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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Fettgas-Messfähigkeit (nachfolgend auch: Fettmessfähigkeit) einer in einem Abgaskanal einer mager betriebenen Brennkraftmaschine angeordneten Abgassonde. Die Struktur der Abgassonde setzt eine Diffusionsbarriere voraus, über die Abgas von dem Abgaskanal in einen Messhohlraum der Abgassonde gelangen kann, ferner eine elektrochemische Pumpzelle, die eine in dem Messhohlraum angeordnete innere Pumpelektrode, eine außerhalb des Messhohlraums angeordnete äußere Pumpelektrode und einen zwischen der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode angeordneten Festelektrolyten umfasst, wobei durch Anlegen einer Pumpspannung zwischen der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode Sauerstoff entsprechend eines – zum Beispiel über eine Zuleitung – zu der inneren Pumpelektrode fließenden elektronischen Pumpstroms aus dem bzw. in den Messhohlraum transportierbar ist.
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Der Begriff Brennkraftmaschine kennzeichnet im Rahmen dieser Anmeldung beispielsweise einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges. Andererseits kann es sich auch um einen Brenner, beispielsweise einer Heizeinrichtung, handeln.
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Der Begriff „mager“ kennzeichnet im Rahmen dieser Anmeldung grundsätzlich einen Sauerstoffüberschuss. Demgemäß ist das magere Betreiben einer Brennkraftmaschine dahingehend zu verstehen, dass der Verbrennung eines Kraftstoffs mehr Sauerstoff zugeführt wird, als zu dessen vollständiger Oxidation theoretisch notwendig wäre. Folglich liegt im Abgas so einer Verbrennung ein gewisser Sauerstoffanteil vor bzw. auch im Abgas liegt mehr Sauerstoff vor als theoretisch notwendig wäre, um noch nicht vollständig oxidierte Bestandteile des Abgases, die dort eventuell vorhanden sind, vollständig zu oxidieren. Man spricht insofern von magerem Abgas.
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Der Begriff „fett“ kennzeichnet im Rahmen dieser Anmeldung grundsätzlich einen Sauerstoffmangel. Demgemäß ist das fette Betreiben einer Brennkraftmaschine dahingehend zu verstehen, dass der Verbrennung eines Kraftstoffs weniger Sauerstoff zugeführt wird, als zu dessen vollständiger Oxidation theoretisch notwendig wäre. Folglich liegt im Abgas solch einer Verbrennung so viel unverbrannter Kraftstoff vor, dass auch ein eventuell verbliebener Sauerstoffgehalt im Abgas auch theoretisch nicht ausreicht, diesen Kraftstoff noch vollständig oxidieren zu können.
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An die Strukturmerkmale der in dem Verfahren zum Einsatz kommenden Abgassonde sind im einzelnen insbesondere keine besonders strengen Anforderungen zu stellen. So ist unter einem Messhohlraum insbesondere lediglich zu fordern, dass er innerhalb der Abgassonde angeordnet ist und mit dem Abgas fluidisch kommuniziert, wobei der Zutritt des Abgases in den Messhohlraum durch eine Diffusionsbarriere limitiert wird. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise ein poröser Körper oder ein enger Kanal sein.
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Bei der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode handelt es sich insbesondere um Elektroden mit einem Edelmetallanteil, beispielsweise einem Anteil aus Platin und/oder Gold. Bei den Festelektrolyten handelt es sich beispielsweise um einen Körper und/oder eine Schicht die Sauerstoffionen zu leiten vermag, beispielsweise aus entsprechend dotiertem Zirkonoxid, zum Beispiel aus mit Yttriumoxid dotiertem Zirkonoxid (YSZ).
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Derartige Abgassonden sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise als Breitband-Lambdasonden mit einer einzigen elektrochemischen Pumpzelle. Ferner sind Breitband-Lambdasonden bekannt, bei denen eine elektrochemische Pumpzelle mit einer Konzentrationszelle zusammenwirkt. Auch komplexere elektrochemische Sensoren sind beispielsweise als NOx-Sensor bekannt und umfassen ebenfalls zumindest eine elektrochemische Pumpzelle.
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Die Messfunktion derartiger Abgassensoren basiert im Kern darauf, dass der zu oder von der inneren Pumpelektrode bzw. der zu oder von der äußeren Pumpelektrode fließende elektronische Pumpstrom mit der Sauerstoffkonzentration im Abgas korreliert ist. Insbesondere werden derartige Abgassensoren im Grenzstrombetrieb betrieben. Dabei wird an die elektrochemische Pumpzelle eine Spannung angelegt, die ausreichend ist, stets sämtlichen über die Diffusionsbarriere in den Messhohlraum gelangenden Sauerstoff vollständig abzupumpen. Die Menge des abzupumpenden Sauerstoffs entspricht dann der Menge des über die Diffusionsbarriere in den Messhohlraum gelangenden molekularen Sauerstoffs und ist proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas. Der dabei zu der elektrochemischen Pumpzelle fließende elektronische Pumpstrom, der beispielsweise durch eine Zuleitung zu der inneren Pumpelektrode fließt, ist folglich ebenfalls proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas.
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Ist die Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch (mageres Abgas) gelangt Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere in den Messhohlraum und wird von dort durch die elektrochemische Pumpzelle abtransportiert. Genau genommen wird hierbei Sauerstoff in Form von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten transportiert und an der äußeren Pumpelektrode wieder als molekularer Sauerstoff freigesetzt.
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Ist die Sauerstoffkonzentration im Abgas gering (fettes Abgas) wird Sauerstoff durch die elektrochemische Pumpzelle in den Messhohlraum hinein transportiert. Genau genommen wird hierbei Sauerstoff in Form von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten transportiert. Er wird aber an der inneren Pumpelektrode nicht wieder als molekularer Sauerstoff freigesetzt, sondern an der inneren Pumpelektrode erfolgt die Oxidation von im Abgas enthaltenem Wasserstoff zu Wasser und/oder von im Abgas enthaltenem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid.
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Die Fähigkeit der inneren Pumpelektrode, die vorgenannte Oxidation zu katalysieren, geht im Laufe ihrer Lebensdauer bzw. im Laufe der Lebensdauer der Abgassonde unter Umständen zurück. Entsprechend vermindert ist das Ausgangssignal der Abgassonde bei fettem Abgas. Ab einem gewissen Rückgang spricht man von einem Verlust der Fettmessfähigkeit, also dem Verlust der Fähigkeit, das Vorliegen eines fetten Abgases festzustellen.
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Gemäß gesetzlichen Vorschriften müssen die Abgassonden im Betrieb regelmäßig überprüft werden, insbesondere muss die Fettmessfähigkeit überwacht werden. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit dies zu tun, sieht vor, durch Eingriff in das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgassonde gezielt ein fettes Abgas zuzuführen und das Ausgangssignal der Abgassonde daraufhin zu bewerten, ob sein Betrag oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt. Nachteilhaft an diesem Verfahren ist es jedoch, dass Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, zwecks Verbrauchs- und Emissionsminimierung über relativ lange Betriebsphasen mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben werden, das einen Sauerstoffüberschuss aufweist, was zur Folge hat, dass im Abgas ebenfalls stets Sauerstoffüberschuss vorliegt (mageres Abgas). Ein zwecks der Diagnose gezielt herbeigeführter Fettbetrieb führt so zu einer erhöhten Emission von Schadstoffen sowie zu einem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch.
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Es sind jedoch auch bereits Ansätze bekannt, die Fettmessfähigkeit von Abgassensoren im Abgas einer Brennkraftmaschine, die mit Sauerstoffüberschuss betrieben wird, durchzuführen, sodass die Fettmessfähigkeit stets ohne Eingriff in das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoffgemisch diagnostizierbar ist.
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Aus der
DE 10 2014 200 068 A1 der Anmelderin ist insofern bekannt, bei an sich magerem Abgas durch phasenweises Erhöhen der Pumpspannung im Messhohlraum die Sauerstoffkonzentration weiter zu vermindern sowie Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu reduzieren, sodass nachfolgend aus Sicht des Abgassensors für einen gewissen Zeitraum Verhältnisse vorliegen, wie in einem fetten Abgas. Innerhalb dieses Zeitraums erfolgt dann die Diagnose der Fettmessfähigkeit durch Reduzieren der Pumpspannung auf ihren Ausgangswert und nachfolgende Erfassung und Bewertung eines durch die elektrochemische Pumpzelle in den Messhohlraum hinein gerichteten Transport an Sauerstoffionen bzw. eines entsprechenden Pumpstroms. Dieser letztgenannte Pumpstrom entspricht insofern tatsächlich physikalisch dem Pumpstrom, der bei einem intakten Sensor in fettem Abgas auch auftreten muss, wenn die Fettmessfähigkeit gegeben ist. Aus seinem Auftreten in ausreichender Höhe kann auf die Fettmessfähigkeit geschlossen werden. Der Sensor wird bei diesem Verfahren durch Hin- und Rücktransport von Sauerstoff gleichsam zum „Atmen“ gebracht.
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Das beschriebene Verfahren hat indessen den gravierenden Nachteil, dass das für die Diagnose erforderliche Signal nur transient für eine kurze Zeit vorliegt und daher nur unzuverlässig bzw. mit hohem Aufwand gemessen werden kann.
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Ferner kommt es zu Beginn und unmittelbar nach der Diagnosephase zu einer erheblichen Änderung der Pumpspannung, die ihrerseits über kapazitive Umladungen erhebliche Ströme im Ausgangssignal des Abgassensors verursacht, die vielfach sogar höher sind als die erwünschten Messsignale und nur schwer kompensiert werden können.
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Aus der
DE 10 2014 200 063 A1 der Anmelderin ist es ferner bekannt, bei an sich magerem Abgas die Pumpspannung umzupolen und aus dem Auftreten eines Pumpstroms mit geänderter Stromrichtung und ausreichendem Betrag auf eine Fettmessfähigkeit zu schließen. Das Verfahren hat den Nachteil, dass im Messhohlraum stationär mageres Abgas vorliegt, sodass die durch den Festelektrolyten transportierten Sauerstoffionen an der inneren Pumpelektrode gar nicht Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid oxidieren, sondern als molekularer Sauerstoff ausgebaut werden. Folglich diagnostiziert das Verfahren im Kern nicht die Alterung der inneren Pumpelektrode und ist somit zur Diagnose der Fettmessfähigkeit nur teilweise geeignet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Fettmessfähigkeit in einem an sich mageren Abgas zuverlässig und einfach durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in eleganter Art und Weise gelöst. Die Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass sich chemische Systeme im Gleichgewicht mikroskopisch reversibel verhalten, eine chemische Reaktion im Gleichgewicht also stets mit der gleichen Rate wie ihre Rückreaktion erfolgt.
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Angewandt auf die Diagnose der Fettmessfähigkeit führte dies zu der überraschenden Erkenntnis, dass die Fähigkeit einer Elektrode, die Oxidation von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid zu katalysieren weitgehend mit ihrer Fähigkeit einhergehen muss, die Reduktion von Wasser und/oder Kohlenmonoxid zu katalysieren.
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Vor diesem Hintergrund wird verständlich, dass die erfindungsgemäße Maßnahme, dass während eines Magerbetriebs der Brennkraftmaschine in einer Ausgangsphase die Pumpspannung durch eine Ausgangsspannung gegeben ist und in einer Diagnosephase die Pumpspannung durch eine Diagnosespannung gegeben ist, wobei die Diagnosespannung das gleiche Vorzeichen wie die Ausgangsspannung hat, nämlich so, dass Sauerstoff in beiden Fällen aus dem Messhohlraum heraus transportiert wird, und die Diagnosespannung einen größeren Betrag als die Ausgangsspannung hat, wobei eine Änderung des Pumpstroms, die gegeben ist durch den Betrag der Differenz des Pumpstroms während der Ausgangsphase und des Pumpstroms während der Diagnosephase, bestimmt wird und dass auf ein Vorhandensein der Fettgas-Messfähigkeit der Abgassonde geschlossen wird, wenn die Änderung des Pumpstroms oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, die erfindungsgemäße Aufgabe löst.
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Denn wenn die Änderung des Pumpstroms oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, ist in dem Messhohlraum offensichtlich eine Spaltung von Wasser oder Kohlendioxid entsprechend der folgenden Reaktion erfolgt
- a): H2 + ½O2 ← H2O
- b): CO + ½O2 ← CO2.
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Dann sind aber, wie oben beschrieben, am gleichen Ort auch die Rückreaktionen möglich
- a): H2 + ½O2 ← H2O
- b): CO + ½O2 ← CO2.
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Diese Rückreaktionen sind exakt die für die Fettmessfähigkeit erforderlichen Reaktionen.
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Das erfindungsgemäße Kriterium, dass die Änderung des Pumpstroms oberhalb einer Schwelle liegt, kann auch durch ein Kriterium realisiert sein, das im Ergebnis den gleichen Schluss zulässt, etwa ausgehend von gemessenen Größen, die rechnerisch aus der Änderung des Pumpstroms hervorgehen, oder ausgehend von gemessenen Größen, die rechnerisch in eine Berechnung der Änderung des Pumpstroms eingehen, beispielsweise dem Pumpstroms während der Diagnosephase an sich oder dem differentieller Zersetzungswiderstand, auf den weiter unten noch eingegangen wird.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und/oder werden in den Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm, ein elektronisches Speichermedium und ein Steuergerät gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Betrag der Ausgangsspannung im Bereich von 200 mV bis 900 mV liegt, denn für diese Spannung ist sichergestellt, dass der Abgassensor im Grenzstrombetrieb betrieben wird. Andererseits erfolgt bei diesen Spannungen noch keine elektrochemische Spaltung von Kohlendioxid oder Wasser. Diese Ausgangsspannung kann insbesondere die Spannung sein, die anliegt, während der Sensor seine normale Messfunktion wahrnimmt.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Betrag der Diagnosespannung im Bereich von 1100 mV bis 1600 mV liegt, denn bei diesen Spannungen kann bei gegebener Fettmessfähigkeit bereits eine Zersetzung von Wasser und/oder Kohlendioxid an der inneren Pumpelektrode auftreten. Andererseits ist die Spannung niedrig genug, dass bei gealterter innerer Pumpelektrode die Rate der Zersetzung auch tatsächlich vermindert ist.
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Die Begriffe Ausgangsphase und Diagnosephase setzen grundsätzlich keine feste zeitliche Reihenfolge voraus. Es kann aber insbesondere praktikabel sein, dass die Ausgangsphase der Diagnosephase zeitlich vorausgeht, insbesondere unmittelbar zeitlich vorausgeht, insbesondere wenn die Ausgangsspannung der Spannung entspricht, die anliegt, während der Sensor seine normale Messfunktion wahrnimmt.
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Andererseits kann es auch praktikabel sein, dass die Diagnosephase der Ausgangsphase zeitlich vorausgeht, insbesondere unmittelbar zeitlich vorausgeht, insbesondere wenn die Ausgangsspannung der Spannung entspricht, die anliegt, während der Sensor seine normale Messfunktion wahrnimmt.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Ausgangsspannung der Spannung entspricht, die anliegt, während der Sensor seine normale Messfunktion wahrnimmt. Die Ausgangsspannung kann bereits eine Spannung sein, deren Betrag größer ist, und bei der bereits eine Spaltung von Wasser und/oder Kohlenmonoxid an der inneren Pumpelektrode auftritt. Der Betrag der Diagnosespannung ist dann nochmals größer. Eine Bewertung der Fettmessfähigkeit kann dann auf Basis der Spannungsdifferenz zwischen Diagnosespannung und Ausgangsspannung erfolgen, während bei einer niedrigeren Ausgangsspannung die Bewertung der Fettmessfähigkeit allein auf Basis der Diagnosespannung erfolgen muss. Da diese Spannungsdifferenz in der Praxis genauer eingestellt werden kann, als die Diagnosespannung an sich, ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren genauer ist. Auch kann unter diesen Umständen ein differentieller Zersetzungswiderstand berechnet und der weiteren Auswertung zu Grunde gelegt werden.
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Es ist zweckmäßig, dass nach einer Änderung der Pumpspannung, beispielsweise von der Diagnosespannung auf die Ausgangsspannung oder umgekehrt, stets eine Zeit gewartet wird, und erst dann der Pumpstrom gemessen wird. Auf diese Weise werden Signalstörungen vermindert. Die Wartezeit kann beispielsweise 0,3 Sekunden bis 1,5 Sekunden betragen.
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Es ist auch zweckmäßig, dass alle Schritte zur Bewertung der Fettmessfähigkeit innerhalb eines Zeitraums erfolgen, in dem sich die Zusammensetzung des Abgases, insbesondere sein Sauerstoffgehalt, nicht oder nur wenig ändert. Bevorzugt ist daher die Durchführung des gesamten Verfahrens innerhalb eines Zeitraums von nicht mehr als 10 Sekunden, insbesondere sogar von nicht mehr als 5 Sekunden.
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Ändert sich die Zusammensetzung des Abgases dennoch während der Dauer der Durchführung des Diagnoseverfahrens, kann dessen Ergebnis dadurch optimiert werden, dass der Diagnosephase eine erste Ausgangsphase zeitlich unmittelbar vorausgeht und sich eine zweite Ausgangsphase zeitlich unmittelbar anschließt und der Pumpstrom während der ersten Ausgangsphase mit dem Pumpstrom während der zweiten Ausgangsphase verrechnet wird, beispielsweise durch arithmetische Mittelwertbildung, und dass das Ergebnis der Verrechnung dem weiteren Verfahren als Pumpstrom während der Ausgangsphase zu Grunde gelegt wird.
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Das Verfahren kann weiter optimiert werden, indem Störgrößen berücksichtigt werden: So kann die Schwelle in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt im Abgas vorgegeben oder berechnet werden. So kann die Schwelle umso höher sein, je geringer der Sauerstoffgehalt im Abgas ist.
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So kann die Schwelle in Abhängigkeit von dem Wasseranteil und/oder dem Kohlendioxidanteil der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft (bzw. dem, was der Brennkraftmaschine zusätzlich zum Kraftstoff in Gasform zugeführt wird) vorgegeben oder berechnet werden. So kann die Schwelle umso höher sein, je höher der Anteil von Wasser und/oder Kohlendioxid im Abgas ist
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So kann die Schwelle in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffs vorgegeben oder berechnet werden, beispielsweise von dem Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Kohlenstoffatomen in den Molekülen des Kraftstoffs.
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Ein optionaler weiterer Verfahrensschritt, der während der Diagnosephase stattfinden kann, verifiziert, dass elektronische Pumpströme, die für den Fettmessung notwendig sind, also einem Sauerstofftransport durch die elektrochemische Zelle in den Messhohlraum hinein entsprechen, tatsächlich möglich sind und nicht, etwa aufgrund einer Fehlfunktion einer Stromversorgung, unterbleiben.
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Zu diesem Zweck kann von den – an sich aus der
DE 10 2014 200 063 A1 bekannten – Verfahrensschritten Gebrauch gemacht werden. So kann vorgesehen sein, dass ferner während der Diagnosephase in einem zeitlich getrennten Verfahrensschritt die Pumpspannung so lange geändert wird, bis der Pumpstrom bei geänderter Richtung einen vorgegebenen Betrag annimmt, sodass Sauerstoff in den Messhohlraum hinein transportiert wird, und dass nur unter der weiteren Voraussetzung auf ein Vorhandensein der Fettmessfähigkeit der Abgassonde geschlossen wird, dass der Betrag der geänderten Pumpspannung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, insbesondere unterhalb einer vorgegebenen Schwelle, liegt.
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Weiterbildungen dieses Verfahrensschritts sind in der
DE 10 2014 200 063 A1 angegeben, deren Inhalt in diese Anmeldung aufgenommen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein Sensorelement einer einzelligen Breitband-Lambdasonde.
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2 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Pumpstroms Ip von der Pumpspannung Up im statischen Fall bei einem Sensorelement gemäß 1
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3 in einem Diagramm beispielhaft den Pumpstroms Ip und die Pumpspannung Up bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt das Sensorelement 10 einer einzelligen Abgassonde mit einem Festelektrolyten 11 als Grundkörper und einem Diffusionskanal 14, der zu einem Abgaskanal einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine hin geöffnet ist. Die Abgassonde dient als Lambda-Sonde zur Bestimmung der Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs. Der Festelektrolyt 11 ist beispielhaft aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gefertigt, das bei Betriebstemperatur ionenleitend ist und mit einer geeigneten Anordnung von Elektroden und Gas-Zuführungen zur Bestimmung einer Konzentration bestimmter Komponenten einer Gas-Zusammensetzung geeignet ist. Abgas 18 tritt über den Diffusionskanal 14 durch eine Diffusionsbarriere 13 in einen Messhohlraum 12. Die Diffusionsbarriere 13 ist ein poröses Element, welches einen Transport von Gas aus dem Abgas in den Messhohlraum 12 oder in umgekehrter Richtung drosselt. In dem Messhohlraum 12 ist ein Teil der Wandung des Festelektrolyten 11 mit einer ersten inneren Pumpelektrode 22 belegt, die über eine zweite Zuleitung 46 nach außen geführt ist. Der Festelektrolyt 11 weist weiterhin einen Referenzgaskanal 15 auf, der mit einem porösen, gasdurchlässigen Medium ausgefüllt ist und dessen Wandung teilweise mit einer zweiten Pumpelektrode 21 belegt ist. Die zweite Pumpelektrode 21 ist über eine erste Zuleitung 45 nach außen geführt. Der Referenzgaskanal 15 wird auch als Abluftkanal (ALK), die zweite Pumpelektrode 21 auch als Abluftelektrode (ALE) bezeichnet. Die innere Pumpelektrode 22 und die zweite Pumpelektrode 21 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren des als Schichtaufbau ausgeführten Grundkörpers angeordnet. Die innere Pumpelektrode 22, die zweite Pumpelektrode 21 und der dazwischen liegende Teil des Festelektrolyten 11 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 20.
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Weiterhin umfasst die Abgassonde in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 16 mit einem Isolationsmaterial 17, welche das Heizelement 16 umgibt und bei Betriebstemperatur einen elektrischen Kontakt zu anderen Komponenten in der Abgassonde verhindert. Das Heizelement 16 wird über einen ersten Heizanschluss 43 und einen zweiten Heizanschluss 44 mit Betriebsspannung versorgt. Die Betriebsspannung wird von einer zugeordneten Steuerung oder Sondenelektronik derart eingestellt, dass sich ein vorgegebener elektrischer Innenwiderstand der Pumpzelle 20 einstellt. In der Steuerung beziehungsweise Sondenelektronik werden auch die elektrischen Spannungen an der inneren Pumpelektrode 22 und zweiten Pumpelektrode 21 vorgegeben oder bestimmt und die Ströme in der ersten und zweiten Zuleitung 45, 46 vorgegeben oder bestimmt. Zwischen die innere Pumpelektrode 22, welche mit Abgas 18 beaufschlagt ist und die äußere Pumpelektrode 22 oder Abluftelektrode ist die Pumpspannung UP angelegt, die während der Messfunktion zum Beispiel im Bereich von 300mV bis 900mV liegt.
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Bei der hier gezeigten einzelligen Abgassonde diffundiert bei einem mageren Abgas 18 Sauerstoff aus dem Abgas 18 über den Diffusionskanal 14 und die Diffusionsbarriere 13 in den Messhohlraum 12. Der Sauerstoff wird durch die zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 21 angelegten Spannung Up und dem daraus folgenden positiven Pumpstrom Ip aus dem Messhohlraum 12 in den Referenzkanal 15 gepumpt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in 2 die Abhängigkeit des Pumpstroms Ip von der Pumpspannung Up dargestellt, die sich im stationären Fall ergibt, wenn der in der 1 dargestellte Abgassensor einem mageren Abgas (λ = 1,5) ausgesetzt wird. Diese Abhängigkeit ist mit der Kurve a) für einen neuen Abgassensor gezeigt (durchgezogene Linie). Die Kurven b) und c) zeigen diese Abhängigkeit jeweils für einen gealterten und einen stark gealterten Abgassensor (unterbrochene Linien).
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Für Pumpspannungen Up im Bereich von 300 mV bis 900 mV ergibt sich hier stets die gleiche Pumpspannung Ip, im Beispiel ca. 550 mA. Dieser Strom entspricht der Rate des durch die Diffusionsbarriere in den Messhohlraum gelangenden Sauerstoffs. Dieser Strom ist auch für die gealterten Abgassensoren zumindest annähernd genauso hoch wie für den neuen Abgassensor.
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Wird die Pumpspannung über einen Wert von 900–1000 mV hinaus bis auf einen Wert von ca. 1600 mV quasi statisch, also sehr langsam, erhöht, steigt der Pumpstrom an, wobei der Anstieg umso geringer ist, je stärker der Abgassensor gealtert ist. Der Anstieg an sich kann dadurch erklärt werden, dass es zu einer elektrochemischen Spaltung von im Abgas enthaltenem Wasser und Kohlendioxid an der inneren Pumpelektrode kommt und der dabei freiwerdende Sauerstoff in ionisierter Form von der elektrochemischen Pumpzelle abtransportiert wird. Die Tatsache, dass der Anstieg umso geringer ist, je stärker der Abgassensor gealtert ist, kann dadurch erklärt werden, dass die Fähigkeit, der inneren Pumpelektrode, die Reduktion von Wasser und Kohlendioxid zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu katalysieren, durch die Alterung bzw. durch die starke Alterung nachgelassen hat.
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3 zeigt ein Beispiel für den Verlauf von Pumpspannung Up (obere Kurve, rechte Achsenbeschriftung) und Pumpstrom Ip (untere Kurve, linke Achsenbeschriftung) während der Durchführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens mit dem in der 1 dargestellten Abgassensor bei einem mageren Abgas (λ = 1,5).
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Vor dem Zeitpunkt t = 1s erfolgt die Ausgangsphase AP des Verfahrens. An der Pumpzelle 20 des Abgassensors liegt eine Ausgangsspannung Upa mit einem Wert von 600 mV an. Entsprechend dem Sauerstoffgehalt im Abgas und der Durchlässigkeit der Diffusionsbarriere 13 resultiert ein Pumpstrom Ip während der Ausgangsphase AP, dessen Wert 550 µA beträgt.
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Anschließend wird die an der Pumpzelle 20 anliegende Pumpspannung Up auf die Diagnosespannung Upd erhöht, deren Wert in diesem Beispiel 1300 mV beträgt. Diese Änderung der Pumpspannung Up bewirkt innerhalb sehr kurzer Zeit eine kapazitive Umladung in der elektrochemischen Pumpzelle 20 die im Pumpstrom Ip als Einschwingvorgangs beobachtbar ist. Nach dessen Abklingen, etwa zum Zeitpunkt t = 1,5s, kann der Pumpstrom Ip während der Diagnosephase DP von 1250 µA ermittelt werden.
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Zum Zeitpunkt t = 2s wird die Pumpspannung Up wieder auf ihren Ausgangswert von 600 mV zurückgesetzt. Es kommt wiederum zu einem Einschwingen des Pumpstroms Ip, an dessen Ende der Pumpstrom Ip wieder seinen Ausgangswert von 550 µA annimmt, entsprechend einer während des Diagnoseverfahrens unveränderten Abgaszusammensetzung.
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Der Betrag der Differenz ΔIp des Pumpstroms Ip während der Ausgangsphase AP und des Pumpstroms Ip während der Diagnosephase DP lässt sich zu 700 µA berechnen. Ein Vergleich mit den hinterlegten Daten, etwa wie in 2 dargestellt, erlaubt vorliegend den Schluss, dass es sich um einen neuen Abgassensor handelt.
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Eine Variante des Verfahrens sieht vor, dass aus dem eingangs gemessenen Wert des Pumpstroms Ip während der Ausgangsphase AP und dem abschließend gemessenen Wert des Pumpstroms Ip nach der Diagnosephase DP, die ja diesem Beispiel gleich sind und beide 550 µA betragen, ein Mittelwert berechnet wird und dieser Mittelwert für das weitere Verfahren als Wert des Pumpstroms Ip während der Ausgangsphase AP Berücksichtigung findet.
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Eine andere Variante des Verfahrens sieht vor, dass die Pumpspannung Up bereits in der Ausgangsphase AP nicht dem Wert entspricht, den die Pumpspannung Up während der normalen Messfunktion des Abgassensors hat. Beispielsweise beträgt die Ausgangsspannung Upa in diesem Fall 1100 mV. Die Diagnosespannung Upd kann wie zuvor 1300 mV betragen. Das Verfahren verläuft im Übrigen wie oben beschrieben. Vorteilhaft ist bei dieser Variante des Verfahrens, dass Ungenauigkeiten bei der Vorgabe der Pumpspannungen Upa, Upd im Allgemeinen miteinander korreliert sind und sich somit weit weniger auf die Differenz ΔIp des Pumpstroms Ip während der Ausgangsphase AP und des Pumpstroms Ip werde Diagnosephase DP auswirken als es bei dem eingangs beschriebenen Beispiel der Fall ist.
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Bei dieser Variante kann der differentieller Zersetzungswiderstand R berechnet und der weiteren Auswertung zu Grunde gelegt werden. Es ist unter diesen Voraussetzungen: R = (Upd – Upa)/ΔIp. Das erfindungsgemäße Kriterium, dass die Änderung des Pumpstroms ΔIp oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, ist dann durch das Kriterium realisiert, dass differentielle Zersetzungswiderstand R unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.
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Im vorliegenden Beispiel wird noch verifiziert, dass elektronische Pumpströme, die für den Fettmessung notwendig sind, also einem Sauerstofftransport durch die elektrochemische Zelle in den Messhohlraum hinein entsprechen, also Ströme mit in diesem Beispiel negativem Vorzeichen, tatsächlich möglich sind und nicht, etwa aufgrund einer Fehlfunktion einer Stromversorgung, unterbleiben. Hierzu wird auf oben schon erwähnte
DE 10 2014 200 063 A1 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014200068 A1 [0014]
- DE 102014200063 A1 [0017, 0039, 0040, 0059]
