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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Analysieren eines Gases, auf ein entsprechendes Steuergerät und auf eine Vorrichtung zum Analysieren eines Gases, beispielsweise eines Abgases eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs.
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Um ein Verhältnis zwischen einer Brennstoffmenge für einen Verbrennungsprozess und einer zur Verfügung stehenden Sauerstoffmenge anpassen zu können, wird eine Aussage über eine Sauerstoffkonzentration in einem Abgas des Verbrennungsprozesses benötigt.
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Die
DE 199 41 051 A1 beschreibt ein Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Analysieren eines Gases an einem heizbaren Element für eine Lambdasonde, ein entsprechendes Steuergerät und eine Vorrichtung zum Analysieren eines Gases gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei stabilen Umgebungsbedingungen beeinflusst eine Änderung einer Zusammensetzung eines Gases einen Wärmeübergang zwischen einem beheizten Objekt und dem Gas. Der Wärmeübergang für bekannte Zusammensetzungen des Gases bei bekannter Temperatur des Objekts kann empirisch als Referenz gemessen werden. Wenn eine aktuell von dem Gas aufgenommene Wärmemenge pro Zeiteinheit und die Temperatur des Objekts bekannt ist, kann auf die aktuelle Zusammensetzung rückgeschlossen werden.
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Es wird ein Verfahren zum Analysieren eines Gases an einem heizbaren Element für eine Lambdasonde vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einlesen eines Werts einer an das heizbare Element bereitgestellten Heizleistung zum Aufrechterhalten einer vorbestimmten Temperatur des heizbaren Elements; und
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Bestimmen einer Gaszusammensetzung des Gases an dem heizbaren Element unter Verwendung des Werts der Heizleistung.
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Ein heizbares Element kann dazu ausgebildet sein, elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Das heizbare Element kann einen elektrischen Leiter aufweisen, der einen elektrischen Widerstand aufweist. Das heizbare Element kann eine bekannte Fläche zur Wärmeabgabe aufweisen. Unter einer Heizleistung kann eine Leistung verstanden werden, die an das heizbare Element geleitet wird, um das heizbare Element zu erwärmen oder eine Temperatur des heizbaren Elements aufrecht zu halten. Die Heizleistung kann in Form von elektrischer Energie bereitgestellt werden. Die an das heizbare Element bereitgestellte Heizleistung kann von dem heizbaren Element an das Gas abgegeben werden. Die Heizleistung kann proportional zu einer, von dem Gas an dem heizbaren Element aufgenommenen Wärmeleistung sein. Eine vorgegebene Temperatur kann eine durch Versuche ermittelte Temperatur sein. Physikalische Größen des Gases können gegeben beziehungsweise bekannt sein. Beispielsweise kann eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases und alternativ oder ergänzend eine Temperatur des Gases bekannt sein. Beispielsweise kann eine feste Strömungsgeschwindigkeit durch eine Drossel gegeben sein, durch die das Gas geleitet werden kann..
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Im Schritt des Einlesens kann der Wert der Heizleistung eines in einem Verbrennungs-Abgas angeordneten heizbaren Elements eingelesen werden. Somit kann das Verfahren beispielsweise zum Analysieren eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Alternativ oder ergänzend kann im Schritt des Bestimmens als die Gaszusammensetzung ein Verbrennungsluftverhältnis des Gases bestimmt werden. Ein Verbrennungs-Abgas kann ein Abgas eines Verbrennungsmotors sein. Ein Verbrennungsluftverhältnis kann ein einen Überschuss oder einen Mangel an Sauerstoff, der für die Verbrennung erforderlich ist, charakterisieren. Wenn das Verbrennungsluftverhältnis ausgeglichen ist, können alle Reaktionspartner vollständig zu Reaktionsprodukten umgewandelt werden.
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Der Wert der Heizleistung kann unter Verwendung einer an dem heizbaren Element abfallenden elektrischen Spannung und eines elektrischen Stromflusses durch das heizbare Element ermittelt werden. Dies ermöglicht ein sehr einfaches Bestimmen des Wertes der Heizleistung.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens der Heizleistung für das heizbare Element aufweisen, wobei die Heizleistung bereitgestellt wird, bis ein Wert eines elektrischen Widerstands des heizbaren Elements innerhalb eines Toleranzbereichs um einen, der vorbestimmten Temperatur zugeordneten Sollwiderstand ist. Dabei kann es sich um einen Sollwiderstand des heizbaren Elements handeln. Der Schritt des Einlesens kann erfolgen, wenn der elektrische Widerstand innerhalb des Toleranzbereichs um den Sollwiderstand ist. Die Heizleistung kann veränderlich sein. Die Heizleistung kann mit dem Sollwiderstand als Führungsgröße geregelt werden. Der elektrische Widerstand kann als Regelgröße bezeichnet werden. Der elektrische Widerstand kann proportional zu einer Temperatur des beheizbaren Elements sein. Über den elektrischen Widerstand kann indirekt die Temperatur geregelt werden.
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Im Schritt des Einlesens kann ferner ein Wert einer Temperatur des Gases an dem heizbaren Element eingelesen werden. Die Gaszusammensetzung kann ferner unter Verwendung des Werts der Temperatur und eines Zusammenhangs zwischen der Temperatur und der Heizleistung bestimmt werden. Die Temperatur kann beispielsweise durch einen Temperatursensor gemessen werden. Die Temperatur kann unter Verwendung eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands des heizbaren Elements erfasst werden, wenn das Element unbeheizt ist. Dann können das Heizen und das Messen periodisch wechselnd erfolgen. Der Zusammenhang kann in einem Kennfeld hinterlegt sein. Der Zusammenhang kann in einer Formel abgebildet sein. Der Zusammenhang kann in Referenzmessungen ermittelt worden sein.
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Im Schritt des Einlesens kann ferner ein Wert einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases an dem heizbaren Element eingelesen werden. Die Gaszusammensetzung kann ferner unter Verwendung des Werts der Strömungsgeschwindigkeit und eines Zusammenhangs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Heizleistung bestimmt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit kann über einen Sensor erfasst werden. Der Zusammenhang kann in einem Kennfeld hinterlegt sein. Der Zusammenhang kann in einer Formel abgebildet sein. Der Zusammenhang kann in Referenzmessungen ermittelt worden sein.
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Die Strömungsgeschwindigkeit kann unter Verwendung eines Massestroms des Gases durch einen bekannten Strömungsquerschnitt ermittelt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit kann über strömungsmechanische Zusammenhänge proportional zu dem Massestrom sein. Der Massenstrom kann über einen Sensor erfasst werden.
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Es wird ein Steuergerät zum Analysieren eines Gases an einem heizbaren Element für eine Lambdasonde vorgestellt, wobei das Steuergerät die folgenden Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Einlesen eines Werts einer an das heizbare Element bereitgestellten Heizleistung zum Aufrechterhalten einer vorbestimmten Temperatur des heizbaren Elements; und
eine Einrichtung zum Bestimmen einer Gaszusammensetzung des Gases an dem heizbaren Element unter Verwendung des Werts der Heizleistung.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Analysieren eines Gases vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Lambdasonde mit einem heizbaren Element zum Anordnen in einem Abgasstrom; und
ein Steuergerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Analysieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Analysieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Lambdasonde 102 und ein Steuergerät 104 auf. Die Lambdasonde 104 weist ein heizbares Element 106 zum Anordnen in einem Abgasstrom 108 auf. Das heizbare Element 106 weist einen Mäander 110 aus einem elektrischen Leiter auf, der beispielhaft einen ohmschen Widerstand aufweist. Der Widerstand des elektrischen Leiters kann alternativ auch vom ohmschen Gesetz abweichen. Der Zusammenhang zwischen dem Widerstand und der Temperatur kann, aber muss nicht, linear mit der Temperatur sein. Der Mäander 110 ist dazu ausgebildet, das heizbare Element 106 flächig zu beheizen, wenn ein elektrischer Strom durch die Mäander fließt. Das heizbare Element 106 ist so angeordnet, dass der Abgasstrom 108 darüberfließen kann, um Wärme von dem heizbaren Element 106 aufzunehmen, also das heizbare Element 106 zu kühlen.
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Das Steuergerät 104 weist eine Einrichtung 112 zum Einlesen und eine Einrichtung 114 zum Bestimmen auf. Die Einrichtung 112 zum Einlesen ist dazu ausgebildet, einen Wert einer an das heizbare Element 106 bereitgestellten Heizleistung zum Aufrechterhalten einer vorbestimmten Temperatur des heizbaren Elements einzulesen. Dazu ist die Einrichtung 112 zum Einlesen mit einer elektrischen Anschlussleitung 116 des heizbaren Elements 106 verbunden. An der Anschlussleitung 116 kann die Einrichtung 112 zum Einlesen eine an dem heizbaren Element 106 abfallende elektrische Spannung und einen durch das heizbare Element 106 fließenden elektrischen Strom erfassen und daraus den Wert der Heizleistung zu ermitteln. Das Erfassen kann berührungslos erfolgen. Die Einrichtung 114 zum Bestimmen ist dazu ausgebildet, eine Gaszusammensetzung des Gases 108 an dem heizbaren Element 106 unter Verwendung des Werts der Heizleistung zu bestimmen. Das Steuergerät 104 kann auch in die Lambdasonde 102 integriert sein. Beispielsweise als integrierte Schaltung 104, die auf einem Chip der Lambdasonde 102 unter Verwendung von halbleitertechnischen Fertigungsverfahren angefertigt worden ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Lambdasonde 102 zur Messung eines Restsauerstoffanteils oder Defizits in einem Verbrennungsabgas 108 eingesetzt. In einer Lambdasonde 102 in Form einer Breitbandsonde wird dabei ein Strom in einer elektrochemischen Pumpzelle zur Bewertung des Gassignals genutzt. In einer Lambdasonde 102 in Form einer Sprungsonde 102 wird eine Zellspannung bewertet. Strom bzw. Spannung sind jeweils charakteristisch für den λ-Wert des Verbrennungsgases 108. Bei Breitbandsonden 102 ist ein großer Lambda-Bereich messbar, typischerweise zwischen λ = 0,8 und λ = 1,7 oder sogar größer. Bei Sprungsonden 102 ist der Messbereich im Bereich um λ = 1 mit hoher Genauigkeit messbar, bei deutlichen Abweichungen von Lambda = 1 wird nur bewertet, ob sich das Abgas 108 im Mageren (λ >1) oder im Fetten (λ < 1) befindet.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz können Informationen aus einem heizbaren Element 106 in Form eines Sondenheizers 106 zur Bewertung von Lambda in einem Verbrennungsgas 108 verwendet werden. Zusätzlich zum bisherigen Sondensignal kann eine Information aus dem Heizer 106 verwendet werden, um λ zu messen. Insbesondere bei Sprungsonden 102 kann dadurch der Messbereich erweitert werden.
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Bei den beschriebenen Sonden 102 wird die Temperatur des Sensorelements erzielt, indem der Heizer 106 so geregelt wird, dass sich am Elektrolyten der Lambdasonde 102 ein gezielter Widerstand einstellt und gehalten wird.
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Die erforderliche Heizerleistung (bzw. ein Strom und Spannung, aus jeweils zwei dieser Größen ergibt sich die Dritte), hängt direkt mit der Wärmeaufnahme des zu messenden Gases 108 ab. Die Wärmeaufnahme wiederum hängt von der Gaszusammensetzung ab. Die Gaszusammensetzung, also die prozentuale Zusammensetzung aus CO2, N2, Wasser, CO, H2, Sauerstoff, ... ist für die jeweilige Applikation charakteristisch. Bei jedem λ-Wert ist aber die Zusammensetzung des Gases 108 verschieden, und somit auch die Wärmeleitung. Deshalb bei einer gegebenen Applikation die Heizerleistung ein Maß für λ.
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Weitere Einflussgrößen auf die Heizerleistung können der Abgasmassestrom und die Abgastemperatur sein. Diese Information können durch weitere Sensoren oder sonstige Informationen aus dem Fahrzeug geliefert werden. Aus einem für die Applikation gemessenen Kennfeld kann wiederum λ ermittelt werden. Das Kennfeld kann einen Zusammenhang des Abgasmassestroms und/oder der Abgastemperatur mit λ und der Heizleistung repräsentieren.
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Der Aufbau der Lambdasonde 102 bleibt dabei unverändert. In der Auswerteschaltung 104 kann aber für das Heizersystem 106 die Leistung messbar sein, z. B. durch Messung von Strom und Spannung.
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Die Informationen können auch in einem Programmcode der Betriebssoftware der Auswertelektronik verwendet werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann für Gassensoren 102 zur Charakterisierung des Restsauerstoffanteils in Verbrennungsgasen, insbesondere mit der Funktion als Sprung-Lambda-Sonde 102 verwendet werden. Bei Breitbandsonden 102 kann z. B. bei sehr kleinen λ Werten außerhalb des Messbereichs der elektrochemischen Pumpzelle der Messbereich erweitert werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann sowohl für die aktuelle Generation von Sensoren 102 auf Basis der Dickschichttechnologie verwendet werden, als auch z. B. bei künftigen Generationen auf Basis von Dünnschichtionenleitern verwendet werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Analysieren eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann an einem heizbaren Element für eine Lambdasonde, wie sie in 1 dargestellt ist verwendet werden. Das Verfahren 200 kann auf einem Steuergerät, wie in 1 ausgeführt werden. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Einlesens und einen Schritt 204 des Bestimmens auf. Im Schritt 202 des Einlesens wird ein Wert einer an das heizbare Element bereitgestellten Heizleistung zum Aufrechterhalten einer vorbestimmten Temperatur des heizbaren Elements eingelesen. Im Schritt 204 des Bestimmens wird eine Gaszusammensetzung des Gases an dem heizbaren Element unter Verwendung des Werts der Heizleistung bestimmt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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