keramischen Sensorelements ermöglicht und
die vorbeschriebenen Nachteile und Probleme beseitigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements
der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass eine
elektrische Größe, entweder die Spannung oder
der Strom so lange verändert werden, bis die korrespondierende
elektrische Größe Strom bzw. Spannung einen zuvor
bestimmten Schwellenwert erreicht, und dass aus der für
die Erreichung des Schwellenwertes notwendigen veränderten
elektrischen Größe auf wenigstens eine die Sonde
charakterisierende Größe, insbesondere die Temperatur
des Sensorelements, geschlossen wird. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren ist eine alterungsresistente Bestimmung der Temperatur
des Sensorelements möglich, die insbesondere nicht auf
der ionischen Leitfähigkeit der Keramik basiert. Das Ver fahren
ist sowohl bei Lambdasonden, Sprung- und Breitbandsonden als auch
bei Partikelsensoren und NOx-Sensoren einsetzbar.
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Grundidee
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine
die Gaszusammensetzung oder sogar das Sensorelement selbst betreffende
Veränderung durch Variation einer elektrischen Größe
hervorzurufen und diese Veränderung anhand beispielsweise
der korrespondierenden elektrischen Größe zu erkennen,
also beispielsweise die Spannung zu verändern, bis zum
Beispiel eine Wasserzersetzung im Falle einer Breitband-Lambdasonde
oder einer Sprungsonde auftritt und dies anhand des gemessenen Stromes
zu erkennen, oder beispielsweise bei einer Sprungsonde mit gepumpter
Referenz eine vorgebbare negative Spannung an die Referenzelektrode
gegenüber einer abgasseitigen Elektrode anzulegen und aus
dem sich dabei einstellenden Grenzstrom auf die Alterung des Sensorelements
zu schließen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
So sieht beispielsweise eine vorteilhafte Ausführungsform
vor, die Spannung an den beiden Elektroden des Sensorelements so
lange zu erhöhen, bis eine sich dabei einstellende Stromzunahme
einen definierten, zuvor bestimmten Schwellenwert überschreitet
und aus der für die Überschreitung dieses Schwellenwerts
notwendigen Spannung auf die Temperatur des Sensorelements zu schließen.
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Dabei
werden besonders vorteilhaft die Zusammenhänge zwischen
dem Schwellenwert, der Stromzunahme, der notwendigen Spannung und
der Temperatur in einem Kennfeld hinterlegt.
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Im
Falle einer Breitbandsonde mit Diffusionsbarriere sieht eine Ausgestaltung
des Verfahrens vor, einen in einer konstanten Abgasatmosphäre
eingeregelten Pumpstrom um einen definierten Betrag zu erhöhen
und aus der sich dabei einstellenden Pumpspannung auf die Temperatur
des Sensorelements zu schließen. Aufgrund der dabei ermittelten
Temperatur können Rückschlüsse auf die
Alterung des Sensorelements gezogen werden.
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Bei
einer Breitbandsonde oder Sprungsonde mit gepumpter Referenz oder
mit Referenzluftkanal kann vorgesehen sein, eine negative Spannung,
beispielswei se eine Spannung von –0,5 V, an eine Referenzelektrode
gegenüber einer abgasseitigen Elektrode anzulegen und aus
dem sich nach einer vorgebbaren definierten Zeitdauer einstellenden
Grenzstrom auf die Temperatur oder Alterung des Sensorelements zu
schließen.
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Die
bestimmte Temperatur wird vorteilhafterweise als Sollgröße
für eine Heizregelung der Sonde verwendet. Hierzu wird
beispielsweise der Wechselstromwiderstand der Sondenkeramik bestimmt
und ein in einem Regelkreislauf einzuregelnder Soll-Wechselstromwiderstand
der Keramik so lange verändert, das heißt vergrößert,
bis die gemessene Temperatur aus der Wasserzersetzung/Elektronenleitung
mit der Nominaltemperatur übereinstimmt. Der dabei resultierende
Wechselstromwiderstand wird daraufhin als neue Regel-Sollgröße
der Heizregelung verwendet.
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Das
Kalibrationsverfahren kann auch so durchgeführt werden,
dass bei festgestellter Abweichung des aktuellen Messwerts, beispielsweise
der Pumpspannung, von dem Messwert, der im Neuzustand ermittelt
und in der Software abgespeichert wurde, die Temperatur soweit verringert
wird, bis sich wieder dieser erste Wert einstellt. Der dann gemessene
ionische AC-Widerstand der Keramik ist der neue Soll-AC-Widerstand,
auf den bis zur nächsten Re-Kalibrierung geregelt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch
eine Breitbandlambdasonde, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
ist und bei der das erfindungsgemäße Verfahren
zum Einsatz kommt, dargestellt und
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2 schematisch
die Strom-Spannungskurve einer derartigen Lambdasonde zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Breitband-Lambdasonde
dargestellt, bei der das nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren zum Einsatz kommen kann.
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Die
Breitband-Lambdasonde weist eine Nernstkonzentrationszelle 1 und
eine Sauerstoff-Pumpzelle 2 auf. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wird
durch eine äußere Pumpelektrode 21 und
eine innere Pumpelektrode 22 gebildet. Die innere Pumpelektrode 22 ist
in einem Messhohlraum 23 angeordnet, der über
einen Abgaszutrittskanal 24 mit dem Abgas einer (nicht
dargestellten) Brennkraftmaschine verbunden ist. Vom Abgaszutrittskanal 24 gelangt das
Abgas über eine Diffusionsbarriere 3 in den Messhohlraum 23.
Die Nernst-Konzentrationszelle wird durch die innere Abgaselektrode 22 und
eine Referenzelektrode 11 gebildet, die in einem Referenzhohlraum 12 angeordnet
ist. Das Sensorelement besteht aus einem Schichtaufbau aus keramischen Schichten,
beispielsweise aus Zirkonoxidschichten. Die dem Abgas ausgesetzte äußere
Abgaselektrode 21 ist durch eine Schutzschicht 26 überdeckt.
Zwischen Referenzelektrode 11 und Masse wird eine Spannung
ausgekoppelt, die in der Regelschaltung in Form eines Operationsverstärkers 6 zugeführt wird.
Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 6 liegt
die an der Referenzelektrode 11 anliegende Spannung an
und am nicht invertierenden Eingang eine Referenzspannung Uref. Der Ausgang des Operationsverstärkers 6 ist über
einen ohmschen Widerstand 61 mit der äußeren
Pumpelektrode 21 verbunden. Der Operationsverstärker 6 erzeugt
einen Pumpstrom IP, der veränderlich
ist. An die Pumpzelle wird von außen eine Spannung angelegt.
Ist die Spannung groß genug, stellt sich ein „Grenzstrom” ein,
der proportional dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf
beiden Seiten der Sonde ist. Mit dem Strom werden – polaritätsabhängig – Sauerstoffatome
transportiert. Die Regelschaltung bewirkt, dass der Konzentrationszelle
von der Pumpzelle über den sehr engen Diffusionsspalt und
die Diffusionsbarriere so viel Sauerstoff aus dem Abgas zugeführt
wird, dass in ihr der Zustand Lambda = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss
im Abgas (Magerbetrieb) wird Sauerstoff abgepumpt, bei geringem
Luftgehalt des Abgases (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der
Pumpspannung Sauerstoff zugeführt. Der Pumpstrom bildet
das Ausgangssignal und korrespondiert mit der Luftzahl Lambda.
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Die
die Sonde bildende Keramik altert über der Lebensdauer.
Dies hat zur Folge, dass sich der Widerstand der Sondenkeramik,
der beispielsweise als Wechselstromwiderstand (AC-Widerstand) zwischen
Referenzelektrode 12 und innerer Abgaselektrode 22 oder
zwischen innerer Abgaselektrode 22 und äußerer
Abgaselektrode 21 gemessen werden kann, bei gleicher Temperatur
erhöht. Dies wiederum liefert einer Heizerregelung des
Heizers 5 eine falsche Information, nämlich die
Information, dass das Sensorelement zu kalt ist. Es ist hierbei
zu bemerken, dass die Heizerspannung UH abhängig
von diesem AC-Widerstand und damit abhängig von der Sondenkeramik-Temperatur
geregelt wird (in 1 nicht dargestellt). Die Erhöhung
des Wechselstromwiderstands bei gleicher Temperatur führt
wiederum dazu, dass mehr Heizleistung eingespeist wird, um schließlich
den Nominal-Widerstand zu erreichen. Diese Überheizung
des Sensorelements, die bei gewöhnlicher Alterung des Sensorelements
etwa 100°C beträgt, erfordert einen künstlich überhöhten
Heizspannungsbedarf. Hierdurch können zudem Sensorsignale
verändert werden und es muss darüber hinaus sichergestellt
werden, dass die Temperaturfestigkeit des Keramik-Materials und
der Elektroden auch bei höheren Temperaturen, und zwar
Temperaturen bis zu 880°C, sichergestellt wird.
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Das
nachfolgend beschriebene Verfahren ermöglicht die Temperaturbestimmung
des Sondenelements unabhängig von der ionischen Leitfähigkeit der
Keramik, die in den AC-Widerstand eingeht. Das Verfahren ermöglicht
damit eine alterungsbeständige Messung der Temperatur bei
beispielsweise derartigen Lambdasonden, aber auch bei NOx-Sensoren, Partikelsensoren
und dergleichen.
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Anhand
der 2 wird eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens unter Verwendung eines in 1 dargestellten
Breitband-Lambdasensors beispielhaft beschrieben.
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Es
wird zunächst für eine bestimmte und vorgegebene
Zeitspanne in einem vorgegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine
bei einer konstanten mageren oder stöchiometrischen Abgaszusammensetzung
der aktuelle Grenzstrom der Diffusionsbarriere (IgDB) ermittelt.
Dieser Grenzstrom wird beispielsweise in 2 bei 1
V Pumpspannung ermittelt. Sodann wird die Pumpspannung U_IPE-APE soweit
erhöht, bis das Grenzstromplateau, in 2 mit
P bezeichnet, verlassen wird und der Strom auf einen Wert angestiegen
ist, der um einen vorge gebenen Betrag, beispielsweise 0,1 mA im
Falle einer Breitband-Lambdasonde, größer ist
als der zuvor bestimmte Wert des Grenzstroms IgDB bei dieser Abgaszusammensetzung.
Dieser zusätzliche Strom resultiert aus der Zersetzung
von Wasser und/oder der elektronischen Leitfähigkeit der
Zirkonoxid-Keramik. Die hierfür benötigte Pumpspannung
korreliert in jedem Falle mit der Elektrodentemperatur. Da der Beginn
der Wasserzersetzung/Elektronenleitung nur wenig vom Zustand der
Platin-Elektroden und der ionischen Leitfähigkeit des Elektrolyten
abhängt, ist diese Messgröße nicht von
der vergangenen Betriebszeit des Sensors, das heißt von
seinem Alter, abhängig. Es ist damit auf diese Weise durch
Verändern einer elektrischen Größe, im
vorliegendem Falle der Pumpspannung und Erfassen der korrespondierenden
elektrischen Größe, im vorliegenden Falle des
Grenzstroms in umkehrbar eindeutiger Weise auf die Temperatur der
Sondenkeramik zu schließen.
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Das
Ergebnis dieser Messung kann nun wiederum zur Regelung des Heizers 5 verwendet
werden. Hierzu wird die für den erhöhten Strom
benötigte Pumpspannung über ein Kennfeld einer
Keramiktemperatur zugeordnet. Diese Temperatur wird mit einer Nominaltemperatur,
die typischerweise 780°C beträgt, verglichen.
Falls Abweichungen auftreten, wird der einzuregelnde Soll-AC-Widerstand
der Keramik so lange verändert, das heißt vergrößert,
bis die auf die vorstehend beschriebene Weise gemessene Temperatur
aus der Wasserzersetzung/Elekronenleitung mit der Nominaltemperatur übereinstimmt.
Das Kalibrationsverfahren kann auch so durchgeführt werden,
dass bei festgestellter Abweichung des aktuellen Messwerts, beispielsweise
der Pumpspannung, von dem Messwert, der im Neuzustand ermittelt
und in der Software abgespeichert wurde, die Temperatur soweit verringert
wird, bis sich wieder dieser erste Wert einstellt. Der dann gemessene
ionische AC-Widerstand der Keramik ist der neue Soll-AC-Widerstand,
auf den bis zur nächsten Re-Kalibrierung geregelt wird.
Der resultierende AC-Widerstand wird daraufhin als neue Regel-Sollgröße
in dem Steuergerät, insbesondere in einem Computerprogramm, das
auch auf einem Steuergerät abläuft, gespeichert und
dem weiteren Betrieb der Sonde zugrunde gelegt. Auf diese Weise
ist es möglich, die Sondentemperatur mit der aus dem Stand
der Technik bekannten hohen Dynamik aufgrund der Kenntnis des AC-Widerstands
zu regeln. Eine solche Kalibrierung der Heizregelung kann in definierten
Zeitabständen, zum Beispiel alle 500 Betriebsstunden wiederholt werden.
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Eine
zyklische Re-Kalibrierung des Soll-AC-Widerstands kann auch bei
Sprungsonden vorgenommen werden, indem bei Lambda = 1 ein definierter
Strom von der Außenelektrode zur Referenzelektrode gepumpt
wird und auch hier aus der benötigten Pumpspannung auf
die Temperatur geschlossen wird.
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In
entsprechender Weise kann auch bei einem Partikelsensor die Temperatur
bestimmt werden. Ein Partikelsensor oder ein beliebiger anderer Sensor,
bei dem zwei Elektroden durch ein keramisches Material ionisch leitend
verbunden sind, kann beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt
werden, die kontinuierlich so lange erhöht wird, bis ein sich
dabei einstellender Strom zwischen den Elektroden einen definierten,
zuvor bestimmten Schwellenwert überschreitet. Aus der für
die Überschreitung dieses Schwellenwertes notwendigen Spannung kann
auf die Temperatur geschlossen werden, indem diese wiederum beispielsweise
einem Kennfeld, in dem Spannung, Strom und Temperatur einander zugeordnet
sind, entnommen wird.
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Das
Verfahren kann aber auch bei einer Breitband- oder NOx-Sonde oder
einer Sprungsonde mit gepumpter Referenz zum Einsatz kommen. Bei einer
gepumpten Referenz wird dabei durch Aufprägen eines permanenten
geringen Referenzpumpstroms die Referenzelektrode mit einer Sauerstoffatmosphäre
beaufschlagt, die einen Überdruck erzeugt und auch dadurch
die Nernstspannung beeinflusst. Je nach Temperatur kann mehr oder
weniger Sauerstoff aus dem Referenzraum wegdiffundieren und somit
ein unterschiedlicher Gleichgewichts-Absolutdruck im Referenzraum
entstehen. Aus diesem Grund wird das Galvanipotenzial der Referenzelektrode
und somit die Nernstspannung zwischen Referenzelektrode und einer
abgasseitigen Elektrode von der Temperatur beeinflusst. Gemessen
wird sowohl bei der Sprung- als auch bei der Breitbandsonde in einem
Zustand mit ausreichend bekannter Abgaszusammensetzung, wobei es
ausreichen kann, wenn sichergestellt ist, dass das Gemisch hinreichend
weit im mageren Bereich liegt. Eine Messung im Fettgas ist nicht
möglich wegen der Querempfindlichkeit auf Fettgasreaktionen,
die eine eigene Temperaturabhängkeit besitzen. Die auf
diese Weise beispielsweise im Schubbetrieb gemessene Alterung kann
beispielsweise als zu geringe Nernstspannung detektiert werden,
da eine hohe Temperatur zu einem hohen Diffusionskoeffizienten und
damit einem niedrigen Absolutdruck im Referenzraum führt.
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Alternativ
kann auch eine Spannung von vorzugsweise –0,5 V an die
Referenzelektrode in Bezug auf die abgasseitige äußere
Pumpelektrode oder eine abgasseitige Elektrode angelegt werden und
der sich nach einer definierten Zeitdauer einstellende Grenzstrom
als Kriterium für die Alterung verwendet werden.
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Auch
bei einer Breitband-/NOx-Sonde oder einer Sprungsonde mit Referenzluftkanal
ist das Verfahren anwendbar. Hierbei wird ebenfalls eine Spannung
von vorzugsweise –0,5 V, also eine negative Spannung in
Bezug auf die äußere Pumpelektrode an die Referenzelektrode
angelegt und der sich nach einer definierten Zeitdauer einstellende
Grenzstrom als Kriterium für die Temperatur und damit die
Alterung verwendet. Beide vorbeschriebenen Diffusionsverfahren können
so durchgeführt werden, dass bei festgestellter Abweichung
des aktuellen Messwerts von dem Messwert, der im Neuzustand ermittelt
und in der Software abgespeichert wurde, die Temperatur soweit verringert
wird, bis sich wieder dieser erste Wert einstellt. Der dann gemessene
ionische AC-Widerstand der Keramik ist der neue Soll-AC-Widerstand,
auf den bis zur nächsten Re-Kalibrierung geregelt wird.
Auch dieser Abgleich erfolgt vorzugsweise vor dem Schubabgleich.
Die Bestimmung des Grenzstroms des Referenzkanals kann bei jeder
Abgaszusammensetzung durchgeführt werden.
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Die
vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte können beispielsweise
als Computerprogramm auf einem Rechengerät, beispielsweise
auf einem Steuergerät der Brennkraftmaschine, implementiert
sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeichert sein, den das Steuergerät lesen
kann. Auf diese Weise ist das Verfahren auch bei Brennkraftmaschinen
nachrüstbar, denn zusätzliche Hardware ist nicht erforderlich.
Es können an sich bekannte Sensoren verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19838456
A1 [0002]
- - DE 102004042027 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Buchveröffentlichung
Bosch „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”, 25.
Auflage, Seite 133, 134 [0002]