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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben der Heizung einer
Abgassonde nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs
1.
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Gegenstand
der Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt mit
einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Derartige
Sonden werden beispielsweise als Lambdasonden zur Erfassung des
stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis im
Abgas eingesetzt.
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Neben
Sprungsonden kommen auch Breitbandlambdasonden zum Einsatz. Die
Wirkungsweise dieser Sonden beruht auf dem Prinzip einer galvanischen
Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyten.
Diese keramischen Abgassensoren werden nach dem Start der Brennkraftmaschine
vor dem Aufheizen auf Betriebstemperatur während des sogenannten „Schutzheizes” bei
konstanter Spannung betrieben, um eine Kondensatbildung auf dem
Sensorelement zu vermeiden und den Sensor zu schützen.
Dieses Schutzheizen dient dazu, einen eventuell auf dem Sensor vorhandenen
Kondenswasserfilm zu entfernen, um so die Gefahr zu reduzieren,
dass beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Benetzung des Sensors
bei einem raschen Aufheizen der Keramik thermische Spannungen aufgeprägt
werden, die eventuell zu einer Zerstörung der Keramik führen.
Dieser Kondensatfilm auf der Keramikoberfläche entsteht
bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine und hier insbesondere
bei Inbetriebnahme einer kalten Brennkraftmaschine. In diesem Falle kann
bei der Verbrennung Wasserdampf entstehen, der sich auf der kalten
Oberfläche des Abgasstrangs in Form von Wassertropfen niederschlägt.
Trifft ein Wassertropfen die keramische Oberfläche des
Sensors, kann die lokale Abkühlung durch den Wassertropfen
so groß sein, dass die Keramik aufgrund der Temperaturunterschiede
und der damit verbundenen thermischen Spannungen zerstört
wird. Um dies zu vermeiden, wird der Sensor auf eine vorgegebene
Temperatur erwärmt. Die Temperatur des Sensors stellt sich
als Folge der konstanten Heizspannung ein, wobei die Temperaturabhängigkeit
des Heizerwiderstands und die Kühlwirkung durch das Abgas
die Temperatur beeinflussen, die während der Phase des
Schutzheizens großen Schwankungen unterliegt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
der Heizung einer Abgassonde so zu verbessern, dass unerwünschte
starke Temperaturschwankungen weitestgehend vermieden werden und
die Schutzwirkung während des Betriebs im sogenannten „Schutzheizen” optimiert
wird. Ganz besonders sollen hohe Temperaturen vermieden werden,
welche in der oben beschriebenen Weise bei einem Kontakt mit Kondensat
zu einer Zerstörung des Sensors führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Grundidee der Erfindung ist es, die Ansteuerung
der Heizung der Abgassonde auf der Basis einer betriebspunktabhängigen Energiebilanz
der der Sonde zu- und abgeführten Energie vorzunehmen.
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Bei
niedrigen Temperaturen, wie sie für das sogenannte Schutzheizen
erforderlich sind, ist eine Messung der Temperatur des Sensorelements
auf der Basis des Innenwiderstands der Nernstzelle, wie dies im normalen
Betrieb des Sensors zur Temperaturregelung geschieht, aufgrund der
Keramikeigenschaften nicht möglich. Bei niedriger Temperatur
ist nämlich der spezifische Widerstand der Keramik so hoch,
dass dieser zur Bestimmung der Temperatur nicht sinnvoll ausgewertet
werden kann. Eventuelle Schwankungen der Temperatur während
des Schutzheizens können auf diese Weise nicht festgestellt
werden.
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Die
Steuerung der Heizspannung am Sensorelement wird über eine
vorhandene Pulswellenmodulation-Ansteuerung so vorgenommen, dass
große Schwankungen der Zieltemperatur am Sensorelement
vermieden und insbesondere die Temperatur eine obere Schwelle nicht übersteigt.
Dies geschieht erfindungsgemäß auf der Basis der
Energiebilanz, aufgrund der die wesentlichen Einflussgrößen
ermittelt werden und die erforderliche Heizleistung bzw. Heizspannung
bestimmt wird.
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Die
erforderliche Heizleistung bzw. Heizspannung wird in einem Rechengerät,
beispielsweise im Steuergerät berechnet. Die Spannung wird über
eine vorhandene Pulsweitenmodulations-Endstufe an den Heizer ausgegeben.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf Anspruch
1 rückbezogenen Unteransprüche.
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So
sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, für die Energiebilanz
folgende Wärmezu- und -abflüsse zu berücksichtigen:
- a) zugeführte Heizleistung an dem
Sensorelement der Lambdasonde,
- b) Wärmeabfuhr durch Konvektion und/oder
- c) Wärmeleitung im Sensorelement und/oder
- d) Wärmetransport durch Strahlung zwischen einem das
Sensorelement umgebenden Schutzrohr und dem Sensorelement.
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Aufgrund
dieser Energiebilanz wird eine höhere Robustheit des Sensors
während des Schutzheizens erreicht. Es ist auf diese Weise
die Einstellung einer näherungsweise konstanten Temperatur
des Sensorelements möglich und daher auch eine Limitierung
der Temperatur unterhalb einer vorgebbaren Schwelle, ab der eine
Zerstörung des Sensorelements bei Kontakt mit Kondenswasser
aus dem Abgas eintritt.
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Sehr
vorteilhaft kann aufgrund der Berücksichtigung der Energiebilanz
auch die Art der Erreichung der Temperatur, die sogenannte Temperaturtrajektorie
während des Schutzheizens optimiert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass keine Kosten für zusätzliche
Hardware erforderlich sind. Das Verfahren kann als reines Computerprogramm
implementiert werden, wobei hierfür ein sehr geringer Applikationsaufwand
erforderlich ist.
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Das
Verfahren kann insbesondere optimal bei sogenannten Hybridfahrzeugen
eingesetzt werden, also bei Fahrzeugen, die sowohl mit Brennkraftmaschinen
als auch mit Elektromotoren betrieben werden und bei denen ein wesentlich
höherer Anteil des Schutzheizbetriebs an der gesamten Sondenbetriebsdauer
gegenüber Fahrzeugen, die ausschließlich durch
Brennkraftmaschinen angetrieben werden, erforderlich ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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In
der Figur ist schematisch eine Lambdasonde in einem Abgasrohr dargestellt,
bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz
kommt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Im
Abgasrohr 100 einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
ist ein Lambdasensor 200 angeordnet, beispielsweise in
die Rohrwand des Abgasrohrs 100 eingeschraubt. Dieser Lambdasensor 200 besteht aus
einem Schutzrohr 210, welches Gasdurchtrittsöffnungen 220 aufweist.
In dem durch das Schutzrohr 210 gebildeten Hohlraum ist
der eigentliche Sensorkörper, ein Keramikkörper 215,
angeordnet. Der Sensor kann beispielsweise eine Breitbandlambdasonde
sein, wie sie aus der Buchveröffentlichung „Bosch
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", 25. Auflage, 2003, Seite
134 hervorgeht. Eine solche Lambdasonde weist eine Heizung
auf, die durch im Keramikkörper gebildete Heizelemente,
beispielsweise mäanderförmig verlaufende Heizelemente
realisiert wird, an die eine Heizspannung UHeiz angelegt
wird.
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Diese
keramischen Abgassensoren werden nach dem Start der Brennkraftmaschine
vor dem Aufheizen auf Betriebstemperatur, die so hoch gewählt
ist, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb der Sonde
sichergestellt ist, auf eine vorgegebene niedrigere Temperatur erwärmt,
um sicherzustellen, dass keine Kondensatbildung auf dem Sensorelement 215 entsteht.
Die Temperatur darf dabei nicht zu hoch gewählt werden,
da in diesem Falle ein Niederschlag von Kondensat zu einer Zerstörung
des Sensorelements 215 führen könnte. Aus
diesem Grunde wird die Heizung an sich bekannter Sensorelemente
mit einer konstanten Spannung betrieben. Diese Maßnahme
stellt jedoch keinesfalls das Erreichen einer konstanten Temperatur
des Sensorelements sicher, da die Temperatur des Sensorelements
aufgrund der konstanten Heizspannung, der Temperaturabhängigkeit
des Heizerwiderstands und der Kühlwirkung durch das Abgas Änderungen
unterworfen ist. Die Temperatur kann dabei sehr großen
Schwankungen während der Phase dieses sogenannten Schutzheizens unterliegen.
Um derartige Schwankungen zu vermeiden und präzise Temperaturen
einstellen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
die Ansteuerung der Heizspannung durch eine pulswellenmodulierte
Ansteuerung (PWM-Ansteuerung), die vorzugsweise Teil eines Steuergeräts 300 ist
und der Ansteuerung der Heizung über Leitungen 302 dient,
so vorzunehmen, dass große Schwankungen der gewünschten
Temperatur des Sensorelements 215 vermieden werden und
insbesondere vorgebbare obere Temperaturschwellen nicht überschritten
werden. Um dies zu erreichen, erfolgt die Ansteuerung auf der Basis
einer Energiebilanz. Hierzu werden die wesentlichen Einflussgrößen
ermittelt. und mit diesen Parametern wird die erforderliche Heizleistung bzw.
Heizspannung im Steuergerät 300 berechnet. Diese
Spannung wird über die vorhandene PWM-Ansteuerung über
die Leitungen 302 an den Heizer ausgegeben. Die wesentlichen
Terme der Energiebilanz sind:
- 1. die zugeführte
Heizleistung am Sensorelement: P = Ueff
2/RHeizer, wobei
der Heizerwiderstand RHeizer abhängig
von der Sensorelementtemperatur ist;
- 2. die Wärmeabfuhr durch Konvektion, die sich berechnet
aus dem Massenstrom durch das Schutzrohr 210 multipliziert
mit der Abgasgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz zwischen
der Temperatur des Sensorelements 215 und der Temperatur
des Abgases, die ermittelt werden können oder bekannt sind;
- 3. der Wärmeleitung im Sensorelement. Diese ist abhängig
von der Sensorelementtemperatur und der Temperatur des Anschlusselements,
beispielsweise des Gewindes, mit dem der Sensor 200 in
das Abgasrohr 100 eingeschraubt ist, sowie von der Temperatur
des Abgasrohrs 210;
- 4. dem Wärmetransport durch Strahlung zwischen dem
Schutzrohr 210 und dem Sensorelement 215. Diese
Strahlung kann aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus vernachlässig
werden, da sich Strahlungsverluste nur bei hohen Temperaturen merklich
auswirken.
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In
dem Steuergerät 300 sind die erforderlichen Daten
aufgrund eines an sich bekannten und vorbestimmten Abgastemperatur-
und Druckmodells für derartige Sensoren vorhanden. Dynamische
Parameter können simuliert werden. Ein solches Modell liefert
folgende Größen:
- – die
Gastemperatur am Sondeneinbauort;
- – die Temperatur der Rohrwand des Abgasrohrs 210 am
Sondeneinbauort;
- – den Druck am Einbauort des Sensors 200.
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Der
dynamische Verlauf dieser Daten ist aufgrund des Modells ebenfalls
bekannt. Außerdem sind weitere Größen,
wie z. B. der Abgasmassenstrom sowie die Außentemperatur
bekannt. Auf der Basis dieser Größen kann die
Sensorelementtemperatur während des Schutzheizbetriebs
wie oben dargestellt gesteuert werden. Es wird dabei angenommen,
dass der für die Wärmeabfuhr im Sensorelement 215 wirksame
Massenstrom durch das Schutzrohr mit dem Massenstrom linear korreliert:
ṁSR = konst.·ṁAbgas,
wobei ṁSR der Massenstrom im Schutzrohr
und ṁAbgas der Massenstrom im Abgas
bedeuten.
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Die
konstante Temperatur des Sensorelements
215 kann gemäß einer
ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dadurch eingestellt werden, dass folgende Heizspannung an die Heizelemente des
Sensorelements
215 angelegt wird:
wobei R
Heiz(T_SE) der
Widerstand des Sensorelements
215, der als konstant angenommen
wird, ṁ
Abgas der Abgasmassenstrom,
T
SE die Temperatur des Sensorelements, T
Abgas die Abgastemperatur, T
Rohrwand die
Temperatur der Rohrwand
210 am Sondeneinbauort und c1,
c2 durch Applikation bestimmbare Konstanten sind.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung, bei der ein dritter Parameter c3 vorgesehen
ist, der eine Korrektur von Modellfehlern/Offsets ermöglicht,
wird die Heizspannung wie folgt bestimmt:
wobei R
Heiz(T_SE) der
Widerstand des Sensorelements
215, der als konstant angenommen
wird, Abgas der Abgasmassenstrom, T
SE die
Temperatur des Sensorelements, T
Abgas die
Abgastemperatur, T
Rohrwand die Temperatur
der Rohrwand
210 am Sondeneinbauort und c1, c2, c3 durch
Applikation bestimmbare Konstanten sind.
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Hierbei
ist zu bemerken, dass eine Fallunterscheidung für negative
Werte der Wurzelterme nicht erforderlich ist, weil die Anwendung
des Verfahrens nur bei hohen Temperaturen von Abgas und Rohrwand 210 möglich
ist. Die Werte können nur in Betriebsarten der Sonde 200 auftreten,
in denen ein „Schutzheizen” nicht mehr erforderlich
ist, die Sonde 200 also auf Betriebstemperatur aufgeheizt
ist. Aus diesem Grunde bedeuten Wurzelterme, die kleiner oder gleich
null sind, dass sich die Zieltemperatur ohne elektrische Beheizung
des Sondenelements in Folge hoher Abgastemperaturen von selbst einstellt.
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Die
Heizspannung UHeiz,eff wird unter Berücksichtigung
der Batteriespannung in Form eines pulswellenmodulierten Signals über
die Leitungen 302 dem Heizer der Sonde 200 zugeführt.
Darüber hinaus kann die Außentemperatur berücksichtigt
werden.
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Der
Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens ist die Einstellung einer
näherungsweise konstanten Temperatur des Sensorelements 215,
die so gewählt ist, dass eine obere Schwelle, ab der eine
Zerstörung des Sensorelements 215 bei. Kontakt
mit Kondenswasser eintreten kann, unterschritten wird. Darüber
hinaus ist es sehr vorteilhaft, dass eine Optimierung des Temperaturverlaufs
während des Schutzheizens möglich ist. Ein weiterer
großer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren als Softwarefunktion
realisierbar ist. Das Verfahren könnte zwar rein prinzipiell
mit Hilfe einer Schaltung realisiert werden. Besonders vorteilhaft
ist jedoch die Realisierung als Computerprogramm auf einem Rechengerät,
insbesondere dem Steuergerät 300 der Brennkraftmaschine.
Das Verfahren kann in diesem Fall als Programmcode auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeichert sein, den das Steuergerät 300 einlesen
kann. Auf diese Weise ist das Verfahren auch bei vorhandenen Sonden
nachrüstbar. Durch die Software-Implementierung reduzieren
sich die Kosten erheblich. Darüber hinaus ist von Vorteil,
dass für die Realisierung des Programms nur ein sehr kleiner
Applikationsaufwand erforderlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Bosch
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”, 25. Auflage, 2003, Seite
134 [0018]
