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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Heizung eines aktiv beheizten Abgassensors, insbesondere einer Lambdasonde.
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Stand der Technik
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Zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine werden in heutigen Motorsteuerungssystemen Lambdasonden eingesetzt. Mittels der Lambdasonde wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt, sodass über einen Lambda-Regelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung der Brennkraftmaschine derart geregelt werden kann, dass für eine Abgasnachbehandlung durch Katalysatoren, die in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, eine optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht werden kann.
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Es sind verschiedene Formen von Lambdasonden bekannt. Bei einer Zweipunkt-Lambdasonde, die auch als Sprung-Lambdasonde bezeichnet wird, weist die Kennlinie bei λ = 1 einen sprungartigen Abfall auf. Eine Sprungsonde erlaubt dabei im Wesentlichen eine Unterscheidung zwischen fettem Abgas bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kraftstoffüberschuss und magerem Abgas bei Betrieb mit Luftüberschuss. Eine sogenannte Breitband-Lambdasonde, die auch als stetige oder lineare Lambdasonde bezeichnet wird, ist die Messung des Lambdawertes im Abgas in einem weiteren Bereich um λ = 1 herum möglich. Eine Breitband-Lambdasonde kann daher beispielsweise für eine Regelung der Brennkraftmaschine auf einen mageren Betrieb mit Luftüberschuss benutzt werden.
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Eine Lambdasonde beruht im Prinzip auf einer galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyten. Der Festkörperelektrolyt hat die Eigenschaft, bei hoher Temperatur Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können, wodurch eine Spannung entsteht. Durch diese Eigenschaft kann der Unterschied des Sauerstoffpartialdrucks zweier verschiedener Gase, also insbesondere des Abgasstroms und einer Sauerstoffreferenz, bestimmt werden. Der Festkörperelektrolyt wird typischerweise bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 350°C für die Sauerstoffionen leitend. Die Nominaltemperatur der Sonde liegt in der Regel deutlich höher, typischerweise zwischen 650°C und 850°C. Um die für den Betrieb der Sonde erforderliche Temperatur zu erreichen, ist im Allgemeinen eine Heizung für die Abgassonde vorgesehen, die beispielsweise in den Sensor integriert sein kann.
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Das Ausgangssignal der Lambdasonde ist von der Temperatur des Sensorelements stark abhängig. Zur Verbesserung der Signalgenauigkeit ist es daher gewünscht, die Temperatur des Sensorelements von Änderungen der Abgastemperatur zu entkoppeln und möglichst konstant zu halten. Es ist bekannt, die Temperatur über die Heizerspannung zu steuern. Hierfür kann beispielsweise ein betriebspunktabhängiges Kennfeld mit den Eingangsgrößen Abgastemperatur und Abgasmassenstrom eingesetzt werden.
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Für eine höhere Temperaturgenauigkeit kann eine Temperaturregelung der Lambdasonde eingesetzt werden. Als Regelgröße kann hierbei der Innenwiderstand Ri der Sonde dienen, wobei davon ausgegangen wird, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Sondeninnenwiderstand und der Temperatur des Sensorelements besteht.
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Durch den Einsatz einer betriebspunktabhängigen Vorsteuerung zusammen mit einer Temperaturregelung kann die sehr hohe Genauigkeit der Temperaturregelung mit der schnellen Reaktion auf Änderungen des Motorbetriebspunktes durch die Vorsteuerung kombiniert werden. Es ist daher bereits eine Kennfeldvorsteuerung mit überlagerter Regelung auf einen konstanten Sondeninnenwiderstand bekannt. Die Kennfeldvorsteuerung mit überlagerter Regelung auf einen konstanten Sondeninnenwiderstand hat allerdings den Nachteil, dass es im Laufe der Betriebsdauer der Sonde aufgrund alterungsbedingter Effekte zu einer Verschlechterung der Signalgenauigkeit kommen kann. Weiterhin kann es zu einer Überhitzung der Sonde und möglicherweise zu einer Beschädigung kommen. Dies liegt vor allem daran, dass sich der Sondeninnenwiderstand mit zunehmendem Alter der Sonde im Allgemeinen verändert. Bei einer Lambdasonde ist beispielsweise davon auszugehen, dass mit zunehmendem Alter der Sonde der Sondeninnenwiderstand bei der gleichen Sensorelementtemperatur zunimmt. Dies führt dazu, dass bei einer Regelung, die als Führungsgröße einen konstanten Sondeninnenwiderstand einsetzt, die Sonde mit zunehmendem Alter immer stärker beheizt wird. Eine Regelung auf einen konstanten Innenwiderstands-Sollwert ist deshalb nur dann sinnvoll, wenn die Innenwiderstandsalterung vernachlässigbar ist. Andernfalls wäre eine Nachführung des Innenwiderstands-Sollwerts erforderlich, was in der Praxis häufig nicht möglich ist. Im Allgemeinen wird daher bei ausgeprägter Innenwiderstandsalterung auf eine Temperaturregelung verzichtet und die Sondenheizung wird rein gesteuert betrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben der Heizung eines aktiv beheizten Abgassensors anzugeben. Hierbei soll verhindert werden, dass der Abgassensor auf der einen Seite zu heiß betrieben wird und auf der anderen Seite unzulässig stark auskühlt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll der Abgassensor oder die Sonde so nahe wie möglich an der Nominaltemperatur des Sensors betrieben werden, ohne dass es im Laufe der Lebensdauer des Sensors zu einer Verschlechterung der Signalgenauigkeit kommt. Hierdurch sollen die Emissionen einer Brennkraftmaschine verringert und robustere Diagnosen ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Heizung eines aktiv beheizten Abgassensors wird eine Totbandregelung zur Einregelung der Temperatur des Sensors eingesetzt, wobei die Sondenheizung so angesteuert wird, dass sich eine von der Temperatur abhängende Größe des Sensors so einstellt, dass die Größe innerhalb eines vorgebbaren Sollbandes liegt. Mit diesem Verfahren kann eine Größe für die Einregelung der Temperatur des Sensors verwendet werden, die im Laufe der Lebenszeit des Sensors gewissen Schwankungen bzw. Veränderungen unterliegt. Insbesondere kann mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren der Innenwiderstand des Abgassensors als Führungsgröße für die Totbandregelung eingesetzt werden. Zwischen dem Sondeninnenwiderstand und der Temperatur des Sensorelements besteht ein eindeutiger Zusammenhang, der sich üblicherweise jedoch über die Lebensdauer des Sensors ändert. Typischerweise nimmt der Innenwiderstand mit der Lebensdauer zu und mit steigender Sensorelementtemperatur ab. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch für Sensoren anwendbar, deren Innenwiderstand beispielsweise mit der Lebensdauer ab- und mit steigender Sensorelementtemperatur zunimmt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Totbandregelung, bei der ein Sollband für die Führungsgröße vorgegeben wird, können diese Veränderungen über die Lebensdauer des Sensors berücksichtigt werden, sodass eine nahezu optimale Regelung ohne Nachführung des jeweiligen Sollwerts durchgeführt werden kann. Um die Regelung so optimal wie möglich zu gestalten, wird das Band so eng wie möglich gewählt. Die Grenzen des Bandes werden vorzugsweise so festgelegt, dass der Sensor oder die Sonde weder zu heiß noch zu kalt betrieben wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Totbandregelung erlaubt zwar nicht eine gleich gute Stabilisierung der Sensorelementtemperatur wie eine Regelung auf einen konstanten Sollwert. Dennoch bietet die Totbandregelung gegenüber einer reinen Temperatursteuerung den Vorteil, dass Störgrößen, die von einer Steuerung nicht erfasst werden würden, berücksichtigt werden. Damit ist gegenüber einer reinen Temperatursteuerung eine wesentlich bessere Temperaturstabilisierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
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Vorzugsweise wird zusätzlich zu der Totbandregelung eine Vorsteuerung für die Ansteuerung der Heizung, vorzugsweise eine Kennfeldvorsteuerung durchgeführt. Bei der Vorsteuerung handelt es sich insbesondere um eine betriebspunktabhängige, also eine motorbetriebspunktabhängige Vorsteuerung. Diese Vorsteuerung kann z. B. durch ein Kennfeld realisiert werden, in das beispielsweise die Abgastemperatur und der Abgasmassenstrom einfließen. Mittels eines solchen Kennfeldes kann eine betriebspunktabhängige Heizersollspannung berechnet werden. Durch die betriebspunktabhängige Vorsteuerung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Betrieb der Heizung sehr schnell auf Änderungen des Motorbetriebspunktes reagiert werden. Dies wird erfindungsgemäß mit der hohen Genauigkeit der Regelung kombiniert. Eine Kennfeldvorsteuerung mit einer überlagerten Totbandregelung kann daher in sehr vorteilhafter Weise zum nahezu optimalen Betreiben der Heizung des Sensors verwendet werden, wobei die sich ändernden Eigenschaften des Sensors im Verlaufe der Lebensdauer des Sensors berücksichtigt werden.
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Für die Festlegung des Totbandes bzw. des Sollbandes für die Führungsgröße wird eine erste Grenze des Totbandes, insbesondere die untere Grenze, zwischen der Innenwiderstandsschwelle, bei der ein neuer Abgassensor überhitzt wird, und dem Nominal-Innenwiderstand eines neuen Abgassensors gelegt. Die zweite Grenze des Totbandes, insbesondere die obere Grenze, wird vorzugsweise zwischen der Innenwiderstandsschwelle, bei der ein gealterter Abgassensor überhitzt wird, und der Innenwiderstandsschwelle, bei der ein neuer Abgassensor noch funktionsfähig ist, gelegt. Durch die Auslegung des Sollbandes in diesem Bereich wird vor allem erreicht, dass eine Sonde mit zunehmendem Alter nicht zu stark beheizt wird. Auf der anderen Seite wird erreicht, dass eine neue Sonde nicht unzulässig stark auskühlt. Zudem wird durch eine derartige Auslegung des Soll- bzw. Totbandes sichergestellt, dass die Sonde über ihre gesamte Laufdauer so nahe wie möglich an der Nominaltemperatur betrieben wird, wobei die Veränderungen der Eigenschaften der Sonde insbesondere im Hinblick auf den Sondeninnenwiderstand über deren Lebensdauer berücksichtigt werden.
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Vorzugsweise wird die untere und die obere Grenze des Totbandes so ausgelegt, dass der Innenwiderstand des Abgassensors den Bereich, in dem ein neuer Abgassensor noch funktionsfähig ist, aber nicht überhitzt wird, beim Einschwingen der Regelung nicht verlässt. Der Sondeninnenwiderstand sollte möglichst nahe am Totband bleiben, sodass die Signalgenauigkeit der Sonde optimiert werden kann.
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Innerhalb des Totbandes liegen die Verstärkungsfaktoren eines Reglers, der durch die Führungsgröße, die mit Hilfe des Totbandes eingestellt wird, geführt wird, vorzugsweise bei 0. Auf diese Weise wird der Stelleingriff des Reglers eingefroren, sobald der Innenwiderstand sich innerhalb des Totbandes befindet. Wenn beispielsweise ein PI-Regler verwendet wird, geht der P-Anteil im Totband auf 0, während der I-Anteil im Totband auf dem Wert stehenbleibt, der außerhalb des Totbandes gelernt wurde. Innerhalb des Totbandes gehen in diesem Fall nur die Vorsteuerung, sofern eingesetzt, und der gelernte I-Anteil in die Berechnung der Stellgröße ein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Vorsteuerung bei der Ansteuerung der Heizung unabhängig vom Innenwiderstand des Abgassensors. Der Innenwiderstand, also die Größe, die sich im Laufe der Lebenszeit des Sensors ändert, fließt hierbei ausschließlich in die Totbandregelung und nicht in die Vorsteuerung ein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit besonderem Vorteil beispielsweise bei Lambdasonden einsetzbar, die den beschriebenen Zusammenhang zwischen dem Sondeninnenwiderstand und der Temperatur aufweisen und deren Sondeninnenwiderstand im Allgemeinen mit zunehmender Lebensdauer zunimmt. Im Prinzip kann das erfindungsgemäße Verfahren für aktiv beheizte Abgassensoren aller Art eingesetzt werden, die in einem bestimmten Temperaturkorridor zu betreiben sind.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise eine höhere Signalgenauigkeit infolge der verbesserten Temperaturstabilisierung erzielt werden. Beispielsweise bei einer Lambdasonde wird bei betriebswarmem Motor eine unzulässig geringe Sensorelementtemperatur erkannt, sobald der Sondeninnenwiderstand die obere Grenze des Totbandes überschreitet. In diesem Fall sorgt die Regelung dann dafür, dass die Heizleistung erhöht wird, sodass sichergestellt wird, dass die Funktionsfähigkeit der Sonde erhalten bleibt. Sobald die untere Grenze des Totbandes unterschritten wird, wird erkannt, dass die Sensorelementtemperatur unzulässig hoch ist. In diesem Fall sorgt die Regelung dann dafür, dass die Heizleistung reduziert wird, sodass eine Beschädigung der Sonde infolge von Überhitzung verhindert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls mit Vorteil in der Warmlauf-Phase des Motors bzw. der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Wenn in dieser Phase der Brennkraftmaschine das Sondensignal für Regelungs- und/oder Diagnosezwecke verwendet werden soll, wird die Sonde vorzugsweise in einem engen Temperaturbereich betrieben, der oberhalb der Aktivierungstemperatur und unterhalb der Thermoschocktemperatur liegt. Die Thermoschocktemperatur bezeichnet hierbei eine Temperatur, oberhalb derer ein gegebenenfalls im Abgasstrang noch vorhandener Wassertropfen, der auf die heiße Sondenoberfläche trifft, durch lokale Temperaturunterschiede zu thermischen Spannungen im Material des Sensorelements führt, die die Sonde zerstören können. Diese Gefahr der Überhitzung und Beschädigung der Sonde ist insbesondere während der Warmlauf-Phase der Brennkraftmaschine besonders hoch. Durch entsprechende Auslegung der Grenzen des Totbandes erkennt die Totbandregelung in dieser Phase des Betriebes der Brennkraftmaschine einen zu geringen Sondeninnenwiderstand und sorgt dafür, dass die Heizleistung reduziert wird und die Sonde nicht zu heiß betrieben wird. Auf der anderen Seite erkennt die Totbandregelung, wenn die Sensorelementtemperatur kleiner als die Aktivierungstemperatur ist In diesem Fall ist der Sondeninnenwiderstand zu hoch, sodass die Totbandregelung dafür sorgt, dass die Heizleistung erhöht wird und die Sonde ausreichend warm betrieben wird. Wenn die Aktivierungstemperatur nicht erreicht oder gehalten wird, kann die Sonde die Gemischlage (mager bzw. fett) nicht korrekt anzeigen, sodass die Voraussetzungen für die Regelungs- und/oder Diagnosezwecke nicht gegeben sind.
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Um diese Vorteile auf der einen Seite bei betriebswarmem Motor und auf der anderen Seite beim Warmlaufen des Motors zu erreichen, kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, je nach Betriebsphase der Brennkraftmaschine entsprechend angepasste Grenzen des Totbandes vorzusehen. Die Thermoschocktemperatur, die während der Startphase nicht überschritten werden sollte, liegt im Allgemeinen deutlich unterhalb der Nominaltemperatur der Sonde bei betriebswarmem Motor. Entsprechend ist es vorteilhaft, dass der Innenwiderstand der Sonde in der Startphase in einem deutlich höheren Bereich, beispielsweise zwischen 1 kOhm und 2 kOhm, als bei betriebswarmem Motor gehalten wird. Bei betriebswarmem Motor ist beispielsweise ein Bereich zwischen 200 Ohm und 240 Ohm für den Innenwiderstand geeignet.
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Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, einen Abgassensor, beispielsweise eine Lambdasonde, bei der eine Regelung auf einen konstanten Innenwiderstands-Sollwert bzw. eine Nachführung des Innenwiderstands-Sollwertes nicht möglich ist, temperaturgeregelt zu betreiben, wobei erfindungsgemäß die Sensorelementtemperatur innerhalb eines Sollbandes bzw. Totbandes stabilisiert wird. Hiermit wird verhindert, dass die Sonde auf der einen Seite zu heiß betrieben wird und auf der anderen Seite unzulässig stark auskühlt. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass die Sonde unter Berücksichtigung der Alterung des Sondeninnenwiderstands so nahe wie möglich an der Nominaltemperatur betrieben wird. Da die Signalgenauigkeit der Sonde umso höher ist, je konstanter ihre Betriebstemperatur unabhängig von der Abgastemperatur eingestellt wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren daher zu einer verbesserten Signalgenauigkeit, wodurch im Zuge einer verbesserten Ausgangssituation für eine Lambdaregelung die Emissionen verringert und Diagnosen mit verbesserter Robustheit durchgeführt werden können.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Bei dem Steuergerät kann es sich insbesondere um das zentrale Steuergerät des Kraftfahrzeugs bzw. der Brennkraftmaschine oder um eine Steuereinheit des Abgassensors handeln. Die Ausgestaltung der Erfindung als Computerprogramm oder als Computerprogrammprodukt hat den besonderen Vorteil, dass für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens keine weiteren Komponenten im Kraftfahrzeug verbaut werden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Heizung des Abgassensors kann auf die übliche Beschaltung des Sensors zurückgreifen. Es ist lediglich erforderlich, beispielsweise das entsprechende Computerprogramm zu implementieren, sodass das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil auch bei bestehenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Sondeninnenwiderstand Ri und der Sensorelementtemperatur;
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2 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung einer Sondenheizung;
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3 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Totbandregelung und
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4 schematische Darstellung von bevorzugten relevanten Schwellen für die erfindungsgemäße Totbandregelung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Temperatur der Sensorkeramik und dem Innenwiderstand Ri des Sensors bzw. der Sonde, wobei hier der Sondeninnenwiderstand eines neuen Sensors (new sensor) dem Sondeninnenwiderstand (sensor resistance) eines gealterten Sensors (aged sensor) gegenübergestellt ist. Die durchgezogene Linie repräsentiert den Innenwiderstand eines neuen Sensors. Die gestrichelte Linie repräsentiert den Innenwiderstand eines gealterten Sensors. In diesem Beispiel liegt bei einer Nominaltemperatur der Sonde von 780°C bei einem neuen Sensor der Innenwiderstand bei 220 Ohm. Bei diesem Wert liegt also der Nominal-Innenwiderstand. Bei einer gealterten Sonde liegt die Temperatur bei dem Nominal-Innenwiderstand von 220 Ohm allerdings bei 820°C, also deutlich höher. Wird der Sondeninnenwiderstand bei der Temperaturregelung der Sondenheizung als konstante Sollgröße zugrunde gelegt, würde also eine gealterte Sonde zu heiß betrieben werden.
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Um zu verhindern, dass eine Sonde nach längerer Laufzeit zu heiß betrieben wird, verwendet das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Heizung eines aktiv beheizten Sensors eine Totbandregelung. Für das Beispiel einer Lambdasonde wird insbesondere der Innenwiderstand der Sonde als Führungsgröße verwendet, wobei die Sondenheizung so angesteuert wird, dass sich ein Sondeninnenwiderstand einstellt, der nicht auf einen konstanten Ri-Sollwert eingeregelt wird, sondern der innerhalb eines definierten Sollbandes (Totbandes) liegt. Hierdurch können Alterungseffekte bei der der Regelung zugrundeliegenden Größe berücksichtigt werden, insbesondere Alterungseffekte bei dem Sondeninnenwiderstand, der sich in besonderer Weise für eine Temperaturregelung eignet. Durch Vorgabe eines geeigneten Sollbandes für die Regelgröße kann die Sonde so nahe wie möglich an der Nominaltemperatur betrieben werden, ohne dass über die gesamte Lebensdauer der Sonde betrachtet die Sonde zu heiß betrieben wird oder die Sonde unzulässig stark auskühlt.
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Vorzugsweise wird die Totbandregelung bei dem Betrieb der Heizung mit einer motorbetriebspunktabhängigen Vorsteuerung kombiniert. Vorzugsweise wird hierfür ein Vorsteuerkennfeld so appliziert, dass sich im Stationärbetrieb bei Verwendung beispielsweise einer neuen Mittellagensonde über das gesamte Kennfeld ein konstanter Nominal-Innenwiderstand einstellt, der der Nominaltemperatur der Sonde entspricht. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine kann es aus verschiedenen Gründen zu Abweichungen von diesem Nominal-Innenwiderstand kommen. Beispielsweise führt ein dynamischer Fahrbetrieb zu einer Unter- oder Überschreitung des Nominal-Innenwiderstandes, da das Vorsteuerkennfeld im Stationärbetrieb appliziert wurde. Ein erhöhter Übergangswiderstand im Heizerkreis der Sonde, beispielsweise bedingt durch Stecker oder Kabelbaum, kann zu einer schwächeren Beheizung der Sonde und dadurch zu einem höheren Innenwiderstand führen. Auch äußere Einflüsse, die in der Vorsteuerung nicht berücksichtigt sind, können zur Abkühlung oder Aufheizung der Sonde und dadurch zu einem höheren oder geringeren Innenwiderstand führen. In diesen verschiedenen Fällen kann eine übliche Regelung auf den Nominal-Innenwiderstand mit einem festen Innenwiderstands-Sollwert durchgeführt werden. Allerdings führen Alterungseffekte der Sonde dazu, dass sich der Sondeninnenwiderstand über die Lebensdauer der Sonde ändert, sodass der Innenwiderstand den Nominal-Innenwiderstand überschreitet, wenn die Sensorelementtemperatur der Nominaltemperatur entspricht. In diesem Fall würde eine Regelung mit einem konstanten Innenwiderstands-Sollwert nicht zu dem gewünschten Ergebnis führen. Vielmehr würde bei einer solchen Regelung mit konstantem Innenwiderstands-Sollwert ein zu heißer Betrieb der Sonde resultieren. Erfindungsgemäß wird daher die Kennfeldvorsteuerung mit einer Totband-Heizungsregelung kombiniert. Hierbei wird als Führungsgröße der Sondeninnenwiderstand Ri eingesetzt, wobei innerhalb eines Totbandes, das um den Nominal-Innenwiderstand gelegt wird, die Verstärkungsfaktoren des Reglers auf 0 gesetzt werden. Durch diese Maßnahme wird der Stelleingriff des Reglers eingefroren, sobald sich der Innenwiderstand innerhalb des Totbandes befindet. Dies ist beispielsweise in 2 illustriert. In dem unteren Teil der Darstellung ist die Aktivierung des Reglers über die Zeit dargestellt. Im oberen Teil der Darstellung ist der Verlauf des Sondeninnenwiderstands Ri über die Zeit innerhalb und außerhalb der Grenzen des Totbandes 40 gezeigt. Sobald der Innenwiderstand die von dem Totband 40 vorgegebenen Schwellen 21 oder 22 verlässt, wird der Regler aktiv. Befindet sich der Sondeninnenwiderstand Ri innerhalb des Totbandes 40, also innerhalb der Grenzen 21 und 22, ist der Regler inaktiv, d. h. der Stelleingriff des Reglers ist eingefroren.
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3 illustriert ein Beispiel für die erfindungsgemäße Ansteuerung der Sondenheizung mit einer Kennfeldvorsteuerung 31 und einer überlagernden Totbandregelung 32. In die Kennfeldvorsteuerung 31 fließen beispielsweise die Abgastemperatur 35 und der Abgasmassenstrom 36 ein. Der die Totbandregelung 32 realisierende Totbandregler ist beispielsweise als PI-Regler ausgestaltet. Wenn sich der Innenwiderstand innerhalb des Totbandes befindet, geht der P-Anteil auf 0, während der I-Anteil im Totband auf dem Wert stehenbleibt, der außerhalb des Totbandes gelernt wurde. D. h., dass bei einem Innenwiderstandswert innerhalb des Totbandes nur die Vorsteuerung und der gelernte I-Anteil in die Berechnung der Stellgröße eingeht. Die berechnete Stellgröße fließt in die Ansteuerung der Sondenheizung 33 ein. Der im Zuge der Innenwiderstandsmessung 34 erfasste Innenwiderstandswert Ri_ist wird mit dem Sollwert Ri_soll im Zuge der Totbandregelung 32 verarbeitet. Beispielsweise kann hierfür die Regeldifferenz Ri_soll – Ri_ist in einen üblichen PI-Regler eingespeist werden. Der PI-Regler wird dadurch zum Totbandregler, dass die Regeldifferenz auf 0 gesetzt wird, wenn Ri_ist innerhalb des Totbands liegt. Dadurch wird automatisch der P-Anteil des Reglers 0. Der I-Anteil wird eingefroren. Wenn Ri_ist außerhalb des Totbands liegt, wird die Regeldifferenz unverändert an den PI-Regler durchgereicht.
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4 zeigt eine mögliche Auslegung der Grenzen bzw. Schwellen des Totbandes 40 am Beispiel einer Lambdasonde, deren Innenwiderstandswert bei gleicher Temperatur des Sensorelements mit zunehmendem Lebensalter zunimmt. Ein möglicher Bereich 41 für die untere Grenze des Totbandes wird zwischen die Ri-Schwelle 42, bei der eine Neusonde überhitzt wird, und den Nominal-Innenwiderstand der Neusonde 43 gelegt. Der mögliche Bereich 44 für die obere Grenze des Totbandes 40 wird zwischen die Ri-Schwelle 45, bei der eine gealterte Sonde überhitzt wird, und die Ri-Schwelle 46, bei der eine Neusonde noch funktionsfähig ist, gelegt. Hierbei kann der Ausdruck „funktionsfähig” bei betriebswarmem und bei warmlaufendem Motor unterschiedliche Bedeutungen haben. Bei betriebswarmem Motor kann die Funktionsfähigkeit beispielsweise bedeuten, dass die Anforderungen an die Signalgenauigkeit und die Sondendynamik erfüllt sind, während beim Warmlauf des Motors für die Funktionsfähigkeit nur die Fähigkeit der Sonde, die Gemischlage korrekt anzuzeigen, relevant sein kann.
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Der Nominalwert der Altsonde
47 liegt im Allgemeinen innerhalb des möglichen Bereichs
44 für die obere Grenze des Totbandes
40. Die Ri-Schwelle für die Funktionsfähigkeit der Altsonde
48 liegt im Allgemeinen oberhalb des möglichen Bereichs
44 für die obere Grenze des Totbandes
40. Die Pfeile innerhalb der möglichen Bereiche
41 und
44 für die untere bzw. obere Grenze des Totbandes zeigen die Wirkungsrichtung des Totbandreglers an. Innerhalb des Totbandes werden die Verstärkungsfaktoren des Reglers auf 0 gesetzt. Die folgende Tabelle gibt beispielhafte Zahlenwerte für die verschiedenen Temperaturen und Innenwiderstandswerte bei einer Neusonde und einer Altsonde an.
| | Temperatur | Ri Neusonde | Ri Altsonde |
| Nominalwert | = 700°C | = 100 Ohm | = 300 Ohm |
| Überhitzung | > 800°C | < 80 Ohm | < 240 Ohm |
| Funktionsfähigkeit | > 500°C | < 400 Ohm | < 1200 Ohm |
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Der Nominal-Innenwiderstand der Kennfeldvorsteuerung, der von einer Neusonde ausgeht, beträgt beispielsweise Ri_nom = 100 Ohm. Ein möglicher Bereich für die untere Grenze des Totbandes in diesem Fall ist 80 Ohm < Ri_min < 100 Ohm. Ein möglicher Bereich für die obere Grenze des Totbandes ist 240 Ohm < Ri_max < 400 Ohm.
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Die untere Grenze des Totbandes dient also dazu, eine Überhitzung der Neusonde zu verhindern. Sie wird deshalb mit Hilfe einer Neusonde ohne Ri-Alterung festgelegt. Unterschreitet der Innenwiderstandswert die untere Grenze des Totbandes, wird die Heizleistung und damit die Sondentemperatur verringert. Die obere Grenze des Totbandes dient dazu, eine unzulässig starke Auskühlung der Neusonde und gleichzeitig eine Überhitzung der gealterten Sonde zu verhindern. Sie wird deshalb so festgelegt, dass eine Neusonde noch funktionsfähig ist und dass eine maximal Ri-gealterte Sonde nicht überhitzt wird. Wichtig hierbei ist, dass die Ri-Schwelle für die Überhitzung der gealterten Sonde kleiner als die Ri-Schwelle für die Funktionsfähigkeit der Neusonde ist, da es andernfalls keinen überlappenden Bereich gibt, indem sowohl die Neusonde als auch die Altsonde sicher und funktionsfähig betrieben werden können. Überschreitet der Innenwiderstandswert die obere Grenze des Totbandes, wird die Heizleistung und damit die Sondentemperatur erhöht.
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Vorzugsweise wird in der Praxis der Totbandregler und die untere bzw. obere Begrenzung des Totbandes innerhalb des jeweils möglichen Bereichs so ausgelegt, dass der Sondeninnenwiderstand diesen Bereich beim Einschwingen des Reglers nicht verlässt und möglichst dicht am Totband bleibt, um so die Signalgenauigkeit der Sonde zu optimieren.
