DE102013217956A1

DE102013217956A1 - Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors

Info

Publication number: DE102013217956A1
Application number: DE102013217956.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ante; Andreas Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-12
Also published as: WO2015032814A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors, wobei der Sauerstoffsensor ein Heizelement aufweist. Um ein eine Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors zu schaffen, durch dass der Sauerstoffsensor vor Verschmutzungen geschützt wird, wird der Sauerstoffsensor (6) nach dem abschalten der Brennkraftmaschine (1) mit dem Heizelement (12) derart geheizt, dass die Temperatur (T) des Sauerstoffsensors (6) für einen vorbestimmten Zeitraum über der Temperatur (T) des Luftansaugtraktes (2) im Bereich (B) um den Sauerstoffsensor (6) und über der Temperatur (T) des Gase im Luftansaugtrakt (6) in der Umgebung des Sauerstoffsensors (6) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors, wobei der Sauerstoffsensor ein Heizelement aufweist.
Sauerstoffsensoren im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen, sowohl bei Ottomotoren als auch bei Dieselmotoren, dienen der Erfassung der Abgasführungsrate, wenn derartige Brennkraftmaschinen mit entsprechenden Einrichtungen zur Rückführung des Abgases vom Abgastrakt in den Luftansaugtrakt versehen sind. Ohne Abgasrückführung beträgt der O₂-Gehalt in der Ansaugluft etwa 21% und sinkt mit zunehmendem Anteil der Abgasrückführung. Als Sauerstoffsensoren kann man beispielsweise herkömmliche lineare Lambdasonden verwenden. Einer der Nachteile dieser Sonden ist, dass sie extrem empfindlich auf Wasserschlag reagieren, indem sie brechen. Sauerstoffsensoren, die an die Lambdasonden-Technologie angelehnt sind, bestehen aus einer mehrlagigen Keramik mit mindestens einem Loch darin, durch das der Sauerstoff in die Messkammer gelangt. Wenn nunmehr ein Tropfen Wasser auf den Sensor trifft, dehnt sich die getroffene Schicht aus und beansprucht die anderen Schichten auf Zug. Ferner kann das Wasser auch durch Kapillarwirkung in den Messkammerspalt eindringen. Beide Effekte können letztendlich zu einer Zerstörung des Sauerstoffsensors führen. Der Einsatz von derartigen herkömmlichen Lambdasonden als Sauerstoffsensoren im Ansaugtrakt ist daher mit Schwierigkeiten verbunden. Aber auch andere Verunreinigungen in der Luft im Ansaugtrakt können den Sauerstoffsensor beschädigen. Öltröpfchen beispielweise können auf den Sensor gelangen, wenn die Brennkraftmaschine sehr heiß ist und dann abgestellt wird, weil sich die hohen Temperaturen der Brennkraftmaschine in den Ansaugtrakt ausdehnen und dabei die genannten Verschmutzungen hin zum Sauerstoffsensor befördern.
Um solche Sauerstoffsensoren vor Verschmutzungen zu schützen hat man sie mit diversen Schutzkappen versehen, wodurch das Eindringen von Verschmutzungen verhindert werden soll. Diese Maßnahmen sind jedoch aufwendig und im Hinblick auf einen optimalen Betrieb der Sauerstoffsensoren nachteilig, da man ein schnelles Ansprechen des Sauerstoffsensors und eine schnelle Messbereitschaft desselben benötigt und daher Schutzkappen eher nachteilig sind.
Moderne Brennkraftmaschinen sind mit einem Ladeluftkühler im Luftansaugtrakt versehen. Der beste Ort für die Anordnung des Sauerstoffsensors zur Erfassung der Abgasrückführrate ist dabei ein Ort nach dem Ladeluftkühler (in Luftansaugrichtung), und zwar so nah wie möglich am Motoreinlass, um eine korrekte Messung durchzuführen. Es gibt zwei Abgasrückführungstypen, nämlich eine Niederdruck-Abgasrückführung und eine Hochdruck-Abgasrückführung, die in Zukunft vermutlich beide zur Anwendung kommen werden. Die Abgasrückführleitung bei der Hochdruck-Abgasrückführung mündet nach dem Ladeluftkühler in den Luftansaugtrakt. Die herkömmlichen Sauerstoffsensoren, d. h. die verwendeten Lambdasonden, können jedoch aufgrund des permanenten Wasserschlages nicht hinter dem Ladeluftkühler platziert werden, sondern müssen davor platziert werden. Dies hat mehrere Nachteile, wie eine falsche Druckkorrektur aufgrund des veränderlichen Druckabfalls im Ladeluftkühler, oder die Tatsache, dass die Hochdruck-Abgasrückführung nicht miterfasst wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors zu schaffen, durch dass der Sauerstoffsensor vor Verschmutzungen geschützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors nach dem unabhängigen Anspruch gelöst.
Dadurch, dass der Sauerstoffsensor nach dem abschalten der Brennkraftmaschine mit dem Heizelement derart geheizt wird, dass die Temperatur des Sauerstoffsensors für einen vorgegebenen Zeitraum über der Temperatur des Ansaugtraktes im Bereich um den Sauerstoffsensor und über der Temperatur des Gase im Ansaugtrakt in der Umgebung des Sauerstoffsensors liegt, können keine Verschmutzungen bis zu dem Sauerstoffsensor vordringen. Hierdurch wird die Lebensdauer des Sauerstoffsensors wesentlich verlängert. Durch das Heizen des Sauerstoffsensors über einen vorgegebenen Zeitraum auf eine Temperatur über der Temperatur des Gase im Ansaugtrakt in der Umgebung des Sauerstoffsensors, kann eine Annäherung der Temperatur des Sauerstoffsensors von hohen Temperaturen an die momentane Temperatur des Gases in der Umgebung des Sauerstoffsensors erfolgen, wodurch erst nach einem vorgegebenen Zeitraum die Temperatur das Sauerstoffsensors auf die Temperatur des Gase im Ansaugtrakt in der Umgebung des Sauerstoffsensors abfällt. Wichtig ist dabei, dass die Temperatur des Sauerstoffsensors nicht unter die Temperatur des Gase im Ansaugtrakt in der Umgebung des Sauerstoffsensors fällt, da dann eine Kontamination des Sauerstoffsensors mit Verschmutzungen aus dem Gas im Ansaugtrakt möglich wäre.
Wenn sich der Bereich um den Sauerstoffsensor im Ansaugtrakt bis zu 150 mm vor und nach dem Sauerstoffsensor erstreckt, ist ein ausreichender Sicherheitsabstand zu den eventuell verunreinigten Bestandteilen des Ansaugtraktes geschaffen.
Der Sauerstoffsensor kann als Lambda Sonde ausgebildet sein. Diese Bauteile sind in ihrer Wirkungsweise gut bekannt und über viele Jahre in der Automobilindustrie erprobt.
Mit dem auf erfindungsgemäße Weise angeordneten Sauerstoffsensor wird die volle Funktionalität einer Lambdasonde im Magerbetrieb ohne Mehrschichtaufbau und Diffusionsloch zur Messkammer realisiert. Damit wird es möglich, dass der eingesetzte Sauerstoffsensor beispielsweise nicht aus HTCC (High Temperature Cofired Ceramic) besteht, sondern aus einem monolithischen Block aus YSC (Yttrium Stabilized Zirconia). Durch die Ausbildung des Sensors in der Form eines monolithischen Blocks werden die Nachteile einer Mehrschichtstruktur in Bezug auf das Eindringen von Wasser im feuchten Arbeitsbereich vermieden. Entsprechende Vorteile werden erreicht, da kein zu einer Messkammer führendes Diffusionsloch Verwendung findet. Der Sauerstoffsensor kann nach dem Ladeluftkühler, d. h. möglichst nah am Motoreinlass, angeordnet sein, so dass trotz der vorhandenen Feuchtigkeit eine störungsfreie und genaue Messung des Sauerstoffgehaltes möglich ist.
Vorzugsweise befindet sich auf der einen Seite des monolithischen Blocks eine Heizung, während auf der anderen Seite desselben die eigentliche Messstruktur angeordnet ist. Bei der Messstruktur handelt es sich vorzugsweise um eine Interdigitalelektrode. Der erfindungsgemäß ausgebildete Sauerstoffsensor weist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine mit einer Diffusionsschicht bedeckte Kathode auf, wobei Sauerstoff von der mit der Diffusionsschicht bedeckten Kathode zur Anode gepumpt wird. Dabei ist der Sauerstoffsensor vorzugsweise für einen Sauerstoff-Pumpbetrieb im Grenzstrombetrieb oder auf Nernst-geregelte Weise ausgebildet. Die Nernst-Regelung erfolgt dabei vorzugsweise nicht parallel, wie bei herkömmlichen Lambdasonden, sondern seriell, so dass sich auf diese Weise eine Referenzkammer mit ungewünschten Kavitäten vermeiden lässt.
Ferner ist der erfindungsgemäß ausgebildete Sauerstoffsensor vorzugsweise für einen Sauerstoff-Pumpbetrieb in einer Ebene ausgebildet, so dass mit einer robusten Monolayer-Struktur gearbeitet werden kann, was sich in der Verwendung des monolithischen Blocks aus yttriumstabilisierter Zirkondioxidkeramik manifestiert. Es wäre bei dem Sauerstoffsensor nach dieser Ausführung der Erfindung nicht erforderlich, Sauerstoff von einer Ebene in die andere zu pumpen, was die bereits erwähnte High Temperature Cofired Ceramic (HTCC) mit Kavität erforderlich macht.
Vorzugsweise ist der Sauerstoffsensor zwischen der Mündungsstelle der Abgasrückführleitung und dem Motoreinlass angeordnet.
In dieser Position, die sich in Luftansaugrichtung nach der Mündungsstelle der Abgasrückführleitung befindet, kann der Sauerstoffsensor die Abgasrückführungsrate einwandfrei erfassen.
Obwohl der nach dem erfinderischen Verfahren betriebene Sauerstoffsensor gut gegen Feuchtigkeit und Verschmutzungen geschützt ist, kann er natürlich mit weiteren Schutzmaßnahmen ausgestattet sein. So kann er beispielsweise zusätzlich eine Kappe aufweisen, um insbesondere die Messstruktur des Sensors zu schützen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Sauerstoffsensor im Ansaugtrakt,
2 ein Temperatur T – Zeit t – Diagramm,
3 ein weiteres Temperatur T – Zeit t – Diagramm,
4 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines Sauerstoffsensors.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 in einer schematischen Darstellung. Die Brennkraftmaschine 1 besitzt einen Motorblock 20 mit einem Luftansaugtrakt 2 und einem Abgastrakt 3. Im Luftansaugtrakt 2 befindet sich ein Ladeluftkühler 5. Über eine Abgasrückführleitung 4 wird Abgas aus dem Abgastrakt 3 in den Luftansaugtrakt 2 eingeführt. Die Abgasrückführleitung 4 mündet hierbei in Luftansaugrichtung vor dem Ladeluftkühler 5 in den Luftansaugtrakt 2. In der Abgasrückführleitung 4 ist ein Abgasrückführventil 21 zu erkennen, mit dem die Menge des dem Ansaugtrakt 3 zugeführten Abgases beeinflusst werden kann. Die Menge des dem Ansaugtrakt 3 zugeführten Abgases wir auch als Abgasrückführungsrate bezeichnet. Diese kann mit einem mit dem Abgasrückführventil 21 elektrisch verbundenen Steuergerät 22 gesteuert werden.
Um die Abgasrückführungsrate zu erfassen, befindet sich im Luftansaugtrakt 2 ein Sauerstoffsensor 6, der zwischen der Mündungsstelle der Abgasrückführleitung 4 und dem Motoreinlass im Luftansaugtrakt 2 angeordnet ist. Mit dem Sauerstoffsensor 6 wird die Sauerstoffkonzentration im angesaugten Luftstrom gemessen, die als Maß für die Abgasrückführungsrate verwendet werden kann. Der Sauerstoffsensor 6 liefert seine Messergebnisse an das Steuergerät 22 und ist dazu mit dem Steuergerät 22 elektrisch verbunden. Zudem ist in 1 im Luftansaugtrakt 2 ein Temperatursensor 23 zu erkennen, der im Bereich B um den Sauerstoffsensor 6 im Luftansaugtrakt 2 angeordnet ist. Dieser Bereich B erstreckt sich vorteilhafter Weise bis zu 150 mm vor und hinter dem Sauerstoffsensor 6 im Luftansaugtrakt 2.
Moderne Brennkraftmaschinen 1 können zudem einen Abgasturbolader 24 aufweisen, der die im Abgasstrom vorhandene kinetische Energie in mechanische Rotationsenergie umsetzt und damit Frischluft in den Luftansaugtrakt 2 pumpen kann. Zudem ist in 1 im Ansaugtrakt 2 ein Luftfilter 25 zu erkennen, durch den die Außenluft angesaugt und dabei vorgereinigt wird. Am Ende des Abgastraktes 3 ist ein Schalldämpfer 26 zu erkennen, der die Geräuschemission der Brennkraftmaschine 1 minimiert.
In 2 ist ein Temperatur T – Zeit t – Diagramm dargestellt, bei dem die Temperaturen T des Sauerstoffsensors 6 mit der Funktion S, die Temperatur T im Abgastrakt 3 mit der Funktion A und die Temperatur T der Umgebungsluft mit der Funktion U dargestellt sind. Die Umgebungsluft um die Brennkraftmaschine 1 behält eine konstante Temperatur T bei, was mit der steigungslosen Funktion U dargestellt wird. Im Luftansaugtrakt 2 herrscht während des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 eine konstante Temperatur T, die weit über der Umgebungstemperatur U aber unter der Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 liegt, was mit der Funktion A dargestellt wird. Die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 wird mit dem Heizelement am Sauerstoffsensor 6 so eingestellt, dass sie noch über der im Abgastrakt 3 herrschenden Temperatur liegt. Dazu kann der Sauerstoffsensor 6 auf 700–800°C aufgeheizt werden. Beim Abschalten der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt t1 änderst sich die Temperatur der Umgebung nicht, was in der Funktion U dargestellt ist. Die Temperatur T im Abgasstrang 3 kann jedoch aufgrund der Hitze im Motorblock 20 der Brennkraftmaschine 1 ansteigen. Dieser Temperaturanstieg kann derart stark sein, dass die Temperatur T im Abgastrakt 3 ab dem Zeitpunkt t2 die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 übersteigt. In dieser Situation können in der Ansaugluft vorhandene Verschmutzungen, z. B. Öltröpfchen, hin zum Sauerstoffsensor 6 transportiert werden und sich auf diesem verstärkt ablagern. Damit wird der Sauerstoffsensor 6 in diesem Zustand verschmutzt. Diese Verschmutzungen verkürzen die Lebensdauer des Sauerstoffsensors 6 erheblich. Zur Vermeidung dieser Verschmutzungen auf dem Sauerstoffsensor 6 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Sauerstoffsensor 6 nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 1 zum Zeitpunkt t1 mit dem Heizelement 12 derart geheizt, dass die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 für einen vorbestimmten Zeitraum über der Temperatur T des Ansaugtraktes 3 im Bereich um den Sauerstoffsensor 6 und über der Temperatur T des Gases im Ansaugtrakt 3 in dem Bereich B um den Sauerstoffsensor 6 liegt. Dies wird in 3 dargestellt.
3 zeigt wiederum die Temperatur T der Umgebung mit der steigungslosen Kurve U und die Temperatur T im Luftansaugtrakt 2 mit der Kurve A sowie die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 mit der Kurve S. Zum Zeitpunkt t1 wird wiederum die Brennkraftmaschine 1 abgestellt und vom heißen Motorblock 20 wandert Wärme in den Luftansaugtrakt 2, was durch die positive Steigung der Kurve A bis zum Zeitpunkt t3 dargestellt ist. Mit dem Heizelement 12 wird die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 über der Temperatur T im Luftansaugtrakt 2 gehalten, das heißt, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine 1 der Sauerstoffsensor 6 weiterhin mit dem Heizelement 12 beheizt. Da die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 zu jeder Zeit größer oder zumindest gleich der Temperatur T des Luftansaugtraktes 2 im Bereich des Sauerstoffsensors 6 ist, können keine Verschmutzungen hin zum Sauerstoffsensor 6 transportiert werden. Auch das Abscheiden von Kondensaten auf dem Sauerstoffsensor aus der Atmosphäre im Luftansaugtrakt 2 wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert. Dieses Verfahren verlängert die Lebensdauer des Sauerstoffsensors 6 im Luftansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 erheblich.
Der Aufbau des Sauerstoffsensors 6 ist schematisch in 4 im Schnitt dargestellt. Der Sensor 6 besitzt als Trägermaterial einen monolithischen Block 11 aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkondioxid, auf dessen Unterseite sich eine Schutzschicht 13, ein Heizelement 12 und wieder eine Schutzschicht 13 befinden. Auf der gegenüberliegenden Seite des monolithischen Blocks 11 befindet sich die eigentliche Messstruktur, die aus einer Interdigitalelektrode besteht. Diese besitzt eine mit einer Diffusionsschicht 18 aus porösem ZrO₂ bedeckte Kathode 15 und eine Anode 14, die als poröse Platinelektrode ausgebildet ist. Über einen Stromkreis 16 wird eine Pumpspannung angelegt, die bewirkt, dass Sauerstoff im sogenannten Grenzstrombetrieb von der Kathode 15 zur Anode 14 gepumpt wird. Es versteht sich, dass der hier dargestellte Sauerstoffsensor auch mittels Nernst-Regelung betrieben werden kann. Vorteilhaft ist es, wenn die Trägerstruktur bzw. das Trägermaterial des Sauerstoffsensors 6 als monolithischer Block ausgebildet ist und keine Hohlräume und keine Mehrschichtstruktur aufweist. Am Sauerstoffsensor 6 selber kann ebenfalls ein Temperatursensor angeordnet sein, mit dem die Temperatur T des Sauerstoffsensors 6 messbar ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6), wobei der Sauerstoffsensor (6) ein Heizelement (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffsensor (6) nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine (1) mit dem Heizelement (12) derart geheizt wird, dass die Temperatur (T) des Sauerstoffsensors (6) für einen vorgegebenen Zeitraum über der Temperatur (T) des Luftansaugtraktes (2) im Bereich (B) um den Sauerstoffsensor (6) und über der Temperatur (T) des Gase im Luftansaugtrakt (6) in der Umgebung des Sauerstoffsensors (6) liegt.
Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich (B) um den Sauerstoffsensor (6) im Luftansaugtrakt (2) bis zu 150 mm vor und nach dem Sauerstoffsensor (6) erstreckt.
Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffsensor (6) als Lambda-Sonde ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftansaugtrakt (2) über einen Abgasrückführleitung (4) mit einem Abgastrakt (3) der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffsensor (6) einen monolithischen Block (11) aus yttriumstabilisierter Zirkondioxidkeramik (ZrO₂) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einen Seite des monolithischen Blocks (11) eine Heizung (12) und auf der anderen Seite desselben eine Messstruktur (22) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines im Luftansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensors (6) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) um den Sauerstoffsensor (6) in und/oder an dem Luftansaugtrakt (2) ein Temperatursensor (23) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Start-Stop-Automatik und mit einem im Luftansaugtrakt (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Sauerstoffsensor (6), wobei der Sauerstoffsensor (6) nach einem in den Ansprüchen 1 bis 7 beanspruchten Verfahren betrieben wird.