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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
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Stand der Technik
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In Fahrzeugen heutiger Bauart kommen die unterschiedlichsten Sonden zum Einsatz. Neben Sprungsonden existieren auch sogenannte Breitband-Lambdasonden mit zwei Zellen, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2007 057 707 A1 hervorgehen. Diese Sonden dienen der Messung der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas der Brennkraftmaschine. Breitbandlambdasonden bestehen im Wesentlichen aus einer Kombination von herkömmlicher, als galvanische Zelle wirkender Konzentrationssonde (Nernst-Sonde) sowie einer Grenzstrom- oder „Pump” zelle. An der Pumpzelle, die von gleicher Art ist wie eine übliche Konzentrationszelle, wird von außen eine Spannung, die sogenannte Pumpspannung, angelegt. Ist die Pumpspannung groß genug, stellt sich ein sogenannter Grenzstrom ein, der proportional dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Sonde ist. Aufgrund dieses Stroms werden – polaritätsabhängig – Sauerstoffatome transportiert. Eine elektronische Regelschaltung bewirkt, dass der Konzentrationssonde von der Pumpzelle über einen sehr engen Diffusionsspalt immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas zugeführt wird, dass an ihr der Zustand λ = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss im Abgas (Magerbereich) wird Sauerstoff abgepumpt. Bei geringem Restsauerstoffgehalt des Abgases (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt. Der jeweilige Pumpstrom bildet das Ausgangssignal. Die Ausgangssignalleitung derartiger Breitband-Lambdasonden ist mit dem Motorsteuergerät verbunden. Bei einer solchen Breitbandsonde wird demnach der Sollwert der Nernstspannung durch den Pumpstrom geregelt. Dabei muss beachtet werden, dass die Pumpspannung einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, da sonst die Sonde zerstört wird. Bei einer zu großen Pumpspannung kann es zur sogenannten Schwarzfärbung (blackening) der Sonde kommen. Die durch den vorbeschriebenen Pumpstromregler geregelte Pumpspannung wird bei Sonden heutiger Bauart überwacht und begrenzt. Dabei wird die Pumpspannung erfasst, während der Pumpstrom fließt, Dies wird im Folgenden als „bestromte Pumpspannung” bezeichnet. Für die Schädigung der Sonde ist die Polarisierung der Sonde ausschlaggebend. Diese Polarisierung kann vorteilhafterweise durch die anliegende Pumpspannung bestimmt werden, während kein Pumpstrom fließt. Dieser Zustand wird im Folgenden als „unbestromte Pumpspannung” bezeichnet. Die Polarisierung der Sonde wird mit anderen Worten durch die unbestromte Pumpspannung charakterisiert. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde zu vermitteln, welches einen Schutz einer geregelten Breitband-Lambdasonde vor zu hoher Pumpspannung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Grundidee der Erfindung ist es, die unbestromte Pumpspannung für die nachfolgend näher beschriebene Schutzfunktion der Breitband-Lambdasonde zugrunde zu legen.
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Eine Möglichkeit, die unbestromte Pumpspannung zu messen, besteht darin, den Pumpstrom für eine gewisse Zeit abzuschalten. Beispielsweise wird bei einem PWM-Stromsignal (PWM = Pulsweitenmodulation) in der Strompause die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode der Breitband-Lambdasonde gemessen. Auf diese Weise fällt der Anteil der Spannung weg, der über den Innenwiderstand oder den Zuleitungs- und Kontaktwiderständen abfällt.
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Erfindungsgemäß wird die Pumpspannung mit einem vorgegebenen maximalen Schwellenwert verglichen. Durch die Verwendung des Pumpstromreglers für die Regelung auf ihren Sollwert, die sogenannte Nernstspannung, und einer davon getrennten Überwachung der Pumpspannung kann die Sonde bis zur maximal erlaubten unbestromten Pumpspannung betrieben werden. Bei Überschreiten des Schwellenwertes wird der Pumpstromregler deaktiviert und es wird entweder der Pumpstrom abgestellt oder der Pumpstrom wird mittels eines separaten Reglers, nachfolgend auch als „Blackening-Schutzregler” bezeichnet, so geregelt, dass die Pumpspannung innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt. Auf diese Weise kann die Breitband-Lambdasonde innerhalb der vorgegebenen erlaubten Grenzen für die unbestromte Pumpspannung weiter betrieben werden.
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Durch die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. So ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Pumpspannung durch den Pumpstromregler so eingeregelt wird, dass sie zwischen einem minimalen und einem maximalen Pumpspannungsgrenzwert liegt.
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Bevorzugt werden der minimale und der maximale Pumpspannungsgrenzwert jeweils für fette und magere Betriebsbereiche getrennt unter Berücksichtigung einer Hysterese bestimmt und vorgegeben. Die Schwellenwerte sind also für die beiden Betriebsbereiche „fett” bzw. „mager” getrennt einstellbar und werden mit einer einstellbaren Hysterese versehen. Die Schwellenwerte bzw. die Hysterese sind abhängig vom Sondentyp. Sie sind innerhalb des Auswertebereichs eines Analog-Digital-Wandlers mit einer bestimmten Auflösung frei über ein Datenregister einstellbar.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass dann, wenn die Pumpspannung den maximal vorgegebenen Schwellenwert wieder unterschreitet, erneut eine Regelung mittels des Pumpstromreglers vorgenommen wird. Wenn also die für die Sonde gefährliche Pumpspannungsschwelle wieder unterschritten wurde, erfolgt die Regelung auf an sich bekannte Weise, wobei der Pumpstromregler so konfiguriert ist, dass die Regelung unmittelbar einsetzt. Die temporäre Messung der Pumpspannung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Pumpstrom für eine vorgebbare Zeit abgeschaltet wird und in dieser Strompause die Spannung zwischen äußerer Pumpelektrode und innerer Pumpelektrode gemessen wird.
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Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte können rein prinzipiell als Computerprogramm ausgestaltet sein, welches in einem Steuergeräteprogramm, beispielsweise als Unterprogramm, abläuft. Der Programmcode ist vorteilhafterweise auf einem Computerprogrammcode, beispielsweise einer DVD, einer CD-ROM, einem externen Laufwerk, einem Flash-Speicher oder dergleichen gespeichert und auf diese Weise ist ein Nachrüsten des Verfahrens in bestehende Steuergeräte ohne Weiteres ohne zusätzlichen Hardwareaufwand möglich. Insbesondere kann der separate Regler, also der Blackening-Schutzregler, als Computerprogramm implementiert sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Breitband-Lambdasonde zur Erläuterung ihres Funktionsprinzips,
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2 schematisch ein Ersatzschaltbild der Breitband-Lambdasonde zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 die Pumpspannung über der Zeit zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Zur Bestimmung der Gaszusammensetzung im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, werden Gassensoren unterschiedlicher Art eingesetzt. Neben Sauerstoffkonzentrationssensoren, sogenannten Sprungsonden oder Lambdasonden, kommen insbesondere für den weiteren Magerbereich sogenannte Breitband-Lambdasonden zum Einsatz. Diese bestehen im Wesentlichen aus einer Kombination von herkömmlicher, als galvanische Zelle wirkender Konzentrationssonde, einer sogenannten Nernst-Sonde, sowie einer Grenzstrom- oder „Pump” zelle.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer solchen Breitband-Lambdasonde beschrieben.
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In 1 ist schematisch der Aufbau einer solchen Breitband-Lambdasonde dargestellt. Diese weist eine Nernst-Konzentrationssonde 110 und eine Sauerstoffpumpzelle 120 auf, wobei die Sauerstoffpumpzelle 120 durch eine äußere Pumpelektrode (APE) 131 und eine innere Pumpelektrode (IPE) 132 gebildet wird. Die äußere Pumpelektrode 131 ist dem Abgas A ausgesetzt und die innere, ringförmige Pumpelektrode 132 ist in einem Hohlraum 133 angeordnet, der über einen Kanal 134 und einen Diffusionsspalt, in dem eine Diffusionsbarriere 130 angeordnet ist, mit dem Abgas A verbunden ist. Die Nernstzelle 110 wird durch die innere Pumpelektrode 132 und eine Referenzelektrode (RE) 141, die in einem inneren Referenzluftkanal 140 angeordnet ist, gebildet. Die Sonde wird durch eine Heizung 150, an der eine Heizspannung UH anliegt, auf Betriebstemperatur gebracht. Eine Regelschaltung 160, gebildet beispielsweise durch einen Operationsverstärker, an dessen nichtinvertierendem Eingang eine Referenzspannung Uref von insbesondere 450 mV anliegt und an dessen invertierendem Eingang das Ausgangssignal der Referenzelektrode 141 anliegt, erzeugt einen Pumpstrom IP, mit dem die äußere Pumpelektrode 131 beaufschlagt wird. Die innere Pumpelektrode 132 ist mit Masse verbunden. Der Pumpstrom IP kann mittels Anschlussklemmen 161, 162 abgegriffen werden. Er bildet ein Maß für die Sauerstoffkonzentration, wie nachfolgend kurz beschrieben wird.
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An die Pumpzelle 120 wird eine Spannung angelegt. Ist die Spannung groß genug, stellt sich ein „Grenzstrom” ein, der proportional dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Sonde ist. Mit dem Strom werden – polaritätsabhängig – Sauerstoffatome transportiert. Die Regelschaltung 160 bewirkt, dass der Konzentrationssonde 110 von der Pumpzelle 120 über den engen Diffusionsspalt und die Diffusionsbarriere 130 immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas A zugeführt wird, dass an ihr der Zustand λ = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss im Abgas (Magerbereich) wird Sauerstoff abgepumpt. Bei geringem Restsauerstoffgehalt des Abgases (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt. Der Pumpstrom, der über die Klemmen 161, 162 abgreifbar ist, bildet das Ausgangssignal. Er stellt ein Maß der Sauerstoffkonzentration und damit des Lambdawertes dar. Diese Pumpstromregelung wird nachfolgend kurz als „Pumpstromregler” bezeichnet. Mittels dieses Pumpstromreglers wird die Pumpspannung UP auf die Nernstspannung Un, die der Referenzspannung entspricht, eingeregelt.
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In 2 ist schematisch das Ersatzschaltbild der Breitband-Lambdasonde dargestellt. Die Breitband-Lambdasonde umfasst den Innenwiderstand Rie 220 und eine fiktive Spannungsquelle 221, die die Nernstspannung Un0 bereitstellt. Die Pumpzelle wird durch eine fiktive Spannungsquelle 231, die die Pumpspannung UP0 bereitstellt, und einen Innenwiderstand Ria 230 gebildet. Zwischen der äußeren Pumpelektrode APE, in 1 mit Bezugszeichen 131 versehen, und der inneren Pumpelektrode IPE, in 1 mit Bezugszeichen 132 versehen, fällt die Pumpspannung UP ab. Zwischen der inneren Pumpelektrode IPE und der Referenzelektrode RE, in 1 mit Bezugszeichen 141 versehen, fällt die Nernstspannung Un ab. Über entsprechende Klemmen sind die äußere Pumpelektrode APE und die innere Pumpelektrode IPE und die Referenzelektrode RE mit einer Schaltungseinheit 270 verbunden.
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Die Breitbandsonde wird mittels des Pumpstromreglers auf ihren Sollwert, die Nernstspannung Un, geregelt. Der hierfür notwendige Pumpstrom erzeugt eine Pumpspannung UP, die innerhalb zweier vorgegebener Schwellenwerte, auf die weiter unten noch eingegangen wird, liegen muss, um die Sonde nicht durch eine zu große Pumpspannung zu zerstören. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz der geregelten Breitbandsonde vor zu hoher Pumpspannung geht nun von der unbestromten Pumpspannung UP0 aus und legt diese unbestromte Pumpspannung als Entscheidungsgröße zugrunde. Unbestromt bedeutet dabei, dass kein Pumpstrom fließt. Eine Möglichkeit, die unbestromte Pumpspannung UP0 zu messen, ist, den Pumpstrom für eine gewisse Zeit abzuschalten, was beispielsweise bei einem pulsweitenmodulierten (PWM-)Stromsignal während einer Strompause geschehen kann. Hierzu wird die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der inneren Pumpelektrode IPE gemessen. Hierdurch fällt der Anteil der Spannung weg, der über den Innenwiderstand oder den Zuleitungs- und Kontaktwiderstand abfällt. Die Schwellenwerte werden empirisch bestimmt und vorgegeben, konkret werden Werte durch die Software des Steuergeräts 271 in ein Register 270 geschrieben. Dabei sind für die beiden Betriebsbereiche „fett” bzw. „mager” getrennte Schwellenwerte einstellbar. Diese sind darüber hinaus mit einer einstellbaren Hysterese versehen.
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In 3 ist dies schematisch anhand des mageren Bereiches dargestellt. In 3 ist die in 2 dargestellte Spannung UP0 über der Zeit aufgetragen. In einem Bereich 310, 311 ist der Pumpstromregler aktiv, wohingegen in einem Bereich 340 der sogenannte Blackening-Schutzregler aktiv ist, jedoch der Pumpstromregler inaktiv ist. 3 zeigt den mageren Betriebsbereich. Dargestellt sind der magere Schwellenwert 305 und die einstellbare Hysterese 306. Diese Hysterese 306 führt dazu, dass der magere Schwellenwert zwischen dem Wert 305 und einem Wert 307, der in 3 gestrichelt dargestellt ist, variieren kann. Der fette Bereich ist nicht dargestellt. Der fette Bereich stellt im Prinzip die Spiegelung des in 3 dargestellten mageren Bereichs an der t-Achse in den vierten Quadranten dar, das heißt, der fette Schwellenwert liegt im negativen Pumpspannungsbereich, genauso wie die im fetten Bereich einstellbare Hysterese.
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Wenn mit anderen Worten die maximal erlaubte Pumpspannung, also der Schwellenwert 305 überschritten wurde, was bei einer derartigen Messung festgestellt werden kann, so wird der Pumpstromregler deaktiviert und es wird
- – entweder der Pumpstrom abgestellt oder
- – der Pumpstrom derart geregelt, dass die Sonde innerhalb der erlaubten Grenzen für die unbestromte Pumpspannung UP0 weiterbetrieben wird. Dies wird mit einem eigenen, hinsichtlich seiner Charakteristik einstellbaren Regler, dem Blackening-Schutzregler, erreicht. Dies ist in 3 der mit Bezugszeichen 340 versehene Pumpspannungsverlauf. Ein solcher Regler ist digital oder analog realisierbar. Er kann auch als Computerprogramm im Steuergerät implementiert sein.
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Wenn nun die maximal erlaubte Pumpspannung wieder unterschritten wird, wobei hier die Hysterese 306 zu beachten ist, erfolgt wiederum eine Regelung über den Pumpstromregler, der auch als Nernstspannungsregler bezeichnet werden könnte. Dies ist der in 3 mit Bezugszeichen 311 versehene Pumpspannungsverlauf. Hierzu wird der Pumpstromregler während seiner Deaktivierung so konfiguriert, dass ein störungsfreier Wiedereintritt in die Pumpstromregelung möglich ist.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren kann sehr vorteilhaft als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät 271, implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, beispielsweise einer CD-ROM, einer DVD-ROM, einem Speicherstick, einem externen Flash-Speicher, einem externen Laufwerk oder dergleichen, den das Steuergerät 270 einlesen kann. Möglich ist es aber auch, den Regler analog zu realisieren, also als Schaltungsaufbau.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007057707 A1 [0003]
