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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Erfassung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente in dem Messgasraum, beispielsweise zur Erfassung eines Prozentsatzes und/oder eines Partialdrucks der Gaskomponente. Bei der Gaskomponente kann es sich insbesondere um Sauerstoff, Stickstoff, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder andere Gaskomponenten handeln, welche gezielt nachgewiesen werden können. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas handeln, insbesondere ein Abgas einer Verbrennungsmaschine, und bei dem Messgasraum kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt handeln. Insbesondere sind Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung mindestens eines Festelektrolyten basieren, also eines ionenleitenden Festkörpers. Beispiele derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Auch andere Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
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Bei Sensorelementen der bekannten Art, insbesondere bei Lambdasonden und dort insbesondere bei so genannten Sprungsonden oder Zweipunkt-Lambdasonden, erfolgt eine Temperaturregelung in der Regel aufgrund einer Innenwiderstandsmessung des Sensorelements. Beispielsweise kann mittels eines kurzzeitigen Spannungspulses ein temperaturabhängiger Innenwiderstand zwischen zwei Elektroden des Sensorelements gemessen werden, beispielsweise zwischen einer Messelektrode und einer Referenzelektrode, und anschließend mittels einer angepassten Heizleistung der Innenwiderstand auf einen Zielwiderstand geregelt werden. Beispielsweise können bei Sprungsonden Innenwiderstände auf 220 Ω geregelt werden, was beispielsweise im Neuzustand des Sensorelements einer Temperatur von ca. 780°C des Sensorelements entsprechen kann.
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Eine Herausforderung bei den bekannten Verfahren besteht jedoch in der Regel darin, dass das Sensorelement über seine Laufzeit hinweg Veränderungen durchläuft. Insbesondere können Alterungseffekte auftreten, welche den Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand und der Temperatur verändern können. Beispielsweise tritt bei Abgassonden über deren Lebensdauer hinweg in der Regel eine Erhöhung des Innenwiderstands ein. Wenn auf den Innenwiderstand geregelt wird und dieser Innenwiderstand bei gleichbleibender Temperatur des Sensorelements ansteigt, dann steigt auch im Laufe der Lebensdauer des Sensorelements die tatsächliche Temperatur des Sensorelements. Dies kann zu einer Überhitzung und Zerstörung des Sensorelements führen. Wünschenswert wäre daher ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements, welches diese Nachteile vermeidet und welches auch bei zeitlichen Veränderungen des Sensorelements zu einer stabilen Einstellung einer Temperatur des Sensorelements führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet. Weiterhin wird eine Sensorvorrichtung vorgeschlagen, welche das Verfahren durchführt. Bei dem Sensorelement kann es sich insbesondere um ein Sensorelement zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum handeln, beispielsweise gemäß der obigen Beschreibung. Insbesondere kann es sich bei dem Sensorelement um ein Sensorelement handeln, welches mindestens eine Zelle umfasst, wobei die mindestens eine Zelle mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Insbesondere können Festelektrolyte auf Basis von Zirkoniumdioxid eingesetzt werden, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Das Sensorelement kann einzellig oder auch mehrzellig sein. Die mindestens eine erste Elektrode kann beispielsweise direkt oder indirekt mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Vorzugsweise kann die mindestens eine zweite Elektrode als Referenzelektrode in Verbindung mit mindestens einem Referenzgasraum stehen, insbesondere mit mindestens einem Referenzgaskanal, beispielsweise einem Luftreferenzkanal. Beispiele werden unten noch näher beschrieben. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung somit auf so genannte Sprungsonden einsetzbar. Auch auf Breitband-Lambdasonden oder andere Arten von Sensoren kann das Verfahren jedoch grundsätzlich angewandt werden.
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Bei dem Verfahren wird mindestens ein Heizelement verwendet. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens ein Heizelement aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere Heizelemente verwendet werden, welche nicht Bestandteil des Sensorelements sind, beispielsweise mindestens ein separater Heizer. Unter einem Heizelement ist ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, welches eine Temperatur des Sensorelements oder eines Teils des Sensorelements beeinflussen kann, beispielsweise durch eine resistive Beheizung. Derartige Heizelemente sind beispielsweise als Heizmäander aus üblichen Sensorelementen bekannt. Auch andere Arten von Heizelementen können jedoch grundsätzlich eingesetzt werden.
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Das Sensorelement wird bei dem Verfahren mittels des Heizelements auf mindestens eine vorgegebene Solltemperatur eingestellt. Dieses Einstellen kann insbesondere in Form einer Regelung erfolgen, indem das Sensorelement auf die mindestens eine vorgegebene Solltemperatur eingeregelt wird, beispielsweise mit einer entsprechenden Regelungsschaltung in einer unten noch näher beschriebenen Steuerung einer Sensorvorrichtung. Zur Einstellung der Solltemperatur wird mindestens eine Zuordnung zwischen mindestens einer Regelgröße und der Temperatur des Sensorelements verwendet. Als Regelgröße kann insbesondere, wie oben beschrieben, mindestens ein Innenwiderstand mindestens einer Zelle des Sensorelements verwendet werden. Auch andere Regelgrößen, welche einen Zusammenhang mit der Temperatur des Sensorelements aufweisen, können grundsätzlich eingesetzt werden. Letztendlich kann auch eine Temperaturmessung unmittelbar erfolgen, beispielsweise mittels eines Messelements, da derartige Messelemente ebenfalls Alterungseffekten unterliegen können und beispielsweise eine alterungsbedingte Signaldrift aufweisen können. Die Zuordnung zwischen der mindestens einen Regelgröße kann beispielsweise in Form einer Einzelpunkt-Zuordnung, beispielsweise in Form eines Kennlinienfeldes, oder auf andere Weise erfolgen. Beispielsweise können auch Funktionen vorgegeben werden, welche die Regelgröße der Temperatur des Sensorelements zuordnen. Die Zuordnung kann kontinuierlich oder auch diskontinuierlich, beispielsweise in Schritten, erfolgen. Die Zuordnung kann beispielsweise in einer Steuerung einer Sensorvorrichtung abgelegt sein, beispielsweise in mindestens einem flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Speicherelement der Steuerung. Die mindestens eine Solltemperatur kann beispielsweise fest oder auch dynamisch vorgegeben werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Solltemperatur handeln, welche zwischen 550°C und 900°C liegt, beispielsweise zwischen 700°C und 800°C, beispielsweise bei 780°C, was üblichen Betriebstemperaturen von Zirkoniumdioxid-Lambdasonden entspricht.
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Bei dem Verfahren wird mindestens ein Istwert der Regelgröße erfasst. Unter einem Istwert wird dabei ein tatsächlich gemessener Wert der Regelgröße oder ein aus einem tatsächlichen Messwert abgeleiteter Wert verstanden, welcher aktuell oder auch mit einer tolerablen Zeitverzögerung gemessen wird. Der Istwert wird mit mindestens einem der Solltemperatur zugeordneten Sollwert verglichen. Dieser Sollwert wird also mittels der oben beschriebenen mindestens einen Zuordnung bestimmt, beispielsweise über die oben beschriebene mindestens eine Steuerung. Der Vergleich kann beispielsweise in einer Vergleichseinrichtung erfolgen, insbesondere mittels mindestens eines Komparators, wobei beispielsweise durch Vergleich des Istwerts und des Sollwerts Regelabweichungen erkannt werden können. Das Heizelement wird entsprechend dieses Vergleichs mit elektrischer Energie beaufschlagt. Dies kann beispielsweise, wie oben beschrieben, in Form einer Regelung erfolgen, indem aus einer Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert mindestens eine Stellgröße erzeugt wird, entsprechend der das Heizelement mit elektrischer Energie beaufschlagt wird. Beispielsweise kann die Stellgröße in einer entsprechende Heizspannung, einen Heizstrom oder auf andere Weise in eine elektrische Energie umgewandelt werden, mit der das Heizelement beaufschlagt wird, beispielsweise in Form einer Pulsweitenmodulationsregelung. Auch andere Arten der Regelung sind jedoch denkbar.
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Bei dem Verfahren ist eine Mehrzahl von Referenzpunkten vorgegeben, wobei die Referenzpunkte Zustände mit zumindest teilweise bestimmbaren Eigenschaften des Sensorelements sind. Unter einem Referenzpunkt wird somit im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein durch mindestens einen, vorzugsweise eine Mehrzahl von Parametern beschriebener Zustand des Sensorelements und optional seiner Umgebung verstanden, in welchem Eigenschaften des Sensorelements, insbesondere mindestens eine Eigenschaft, die mit der Temperatur korreliert, bereits bekannt oder zumindest ermittelbar sind. Beispielsweise kann es sich um einen Zustand handeln, in welchem die Temperatur des Sensorelements entweder unmittelbar bekannt ist oder zumindest in irgendeiner Weise ableitbar ist, beispielsweise durch eine analytische, empirische oder semiempirische Betrachtung. Beispielsweise kann es sich um einen Zustand handeln, in welchem die Temperatur des Sensorelements entweder unmittelbar bereits bekannt ist oder auf einfache Weise berechnet werden kann, beispielsweise aufgrund von bekannten Energieeinträgen in das Sensorelement, beispielsweise über eine Umgebung und/oder das Heizelement. Bei der mindestens einen Eigenschaft, die vorzugsweise mit der Temperatur korreliert, kann es sich beispielsweise um die Temperatur selbst handeln und/oder den Innenwiderstand des Sensorelements und/oder eine oder mehrere andere Eigenschaften. Der Referenzpunkt kann durch Parameter des Sensorelements selbst und/oder durch Parameter der Umgebung des Sensorelements charakterisiert sein, wie unten noch näher ausgeführt wird.
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Bei dem Verfahren wird erkannt, beispielsweise mittels der mindestens einen Steuerung, wenn mindestens einer der Referenzpunkte erreicht wird. Aufgrund der bestimmbaren Eigenschaft des Sensorelements bei dem erreichten Referenzpunkt wird dann die Zuordnung angepasst. Diese Anpassung der Zuordnung kann insbesondere, wie unten noch näher ausgeführt wird, dadurch erfolgen, dass der Sollwert, welcher sich an dem Referenzpunkt aufgrund der mindestens einen Zuordnung ergibt, aufgrund der Eigenschaft des Sensorelements bei dem erreichten Referenzpunkt verändert wird. Verschiedene Möglichkeiten, die Zuordnung anzupassen, werden unten noch näher erläutert.
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Wie oben beschrieben, lässt sich das Verfahren insbesondere auf Sensorelemente mit mindestens einer Zelle anwenden, welche mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Insbesondere kann die Regelgröße mindestens einen Innenwiderstand der mindestens einen Zelle umfassen.
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Die Anpassung der Zuordnung an dem erreichten Referenzpunkt kann eine beliebige Beeinflussung der Zuordnung aufgrund der bestimmbaren Eigenschaft des Sensorelements an dem erreichten Referenzpunkt umfassen. Beispielsweise kann die bestimmbare Eigenschaft an dem erreichten Referenzpunkt mit dem aufgrund der Zuordnung an dem Referenzpunkt ermittelten mindestens einen Sollwert verglichen werden und aufgrund dieses Vergleichs eine Beeinflussung der Zuordnung erfolgen. Wird beispielsweise bei dem Vergleich keine Abweichung festgestellt, so kann die Zuordnung unverändert gelassen werden, und wird eine Abweichung festgestellt, so kann die Zuordnung beispielsweise angepasst werden. Die Anpassung der Zuordnung an dem erreichten Referenzpunkt kann insbesondere eine Ermittlung der Temperatur des Sensorelements an dem erreichten Referenzpunkt umfassen. Der dieser Temperatur aufgrund der Zuordnung zugeordnete Sollwert kann unter Verwendung des Istwerts an dem erreichten Referenzpunkt angepasst werden. Die Anpassung des Sollwerts kann beispielsweise unter Verwendung eines Algorithmus erfolgen, welcher einen oder mehrere der folgenden Algorithmen umfassen kann. So kann beispielsweise der durch die Zuordnung an dem erreichten Referenzpunkt gegebene Sollwert durch den Istwert an dem erreichten Referenzpunkt als neuer Sollwert ersetzt werden. Alternativ kann der durch die Zuordnung an dem erreichten Referenzpunkt gegebene Sollwert auch durch einen neuen Sollwert ersetzt werden, welcher aus dem Sollwert und dem Istwert an dem erreichten Referenzpunkt ermittelt wird, beispielsweise durch eine Mittelung und/oder eine gewichtete Mittelung. Auch frühere Sollwerte können in die Anpassung des Sollwerts einfließen. So können beispielsweise mindestens n frühere Sollwerte an dem erreichten Referenzpunkt gespeichert sein, beispielsweise in einem flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Datenspeicher einer Steuerung. n ist dabei eine positive ganze Zahl. Der durch die Zuordnung an dem erreichten Referenzpunkt gegebene Sollwert kann durch einen neuen Sollwert ersetzt werden, welcher aus dem Istwert an dem erreichten Referenzpunkt und den n früheren Sollwerten ermittelt wird, insbesondere durch eine Mittelung oder gewichtete Mittelung. Alternativ oder zusätzlich sind andere Algorithmen möglich, um den Sollwert anzupassen.
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Die Referenzpunkte können, wie oben beschrieben, insbesondere durch einen oder mehrere Parameter charakterisiert oder definiert sein. Insbesondere können die Referenzpunkte jeweils durch mindestens einen, vorzugsweise eine Mehrzahl von bekannten Betriebsparametern definiert sein. Das Erreichen eines Referenzpunkts kann erkannt werden durch ein Verfahren, welches insbesondere eines oder mehrere der folgenden Verfahren umfassen kann: So kann ein Einstellen des Betriebsparameters erkannt werden, welcher dem Referenzpunkt zugeordnet ist, insbesondere ein Einstellen sämtlicher Parameter des Referenzpunkts. Alternativ oder zusätzlich kann ein Einstellen eines Zustands innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um den Betriebsparameter, vorzugsweise um alle Betriebsparameter des Referenzpunkts, erkannt werden. Wiederum alternativ oder zusätzlich können auch historische oder zeitliche Entwicklungen von Betriebsparametern überwacht werden und hieraus auf das Einstellen des Referenzpunkts geschlossen werden. Insbesondere kann eine zeitliche Konstanz eines Einstellens des Betriebsparameters erkannt werden, insbesondere eine Einstellung eines Gleichgewichts und/oder stationären Zustands, insbesondere für alle Betriebsparameter des Referenzpunkts. Auch andere Verfahren sind möglich, um zu erkennen, dass sich das System, umfassend das Sensorelement und gegebenenfalls seine Umgebung, einem Referenzpunkt nähert oder dass sich der Referenzpunkt bereits eingestellt hat.
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Die Referenzpunkte können insbesondere jeweils durch mindestens einen bekannten Betriebsparameter definiert sein, insbesondere durch eine Kombination mehrerer bekannter Betriebsparameter. Der Betriebsparameter kann insbesondere mindestens einen Betriebsparameter des Sensorelements umfassen. Dieser mindestens eine Betriebsparameter des Sensorelements kann insbesondere einen oder mehrere der folgenden Betriebsparameter umfassen: eine elektrische Heizleistung, mit der das Heizelement beaufschlagt wird; eine Heizspannung, mit der das Heizelement beaufschlagt wird; einen Heizstrom, mit dem das Heizelement beaufschlagt wird; ein von dem Sensorelement erfasster Messwert, insbesondere eine Luftzahl des Gases; eine zeitliche Konstanz mindestens eines Betriebsparameters des Sensorelements.
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Das Abgas kann, wie oben beschrieben, insbesondere ein Abgas einer Verbrennungsmaschine umfassen. Die Referenzpunkte können, alternativ oder zusätzlich zu einem oder mehreren Betriebsparametern des Sensorelements, weiterhin insbesondere durch mindestens einen bekannten Betriebsparameter, insbesondere durch eine Kombination mehrerer bekannter Betriebsparameter, einer Umgebung des Sensorelements definiert sein. Insbesondere kann es sich bei dem mindestens einen Betriebsparameter um mindestens einen Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine handeln, oder der Betriebsparameter kann mindestens einen Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine umfassen. Der Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine kann insbesondere ausgewählt sein aus: einer Abgastemperatur des Abgases; einer Temperatur mindestens eines Strömungsrohrs eines Abgastrakts der Verbrennungsmaschine; einem Strömungsparameter des Abgases, insbesondere einem Massenstrom und/oder einem Volumenstrom; einer Motordrehzahl eines Motors der Verbrennungsmaschine; einer Motortemperatur eines Motors der Verbrennungsmaschine; einer Kraftstoffmenge, insbesondere einer pro Zeiteinheit in einen Brennraum der Verbrennungsmaschine eingebrachten Kraftstoffmenge; einer Luftmenge, insbesondere einer pro Zeiteinheit in einen Brennraum der Verbrennungsmaschine eingebrachten Luftmenge; einem zeitlichen Betriebsparameter, insbesondere einer Zeitdauer nach einem vorgegebenen Betriebspunkt der Verbrennungsmaschine, insbesondere einer Zeitdauer nach einem Motorstart; einer zeitlichen Konstanz mindestens eines Betriebsparameters der Verbrennungsmaschine.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung eingerichtet sein, um einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas zu erfassen, wobei auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft sowie mindestens ein Heizelement. Wie oben beschrieben, kann das mindestens eine Heizelement beispielsweise ganz oder teilweise Bestandteil des Sensorelements sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch mindestens ein nicht in dem Sensorelement enthaltenes Heizelement vorgesehen sein, beispielsweise mindestens ein separater Heizer. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um ein keramisches Sensorelement handeln. Das Sensorelement kann insbesondere, wie oben ausgeführt, mindestens eine Zelle umfassen, wobei auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbindbare, also bereits verbundene oder noch zu verbindende, Steuerung auf. Die Steuerung ist eingerichtet, um ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Beispielsweise kann die Steuerung mindestens eine Heizerbeaufschlagungsvorrichtung umfassen, um das Heizelement mit einer elektrischen Heizleistung zu beaufschlagen, welche einstellbar ist. Beispielsweise kann eine Heizerregelung vorgesehen sein. Weiterhin kann die Steuerung mindestens eine Messvorrichtung zur Messung des mindestens einen Istwerts, mindestens eine Bereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung des mindestens einen Sollwerts, mindestens eine Vergleichsvorrichtung, mindestens eine Regelvorrichtung und mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, einschließlich optional mindestens eines flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Datenspeichers. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise mindestens einen Mikrocomputer umfassen, welcher beispielsweise eingerichtet sein kann, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Für weitere Einzelheiten und optionale Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung kann auf die obige Beschreibung des Verfahrens verwiesen werden.
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Das oben dargestellte Verfahren und die oben dargestellte Sensorvorrichtung in einer oder mehreren der dargestellten Ausgestaltungen weisen gegenüber bekannten Verfahren und Sensorvorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere lassen sich Veränderungen des Sensorelements mittels des vorgeschlagenen Verfahrens auf einfache Weise erkennen und so beispielsweise Alterungen und hierdurch bedingte Änderungen der Zuordnung mindestens eines Sollwerts zu der Solltemperatur detektieren, und die Zuordnung lässt sich entsprechend anpassen. Beispielsweise lassen sich Veränderungen des Innenwiderstands des Sensorelements, beispielsweise einer Abgassonde, über die Laufzeit erkennen. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise Erhöhungen des Innenwiderstands erkennen und gegebenenfalls ausgleichen. Die sich über die Laufzeit verändernden Werte der Zuordnung, beispielsweise die Innenwiderstandswerte, lassen sich abspeichern, beispielsweise in der oben beschriebenen Steuerung. Die jeweils aktuellen Istwerte lassen sich für eine Anpassung beispielsweise der Temperaturregelung nutzen, so dass die Betriebsparameter des Sensorelements über die Lebensdauer beibehalten werden können.
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Das Verfahren lässt sich sehr einfach und mit geringem Aufwand implementieren. Auf diese Weise lässt sich ein einfaches Adaptionsverfahren realisieren, das beispielsweise eine gleichbleibende Temperatur des Sensorelements über die Lebensdauer sicherstellen kann. Die Funktionsgenauigkeit hinsichtlich einer Regellage und/oder einer Dynamik kann auf diese Weise über die Laufzeit des Sensorelements beibehalten werden. Ein adaptiver Sollwert für die Heizelementregelung kann einen zu heißen Betrieb des Sensorelements und damit eine Beschädigung desselben vermeiden.
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Das Verfahren lässt sich insbesondere als passives Diagnoseverfahren realisieren. Dies bedeutet, dass ein Betrieb der Verbrennungsmaschine, beispielsweise ein Motorbetrieb, und ein Betrieb des Sensorelements jederzeit im Normalmodus laufen können, ohne dass Änderungen und/oder Unterbrechungen nötig wären. Durch die Definition von Referenzpunkten für den Betrieb des Sensorelements und optional den Betrieb der Verbrennungsmaschine, welche auch historische Zustände vor dem Erreichen des eigentlichen Referenzpunkts mit berücksichtigen können, werden bekannte Zustände vorgegeben, die zur Anpassung genutzt werden. Die definierten Referenzpunkte können insbesondere im Fahrbetrieb der Verbrennungsmaschine zufällig angefahren werden und beispielsweise von der Steuerung dann erkannt werden, wenn alle Bedingungen erfüllt sind. Zwischen der Messung in den Referenzpunkten dürfen dabei gegebenenfalls längere Zeiträume liegen. Die Zuordnung des Sollwerts zur Solltemperatur, beispielsweise eine Zuordnung eines Innenwiderstandswerts zur Solltemperatur, kann durch eine gleitende Adaption angepasst werden. Wird ein valider Referenzpunkt angefahren, kann die Steuerung den Istwert, beispielsweise den aktuell gemessenen Innenwiderstand, registrieren und mittels dieses Istwerts die Zuordnung anpassen. Beispielsweise kann die Steuerung den gemessenen Innenwiderstand registrieren und zur Anpassung nutzen. Beispielsweise kann ein gleitendes Mittel aus dem Neuwert und den n letzten, in validen Referenzpunkten gemessenen Werten gebildet werden, wobei n beispielsweise 10 sein kann. Eine Istwertmessung in dem Referenzpunkt kann insbesondere nur dann für die gleitende Adaption berücksichtigt werden, wenn alle Referenzpunkt-Bedingungen erfüllt sind, also wenn alle Betriebsparameter, die den Referenzpunkt definieren, vorliegen.
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Die Erfindung kann in Form eines passiven Verfahrens realisiert werden, das im Hintergrund abläuft, ohne eine Veränderung des Betriebsmodus der Verbrennungsmaschine und/oder des Sensorelements erforderlich zu machen. Hierdurch kann sich das Verfahren insbesondere gegenüber aktiven Verfahren unterscheiden, bei denen die Verbrennungsmaschine und das Sensorelement in speziell herbeigeführten Diagnosemodi betrieben werden müssen. Die Steuerung kann insbesondere Betriebszustände der Verbrennungsmaschine, beispielsweise des Motors der Verbrennungsmaschine und/oder anderer Teile der Verbrennungsmaschine, und/oder Betriebszustände des Sensorelements erkennen, die als Referenzpunkte bezeichnet werden und die durch eine Anzahl von Bedingungen genau definiert sein können. Im Fahrzeugbetrieb können diese Referenzpunkte zufällig angefahren werden, wodurch auch längere Betriebsphasen vorkommen können, in denen keine Referenzpunkte erkannt werden.
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Die Referenzpunkte können, wie oben beschrieben, durch eine Mehrzahl von Bedingungen definiert sein, welche erfüllt sein müssen, damit ein Referenzpunkt vorliegt. Insbesondere können bei der Definition der Referenzpunkte nicht nur besondere Bedingungen eines Ist-Zustands der Verbrennungsmaschine vorgegeben sein, welche erfüllt sein müssen, sondern auch bestimmte Bedingungen hinsichtlich der Historie des Motorbetriebs, um sicherzustellen, dass sich ein Gleichgewicht, beispielsweise ein Gleichgewicht hinsichtlich der Motor-, Abgas- und Sensorelementtemperaturen, zuverlässig eingestellt hat.
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Zur Definition der Referenzpunkte können insbesondere Bedingungen herangezogen werden, welche einen oder mehrere Betriebsparameter des Sensorelements und/oder der Umgebung des Sensorelements umfassen, beispielsweise bestimmte Werte dieser Betriebsparameter, welche vorliegen müssen, gegebenenfalls im Rahmen akzeptabler Toleranzen, damit ein bestimmter Referenzpunkt vorliegt. Es können insbesondere die im Folgenden noch näher beschriebenen Größen berücksichtigt werden. Auch andere Größen können jedoch herangezogen werden, um einen möglichst genauen, reproduzierbaren Zustand im Referenzpunkt zu definieren. Die angeführten Betriebsparameter, insbesondere jeder der angeführten Betriebsparameter, kann insbesondere mit einer Ober- und einer Untergrenze definiert sein, die einen Bereich festlegen kann, in dem sich der Sensorelementbetrieb und/oder der Motorbetrieb befinden muss, um die Bedingung für einen Referenzpunkt zu erfüllen. Insbesondere wenn alle Betriebsparameter innerhalb ihrer definierten Fenster sind, kann ein valider Referenzpunkt erkannt werden. Der an diesem Referenzpunkt gemessene Istwert, beispielsweise der gemessene Innenwiderstandwert, kann für die Adaption der Zuordnung genutzt werden, beispielsweise für die Alterungsadaption. Die Zuordnung kann eine einzige Zuordnung eines Sollwerts zu einer Solltemperatur umfassen, kann jedoch auch eine Zuordnung mehrerer Sollwerte zu mehreren Solltemperaturen umfassen. Beispielsweise kann lediglich ein Innenwiderstandswert für eine Solltemperatur von 780°C vorgegeben sein. Alternativ kann die Zuordnung eine Vielzahl von kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Solltemperaturen umfassen, denen jeweils Sollwerte, beispielsweise jeweils Innenwiderstandswerte, zugeordnet sind, die im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens angepasst werden. Der Sollwert, beispielsweise der Innenwiderstandswert, kann beispielsweise gleitend über eine Mittelung aus dem Neuwert und den n letzten, in validen Referenzpunkten gemessenen Altwerten berechnet werden. Alternativ können auch Algorithmen mit einer anderen Gewichtung von Neu- und Altwert oder Altwerten genutzt werden.
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Mögliche Betriebsparameter, mittels derer Referenzpunkte im Sensorelementbetrieb und/oder Betrieb der Verbrennungsmaschine definiert werden können, können insbesondere einzeln oder in beliebiger Kombination sein:
- a) Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Motorzustands:
- – Abgastemperatur, beispielsweise in °C: Als geeigneter Zustand kann hierbei insbesondere ein kaltes Abgas dienen, mit genau bekannter Temperatur, welche beispielsweise aufgrund eines Modells und/oder mittels mindestens eines Temperaturfühlers bestimmt werden kann.
- – Abgasmassenstrom/Abgasvolumenstrom (beispielsweise gemessen in cm3/s): Ein geeigneter Zustand kann hier insbesondere ein Zustand mit einem niedrigen Massenstrom und/oder Volumenstrom sein, beispielsweise ein Leerlauf und/oder eine Teillast eines Motors der Verbrennungsmaschine.
- – Motordrehzahl: Ein geeigneter Zustand kann hierbei insbesondere ein Zustand mit einem niedrigen und/oder mittleren Drehzahlbereich des Motors sein.
- – eine Kraftstoffmenge und/oder eine Luftmenge: Ein geeigneter Zustand kann hier insbesondere ein Zustand im niedrigen oder mittleren Drehzahlbereich des Motors sein.
- – eine Zeitdauer nach einem Start der Verbrennungsmaschine, insbesondere einem Motorstart, beispielsweise gemessen in Sekunden oder Minuten: Ein geeigneter Zustand kann hier insbesondere ein Zustand nach Ablauf einer längeren Sperrzeit bei Start des Motors sein, beispielsweise um sicherzustellen, dass sich in einer Aufwärmphase ein thermisches Gleichgewicht über dem Motor und dem Abgasstrang einstellen kann. Hierdurch können beispielsweise eine Außentemperatur und/oder eine Temperatur eines Motorkühlmittels berücksichtigt werden.
- – eine Zeitdauer in einem Referenzpunkt, beispielsweise gemessen in Sekunden oder Minuten: Als geeigneter Zustand kann hier insbesondere ein Zustand genutzt werden, bei welchem die Referenzpumpbedingungen für eine gewisse Zeitspanne, insbesondere eine kurze Zeitspanne, erfüllt sind, damit sich ein thermisches Gleichgewicht in der Sensorelementumgebung bzw. am oder im Sensorelement einstellt.
- b) Zustandserfassung des Sensorelements:
Als mögliche Betriebsparameter können hierbei insbesondere dienen:
- – eine effektive Heizerspannung und/oder ein effektiver Heizerstrom, gemessen beispielsweise in Volt bzw. Ampere: Diese Heizerspannung, welche verallgemeinert eine Heizleistung umfassen kann, sollte insbesondere möglichst niedrig und genau definiert sein. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Heizenergieeintrag oder ein Heizleistungseintrag in das Sensorelement bestimmbar sein, aus welchem sich wiederum, gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Bedingungen, eine Temperatur des Sensorelements in dem Referenzpunkt bestimmen lässt.
- – ein Lambdawert und/oder eine andere Quantifizierung der Zusammensetzung des Gases: Insbesondere können hier stabile Mager- oder Fettspannungen einer Sprungsonde herangezogen werden, wobei beispielsweise im Übergangsbereich bei λ = 1 gemessene Istwerte, beispielsweise im ”Sprung” der Sprungsonde gemessene Innenwiderstandswerte, außer Betracht bleiben können.
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Alternativ oder zusätzlich zu den genannten Betriebsparametern sind andere Parameter zur Definition der Referenzpunkte möglich.
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Das Verfahren kann insbesondere vollständig oder teilweise softwareimplementiert sein. So kann, wie oben beschrieben, die Steuerung beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, in welcher das Verfahren ganz oder teilweise implementiert sein kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines möglichen Beispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und
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2 eine Darstellung von Alterungseffekten im Innenwiderstand einer Sprungsonde.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 dargestellt, welche zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 eingesetzt wird. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem Messgasraum 112 um einen Abgastrakt 114 einer Verbrennungsmaschine 116, und bei dem Gas um ein in 1 symbolisch dargestelltes Abgas 118. Die Verbrennungsmaschine 116 umfasst neben dem Abgastrakt 114 mindestens einen Motor 120 sowie mindestens eine Motorsteuerung 122, welche den Motor 120 beeinflusst und umgekehrt Motorzustände erkennen kann. Weiterhin können ein oder mehrere Sensoren 124 vorgesehen sein, beispielsweise um eine Abgastemperatur des Abgases 118 und/oder eine Strömungseigenschaft des Abgases 118 zu erfassen, beispielsweise einen Volumenstrom und/oder Massenstrom des Abgases.
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Die Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens ein Sensorelement 126, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch als Zweipunkt-Lambdasonde 128 dargestellt ist. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung 110 eine Steuerung 130, also eine Steuervorrichtung, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement 126 anzusteuern und/oder auszuwerten. Die Steuerung 130 kann beispielsweise über mindestens eine Schnittstelle 132 mit dem Sensorelement 126 verbunden sein oder kann auch ganz oder teilweise in das Sensorelement 126 integriert sein. Die Steuerung 130 kann mit der Motorsteuerung 122 über mindestens eine weitere Schnittstelle 134 unidirektional oder auch bidirektional kommunizieren oder kann auch ganz oder teilweise in die Motorsteuerung 122 integriert sein.
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Das Sensorelement 126 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens eine erste Elektrode 136, welche beispielsweise über eine gasdurchlässige Schutzschicht 138 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar ist und welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch als APE (äußere Potenzialelektrode) bezeichnet ist. Weiterhin umfasst das Sensorelement 126 mindestens eine zweite Elektrode 140, welche mit der ersten Elektrode 136 über mindestens einen Festelektrolyten 142 verbunden ist und welche mit dieser eine Zelle 144 bildet. Die zweite Elektrode 140 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem von dem Messgasraum 112 getrennten Referenzgasraum 146 angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei diesem Referenzgasraum 146 um einen Referenzgaskanal, insbesondere einem Luftreferenzkanal, handeln, welcher beispielsweise mit einer Umgebung, insbesondere Umgebungsluft, verbunden sein kann. Der Referenzgasraum 146 kann offen oder auch ganz oder teilweise mit einem porösen Material ausgefüllt sein. Der Referenzgasraum 146 kann auch als gepumpter Referenzgasraum 146 ausgestaltet sein, wobei beispielsweise durch einen gezielten Pumpprozess eine bestimmte Gasatmosphäre an der zweiten Elektrode 140 hergestellt werden kann. Aufgrund der Anordnung in dem Referenzgasraum 146 wird die zweite Elektrode 140 auch als RE (Referenzelektrode) bezeichnet.
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Weiterhin umfasst das Sensorelement 126 mindestens ein Heizelement 148, welches in 1 ebenfalls symbolisch dargestellt ist. Beispielsweise kann dieses Heizelement 148 den Bereich der Zelle 144 beheizen, da die ionenleitenden Eigenschaften des Festelektrolyten 142 typischerweise erst ab einer bestimmten Betriebstemperatur auftreten und die Eigenschaften des Sensorelements 126 maßgeblich bestimmen.
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Die Steuerung 130 kann beispielsweise mindestens eine Zellensteuerung 150 umfassen, welche beispielsweise eingerichtet sein kann, um mittels mindestens einer Messvorrichtung eine Spannung zwischen den Elektroden 136 und 140 zu erfassen. Weiterhin kann die Zellensteuerung 150 eingerichtet sein, um die Zelle 144 kurzfristig mit einem Spannungs- und/oder Strompuls zu beaufschlagen, um auf diese Weise einen Innenwiderstand der Zelle 144 zu bestimmen. Derartige Zellensteuerungen 150 sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise dem oben beschriebenen Stand der Technik, bekannt.
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Weiterhin umfasst die Steuerung 130 mindestens eine Heizersteuerung 152, über welche das Heizelement 148 mit einer elektrischen Heizleistung beaufschlagt werden kann.
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Weiterhin umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Steuerung 130 eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche hier als Controller 154 bezeichnet ist. Dieser Controller 154, welcher auch ein oder mehrere Speicherelemente umfassen kann, kann auf die Zellensteuerung 150 und die Heizersteuerung 152 unidirektional oder bidirektional einwirken.
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Wie oben beschrieben, kann der Controller 154 eingerichtet sein, um, gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit einem oder mehreren weiteren elektronischen Bauelementen der Steuerung 130, beispielsweise einer entsprechenden Regelungsschaltung, eine Heizleistung des Heizelements 148 zu regeln, beispielsweise über eine Regelung einer Heizspannung, eines Heizstroms oder eine Regelung einer Pulsweitenmodulation. Hierdurch kann eine Temperatur des Sensorelements 126 auf eine oder mehrere vorgegebene Solltemperaturen eingestellt werden. Beispielsweise kann die Temperatur des Sensorelements auf eine Solltemperatur von 780°C eingestellt werden. Zu diesem Zweck wird mittels der Zellensteuerung 150 ein Istwert eines Innenwiderstands der Zelle 144 erfasst und mit mindestens einem aufgrund einer Zuordnung der Solltemperatur, beispielsweise den 780°C, zugeordneten Sollwert verglichen. Dieser Vergleich kann in dem Controller 154 und/oder innerhalb einer anderen Vergleichseinrichtung erfolgen.
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Dieser grundsätzlich bekannte Regelungsvorgang ist jedoch, wie oben beschrieben, Alterungseffekten unterworfen. Dies ist in 2 dargestellt, die eine Zuordnung 156 eines Innenwiderstands RI auf einer vertikalen Achse zu einer gewünschten Solltemperatur T auf der horizontalen Achse zeigt. Dargestellt sind hier zwei Zuordnungen, nämlich eine Zuordnung 156 bei einem neuen Sensorelement und eine entsprechende Zuordnung 158 bei einem alten oder gealterten Sensorelement. Entsprechend der Zuordnung 156 des neuen Sensorelements entspricht die Solltemperatur von 780°C einem Innenwiderstand RI von ca. 220 Ω, was sich aus den Koordinaten eines in 2 mit der Bezugsziffer 160 bezeichneten Betriebspunkts ergibt. Bei einem gealterten Sensorelement (Betriebspunkt 162) entspricht dieser Innenwiderstand von 220 Ω jedoch tatsächlich einer Temperatur von 820°C. Der Sollwert des Innenwiderstands müsste dementsprechend von 220 Ω auf einen Wert von 300 Ω angehoben werden und die Zuordnung damit angepasst werden, was im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt, um 780°C zu halten (Betriebspunkt 162).
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Wie oben dargestellt, erfolgt dies dadurch, dass das Einstellen eines oder mehrerer Referenzpunkte in dem in 1 dargestellten System erkannt wird. Diese Referenzpunkte können durch Betriebsparameter der Verbrennungsmaschine 116 und/oder durch interne Betriebsparameter der Sensorvorrichtung 110 erkannt werden, und können durch bestimmte Bedingungen, insbesondere hinsichtlich dieser Betriebsparameter, vorgegeben sein. Auf diese Weise können Veränderungen in der Zuordnung zwischen dem Innenwiderstand als Regelgröße und der Temperatur des Sensorelements 126 erkannt werden, und die Zuordnung kann entsprechend angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001]
