DE102009047648A1

DE102009047648A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Abweichungen bei einer Einzelzylinder-Lambdaregelung

Info

Publication number: DE102009047648A1
Application number: DE102009047648A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schnaibel; Michael Fey; Andreas Koring; Lu Chen; Richard Hotzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: US20130199283A1; JP5498584B2; DE102009047648B4; JP2013513053A; EP2510211A1; WO2011069760A1; CN102639846B; CN102639846A; US9188073B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Abweichungen bei einer Einzelzylinder-Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einer als Breitband-Lambdasonde ausgeführten Abgassonde, bei der ein Pumpstrom durch eine Pumpzelle ausgewertet wird und dieser wenigstens zeitweilig zu einer zylinderindividuellen Lambdaregelung verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich zum Pumpstrom eine Pumpspannung bzw. eine Pumpspannungsänderung über der Pumpzelle bestimmt und dieser Wert an eine Diagnoseeinrichtung übermittelt wird. Abweichungen der Einzelzylinder-Lambdaregelung können somit besser ohne zusätzlichen materiellen Aufwand diagnostiziert werden, was insbesondere im Hinblick auf verschärfte Gesetzgebungen bei der On-Board-Diagnose Vorteile bietet. Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens sieht den Einsatz bei Brennkraftmaschinen mit Mehrbank-Abgassystemen vor.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Abweichungen bei einer Einzelzylinder-Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und einer als Breitband-Lambdasonde ausgeführten Abgassonde, bei der ein Pumpstrom durch eine Pumpzelle ausgewertet wird und dieser wenigstens zeitweilig zu einer zylinderindividuellen Lambdaregelung verwendet wird.
Eine Lambdaregelung, in Verbindung mit einem Katalysator, ist heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz eines Dreiwege- oder Selektiv-Katalysators. Dieser Katalysator hat die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einem Bereich von etwa 1% um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit λ = 1 betrieben wird. Dabei gibt der Lambdawert an, wieweit das tatsächliche vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem Wert λ = 1 abweicht, der einem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin entspricht, d. h. der Lambdawert ist Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf. Bei Luftüberschuss ist λ > 1 (mageres Gemisch). Bei Kraftstoffüberschuss ist λ < 1 (fettes Gemisch).
Bei einer Lambdaregelung wird das Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend dem Messergebnis beispielsweise mittels eines Einspritzsystems sofort korrigiert.
Als Messfühler werden Lambdasonden verwendet, die einerseits als so genannte Zweipunkt-Lambdasonde oder Sprungsonde und andererseits als stetige Lambdasonde oder Breitband-Lambdasonde ausgeführt sein können. Die Wirkung dieser Lambdasonden beruht in an sich bekannter Weise auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt. Die Kennlinie einer Zweipunkt-Lambdasonde weist bei λ = 1 einen sprungartigen Abfall der Sondenspannung auf. Daher erlaubt eine Zweipunkt-Lambdasonde, die üblicherweise direkt hinter dem Abgaskrümmer angebracht ist, im Wesentlichen nur die Unterscheidung zwischen fettem und magerem Abgas. Eine Breitband-Lambdasonde erlaubt dagegen die exakte Messung des Lambdawertes im Abgas in einem weiten Bereich um λ = 1 herum. Beide Lambdasonden-Typen bestehen aus einem keramischen Sensorelement, einem Schutzrohr, sowie aus Kabeln, einem Stecker und den Verbindungen zwischen diesen Elementen. Das Schutzrohr besteht aus einem oder mehreren Metallzylindern mit Öffnungen. Durch diese tritt Abgas durch Diffusion oder Konvektion ein und gelangt an das Sensorelement. Die Sensorelemente der beiden Lambdasonden-Typen sind dabei unterschiedlich aufgebaut.
Das Sensorelement einer Zweipunkt-Lambdasonde besteht aus einem sauerstoffionenleitenden Elektrolyten, in dessen Inneren sich ein mit einem Referenzgas gefüllter Hohlraum befindet. Das Referenzgas weist eine bestimmte konstante Sauerstoffkonzentration, ansonsten aber keine oxidierenden oder reduzierenden Bestandteile auf. In vielen Fällen ist das Referenzgas Luft. Sowohl auf der im Kontakt mit dem Abgas stehenden Außenseite als auch auf der Hohlrauminnenseite sind Elektroden angebracht, die über Kabel mit Steckkontakten verbunden sind. Nach dem Nernst-Prinzip entsteht über dem Elektrolyten eine elektrische Spannung, im folgenden als Nernst-Spannung bezeichnet, die durch die Konzentration an oxidierenden und reduzierenden Abgaskomponenten im Abgas und im Referenzgas bestimmt wird. Befinden sich außer Sauerstoff keine oxidierenden oder reduzierenden Komponenten im Abgas so wird die Nernst-Spannung durch die Gleichung U_Nernst = U_Ref – U_Abgas = (R·T/4·F)·ln(p_O2,Ref/p_O2,Abgas) (1) beschrieben. In dieser steht U_Ref für das elektrische Potential auf der Referenzgasseite, U_Abgas für das Potential an der Abgasseite, p_O2,Ref und P_O2,Abgas für den Sauerstoff-Partialdruck im Referenzgas bzw. Abgas, T für die Temperatur, R für die allgemeine Gaskonstante und F für die Faraday-Konstante. Die Nernst-Spannung kann über die Steckerkontakte abgegriffen werden und stellt das Signal der Zweipunkt-Lambdasonde dar.
Das Sensorelement einer Breitband-Lambdasonde weist an der Oberfläche eine Öffnung auf, durch die Abgas eintritt. An die Eintrittsöffnung schließt sich eine poröse Schicht an, durch die das Abgas in einen Hohlraum diffundiert. Dieser Hohlraum wird durch ein sauerstoffionenleitendes Elektrolyt-Material vom äußeren Abgas getrennt. Sowohl außen am Elektrolyten als auch auf der Seite des Hohlraums befinden sich Elektroden, die über Kabel mit Steckerkontakten verbunden sind. Der dazwischen liegende Elektrolyt wird als Pumpzelle bezeichnet. Weiterhin befindet sich im Inneren des Sensorelementes, durch dasselbe Elektrolyt-Material vom Hohlraum getrennt, ein Referenzgas mit einer bestimmten konstanten Sauerstoffkonzentration. Im Kontakt mit dem Referenzgas befindet sich eine weitere Elektrode, die auch mit einem Steckerkontakt verbunden ist. Der Elektrolyt zwischen dieser und der hohlraumseitigen Elektrode wird als Messzelle bezeichnet.
Nach dem Nernst-Prinzip liegt über der Messzelle eine elektrische Spannung, im folgenden als Mess-Spannung bezeichnet, an, die durch die Konzentration an oxidierenden und reduzierenden Abgaskomponenten im Hohlraum und im Referenzgas bestimmt wird. Da die Konzentration im Referenzgas bekannt und unveränderlich ist, reduziert sich die Abhängigkeit auf die Konzentration im Hohlraum.
Um die Lambdasonde zu betreiben, muss sie über den Stecker mit einem Auswertebaustein verbunden sein, der sich z. B. in einem Motorsteuergerät befindet. Die Mess-Spannung wird über die Elektroden erfasst und an den Auswertebaustein übermittelt. Im Auswertebaustein befindet sich ein Regelkreis, der die Spannung über der Messzelle auf einem Sollwert hält, indem ein so genannter Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben wird. Da der Stromfluss im Elektrolyten durch Sauerstoffionen erfolgt, wird die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum beeinflusst. Um die Mess-Spannung im eingeschwungenen Zustand konstant zu halten, muss im mageren Bereich (λ > 1) genau so viel Sauerstoff aus dem Hohlraum gepumpt werden, wie durch die Diffusionsbarriere nachdiffundiert. Im fetten Bereich (λ < 1) muss dagegen so viel Sauerstoff in den Hohlraum gepumpt werden, dass die nachdiffundierenden reduzierenden Abgasmoleküle kompensiert werden. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Sauerstoffbilanz im Hohlraum durch den Pumpstromregler konstant gehalten wird, folgt aus der Diffusionsgleichung ein linearer Zusammenhang zwischen Diffusionsstrom, und damit dem Pumpstrom, und der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Der Pumpstrom wird nun im Auswertebaustein gemessen und an den Hauptrechner des Motorsteuergerätes übermittelt. Aus dem Vorangegangenen folgt, dass der Pumpstrom ein lineares Signal für die Sauerstoffbilanz im Abgas darstellt. Der Zusammenhang zwischen Lambdawert und der Sauerstoffbilanz ist zwar nichtlinear, wie dies nachfolgende Gleichung belegt. C_O2,Abgas = (1 – 1/λ) C_O2,Luft (2)
Die Krümmung der Kurve ist jedoch im für die Motorsteuerung relevanten Bereich hinreichend gering, um eine exakte Bestimmung des Lambdawertes aus dem Pumpstrom zu erlauben.
Breitband-Lambdasonden sind beispielsweise aus der DE 10 2005 061890 A1 sowie aus der DE 10 2005 043414 A1 bekannt, wobei die DE 10 2005 061890 A1 den Aufbau einer Breitband-Lambdasonde beschreibt, bei der erfindungsgemäß der Einsatz bestimmter chemischer Elemente bei ihrem Aufbau vorgesehen ist.
Bei Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehr Zylindern, die das Abgas in einen Abgaskrümmer ausstoßen, dessen Rohre in ein gemeinsames Abgasrohr münden, können die Lambdawerte der einzelnen Zylinder unterschiedlich sein, entweder wegen unterschiedlicher Luftfüllung, hervorgerufen beispielsweise durch Druckwellen im Ansaugrohr, oder wegen unterschiedlicher Kraftstoffmengen, hervorgerufen beispielsweise durch Toleranzen der Einspritzventile, oder wegen einer Kombination aus beiden Ursachen. Derartige zylinderindividuelle Lambdaschwankungen können sich wie folgt nachteilig auswirken.
Wenn beispielsweise im Abgasrohr ein Dreiwege-Katalysator verbaut ist und die Verteilung des Abgases aus den einzelnen Zylindern über dem Katalysatorquerschnitt ungleichmäßig ist, ist eine zufrieden stellende Abgasumsetzung nicht möglich. In einem Katalysatorsegment, das mit magerem Abgas beaufschlagt wird, können die oxidierenden Abgaskomponenten nicht umgesetzt werden, wohingegen in einem Katalysatorsegment, das mit fettem Abgas beaufschlagt wird, die reduzierenden Abgaskomponenten nicht umgesetzt werden können. Zudem nimmt der Wirkungsgrad ab und damit der Kraftstoffverbrauch zu, wenn in einem fett betriebenen Zylinder keine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt. Außerdem können unvollständig verbrannter Kraftstoff aus den fett betriebenen Zylindern und überschüssige Luft aus den mager betriebenen Zylindern im Abgasrohr nachreagieren. Dadurch wird Energie frei, die zu einer thermischen Überbeanspruchung bis hin zur Schädigung der im Abgassystem verbauten Komponenten, insbesondere des Katalysators, führen kann.
Es ist daher wünschenswert, in einem geschlossenen Regelkreis nicht nur den mittleren Lambdawert aller Zylinder auf den Sollwert einzuregeln, sondern auch den jedes einzelnen Zylinders. Ein solches Verfahren wird im Folgenden als Einzelzylinder-Lambdaregelung bezeichnet. Weiterhin fordert die US-amerikanische On-Board-Diagnose-Gesetzgebung (OBD) zum Modelljahr 2011 eine Erkennung von zylinderindividuellen Lambdaschwankungen, die im Folgenden auch Verstimmungsdiagnose oder Vertrimmungsdiagnose genannt wird.
Einzelzylinder-Lambdaregelungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 102 60 721 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose der dynamischen Eigenschaften einer Lambdasonde, die wenigstens zeitweilig zu einer zylinderindividuellen Lambdaregelung verwendet wird. Dabei wird wenigstens eine Stellgröße der Lambdaregelung erfasst und mit einer vorgebbaren maximalen Schwelle verglichen. Im Fall des Überschreitens der maximalen Schwelle wird das dynamische Verhalten der Lambdasonde im Hinblick auf die Einsatzfähigkeit für die zylinderindividuelle Lambdaregelung als nicht ausreichend bewertet.
Stand der Technik bzw. Gegenstand früherer Patentanmeldungen ist es, für eine Verstimmungsdiagnose oder zylinderindividuelle Lambdaregelung das Lambdasignal einer Zweipunkt- oder Breitband-Lambdasonde zu nutzen. Dabei besteht eine Reihe von Schwierigkeiten.
Eine Schwierigkeit besteht darin, dass die relevanten Frequenzen des Lambdasignals stark gedämpft werden. Eine erhebliche Dämpfung wird durch das Schutzrohr bewirkt. Dieses betrifft sowohl Zweipunkt- als auch Breitband-Lambdasonden. Bei einer Breitband-Lambdasonde kommen jedoch noch weitere Dämpfungseffekte dazu, nämlich durch die Diffusionsbarriere und, je nach Reglerauslegung, durch die Dynamik des Pumpstromreglers. Alle Dämpfungseffekte wirken dabei kumulativ. Die durch zylinderindividuelle Schwankungen hervorgerufenen Frequenzen im realen Lambdawert können durch die Diffusionsbarriere in einem Drehzahlbereich um 2000/min um über 50% gedämpft werden. Bei höheren Drehzahlen nimmt die Dämpfung noch zu. Das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich, was sowohl die Verstimmungsdiagnose als auch die zylinderindividuelle Lambdaregelung erschwert. Unter dem Gesichtspunkt der Dämpfung kann daher eine Zweipunkt-Lambdasonde im Bereich um λ = 1 Vorteile gegenüber einer Breitband-Lambdasonde haben.
Eine Breitband-Lambdasonde hat jedoch auch Vorteile gegenüber einer Zweipunkt-Lambdasonde. Ein Vorteil besteht darin, dass eine Lambdaregelung mit einer Breitband-Lambdasonde das mittlere Lambda konstant auf einem Sollwert einregeln kann. Dagegen bewirkt das bei einer Zweipunkt-Lambdasonde übliche Verfahren, die so genannte Zweipunktregelung, eine Oszillation des Lambdasondensignals, stellt also nur den Mittelwert über der Zeit auf den Sollwert ein. Die zylinderindividuellen Lambdaschwankungen werden so von den viel stärkeren Oszillationen durch den Regeleingriff überlagert, was die Erkennung erschwert.
Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, nach dem ein Beobachter-Algorithmus für die zylinderindividuellen Lambdawerte durch den Messwert einer Breitband-Lambdasonde gestützt wird. Da der Beobachter-Algorithmus auf dem Modell des Systems beruht, das als Eingangsgrößen die zylinderindividuellen Lambdawerte und als Ausgangsgröße den Lambda-Mittelwert hat, wird es im folgenden als modellgestütztes Verfahren bezeichnet. Ein wichtiger Parameter für den Beobachter-Algorithmus ist die betriebspunktabhängige Totzeit der Lambdasonde. Das Verfahren wird dadurch erschwert, dass die Totzeit über die Produktionsbandbreite und über Alterung variiert. Um diese Schwierigkeit zu beheben, wird ein Totzeit-Adaptionsverfahren beschrieben, das jedoch ebenfalls mit Nachteilen behaftet ist. So ist für die Adaption eine aktive Kraftstoff-Verstellung erforderlich. Überdies kann sie eine eventuelle Betriebspunktabhängigkeit der Totzeit-Variation nur unzureichend darstellen
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche durch Nutzung von Eigenschaften einer Abgassonde eine Einzelzylinder-Lambdaregelung und eine verbesserte Verstimmungsdiagnose gewährleisten.
Vorteile der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zusätzlich zum Pumpstrom eine Pumpspannung bzw. eine Pumpspannungsänderung über der Pumpzelle bestimmt und dieser Wert an eine Diagnoseeinrichtung übermittelt wird. Vorteilhaft ist dabei, dass die Pumpzelle der als Breitband-Lambdasonde ausgebildeten Abgassonde vom Prinzip her wie eine Zweipunkt-Lambdasonde betrieben wird und die Nachteile hinsichtlich der zuvor beschriebenen Dämpfung beim Einsatz von Breitband-Lambdasonden sich nicht auswirken. Damit kann sowohl die Verstimmungsdiagnose verbessert als auch die Einzelzylinderregelung optimiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pumpspannung bzw. die Pumpspannungsänderung in Kombination mit einem regulären Lambdasignal der als Breitband-Lambdasonde ausgeführten Abgassonde in der Diagnoseeinrichtung ausgewertet wird, wie dies nachfolgend beschreiben ist.
Wird mit dem regulären Lambdasignal der Abgassonde ein mittlerer Lambdawert aller Zylinder gleich oder nahe bei 1 eingeregelt und das Signal der Pumpspannung ausgewertet, lassen sich auch kleine zylinderindividuelle Schwankungen an der Pumpspannung erkennen, die sich zur Verstimmungsdiagnose und zur Einzelzylinderdiagnose nutzen lassen, da, ebenso wie bei einer Zweipunkt-Lambdasonde, die Abhängigkeit der Pumpspannung in diesem Lambdabereich von kleinen Schwankungen besonders stark ist.
Hinsichtlich einer verbesserten Verstimmungsdiagnose ist in einer Verfahrensvariante vorgesehen, dass auf das gemessene Signal der Pumpspannung ein Filter mit einem Bandpass- oder Differentialverhalten angewendet wird. Störsignale können damit weitgehend unterdrückt werden, da nur Frequenzbereiche für die Pumpspannung berücksichtigt werden, die infolge der zylinderindividuellen Lambdaschwankung angeregt werden.
Dabei hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Übertragungsverhalten des Filters betriebspunktabhängig vorgegeben und insbesondere von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig beeinflusst wird. Eine an die Drehzahl angepasste Übertragungsfunktion ermöglicht eine dynamische Anpassung des Frequenzbereichs, in dem die zylinderindividuellen Lambdaschwankungen beim Pumpspannungssignal auftreten können.
Hinsichtlich einer zusätzlich verbesserten Störsignalunterdrückung kann weiterhin vorgesehen sein, dass vom Betrag des Gradienten des gefilterten Signals der Pumpspannung ein Korrekturterm subtrahiert wird, der modellhaft für ein fehlerfreies System angenommen und ebenfalls betriebspunktabhängig vorgegeben wird, und die Differenz zeitlich integriert wird.
Bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes für das zeitliche Integral wird ein Verstimmungsfehler diagnostiziert, welcher in einen Fehlerspeicher einer übergeordneten Motorsteuerung eingetragen bzw. durch eine Warnmeldung angezeigt werden kann. Damit kann eine robuste Verstimmungsdiagnose im Hinblick auf die zukünftige US-amerikanische On-Board-Diagnose-Gesetzgebung realisiert werden.
Eine ebenfalls bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass das zeitliche Signal der Pumpspannung einer Frequenzanalyse unterzogen wird und auf Grundlage dieser bei der Frequenzanalyse ermittelten Frequenzanteile eine Verstimmungsdiagnose oder eine Zylindergleichstellung vorgenommen wird. Dazu wird das zeitliche Signal der Pumpspannung einer Fourier-Analyse unterzogen und der Anteil einer Motorspielfrequenz und ggf. ganzzahlige Vielfache dieser bestimmt.
Werden durch Vergleich des Signals für die Pumpspannung mit dem regulären Lambdasignal der Abgassonde die Totzeit oder andere dynamische Kenngrößen der Abgassonde ermittelt, können dadurch Modellparameter einer modellgestützten Zylindergleichstellungsregelung auf Basis des regulären Lambdasignals der Abgassonde adaptiert werden. Alterungseffekte des Sensorelementes der Abgassonde können beispielsweise bei der Zylindergleichstellungsregelung berücksichtigt werden.
Ein bevorzugte Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens sieht den Einsatz bei Brennkraftmaschinen mit Mehrbank-Abgassystemen, bei denen die Zylinder in mehreren Gruppen zusammengefasst sind und das Abgas der verschiedenen Zylindergruppen in getrennten Abgaskanälen geleitet wird, vor.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Diagnoseeinrichtung das zuvor beschriebene Verfahren durchführbar ist und insbesondere die Signale der über der Pumpzelle der Abgassonde anliegenden Pumpspannung auswertbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und
2a und 2b in einer schematischen Darstellung eine Breitband-Lambdasonde als Abgassonde bei unterschiedlichen Abgaszusammensetzungen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt beispielhaft ein technisches Umfeld, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1, bestehend aus einem Motorblock 40 und einem Zuluftkanal 10, der den Motorblock 40 mit Verbrennungsluft versorgt, dargestellt, wobei die Luftmenge im Zuluftkanal 10 mit einer Zuluftmesseinrichtung 20 bestimmbar ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 wird dabei über eine Abgasreinigungsanlage geführt, welche als Hauptkomponenten einen Abgaskanal 50 aufweist, in dem in Strömungsrichtung des Abgases ggf. eine erste Abgassonde 60 vor einem Katalysator 70 und ggf. eine zweite Abgassonde 80 hinter dem Katalysator 70 angeordnet ist.
Die Abgassonden 60, 80 sind mit einer Steuereinrichtung 90 verbunden, die aus den Daten der Abgassonden 60, 80 und den Daten der Zuluftmesseinrichtung 20 das Gemisch berechnet und eine Kraftstoffzumesseinrichtung 30 zur Zudosierung von Kraftstoff ansteuert. Gekoppelt mit der Steuereinrichtung 90 oder in diese integriert ist eine Diagnoseeinrichtung 100 vorgesehen, mit der die Signale der Abgassonden 60, 80 ausgewertet werden können. Die Diagnoseeinrichtung 100 kann zudem mit einer Anzeige-/Speichereinheit verbunden sein, welche hier nicht dargestellt ist. Mit der im Abgaskanal 50 hinter dem Motorblock 40 angeordneten Abgassonde 60 kann mit Hilfe der Steuereinrichtung 90 ein Lambdawert eingestellt werden, der für die Abgasreinigungsanlage zur Erzielung einer optimalen Reinigungswirkung geeignet ist. Die im Abgaskanal 50 hinter dem Katalysator 70 angeordnete zweite Abgassonde 80 kann ebenfalls in der Steuereinrichtung 90 ausgewertet werden und dient dazu, in einem Verfahren nach dem Stand der Technik die Sauerstoffspeicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage zu bestimmen.
Exemplarisch ist hier eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, die lediglich einen Abgaskanal 50 aufweist. Das erfinderische Verfahren erstreckt sich aber auch auf Brennkraftmaschinen 1 mit Mehrbank-Abgassystemen, in denen die Zylinder in mehreren Gruppen zusammengefasst sind und das Abgas der verschiedenen Zylindergruppen in getrennte Abgaskanäle 50 geleitet wird.
2a und 2b zeigen in einer schematischen Darstellung eine Abgassonde 60, die, wie dies das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, als Breitband-Lambdasonde ausgeführt ist und mit einem fetten Abgas 110 (1a) einerseits und einem mageren Abgas 120 (1b) andererseits beaufschlagt ist.
Die Abgassonde 60, wie sie beispielsweise in der DE 10 2005 061890 A1 beschrieben ist, umfasst eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode 62 und einer inneren Elektrode 67 sowie einer Messzelle mit einer Messelektrode 68 und einer Referenzelektrode 69. Die Messelektrode 68 und die Referenzelektrode 69 sind kurzgeschlossen. Die Abgassonde 60 ist in der Regel in Planartechnik aus mehreren Festelektrolytschichten 61 aufgebaut. Ferner ist eine in einer Isolation eingebettete Heizvorrichtung zur Beheizung des Sensorelements vorgesehen (in der Figur nicht dargestellt). Das Abgas 110, 120 kann über eine Öffnung 64 in Form einer Bohrung und durch eine Diffusionsbarriere 65 einem Messraum 66 zugeführt werden. Im Messraum 66 ist dabei die innere Elektrode 67 der Pumpzelle sowie die Messelektrode 68 der Messzelle angeordnet. Die äußere Elektrode 62 an der dem Abgas 110, 120 zugewandten Außenseite der Abgassonde 60 weist eine Schutzschicht 63 auf. Die Referenzelektrode 69 ist in einem Referenzluftkanal angeordnet, welcher mit Umgebungsluft gefallt ist.
Über die Nernstzelle wird eine Potentialdifferenz, die so genannte Nernstspannung 160, zwischen der Messelektrode 68 und der Referenzelektrode 69 gemessen. An die Pumpzelle wird von außen eine Spannung angelegt. Diese erzeugt einen als Pumpstrom 150 bezeichneten Strom, mit dem – polaritätsabhängig – Sauerstoffionen transportiert werden.
Eine elektronische Regelschaltung bewirkt, dass die Pumpzelle dem Messraum 66 immer genau soviel Sauerstoff in Form von O^2–-Ionen zu- bzw. aus ihm abführt, dass sich in dem Messraum 66 ein Lambdawert von λ = 1 einstellt, wobei bei magerem Abgas 120 (bei Luftüberschuss) Sauerstoff abgepumpt und bei fettem Abgas 110 hingegen Sauerstoff zugeführt wird. Der durch die Regelschaltung eingestellte Pumpstrom 150 hängt von der Luftzahl Lambda im Abgas ab und bildet das Ausgangssignal der Breitband-Lambdasonde. Der Pumpstrom 150 ist im Fall von magerem Abgas 120, in dem als Leitkomponenten vor allem O₂ und auch NO vorkommen, positiv und im Fall von fettem Abgas 110 mit den Leitkomponenten CO, H₂ und HC (Kohlenwasserstoffen) negativ.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei der als Breitband-Lambdasonde ausgeführten Abgassonde 60 zusätzlich zum Pumpstrom 150 eine Pumpspannung, welche über der Pumpzelle, d. h. zwischen der äußeren Elektrode 62 und der inneren Elektrode 67, anliegt, gemessen, an die Steuereinrichtung 90 übermittelt und ggf. in Kombination mit dem regulären Lambdasignal, welches sich aus dem Pumpstrom 150 ableitet, für die Verstimmungsdiagnose bzw. für die Einzelzylinderregelung genutzt wird.
Die Pumpzelle funktioniert dabei wie eine Zweipunkt-Lambdasonde. Eine Seite ist dem Abgas 110, 120 und die andere Seite ist einem Referenzgas ausgesetzt, dessen Zusammensetzung zwar nicht konstant ist, welches aber ein konstantes Nernst-Potential aufweist. Dabei ist es unerheblich, dass das konstante Nernst-Potential erst durch den Pumpstrom 150 eingestellt wird. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass, anders als bei einer Zweipunkt-Lambdasonde, ein Strom durch die Pumpzelle fließt. Daher entspricht die Spannung über der Pumpzelle nicht der o. g. Nernst-Gleichung (1), welche einen stromlosen Elektrolyten beschreibt. Vielmehr muss ein Pumpstromregler, um den Pumpstrom 150 zu treiben, eine Spannung einstellen, die sich von der o. g. Gleichung (1) unterscheidet. Der Unterschied ergibt sich aus dem Pumpstrom 150 und dem Innenwiderstand der Pumpzelle. Unter der vereinfachenden Annahme, dass außer Sauerstoff keine oxidierenden oder reduzierenden Abgaskomponenten vorliegen, wird die Pumpspannung durch die folgende Gleichung beschrieben. U_P = U_Abgas – U_Hohlraum = (R·T/4·F)·ln(p_O2,Abgasf/p_O2,Hohlraum) + R_P·I_P (3)
In dieser steht U_Abgas für das elektrische Potential an der Abgasseite, U_Hohlraum für das konstant gehaltene elektrische Potential an der Hohlraumseite bzw. im Messraum 66, p_O2,Hohlraum und p_O2,Abgas für den Sauerstoff-Partialdruck im Messraum 66 bzw. Abgas 110, 120. R_P steht für den Innenwiderstand der Pumpzelle, I_P für den Pumpstrom 150 sowie T für die Temperatur, R für die allgemeine Gaskonstante und F für die Faraday-Konstante.
Die elektrische Pumpstromrichtung ist von der Abgasseite zur Hohlraumseite. Der Sauerstoffionenstrom ist dabei entgegengesetzt zur elektrischen Stromrichtung, da die Sauerstoffionen negativ geladen sind. Da umso mehr Sauerstoffionen gepumpt werden müssen, je fetter das Abgas ist, nimmt der Pumpstrom I_P 150 mit der Sauerstoffkonzentration des Abgases bzw. mit dem Sauerstoff-Partialdruck p_O2,Abgas zu.
In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass im Hinblick auf eine Verstimmungsdiagnose bei der Einzelzylinderlambdaregelung auf die gemessene Pumpspannung U_P(t) ein Filter D mit Bandpass- oder Differentialverhalten angewendet wird, welcher nur die Frequenzen von U_P(t) durchlässt, die durch zylinderindividuelle Lambdaschwankungen angeregt werden. Das Übertragungsverhalten von D kann betriebspunktabhängig sein und insbesondere von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 abhängen. Vom Betrag des Gradienten wird ein Korrekturterm K subtrahiert, der dem Gradienten, der für ein fehlerfreies System als möglich angenommen wird, entspricht. K kann ebenfalls betriebspunktabhängig sein. Der einfacheren Schreibweise halber werden jedoch die Abhängigkeiten von D und K im Folgenden nicht explizit aufgeführt. Für ein fehlerfreies System müsste die Differenz zwischen D(U_P(t)) und K stets negativ sein. Doch können kurzfristige Störungen, die nicht auf zylinderindividuelle Lambdaschwankungen zurückzuführen sind, es vorübergehend positiv machen.
Um eine robuste Verstimmungsdiagnose zu erreichen, wird daher ein nach unten auf Null begrenztes Integral von der Differenz gebildet. Dieses Integral sei als W bezeichnet und ist der Diagnosewert der Verstimmungsdiagnose. Das Bildungsgesetz von W lautet: W(0) = 0 (4a) und W(t + Δt) = max{0, W(t) + Δt·(|D(U_P(t))| – K)} (4b)
Ein Verstimmungsfehler wird diagnostiziert, wenn W einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
Mit den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten können Abweichungen der Einzelzylinder-Lambdaregelung besser ohne zusätzlichen materiellen Aufwand diagnostiziert werden, was insbesondere im Hinblick auf verschärfte Gesetzgebungen bei der On-Board-Diagnose Vorteile bietet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005061890 A1 [0010, 0010, 0038]
DE 102005043414 A1 [0010]
DE 10260721 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Diagnose von Abweichungen bei einer Einzelzylinder-Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Zylindern und einer als Breitband-Lambdasonde ausgeführten Abgassonde (60), bei der ein Pumpstrom (150) durch eine Pumpzelle ausgewertet wird und dieser wenigstens zeitweilig zu einer zylinderindividuellen Lambdaregelung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Pumpstrom (150) eine Pumpspannung bzw. eine Pumpspannungsänderung über der Pumpzelle bestimmt und dieser Wert an eine Diagnoseeinrichtung (100) übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung bzw. die Pumpspannungsänderung in Kombination mit einem regulären Lambdasignal der Abgassonde (60) in der Diagnoseeinrichtung (100) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem regulären Lambdasignal der Abgassonde (60) ein mittlerer Lambdawert aller Zylinder gleich oder nahe bei 1 eingeregelt wird und das Signal der Pumpspannung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf das gemessene Signal der Pumpspannung ein Filter mit einem Bandpass- oder Differentialverhalten angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsverhalten des Filters betriebspunktabhängig vorgegeben und von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) abhängig beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass vom Betrag des Gradienten des gefilterten Signals der Pumpspannung ein Korrekturterm subtrahiert wird, der modellhaft für ein fehlerfreies System angenommen und ebenfalls betriebspunktabhängig vorgegeben wird, und die Differenz zeitlich integriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes für das zeitliche Integral ein Verstimmungsfehler diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitliche Signal der Pumpspannung einer Frequenzanalyse unterzogen wird und auf Grundlage dieser bei der Frequenzanalyse ermittelten Frequenzanteile eine Verstimmungsdiagnose oder eine Zylindergleichstellung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleich des Signals für die Pumpspannung mit dem regulären Lambdasignal der Abgassonde (60) die Totzeit oder andere dynamische Kenngrößen der Abgassonde (60) ermittelt werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei Brennkraftmaschinen (1) mit Mehrbank-Abgassystemen, bei denen die Zylinder in mehreren Gruppen zusammengefasst sind und das Abgas der verschiedenen Zylindergruppen in getrennten Abgaskanälen geleitet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Diagnoseverfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.