DE102013210859A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose einer Leckage in einer Abgassonde - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose einer Leckage in einer Abgassonde Download PDF

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Magnus Labbe
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Leckage in einer Abgassonde in einem Abgaskanal einer Verbrennungsanlage, wobei als Abgassonde ein Sondenaufbau mit einem Referenzvolumen, zumindest einer einem mit dem Abgaskanal verbundenen Elektrodenhohlraum zugewandten ersten Elektrode und einer dem Referenzvolumen zugewandten zweiten Elektrode verwendet wird, wobei zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine solch hohe elektrische Spannung angelegt wird, dass das Referenzvolumen infolge eines zwischen den Elektroden fließenden Pumpstromes IP mit Sauerstoff befüllt wird, und als Ausgangssignal der Abgassonde eine Sondenspannung zur Verfügung gestellt wird, die einer Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal entspricht. Erfindungsgemäß werden zur Diagnose Auswirkungen eines Wechsels einer Pumpleistung, hervorgerufen durch eine zeitliche Änderung des Pumpstromes IP, auf die Sondenspannung ausgewertet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit, zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, eine Diagnose einer Leckage, z.B. infolge eines Risses, innerhalb der Abgassonde vorzunehmen. Wird eine Leckage detektiert, ist es möglich die Auswirkung entweder zu kompensieren oder die Abgassonde im Rahmen der On-Board-Diagnose als fehlerhaft anzuzeigen. Damit kann verhindert werden, dass ansonsten intakte Komponenten einer Abgasreinigungsanlage ausgetauscht werden. Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens sieht dabei eine Diagnose von Lambda-Sonden vor, die im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine verbaut sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Leckage in einer Abgassonde in einem Abgaskanal einer Verbrennungsanlage, insbesondere einer Brennkraftmaschine oder Heizungsanlage, wobei als Abgassonde ein Sondenaufbau mit einem Referenzvolumen, zumindest einer einem mit dem Abgaskanal verbundenen Elektrodenhohlraum zugewandten ersten Elektrode und einer dem Referenzvolumen zugewandten zweiten Elektrode verwendet wird, wobei zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine solch hohe elektrische Spannung angelegt wird, dass das Referenzvolumen infolge eines zwischen den Elektroden fließenden Pumpstromes IP mit Sauerstoff befüllt wird, und als Ausgangssignal der Abgassonde eine Sondenspannung zur Verfügung gestellt wird, die einer Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal entspricht.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuer- und Auswerteeinheit, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Zur Reduktion der Emissionen in PKW mit Ottomotoren werden üblicherweise 3-Wege-Katalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgase konvertieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde gemessen. Das Speichervermögen einer derartigen Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass oxidierbare Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Eine der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde dient dabei z.B. der Überwachung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage und/ oder wird als Regelsonde genutzt, wobei durch einen Fehler die Regelung vertrimmt wird, was sich auf das Abgas auswirken kann. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit muss im Rahmen der On-Board-Diagnose (OBD) überwacht werden, da sie ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage darstellt. Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit wird entweder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Magerphase mit Sauerstoff belegt und anschließend in einer Fettphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge entleert oder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Fettphase von Sauerstoff entleert und anschließend in einer Magerphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge aufgefüllt. Die Magerphase wird beendet, wenn die der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde den Sauerstoff detektiert, der nicht mehr von der Abgasreinigungsanlage gespeichert werden kann. Ebenso wird eine Fettphase beendet, wenn die Abgassonde den Durchtritt von fettem Abgas detektiert. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage entspricht der während der Fettphase zur Entleerung zugeführten Menge an Reduktionsmittel bzw. der während der Magerphase zur Auffüllung zugeführten Menge an Sauerstoff. Die genauen Mengen werden aus dem Signal der vorgelagerten Abgassonde und dem aus anderen Sensorsignalen ermittelten Abgasmassenstrom berechnet.
  • Als Abgassonden werden in heutigen Motorsteuerungssystemen Lambdasonden eingesetzt. Abgassonden können beispielsweise als Breitband-Lambda-Sonden, Lambda-Sprungsonden, zweizellige Breitband-Lambda-Sonden oder als einzellige Grenzstromsonden ausgeführt sein. Eine Lambdasonde beruht auf einer galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt. Der Festkörperelektrolyt wird typischerweise bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 350° C für Sauerstoff-Ionen leitend. Die Nominaltemperatur der Sonde liegt in der Regel deutlich höher, typischerweise zwischen 650° C und 850° C. Die Temperatur, bei der die Lambdasonde betriebsbereit wird und die Anforderungen in einem Motorsteuerungssystem erfüllt, liegt zwischen der Aktivierungstemperatur und der Nominaltemperatur der Sonde. Eine Breitband-Lambdasonde nach dem Stand der Technik und deren Aufbau ist beispielsweise in der DE 10 2008 042 268 A1 beschrieben.
  • Die Funktionsweise derartiger Abgassonden basiert zum Teil auf dem Vergleich der Gaskonzentration der Abgasseite mit der Gaskonzentration in einem Referenzvolumen. Dabei kann das Referenzgas aus Sauerstoffionen aus dem Abgas gebildet werden, die durch ein positives elektrisches Potential der Referenzelektrode und dem daraus resultierenden Pumpstrom IP dorthin transportiert werden. Dies wird als „gepumpte Referenz“ bezeichnet. Der Pumpstrom IP kann verändert werden und die Änderung in einer Signalspannung detektiert werden, wodurch der Innenwiderstand der Keramik erfasst werden kann.
  • Bei diesen Sensoren kann es zu einer Leckage zwischen Abgasseite und Referenzvolumen kommen. Dies kann beispielsweise durch einen Riss im Keramikkörper der Abgassonde hervor gerufen sein. Diese Leckage kann wiederum zu einer Fehlmessung der Abgaszusammensetzung führen. Eine mögliche Folge einer derartigen Fehlmessung kann eine Verschlechterung der Abgasemissionen des Fahrzeuges sein, da die Regelung durch die Fehlmessung vertrimmt wird. Eine weitere mögliche Folge kann eine Fehldiagnose einer im Kraftfahrzeug verbauten Komponente sein, zu deren Diagnose das Signal der Abgassonde verwendet wird. Dies ist, wie bereits eingangs erwähnt, beim Katalysator innerhalb einer Abgasreinigungsanlage der Fall. Im konkreten Fall kann die Leckage zu einer Fehldiagnose des Katalysators und damit zum Austausch eines intakten Katalysators führen, während die tatsächlich fehlerhafte Komponente nicht ausgetauscht wird.
  • Aus der DE 10 2010 042 701 A1 ist ein Verfahren zur Vermessung und/oder Kalibrierung eines Gassensors bekannt. Beschrieben ist ein Sensor zur Messung von Stickoxiden mit mehreren, durch Diffusionsbarrieren getrennten Kammern, wobei in einer ersten Kammer Sauerstoff aus dem eindiffundierenden Abgas entfernt wird und in einer zweiten Kammer Stickoxid in Sauerstoff und Stickstoff umgewandelt, der Sauerstoff abgepumpt und aus dem Pumpstrom die Stickoxidmenge bestimmt wird. Zur Vermessung oder Kalibrierung des Sensors wird Sauerstoff oder Stickoxid aus einer der Kammern entfernt, anschließend wird Sauerstoff in eine der Kammern gezielt eingepumpt. Durch Messung der sich zwischen den verschiedenen Elektroden ausbildenden Potentiale können dabei Rückschlüsse, beispielsweise auf die Diffusionseigenschaften der Diffusionsbarrieren gezogen und der Sensor nachkalibriert werden. Dafür wird auch hier Sauerstoff gezielt in die Kammern gepumpt. Das Verfahren beschreibt jedoch nicht die Erkennung eines Bruchs der Sensorkeramik nach einer Variation der Pumpleistung und einer Auswertung des sich einstellenden Sensorsignals.
  • Die Schrift DE 10 2004 025 244 A1 hingegen beschreibt ein Verfahren zum Prüfen der Elektrodengüte einer Lambdasonde auf Basis einer Bestimmung des Innenwiderstandes der Lambdasonde. Dazu wird der Innenwiderstand lastfrei und in einem elektrisch belasteten Zustand gemessen. Bei Lambdasonden mit gepumpter Referenz und einem entsprechenden Referenzvolumen genügt der Sauerstoffvorrat nicht, um eine ausreichend lange Messzeit im belasteten Zustand zu gewährleisten. Entsprechend dieser Schrift ist es daher vorgesehen, das Referenzvolumen vor der Messung mit Sauerstoff aufzuladen und so genügend Sauerstoff für die Messung bereitzustellen. Das Verfahren ermöglicht auch die Erkennung von Rissen in der Sondenkeramik. Da bei einem Riss der durch das Aufpumpen erzeugte Sauerstoffpartialdruck schnell entweicht, ist für die Messung unter Last nicht genügend Sauerstoff vorhanden, was sich in einem auswertbaren Anstieg des gemessenen Innenwiderstandes auf untypische Werte von mehreren kΩ zeigt. Das Verfahren ermöglicht somit auch die Erkennung eines Risses in der Keramik eines Abgassensors. Allerdings handelt es sich dabei um ein zur vorliegenden Erfindung alternatives Verfahren.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine Leckage innerhalb einer Abgassonde zu erkennen, um geeignete Gegenmaßnahmen einleiten zu können oder diesen Fehler zumindest anzuzeigen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zur Diagnose Auswirkungen eines Wechsels einer Pumpleistung, hervorgerufen durch eine zeitliche Änderung des Pumpstromes IP, auf die Sondenspannung ausgewertet werden. Fehler in der Abgassonde, wie beispielsweise ein Riss im Grundkörper der Abgassonde, was zu einer Leckage zwischen Abgasseite der Abgassonde und dem Referenzvolumen innerhalb der Abgassonde führt, können damit frühzeitig erkannt werden. Man bedient sich hierbei des Wirkmechanismusses, dass bei einer Leckage es zu einem Konzentrationsausgleich zwischen Abgasseite und Referenzvolumen kommt, wobei bei Abgassonden mit gepumpter Referenz dieser Konzentrationsausgleich dem Pumpstrom lP entgegen wirkt. Bei gleichbleibender Abgaszusammensetzung führt eine konstante Pumpleistung zu einem Gleichgewicht und damit zu einer konstanten Konzentrationsdifferenz zwischen Abgasseite und Referenzvolumen. Eine Änderung der Pumpleistung führt zu einem Verlassen des Gleichgewichtszustandes und damit zur Änderung der Konzentrationsdifferenz zwischen Abgasseite und Referenzvolumen. Ohne Leckage ist das Referenzvolumen gesättigt, so dass eine Änderung des Pumpstromes lP zu keiner nennenswerten Änderung des Konzentrationsverhältnisses und damit des Ausgangssignals der Abgassonde führt. Werden daher nach einer entsprechenden Anregung, d.h. nach einem kurzzeitigen Pumpleistungswechsel, entsprechende nennenswerte Änderungen beim Ausgangssignal detektiert, kann von einem Leck ausgegangen werden.
  • Eine vorteilhafte Verfahrensvariante sieht daher vor, dass die Auswertung an einer Flanke eines Pumpleistungswechsels erfolgt und dass das zeitlich Verhalten der Sondenspannung direkt nach einem solchen Pumpleistungswechsel ausgewertet wird.
  • In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird eine Diagnose einer Leckage mittels Auswertung des Signalverlaufs der Sondenspannung hinsichtlich Gradientenwerte und/ oder absoluter Signalhöhen und Vergleich mit applizierbaren Grenzwerten durchgeführt. Hohe auftretende Gradienten können darauf hindeuten, dass ein Sättigungszustand, wie bei einer intakten Abgassonde zu erwarten wäre, infolge einer Leckage nicht erreicht ist. Weiterhin kann durch den Vergleich der Signalhöhe beim zeitlichen Verlauf der Sondenspannung nach erfolgter Anregung mit vorgebbaren Grenzwerten Aufschluss über die Funktionsfähigkeit der Abgassonde bieten. Dabei kann beispielsweise der zeitliche Verlauf der Sondenspannung mit gespeicherten Spannungsverläufen einer intakten Abgassonde verglichen werden, die beispielsweise in Form von gespeicherten Kennlinien oder Kennfeldern vorliegen. Liegt die gemessene Abweichung innerhalb bestimmter Grenzen, gilt die Abgassonde als intakt. Liegen die gemessenen Verläufe außerhalb dieser Grenzen, wird eine defekte Abgassonde diagnostiziert.
  • Ein alternatives Auswerteverfahren, welches aber ebenfalls den zuvor beschriebenen physikalischen Effekt des Konzentrationsausgleichs nutzt, sieht vor, dass längerfristig eine Änderung der Sondenspannung bei geänderter mittlerer Pumpleistung bewertet wird. Bei intakter Abgassonde wäre beispielsweise eine Änderung der Sondenspannung bei erhöhter Pumpleistung infolge des Sättigungseffektes eher gering. Bei einer Abgassonde, die eine Leckage aufweist, würde sich mit der Änderung der mittleren Pumpleistung eine erhöhte Änderung der Sondenspannung einstellen.
  • Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass der Pumpleistungswechsel aktiv in bestimmten Zeitabständen, d.h. periodisch, eingeleitet wird und direkt nach dem Pumpleistungswechsel die Auswirkung auf die Sondenspannung beobachtet wird. Eine Wiederholung dieser Wechsel und eine wiederholte Auswertung der zeitlichen Verläufe der Sondenspannung haben dabei den Vorteil, dass kurzzeitige bzw. nur einmal auftretende Abweichungen zu den Referenzverläufen als Messfehler erkannt werden können. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass passiv eine sich einstellende Änderung der Pumpleistung ausgewertet wird, und eine Überschreitung einer zuvor applizierbaren Schwelle für die Pumpleistung als Leckage identifiziert wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine diagnostizierte Leckage der Abgassonde zur Kompensation der Auswirkung einer solchen Leckage und/ oder zur On-Board-Diagnose (OBD) der Abgassonde verwendet wird. So können beispielsweise kleiner Leckagen, erkennbar an eher kleineren Signaländerungen bei der Sondenspannung, noch toleriert werden und entsprechende Offsets bei der On-Board-Diagnose eingestellt werden, so dass diese kleinen Abweichungen weiter folgenden Diagnoseschritten berücksichtigt werden können. Übersteigt die diagnostizierte Leckage einen bestimmten Grenzwert, kann im Rahmen der OBD diese Abgassonde als fehlerhaft eingestuft werden und entsprechende Fehlereinträge im Fehlerspeicher einer übergeordneten Motorsteuerung erfolgen.
  • Eine besonders bevorzugte Anwendung des Verfahrens mit seinen zuvor beschriebenen Varianten sieht eine Diagnose von Lambda-Sonden oder anderen Gaskonzentrationssensoren, bei denen mittels eines Pumpstroms IP eine Referenzgaskonzentration eingestellt wird, vor, wobei diese Teil einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine sind. Als Lambda-Sonden können beispielsweise Breitband-Lambda-Sonden, Lambda-Sprungsonden, zweizellige Breitband-Lambda-Sonden oder als einzellige Grenzstromsonden Verwendung finden. Ebenso können andere Gaskonzentrationssensoren, beispielsweise Stickoxid-Sensoren, verwendet werden. Hierzu können das erfindungsgemäße Verfahren sowie dazu benötigte Steuer- und Auswerteeinheiten auf konstruktive Unterschiede der Abgassonden bei Bedarf angepasst werden, ohne jedoch den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Ist eine Leckage infolge eines Risses erkannt, ist es möglich seine Auswirkungen entweder zu kompensieren, falls die Leckage noch tolerierbar ist, oder den Abgassensor im Rahmen der OBD als fehlerhaft anzuzeigen. Die Gefahr des ungerechtfertigten Austauschs einer eigentlich intakten Komponente der Abgasreinigungsanlage, z. B. eines Katalysators, wird damit minimiert.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Abgassonde mit einer Steuer- und Auswerteeinheit verbunden ist, die eine Beaufschlagung der Abgassonde mit Spannungs- und Stromsignalen und eine Auswertung von Spannungs- und Stromsignalen ermöglicht, wobei die Steuerund Auswerteeinheit Einrichtungen, wie Komparatoren und/ oder Kennlinienbzw. Kennfeldspeicher zur Durchführung des Verfahrens mit mindestens einer der zuvor beschriebenen Varianten aufweist und mit der zumindest zeitweise ein Pumpleistungswechsel einleitbar ist. Die Funktionalität kann dabei softwarebasiert ausgeführt sein und kann als integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung oder einer separaten Diagnoseeinheit ausgeführt sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Verbrennungsanlage als Brennkraftmaschine, z.B. als Otto-Motor, oder als Heizungsanlage ausgeführt, wobei die Abgassonde im Abgaskanal der Heizungsanlage verbaut sein kann und zur Regelung der Heizungsanlage dient.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine einzellige Abgassonde in einer schematischen Darstellung und
  • 2 in einem Verlaufsdiagramm den zeitlichen Verlauf einer Sondenspannung der Abgassonde.
  • 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eine einzellige Abgassonde 10 mit einem Grundkörper 13 und einem Gaseinlass 12, der zu einem Abgaskanal einer – hier nicht dargestellten – Brennkraftmaschine hin geöffnet ist. Die Abgassonde 10 dient als Lambda-Sonde zur Bestimmung der Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs. Der Grundkörper 13 ist aus einem Festelektrolyten, beispielhaft aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, gefertigt, das bei Betriebstemperatur ionenleitend ist und mit einer geeigneten Anordnung von Elektroden und Gas-Zuführungen zur Bestimmung einer Konzentration bestimmter Komponenten einer Gas-Zusammensetzung geeignet ist.
  • Abgas 11 aus dem Abgaskanal tritt über den Gaseinlass 12 durch eine Diffusionsbarriere 14 in einen Elektrodenhohlraum 15. Die Diffusionsbarriere 14 ist ein poröses Element, welches ein Nachströmen von Gas aus dem Gaseinlass 12 in den Elektrodenhohlraum 15 oder in umgekehrter Richtung zumindest weitgehend verhindert und lediglich einen Diffusionstransport ermöglicht. In dem Elektrodenhohlraum 15 ist ein Teil der Wandung des Grundkörpers 13 mit einer ersten Elektrode 16 belegt, die über eine zweite Zuleitung 21 nach außen geführt ist. Der Grundkörper 13 weist weiterhin einen Referenzgaskanal 18 auf, der mit einem porösen, gasdurchlässigen Medium ausgefüllt ist und dessen Wandung teilweise mit einer zweiten Elektrode 17 belegt ist. Die zweite Elektrode 17 ist über eine erste Zuleitung 20 nach außen geführt. Die erste Elektrode 16 wird auch als innere Pumpelektrode (IPE) bezeichnet. Der Referenzgaskanal 18 wird auch als Abluftkanal (ALK), die zweite Elektrode 17 auch als Abluftelektrode (ALE) bezeichnet. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 17 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren des als Schichtaufbau ausgeführten Grundkörpers 13 angeordnet. Die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 17 und der dazwischen liegende Festelektrolyt des Grundkörpers 13 bilden gemeinsam eine Pumpzelle.
  • Weiterhin umfasst die Abgassonde 10 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 24 mit einer Isolierschicht 25, welche das Heizelement 24 umgibt und bei Betriebstemperatur einen elektrischen Kontakt zu anderen Komponenten in der Abgas-Sonde 10 verhindert. Das Heizelement 24 wird über eine erste Heizleitung 22 und eine zweite Heizleitung 23 mit Betriebsspannung versorgt. Die Betriebsspannung wird von einer zugeordneten Steuerung derart geregelt, dass sich ein vorgegebener Innenwiderstand der Pumpzelle einstellt. In der Steuerung der Brennkraftmaschine werden auch die elektrischen Spannungen an der ersten und zweiten Elektrode 16, 17 vorgegeben oder bestimmt und die Ströme in der ersten und zweiten Zuleitung 20, 21 vorgegeben oder bestimmt. Die Innenpumpelektrode oder erste Elektrode 16, welche mit Abgas beaufschlagt ist, ist an eine virtuelle Masse der Steuerung angeschlossen. Diese virtuelle Masse legt die erste Elektrode 16 auf ein konstantes Elektrodenpotenzial relativ zu einer elektrischen Masse. Die zweite Elektrode 17 oder Abluftelektrode hingegen liegt auf einem variablen Potenzial. Über eine Pumpspannungsquelle wird mittels einer Strommessvorrichtung, beispielhaft mittels eines Messwiderstands, ein Pumpstrom lP durch die Pumpzelle bestimmt. Bei üblichen Schaltungen erfolgt dies derart, dass über eine Einspeisung an einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers eine Pumpspannung UP der Pumpspannungsquelle geregelt wird, um bei einer Messung an Luft eine höhere Pumpspannung von 900 mV, bei Fettgas hingegen eine kleinere Pumpspannung UP von 200 mV einzustellen. Zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 17 stellt sich eine von der Zusammensetzung des Abgases abhängige Nernst-Spannung UN ein.
  • Tritt nun eine Leckage im Grundkörper 13 der Abgassonde 10 auf, was z.B. durch einen Riss entstanden sein kann, führt dies zu einem Konzentrationsausgleich zwischen Abgasseite und Referenzvolumen im Referenzgaskanal 18. Bei Abgassonden mit gepumpter Referenz wirkt der Konzentrationsausgleich dem Pumpstrom lP entgegen. Bei gleichbleibender Abgaszusammensetzung führt eine konstante Pumpleistung zu einem Gleichgewicht und damit zu einer konstanten Konzentrationsdifferenz zwischen Abgasseite und Referenzvolumen. Eine Änderung der Pumpleistung führt zu einem Verlassen des Gleichgewichtszustandes und damit zur Änderung der Konzentrationsdifferenz zwischen Abgasseite und Referenzvolumen. Ohne Leckage ist das Referenzvolumen gesättigt, so dass eine Änderung des Pumpstromes lP zu keiner nennenswerten Änderung des Konzentrationsverhältnisses und damit des Ausgangssignals der Abgassonde 10 führt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose möglicher Leckagen sieht vor, dass anhand der Auswirkungen eines Wechsels der Pumpleistung auf das Sensorsignal auf ein Leckage geschlossen wird. Dabei kann die Auswertung an einer Flanke der Umstellung erfolgen oder längerfristig die Änderung des Sensorsignals bei geänderter mittlerer Pumpleistung bewertet werden.
  • 2 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit zur Detektion einer möglichen Leckage innerhalb der Abgassonde 10. Dargestellt ist in einem Verlaufsdiagramm 30 der Verlauf einer Sondenspannung 31 einer Zweipunkt-Lambdasonde über die Zeit 32. Durch eine periodisch initiierte kurzzeitige Pumpleistungserhöhung 33 wird im gezeigten Beispiel der Abklingbereich 34 nach der Pumpleistungserhöhung 33, d.h. nach erfolgter Reduktion der Pumpleistung auf das ursprüngliche Niveau ausgewertet. Im gezeigten Beispiel führt eine Leckage innerhalb der Abgassonde 10 zu einem schnellen Abfall der Sondenspannung 31 nach der Pumpleistungserhöhung 33. Eine Abgassonde 10 ohne Leckage würde infolge der zuvor beschriebenen Sättigung bei intakter Abgassonde 10 zu nur sehr geringen Schwankungen bei der Sondenspannung 31 führen. Mittels Auswertung der Signalverläufe hinsichtlich Gradientenwerte und/ oder absoluter Signalhöhen und Vergleich mit applizierbaren Grenzwerten kann über den zeitlichen Verlauf der Sondenspannung 31 eine Diagnose der Abgassonde 10 realisiert werden.
  • Die Funktionalität des Diagnoseverfahrens kann innerhalb einer übergeordneten Motorsteuereinheit oder in einer separaten Diagnoseeinheit softwarebasiert implementiert sein, wobei mit entsprechenden Komparatoren der zeitliche Verlauf der Sondenspannung 31 bzw. der Gradient der Sondenspannung 31 nach der Pumpleistungserhöhung 33 hinsichtlich der Signalhöhen überwacht oder der Signalverlauf mittels gespeicherter Kennlinien bzw. Kennfeldern vergleichen und bei Abweichungen ein Fehlereintrag („Abgassonde defekt“) im Speicher der übergeordneten Motorsteuerung erfolgen kann oder entsprechende Kompensationsmaßnahmen eingeleitet werden können, um die Auswirkung eines solchen Fehlers zu minimieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008042268 A1 [0004]
    • DE 102010042701 A1 [0007]
    • DE 102004025244 A1 [0008]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Diagnose einer Leckage in einer Abgassonde (10) in einem Abgaskanal einer Verbrennungsanlage, wobei als Abgassonde (10) ein Sondenaufbau mit einem Referenzvolumen, zumindest einer einem mit dem Abgaskanal verbundenen Elektrodenhohlraum (15) zugewandten ersten Elektrode (16) und einer dem Referenzvolumen zugewandten zweiten Elektrode (17) verwendet wird, wobei zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode (16) und der zweiten Elektrode (17) eine solch hohe elektrische Spannung angelegt wird, dass das Referenzvolumen infolge eines zwischen den Elektroden (16, 17) fließenden Pumpstromes IP mit Sauerstoff befüllt wird, und als Ausgangssignal der Abgassonde (10) eine Sondenspannung (31) zur Verfügung gestellt wird, die einer Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose Auswirkungen eines Wechsels einer Pumpleistung, hervorgerufen durch eine zeitliche Änderung des Pumpstromes IP, auf die Sondenspannung (31) ausgewertet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung an einer Flanke eines Pumpleistungswechsels erfolgt und dass das zeitliche Verhalten der Sondenspannung (31) direkt nach einem solchen Pumpleistungswechsel ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diagnose einer Leckage mittels Auswertung des Signalverlaufs der Sondenspannung (31) hinsichtlich Gradientenwerte und/ oder absoluter Signalhöhen und Vergleich mit applizierbaren Grenzwerten durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass längerfristig eine Änderung der Sondenspannung (31) bei geänderter mittlerer Pumpleistung bewertet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpleistungswechsel aktiv in bestimmten Zeitabständen eingeleitet oder passiv eine sich einstellende Änderung der Pumpleistung ausgewertet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach den Ansprüchen 1 bis 5 diagnostizierte Leckage der Abgassonde (10) zur Kompensation der Auswirkung einer solchen Leckage und/ oder zur On-Board-Diagnose der Abgassonde (10) verwendet wird.
  7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Diagnose von Lambda-Sonden oder anderen Gaskonzentrationssensoren, bei denen mittels eines Pumpstroms IP eine Referenzgaskonzentration eingestellt wird, die Teil einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine sind.
  8. Vorrichtung zur Diagnose einer Leckage in einer Abgassonde (10) in einem Abgaskanal einer Verbrennungsanlage, wobei die Abgassonde (10) einen Sondenaufbau mit einem Referenzvolumen, zumindest einer einem mit dem Abgaskanal verbundenen Elektrodenhohlraum (15) zugewandten ersten Elektrode (16) und einer dem Referenzvolumen zugewandten zweiten Elektrode (17) aufweist, wobei zumindest zeitweise zwischen der ersten Elektrode (16) und der zweiten Elektrode (17) eine solch hohe elektrische Spannung anlegbar ist, dass das Referenzvolumen infolge eines zwischen den Elektroden (16, 17) fließenden Pumpstromes IP mit Sauerstoff befüllbar ist, und als Ausgangssignal der Abgassonde (10) eine Sondenspannung (31) zur Verfügung steht, die einer Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal entspricht, wobei die Abgassonde (10) mit einer Steuer- und Auswerteeinheit verbunden ist, die eine Beaufschlagung der Abgassonde (10) mit Spannungs- und Stromsignalen und eine Auswertung von Spannungs- und Stromsignalen ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit Einrichtungen, wie Komparatoren und/ oder Kennlinienbzw. Kennfeldspeicher zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 aufweist und mit der zumindest zeitweise ein Pumpleistungswechsel einleitbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsanlage als Brennkraftmaschine oder Heizungsanlage ausgeführt ist.
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