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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer beheizbaren
Abgassonde einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
sowie eine Diagnosevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
15.
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Es
ist allgemein bekannt, Brennkraftmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen
für Kraftfahrzeuge, mit einer oder mehreren Abgassonden auszustatten.
Die Abgassonden sind üblicherweise mit einer Steuer- und/oder
Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine verbunden, so dass die Steuer- und/oder
Regeleinrichtung Informationen über die Zusammensetzung
von aus Brennräumen der Brennkraftmaschine austretenden
Abgasen erfassen kann. Als Abgassonde ist in einer Brennkraftmaschine üblicherweise
mindestens eine Lambdasonde vorgesehen, mit der eine Sauerstoffkonzentration
im Abgas erfasst werden kann. Dies ermöglicht einen Rückschluss
auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis im Brennraum, so dass
die Brennkraftmaschine beispielsweise so geregelt werden kann, dass
Abgasbestimmungen eingehalten werden.
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Die
Lambdasonden lassen sich in sogenannte Sprungsonden und Breitbandsonden
unterteilen. Die Breitbandsonden können wiederum als Einzellen-Breitbandsonden
oder als Zweizellen-Breitbandsonden ausgebildet sein. Eine Sprungsonde
weist für eine Luftzahl des Abgases, die im Bereich von λ =
1 liegt, ziemlich hohe Empfindlichkeit auf. Für Luftzahlen,
die nicht im Bereich von etwa λ = 1 liegen, ist die Empfindlichkeit
der Sprungsonden relativ gering. Deshalb ergibt sich bei einer kontinuierlich
steigenden Luftzahl im Abgas ein Sprung eines von einer Sprungsonde
erzeugten Ausgangssignals, sobald die Luftzahl in den Bereich von
etwa λ = 1 eintritt. Dahingegen haben Breitband-Lambdasonden
auch außerhalb des um den Wert λ = 1 liegenden
Bereichs der Luftzahl eine relativ hohe Empfindlichkeit.
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Moderne
Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise eine oder zwei
Lambdasonden auf, wobei für Otto-Brennkraftmaschinen Sprung-
und/oder Breitbandsonden verwendet werden. Diesel-Brennkraftmaschinen
weisen vorwiegend Breitband-Lambdasonden auf.
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Beim
Betrieb der Brennkraftmaschinen erfasst die Steuer- und/oder Regeleinheit
von der Lambdasonde beziehungsweise den Lambdasonden und weiteren
Sensoren der Brennkraftmaschine erzeugte Sensorsignale und betreibt
die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von diesen Sensorsignalen. Um
Fehler bei den Sensoren erkennen zu können, überprüft
die Steuer- und/oder Regeleinrichtung während des Betriebs
der Brennkraftmaschine die einzelnen Sensorsignale. Hierbei werden üblicherweise
die Signale dahingehend überprüft, ob elektrische
Fehler (z. B. Kurzschlüsse oder Unterbrechungen von Leitungen)
vorliegen. Hierzu kann beispielsweise überprüft
werden, ob die Sensorsignale in zulässigen Wertebereichen
liegen. Darüber hinaus prüft die Steuer- und/oder
Regeleinrichtung üblicherweise, ob Systemfehler vorliegen.
Ein Systemfehler wird beispielsweise erkannt, wenn die mittels unterschiedlicher
Sensoren erfassten Größen sich widersprechen.
Erkennt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einen elektrischen
Fehler und/oder einen Systemfehler, dann vermerkt sie das Auftreten
des Fehlers in einem Fehlerspeicher.
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Bekannte
Diagnoseverfahren, die beispielsweise zur Vorbereitung von Reparaturen
oder bei Wartungsarbeiten an der Brennkraftmaschine beziehungsweise
an einem Kraftfahrzeug, in das die Brennkraftmaschine eingebaut
ist, durchgeführt werden, greifen auf die beispielsweise
im Fehlerspeicher abgelegten Informationen zurück. Hierdurch
können in einem gewissen Umfang Rückschlüsse über
die Funktionsfähigkeit einer Lambdasonde gezogen werden.
Da beim Betrieb der Brennkraftmaschine komplexe Wechselwirkungen
zwischen verschiedenen Komponenten der Brennkraftmaschine bestehen,
ist eine hinreichend sichere und zuverlässige Diagnose einer
einzelnen Lambdasonde jedoch nicht möglich. Wird beispielsweise
ein elektrischer Fehler erkannt, dann kann in der Regel nicht mit
Sicherheit festgestellt werden, ob der Fehler auf einem Defekt der Lambdasonde
beruht oder ob die Steuer- und/oder Regeleinrichtung, insbesondere
eine Auswerteschaltung für die Sensorsignale der Lambdasonde,
defekt ist. Außerdem können Systemfehler in vielen
Fällen nicht eindeutig einem bestimmten Sensor, wie beispielsweise
einer bestimmten Lambdasonde, zugeordnet werden. Es besteht die
Gefahr, dass die Lambdasonde fälschlicherweise als defekt
erkannt wird, obwohl in Wirklichkeit eine andere Komponente der
Brennkraftmaschine, insbesondere ein anderer Sensor der Brennkraftmaschine,
nicht korrekt funktioniert. Tritt ein Defekt in der Brennkraftmaschine
auf, kann es bei Verwendung bekannter Diagnoseverfahren deshalb
zu einer langwierigen Fehlersuche kommen, bis letztendlich die tatsächlich
defekte Komponente identifiziert wird. Zuverlässige Rückschlüsse auf
die Art des Fehlers der Lambdasonde sind bei bekannten Diagnoseverfahren
praktisch unmöglich.
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Einzellen-
und Zweizellen-Breitbandlambdasonden sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 014 266
A1 bekannt. Ferner ist aus der
DE 197 16 173 A1 bekannt,
einen Leckstrom zwischen einer Elektrode der Lambdasonde und einem
Heizelement der Lambdasonde zu erfassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Diagnose einer Abgassonde einer Brennkraftmaschine anzugeben,
das eine zuverlässige und treffsichere Diagnose der Abgassonde
erlaubt und eine Aussage über die Art eines eventuell vorhandenen
Fehlers an der Abgassonde ermöglicht. Mit Blick auf ihre
Vorrichtungsaspekte besteht die Aufgabe in der Angabe einer zur Durchführung
des Verfahrens eingerichteten Diagnosevorrichtung.
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Diese
Aufgaben werden jeweils durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Bei der Abgassonde handelt es
sich vorzugsweise um eine Lambdasonde, insbesondere eine Sprungsonde,
eine Einzellen-Breitbandsonde oder eine Zweizellen-Breitbandsonde.
Bei der Diagnose der Abgassonde mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens können verschiedene Parameter der Abgassonde weitgehend
unabhängig von anderen Komponenten der Brennkraftmaschine überprüft
werden. Insbesondere sind Wechselwirkungen mit anderen Sensoren der
Brennkraftmaschine ausgeschlossen. Ein Zugriff auf einen Fehlerspeicher
der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ist nicht erforderlich. Durch
die Regelung der Temperatur der Abgassonde, insbesondere der Temperatur
eines Sensorelements der Abgassonde, wird die Abgassonde auf einen
definierten Betriebspunkt gebracht, sodass die Diagnose Ergebnisse
mit hoher Validität und Reproduzierbarkeit liefert.
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Das
Verfahren wird vorzugsweise bei stillstehender und nicht im Betrieb
befindlicher Brennkraftmaschine ausgeführt. Hierbei kann
die Abgassonde in der Brennkraftmaschine eingebaut verbleiben. Die Diagnose
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch
auch an einer aus der Brennkraftmaschine ausgebauten Abgassonde
durchgeführt werden.
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Insgesamt
wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine
schnelle und zuverlässige Überprüfung
der Abgassonde auf Fehler ermöglicht. Zudem kann eine relativ
detaillierte Befundung der Abgassonde vorgenommen werden, die nicht
nur im Rahmen von Reparatur- oder Wartungsarbeiten, sondern auch
am Ende eines Herstellungsprozesses der Abgassonde, der Brennkraftmaschine
oder eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut
ist, durchgeführt werden kann. Es ist auch denkbar, dass
das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich herausgestellt
hat, dass ein gerade hergestelltes Kraftfahrzeug nicht korrekt funktioniert,
so dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Art des Fehlers genauer analysiert werden kann. Eine solche
genauere Analyse wird auch als „Null-Kilometer-Befundung” bezeichnet.
Ferner können Lambdasonden von Kraftfahrzeugen, die vom
Kunden unter Inanspruchnahme einer Herstellergarantie beanstandet
wurden, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überprüft
werden.
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Es
ist bevorzugt, dass die Spannung an die mit Elektroden einer Zelle,
insbesondere einer Pumpzelle (im Falle einer Zweizellensonde) oder
einer kombinierten Pump- und Messzelle (im Falle einer Einzellensonde),
der Abgassonde verbundenen Anschlüsse angelegt wird sodass
als Strom ein bei intakter Abgassonde durch die Zelle fließender Pumpstrom
erfasst wird. Durch Auswerten des erfassten Pumpstroms kann dann überprüft
werden, ob die Abgassonde funktionsfähig ist oder ob die
Abgassonde einen Fehler aufweist.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, dass die Spannung schrittweise in wechselnder
Richtung derart variiert wird, dass die Spannung nacheinander verschiedene
Spannungswerte aufweist, und dass für mindestens zwei dieser
Spannungswerte zugehörige Stromwerte des Stroms erfasst
werden. Es ist bevorzugt, dass die beiden Spannungswerte, für
die die zugehörigen Stromwerte erfasst werden, gleich sind.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass durch Auswerten der Stromwerte, vorzugsweise
durch Vergleichen der Stromwerte miteinander, eine Hysterese bezüglich der
Abhängigkeit zwischen der angelegten Spannung und dem erfassten
Strom überprüft wird. Werden genau zwei Stromwerte
für zwei gleiche Spannungswerte, die zu verschiedenen Zeitpunkten
angelegt werden, erfasst, dann kann als Maß für
die Hysterese eine Differenz zwischen den beiden Stromwerten herangezogen
werden. Ist die Differenz betragsmäßig größer
als ein vorgegebener Schwellwert, dann kann auf einen Defekt, insbesondere
eine Schwarzfärbung, d. h. Keramikreduzierung infolge von Überbelastungen/zu
hohen Spannungen, an einer der Elektroden der Zelle geschlossen
werden.
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Weiter
ist bevorzugt, dass die Spannung an die mit einem Trimmwiderstand
der Abgassonde verbundenen Anschlüsse angelegt wird. Hierdurch
kann zum einen überprüft werden, ob der Trimmwiderstand
innerhalb der Abgassonde beziehungsweise über ein Anschlusskabel
der Abgassonde korrekt mit den Anschlüssen der Abgassonde,
an die die Spannung angelegt wird, verbunden ist. Liegt der Strom außerhalb
eines zulässigen Bereichs, dann wird auf eine schlechte
Kontaktierung des Trimmwiderstands oder eine Unterbrechung der Verbindung
zwischen einem der Anschlüsse und dem Trimmwiderstand oder
auf einen Nebenschluss parallel zum Trimmwiderstand geschlossen.
Generell ist unter einem Nebenschluss ein unerwünschter
elektrisch leitfähiger Pfad zu verstehen, der parallel
zu einem erwünschten elektrisch leitfähigen Hauptpfad
verläuft. Ist der Strom innerhalb des zulässigen
Bereichs, dann kann anhand des Stroms der Wert des Trimmwiderstands ermittelt
werden.
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Hierbei
kann, vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Wert des Trimmwiderstands,
ein Sollwert für den Pumpstrom z. B. an Luft ermittelt
werden, als Spannung eine positive Pumpspannung angelegt werden
und die Abgassonde in Abhängigkeit von dem Sollwert und
dem Pumpstrom überprüft werden. Hierbei wird vorzugsweise
ein Quotient zwischen dem Pumpstrom und dem Sollwert ermittelt.
Ist der Quotient betragsmäßig größer
als ein vorgegebener Schwellwert, dann wird beispielsweise ein Riss
in einer Diffusionsbarriere oder in der Sondenkeramik der Zelle
oder ein elektrischer Nebenschluss zwischen den Elektroden der Zelle
erkannt. Ist der Quotient betragsmäßig kleiner
als ein weiterer Schwellwert, dann werden vorzugsweise Verunreinigungen
der Diffusionsbarriere („Versottung”) erkannt.
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Als
weitere Überprüfung kann vorgesehen werden, dass
als Spannung eine negative Pumpspannung angelegt wird, als Strom
ein invertierter Pumpstrom erfasst wird und überprüft
wird, ob der Strom in einem vorgegebenen zulässigen Bereich liegt.
Ein zu kleiner Strom deutet auf eine Verunreinigung einer Schutzschicht
der Abgassonde oder eine nicht hinreichende Beheizung der Abgassonde
hin. Ist der Strom zu groß, dann liegt möglicherweise
ein elektrischer Nebenschluss zwischen den Elektroden oder eine
Beschädigung bzw. ein Fehlen der Schutzschicht der Sonde
vor.
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Um
einen Nebenschluss durch eine Verschmutzung, explizit Verrußung
in einem Bereich zwischen einem Sondenelement und einem Gehäuse
der Abgassonde zu erkennen, kann die Spannung zwischen einer Elektrode
der Zelle, vorzugsweise einer Innenelektrode einer Pumpzelle, und
einem elektrisch leitfähigen Gehäuseteil der Abgassonde
angelegt werden, als Strom ein Gehäusestrom erfasst werden
und überprüft werden, ob der Gehäusestrom kleiner
oder gleich einem vorgegebenen Höchstwert ist. Überschreitet
der Strom den Höchstwert, dann stellt das Verfahren fest,
dass sich Ruß oder andere, insbesondere metallische Ablagerungen
zwischen dem Sondenelement und dem Gehäuse, insbesondere
einem Schutzrohr des Gehäuses, abgelagert haben.
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Die
oben beschriebenen Überprüfungen der Abgassonde
umfassen oftmals einen Vergleich des erfassten Stroms beziehungsweise
einer in Abhängigkeit von dem erfassten Strom gebildeten
Größe mit vorgegebenen Schwellwerten oder vorgegebenen
zulässigen Bereichen. Da unterschiedliche Typen von Abgassonden
verwendet werden, müssen die Schwellwerte beziehungsweise
die zulässigen Bereiche in Abhängigkeit von dem
Typ der Abgassonde vorgegeben werden. Ferner muss oftmals die Regelung
der Betriebstemperatur an den Typ der Abgassonde angepasst werden.
Hierzu kann der Typ der Abgassonde in Abhängigkeit von
manuellen Eingaben eines Benutzers ermittelt werden. Bevorzugt ist
jedoch, dass mindestens eine Messgröße, die einen
Zellenwiderstand der mindestens einen Zelle der Abgassonde, vorzugsweise
den Zellenwiderstand einer Messzelle der Abgassonde, charakterisiert,
erfasst oder ermittelt wird und in Abhängigkeit von der Messgröße
ein Typ der Abgassonde ermittelt wird. Es wurde erkannt, dass sich
die einzelnen Typen der Abgassonde insbesondere in ihrem Zellenwiderstand unterscheiden,
so dass eine Zuordnung des Typs zum Zellenwiderstand möglich
ist. Durch das automatische Ermitteln des Typs der Abgassonde werden Bedienfehler
durch den Benutzer weitgehend vermieden.
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Zum
Ermitteln des Zellenwiderstands kann vorgesehen werden, dass als
Spannung mindestens eine Messspannung an die Zelle angelegt wird
und als Messgrößen für jede Messspannung
der Strom durch die Zelle erfasst wird. Hierdurch kann der Typ der
Abgassonde zuverlässiger ermittelt werden, da der Widerstand
nicht nur für eine Spannung, sondern für mehrere
Spannungen ermittelt wird.
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Besonders
bevorzugt ist hierbei, dass zeitlich nacheinander mindestens zwei
Messspannungen unterschiedlicher Polarität an die Zelle
angelegt werden. Beispielsweise kann hierdurch im ersten Fall eine
Aussage über den ohmschen Widerstand der Zellenkeramik
und im zweiten Fall eine Aussage über den Diffusionswiderstand
des Sauerstoffantransports an die Elektrode abgeleitet werden. Hierdurch
können alterungsbedingte Veränderungen der Abgassonde
desselben Typs von Unterschieden zwischen Abgassonden verschiedenen
Typs unterschieden werden. Auf diese Weise werden Fehler bei der
automatischen Erkennung des Typs der Abgassonde aufgrund der Alterung
oder der Abnutzung der Abgassonde zumindest weitgehend vermieden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
oder jede Messgröße mit einem Schwellwert verglichen
und in Abhängigkeit von diesem Vergleich der Typ der Abgassonde
ermittelt. Das heißt, für jede Messgröße
wird ein Ergebnis des Vergleichs ermittelt und die Vergleichsergebnisse
logisch miteinander verknüpft, um den Typ der Abgassonde
zu ermitteln.
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Einen
weiteren Einflussfaktor auf den Zellenwiderstand bildet der Sauerstoffgehalt
des Gases, dem die Abgassonde ausgesetzt ist. Ein Abgasrohr einer
gängigen Brennkraftmaschine, in das die Abgassonde eingebaut
ist, ist üblicherweise derart gut gegenüber der
Umgebungsluft abgedichtet, dass nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine
sauerstoffarmes Abgas in dem Abgasrohr verbleibt und ein Gasaustausch
mit der Umgebung relativ langsam stattfindet. Folglich kann es vorkommen,
dass beim Ausführen des Verfahrens die Abgassonde einem sauerstoffarmen
Gas (Luftzahl λ < 0)
ausgesetzt ist. Um einen störenden Einfluss bei der Erkennung
des Typs der Abgassonde möglichst weitgehend zu eliminieren,
ist bevorzugt, dass vor dem Anlegen der mindestens einen Messspannung
an die Zelle eine durch das Abgas an der Zelle erzeugte Zellenspannung
erfasst wird und zumindest eine Messspannung in Abhängigkeit
von der Zellenspannung vorgegeben wird. Hierbei kann vorgesehen
werden, dass die mindestens eine Messspannung um die erfasste Zellenspannung
erhöht wird.
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Als
weitere Lösung der oben genannten Aufgabe wird eine Diagnosevorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vorgeschlagen. Mit Hilfe einer
solchen Diagnosevorrichtung kann die Abgassonde besonders einfach überprüft
werden. Hierzu wird bei stillstehendem Motor eine elektrische Verbindung
zwischen der Abgassonde und der Steuer- und/oder Regeleinrichtung
der Brennkraftmaschine gelöst und die Anschlüsse
der Abgassonde mit der Diagnosevorrichtung verbunden. Hierdurch
wird eine isolierte Diagnose der Abgassonde ermöglicht.
Ein Fehler an das Abgassonde kann hierdurch entweder eindeutig festgestellt
oder sicher ausgeschlossen werden.
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Die
Diagnosevorrichtung kann zum Ausführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingerichtet sein und somit sämtliche Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwirklichen.
Insbesondere kann die Diagnosevorrichtung einen programmierbaren Rechner
aufweisen, der zum Ausführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens programmiert ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
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1 eine
an eine Zweikammer-Breitband-Lambdasonde angeschlossene Diagnosevorrichtung
in schematischer Darstellung;
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2 eine
Darstellung ähnlich 1, wobei es
sich bei der Lambdasonde jedoch um eine Einkammer-Breitband-Lambdasonde
handelt;
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3 bis 7 jeweils
einen Teil eines Flussdiagramms als Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Diagnose der in den 1 und 2 dargestellten
Lambdasonde; und
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8 eine
detaillierte Darstellung eines Schritts des Verfahrens aus den 3 bis 7.
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Die
schematische Darstellung der 1 zeigt
eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 11, die über
eine elektrische Verbindung in Form eines Steckverbinders 13 an
eine Diagnosevorrichtung 15 angeschlossen ist. Die Lambdasonde 11 gehört
zu einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt). Sie
kann beispielsweise in Strömungsrichtung vor oder hinter
einem Abgaskatalysator in einem Abgasrohr des Abgassystems angeordnet
sein. Die Lambdasonde 11 kann jedoch auch zum Zwecke einer
Diagnose zeitweise aus der Brennkraftmaschine ausgebaut sein. Es
ist auch denkbar, dass die Lambdasonde 11 zur erstmaligen
Montage in der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und für
einen erstmaligen Funktionstest an die Diagnosevorrichtung 15 angeschlossen
ist. Der erstmalige Funktionstest kann auch bei bereits eingebauter
Lambdasonde 11 durchgeführt werden.
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Die
Lambdasonde 11 weist eine Pumpzelle 17 auf. Die
Pumpzelle 17 umfasst eine Außenpumpelektrode 19,
die mit einem „APE” bezeichneten Anschluss des
Steckverbinders 13 verbunden ist. Eine Innenpumpelektrode 21 der
Pumpzelle 17 ist mit einem Anschluss IPN des Steckverbinders 13 verbunden.
Zwischen der Außenpumpelektrode 19 und der Innenpumpelektrode 21 befindet
sich ein erster aus Zirkondioxid gebildeter Festkörperelektrolyt 23.
Bei in das Abgassystem eingebauter Lambdasonde 11 ist eine
durch die Außenpumpelektrode 19 begrenzte Seite
der Pumpzelle 17 einem Innenraum des Abgasrohrs der Brennkraftmaschine
zugewandt, wohingegen eine von der Innenpumpelektrode begrenzte
Seite der Pumpzelle 17 einem im Inneren der Lambdasonde 11 vorhandenen
Diffusionsspalt (nicht gezeigt) zugewandt ist. Die Pumpzelle 17 befindet
sich somit zwischen einer dem Innenraum des Abgasrohrs zugewandten
Seite der Lambdasonde 11 und dem Diffusionsspalt der Lambdasonde 11.
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Zwischen
dem Diffusionsspalt und einem üblicherweise mit Umgebungsluft
verbundenen Referenzluftkanal (nicht gezeigt) der Lambdasonde 11 ist eine üblicherweise
als Nernst-Zelle 25 bezeichnete Messzelle angeordnet. Die
Nernst-Zelle 25 weist einen zweiten Festkörperelektrolyt 27 auf,
an dessen Diffusionsspalt zugewandter Seite eine Nernst-Elektrode 29 angeordnet
ist, die elektrisch mit dem Anschluss IPN des Steckverbinders 13 verbunden
ist. An einer dem Referenzluftkanal zugewandten Seite des zweiten
Festkörperelektrolyts 27 ist eine Referenzelektrode 31 der
Nernst-Zelle 25 angeordnet. Die Referenzelektrode 31 ist
elektrisch mit einem Anschluss RE des Steckverbinders 13 verbunden.
Außerdem weist die Lambdasonde 11 ein Heizelement 33 auf,
das mit zwei Anschlüssen H+ und H– des Steckverbinders 13 verbunden
ist. Das Heizelement 33 und die beiden Zellen 17 und 25 sind
in ein Sensorelement der Lambdasonde 11 integriert, sodass das
Heizelement 33 mit den Zellen 17, 25,
insbesondere mit deren Festkörperelektrolyten 23, 27 thermisch
gekoppelt ist.
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Die
Lambdasonde 11 ist gemäß einer geeigneten
Herstellungstechnologie aufgebaut. Beispielsweise kann die Lambdasonde 11 als
eine sogenannte Finger-Sonde ausgebildet sein oder in einer Planar-Technologie
hergestellt sein. Unabhängig von der verwendeten Herstellungstechnologie
weist die Lambdasonde 11 ein Gehäuse 35 auf,
das einen elektrisch leitfähigen Gehäuseteil 37 aufweist,
der beispielsweise aus Metall bestehen kann. Der elektrisch leitfähige
Gehäuseteil 37 ist mit der Diagnosevorrichtung 15 verbunden.
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Des
Weiteren ist in der Lambdasonde 11 ein Trimmwiderstand 39 angeordnet,
wobei ein erster Anschluss des Trimmwiderstands 39 mit
dem Anschluss APE des Steckverbinders 13 und ein zweiter Anschluss
des Trimmwiderstands 39 mit dem Anschluss RT des Steckverbinders 13 verbunden
ist. Der Trimmwiderstand 39 kann beispielsweise einen Wert
von etwa 30 Ohm bis 300 Ohm aufweisen. Der Wert des Trimmwiderstands 39 wird üblicherweise unmittelbar
nach der Herstellung der Lambdasonde festgelegt. Hierzu wird der
Trimmwiderstand 39 parallel zu einem Messwiderstand in
der Regelelektronik geschaltet. Dann wird der Trimmwiderstand so
eingestellt, dass sich ein vorgegebener Strom (z. B. 2,54 mA) durch
den Messwiderstand ergibt, wenn die Lambdasonde 11 einem
Gas mit der Luftzahl λ = 1 ausgesetzt ist. Beim Betrieb
der Lambdasonde 11 können somit mit Hilfe des
Trimmwiderstands 39 Fertigungstoleranzen der Lambdasonde 11 zumindest weitgehend
ausgeglichen werden.
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Die
Diagnosevorrichtung 15 weist eine erste Spannungsquelle 41,
die von einer Steuereinrichtung 43 der Diagnosevorrichtung 15 steuerbar
ist, auf. Die erste Spannungsquelle 41 ist mit einem ersten Stromsensor 45 in
Serie geschaltet. Der erste Stromsensor 45 ist mit der
Steuereinrichtung 43 verbunden, so dass die Steuereinrichtung 43 einen
durch die erste Spannungsquelle 41 fließenden
Strom I1 erfassen kann. Ein von der Spannungsquelle 41 abgewandter
Anschluss des ersten Stromsensors 45 ist mit dem Anschluss
APE des Steckverbinders 13 verbunden. Eine von dem ersten
Stromsensor 45 abgewandte Seite der ersten Spannungsquelle 41 ist
mit einem Anschluss eines ersten Schaltelements 47 und
eines zweiten Schaltelements 49 verbunden. Ein weiterer
Anschluss des ersten Schaltelements 47 ist mit dem Anschluss
RT des Steckverbinders 13 verbunden. Ein weiterer Anschluss
des zweiten Schaltelements 49 ist an den Anschluss IPN
des Steckverbinders 13 angeschlossen.
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Zwischen
den Anschlüssen APE und RE ist ein Spannungssensor 52 angeordnet,
der so mit der Steuereinrichtung 43 verbunden ist, dass
diese eine zwischen den Anschlüssen APE und RE anliegende Spannung
UM erfassen kann.
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Ferner
weist die Diagnosevorrichtung 15 eine zweite Spannungsquelle 51 auf,
die mit einem zweiten Stromsensor 53 in Serie geschaltet
ist. Die zweite Spannungsquelle 51 ist steuerbar und derart an
die Steuereinrichtung 43angeschlossen, dass diese eine
von der zweiten Spannungsquelle 51 bei ihrem Betrieb erzeugte
Spannung U2 einstellen kann. Der zweite
Stromsensor 53 ist derart an die Steuereinrichtung 43 gekoppelt,
dass die Steuereinrichtung 43 einen durch die zweite Spannungsquelle 51 fließenden
Strom I2 erfassen kann. Ein von der zweiten Spannungsquelle 51 abgewandter
Anschluss des zweiten Stromsensors 53 ist mit dem Anschluss
IPN des Steckverbinders 13 verbunden. Ein von dem zweiten
Stromsensor 53 abgewandter Anschluss der zweiten Spannungsquelle 51 ist
an ein drittes Schaltelement 55 und ein viertes Schaltelement 57 angeschlossen.
Ein Anschluss des dritten Schaltelements 55, der nicht
unmittelbar mit der zweiten Spannungsquelle 51 verbunden
ist, ist mit dem Gehäuseteil 37 der Lambdasonde 11 verbunden,
und ein Anschluss des vierten Schaltelements 57, der nicht
unmittelbar an die zweite Spannungsquelle 51 angeschlossen ist,
ist mit dem Anschluss RE des Steckverbinders 13 verbunden.
Jedes Schaltelement 47, 49, 55, 57 ist mit
der Steuereinrichtung 43 gekoppelt, so dass die Steuereinrichtung 43 die
einzelnen Schaltelemente 47, 49, 55, 57 einzeln
ansteuern kann (entsprechende Verbindungen sind der Übersichtlichkeit
halber in 1 nicht eingezeichnet). Insgesamt
bilden die Schaltelemente 47, 49, 55, 57 eine
Schaltanordnung zum Verbinden der Spannungsquellen 41, 51 sowie der
zugehörigen Stromsensoren 45, 53 mit
den einzelnen Anschlüssen APE, RT, IPN, RE des Steckverbinders 13 und
mit dem Gehäuse. In anderen Ausführungsformen
der Diagnosevorrichtung 15 ist die Schaltanordnung auf
eine andere Weise aufgebaut. Die Schaltelemente können
an anderen Anschlüssen des Steckverbinders 13,
beispielsweise auch zwischen einer Signal- und einer Heizerelektrode
zur Überprüfung des internen Leckstroms, angeordnet werden.
Es kann auch eine abweichende Anzahl an Schaltelementen vorgesehen
werden. Darüber hinaus ist es denkbar, anstelle zwei Spannungsquellen 41, 51 nur
eine oder mehr als zwei Spannungsquellen vorzusehen und die Anzahl
der Schaltelemente entsprechend zu erhöhen beziehungsweise
zu verringern. Die Schaltelemente 47, 49, 55, 57 können
in beliebiger Weise (z. B. Halbleiterschalter oder Schaltrelais)
realisiert sein.
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Des
Weiteren weist die Diagnosevorrichtung 15 ein Regelelement 59 zum
Regeln einer Temperatur der Lambdasonde 11 anhand eines
Innenwiderstands der Nernst-Zelle 25 auf. Das Regelelement 59 ist
mit den beiden Anschlüssen H+ und H– des Steckverbinders 13 verbunden,
die an das Heizelement 33 der Lambdasonde 11 angeschlossen
sind. Das Regelelement 59 ist an die Steuereinrichtung 43 angeschlossen,
so dass die Steuereinrichtung 43 das Regelelement 59 beispielsweise
zum Vorgeben eines Sollwerts steuern kann.
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In
der Darstellung von 2 ist die Abgassonde als eine
Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 ausgebildet. Anstelle
der Pumpzelle 17 und der Nernst-Zelle 25 weist
die Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 eine kombinierte
Pump- und Nernst-Zelle 63 auf. Deshalb ist in dieser Sonde 61 lediglich
der erste Festkörperelektrolyt 23 vorhanden. An
einer bei eingebauter Sonde 61 dem Innenraum des Abgasrohrs
zugewandten Seite des ersten Festkörperelektrolyts 23 ist
eine Außenelektrode 65 angeordnet. An einer von
dem Innenraum abgewandten Seite des ersten Festkörperelektrolyts 23 ist
eine Innenelektrode 67 angeordnet. Die Außenelektrode 65 ist
elektrisch mit einem Anschluss ALE des Steckverbinders 13 verbunden,
und die Innenelektrode 67 ist elektrisch mit einem Anschluss
IPE des Steckverbinders 13 verbunden.
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Davon
abgesehen, dass bei der Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 lediglich
eine Zelle 63 vorhanden ist, weist sie denselben prinzipiellen Aufbau
wie die in der 1 gezeigte Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 11 auf.
Die entsprechenden Teile der Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 sind
deshalb mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals
im Detail erläutert. An die Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 kann
die in 2 gezeigte vereinfachte Diagnosevorrichtung 15 angeschlossen
werden. Bei der in der 2 gezeigten Diagnosevorrichtung 15 sind
das in der 1 gezeigte dritte Schaltelement 55 und
vierte Schaltelement 57 nicht vorhanden. Es ist auch möglich,
die in der 1 gezeigte Diagnosevorrichtung 15 in
Verbindung mit der Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 zu
verwenden. Der Anschluss RT der Diagnosevorrichtung 15 kann
in diesem Fall frei bleiben, und die kombinierte Pump- und Nernst-Zelle 63 wird
mit ihrem Anschluss ALE an den Anschluss APE der Diagnosevorrichtung 15 und
mit ihrem Anschluss IPE an die Anschlüsse IPN und RE der
Diagnosevorrichtung 15 angeschlossen.
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In
einer nicht gezeigten Ausführungsform weist auch die Einzellen-Breitband-Lambdasonde 61 den
Trimmwiderstand 39 auf. Dieser kann beispielsweise zwischen
dem Anschluss ALE und dem bei der in 2 gezeigten
Lambdasonde 61 nicht vorhandenen Anschluss RT angeordnet
sein.
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Im
Folgenden wird anhand des in den 3 bis 7 dargestellten
Flussdiagramms ein Verfahren 71 zur Diagnose einer Abgassonde,
insbesondere der Zweizellen-Lambdasonde 11 oder der Einzellen-Lambdasonde 61,
näher erläutert. Dieses Verfahren 71 kann
mittels der in den 1 und 2 gezeigten
Diagnosevorrichtung gesteuert von deren Steuereinrichtung 43,
durchgeführt werden. Abweichend hiervon kann das Verfahren 71 auch
auf andere Weise, insbesondere mit anders aufgebauten Diagnosevorrichtungen
und/oder anderen, z. B. dynamischen, etwa sinusförmigen,
Spannungs-Zeit-Programmen bzw. Strom-Zeit-Programmen, durchgeführt
werden.
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Bei
Verwendung der Diagnosevorrichtung 15 muss die Lambdasonde 11 elektrisch
von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine getrennt
werden und mit der Diagnosevorrichtung 15 verbunden werden.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass vor dem Ausführen
des Verfahrens 71 der Steckverbinder 13 zwischen
der Lambdasonde 11 und dem Steuergerät manuell
gelöst und eine Steckverbindung zwischen der Lambdasonde 11 und
der Diagnosevorrichtung 15 manuell hergestellt wird. Das
Verfahren 71 wird beispielsweise bei stillstehender oder
sich in einem stabilen Arbeitspunkt befindender Brennkraftmaschine
ausgeführt. Die Lambdasonde 11 kann hierbei in
der Brennkraftmaschine eingebaut verbleiben. Es ist jedoch auch
möglich, die Lambdasonde 11 vor Ausführen des
Verfahrens 71 aus der Brennkraftmaschine auszubauen. Da
weder die Diagnosevorrichtung 15 noch die Lambdasonde 11 mit
dem Steuergerät der Brennkraftmaschine bei der Ausführung
des Verfahrens 71 verbunden ist, kann mittels des Verfahrens 71 eine isolierte
Diagnose der Lambdasonde 11 durchgeführt werden.
Wechselwirkungen mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine
oder anderen Teilen, insbesondere Sensoren und Aktoren der Brennkraftmaschine,
können hierdurch zumindest weitgehend ausgeschlossen werden.
Denn das Verfahren wird völlig unabhängig von
der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine ausgeführt.
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Nach
einem Start 73 des Verfahrens 71 wird in einem
Sondenerkennungsschritt 75 ein Typ der Lambdasonde 11 ermittelt.
Einzelne, in Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge verwendete
Lambdasonden, weisen auch bei identischem prinzipiellen Aufbau (Einzellensonde
oder Zweizellensonde) erheblich unterschiedliche Geometrien, insbesondere der
einzelnen Zellen 17, 25, 63 auf.
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Hieraus
resultieren erhebliche Unterschiede hinsichtlich der elektrischen
Eigenschaften der Lambdasonden 11 der verschiedenen Typen.
Die Sondenerkennung 75 ermittelt den Typ der Sonde durch
elektrische Messungen, so dass die nachfolgenden Schritte des Verfahrens 71 in
Abhängigkeit von dem ermittelten Typ der Lambdasonde 11 ausgeführt
werden können.
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In
einem Schritt 76 stellt die Steuereinrichtung 43 das
Regelelement 59 so ein, dass es eine Temperatur des Sensorelements
der Lambdasonde auf einen vorgegebenen Sollwert regelt. Als Regelgröße
dient hierbei ein von der Temperatur des Sensorelements abhängiger
Innenwiderstand der Nernst-Zelle 25 bzw. der kombinierten
Pump- und Nernst-Zelle 63. Als Stellgröße
dient eine Heizleistung des Heizelements 33, die das Regelelement 59 beispielsweise
durch Verändern der Heizspannung UH beeinflussen
kann. Die Steuereinrichtung 43 ermittelt aus dem vorgegebenen
Sollwert der Temperatur und einem vom im Schritt 75 identifizierten
Typ der Lambdasonde einen Sollwert für den Innenwiderstand,
den sie dann dem Regelelement 59 vorgibt. In Abhängigkeit
von der genauen Ausgestaltung der Diagnosevorrichtung 15 kann
der Sollwert der Temperatur des Sensorelements entweder als eine
Konstante vorgegeben werden, oder der Sollwert der Temperatur kann
in Abhängigkeit von dem Typ der Lambdasonde vorgegeben
werden. Es kann auch vorgesehen werden, dass die Steuereinrichtung 43 den
Sollwert des Innenwiderstands unmittelbar in Abhängigkeit
vom Typ der Lambdasonde 11, beispielsweise anhand einer
in der Steuereinrichtung 43 abgelegten Tabelle, ermittelt.
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Anschließend
wird in einem Schritt 77 überprüft, ob
der Trimmwiderstand 39 korrekt an den Anschlüssen
APE und RT angeschlossen ist. Hierzu steuert die Steuereinrichtung 43 das
erste Schaltelement 47 und das zweite Schaltelement 49 so
an, dass lediglich das erste Schaltelement 47 geschlossen
ist. Des Weiteren steuert die Steuereinrichtung die erste Spannungsquelle 41 so
an, dass eine vorbestimmte Spannung URT an
der Spannungsquelle 41 und somit auch zwischen den Anschlüssen
APE und RT anliegt. Anschließend erfasst die Steuereinrichtung 43 mittels
des ersten Stromsensors 45 den Strom I1,
der bei intakter Lambdasonde 11 einen Strom durch den Trimmwiderstand 39 entspricht.
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Anschließend
wird in einer Verzweigung 79 überprüft,
ob der Strom IRT innerhalb eines durch einen
Mindestwert IRT,min und einen Höchstwert
IRT,max begrenzten Bereichs liegt. Ist dies
nicht der Fall (N), wird in einem Schritt 81 ein Fehler
festgestellt. Die Steuereinrichtung 43 kann im Schritt 81 den
Fehler feststellen und/oder protokollieren. Ist der Strom kleiner
als der Mindestwert IRT,max, dann wird eine schlechte
Kontaktierung des Trimmwiderstands 39 oder eine Unterbrechung
zwischen einem Anschluss des Trimmwiderstands 39 und einem
der Anschlüsse APE oder RT des Steckverbinders 13 erkannt.
Ist der erfasste Strom IRT größer
als der Höchstwert IRT,max, dann
wird ein Nebenschluss parallel zum Trimmwiderstand 39 erkannt.
Liegt der erfasste Strom innerhalb des zulässigen Bereichs
(Y), dann wird zu einem nächsten Prüfschritt 83 verzweigt.
Abweichend von der gezeigten Ausführungsform kann in Abhängigkeit von
der vorgegebenen Spannung URT und dem erfassten
Strom IRT zunächst der Widerstand
zwischen den Anschlüssen APE und RT berechnet werden und der
berechnete Widerstand mit einem zulässigen Widerstandsbereich
verglichen werden. In Abhängigkeit von diesem Vergleich
kann dann im Schritt 81 wieder auf eine schlechte Kontaktierung
oder Unterbrechung beziehungsweise einen Nebenschluss geschlossen
werden.
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Anschließend
wird eine Hysterese innerhalb eines Zusammenhangs zwischen einer
positiven Pumpspannung UP > 0 und einem Pumpstrom
IP überprüft (siehe 4).
Hierzu wird im Schritt 83 von der Spannungsquelle 41 eine
konstante Spannung U1 = UP > 0 und an den Anschluss
APE und über das geschlossene zweite Schaltelement 49 an
den Anschluss IPN der Pumpzelle 17 angelegt. Im Falle der Einzellen-Sonde 61 wird
die Spannung UP an die Anschlüsse
ALE und IPE angelegt.
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Der
Wert der Pumpspannung UP wird schrittweise
variiert. Zunächst liegt keine oder nur eine niedrige Spannung
an der Pumpzelle 17 beziehungsweise der Pump- und Nernst-Zelle 63 an,
danach wird ein relativ kleiner Wert UP
1, der beispielsweise bei 800 mV liegen kann,
angelegt und ein zugehöriger Strom IP
1 mittels des ersten Stromsensors 45 gemessen.
Anschließend wird eine höhere Pumpspannung UP
2, die beispielsweise
1200 mV betragen kann, an die Anschlüsse APE und IPN beziehungsweise
ALE und IPE angelegt und ein zugehörige Strom IP
2 gemessen. Nach
einer gewissen Zeit wird wieder die kleinere Pumpspannung UP
1 angelegt und ein
zugehöriger Strom IP
3 erfasst.
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Anschließend überprüft
eine Verzweigung 85, ob die beiden Stromwerte IP
1 und IP
2 Null sind. Ist dies der Fall (Y), wird
in einem Schritt 87 ein Defekt der Leitungen zwischen den
Anschluss APE und/oder IPN beziehungsweise ALE und/oder IPE und
der Zelle 17 bzw. 63 erkannt. Andernfalls (N)
wird in einer Verzweigung 89 überprüft,
ob eine Differenz zwischen dem Strom IP
3 und IP
1 betragsmäßig
größer als ein Höchstwert ΔIP,max ist. Ist dies der Fall (Y), wird in
einem Schritt 91 ein Defekt an mindestens einer der Elektroden 19, 21 beziehungsweise 65, 67 der Zellen 17 beziehungsweise 63 erkannt.
Ist die Differenz zwischen den Strömen kleiner als der
Höchstwert ΔIP,max (Zweig
N der Verzweigung 89), dann ist die Hysterese hinreichend
gering, und es wird zu einem Schritt 93 verzweigt.
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Zusätzlich
können im Fall einer Zweizellen-Breitbandsonde während
der beiden Pumpspannungen UP
1 und
UP
2 mit dem Ip auch
die Nernstspannungen zwischen UN
1 und UN
2 zwischen
IPN und RE gemessen werden. Sowohl deren Absolutwerte als auch die
Differenz zwischen ihnen kann als Diagnosekriterium verwendet werden.
Dadurch wird die Empfindlichkeit auf defekte IPN verbessert und
in Kombination mit den Ergebnissen der Ip-Hysterese-Untersuchung
eine eindeutige Unterscheidung, welche der beiden Pumpelektroden
die defekte ist, ermöglicht.
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In
den folgenden Schritten des Verfahrens 71, die in 5 dargestellt
sind, wird überprüft, ob der Pumpstrom IP in einem zulässigen Bereich liegt. Hierzu
wird zunächst in einem Schritt 93 eine definierte
konstante Spannung URT2 durch entsprechendes
Ansteuern der ersten Spannungsquelle 41 und der Schaltelemente 47 und 49 angelegt
und der Strom I1 als ein Strom IRT2 erfasst. Aus dem erfassten Strom IRT2 wird ein Sollwert IP,soll für
den Pumpstrom ermittelt (Schritt 95). Anschließend
wird in einem Schritt 97 eine vorgegebene konstante positive Pumpspannung
UP > 0
an die Anschlüsse APE und IPN angelegt. Hierzu steuert
die Steuereinrichtung 43 die Schaltelemente 47, 49 und
die erste Spannungsquelle 41 entsprechend an (U1 = UP > 0). Der resultierende
Pumpstrom IP wird mittels des ersten Stromsensors 45 erfasst.
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Anschließend
wird in einer Verzweigung 99 überprüft,
ob ein Quotient aus dem erfassten Pumpstrom IP und
dem ermittelten Sollwert IP,soll betragsmäßig
in einem durch die Werte Qmin und Qmax begrenzten Bereich liegt. Ist dies nicht
der Fall (N), dann wird in einem Schritt 101 ein Fehler
in der Pumpzelle 17 erkannt. Ist der Quotient größer
als der Wert Qmax, dann wird ein Riss in
einer Diffusionsbarriere der Lambdasonde 11 und/oder in
einer Sondenkeramik, insbesondere im ersten Festkörperelektrolyt 23,
erkannt. Ferner deutet ein zu großer Wert des Quotienten
auf einen elektrischen Nebenschluss parallel zur Pumpzelle 17 hin.
Ist der Quotient betragsmäßig kleiner als der
Wert Qmin, dann wird eine Versottung, das
heißt Schmutzablagerungen, an der Diffusionsbarriere, erkannt.
Liegt der Quotient innerhalb des zulässigen Bereichs, dann
wird mit einem Schritt 103 fortgefahren. Der genaue Wert
von Qmin beziehungsweise Qmax kann
in Abhängigkeit von der zu überprüfenden
Lambdasonde und dem an der Sonde während der Diagnose vorliegenden
Gas festgelegt werden. Für bestimmte Typen der Lambdasonde 11 und
bestimmte Gasumgebungen, z. B. Luft, darf der Quotient bis zu 14%
nach oben abweichen, das heißt beispielsweise Qmax = 1,14. Dementsprechend kann ggf. auch
eine Abweichung um 14% nach unten toleriert werden, das heißt
es kann beispielsweise Qmin = 0,86 gewählt
werden.
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Es
ist denkbar, dass die in 5 gezeigten Schritte 93, 95, 97, 99, 101 zum Überprüfen
der Hysterese auch bei Einzellensonden und/oder Sonden ohne den
Trimmwiderstand 39 ausgeführt werden. Bei Einzellensonden
wird im Schritt 97 die Pumpspannung UP an
die Anschlüsse ALE und IPE angelegt. Bei Abgassonden ohne
den Trimmwiderstand 39 entfällt der Schritt 93,
und im Schritt 95 wird der Sollwert IP,soll des
Pumpstroms auf andere Weise, beispielsweise als eine Konstante,
die ggf. vom Typ der Lambdasonde abhängen kann, festgelegt.
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Ferner
wird in dem Verfahren 71 außer dem Pumpstrom IP in einer Vorwärtsrichtung auch
ein invertierter Pumpstrom überprüft. Entsprechende Schritte
des Verfahrens 71 sind in 6 dargestellt. In
einem Schritt 103 wird eine negative Spannung –UPn von der ersten Spannungsquelle 41 erzeugt, das
heißt U1 < 0. Die negative Spannung wird an die Anschlüsse
APE und IPN beziehungsweise ALE und IPE angelegt. Hierzu schließt
die Steuereinrichtung 43 das erste Schaltelement 47 und öffnet
das zweite Schaltelement 49. Bei angelegter negativer Pumpspannung –UPn wird ein Pumpstrom IP erfasst.
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Eine
dem Schritt 103 nachfolgende Verzweigung 105 überprüft,
ob der Betrag des erfassten Pumpstroms IP innerhalb
eines durch Werte IP,min und IP,maxbegrenzten
Bereichs liegt. Ist dies nicht der Fall (N), dann wird in einem
Schritt 107 ein Fehler in der Lambdasonde 11 festgestellt.
Andernfalls (Y) wird zu einem Schritt 109 verzweigt. Ist
der erfasste Pumpstrom IP kleiner als der
Mindestwert IP,min, dann wird im Schritt 107 eine
Versottung einer auf der Außenpumpelektrode 19 beziehungsweise
der Außenelektrode 65 angebrachte Schutzschicht,
eine zu geringe Temperatur der Lambdasonde 11 und/oder
ein Defekt im ersten Festkörperelektrolyt 23 erkannt.
Ist der erfasste Pumpstrom IP betragsmäßig
größer als der Höchstwert IP,max,
dann wird eine zu hohe Temperatur der Lambdasonde 11 und/oder
ein elektrischer Nebenschluss zwischen der Außenpumpelektrode 19 und
der Innenpumpelektrode 21 beziehungsweise der Außenelektrode 65 und
der Innenelektrode 67 oder eine Beschädigung bzw.
ein Fehlen der Schutzschicht erkannt. Ein solcher Nebenschluss kann
beispielsweise durch Ablagerungen zwischen den Elektroden 19 und 21 beziehungsweise 65 und 67 oder einer
unzureichenden Isolierung der Elektroden 19, 21 beziehungsweise 65 und 67 gegeneinander
herrühren.
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Als
eine weitere in 7 dargestellte Überprüfung
wird die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Anschluss
IPN beziehungsweise IPE und dem leitfähigen Gehäuseteil 37 überprüft.
Hierzu wird in dem Schritt 109 eine Spannung Uge zwischen
den Anschluss IPN beziehungsweise IPE und dem elektrisch leitfähigen
Gehäuseteil 37 angelegt. Die Spannung Uge ist vorzugsweise positiv, Uge > 0. Hierzu schließt
die Steuereinrichtung 43 der in 1 gezeigten
Diagnosevorrichtung das dritte Schaltelement 55 und hält
das vierte Schaltelement 57 offen. Ferner steuert die Steuereinrichtung 43 die
zweite Spannungsquelle 51 so an, dass sie die Spannung U2 = Uge erzeugt.
Der durch die zweite Spannungsquelle 51 fließende
Strom I2 wird als ein Gehäusestrom
Ige = I2 erfasst.
Anschließend wird in einer Verzweigung 111 überprüft,
ob der erfasste Gehäusestrom Ige größer
ist als ein kritischer Wert Ige,krit. Ist dies
der Fall (Y), wird in einem Schritt 113 ein Nebenschluss
zwischen einem Sensorelement der Lambdasonde 11 und dem
Gehäuse 35 erkannt. Ein solcher Nebenschluss kann
auf eine Verrußung der Lambdasonde 11, insbesondere
von einer Rußablagerung zwischen dem Sensorelement und
einer Innenseite eines Schutzrohrs des Gehäuses 35 herrühren.
Ist der Gehäusestrom Ige nicht
größer als der kritische Wert Ige,krit (N),
dann wird zu einem Schritt 115 verzweigt. Im Schritt 115 werden
die in den vorherigen Schritten ermittelten Testergebnisse ausgewertet.
Beispielsweise können sie angezeigt und/oder gespeichert
werden. Es ist auch denkbar, dass, insbesondere wenn alle Prüfungen
einzeln keinen Fehlerbefund geliefert haben, ein mehrdimensionales
Merkmalsspektrum abgeprüft wird. Das heißt, die
Toleranzbereiche jeder einzelnen untersuchten Funktionsgröße
werden in einem abschließenden Test daran festgemacht,
wo jeweils die anderen Funktionswerte liegen. So kann eine empfindlichere Gesamt-Diagnose
erzielt und auch Wechselwirkungen zwischen einzelnen Parametern
berücksichtigt werden. Anschließend wird das Verfahren
im Schritt 117 beendet.
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In
der gezeigten Ausführungsform des Verfahrens 71 wird
für den Fall, dass eine einzelne Überprüfung
einen Fehler erkennt, das heißt für den Fall, dass
einer der Schritte 81, 87, 91, 101, 107 oder 113 ausgeführt
wird, das Verfahren 71 jeweils mit der nächsten Überprüfung
fortgesetzt. Das heißt, es werden alle Überprüfungen
unabhängig von den Ergebnissen der jeweils vorhergehenden Überprüfungen durchgeführt.
Hierbei steuert die Steuereinrichtung 43 den Ablauf des
Verfahrens 71 und wertet erfasste Größen
zur Diagnose der Lambdasonde 11, 61 aus. Die Steuereinrichtung 43 bildet
somit auch eine Auswerteeinheit der Diagnosevorrichtung 15.
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Abweichend
hiervon kann jedoch auch vorgesehen werden, dass das Verfahren 71 beendet wird,
sobald eine der Überprüfungen einen Fehler erkennt.
In diesem Fall wird nach Ausführung des Schritts 81, 87, 91, 101 oder 107 sofort
zum Schritt 115 verzweigt. Die Reihenfolge der jeweils
in den 3 bis 7 dargestellten Überprüfungen
kann beliebig variiert werden. In anderen Ausführungsformen
können auch einzelne dieser Überprüfungen entfallen.
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Im
Folgenden wird anhand der 8 der Schritt 75 zum
Erkennen des Typs der Lambdasonde 11 näher erläutert.
Im Schritt 75 steuert die Steuereinrichtung 43 das
Regelelement 59 zunächst so an, dass eine Heizspannung
UH zwischen dem Anschluss H+ und dem Anschluss
H– der Lambdasonde 11 angelegt wird (Schritt 121).
Eine exakte Regelung der Temperatur der Lambdasonde 11 ist
für die Erkennung des Typs der Lambdasonde 11 nicht
erforderlich. Die Heizspannung UH muss lediglich
hinreichend hoch sein, so dass für alle Sondentypen, mit denen
die Diagnosevorrichtung 15 betrieben werden sollen, eine
hinreichend große Temperatur der Festkörperelektrolyte 23, 27 erreicht
wird, bei der die Festkörperelektrolyte 23, 27 Sauerstoffionen
leiten können. In einem nachfolgenden Schritt 123 werden Sauerstoffionen
zum Diffusionsspalt der Lambdasonde 11 transportiert. Falls
es sich bei der Lambdasonde 11 um eine Zweizellensonde
handelt, dann wird eine negative Spannung UD < 0 an die Nernst-Zelle 25 angelegt.
Hierzu steuert die Steuereinrichtung 43 die zweite Spannungsquelle 51 so
an, dass die Spannung U2 einen negativen
Wert aufweist, das heißt U2 = UD < 0.
Nach einer gewissen Zeit wird die Nernst-Zelle 25 wieder
von der Spannung UD getrennt. Hierzu kann
die Steuereinrichtung 43 das vierte Schaltelement 57 öffnen.
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In
einem auf den Schritt 123 folgenden Schritt 125 wird
mittels des Spannungssensors 52 eine Spannung UM zwischen dem Anschluss APE und dem Anschluss
RE, das heißt im Wesentlichen eine Spannung zwischen der
Außenpumpelektrode 19 und der Referenzelektrode 31,
erfasst. Die Höhe der Spannung UM ist
ein Maß für den Sauerstoffgehalt im Gas, das an
der zu der Außenpumpelektrode 19 zugewandten Seite
der Lambdasonde 11 vorhanden ist. Handelt es sich hierbei
um sauerstoffarmes Gas, dann ergibt sich ein relativ hoher Wert
für die Spannung UM, der typischerweise über
450 mV liegt. Die Schritte 123 und 125 dienen
somit zur Erkennung von sauerstoffarmem Gas (Fettgaserkennung).
Sauerstoffarmes Gas kann insbesondere dann vorliegen, wenn die Lambdasonde 11 während
der Diagnose im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eingebaut bleibt. Denn
nach einem Abschalten der Brennkraftmaschine zum Zwecke der Diagnose
verbleibt oftmals Restabgas im Abgasrohr, das einen relativ geringen Sauerstoffgehalt
aufweist. Da bei modernen Brennkraftmaschinen das Abgassystem, insbesondere
das Abgasrohr, in dem die Lambdasonde 11 eingebaut ist,
relativ gut gegenüber der Umgebungsluft abgedichtet ist,
steigt der Sauerstoffgehalt im Abgasrohr auch nach einem längeren
Stillstand der Brennkraftmaschine allenfalls geringfügig
an.
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Handelt
es sich bei der Lambdasonde 11 um die Einzellensonde 61,
dann wird im Schritt 123 die Spannung UD an
die Anschlüsse ALE und IPE angelegt. Hierzu steuert die
Steuereinrichtung 43 die erste Spannungsquelle 41 derart
an, dass sie die positive Spannung UD > 0 erzeugt, das heißt
U1 = UD > 0. Im Schritt 125 wird
die Spannung UM mittels des Spannungssensors 52 zwischen
den Anschlüssen ALE und IPE gemessen.
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Anschließend
wird in einer Verzweigung 127 überprüft,
ob die erfasste Spannung UM betragsmäßig
größer ist als ein kritischer Wert UM,krit.
Ist dies der Fall (Y), dann wird erkannt, dass sauerstoffarmes, das
heißt fettes Gas vorliegt, und in einem Schritt 129 wird
ein Korrekturwert ΔU auf einen Wert gesetzt, der dem Betrag
der Spannung UM entspricht. Andernfalls (N)
wird in einem Schritt 131 der Korrekturwert ΔU auf
Null gesetzt.
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Auf
den Schritt 129 beziehungsweise 131 folgt ein
Schritt 133, in welchem zwischen dem Anschluss IPN und
dem Anschluss RE eine negative Spannung angelegt wird. Diese Spannung
entspricht betragsmäßig einem vorbestimmten Wert
USD1 > 0, der
um den Korrekturwert ΔU > 0
korrigiert wird, das heißt die zweite Spannungsquelle 51 erzeugt
die Spannung U2 = –USD1 – ΔU < 0. Gleichzeitig
wird der Strom I2 als der Pumpstrom ISD2 erfasst. Anschließend wird in
einem Schritt 135 an die Anschlüsse IPN und RE
eine positive vorgegebene konstante Spannung USD2 > 0 angelegt, wodurch
die Spannung an den Anschlüssen IPN und RE umgepolt wird.
Gleichzeitig wird der Strom I2 als weiterer
Pumpstrom ISD2 erfasst. Schließlich
wird in einem Schritt 137 der Typ der Lambdasonde 11 in
Abhängigkeit von den beiden erfassten Pumpströmen
ISD1 und ISD2 ermittelt.
Nach Abschluss des Schritts 137 wird das Verfahren 71 mit dem
auf den Schritt 75 folgenden Schritt 76 fortgesetzt.
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Beispielsweise
kann anhand der erfassten Pumpströme ISD1 und
ISD2 zwei Typen der Lambdasonde 11 unterschieden
werden, die sich hinsichtlich ihrer Geometrie, insbesondere der
Größe des Luft-Diffusionskanals zur Referenzelektrode 31 beziehungsweise
der Größe und Lage der Nernst-Elektrode 29 unterscheiden.
Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien ist nämlich ein
Widerstand der Nernst-Zelle 25 der Lambdasonde 11 dieser
unterschiedlichen Typen verschieden. Somit ergibt sich bei der Lambdasonde 11 desjenigen
Typs, bei dem die Nernst-Zelle 25 einen kleinen ohmschen
Widerstand und einen offenen Referenzluftkanal aufweist, ein relativ
großer Wert für die erfassten Ströme
ISD1 und ISD2. Bei
der Lambdasonde 11 des Typs, bei dem der ohmsche Widerstand
der Nernst-Zelle 25 relativ groß und der Diffusionskoeffizient
des Referenzluftkanals relativ klein ist, sind diese erfassten Ströme ISD1 und ISD2 relativ
gering. Somit kann vorgesehen werden, dass im Schritt 137 der
Typ der Lambdasonde 11 erkannt wird, bei dem der Widerstand
der Nernst-Zelle 25 und des Referenzluftkanals gering ist,
wenn die erfassten Ströme beide größer
sind als bestimmte vorgegebene Mindestwerte, das heißt wenn
gilt, ISD1 > X1 und ISD2 > als
X2. Dementsprechend kann im Schritt 137 vorgesehen
werden, dass der Typ der Lambdasonde 11, bei dem der Widerstand
der Nernst-Zelle 25 und des Referenzluftkanals hoch ist,
erkannt wird, wenn die erfassten Ströme geringer sind als
bestimmte vorgegebene Mindestwerte, das heißt wenn gilt,
ISD1 < als
Y1 und ISD2 < als Y2.
Auch andere, gegenläufige Kombinationen zwischen den erfassten
Strömen können einen Sondentyp charakterisieren.
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Die
oben beschriebenen Schritte 133, 135, 137 zur
Unterscheidung von Typen der Lambdasonde 11 können
in entsprechender Weise auch in Verbindung mit der Einzellen-Lambdasonde 61 angewendet
werden.
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Man
erkennt, dass die oben beschriebene Überprüfung
insofern redundant ist, als dass zwei erfasste Ströme überprüft
werden, um zwischen zwei verschiedenen Typen der Lambdasonde zu
unterscheiden. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige
Unterscheidung der Typen der Lambdasonde 11. In den Fällen,
in denen der Typ der Lambdasonde 11 nicht eindeutig identifiziert
werden kann, kann das Verfahren 71 entweder abgebrochen
werden oder ein Benutzer der Diagnosevorrichtung 15 zur
manuellen Eingabe des Typs der Lambdasonde 11 aufgefordert
werden. Im Schritt 137 wird eine nicht eindeutige Identifizierbarkeit
des Typs der Lambdasonde 11 festgestellt, wenn keine der
beiden oben genannten Bedingungen bezüglich der Ströme
ISD1 und ISD2 zutreffen.
Hierdurch wird eine falsche Identifizierung des Typs der Lambdasonde 11 vermieden,
wenn sich z. B. der Widerstand der Nernst-Zelle 25 aufgrund von
Abnutzungs- oder Alterungseffekten (sogenannte dynamische Effekte)
der Lambdasonde 11 verändert hat.
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Insgesamt
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren beziehungsweise eine
Diagnosevorrichtung bereit, mit der eine detaillierte Überprüfung einer
Abgassonde, insbesondere einer Lambdasonde, möglich ist,
wobei die Überprüfung isoliert von anderen Komponenten
der Brennkraftmaschine vorzugsweise bei stillstehender Brennkraftmaschine durchgeführt
werden kann. Hierdurch werden die Überprüfung
verfälschende Effekte infolge von Wechselwirkungen zwischen
verschiedenen Komponenten der Brennkraftmaschine zumindest weitgehend
ausgeschlossen. Durch die automatische Erkennung des Typs der Lambdasonde 11 wird
eine einfache Bedienung der Diagnosevorrichtung 15 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006014266
A1 [0007]
- - DE 19716173 A1 [0007]
