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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Lambdasonden sind Sonden zum Bestimmen des Restsauerstoffgehalts im Abgas eines Kraftwagens. Sie umfassen eine so genannte Nernstzelle mit einer Zirkonmembran, die auf einer Seite vom Abgasstrom umspült wird und auf der anderen Seite mit der Umgebungsluft in Kontakt steht. Bei entsprechend hohen Temperaturen können Sauerstoffionen durch die Zirkonmembran diffundieren, wobei sich über die Membran ein vom Partialdruckverhältnis des Sauerstoffes auf beiden Seiten abhängiges Potential aufbaut. Die Nutzung dieses Potentials dient zur Ermittlung des Restsauerstoffgehalts im Abgas.
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Um diese Diffusion zu ermöglichen, müssen Lambdasonden mit Zirkonmembranen auf Temperaturen von mehr auf 650°C erwärmt werden. Hierzu sind üblicherweise Widerstandsheizungen vorgesehen. Da das Membranpotential der Lambdasonde auch von der Temperatur abhängig ist, muss diese im Betrieb der Lambdasonde genau geregelt werden. Meist sind hierfür keine eigenen Temperatursensoren vorgesehen, es wird vielmehr der temperaturabhängige Widerstand der Nernstzelle als Temperaturmaß verwendet. Die Zirkonmembran zeigt hierbei das Verhalten eines Widerstands mit negativen Temperaturkoeffizienten, wird also mit zunehmender Temperatur leitfähiger. Der idealen Arbeitstemperatur der Sonde entspricht somit ein bestimmter Widerstandswert über die Nernstzelle, so dass eine Regelung der Heizung der Lambdasonde auf Grundlage der Widerstandsmessung erfolgen kann.
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Nachteiligerweise verändert sich der Widerstand der Nernstzelle bzw. dessen Temperaturabhängigkeit mit zunehmender Alter der Lambdasonde. Die Temperaturbestimmung wird daher bei Lambdasonden mit höheren Laufzeiten zunehmend ungenau, was zum Einen das Messergebnis der Lambdasonde verschlechtern kann und zum anderen zu Fehlsteuerungen der Heizung der Lambdasonde führen kann. Letzteres ist gerade bzgl. möglicher Überhitzungen der Lambdasonde kritisch, da bei entsprechend gestalteten Sonden gegebenenfalls die Fehlregelung der Temperatur soweit gehen kann, dass es zur Rissbildung im Keramikkörper der Sonde kommt. Dies kann zu einem Komplettausfall der Sonde führen.
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Ein übliches Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde auf die beschriebene Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 057 929 A1 bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde bereitzustellen, welches eine zuverlässige Temperaturregelung der Sonde auch bei höheren Laufzeiten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem derartigen Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde wird in einem ersten Betriebsmodus ein Widerstand einer Nernstzelle der Lambdasonde gemessen und auf Grundlage des gemessenen Widerstandes eine Temperatur der Lambdasonde ermittelt. Eine Heizspannung einer Heizeinrichtung der Lambdasonde wird in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und einer Solltemperatur eingestellt, so dass sichergestellt werden kann, dass die Lambdasonde immer auf der optimalen Temperatur betrieben wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem zweiten Betriebsmodus die Lambdasonde mit einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird und während des Betriebs mit der vorgegebenen Temperatur der Widerstand der Nernstzelle gemessen wird. Aus der Differenz des gemessenen Widerstands zu einem vorgegebenen Sollwiderstand wird ein Korrekturfaktor für die Ermittlung der Temperatur der Lambdasonde im ersten Betriebsmodus bestimmt. Der zweite Betriebsmodus stellt somit einen Kalibriermodus für die Lambdasonde dar. Durch den Betrieb bei einer vorgegebenen Temperatur, die zweckmäßigerweise identisch mit der Sollbetriebstemperatur der Lambdasonde ist, können altersbedingte Änderungen des Widerstands der Nernstzelle bzw. der Temperaturabhängigkeit dieses Widerstands detektiert werden. Mittels des auf dieser Basis ermittelten Korrekturfaktors kann sichergestellt werden, dass auch Lambdasonden mit höherer Laufzeit stets bei der gewünschten Temperatur betrieben werden. Alterungsbedingte Fehlregelungen der Heizeinrichtung der Lambdasonde werden so vermieden, so dass Ausfälle auf Grund von überhitzten Keramikkörpern der Lambdasonde oder dergleichen zuverlässig ausgeschlossen werden können.
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Vorzugsweise wird im zweiten Betriebsmodus die vorgegebene Temperatur durch Betreiben der Heizeinrichtung mit einer vorgegebenen Heizspannung eingestellt. Dies ist eine besonders einfache und zweckmäßige Möglichkeit, da die Heizeinrichtung im Gegensatz zur Nernstzelle keine Alterungserscheinungen zeigt. Auch bei gealterten Lambdasonden besteht daher ein stets bekannter Zusammenhang zwischen der vorgegebenen Heizspannung und der dadurch an der Heizeinrichtung erzielten Temperatur.
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Um diesen Zusammenhang für eine neue Lambdasonde zu ermitteln und somit eine zuverlässige Differenzheizspannung für den zweiten Betriebsmodus zu erhalten, wird die vorgegebenen Heizspannung nach Einbau einer neuen Lambdasonde solange variiert, bis der Widerstand der Nernstzelle den Sollwiderstand erreicht. Mit anderen Worten wird aus dem bekannten Widerstands-Temperatur-Zusammenhang einer neuen Lambdasonde indirekt experimentell die Heizspannung für den zweiten Betriebsmodus ermittelt, bei dem die Lambdasonde die gewünschte Solltemperatur erreicht.
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Vorzugsweise wird der zweite Betriebszustand in regelmäßigen Zeitabschnitten eingenommen. Dies kann beispielsweise nach jedem Start des Kraftwagens geschehen oder auch an den Servicezyklus des Kraftwagens gekoppelt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass Alterungserscheinungen der Lambdasonde frühzeitig erkannt werden, so dass ein entsprechender Korrekturfaktor ermittelt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Betriebszustand nur dann eingenommen, wenn zumindest ein Betriebs- und/oder Umgebungsparameter des Kraftwagens in einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Hierfür werden zweckmäßigerweise Betriebs- und/oder Umgebungsparameter gewählt, welche ebenfalls einen Einfluss auf die Temperatur der Lambdasonde haben, so dass die Bestimmung des Korrekturfaktors im zweiten Betriebsmodus nicht durch diese Parameter verfälscht wird.
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Es dabei besonders vorteilhaft, hierbei eine Kühlmitteltemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder eine Einspritzmenge und/oder eine Motordrehzahl und/oder einen Abgasmassenstrom und/oder eine Aktivität einer Regenerationsbetriebsmodus des Kraftwagens oder dergleichen zu berücksichtigen. All die genannten Größen beeinflussen die Temperatur der Lambdasonde entweder von außen her – wie die Umgebungstemperatur – oder aber indirekt über die Temperatur des Abgasstromes, mit dem die Lambdasonde in Kontakt steht. Gegebenenfalls kann auch eine Messung der Umgebungstemperatur sowie der Abgastemperatur in die Kalkulation des Korrekturfaktors zum zweiten Betriebsmodus der Lambdasonde einfließen, um so einen besonders genauen Korrekturfaktor zu erhalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten Betriebsmodus nur dann ein Korrekturfaktor bestimmt, wenn die Differenz zwischen dem gemessenen Widerstand der Nernstzelle und dem Sollwiderstand eines vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Hierdurch wird vermieden, dass bei kleinen Fluktuationen des Widerstands-Temperatur-Zusammenhangs der Nernstzelle jeweils aufwendige Korrekturen durchgeführt werden müssen.
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Der gemessene Widerstand der Nernstzelle wird vorzugsweise bei jedem Betreiben des Kraftwagens im zweiten Betriebsmodus in einer Speichereinrichtung gespeichert. Über den zeitlichen Verlauf der derart bestimmten Widerstände bei einer vorgegebenen Temperatur kann das Alterungsverhalten der Lambdasonde besonders gut bestimmt werden. Es ist möglich, diese Werte beispielsweise bei Servicevorgängen auszulesen, um so einen großen Datenbestand über das Alterungsverhalten der Lambdasonden unter realen Betriebsbedingungen zu sammeln und für eine gesamte Fahrzeugflotte auszuwerten. Ferner ist es zweckmäßig, den Verlauf der Widerstandswerte der Lambdasonde im zweiten Betriebsmodus als Maß für die Plausibilisierung des bei einem jeweiligen einzelnen Messvorgang bestimmten Widerstandswertes im zweiten Betriebsmodus zu verwenden. Treten hierbei Abweichungen in ungewöhnliche Richtung oder in ungewöhnlichen Ausmaß aus, so kann die Messung gegebenenfalls verworfen und wiederholt werden, da solche Abweichungen in der Regel auf externe Störgrößen hindeuten, welche die Messung verfälscht haben. Hierdurch wird zuverlässig die Bestimmung von falschen Korrekturfaktoren aufgrund externer Störungen vermieden.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Lambdasonde;
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2 einen Regelkreis zum Regeln der Temperatur einer Lambdasonde nach dem Stand der Technik;
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3 eine grafische Auftragung der Abhängigkeit zwischen Temperatur einer Lambdasonde und Widerstand deren Nernstzelle für unterschiedlich gealterte Lambdasonden;
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4 den zeitlichen Verlauf des Widerstandes von Nernstzellen verschiedener Lambdasonden während der Alterung;
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5 ein Regelkreisschema zum Regeln der Temperatur einer Lambdasonde bei der Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte bei der Bestimmung eines Korrekturfaktors für die Temperaturregelung einer Lambdasonde im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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7 ein Regelkreisschema zur Temperaturregelung einer Lambdasonde bei Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Normalbetriebmodus.
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Eine in 1 schematisch dargestellte, im Ganzen mit 10 bezeichnete Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Abgas eines Kraftwagens umfasst eine Membran 12 aus Zirkon(IV)oxid, die beidseitig von gasdurchlässigen Platinelektroden 14, 16 begrenzt ist. Auf Seite der Elektrode 14 steht die Lambdasonde 10 mit einem Abgasstrom 18 des Kraftwagens in Verbindung, auf Seite der Elektrode 16 mit der Außenluft 20. Bei erhöhten Temperaturen, insbesondere oberhalb von ca. 650°C kann Sauerstoff durch die Zirkonmembran 12 diffundieren. Auf derjenigen Seite der Lambdasonde 10, auf welcher ein relativer Sauerstoffüberschuss existiert, nimmt der molekulare Sauerstoff Elektronen aus der jeweiligen Elektrode 14, 16 auf und diffundiert in Form von O2–-Ionen durch die Zirkonmembran 12. Zwischen den Elektroden 14, 16 stellt sich daher eine Potentialdifferenz ein, die mittels eines Spannungsmessgeräts 22 bestimmt werden kann. Aus der Potentialdifferenz zwischen den beiden Seiten der Lambdasonde 10 kann das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks im Abgasstrom zum Sauerstoffpartialdruck in der Umgebungsluft 20 bestimmt werden. Um die Membran 12 auf ihre Solltemperatur zu bringen, sind ferner Heizelemente 24 vorgesehen.
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Die Regelung der Heizelemente 24 und damit der Temperatur der Lambdasonde 10 erfolgt gemäß dem Stand der Technik nach einem Regelkreis, wie er in 2 dargestellt ist. Zur Bestimmung der Temperatur der Lambdasonde 10 dient dabei der Widerstand der Nernstzelle, also der Zirkonmembran 12 mit ihren Elektroden 14, 16. Dieser ist abhängig von der Temperatur und zeigt, wie in 3 dargestellt, einen negativen Temperaturkoeffizienten. In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst der Widerstand der Nernstzelle bestimmt und in einem weiteren Schritt gemäß der Kennlinie aus 3 in eine Temperatur der Lambdasonde 10 umgerechnet. Durch Differenzbildung zwischen der gemessenen Temperatur und einer vorgegebenen Solltemperatur wird eine Eingangsgröße für einen proportional-integralen Regler bereitgestellt, der schließlich die Stellgröße des Systems, nämlich die Spannung für die Heizelemente 24 bereitstellt. Veränderungen der Heizspannung führen wiederum zu einer Veränderung der Temperatur der Nernstzelle und damit zu einer Veränderung des gemessenen Widerstands. Auf diese Art kann mittels einer einfachen Regelung die Temperatur der Lambdasonde 10 konstant gehalten werden.
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Der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Nernstzelle und ihrem Widerstand variiert jedoch mit dem Alter der Lambdasonde 10. Die in 3 durchgezogene und mit Quadraten gekennzeichnete Linie 26 zeigt den Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand der Nernstzelle für eine neue Lambdasonde, die durchgezogene Linie 28 denjenigen für eine gealterte Lambdasonde 10. Bei einer Solltemperatur von 830°C beträgt im Fall der neuen Lambdasonde der Widerstand der Nernstzelle in etwa 80 Ohm. Wird die Regelung gemäß 2 auch bei gealterter Lambdasonde 10 unverändert weiter geführt, so wird auch die gealterte Lambdasonde 10 auf einen Nernstwiderstand von 80 Ohm hin geregelt. Wie der Graph 28 zeigt, liegt bei der gealterten Lambdasonde 10 jedoch bei einem Nernstwiderstand von 80 Ohm eine deutlich erhöhte Temperatur von mehr als 950°C vor. Dies kann die Messergebnisse der Lambdasonde verfälschen und gegebenenfalls zu Beschädigungen an deren Keramikkörper führen.
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4 zeigt die Veränderung des Nernstwiderstands der Lambdasonde 10 bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur in Abhängigkeit von deren Betriebsstundenzahl in einer Mehrzahl von Messreihen. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich hierbei deutliche und starke Verschiebungen ergeben, die bei einem Temperatur-Widerstandsverlauf gemäß 3 zu Temperaturabweichungen von mehreren hundert Grad führen können, sofern lediglich auf einen fest vorgegebenen Widerstandswert der Nernstzelle der Lambdasonde 10 hin geregelt wird.
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Um die Regelung der Sondentemperatur zu verbessern, wird, wie in 5 dargestellt, bei einer neu eingebauten Lambdasonde 10 eine Differenzmessung durchgeführt. Hierzu wird eine Referenzheizspannung bestimmt, bei welcher die Lambdasonde 10 eine vorgegebene Temperatur erreicht. Dies kann beispielsweise durch variierende Ansteuerung der Heizelemente 24 und eine davon unabhängige Temperaturmessung geschehen. Bei neuer Lambdasonde kann die Temperaturmessung auch entfallen und durch einfache Widerstandsmessung ersetzt werden, da hier ja der Zusammenhang zwischen Nernstwiderstand und Sondentemperatur auch bekannt ist. Die so bestimmte Referenzheizspannung, bei der die Lambdasonde 10 genau die gewünschte Temperatur erreicht, wird in der Folge in einer Speichereinrichtung, beispielsweise einem EEPROM des Kraftwagens als Referenzgröße abgelegt.
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Auch bei gealterter Lambdasonde kann diese Referenzheizspannung zum gezielten Einstellen der Lambdasondentemperatur verwendet werden, da die Heizelemente im Gegensatz zur Nernstzelle keine Alterungserscheinungen aufweisen. Es ist dabei jedoch zu beachten, dass die Temperatur der Lambdasonde 10 nicht nur durch die Heizspannung an den Heizelementen 24, sondern auch durch andere Umgebungsfaktoren beeinflusst wird. Hierzu zählen die Umgebungstemperatur selbst sowie die Temperatur des Abgasstranges, welche wiederum von Betriebsgrößen des Kraftwagens wie einer Kühlmitteltemperatur, einer Einspritzmenge, einer Motordrehzahl, eines Abgasmassenstroms, gegebenenfalls dem Vorliegen eines Regenerationsbetriebs oder dergleichen beeinflusst wird. Soll später unter Verwendung der gespeicherten Referenzheizspannung die Solltemperatur der Lambdasonde für eine Kalibrierungsmessung eingestellt werden, so ist darauf zu achten, dass diese Einflussgrößen sich in vorgegebenen Rahmen bewegen, so dass die Kalibrierung nicht verfälscht wird.
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Bei gealterter Lambdasonde wird dann in regelmäßigen Abständen eine Kalibrierung gemäß 6 durchgeführt. Hierzu wird, sofern die genannten Umgebungsparameter in ihrem Sollwertebereich liegen, die gespeicherte Referenzheizspannung an die Heizelemente 24 angelegt. Hierdurch wird die Temperatur der Lambdasonde zuverlässig auf ihren Sollwert eingestellt. Nun kann der Widerstand über die Zirkonmembran 12 gemessen werden, so dass der Nernstwiderstand der Lambdasonde 10 bei ihrer Solltemperatur nun bekannt ist.
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Außerhalb dieses Kalibrierzustands erfolgt die normale Regelung der Lambdasondentemperatur dann gemäß dem in 7 dargestellten Regelkreis. Aus dem beim Kalibrieren bestimmten gealterten Nernstwiderstand der Lambdasonde 10 bei ihrer Solltemperatur wird ein Kompensationsfaktor bestimmt, der in die Umrechnung zwischen dem gemessenen Nernstwiderstand und der vorliegenden Sondentemperatur einfließt. Die weitere Regelung erfolgt wie bekannt, in dem eine Integralregler die Differenz aus der gemessenen und mittels des Kompensationsfaktors korrigierten Sondentemperatur und der Solltemperatur als Eingangsgröße erhält und als Ausgangsgröße die zur Temperatureinstellung notwendige Spannung für die Heizelemente 24 liefert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass auch bei gealterter Lambdasonden jederzeit die gewünschte Solltemperatur eingehalten wird, ohne das es zu gegebenenfalls schädlichen Überhitzungen der Lambdasonde 10 kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004057929 A1 [0005]
