DE102014225110A1

DE102014225110A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102014225110A1
Application number: DE102014225110.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Daecke; Peter Oechtering
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (170) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung (170) umfasst zumindest einen Sensor (110) und eine Regel-Einrichtung (156) zur Regelung des Sensors (110), wobei der Sensor (110) zur Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums eingerichtet ist und über mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme eines Eingangssignals (162) und mindestens eine Einrichtung zur Abgabe mindestens eines Ausgangssignals (164) verfügt. Die Regel-Einrichtung (156) und der Sensor (110) sind derart in einem Regelkreis (154) angeordnet, dass der Sensor (110) als Regelstrecke (160, 160‘) für die Regel-Einrichtung (156) dient. Die Regel-Einrichtung (156) ist derart zu einer Einflussnahme auf die Regelstrecke (160, 160‘) eingerichtet, dass durch eine Bereitstellung einer Stellgröße u mittels eines Reglers (158) das Ausgangssignal (164) des Sensors (110) so als Regelgröße y einsetzbar ist, dass die Regelgröße y an eine Führungsgröße r für die Regel-Einrichtung (156) angleichbar ist. Erfindungsgemäß sind Mittel (174) zur Erfassung einer Übertragungsfunktion (200, 200‘) des Sensors (110) vorgesehen, wobei die Übertragungsfunktion (200, 200‘) einen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal (164) des Sensors (110) und dem Eingangssignal (162) des Sensors (110) in einem Frequenzbereich oder in einem Zeitbereich darstellt. Hierbei ist die Übertragungsfunktion (200, 200‘) in der Einflussnahme der Regel-Einrichtung (156) auf die Regelstrecke (160, 160‘) einsetzbar. 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 Steuereinrichtung, welche ein derartiges Speichermedium umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine. Die vorliegende 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 Steuereinrichtung, 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 einen Sauerstoff-Sensor, welcher auch als Lambda-Sonde bezeichnet wird, oder um einen NO_x-Sensor. Derartige Sauerstoff-Sensoren 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.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen, insbesondere zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, verfügen in aller Regel über ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung eines Sensors, wobei der Sensor und das elektronische Steuergerät zumeist in Form von physikalisch getrennten Einrichtungen ausgeführt sind, wobei jedoch auch einteilige Ausgestaltungen denkbar sind. Hierbei umfassen die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen in der Regel neben dem Sensor eine gesonderte Regel-Einrichtung zur Regelung des Sensors, welche vorzugsweise in das elektronische Steuergerät zur Steuerung des Sensors eingebracht sein kann. Allerdings sind auch andere Ausgestaltungen bekannt, in welchen die Regel-Einrichtung beispielsweise als separate Vorrichtung ausgeführt ist.
Die Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere die oben beschriebenen Sauerstoff-Sensoren und NO_x-Sensoren, verfügen über eine Messeinrichtung beispielsweise in Form einer elektrochemischen Einheit, wobei der Sensor und die Regel-Einrichtung derart in einem Regelkreis angeordnet werden kann, dass der Sensor oder ein Teil davon, insbesondere die Messeinrichtung, als Regelstrecke für die Regel-Einrichtung dienen kann. Allerdings können Änderungen von Parametern, welche über einen Einfluss auf die Regelstrecke verfügen, beträchtliche Auswirkungen auf den Betrieb der Regel-Einrichtung, insbesondere auf deren Stabilität, aufweisen. Werden daher Regel-Einrichtungen mit festen, vorgegebenen Parametersätzen eingesetzt, so lässt sich eine derartige Regel-Einrichtung nicht an veränderte Bedingungen im Regelkreis anpassen. Damit kann der Betrieb der Regel-Einrichtung nicht immer im optimalen Bereich verlaufen; außerdem lassen sich hierbei Variationen bei der Herstellung der Sensoren und eine etwaige Veränderung von Parametern in den Sensoren über ihre Betriebs- und/oder Lebensdauer, welche auch als „Alterung“ bezeichnet wird, nicht angemessen berücksichtigen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Einflussnahme der Regel-Einrichtung auf die Regelstrecke derart auszugestalten, dass damit die Regel-Einrichtung unabhängig von Toleranzen in der Fertigung der Sensoren und unter angemessener Berücksichtigung von Änderungen der Parameter in den Sensoren, insbesondere über ihre Betriebs- und/oder Lebensdauer, möglichst weitgehend in einem optimalen Bereich betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte dieses Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist, und eine elektronische Steuereinrichtung, welche ein elektronisches Speichermedium umfasst, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche umfassen jeweils erfindungsgemäße Weiterbildungen.
Die vorliegende Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums umfasst zumindest einen Sensor und eine Regel-Einrichtung zur Regelung des Sensors. Darüber hinaus kann die Vorrichtung weitere Bestandteile aufweisen, insbesondere solche, welche mit dem Sensor und/oder der Regel-Einrichtung in funktioneller Weise zusammenwirken können.
Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhandene Sensor ist zur Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums, insbesondere des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet und kann vorzugsweise ein oben beschriebener Sauerstoff-Sensor oder NO_x-Sensor sein. Der Sensor verfügt hierbei sowohl über eine Einrichtung zur Aufnahme mindestens eines Eingangssignals als auch über eine Einrichtung zur Abgabe mindestens eines Ausgangssignals, wobei mindestens eines der Ausgangssignale mit einem Messwert, welcher mit einer erfassten Eigenschaft des fluiden Mediums korreliert ist, in Verbindung steht. Insbesondere kann hierbei das Ausgangssignal des Sensors einen Messwert in Form eines elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung bereitstellen, aus welchem sich die gewünschte Eigenschaft des fluiden Mediums ermitteln lässt. Mögliche Ausgestaltungen der Einrichtung zur Aufnahme des Eingangssignals und der Einrichtung zur Abgabe des Ausgangssignals, wie beispielsweise direkte elektrische Verbindungen in Form von elektrischen Leitungen oder indirekte elektrische Verbindungen etwa in Form von induktiven Übertragungsmöglichkeiten, sind hierbei aus dem Stand der Technik bekannt.
Erfindungsgemäß sind die Regeleinrichtung und der Sensor derart in einem Regelkreis angeordnet, dass der Sensor als Regelstrecke für die Regel-Einrichtung dient. Demgemäß ist die Regel-Einrichtung derart zu einer Einflussnahme auf die Regelstrecke eingerichtet, dass durch eine Bereitstellung einer Stellgröße u mittels eines Reglers das Ausgangssignal des Sensors als Regelgröße y einsetzbar ist, wobei die Regelgröße y an eine vorgegebene Führungsgröße r für die Regel-Einrichtung angleichbar ist. Auf diese Weise kann die Regelung die Regelgröße y auf einen vorgegebenen Wert bringen bzw. auf einem vorgegebenen Wert halten, insbesondere indem die Regelgröße fortlaufend ermittelt und mit dem vorgegebenen Wert der Führungsgröße r verglichen wird. Bei einer Abweichung zwischen dem Wert für die Regelgröße y und dem Wert für die Führungsgröße r kann mittels einer Stellgröße u derart eine Einflussnahme auf die Regelstrecke vorgenommen werden, dass sich dadurch die Regelgröße y wieder an die Vorgabe aufgrund der Führungsgröße r angleichen lässt. In Bezug auf im Zusammenhang mit hier eingesetzten Verfahren und Vorrichtungen aus der Steuer- und Regelungstechnik verwendeten Begriffe wird für weitere Einzelheiten auf Reif, K., Deitsche, K.-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer-Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 180–185 verwiesen.
Insbesondere um das oben beschriebene, zeitlich nicht immer konstante Verhalten des Sensors als Regelstrecke betreiben zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen adaptiven Regler einzusetzen, wobei der adaptive Regler über Mittel verfügt, um das Verhalten der Regelung an sich ändernde Eigenschaften sowohl innerhalb der Regelstrecke als auch der zugehörigen Ausgangssignale anzupassen. Da sich hierbei die sich verändernden Eigenschaften der Regelstrecke nicht direkt erfassen lassen, können diese in der Regel aus messbaren Signalen des Regelkreises, insbesondere den Ausgangssignalen des Sensors, identifiziert werden. Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, dass die Vorrichtung weiterhin Mittel aufweist, welche zur Erfassung einer Übertragungsfunktion des Sensors eingerichtet sind. Hierbei wird unter der Übertragungsfunktion des Sensors ein Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und dem Eingangssignal des Sensors in einem Frequenzbereich oder in einem Zeitbereich verstanden, insbesondere ein Quotient, welcher in Form einer Amplitude oder einer Phase als Funktion der Frequenz bzw. der Zeit erfassbar ist. Die Übertragungsfunktion umfasst somit Messwerte dar, welche die Amplitude und/oder die Phase, mit welcher der Sensor aufgrund des Eingangssignals angeregt wird, als Funktion der Frequenz bzw. der Zeit wiedergeben.
Erfindungsgemäß wird hierbei die Übertragungsfunktion, welche mit den genannten Mitteln zur Erfassung der Amplitude und/oder der Phase als Funktion der Frequenz oder der Zeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt wird, in der Einflussnahme der Regel-Einrichtung auf die Regelstrecke eingesetzt. Auf diese Weise lässt sich die Übertragungsfunktion eines bestimmten Gassensors, der gemäß der vorliegenden Erfindung als die Regelstrecke betrachtet wird, erfassen, um so zeitliche Variationen sowohl über kurze Zeiträume im Bereich von Sekunden, Minuten oder Stunden als auch langsame Änderungen, welche sich über Monate oder Jahre erstecken, zu bestimmen. Die für die Regelung der für das Sensorelement erforderlichen Parameter können insbesondere aus geschätzten Parametern eines Modells der Regelstrecke ermittelt werden. Mit Kenntnis der zu erfassenden individuellen Übertragungsfunktion des Sensors im Regelkreis kann damit sowohl eine Optimierung der für die Regelung der für das Sensorelement erforderlichen Parameter erfolgen als auch, alternativ oder zusätzlich, eine elektronische Diagnose des Sensorelements vorgenommen werden, da die erfasste Übertragungsfunktion des Sensors gleichzeitig auch Informationen über die elektrischen und elektronischen Eigenschaften des Sensorelements liefern kann. Die für die Regelung der für das Sensorelement erforderlichen Parameter sind unabhängig von ihrer Darstellung im Frequenzbereich oder im Zeitbereich.
Insbesondere kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Änderung der Übertragungsfunktion des Sensors durch eine Veränderung der Einflussnahme der Regel-Einrichtung auf die Regelstrecke kompensiert werden. Die auf diese Weise mögliche Adaption des Reglers kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um eine möglichst konstante Dynamik des Regelkreises über einen möglichst langen Zeitraum zu gewährleisten. Auf diese Weise kann zum Beispiel der Regler über die Betriebs- und/oder Lebensdauer des Sensors als Regelstrecke nachgeführt bzw. angepasst werden. Da sich so auch Alterungseffekte des Sensors ausgleichen lassen, kann damit auch gealterten Sensoren ein Betrieb innerhalb der jeweils vorgegebenen Toleranzen ermöglicht werden. Zum einen wird dadurch auch in gealterten Sensoren eine schnellere Dynamik des Sensorelements ermöglicht und zum anderen wird damit die Lebensdauer der Sensoren erhöht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfassen die Mittel zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors zumindest folgende Bestandteile:

(A) eine Anordnung zum Festlegen einer Messgröße in der Regel-Einheit;
(B) einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Anregungssignals w;
(C) einen Addierer zur Einbringung des Anregungssignals w in den Regelkreis; und
(D) eine Analyse-Einheit zur Auswertung des Ausgangssignals des Sensors als die Regelgröße y.

Die genannten Bestandteile (A)–(D) der Mittel zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors können hierbei, je nach gewählter Ausgestaltung der Regel-Einrichtung, innerhalb der Regel-Einrichtung oder als separate Vorrichtung ausgestaltet sein, wobei es sich vorzugsweise anbietet, die Bestandteile (A) und (C) innerhalb der Regel-Einrichtung anzuordnen und die Bestandteile (B) und (D) außerhalb der Regel-Einrichtung vorzusehen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Bestandteil (A) eine Einrichtung zum Öffnen des Regelkreises und/oder eine Einrichtung zum Festhalten der Messgröße in der Regel-Einrichtung, wobei jede der genannten Einrichtungen auf ihre jeweilige Art zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung eingerichtet ist. Hierbei kann die Anordnung zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung derart ausgestaltet werden, dass sich dadurch der Regelkreis kurzzeitig öffnen lässt, indem vorzugsweise die Stellgröße u am Ausgang des Reglers und/oder die Regelgröße y am Ausgang des Sensors, insbesondere über eine kurze Zeitdauer, festgehalten werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann die Anordnung zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie das Festhalten der Stellgröße u an einem Ausgang des Reglers oder das Festhalten der Regelgröße y an einem Ausgang des Sensors ermöglicht. Die Einrichtung zum Festhalten der Stellgröße u kann hierbei insbesondere derart ausgestaltet sein, dass sie eine Einrichtung zur Umgehung des Reglers, d.h. einen so genannten „Bypass“, aufweist oder eine Einrichtung zur Einstellung des Reglers als Proportionalglied umfasst, wodurch sich das Ausgangssignal des Reglers höchstens durch einen konstanten Wert von dem Eingangssignal des Reglers unterscheiden kann.
Der Bestandteil (A) der Mittel zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors kann somit eine Grundlage für eine Schätzung der Parameter der Regelstrecke in einem offenen Regelkreis als auch in einem geschlossenen Regelkreis bereitstellen. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, die Schätzung der Parameter im Regelkreis dann durchzuführen, wenn sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Zustand befindet, in welchem sich die Charakteristik der Regelstrecke und gleichzeitig auch die zu bestimmende Eigenschaft des fluiden Mediums, beispielsweise eine Konzentration des Abgases der Verbrennungskraftmaschine, nur langsam ändern. Dies kann vorzugsweise in einer Nachlaufphase eines Kraftfahrzeugs erfolgen, währenddessen in der Regel nur eine sehr geringe Gasdynamik auftreten kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schätzung während eines Zeitintervalls durchgeführt wird, wenn die Regelgröße y möglichst gut an die Führungsgröße r für die Regel-Einrichtung angeglichen ist.
Der weitere Bestandteil (B) der Mittel zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors umfasst vorzugsweise einen Signalgenerator, welcher zur Erzeugung eines Anregungssignals w bereitgestellt wird. Als Signalgenerator kann hierbei eine bekannte Vorrichtung dienen, welche dazu eingerichtet ist, um elektrische und/oder elektronische Signale über einen möglichst weiten Frequenzbereich bereitzustellen. Derartige Anregungssignale können beispielsweise Sprungsignale, Impuls-Signale, sinusförmige Signale mit unterschiedlichen Frequenzen, Chirp-Signale, Signale aus Zufallssequenzen und/oder (Pseudo-)Noise Signale umfassen.
Das Anregungssignal w aus dem Signalgenerator wird vorzugsweise mittels des Bestandteils (C) der Mittel zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors in den Regelkreis eingebracht. Hierzu ist vorzugsweise ein Addierer vorgesehen, welcher dazu eingerichtet ist, um das Anregungssignal zu einem Ausgangssignal des Reglers, insbesondere zu einem Signal, welches für diesen Zweck insbesondere aus der Anordnung zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einheit gemäß Bestandteil (A) bereitgestellt wird, vorzugsweise zur Stellgröße u, oder zu der Führungsgröße r für die Regel-Einrichtung, hinzuzufügen. Der Addierer bezeichnet hierbei eine elektrische und/oder elektronische Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, um aus mindestens zwei Eingangssignalen wenigstens ein Ausgangssignal zu formen, wobei das Ausgangssignal des Addierers vorzugsweise eine Amplitude zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweist, welche einer Summe der Amplituden der Eingangssignale zu dem bestimmten Zeitpunkt entspricht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Bestandteil (D) der Mittel zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors eingerichtet zur Aufnahme des Ausgangssignal des Sensors als Regelgröße y und zur Aufnahme eines weiteren Eingangssignals, welches das Anregungssignal w selbst ist oder welches das Eingangssignal w umfasst, beispielsweise die Summe des Anregungssignals w mit der Stellgröße u. Weitere Ausgestaltungen sind hier denkbar. Somit kann das Anregungssignal w sowohl auf die Regelstrecke gegeben werden, d.h. dem Sensor als Eingangssignal zugeführt werden, und außerdem direkt zur Analyse-Einheit geführt werden, um auf diese Weise einen Vergleich zwischen dem Anregungssignal w und der Regelgröße y, welche erfindungsgemäß dem Ausgangssignal des Sensors entspricht, zu ermöglichen. Folglich kann die Analyse-Einheit in dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung dazu eingesetzt werden, um den Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und dem Eingangssignal des Sensors in dem Frequenzbereich oder in dem Zeitbereich darstellen, was definitionsgemäß der oben beschriebenen Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors entspricht.
Auf diese Weise kann die Analyse-Einheit zur Schätzung der Übertragungsfunktion der Strecke und/oder der Parameter der Regel-Einrichtung eingesetzt werden. Zur Schätzung der genannten Größen kann hierbei insbesondere auf mindestens eines der folgenden Schätzverfahren zurückgegriffen werden:

– Frequenzanalyse,
– Spektralanalyse;
– Least-Square-Verfahren;
– Maximum-Likelyhood Verfahren;
– iterative und/oder rekursive Verfahren;
– Korrelationsverfahren; und/oder
– adaptive Filter.

Zur Schätzung der Parameter der Regel-Einrichtung können darüber hinaus a priori bekannte Kenntnisse mit einfließen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Verfahren vorzugsweise auf einer oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird. Hierzu wird in der beschriebenen Vorrichtung, welche zumindest einen Sensor und eine Regel-Einrichtung zur Regelung des Sensors aufweist, die Übertragungsfunktion des Sensors erfasst. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird hierbei auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
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 Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, um das elektronische Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen, gespeichert ist, zu umfassen. Die elektronische Steuereinrichtung kann hierbei in das elektronische Steuergerät aufgenommen oder in Form einer gesonderten Einrichtung ausgestaltet sein.
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 einen Sensor, welcher zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist (Stand der Technik);
2 eine schematische Darstellung der Struktur eines adaptiven Reglers, welcher zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist (Stand der Technik);
3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums im geöffneten Regelkreis;
4 eine schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge von Signalen bei einer Öffnung des Regelkreises in der Vorrichtung gemäß 3;
5 eine schematische Darstellung von Amplituden der Sprungantworten zweier Regelstrecken mit unterschiedlicher Zeitkonstante aus 4;
6 eine schematische Darstellung zweier Übertragungsfunktionen der beiden Regelstrecken mit unterschiedlicher Zeitkonstante aus 5;
7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im geöffneten Regelkreis;
8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im geschlossenen Regelkreis;
9 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im geschlossenen Regelkreis;
10 ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäß geregelten Spannung an der äußeren Pumpelektrode eines Sauerstoff-Sensors;
11 ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäß geregelten Spannung an der inneren Pumpelektrode eines Sauerstoff-Sensors;
12 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Sprungsignals und der zugehörigen Sprungantwort im offenen Regelkreis;
13 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Sprungsignals und der zugehörigen Sprungantwort im geschlossenen Regelkreis;
14 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sensor-Diagnose für den Fall eines intakten Sensors;
15 das Ausführungsbeispiel aus 14 für den Fall eines defekten Sensors;
16 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Messdaten des Sprungsignals und der zugehörigen Sprungantwort im offenen Regelkreis; und
17 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Messdaten des Sprungsignals und der zugehörigen Sprungantwort im geschlossenen Regelkreis.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen aus dem Stand der Technik bekannten Sensor 110, welcher zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignet ist.
Der Sensor 110, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NO_x bezeichnet, in einem Gasgemisch, insbesondere 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. Die Nernst-Elektrode 132 verfügt über eine elektrisch leitende Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM. Die Referenzelektrode 134 verfügt über eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einem Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122, wobei sich an dem Anschluss Vs eine Nernst-Spannung einstellt, welche sich aus einem Verhältnis von Sauerstoff-Partialdrücken in dem Messgasraum 126 und einem Referenzgasraum 138 ergibt. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem Messgasraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 110 wird hierzu in den 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, welches das externe elektronische Steuergerät 122 mittels des Anschlusses Vs bestimmen kann.
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 einer festen Spannung an die NO_x-Gegenelektrode 144, bevorzugt in Höhe von 450 mV, lässt sich mittels eines zweiten Pumpstroms IP2 durch die zweite Pumpzelle 140 ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, ermitteln, welche zwischen der NO_x-Pumpelektrode 142 und der NO_x-Gegenelektrode 144 transportiert werden.
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 erforderliche Betriebstemperatur, bringen kann.
2 zeigt schematisch die Struktur eines aus dem Stand der Technik bekannten und so genannten selbst einstellenden oder adaptiven Reglers 152, welcher zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder in einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Der adaptive Regler 152 verfügt hierbei über einen Regelkreis 154, welcher eine Regeleinrichtung 156 und eine, von der Regeleinrichtung 156 mittels eines Reglers 158 regelbare Regelstrecke 160 umfasst. Die Regel-Einrichtung 156 kann dadurch eine Einflussnahme auf die Regelstrecke 160 ausüben, indem durch eine Bereitstellung einer Stellgröße u mittels des Reglers 158 als Eingangssignal 162 für die Regelstrecke 160 das Ausgangssignal 164 der Regelstrecke 160 als Regelgröße y einsetzbar ist. Die Regelgröße y ist hierbei zum einen an eine Führungsgröße r für die Regeleinrichtung 156 anpassbar (normale Regelung) und dient zum anderen zusammen mit der Stellgröße u als Eingang für eine Einrichtung 166 zum Schätzen der Parameter der Regelstrecke 160 (adaptiver Regler).
Die in der Einrichtung 166 zum Schätzen der Parameter der Regelstrecke 160 ermittelten geschätzten Parameter werden an eine Einrichtung 168 zur Berechnung der Parameter des Reglers 158 übergeben, wobei der Regler 158 im Rahmen des adaptiven Reglers 152 dazu eingerichtet ist, die Stellgröße u nicht nur aus der Regelgröße y und der Führungsgröße r, sondern auch unter Berücksichtigung von Regler-Parametern, welche auf die ermittelten geschätzten Parameter bezogen sind, zu bestimmen. Folglich verfügt der adaptive Regler 152 über zwei ineinander angeordnete Regelschleifen, zum einen den Regelkreis 154, welcher als innere Schleife derjenigen eines regulären, linearen rückgekoppelten Reglers entspricht, und einen Regel-Schätzkreis 170, welcher als äußerer Kreis die Einrichtung 166 zum Schätzen der Parameter der Regelstrecke 160, die Einrichtung 168 zur Berechnung der Parameter des Reglers 158 und den Regler 158 umfasst. Auf diese Weise lassen sich die Parameter des Reglers 158 an Änderungen in der Regelstrecke 160 anpassen, insbesondere auch an größere Variationen, welche in der Regelstrecke 160 auftreten, ohne dass es hierbei zu einer Verschlechterung der Leistung des adaptiven Reglers 152 kommt. Hierbei kann der adaptive Regler 152 neben größeren, kurzfristigen Änderungen auch größere, langsamere Änderungen der Regelstrecke 160 ausgleichen, um auf diese Weise eine stabile und konstante Leistung des adaptiven Reglers 152 zu erreichen.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 170 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums. Die Vorrichtung 170 verfügt hierbei über einen Sensor 110 und eine Regeleinrichtung 156 zur Regelung des Sensors 110, welche zur Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums eingerichtet ist. Der Sensor 110 weist eine Einrichtung zur Aufnahme des Eingangssignals 162 und eine Einrichtung zur Abgabe des Ausgangssignals 164 auf. Die Regeleinrichtung 156 und der Sensor 110 sind derart in dem Regelkreis 154 angeordnet, dass der Sensor die Regelstrecke 160 für die Regeleinrichtung 156 darstellt, wobei die Regeleinrichtung 156 durch die Bereitstellung der Stellgröße u mittels des Reglers 158, welcher als digitaler Controller 172 ausgestaltet sein kann, das Eingangssignal 162 der Regelstrecke 160 beeinflussen kann.
Erfindungsgemäß verfügt die Vorrichtung 170 insbesondere über folgende Mittel 174 zur Erfassung der Übertragungsfunktion des Sensors:

– eine Anordnung 176 zum Festlegen einer Messgröße in der Regel-Einrichtung (entsprechend Bestandteil A), welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Einrichtung 178 zum Öffnen des Regelkreises 154 und einen Speicher 180 zum Festhalten der Stellgröße u einem Ausgang des Reglers 158 aufweist;
– einen Signalgenerator 182 zur Erzeugung eines Anregungssignals w (entsprechend Bestandteil B);
– einen Addierer 184 zur Einbringung des Anregungssignals b in den Regelkreis 154 (entsprechend Bestandteil C), wobei der Addierer 184 derart in den Regelkreis 154 eingebracht ist, dass das Anregungssignal w zu der Stellgröße u als Ausgangssignal des Reglers 158 hinzugefügt werden kann; und
– eine Analyse-Einheit 186 (entsprechend Bestandteil D), welche zur Aufnahme des Ausgangssignals 164 des Sensors 110 als Regelgröße y und zur Aufnahme des Anregungssignals w aus dem Signalgenerator 182 eingerichtet ist.

4 zeigt schematisch die zeitliche Abfolge von Signalen bei einer Öffnung des Regelkreises 154 in der Vorrichtung 170 aus 3. In 4a) ist der zeitliche Verlauf der Stellgröße u vor dem Zeitpunkt des Öffnens 188 des Regelkreises 154, während des Zeitraums des offenen Regelkreises 190 und nach dem Schließen 192 des Regelkreises 154 dargestellt. Das Öffnen 118 des Regelkreises 154 unterbricht kurzzeitig die Regelwirkung und sorgt dafür, dass während des offenen Regelkreises 190 die festgehaltene Stellgröße u des Reglers 158 und das Anregungssignal w des Signalgenerators 182 gemeinsam als modifizierte Stellgröße u‘ als Eingangssignal 162 in den Sensor 110 als Regelstrecke 160 gegeben werden.
In diesem Zusammenhang zeigen 4b) den zeitlichen Ablauf des Anregungssignals w während des offenen Regelkreises 190 und 4c) die modifizierte Stellgröße u‘ als Eingangssignal 162 der Regelstrecke 160 vor dem Öffnen 188 des Regelkreises 154, während des offenen Regelkreises 190 und nach dem Schließen 192 des Regelkreises 154.
Die hierdurch schließlich erhaltene Regelgröße y ist in 4d) dargestellt. Auf diese Weise wird das Anregungssignal w mittels des Addierers 184 auf die festgehaltene Stellgröße u des Reglers 158 addiert: u‘ = u + w.
Das in 4b) dargestellte Sprungsignal 194, welches als Anregungssignal w für den Regelkreis 154 dient, erzeugt folglich die in 4d) schematisch dargestellte Sprungantwort 196, welche in 5 für zwei verschiedene Regelstrecken 160, 160‘, welche über unterschiedliche Zeitkonstanten verfügen, schematisch dargestellt ist.
Aus den in 5 für das erste Ausführungsbeispiel schematisch dargestellten Sprungantworten 196 der beiden Regelstrecken 160, 160‘ lassen sich die Übertragungsfunktionen 200, 200‘ der beiden Regelstrecken 160, 160’ als Funktion der Frequenz ableiten. Alternativ können die Sprungantworten 196 der beiden Regelstrecken 160, 160‘ sich als die Übertragungsfunktionen 200, 200‘ der beiden Regelstrecken 160, 160’ als Funktion der Zeit abgeleitet werden (nicht dargestellt). Die hierfür erhaltenen Ergebnisse sind in der 6 schematisch dargestellt, welche Amplitude 198 und Phase 202 der beiden Übertragungsfunktionen 200, 200‘ jeweils als Funktion der Frequenz zeigt. Die in der Analyse-Einheit 186 gewonnene Übertragungsfunktion 200, 200‘ des Sensors 110 ist somit in der Einflussnahme der Regel-Einrichtung 156 auf die Regelstrecke 160, 160‘ einsetzbar, insbesondere indem eine Änderung der Übertragungsfunktion 200, 200‘ des Sensors 110 durch eine Veränderung der Einflussnahme der Regel-Einrichtung 156 auf die Regelstrecke 160, 160‘ kompensierbar ist.
In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 170 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums dargestellt, welche über die folgenden Mittel 174 zur Erfassung der Übertragungsfunktion 200 des Sensors 110 verfügt:

– die Anordnung 176 zum Festlegen einer Messgröße in der Regel-Einrichtung 156 (entsprechend Bestandteil A), welche hier über einen Speicher 180 zum Festhalten der Messgröße, die hier die Regelgröße y darstellt, und alternativ entweder über einen Bypass 204 zur Umgehung des Reglers 158 oder eine Einrichtung 206 zur Einstellung des Reglers 158 als Proportionalglied verfügt;
– den Signalgenerator 182 zur Erzeugung des Anregungssignals w (entsprechend Bestandteil B);
– den Addierer 184 (entsprechend Bestandteil C), welcher hier das Anregungssignal w zu der Führungsgröße r für die Regeleinrichtung 156 addiert; und
– die Analyse-Einheit 186 (entsprechend Bestandteil D), welche das Anregungssignal w und die Regelgröße y als Ausgangssignal 164 der Regelstrecke 160 als Eingangssignale aufweist.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das in 7 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 170 wird auf das in 3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 170 verwiesen.
In 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 170 dargestellt, welche dazu eingerichtet ist, dass die Erfassung der Übertragungsfunktion 200 des Sensors 110 im geschlossenen Regelkreis 154 erfolgen kann. In diesem Falle kann der Regler 158, welcher insbesondere als digitaler Controller 172 ausgestaltet ist, die Funktion der Anordnung 176 zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung 156 übernehmen. Dem Ausgangssignal u des Reglers 158 wird in dem Addierer 184 das vom Signalgenerator 182 erzeugte Anregungssignal hinzugefügt und dem Sensor 110 als die Regelstrecke 160 zugeleitet. Der Analyseeinheit 186, welche hier als Einrichtung 166 zum Schätzen der Parameter der Regelstrecke 160 eingesetzt wird, stehen als Eingangssignale das Anregungssignal w und die Regelgröße y zur Verfügung.
In einer besonderen Ausführungsform kann alternativ neben der Regelgröße y auch die modifizierte Stellgröße u‘ = u + w als Eingangssignal für die Analyseeinheit 186 dienen.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die in 8 dargestellte Vorrichtung 170 wird darüber hinaus auch auf die in 3 dargestellte Vorrichtung 170 verwiesen.
In 9 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 170 dargestellt, in welcher die Schätzung der Parameter der Regelstrecke ebenfalls im geschlossenen Regelkreis vorgenommen werden kann. Auch hier dienen, in Analogie zu der in 7 dargestellten Vorrichtung 170, ein Bypass 240 oder alternativ eine Einrichtung 206 zur Einstellung des Reglers 158 als Proportionalglied als die Anordnung 176 zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung 156.
Für weitere Einzelheiten der in 9 dargestellten Vorrichtung 170 wird auf die Beschreibung zur 7 verwiesen.
In den 10 und 11 ist jeweils ein elektrisches Schallbild einer erfindungsgemäß geregelten Spannung an der äußeren Pumpelektrode 114 (10) bzw. an der inneren Pumpelektrode 116 (11) eines Sauerstoffsensors 110 schematisch dargestellt, wozu jeweils ein gesteuerter Spannungstreiber 208 eingesetzt wird. Alternativ können in analoger Weise (nicht dargestellt) jeweils auch der Strom an der äußeren Pumpelektrode 114 bzw. an der inneren Pumpelektrode 116 geregelt werden, wozu jeweils an Stelle des gesteuerten Spannungstreibers 208 eine gesteuerte Stromquelle (nicht dargestellt) eingesetzt wird.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die in den 10 und 11 dargestellten Schaltungen wird insbesondere auf die 8 verwiesen.
Beispielhaft für das erfindungsgemäße Verfahren zeigt 12 in Form einer Oszilloskop-Aufnahme den zeitlichen Verlauf des Sprungsignals 194 als zeitlicher Verlauf der Spannungen U_VP1 (aufgenommen im Sensor 110) und U_VS gegenüber dem zeitlichen Verlauf der zugehörigen Sprungantwort 196, erhalten durch den zeitlichen Verlauf der Spannungen U’_VP1 (aufgenommen im elektronischen Steuergerät 122) beziehungsweise U_P1 im offenen Regelkreis 190.
13 zeigt ebenfalls in Form einer Oszilloskop-Aufnahme den zeitlichen Verlauf des Sprungsignals 194 als Anregungssignal w und den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Sprungantwort 196 in dem geschlossenen Regelkreis 154.
In den 14 und 15 ist in Form von weiteren Oszilloskop-Aufnahmen dargestellt, wie die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelte Übertragungsfunktion 200 des Sensors 110 auch für eine weitere Aufgabe eingesetzt werden kann, welche in einer elektrischen Diagnose des Sensors 110 und der Bauelemente seiner Beschaltung besteht. Während in 14 die aus der 12 bekannten Spannungen gegenüber der Zeit für einen intakten Sensor mit einem intakten Sensorelement und einer intakten Beschaltung dargestellt ist, zeigt 15 den zeitlichen Verlauf derselben Spannungen für den Fall, dass im geschlossenen Regelkreis eine beschädigte äußere Beschaltung vorliegt. Aufgrund der erkennbaren Unterschiede zwischen den zeitlichen Verläufen der Spannungen in den 14 und 15 kann auf diese Weise die elektrische Diagnose des Sensors vorgenommen werden.
Die 16 und 17 zeigen schließlich beispielhaft mit dem Oszilloskop aufgenommene Messdaten, bei welchen das Sprungsignal 194 als Anregungssignal w und die zugehörige Sprungantwort 196 der Regelstrecke 160 einander gegenüber gestellt werden. Während die Messdaten in 16 in einer Vorrichtung 170 mit offenem Regelkreis 190 aufgenommen wurden, betreffen die Messdaten in 17 die Vorrichtung 170 mit geschlossenem Regelkreis 154.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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]
Reif, K., Deitsche, K.-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer-Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 180–185 [0011]

Claims

Vorrichtung (170) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, zumindest umfassend einen Sensor (110) und eine Regel-Einrichtung (156) zur Regelung des Sensors (110), wobei der Sensor (110) zur Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums eingerichtet ist, wobei der Sensor (110) über mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme eines Eingangssignals (162) und zur Abgabe mindestens eines Ausgangssignals (164) verfügt, wobei die Regel-Einrichtung (156) und der Sensor (110) derart in einem Regelkreis (154) angeordnet sind, dass der Sensor (110) als Regelstrecke (160, 160‘) für die Regel-Einrichtung (156) dient, wobei die Regel-Einrichtung (156) derart zu einer Einflussnahme auf die Regelstrecke (160, 160‘) eingerichtet ist, dass durch eine Bereitstellung einer Stellgröße u mittels eines Reglers (158) das Ausgangssignal (164) des Sensors (110) so als Regelgröße y einsetzbar ist, dass die Regelgröße y an eine Führungsgröße r für die Regel-Einrichtung (156) angleichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Mittel (174) zur Erfassung einer Übertragungsfunktion (200, 200‘) des Sensors (110) vorgesehen sind, wobei die Übertragungsfunktion (200, 200‘) einen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal (164) des Sensors (110) und dem Eingangssignal (162) des Sensors (110) in einem Frequenzbereich oder in einem Zeitbereich darstellt, und wobei die Übertragungsfunktion (200, 200‘) in der Einflussnahme der Regel-Einrichtung (156) auf die Regelstrecke (160, 160‘) einsetzbar ist.
Vorrichtung (170) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Übertragungsfunktion (200, 200‘) durch eine Veränderung der Einflussnahme der Regel-Einrichtung (156) auf die Regelstrecke (160, 160‘) kompensierbar ist.
Vorrichtung (170) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (174) zur Erfassung der Übertragungsfunktion (200, 200‘) zumindest folgende Bestandteile umfassen: (A) eine Anordnung (176) zum Festlegen einer Messgröße in der Regel-Einrichtung (156); (B) einen Signalgenerator (182) zur Erzeugung eines Anregungssignals w; (C) einen Addierer (184) zur Einbringung des Anregungssignals w in den Regelkreis (154); und (D) eine Analyse-Einheit (186) zur Auswertung des Ausgangssignals (164) des Sensors (110) als die Regelgröße y.
Vorrichtung (170) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (176) zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung (156) eine Einrichtung (178) zum Öffnen des Regelkreises und/oder eine Einrichtung zum Festhalten der Messgröße in der Regel-Einrichtung umfasst.
Vorrichtung (170) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (176) zum Festlegen der Messgröße in der Regel-Einrichtung (156) eingerichtet ist zum Festhalten der Stellgröße u an einem Ausgang des Reglers (158) oder zum Festhalten der Regelgröße y an einem Ausgang des Sensors (110).
Vorrichtung (170) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Festhalten der Stellgröße u einen Bypass (204) zur Umgehung des Reglers (158) oder eine Einrichtung (206) zur Einstellung des Reglers (158) als Proportionalglied umfasst.
Vorrichtung (170) nach einem der vier vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Addierer (184) derart in den Regelkreis (156) eingebracht ist, dass das Anregungssignal w hinzufügbar ist zu einem Ausgangssignal des Reglers (158) oder zu der Führungsgröße r für die Regel-Einrichtung (156).
Vorrichtung (170) nach einem der fünf vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse-Einheit (186) eingerichtet ist zur Aufnahme des Ausgangssignals (164) des Sensors als die Regelgröße y und zur Aufnahme eines weiteren, das Anregungssignal w umfassenden Eingangssignals, insbesondere des Anregungssignals w selbst.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Vorrichtung (170) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche zumindest einen Sensor (110) und eine Regel-Einrichtung (156) zur Regelung des Sensors (110) umfasst, zur Erfassung einer Übertragungsfunktion (200, 200‘) des Sensors (110) eingesetzt wird.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach dem vorangehenden Anspruch durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronische Steuereinrichtung, welche ein elektronisches Speichermedium nach dem vorangehenden Anspruch umfasst.