DE102012208092A1 - Verfahren und Steuereinheit zur Kompensation eines Spannungsoffsets einer Zweipunkt-Lambdasonde - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Spannungsoffsets in einer Spannungs-Lambda-Kennlinie einer Zweipunkt-Lambdasonde gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Zweipunkt-Lambdasonde, wobei die Zweipunkt-Lambda-Sonde in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist es vorgesehen, dass für eine Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie bestimmt und mit der Steigung einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei der gleichen Ausgangsspannung verglichen wird und dass aus einer Abweichung der bestimmten Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie von der Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Spannungsoffset bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinheit zur Durchführung der Verfahren. Das Verfahren und die Steuereinheit ermöglichen die Bestimmung und Kompensation eines durch Alterung oder Fertigungsstreuungen bedingten Spannungsoffsets einer Zweipunkt-Lambdasonde.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Spannungsoffsets in einer Spannungs-Lambda-Kennlinie gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Zweipunkt-Lambdasonde, wobei die Zweipunkt-Lambda-Sonde im Abgas einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur Optimierung des Schadstoffausstoßes und der Abgasnachbehandlung werden bei modernen Brennkraftmaschinen Lambdasonden zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases und zur Steuerung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Lambdasonden bestimmen den Sauerstoffgehalt des Abgases, was zur Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs und somit des Abgaslambdas vor einem Katalysator verwendet wird. Dabei wird über einen Lambda-Regelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung der Brennkraftmaschine derart geregelt, dass eine für die Abgasnachbehandlung durch in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehene Katalysatoren optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht wird. Bei Ottomotoren wird in der Regel auf ein Lambda von 1, also ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, geregelt. Die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine kann so minimiert werden.
  • Es sind verschiedene Formen von Lambdasonden im Einsatz. Bei einer Zweipunkt-Lambdasonde, auch als Sprungsonde oder Nernst-Sonde bezeichnet, weist die Spannungs-Lambda-Kennlinie bei Lambda = 1 einen sprungartigen Abfall auf. Sie erlaubt daher im Wesentlichen die Unterscheidung zwischen fettem Abgas (λ < 1) bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kraftstoffüberschuss und magerem Abgas (λ > 1) bei Betrieb mit Luftüberschuss und ermöglicht eine Regelung des Abgases auf ein Lambda von 1.
  • Eine Breitband-Lambdasonde, auch als stetige oder lineare Lambdasonde bezeichnet, ermöglicht die Messung des Lambdawertes in dem Abgas in einem weiten Bereich um Lambda = 1 herum. Damit kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine auch auf einen mageren Betrieb mit Luftüberschuss geregelt werden.
  • Durch eine Linearisierung der Sondenkennlinie ist auch mit einer kostengünstigeren Zweipunkt-Lambdasonde in einem eingeschränkten Lambdabereich eine stetige Lambdaregelung vor Katalysator möglich. Voraussetzung hierfür ist, dass zwischen der Sondenspannung der Zweipunkt-Lambdasonde und Lambda ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang muss über die gesamte Lebensdauer der Zweipunkt-Lambdasonde vorliegen, da andernfalls die Genauigkeit der Regelung nicht ausreichend ist und unzulässig hohe Emissionen auftreten können. Auf Grund von Fertigungstoleranzen und von Alterungseffekten der Zweipunkt-Lambdasonde ist diese Voraussetzung nicht erfüllt.
  • Zur Durchführung einer stetigen Lambdaregelung mit einer Zweipunkt-Lambdasonde ist es bekannt, einen Spannungsoffset der vorliegenden Spannungs-Lambda-Kennlinie gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Zweipunkt-Lambdasonde, der über den gesamten Lambdabereich konstant ist, durch einen Abgleich der Sondenspannung bei Schubabschaltung der Brennkraftmaschine, in welcher der Brennkraftmaschine kein Kraftstoff zugeführt wird, zu bestimmen und zu kompensieren. Darauf aufbauend beschreibt die Schrift DE 10 2010 027 984 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem mindestens ein Parameter des in einem Abgaskanal strömenden Abgases von einer Abgassonde erfasst wird. Dabei ist es vorgesehen, dass während eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine, in dem eine Einspritzung und Verbrennung von Kraftstoff nicht stattfindet, dem Abgaskanal stromaufwärts von der Abgassonde mittels einer der Abgasanlage zugeordneten Frischluftversorgung Frischluft zugeführt wird, und währenddessen und/oder danach die Abgassonde abgeglichen wird.
  • Eine ausreichend gute Kompensation des Spannungsoffsets ist jedoch nur dann möglich, wenn dieser nicht nur bei Schubabschaltung bei entsprechend sauerstoffhaltigem Abgas, sondern im gesamten Lambdabereich gleich stark ausgeprägt ist. Dies kann dann der Fall sein, wenn der Spannungsoffset in einer einzigen Ursache begründet ist. Zumeist liegen jedoch mehrere überlagerte Ursachen für eine Abweichung der Spannungs-Lambda-Kennlinie gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie vor. Diese können in verschiedenen Lambdabereichen unterschiedlich stark ausgeprägt sein, wodurch sich der Spannungsoffset in Abhängigkeit vom Abgaslambda ändert. Insbesondere können die Ursachen im mageren und im fetten Lambdabereich unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Ein solcher, von Lambda abhängiger Spannungsoffset kann durch einen Abgleich bei Schubabschaltung nicht ausreichend kompensiert werden. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens liegt darin, dass moderne Motorkonzepte immer weniger Schubphasen aufweisen, was die Möglichkeit eines solchen Schubabgleichs einschränkt.
  • Daher werden Zweipunkt-Lambdasonden vor Katalysator zumeist mit einer Zweipunkt-Regelung verwendet. Diese hat den Nachteil, dass in Betriebsmodi, für die ein mageres oder fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch notwendig ist, beispielsweise zur Katalysatordiagnose oder zum Bauteilschutz, das Ziel-Lambda nur vorgesteuert eingestellt, aber nicht geregelt werden kann.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Kompensation eines Spannungsoffsets einer Zweipunkt-Lambdasonde im Betrieb der Zweipunkt-Lambdasonde bereitzustellen, um eine stetige Lambdaregelung mit der Zweipunkt-Lambdasonde zu ermöglichen.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass für eine Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde die Steigung oder ein Maß für die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie bestimmt und mit der Steigung oder dem Maß für die Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei der gleichen Ausgangsspannung verglichen wird und dass aus einer Abweichung der bestimmten Steigung oder dem Maß für die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie von der Steigung oder dem Maß für die Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Spannungsoffset bestimmt wird. Die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie entspricht der Spannungs-Lambda-Kennlinie einer ungealterten Zweipunkt-Lambdasonde. Sie definiert die Sollkurve der Zweipunkt-Lambdasonde im Rahmen der Fertigungstoleranzen, auf welche die Lambdaregelung der Brennkraftmaschine ausgelegt ist. Für die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde und der Steigung (ΔU/Δλ)Ref der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie. Liegt bei der verwendeten Zweipunkt-Lambdasonde ein Spannungsoffset der Spannungs-Lambda-Kennlinie gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie vor, so stimmt diese Zuordnung zwischen der gemessenen Steigung (ΔU/Δλ)mess und der Ausgangsspannung nicht mehr. Einer Abweichung der Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie der vorliegenden Zweipunkt-Lambdasonde von der Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei einer vorgegebenen Ausgangsspannung kann ein Spannungsoffset eindeutig zugeordnet werden.
  • Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Spannungsoffsets innerhalb des Regelbereichs der Zweipunkt-Lambdasonde in einem Lambdabereich um 1, wie er im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine überwiegend vorliegt. Die Bestimmung des Spannungsoffsets ist somit nicht an Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gebunden, die eine besondere Abgaszusammensetzung ergeben, wie beispielsweise der bei modernen Motorkonzepten selten auftretenden Schubphasen. Durch die Bestimmung und Kompensation eines durch Fertigungstoleranzen und Alterung hervorgerufenen Spannungsoffsets können kostengünstige Zweipunkt-Lambdasonden für stetige Lambdaregelungen verwendet werden.
  • Eine einfache Bestimmung der Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie und somit eines Spannungsoffsets kann dadurch erreicht werden, dass ausgehend von einer Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde eine gemessene Spannungsänderung ΔUmess der Zweipunkt-Lambdasonde nach einer vorgebbaren Lambdaänderung Δλ mit einer Referenz-Spannungsänderung ΔURef der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei einer gleichen Lambdaänderung Δλ verglichen wird und dass aus einer Abweichung der gemessenen Spannungsänderung ΔUmess von der Referenz-Spannungsänderung ΔURef der Spannungsoffset bestimmt wird. ΔUmess/Δλ stellt die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie dar, ΔURef/Δλ die Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie. Bei gleicher vorgegebenen Lambdaänderung Δλ ist die Spannungsänderung ΔU ein Maß für die Steigung und kann daher direkt für die Bestimmung des Spannungsoffsets verwendet werden. Durch die Wahl der Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde, bei der die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie bestimmt wird, kann festgelegt werden, in welchem Lambdabereich der Spannungsoffset bestimmt werden soll. Die Lambdaänderung Δλ kann durch eine gezielte Änderung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs erreicht werden. Da die Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde vor Katalysator sehr schnell auf Lambdaänderungen reagiert müssen die Lambdaänderungen nur kurz aufgeprägt werden. Das Verfahren ermöglicht daher eine sehr schnelle Bestimmung des Spannungsoffsets.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Spannungsoffset für den gesamten Lambdabereich der Zweipunkt-Lambdasonde bestimmt wird oder dass Werte des Spannungsoffset für verschiedene Lambdabereiche, insbesondere für einen fetten und einen mageren Lambdabereich, bestimmt werden. Abhängig von seiner Ursache kann der Spannungsoffset für verschiedene Lambdabereiche unterschiedlich groß sein. Durch die Möglichkeit, den Spannungsoffset für verschiedene Lambdabereiche gesondert zu bestimmen, kann der Spannungsoffset in Abhängigkeit vom Lambdabereich angepasst kompensiert werden. Viele Ursachen für einen Spannungsoffset wirken sich unterschiedlich stark im mageren und im fetten Lambdabereich aus. Dies kann durch eine gesonderte Messung und Kompensation des Spannungsoffsets bei magerem und bei fettem Abgasgemisch ausgeglichen werden.
  • Entsprechend einer weiteren Verfahrensvariante kann es vorgesehen sein, dass die vorgebbare Lambdaänderung Δλ gezielt eingestellt wird und/oder dass die Bestimmung des Spannungsoffsets bei einer systembedingten Lambdaänderung Δλ erfolgt. Durch eine aktive, gezielt vorgegebene Lambdaänderung Δλ kann die Spannungsänderung ΔU bei einer vorgegebenen Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde bestimmt werden. Systembedingte aktive Lambdaänderungen, wie sie zum Beispiel für Katalysatordiagnosen, Sondendynamikdiagnosen oder Phasen mit Zweipunkt-Lambdaregelung auftreten, können genützt werden, um gegebenenfalls zusätzliche Messungen für Spannungsänderungen zu erhalten, ohne extra dafür eine aktive Lambdaänderung vorzunehmen.
  • Die Kompensation eines Spannungsoffsets kann dadurch verbessert werden, dass die gemessene Spannungsänderung ΔUmess ausgehend von einer Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde wiederholt bestimmt wird und/oder dass die gemessene Spannungsänderung ΔUmess bei positiven und negativen vorgebbaren Lambdaänderungen Δλ bestimmt wird und dass die Bestimmung des Spannungsoffsets aus den gemittelten oder gefilterten gemessenen Spannungsänderungen ΔUmess erfolgt. Die Wiederholung der Bestimmung der Spannungsänderung ΔUmess ermöglicht eine Plausibilisierung der Offsetkompensation. Durch die Messung der Spannungsänderung ΔUmess durch mehrere unmittelbar aufeinander folgende Lambdaänderungen Δλ mit entgegengesetzter Richtung und anschließender Mittelung beziehungsweise Filterung der Messwerte kann zum einen die Erkennungsgenauigkeit eines Spannungsoffsets erhöht werden, zum anderen wird das Soll-Lambda im zeitlichen Mittel beibehalten.
  • Eine weitere Verbesserung bei der Bestimmung eines Spannungsoffsets kann dadurch erreicht werden, dass gemessene Spannungsänderungen ΔUmess ausgehend von verschiedenen Ausgangsspannungen der Zweipunkt-Lambdasonde bestimmt werden und die daraus bestimmten Spannungsoffsets durch Vergleich auf Plausibilität geprüft werden.
  • Der Betrag und/oder die Art und/oder die Dauer der vorgebbaren Lambdaänderung Δλ können in Abhängigkeit von Abgasbedingungen oder Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gewählt werden. Die Lambdaänderung Δλ kann beispielsweise durch einen Sprung, eine Rampe, durch Wobbeln, durch positive oder negative Lambdaänderungen Δλ beziehungsweise durch beliebige Kombinationen daraus erfolgen. Dabei können der Betrag und/oder die Art und/oder die Dauer der vorgebbaren Lambdaänderung Δλ in Abhängigkeit von den Abgasbedingungen oder den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine so vorgegeben sein, dass eine eindeutige und sichere Auswertung der bestimmten Steigung beziehungsweise der bestimmten Spannungsänderung ΔUmess durchgeführt werden kann.
  • In Systemen, die einen Schubabgleich zulassen, kann es vorgesehen sein, dass der bestimmte Spannungsoffset durch einen Abgleich der gemessenen Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde mit der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine plausibilisiert wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die aktive Lambdaänderung Δλ selbst toleranzbehaftet ist.
  • Bei einem erkannten Spannungsoffset der Zweipunkt-Lambdasonde kann es vorgesehen sein, dass der bestimmte Spannungsoffset der Spannungs-Lambda-Kennlinie vollständig oder teilweise kompensiert wird und/oder dass der Spannungsoffset in Abhängigkeit von dem Lambdabereich der Spannungs-Lambda-Kennlinie kompensiert wird. Häufig ist es nicht notwendig, einen Spannungsoffset der Spannungs-Lambda-Kennlinie vollständig zu kompensieren. Es kann genügen, wenn der Spannungsoffset nur so weit kompensiert wird, dass die korrigierte Spannungs-Lambda-Kennlinie ausreichend gut mit der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie übereinstimmt. In solchen Fällen kann es ausreichend sein, den Spannungsoffset nur an einigen wenigen Punkten der Spannungs-Lambda-Kennlinie zu bestimmen, auch wenn die tatsächliche Kennlinienverschiebung durch mehrere überlagerte Effekte verursacht wird.
  • Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass aus dem Verlauf des Spannungsoffsets in Abhängigkeit von Lambda Ursachen des Spannungsoffsets bestimmt werden und/oder dass Maßnahmen zur Vermeidung oder zur Verminderung der Ursachen des Spannungsoffsets getroffen werden. So kann es beispielsweise vorkommen, dass die Spannungs-Lambda-Kennlinie der Zweipunkt-Lambdasonde verstärkt im fetten Lambdabereich um einen festen Betrag zu niedrigeren Ausgangsspannungen hin verschoben ist, da die Sonde zu heiß betrieben wird. In diesem Fall kann die Heizleistung der Sondenheizung reduziert werden und dadurch der Spannungsoffset zumindest reduziert werden.
  • Die Bestimmung des Spannungsoffsets bei einer vorgegebenen Ausgangsspannung und damit in einem vorgegebenen Lambdabereich kann dadurch erreicht werden, dass zur Bestimmung des Spannungsoffsets eine vorgegebene Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde aktiv eingestellt wird oder dass die Bestimmung des Spannungsoffsets durchgeführt wird, wenn die vorgegebene Ausgangsspannung auf Grund der gewünschten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Die gewünschte Ausgangsspannung aktiv anzufahren ist insbesondere dann sinnvoll, wenn noch keine Offsetkompensation aus früheren Betriebszyklen der Brennkraftmaschine vorliegt. Wenn hingegen schon eine Kompensation des Spannungsoffsets in einem vorangegangenen Betriebszyklus durchgeführt wurde und die Daten entsprechend vorliegen, kann ein erneuter Abgleich passiv durchgeführt werden, wenn in dem regulären betrieb der Brennkraftmaschine die gewünschte Ausgangsspannung gerader vorliegt.
  • Die die Steuereinheit betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, eine vorgebbare Lambdaänderung Δλ des Abgases einzustellen, dass die Steuereinheit Messmittel zur Bestimmung einer Spannungsänderung ΔUmess der Zweipunkt-Lambdasonde als Reaktion auf die definierte Lambdaänderung Δλ aufweist, dass in der Steuereinheit eine Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie der Zweipunkt-Lambdasonde hinterlegt ist, dass die Steuereinheit einen Programmablauf zum Vergleich der gemessene Spannungsänderung ΔUmess der Zweipunkt-Lambdasonde nach der vorgebbaren Lambdaänderung Δλ mit einer Referenz-Spannungsänderung ΔURef der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei einer gleichen Lambdaänderung Δλ aufweist und dass die Steuereinheit einen Programmablauf zur Bestimmung eines Spannungsoffsets der vorliegenden Spannungs-Lambda-Kennlinie der Zweipunkt-Lambdasonde gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie aus einer Abweichung der gemessene Spannungsänderung ΔUmess von der Referenz-Spannungsänderung ΔURef aufweist. Die Steuereinheit ermöglicht die Bestimmung eines Spannungsoffsets einer Zweipunkt-Lambdasonde in Abhängigkeit vom vorliegenden Lambdabereich. Damit kann der Spannungsoffset kompensiert werden, wodurch eine Verwendung der Zweipunkt-Lambdasonde für eine stetige Lambdaregelung ermöglicht wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Spannungs-Lambda-Kennlinien einer Zweipunkt-Lambdasonde mit konstanten Spannungsoffsets gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie,
  • 2 eine dritte Spannungs-Lambda-Kennlinien einer Zweipunkt-Lambdasonde mit einem von Lambda abhängigen Spannungsoffset gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie.
  • 1 zeigt Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.1, 10.3 einer Zweipunkt-Lambdasonde mit konstanten Spannungsoffsets 16, 17 gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2. Die Kennlinien 10.1, 10.2, 10.3 sind gegenüber einer Achse Sondenspannung 20 und gegenüber einer Achse Lambda 21 aufgetragen. Eine erste Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1 ist um einen negativen Spannungsoffset 17 und eine zweite Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.3 um einen positiven Spannungsoffset 17 gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 verschoben. Der dargestellte Lambdabereich ist durch einer Markierung 12 bei Lambda = 1 in einen fetten Lambdabereich 11 mit Lambda < 1 und einen mageren Lambdabereich 13 mit Lambda > 1 aufgeteilt. Ausgehend von einem ersten Spannungswert 22 der Zweipunkt-Lambdasonde sind im fetten Lambdabereich 11 an der ersten Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1 ein erstes Steigungsdreieck 14.1, an der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 ein zweites Steigungsdreieck 14.2 und an der zweiten Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.3 ein drittes Steigungsdreieck 14.3 angelegt. Ausgehend von einem zweiten Spannungswert 23 der Zweipunkt-Lambdasonde sind im mageren Lambdabereich 13 an der ersten Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1 ein viertes Steigungsdreieck 14.4, an der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 ein fünftes Steigungsdreieck 14.5 und an der zweiten Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.3 ein sechstes Steigungsdreieck 14.6 angelegt.
  • Die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 entspricht dem Verlauf des Ausgangssignals einer intakten, ungealterten Zweipunkt-Lambdasonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine bei einer Änderung der Abgaszusammensetzung. Sie weist bei Lambda = 1 ihre maximale Steigung auf. Der Sprung von einer hohen Ausgangsspannung zu einer niedrigen Ausgangsspannung findet in einem vergleichsweise kleinen Lambdafenster statt. Durch beispielsweise eine Alterung der Zweipunkt-Lambdasonde kann sich deren Ausgangsspannung um einen Spannungsoffset 16, 17 verschieben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Spannungsoffset 16, 17 über den gesamten Lambdabereich, also sowohl im fetten Lambdabereich 11 wie im mageren Lambdabereich 13, gleich. Die erste Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1 ergibt sich bei einem negativen Spannungsoffset 17, die zweite Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.3 bei einem positiven Spannungsoffset 16.
  • Die Steigungsdreiecke 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 zeigen jeweils eine Spannungsänderung ΔU, die sich bei einer vorgegebenen, für alle Steigungsdreiecke 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 gleich großen Lambdaänderung Δλ, ausgehend von dem jeweiligen Spannungswert 22, 23 der Sondenspannung, ergibt. Sie stellen somit die Steigungen der jeweiligen Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3 beziehungsweise der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 bei den jeweiligen Spannungswerten 22, 23 dar. Das erfindungsgemäße Verfahren nützt aus, dass im Fall der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 nicht nur zwischen der Ausgangsspannung U der Zweipunkt-Lambdasonde und Lambda λ ein eindeutiger Zusammenhang besteht, sondern auch zwischen der Ausgangsspannung U und der Steigung der Kennlinie ΔU/ Δλ. Liegt ein Spannungsoffset 16, 17 vor, stimmt die Zuordnung zwischen der Ausgangsspannung und der Steigung der Kennlinie nicht mehr.
  • Im Falle eines positiven Spannungsoffsets 16 resultiert bei einer vorgegebenen Lambdaänderung Δλ und einem bestimmten Spannungswert 22, 23 der Sondenspannung im mageren Lambdabereich 13 einer geringere und im fetten Lambdabereich 11 eine höhere Spannungsänderung ΔU als im Fall der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2.
  • Im Falle eines negativen Spannungsoffsets 17 resultiert bei einer vorgegebenen Lambdaänderung Δλ und einem bestimmten Spannungswert 22, 23 der Sondenspannung im mageren Lambdabereich 13 einer höhere und im fetten Lambdabereich 11 eine niedrigere Spannungsänderung ΔU als im Fall der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2.
  • Aus der Abweichung der gemessenen Spannungsänderung ΔUmess von der für die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 erwartete Spannungsänderung ΔURef wird ein Maß für die notwendige Kompensation des Spannungsoffsets 16, 17 ermittelt und eine korrigierte Spannungs-Lambda-Kennlinie berechnet, die bei vollständiger Kompensation mit der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 deckungsgleich ist. Damit ist es möglich, auch bei einer gealterten Zweipunkt-Lambdasonde einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Sondenspannung und Lambda zu erhalten. Damit kann auch mit einer im Vergleich zu einer Breitband-Lambdasonde kostengünstigen Zweipunkt-Lambdasonde in einem eingeschränkten Lambdabereich eine stetige Lambdaregelung vor Katalysator durchgeführt werden.
  • 2 zeigt eine dritte Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.4 einer Zweipunkt-Lambdasonde mit einem von Lambda abhängigen Spannungsoffset gegenüber der in 1 gezeigten Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.3. In der Darstellung sind die gleichen Bezeichner wie zu 1 eingeführt verwendet. Bei einem dritten Spannungswerte 24 der Zweipunkt-Lambdasonde ist der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.2 ein siebtes Steigungsdreieck 15.1 und der dritten Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.4 ein achtes Steigungsdreieck 15.2 zugeordnet. Bei einem vierten Spannungswerte 25 der Zweipunkt-Lambdasonde ist der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.2 ein neuntes Steigungsdreieck 15.3 und der dritten Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.4 ein zehntes Steigungsdreieck 15.4 zugeordnet.
  • Wie zu 1 dargelegt beschreiben die Steigungsdreiecke 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 eine Spannungsänderung in der dritte Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.4 beziehungsweise der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 bei einer vorgegebenen Lambdaänderung Δλ und somit die Steigung der jeweiligen Kennlinien 10.2, 10.4.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die dritte Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.4 im gesamten Lambdabereich um einen festen Betrag zu höheren Spannungen hin verschoben. Dieser erste Effekt kann zum Beispiel bei Zweipunkt-Lambdasonden mit gepumpter Sauerstoffreferenz auf Grund von Fertigungstoleranzen auftreten.
  • Die dritte Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.4 ist zusätzlich im fetten Lambdabereich 11 um einen festen Betrag zu niedrigeren Spannungen hin verschoben. Dieser zweite Effekt kann auftreten, wenn die Zweipunkt-Lambdasonde zu heiß betrieben wird.
  • Im fetten Lambdabereich 11 ist der erste Effekt stärker ausgeprägt als der zweite Effekt, so dass in Summe die dritte Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.4 auch im fetten Lambdabereich 11 zu höheren Spannungen hin verschoben ist, allerdings weniger als im mageren Lambdabereich 13.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird die Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde auf den vierten Spannungswert 25 eingeregelt. Bei einer jetzt erfolgenden vorgegebenen Lambdaänderung Δλ wird entsprechend dem zehnten Steigungsdreieck 15.4 eine Spannungsänderung ΔUmess der Ausgangsspannung bestimmt, die kleiner ist als die auf Basis der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 erwarteten Spannungsänderung ΔURef. Aus dieser Abweichung wird eine für den gesamten Lambdabereich notwendige Kompensation des Spannungsoffsets vorgenommen und die vierte Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.4 entsprechend korrigiert.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde auf den dritten Spannungswert 24 eingeregelt. Eine jetzt erfolgende vorgegebene Lambdaänderung Δλ ergibt entsprechend dem achten Steigungsdreieck 15.2 eine Spannungsänderung ΔUmess der Ausgangsspannung, die größer ist als die auf Basis der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 erwartete Spannungsänderung ΔURef. Aus dieser Abweichung wird für den fetten Lambdabereich 11 die verbleibende, für den fetten Lambdabereich 11 notwendige Kompensation des Spannungsoffsets durchgeführt. Die so erhaltene Spannungs-Lambda-Kennlinie ist nun im gesamten Lambdabereich an die Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinien 10.2 angepasst.
  • Alternativ zur Kompensation des Spannungsoffsets kann aus dem Verlauf des Spannungsoffsets in Abhängigkeit von Lambda auch die Ursache für einen Spannungsoffset erkannt und daraufhin beendet oder zumindest reduziert werden. In dem zu 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann zum Beispiel die Leistung einer elektrischen Heizung der Zweipunkt-Lambdasonde reduziert werden, um den zweiten Effekt zu verringern.
  • Aus dem Vergleich der Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 mit der Steigung einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 bei jeweils vorzugebenden Spannungswerten 22, 23, 24, 25 der Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde und somit bei vorgegebenen Lambdabereichen kann eine eindeutige Bestimmung eines vorliegenden Spannungsoffsets erfolgen. Der Spannungsoffset kann dabei für verschiedene Lambdabereiche getrennt ermittelt und entsprechend korrigiert werden. Die ermittelte Offsetkompensation kann durch Wiederholung der Messung am selben Punkt oder an anderen Punkten der Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 plausibilisiert werden. Durch Mittelung oder Filterung der Messergebnisse kann die Kompensation verbessert werden.
  • In Systemen, die einen Schubabgleich zulassen, kann die ermittelte Kompensation des Spannungsoffsets auch durch einen Schubabgleich plausibilisiert werden.
  • Bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist es vorteilhaft, die Offsetkompensation, die in einem vorhergehenden Fahrzyklus ermittelt wurde, zu speichern und in den nächsten Fahrzyklus zu übernehmen. Damit steht im nächsten Fahrzyklus sofort eine korrigierte Kennlinie zur Verfügung. Die im vorhergehenden Fahrzyklus ermittelte Offsetkompensation kann zur Plausibilisierung von Offsetmessungen im laufenden Fahrzyklus herangezogen werden.
  • Die Spannungswerte 22, 23, 24, 25 können aktiv eingestellt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn noch keine Offsetkompensation aus einem früheren Fahrzyklus vorliegt. Wenn bereits eine Offsetkompensation vorliegt kann der Abgleich passiv stattfinden, wenn in dem regulären Betrieb der Brennkraftmaschine ein benötigter Spannungswert 22, 23, 24, 25 vorliegt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010027984 A1 [0007]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Kompensation eines Spannungsoffsets 16, 17 in einer Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 einer Zweipunkt-Lambdasonde gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 der Zweipunkt-Lambdasonde, wobei die Zweipunkt-Lambda-Sonde in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde die Steigung oder ein Maß für die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 bestimmt und mit der Steigung oder dem Maß für die Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 bei der gleichen Ausgangsspannung verglichen wird und dass aus einer Abweichung der bestimmten Steigung oder dem Maß für die Steigung der Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 von der Steigung oder dem Maß für die Steigung der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 der Spannungsoffset 16, 17 bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde eine gemessene Spannungsänderung ΔUmess der Zweipunkt-Lambdasonde nach einer vorgebbaren Lambdaänderung Δλ mit einer Referenz-Spannungsänderung ΔURef der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie bei einer gleichen Lambdaänderung Δλ verglichen wird und dass aus einer Abweichung der gemessenen Spannungsänderung ΔUmess von der Referenz-Spannungsänderung ΔURef der Spannungsoffset 16, 17 bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsoffset 16, 17 für den gesamten Lambdabereich der Zweipunkt-Lambdasonde bestimmt wird oder dass Werte des Spannungsoffsets 16, 17 für verschiedene Lambdabereiche, insbesondere für einen fetten und einen mageren Lambdabereich 11, 13, bestimmt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Lambdaänderung Δλ gezielt eingestellt wird und/oder dass die Bestimmung des Spannungsoffsets 16, 17 bei einer systembedingten Lambdaänderung Δλ erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Spannungsänderung ΔUmess ausgehend von einer Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde wiederholt bestimmt wird und/oder dass die gemessene Spannungsänderung ΔUmess bei positiven und negativen vorgebbaren Lambdaänderungen Δλ bestimmt wird und dass die Bestimmung des Spannungsoffsets 16, 17 aus den gemittelten oder gefilterten gemessenen Spannungsänderungen ΔUmess erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gemessene Spannungsänderungen ΔUmess ausgehend von verschiedenen Ausgangsspannungen der Zweipunkt-Lambdasonde bestimmt werden und die daraus bestimmten Spannungsoffsets 16, 17 durch Vergleich auf Plausibilität geprüft werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag und/oder die Art und/oder die Dauer der vorgebbaren Lambdaänderung Δλ in Abhängigkeit von Abgasbedingungen oder Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gewählt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Spannungsoffset 16, 17 durch einen Abgleich der gemessenen Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde mit der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 bei einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine plausibilisiert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Spannungsoffset 16, 17 der Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 vollständig oder teilweise kompensiert wird und/oder dass der Spannungsoffset 16, 17 in Abhängigkeit von dem Lambdabereich der Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 kompensiert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verlauf des Spannungsoffsets 16, 17 in Abhängigkeit von Lambda Ursachen des Spannungsoffsets 16, 17 bestimmt werden und/oder dass Maßnahmen zur Vermeidung oder zur Verminderung der Ursachen des Spannungsoffsets 16, 17 getroffen werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Spannungsoffsets 16, 17 eine vorgegebene Ausgangsspannung der Zweipunkt-Lambdasonde aktiv eingestellt wird oder dass die Bestimmung des Spannungsoffsets 16, 17 durchgeführt wird, wenn die vorgegebene Ausgangsspannung auf Grund der gewünschten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
  12. Steuereinheit zur Steuerung einer Brennkraftmaschine und zur Bestimmung der Ausgangsspannung einer Zweipunkt-Lambdasonde im Abgaskanal der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, eine vorgebbare Lambdaänderung Δλ des Abgases einzustellen, dass die Steuereinheit Messmittel zur Bestimmung einer Spannungsänderung ΔUmess der Zweipunkt-Lambdasonde als Reaktion auf die definierte Lambdaänderung Δλ aufweist, dass in der Steuereinheit eine Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 der Zweipunkt-Lambdasonde hinterlegt ist, dass die Steuereinheit einen Programmablauf zum Vergleich der gemessene Spannungsänderung ΔUmess der Zweipunkt-Lambdasonde nach der vorgebbaren Lambdaänderung Δλ mit einer Referenz-Spannungsänderung ΔURef der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 bei einer gleichen Lambdaänderung Δλ aufweist und dass die Steuereinheit einen Programmablauf zur Bestimmung eines Spannungsoffsets 16, 17 der vorliegenden Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.1, 10.3, 10.4 der Zweipunkt-Lambdasonde gegenüber der Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie 10.2 aus einer Abweichung der gemessene Spannungsänderung ΔUmess von der Referenz-Spannungsänderung ΔURef aufweist.
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