DE102014224942A1

DE102014224942A1 - Verfahren zur Erkennung eines Zustands eines Heizelements in einem Sensor

Info

Publication number: DE102014224942A1
Application number: DE102014224942.2A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Guel; Camelia Maga; Moritz Waldorf; Michael Fiedler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Zustands eines Heizelements (148) in einem Sensor (110), wobei der Sensor (110) insbesondere zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, wobei der Sensor (110) über mindestens zwei voneinander verschiedene, durch das Heizelement (148) beeinflussbare Betriebsmodi (154) verfügt. Erfindungsgemäß wird der Zustand des Heizelements (148) durch eine Ermittlung eines Verhaltens des Sensors (110) mittels einer das Sensorelement betreffende Messgröße während mindestens eines der Betriebsmodi (154) des Sensors (110) und/oder während mindestens eines Übergangs (186, 188) zwischen zwei Betriebsmodi (154) des Sensors (110) erkannt. Die vorliegenden Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine elektronische Steuerungseinheit, welche ein derartiges elektronisches Speichermedium umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Zustands eines Heizelements, wobei das Heizelement in einem Sensor angeordnet ist und insbesondere dazu eingerichtet ist, um den Sensor während mindestens eines Inbetriebnahmemodus auf eine üblicherweise gegenüber Normaltemperatur erhöhte Betriebstemperatur zu bringen und während eines Normalbetriebsmodus auf der Betriebstemperatur zu halten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei auf eine Verwendung in einem Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, gerichtet. Die vorliegenden Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des genannten Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine elektronische Steuerungseinheit, welche ein derartiges elektronisches Speichermedium umfasst.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Sensoren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils eines Gases in einem Gasgemisch, bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Sensoren beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils, insbesondere eines Partialdrucks und/oder eines Volumenanteils und/oder eines Massenanteils, eines Gases an einem Gasgemisch dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Als Sensor zur Erfassung des Gasanteils handelt es sich insbesondere um eine Lambda-Sonde oder um einen NO_x-Sensor. Lambda-Sonden und NO_x-Sensoren sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338–1347 beschrieben.
Lambdasonden, insbesondere universelle Lambdasonden, stellen zwei Stoffströme, insbesondere Sauerstoffströme, zwischen zwei Räumen, bei welchen es sich um einen Gasraum außerhalb der Vorrichtung oder um einen Hohlraum in der Vorrichtung handeln kann, in ein Gleichgewicht. Einer der Stoffströme wird hierbei durch Konzentrationsunterschiede über eine Diffusionsbarriere getrieben. Ein weiterer Stoffstrom wird über einen Festkörperelektrolyten und zwei Elektroden, insbesondere zwei Pumpelektroden, gesteuert durch einen angelegten Pumpstrom, getrieben. Der Pumpstrom wird dabei vorzugsweise so eingeregelt, dass sich in dem Hohlraum eine konstante und sehr geringe Sauerstoff-Konzentration einstellt. Ein Konzentrationsprofil über die Diffusionsbarriere ist durch einen konstanten Regelpunkt in dem Hohlraum, insbesondere eine konstante Sollspannung resultierend in einer Sauerstoff-Konzentration, und durch eine abgasseitige Sauerstoff-Konzentration eindeutig bestimmt. Ein Zustrom von Sauerstoffmolekülen aus dem Messgasraum zum Hohlraum stellt sich entsprechend diesem eindeutigen Konzentrationsprofil ein und entspricht dem eingeregelten Pumpstrom. Daher kann der Pumpstrom als Messwert für die Sauerstoff-Konzentration im Messgasraum, insbesondere für die abgasseitig anliegende Sauerstoff-Konzentration dienen.
Weiterhin sind Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente, insbesondere eines Stickoxids NO_x, eines Schwefeloxids SO_x oder eines Kohlenoxids CO_x, mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff bekannt. Die EP 0769693 A1 offenbart ein Verfahren und einen NO_x-Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, insbesondere das Stickoxid NO_x, in einem Gasgemisch durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff, insbesondere durch die Reduktion des Stickoxids NO_x mittels eines für diesen Zweck geeigneten Katalysators. Der darin beschriebene Sensor umfasst eine erste Pumpzelle, die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgasraum in Verbindung steht, wobei die erste Pumpzelle dazu dient, Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum zu transportieren, wodurch sich ein geringerer Sauerstoff-Partialdruck in dem ersten Hohlraum einstellt. Der Sensor umfasst weiterhin eine Referenzzelle, die an einem Referenzgasraum anliegt und welche dazu dient, um Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum derart zu transportieren, dass ein Sauerstoff-Partialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten Hohlraum derart reguliert werden kann, dass der Sauerstoff-Partialdruck einen Wert aufweist, der die Erfassung des Anteils der Messgaskomponente im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Der Sensor umfasst schließlich eine zweite Pumpzelle, die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei eine an dem zweiten Hohlraum anliegende Elektrode, insbesondere durch einen hierzu in die Elektrode eingebrachten Katalysator, dazu eingerichtet ist, die Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff, vorzugsweise ein Stickoxid NO_x, in der in den zweiten Hohlraum eingeleiteten Atmosphäre zu reduzieren oder abzubauen. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NO_x stammt, wird mittels des zweiten Pumpstroms in den Referenzgasraum transportiert und dessen Anteil mit Hilfe eines Wertes, auf welchen der zweite Pumpstrom eingeregelt wird, nachgewiesen. Auf die beschriebene Weise lässt sich mittels einer Kaskade von mindestens drei hintereinander angeordneten Pumpzellen der Anteil des Stickoxids NO_x in einem Gasgemisch, das neben dem Stickoxid NO_x auch weiterhin Sauerstoff umfasst, in einem Messgasraum bestimmen.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, wenn das in dem Sensor angeordnete Sensorelement während der Aufnahme eines Messwertes bereits die erforderliche Betriebstemperatur, welche im Fall eines NO_x-Sensors einen Wert im Bereich von 600 °C bis einschließlich 800 °C liegt, erreicht hat, da für den Fall, dass die für den betreffenden Sensor erforderliche Betriebstemperatur noch nicht erreicht wurde oder nicht innerhalb von vorgegebenen Grenzen gehalten werden kann, insbesondere die Genauigkeit der von dem Sensorelement erfassten Messwerte teilweise stark beeinträchtigt wird. Dieser Fall tritt insbesondere dann auf, wenn ein in dem Sensor angeordnetes Heizelement über eine plötzlich auftretende Fehlfunktion verfügt und/oder aufgrund von Alterungseffekten, insbesondere nach einigen Jahren, über welche es immer wieder in Betrieb genommen wurde, von den ursprünglich voreingestellten Spezifikationen derart abweicht, dass die dadurch ansonsten mögliche Einstellung und Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur nicht mehr im gewünschten Maße möglich ist.
Um dem Zustand des Heizelements, welches es in dem Sensor angeordnet ist, festzustellen, wird gemäß dem Stand der Technik ein Wert für den durch das Heizelement fließenden Heizstrom oder eine mit dem Heizstrom zusammenhängende Größe, wie etwa die Heizleistung, ermittelt. Bei Abweichung des ermittelten Wertes kann hierbei, etwa durch Vergleich mit vorgegebenen Sollwerten, auf eine Alterung des Sensors geschlossen werden.
In einigen Fällen verfügt jedoch ein Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, den Sensor und damit auch das darin angeordnete Heizelement zu steuern, grundsätzlich nicht über die Möglichkeit, den durch das Heizelement fließenden Heizstrom zu bestimmten. Andererseits erfordert eine messtechnische Bestimmung des Heizstroms einen gewissen Aufwand, dessen Vermeidung in etlichen Fällen durchaus wünschenswert wäre.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Erkennung eines Zustands eines Heizelements in einem Sensor, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und eine elektronische Steuerungseinheit, welche ein derartiges elektronisches Speichermedium umfasst, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst hierbei ein Sensorelement, welches zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungsmaschine, vorzugsweise mit den eingangs beschriebenen Eigenschaften eingerichtet ist.
Wie bereits erwähnt, befindet sich das Heizelement in dem Sensor, wobei der Sensor über mindestens zwei voneinander verschiedene Betriebsmodi verfügt, welche durch das Heizelement beeinflussbar sind. Hierbei weist der Sensor insbesondere einen Inbetriebnahmemodus und mindestens einen Normalbetriebsmodus auf. Vorzugsweise dient das Heizelement dazu, um zum einen den Sensor im Rahmen des mindestens einen Inbetriebnahmemodus auf eine Betriebstemperatur zu bringen, und um zum anderen den Sensor während des mindestens einen Normalbetriebsmodus innerhalb von vorgegebenen Grenzen auf der eingestellten Betriebstemperatur zu halten.
Erfindungsgemäß wird der Zustand des Heizelements in dem Sensor dadurch bestimmt, dass ein Verhalten des Sensors während mindestens einem der Betriebsmodi des Sensors und/oder während mindestens eines Übergangs zwischen zwei Betriebsmodi des Sensors, vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Betriebsmodi, des Sensors durch Erfassung einer das Sensorelement des Sensors betreffenden Messgröße bestimmt wird. Hierbei kann der Zustand des Heizelements vorzugsweise während des mindestens einen Inbetriebnahmemodus und/oder zwischen zwei, vorzugsweise benachbarten Inbetriebnahmemodi und/oder während des mindestens einen Normalbetriebsmodus des Sensors ermittelt werden. Im Unterschied zum Stand der Technik, gemäß dem der Zustand des Heizelements in dem Sensor durch eine Messgröße bestimmt wird, welche, wie beispielsweise der Heizstrom, das Heizelement in dem Sensor unmittelbar betrifft, steht die erfindungsgemäß erfasste Messgröße während einem der Betriebsmodi des Sensors in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Sensorelement, welches mittelbar durch das Heizelement beeinflussbar ist. Auf diese Weise wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, den Zustand des Heizelements in dem Sensor zu erkennen, ohne eine Messgröße, welche in direktem Zusammenhang mit dem Heizelement steht, messtechnisch erfassen zu müssen. Auf diese Weise kann insbesondere ein Steuergerät, welches nicht über eine derartige Funktionalität, welche beispielsweise in einer Durchführung einer Strommessung liegen kann, verfügt, dennoch zur Durchführung dieser Messaufgabe eingesetzt werden. Folglich erfordert das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere keine Änderung in dem Aufbau des Steuergeräts, welches zur Steuerung des betreffenden Sensors bereits eingerichtet ist, und ist daher ohne größeren Aufwand unmittelbar verfügbar.
Dadurch kann die das Sensorelement betreffende Messgröße, welche zur Erkennung des Zustands des Heizelements in dem Sensor verwendet wird, mittels des elektronischen Steuergeräts, welches bereits zur Steuerung des Sensors eingerichtet ist, bestimmt werden. Hierbei kann der zu bestimmende Zustand des Heizelements in dem Sensor zumindest die beiden Werte „Heizer defekt“ und „Heizer einsatzbereit“ annehmen, wobei, je nach Art der gewählten Ausführung, auch weitere Werte für die Zustände des Heizelements, welche beispielsweise eine bedingte Einsatzbereitschaft kennzeichnen, angegeben werden können. Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Zustand des Heizelements so lange auf den Wert „Heizer einsatzbereit“ gesetzt bleibt, bis ein hiervon abweichender Wert, insbesondere „Heizer defekt“, für den Zustand des Heizelements festgestellt wird. Alternativ kann es in ausgewählten Fällen aber auch von Vorteil sein, wenn der Zustand des Heizelements so lange auf den Wert „Heizer defekt“ gesetzt bleibt, bis ein hiervon abweichender Wert, insbesondere „Heizer einsatzbereit“, für den Zustand des Heizelements festgestellt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der so festgestellte Wert für den Zustand des Heizelements in dem Sensor zusätzlich oder alternativ zu dem elektronischen Steuergerät an eine elektronische Steuerungseinheit, auf welcher auch das elektronische Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm zur Durchführung der Schritte des vorliegenden Verfahrens gespeichert ist, befindlich ist, und/oder einen externen Benutzer ausgegeben werden, wobei die elektronische Steuerungseinheit bzw. der Benutzer aus dem Wert für den mitgeteilten Zustand des Heizelements entsprechende Schlüsse ziehen und zugehörige weitere Verfahrensschritte unternehmen können.
Der Begriff des „Verhaltens“ des Sensors bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine für diesen Einsatzzweck geeignete Messgröße, welche das Sensorelement des Sensors direkt oder indirekt zur Verfügung stellt und welche insbesondere an das dem Sensor zugeordnete elektronische Steuergerät weiter geleitet werden kann, welches auf Basis dieser Messgröße unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Zustands des in dem Sensor angeordneten Heizelements erkennen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Messgröße, welche zur Ermittlung des Verhaltens des Sensors eingesetzt wird, aus einem Zeitraum, welcher beispielsweise für einen Übergang von einem ersten Betriebsmodus zu einem zweiten Betriebsmodus des Sensors erforderlich ist, und/oder ein Schwellwert, welcher beispielsweise in einem der Betriebsmodi erfasst wird, und/oder aus einem Anzeigewert für einen Statusbit, welcher beispielsweise durch das zugehörige Steuergerät für den Sensor angegeben wird, ausgewählt werden.
Insbesondere wird zur Ermittlung des Verhaltens des Sensors mindestens einer der folgenden Schritte durchgeführt:

– Bestimmen eines Messwertes für den Zeitraum und/oder für den Schwellwert und/oder für den Anzeigewert;
– Vergleichen des Messwertes für den Zeitraum bzw. für den Schwellwert bzw. für den Anzeigewert mit einem vorgegebenen Sollwert;
– Inkrementieren eines Zählers für den Fall, dass der Messwert den Sollwert übersteigt;
– Feststellen, dass der Zähler einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat.

Hierbei kann die Erkennung des Zustands des Heizelements nach jedem der aufgeführten Schritte erfolgen, beispielsweise kann in einer ersten Ausgestaltung bereits die Angabe eines Messwertes genügen, während in einer zweiten Ausgestaltung erst ein Vergleich des Messwertes mit dem vorgegebenen Sollwert zur Erkennung des Zustands des Heizelements einsetzbar ist. In einer weiteren Ausgestaltung kann demnach der Zähler, welcher für den Fall, dass der Messwert den Sollwert übersteigt, jeweils erhöht (inkrementiert) wird, der Wert des Zählers oder erst die Feststellung, dass der Zähler den vorgegebenen Maximalwert erreicht hat, zur Erkennung des Zustands des Heizelements eingesetzt werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der vorgegebene Sollwert bzw. der vorgegebene Maximalwert durch Vergleichsmessungen bestimmt wird. Hierzu können die Vergleichsmessungen an mindestens zwei für das vorliegende Verfahren vorgesehen Sensoren derselben Art durchgeführt werden, wobei die beiden Sensoren vorzugsweise über mindestens zwei unterschiedliche Zustände in Bezug auf ihre Alterung verfügen. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, das Verfahren mit so genannten „Grenzmuster-Sensoren“ durchzuführen, womit Sensoren bezeichnet werden, deren Heizelement zwar eine Alterung aufweist, jedoch noch innerhalb der zulässigen Spezifikationen arbeitet. Ebenso kann es sinnvoll sein, die Vergleichsmessungen mit gealterten Sensoren durchzuführen, deren Alterung bereits derart fortgeschritten ist, dass die damit erzielbaren Messwerte außerhalb der vorgegebenen Spezifikationen liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise insbesondere derart durchgeführt werden, dass der Zustand des Heizelements in dem Sensor jeweils nach Ablauf mindestens eines vorgegebenen Zeitintervalls, beispielsweise jeweils nach Ablauf einer Minute, einer Stunde, eines Tages, eines Monats und/oder eines Bruchteils oder Vielfachen davon, bestimmt wird.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein elektronisches Speichermedium, welches dazu eingerichtet ist, um ein derart ausgestattetes Computerprogramm zu speichern.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine elektronische Steuerungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, um ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen, gespeichert ist, zu umfassen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist (Stand der Technik); und
2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Durchführung eines Verfahrens zur Steuerung des Sensors gemäß 1 zum Einsatz für das erfindungsgemäße Verfahren.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen aus dem Stand der Technik bekannten Sensor 110, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.
Der Sensor 110, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, umfasst hierzu eine erste Pumpzelle 112, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist. Die äußere Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der der Umgebung des Sensors 110 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom IP1 in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die elektrisch leitende Verbindung 120 ist hierzu mit einem Anschluss P1 eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms IP1 in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen einem Messgasraum 126 und der Umgebung des Sensors 110 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem hier in Form von zwei getrennten Hohlräumen ausgestalteten Messgasraum 126 sind zwei Diffusionsbarrieren 128 vorhanden.
Die Vorrichtung verfügt weiterhin über eine elektrische Referenzzelle 130, an welcher eine Nernst-Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 anliegen. Während die Nernst-Elektrode 132 über eine elektrisch leitende Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einer Versorgungsspannung Vs auf, welche über einen Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 die erforderliche Versorgungsspannung Vs bereitstellt. Es handelt sich bei der Versorgungsspannung Vs in aller Regel um eine Referenzspannung, die von der Batteriespannung Ubatt zu unterscheiden ist. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem Messgasraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 110 wird in einen Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz-Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz-Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom IP1 derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem Messgasraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ergibt.
Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NO_x mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140, welche auch als „NO_x-Pumpzelle“ bezeichnet wird. An die zweite Pumpzelle 140 grenzen eine NO_x-Pumpelektrode 142 und eine NO_x-Gegenelektrode 144 an. Wenigstens eine der beiden Elektroden NO_x-Pumpelektrode 142 und/oder NO_x-Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NO_x weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.
Während die NO_x-Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung 146 aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NO_x-Gegenelektrode 144 eine elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom IP2 an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms IP2 an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert.
Erfindungsgemäß verfügt der Sensor 110 über ein Heizelement 148, welches eine Heizleitung 150 mit den Leitungen HTR+ und HTR– aufweist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung den Sensor 110 auf die gewünschte Temperatur, insbesondere die Betriebstemperatur, bringen kann.
In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung aus 1 dargestellt, welches sich zur Erkennung des Zustands des Heizelements 148 in dem Sensor 110 einsetzen lässt.
Das in der 2 schematisch dargestellte Verfahren beginnt formal mit einem Anfangszustand 152, aus welchem heraus die Bereitstellung einer Versorgungsspannung an den Sensor 110 und das zugehörige Steuergerät 122 in die Wege geleitet wird.
Der mit dem vorliegenden Verfahren steuerbare Sensor 110 verfügt hierbei über folgende Betriebsmodi 154:

– einen Thermoschock-Schutzmodus 156;
– drei Heizmodi 158; und
– einen Normalbetriebsmodus 160.

Hierbei können der Thermoschock-Schutzmodus 156 und die drei Heizmodi 158 zusammenfassend auch als Inbetriebnahmemodus 162 bezeichnet werden.
Die im vorliegenden Fall nacheinander ausführbaren drei Heizmodi 158 legen hierbei eine bestimmte Heizstrategie für das Heizelement 148 fest. Im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird hierzu zuerst der erste Heizmodus 164 eingenommen, während dessen darauf gewartet wird, dass die Referenzzelle 130 einen elektrischen Widerstand bereitstellt, welcher sich zur Ermittlung der Temperatur des Sensors 110 eignet. Sobald bestimmte Bedingungen innerhalb eines ersten Zeitraums 166 erfüllt sind, kann der Sensor 110 in einen zweiten Heizmodus 168 übergehen. Sobald weitere Bedingungen innerhalb eines zweiten Zeitraums 170 erfüllt sind, kann der Sensor 110 nunmehr in den eigentlichen Heizmodus 172 gelangen. Der eigentliche Heizmodus 172 kann auch als ein dritter Heizmodus aufgefasst bzw. bezeichnet werden. Schließlich erreicht der Sensor 110 nach Ablauf eines dritten Zeitraums 174, während dessen der Sensor 110 auf eine üblicherweise gegenüber Normaltemperatur erhöhte Betriebstemperatur gebracht wird, den Normalbetriebsmodus 160, während dessen der Sensor 110 innerhalb vorgegebener Grenzen auf der Betriebstemperatur gehalten wird. Auf eine Selbstdiagnose-Anfrage 176 hin kann während des Normalbetriebsmodus 160 eine Selbstdiagnose 178 durchgeführt werden, mittels welcher ein Selbstdiagnose-Ergebnis 180, welches beispielsweise einen Selbstdiagnose-Status 182 umfassen kann, ermittelt wird.
Sowohl während der drei Heizmodi 158 als auch während des Normalbetriebsmodus 160 können jeweils Zustände des Sensors 110 auftreten, welche gemäß der in diesem Ausführungsbeispiel gewählten Steuerung des Sensors 110 dazu führen, dass der Sensor 110, insbesondere zur Vermeidung von Störungen oder einer Zerstörung des Sensors 110, entweder in den Thermoschock-Schutzmodus 156 oder in einen Sensor-Abschaltzustand 184 gesetzt wird.
Zur Erkennung des Zustands des Heizelements 148 in dem Sensor 110 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel während der folgenden Betriebsmodi 154 des Sensors 110 und/oder während folgender Übergänge zwischen zwei benachbarten Betriebsmodi 154 des Sensors 110 das Sensorelement betreffenden Messgrößen ermittelt:

a) ein erster Übergang 186 zwischen dem ersten Heizmodus 164 und dem zweiten Heizmodus 168;
b) ein zweiter Übergang 188 zwischen dem zweiten Heizmodus 168 und dem eigentlichen Heizmodus 172;
c) während des eigentlichen Heizmodus 172; und
d) im Normalbetriebsmodus 160.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird der Zustand des Heizelements 148 in dem Sensor 110 durch die Ermittlung des Verhaltens des Sensors 110 während des ersten Übergangs 186 zwischen dem ersten Heizmodus 164 und dem zweiten Heizmodus 168 erfasst.
In einer ersten Variante kann hierzu bei Vorliegen einer konstanten und ausreichenden Batteriespannung für den Betrieb des Sensors 110 durch das zugehörigen Steuergerät 122 mindestens ein Wert für den ersten Zeitraum 166 gespeichert werden, welcher für den Übergang vom ersten Heizmodus 164 zu dem zweiten Heizmodus 168 erforderlich ist. In einer vorteilhaften Weise können hierbei eine Mehrzahl von Werten in einer Matrix gespeichert werden, wobei die Werte aus der Matrix vorzugsweise für eine Mittelwertbildung verwendet werden können. Für den Fall, dass ein derart gebildeter Mittelwert einen Sollwert übersteigt, kann der Zustand des Heizelements 148 auf einen Wert „Heizer defekt“ gesetzt werden, wobei eine Information über den Zustand des Heizelements 148 an die elektronische Steuereinheit versendet werden kann. Der Sensor 110 selbst kann bei Vorliegen des Wertes „Heizer defekt“ für den Zustand des Heizelements 148 vorzugsweise in den Sensor-Abschaltzustand 148 übergehen.
In einer alternativen Variante kann für den ersten Zeitraum 166, welcher die Zeit für den Übergang vom ersten Heizmodus 164 zum zweiten Heizmodus 168 angibt, ein Sollwert gesetzt werden. Für den Fall, dass der Wert für den ersten Zeitraum 166 den Sollwert überschreitet, kann ein Zähler inkrementiert werden und der Sensor auf den Thermoschock-Schutzmodus 156 gesetzt werden. Diese Weise des Vorgehens kann solange durchgeführt werden, bis der Zähler einen vorgegebenen Maximalwert, beispielsweise 2, 3, 4 oder 5, bevorzugt 3, erreicht hat. Trifft diese Feststellung ein, so kann der Wert „Heizer defekt“ für den Zustand des Heizelements 148 an die elektronische Steuerungseinheit gesendet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die beschriebenen beiden Varianten in Bezug auf den ersten Übergang 186 zwischen dem ersten Heizmodus 164 und dem zweiten Heizmodus 168 in analoger Weise für den zweiten Zeitraum 170, welcher für den zweiten Übergang 188 von dem zweiten Heizmodus 168 zu dem eigentlichen Heizmodus 172 vorgesehen ist, durchgeführt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Zustand des Heizelements 148 durch die Ermittlung des Verhaltens des Sensors 110 während des eigentlichen Heizmodus 174 bestimmt werden. Hierzu kann für den Fall, dass ein Sollwert für den Heizvorgang innerhalb eines Sollwertes für einen weiteren Zeitraum nicht erreicht wird, ein weiterer Zähler inkrementiert werden und der Sensor 110 in den Thermoschock-Schutzmodus 156 geführt werden. Auch hier kann nach einer Feststellung, dass der weitere Zähler einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat, der Wert „Heizer defekt“ für den Zustand des Heizelements 148 in dem Sensor 110 an die elektronische Steuereinheit versandt werden. Vorzugsweise kann für dieses Ausführungsbeispiel der Zähler für die Fehlererkennung kalibrierbar ausgelegt werden und beispielsweise einen Minimal-Wert von 1 oder 2 und einen Maximal-Wert von 3, 4 oder 5 aufweisen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Zustand des Heizelements 148 durch die Ermittlung des Verhaltens des Sensors 110 während des Normalbetriebsmodus 160 ermittelt werden.
In einer ersten Variante kann hierbei für den Fall, dass ein Anzeigewert eines Statusbits, etwa ein NO_x-Statusbit, für einen weiteren Zeitraum nicht gesetzt wird, eine dreistufige Überprüfungsroutine gestartet werden. In einer ersten Stufe kann hierbei überprüft werden, ob ein Anzeigewert eines Unterspannungs-Bit in dem elektronischen Steuergerät 122 nicht gesetzt wurde, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Spannung für eine Ansteuerung des Heizelements 148 vorliegt. In einer zweiten Stufe kann hierbei während eines weiteren Zeitraums festgestellt werden, ob ein Wert für den Heizleistungszyklus einen Schwellwert übersteigt, um sicherzustellen, dass das Heizelement 148 mit maximaler Leistung angesteuert werden kann. In einer dritten Stufe kann hierbei innerhalb desselben Zeitraums wie im zweiten Schritt festgestellt werden, ob der Widerstandswert für die elektrische Referenzzelle 130 ansteigt und/oder oberhalb einer bestimmten Grenze liegt. Für den Fall, dass die während der drei aufgeführten Stufen genannten Bedingungen zutreffen, kann der Zustand des Heizelements 148 den Wert „Heizer defekt“ annehmen, wobei der Wert „Heizer defekt“ für das Heizelement 148 in dem Sensor 110 an die elektronische Steuereinheit gesandt werden kann.
In einer Variante des vorliegenden Ausführungsbeispiels zur Erkennung des Zustands des Heizelements 148 durch die Ermittlung des Verhaltens des Sensors 110 während des Normalbetriebsmodus 160 kann in Abhängigkeit des Anzeigewertes eines Statusbits, beispielsweise des NO_x-Statusbits, eine Überprüfung von das Sensorelement betreffenden Messgrößen durchgeführt werden. Für den Fall, dass das NO_x-Statusbit über einen vorgegebenen Zeitraum nicht gesetzt wird, können die in der ersten Variante beschriebenen drei Stufen durchgeführt werden. Treffen hier die in den drei Stufen beschriebenen Bedingungen zu, so kann für den Zustand des Heizelements 148 in dem Sensor 110 der Wert „Heizer defekt“ an die elektronische Steuerungseinheit gesandt werden.
Falls jedoch das NO_x-Statusbit erreicht und danach wieder zurückgesetzt wurde, können die in der ersten Variante aufgeführten drei Stufen nacheinander durchgeführt werden. Nur für den Fall, dass die für alle drei Stufen erforderlichen Bedingungen zutreffen, kann hier für den Zustand des Heizelements 148 in dem Sensor 110 der Wert „Heizer defekt“ an die elektronische Steuerungseinheit gesandt werden.
Für Sensoren, welche ein von dem NO_x-Sensor verschiedenes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums aufweisen, kann ein Fachmann, ausgehend von diesen Ausführungsbeispielen, erfindungsgemäße Varianten zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens auf einfache und direkte Weise ermitteln. Dadurch ist es möglich, ohne eine Messung des durch das Heizelement 148 fließenden Stroms oder einer damit in Verbindung stehenden Größe, den Zustand des Heizelements 148 aus der Ermittlung des Verhaltens des Sensors 110 mittels einer Messgröße, welche nicht das Heizelement 148, sondern das Sensorelement in dem Sensor 110 betrifft, in einem der Betriebsmodi 154 und/oder während mindestens eines Übergangs zwischen zwei benachbarten Betriebsmodi 154 des Sensors zu erfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0769693 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338–1347 [0002]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Zustands eines Heizelements (148) in einem Sensor (110), wobei der Sensor (110) ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, aufweist, wobei der Sensor (110) über mindestens zwei voneinander verschiedene, durch das Heizelement (148) beeinflussbare Betriebsmodi (154) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Heizelements (148) in dem Sensor (110) durch eine Ermittlung eines Verhaltens des Sensors (110) mittels einer das Sensorelement betreffende Messgröße während mindestens eines der Betriebsmodi (154) des Sensors (110) und/oder während mindestens eines Übergangs (186, 188) zwischen zwei Betriebsmodi (154) des Sensors (110) erkannt wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Betriebsmodi (154) des Sensors (110) über mindestens einen Inbetriebnahmemodus (162) und mindestens einen Normalbetriebsmodus (160) verfügen, wobei das Heizelement (148) dazu eingesetzt wird, um den Sensor (110) während des Inbetriebnahmemodus (162) auf eine Betriebstemperatur zu bringen und um während des Normalbetriebsmodus (160) auf der Betriebstemperatur zu halten, wobei der Zustand des Heizelements (148) während des Inbetriebnahmemodus (162) und/oder während mindestens eines Übergangs (186, 188) zwischen zwei, vorzugsweise benachbarten Inbetriebnahmemodi (154) und/oder während des Normalbetriebsmodus (160) erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Verhaltens des Sensors (110) – ein Zeitraum (166, 172, 174); – ein Schwellwert; und/oder – ein Anzeigewert eines Statusbits als die Messgröße eingesetzt wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Verhaltens des Sensors (110) mindestens einer der folgenden Schritte durchgeführt wird: – Bestimmen eines Messwertes für den Zeitraum (166, 172, 174) und/oder für den Schwellwert und/oder für den Anzeigewert; – Vergleichen des Messwertes für den Zeitraum (166, 172, 174) bzw. für den Schwellwert bzw. für den Anzeigewert mit einem vorgegebenen Sollwert; – Inkrementieren eines Zählers für einen Fall, dass der Messwert den Sollwert übersteigt; – Feststellen, dass der Zähler einen vorgegebenen Maximalwert erreicht hat; wobei die Erkennung des Zustands des Heizelements (148) zumindest nach einem der Schritte erfolgt.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Sollwert bzw. der vorgegebene Maximalwert durch Vergleichsmessungen ermittelt wird, wobei die Vergleichsmessungen an mindestens zwei der Sensoren (110) durchgeführt werden, welche über mindestens zwei unterschiedliche Zustände in Bezug auf ihre Alterung verfügen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Heizelements (148) in dem Sensor (110) jeweils nach Ablauf mindestens eines vorgegebenen Zeitintervalls bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Sensorelement betreffende Messgröße mittels eines elektronischen Steuergeräts (122), welches zur Steuerung des Sensors (110) eingerichtet ist, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Heizelements (148) in dem Sensor (110) zumindest die Werte „Heizer defekt“ und „Heizer einsatzbereit“ annehmen kann, wobei der Zustand des Heizelements (148) vorzugsweise solange auf den Wert „Heizer einsatzbereit“ gesetzt bleibt, bis der Wert „Heizer defekt“ für den Zustand des Heizelements (148) festgestellt wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass, wobei der Wert für den Zustand des Heizelements (148) in dem Sensor (110) an eine elektronische Steuerungseinheit und/oder einen Benutzer ausgegeben wird.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronische Steuerungseinheit, welche ein elektronisches Speichermedium nach dem vorangehenden Anspruch umfasst.