DE102016207516A1

DE102016207516A1 - Verfahren zum Betreiben einer Sonde

Info

Publication number: DE102016207516A1
Application number: DE102016207516.0A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-05-03
Also published as: CN109073591B; CN109073591A; WO2017190957A1; DE102016207516B4; JP2019515292A; EP3452818A1; US20190145928A1; US10845331B2; JP6664515B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs ausgebildeten Sonde einer Brennkraftmaschine, die zumindest eine Pumpelektrode umfasst. Das Verfahren umfasst eine Steuern eines ersten Pumpstroms (IP1) an der zumindest einen Pumpelektrode derart, dass sich eine erste Pumpspannung (V1) einstellt, ein Steuern eines zweiten Pumpstroms (IP2) an der zumindest einen Pumpelektrode derart, dass sich eine zweite Pumpspannung (V2) einstellt, die größer als die erste Pumpspannung (V1) ist, ein Ermitteln eines Alterungsfaktors für die Sonde auf der Grundlage des ersten Pumpstroms (IP1) und des zweiten Pumpstroms (IP2), und ein Anpassen einer Kennlinie der Sonde auf der Grundlage des ermittelten Alterungsfaktors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs ausgebildeten Sonde einer Brennkraftmaschine, die zumindest eine Pumpelektrode umfasst, und insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln eines Alterungsfaktors für die Sonde und zum Anpassen einer Kennlinie der Sonde auf der Grundlage des ermittelten Alterungsfaktors.
Zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs in einer Brennkraftmaschine ist es bekannt, speziell ausgebildete Sonden, beispielsweise Sauerstoff- oder Stickoxidsensoren, zu verwenden, um die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine optimiert einstellen zu können. Diese Sonden können jedoch im Laufe der Betriebsdauer altern, das heißt, dass sich die Messgenauigkeit verschlechtern kann. Diese Verschlechterung führt entsprechend zu einer Verschlechterung der Steuerung der gesamten Brennkraftmaschine.
Im Stand der Technik ist es bekannt, während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine die Kennlinie der Sonde zu adaptieren. Jedoch hängt die Sauerstoffkonzentration während der Schubabschaltungsphase stark von der vorliegenden Luftfeuchtigkeit ab, so dass die Adaption vorzugsweise nur bei niedriger Lufttemperatur, bei der der Einfluss der Feuchtigkeit auf die Sauerstoffkonzentration verringert ist, durchgeführt werden sollte.
Aus der DE 103 12 440 A1 ist ein Abgasreinigungsverfahren für eine Magerbrennkraftmaschine bekannt, bei dem Regenerationsbetriebsphasen, basierend auf einem Modell, eingeleitet werden. Das Modell erfasst dabei eine Zustandsgröße eines Stickoxid-Speicherkatalysators. Zusätzlich wird die Konzentration an Stickoxidverbindungen stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators bestimmt und mit einem aus dem Modell erhaltenen Modellwert für den Stickoxid-Speicherkatalysator zur Bildung einer Differenz verknüpft. Mit Hilfe des Differenzwerts erfolgt eine Bestimmung eines Alterungsfaktors für den Stickoxid-Speicherkatalysator.
Ferner ist aus der DE 10 2006 011 722 B3 ein Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignals einer Lambdasonde, insbesondere unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit der durch eine Brennkraftmaschine angesaugten Luft, bekannt. Das daraus bekannte Verfahren umfasst ein Erkennen einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine und Erfassen einer Abgaszusammensetzung mit Hilfe der Breitbandlambdasonde in der Schubabschaltungsphase, so dass die Breitbandlambdasonde auf eine bekannte Abgaszusammensetzung kalibrierbar ist, ein Erfassen einer Luftfeuchtigkeit einer durch die Brennkraftmaschine angesaugten Luft und ein Berechnen eines Kalibrierfaktors einer Kennlinie der Breitbandlambdasonde unter Einbeziehung der erfassten Abgaszusammensetzung und der erfassten Luftfeuchtigkeit.
Die DE 10 2013 221 407 A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen einer Sauerstoffsensormessung in einem Abgasstrom, der von einem Verbrennungsmotor ausgegeben wird, auf der Grundlage der Feuchte. Das Verfahren umfasst ein Überwachen einer relativen Feuchte von Umgebungsluft, die von einem Feuchtesensor erhalten wird. Eine spezifische Feuchte an dem Sauerstoffsensor wird auf der Grundlage der relativen Feuchte modelliert. Die Sauerstoffsensormessung wird auf Grundlage der modellierten spezifischen Feuchte an dem Sauerstoffsensor eingestellt.
Aus der DE 10 2012 206 476 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden. Das Verfahren umfasst mindestens einen Dampfdruckbestimmungsschritt, in dem mindestens ein Referenzwasserdampfdruck bestimmt wird, und mindestens einen Kalibrationsmessschritt, in dem mindestens ein Anteil an Wasserdampf in dem Gas elektrochemisch mit dem Sensorelement bestimmt wird. Eine Kalibrierung des Sensorelements wird unter Verwendung des Referenzwasserdampfdrucks und des in dem Kalibrationsmessschritt bestimmten Anteils an Wasserdampf durchgeführt.
Die US 2015/101327 A1 offenbart ein Verfahren und System für einen Sauerstoffsensor zum genauen Erlernen eines Nullpunkts während ausgewählten Motorbetriebsbedingungen, während denen kein Kraftstoff verbrannt wird. Der erlernte Nullpunkt wird zum Ableiten des AGR-Stroms und entsprechenden Einstellen des AGR-Ventils verwendet. Außerdem wird auf der Grundlage des erlernten Nullpunkts ein leckendes AGR-Ventil diagnostiziert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs ausgebildeten Sonde einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem die Sonde optimiert betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Kennlinie der Sonde unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen anzupassen, wobei insbesondere kein zusätzlicher Luftfeuchtigkeitssensor oder keine voreingestellte Bedingung, wie beispielsweise das Vorliegen eines Referenzdampfdrucks bzw. eines wasserdampfgesättigten Gases, notwendigerweise vorliegen muss. Insbesondere basiert die vorliegende Erfindung darauf, dass bevorzugt während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine an der Sonde ein Pumpstrom angelegt wird, mittels dem neben dem vorliegenden Sauerstoff auch sämtlich vorliegendes Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt werden kann, wobei wiederum der vom Wasser zersetzte Sauerstoff ionisiert und herausgepumpt werden kann.
Folglich sollte bei fehlerfreier Sonde dieser Pumpstrom einen Sauerstoffwert von ungefähr 21% anzeigen, da dies der standardmäßige Anteil von Sauerstoff in der Luft ist. Bei einem gealterten, das heißt fehlerbehafteten, Sensor würde der Pumpstrom eine geringere Sauerstoffkonzentration anzeigen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch daraus der entsprechende Alterungsfaktor bestimmt und der Sensor weiterhin unter Adaption der Kennlinie mittels des Alterungsfaktors mit möglichst hoher Genauigkeit betrieben werden.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Betreiben einer zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs ausgebildeten Sonde einer Brennkraftmaschine offenbart, die zumindest eine Pumpelektrode umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Steuern eines ersten Pumpstroms an der zumindest einen Pumpelektrode derart, dass sich eine erste Spannung einstellt, ein Steuern eines zweiten Pumpstroms an der zumindest einen Pumpelektrode derart, dass sich eine zweite Spannung einstellt, die zumindest teilweise größer als die erste Spannung ist, ein Ermitteln eines Alterungsfaktors für die Sonde auf der Grundlage des ersten Pumpstroms und des zweiten Pumpstroms und ein Anpassen einer Kennlinie der Sonde auf der Grundlage des ermittelten Alterungsfaktors.
Das Steuern des ersten Pumpstroms und des zweiten Pumpstroms sowie das Ermitteln des Alterungsfaktors für die Sonde kann dabei unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen im Gasgemisch erfolgen können, insbesondere in Bezug auf einen Referenzdampfdruck bzw. auf ein wasserdampfgesättigtes Gasgemisch.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zweite Pumpspannung derart ausgewählt, dass diese dafür ausreichend ist, das in der Luft in gasförmigem Zustand enthaltene Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zersetzen. Ferner wird mittels des zweiten Pumpstroms sämtlicher Sauerstoff, also der ursprünglich vorliegende Sauerstoff sowie der aus der Zersetzung des Wassers gewonnene Sauerstoff an der Pumpelektrode ionisiert und kann dann durch den Feststoffelektrolyten diffundieren bzw. aus diesem herausgepumpt werden.
Die erste Pumpspannung ist vorzugsweise derart ausgewählt, dass diese nicht dafür ausreichend ist, Wasser zu zersetzen. Das heißt, dass mittels des ersten Pumpstroms an der Pumpelektrode lediglich der ursprünglich vorliegende Sauerstoff ionisiert wird, jedoch keine Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff stattfindet.
Durch die beschriebene Auswahl der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung kann durch entsprechende Subtraktion der entsprechenden ersten und zweiten Pumpströme der Wasseranteil im Gasgemisch bestimmt und folglich kompensiert werden. Insbesondere ist die zweite Pumpspannung dazu ausgebildet, neben dem im Gasgemisch vorhandenen Sauerstoff zusätzlich das Wasser zu zersetzen. Folglich sollte unabhängig von der Luftfeuchtigkeit im Gasgemisch der zur zweiten Spannung entsprechende zweite Pumpstrom einen Wert anzeigen, der einer Sauerstoffkonzentration von ungefähr 21% entspricht. Weicht jedoch der entsprechende zweite Pumpstrom von den anzuzeigenden 21% ab, kann mithilfe des vorliegenden Verfahrens ein Alterungsfaktor der Sonde ermittelt und zur Adaption der Kennlinie der Sonde verwendet werden. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass sich der Alterungsfaktor der Sonde sowohl auf den ersten Pumpstrom als auch auf den zweiten Pumpstrom gleichermaßen auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Alterungsfaktor wie folgt ermittelt werden:
mit:

a: Alterungsfaktor der Sonde,
IP1: erster Pumpstrom,
IP2: zweiter Pumpstrom,
C_H₂O: Proportionalitätsfaktor zwischen Wasserkonzentration und Pumpstrom, und
C_O₂: Proportionalitätsfaktor zwischen Sauerstoffkonzentration und Pumpstrom

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Steuern des ersten Pumpstroms und des zweiten Pumpstroms ferner ein Steuern eines dritten Pumpstroms derart auf, dass sich wider die erste Pumpspannung einstellt. Die Kennlinie der Sonde wird erst dann angepasst, wenn bestimmt wird, dass der dritte Pumpstrom von dem ersten Pumpstrom um weniger als einen Schwellenwert abweicht.
Mit dieser bevorzugten Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass sich das Gasgemisch in einem nahezu stabilen Zustand befindet und keinerlei Dynamiken innerhalb des Gasgemischs vorliegen. Beispielsweise wäre unter einer Dynamik zu subsumieren, dass sich die Brennkraftmaschine in einem dynamischen Zustand befindet, beispielsweise ungewollte Bestandteile im Gasgemisch enthalten sind, wie zum Beispiel Kraftstoff.
Bevorzugt beträgt der oben genannte Schwellenwert ungefähr 5%, bevorzug ungefähr 1%, noch bevorzugter ungefähr 0,5%, des ersten Pumpstroms. Bei Überschreitung des Schwellenwerts kann folglich davon ausgegangen werden, dass das Gasgemisch einer Dynamik unterliegt und folglich die Ermittlung des Alterungsfaktors und Adaption der Kennlinie der Sonde nicht zulässig ist bzw. nicht durchgeführt werden sollte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Alterungsfaktor zum Bestimmen eines gefilterten Alterungsfaktors mittels eines Tiefpassfilters gefiltert. Der somit ermittelte gefilterte Alterungsfaktor kann dann im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine zur Korrektur bzw. Anpassung der mittels des Pumpstroms ermittelten Sauerstoffkonzentration verwendet werden. Beispielsweise kann im einfachsten Fall der gemessene Pumpstrom im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine durch den gefilterten Alterungsfaktor dividiert und dann über eine Kennlinie in Sauerstoffkonzentration oder Lambda umgewandelt werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, die Sonde als fehlerhaft zu detektieren, wenn der gefilterte Alterungsfaktor einen vorbestimmten Alterungsschwellenwert unterschreitet. Durch die oben bereits angesprochene Division mit dem gefilterten Alterungsfaktor würde bei Unterschreiten des vorbestimmten Alterungsschwellenwerts die Adaption der Kennlinie zu groß werden und zu ungenauen angepassten und kompensierten Messergebnissen der Sonde führen. Folglich sollte bei Unterschreitung dieses vorbestimmten Alterungsschwellenwerts die Sonde als fehlerhaft detektiert werden und beispielsweise einen Austausch der Sonde erforderlich machen.
Alternativ kann bereits der ermittelte (ungefilterte) Alterungsfaktor einer Überprüfung seiner Validität unterzogen werden. Beispielsweise kann die Sonde als fehlerhaft detektiert werden, wenn der ermittelte (ungefilterte) Alterungsfaktor einen vorbestimmten Wert überschreitet. In einer solchen Ausgestaltung kann der Schritt des Filtern des Alterungsfaktors mittels des Tiefpassfilters entfallen, da die Sonde bereits zu diesem Zeitpunkt als fehlerhaft detektiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine durchgeführt. Insbesondere kann während einer solchen Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine davon ausgegangen werden, dass sich sowohl im Ansaugtrakt als auch im Auslasstrakt der Brennkraftmaschine nahezu ausschließlich Luft befindet und folglich ein stabiler Zustand vorliegt. Bei Erfassen einer eingebrachten Dynamik, beispielsweise wenn die Schubabschaltungsrate vorzeitig unterbrochen wird, sollte das Anpassungsverfahren der Sondenkennlinie gemäß der vorliegenden Offenbarung beendet und nicht durchgeführt werden.
Weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann unter Betrachtung der beiliegenden einzigen 1 ersichtlich. Die 1 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren.
Im Folgenden wird ein beispielhaftes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 1 beschrieben. Hierbei wird beispielhaft auf einen in einem Einlasstrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensor Bezug genommen. Jedoch sei an dieser Stelle ausdrücklich festgehalten, dass das hierin beschriebene Verfahren ferner beispielsweise mit einem Stickoxidsensor mit linearer Lambdasondenmessfähigkeit verwendet werden kann.
Das Verfahren gemäß 1 beginnt am Schritt 100 und gelangt dann zum Schritt 110, an dem bestimmt wird, ob sich die Brennkraftmaschine in einem vorbestimmten, adaptionsfähigen Betriebszustand befindet, während dem eine Adaption der Kennlinie des Sauerstoffsensors durchgeführt werden kann. Beispielsweise wird im Schritt 110 abgefragt, ob sich die Brennkraftmaschine in einer Schubabschaltungsphase oder einem Motornachlauf befindet. Während des Motornachlaufs kann die Adaption nur dann stattfinden, wenn das Abgas an der Sensorposition nahezu stickoxidfrei ist.
Wenn im Schritt 110 bestimmt wird, dass sich die Brennkraftmaschine in einem adaptionsunfähigen Betriebszustand befindet, gelangt das Verfahren zum Schritt 140 und wird beendet. Wenn jedoch im Schritt 110 bestimmt wird, dass sich die Brennkraftmaschine in einem adaptionsfähigen Betriebszustand befindet, gelangt das Verfahren zum Schritt 112.
Im Schritt 112 wird während der Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine an einer Pumpelektrode des Sauerstoffsensors ein erster Pumpstrom IP1 derart gesteuert, dass sich eine erste Pumpspannung V1 einstellt, bis der erste Pumpstrom IP1 eingeschwungen ist. Vorzugweise ist die erste Pumpspannung V1 derart ausgewählt, dass mittels des ersten Pumpstroms an der Pumpelektrode lediglich der ursprünglich in der Luft vorrätige Sauerstoff ionisiert wird, jedoch nicht der aus einer Zersetzung von in der Luft vorrätigem Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gewonnene Sauerstoff ionisiert wird. Beispielsweise liegt die erste Pumpspannung in einem Bereich zwischen ungefähr 400 mV und ungefähr 500 mV, insbesondere bei ungefähr 450 mV.
Im darauffolgenden Schritt 114 wird an der Pumpelektrode des Sauerstoffsensors ein zweiter Pumpstrom IP2 derart gesteuert, dass sich eine zweite Pumpspannung V2 einstellt, die im Wesentlichen größer ist als die erste Pumpspannung V1. Vorzugweise entspricht die zweite Pumpspannung V2 der maximal anlegbaren Spannung und ist derart ausgewählt, dass mittels des zweiten Pumpstroms an der Pumpelektrode neben dem ursprünglich in der Luft vorliegenden Sauerstoff auch der aus der Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gewonnene Sauerstoff ionisiert wird. Insbesondere ist die zweite Pumpspannung V2 für die Zersetzung des in der Luft in gasförmigem Zustand vorrätigen Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff ausreichend. Beispielsweise liegt die zweite Pumpspannung V2 in einem Bereich zwischen ungefähr 800 mV und 1.000 mV, insbesondere bei ungefähr 900 mV.
Während des Steuerns von der ersten Pumpspannung V1 auf die zweite Pumpspannung V2 wird also der erste Pumpstrom IP1 auf den zweiten Pumpstrom IP2 erhöht.
Im darauffolgenden Schritt 116 wird an der Pumpelektrode des Sauerstoffsensors ein dritter Pumpstrom IP3 derart gesteuert, dass sich wieder die erste Pumpspannung V1 einstellt. Wie bereits oben beschrieben, liegt die erste Pumpspannung V1 in einem Bereich zwischen ungefähr 400 mV und ungefähr 500 mV, vorzugsweise bei ungefähr 450 mV.
Das Steuern der jeweiligen Pumpspannungen V1, V2, V3 erfolgt vorzugsweise so lange, bis sich der jeweilige Pumpstrom IP1, IP2, IP3 eingeschwungen hat und folglich nahezu konstant bleibt. Beispielsweise kann der jeweilige Pumpstrom als konstant angenommen werden, wenn die Abweichung vom Mittelwert innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne, beispielsweise 1 Sekunde, weniger als 1%, bevorzugt weniger als 0,5%, beträgt.
Im Schritt 120 wird abgefragt, ob der dritte Pumpstrom IP3 vom ersten Pumpstrom IP1 um einen vorbestimmten Schwellenwert abweicht. Insbesondere dient die Abfrage der Abweichung an den zu zwei verschieden Zeitpunkten gesteuerten Pumpströme IP1 und IP3 dazu, zu überprüfen, ob sich die angesaugte Luft im Einlasstrakt und Auslasstrakt der Brennkraftmaschine in einem statischen Zustand befindet. Genauer gesagt dient der Abfrage im Schritt 120 dazu, ob sich die Brennkraftmaschine weiterhin in der Schubabschaltungsphase befindet oder nicht. Wenn also der erste Pumpstrom IP1 und der dritte Pumpstrom IP3 nahezu identisch sind, kann bestimmt werden, dass sich die Brennkraftmaschine weiterhin in der Schubabschaltungsphase befindet bzw. während der Eigendiagnose ununterbrochen in der Schubabschaltungsphase war. Weicht der dritte Pumpstrom IP3 von dem ersten Pumpstrom IP1 um den vorbestimmten Schwellenwert ab, so kann darauf geschlossen werden, dass sich die Brennkraftmaschine nicht mehr in einem statischen Zustand befindet und/oder das Luftgemisch an der Sondenposition noch Stickoxid oder Kraftstoff beinhaltet.
Wenn im Schritt 120 bestimmt wird, dass der dritte Pumpstrom IP3 von dem ersten Pumpstrom IP1 um mehr als den vorbestimmten Schwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 140 und wird beendet. Wenn jedoch im Schritt 120 bestimmt wird, dass der dritte Pumpstrom IP3 von dem ersten Pumpstrom IP1 um weniger als den vorbestimmten Schwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 122.
Im Schritt 122 wird ein Alterungsfaktor a des Sauerstoffsensors bestimmt. Durch die Ermittlung des ersten Pumpstroms IP1 und zweiten Pumpstroms IP2 kann mittels einer Differenzbildung dieser beiden Pumpströme der Wassergehalt in der Luft bestimmt werden. Insbesondere ist, wie bereits oben erwähnt, die zweite Pumpspannung V2 derart ausgewählt, dass an der Pumpelektrode mittels des zweiten Pumpstroms IP2 das in der Luft vorhandene Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt werden kann, wobei der Sauerstoff aus dem zersetzten Wasser gemeinsam mit dem ursprünglich in der Luft vorrätigen Sauerstoff an der Pumpelektrode zersetzt wird und als Sauerstoffionen im Sauerstoffsensor diffundieren bzw. herausgepumpt werden können. Im Gegensatz dazu ist die erste Pumpspannung V1 derart ausgewählt, dass nur der in der Luft ursprünglich vorrätige Sauerstoff zersetzt wird und keine Zersetzung des in der Luft enthaltenen Wassers stattfinden kann. Folglich kann durch Differenzbildung der beiden Pumpströme IP1 und IP2 auf die Luftfeuchtigkeit der Luft geschlossen werden.
Der Alterungsfaktor a wirkt gleichermaßen auf den ersten Pumpstrom IP1 bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in der Luft als auch auf den zweiten Pumpstrom IP2, der in Verbindung mit dem ersten Pumpstrom IP1 der der Bestimmung der Luftfeuchtigkeit dient.
Im Folgenden sind die Formeln (I), (II), (III), und (IV) dargestellt, die die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration, dem ersten Pumpströmen IP1, dem zweiten Pumpstrom IP2 und dem Sauerstoff- bzw. Wasseranteil in der Luft darstellen: IP1 = a·C_O₂·O₂ (I) IP2 = a·C_O₂·O₂ + a·C_H₂O·H₂O (II) ΔIP = IP2 – IP1 = a·C_H₂O·H₂O (III) O₂ + H₂O = 21% (IV) mit:

a: Alterungsfaktor der Sonde,
IP1: erster Pumpstrom,
IP2: zweiter Pumpstrom,
O₂: Sauerstoffkonzentration in der Luft (während der Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine)
H₂O: Wasserkonzentration in der Luft (während der Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine)
C_H₂O: Proportionalitätsfaktor zwischen Wasserkonzentration und durch Ionisierung von aus der Zersetzung von Wasser gewonnenem Sauerstoff verursachtem Pumpstrom (IP2 – IP1), und
C_O₂: Proportionalitätsfaktor zwischen Sauerstoffkonzentration und durch Ionisierung von ursprünglich vorrätigem Sauerstoff verursachter Pumpstrom (IP1).

Durch mathematisches Lösen des Gleichungssystems der Formeln (I), (II), (III), und (IV) kann der Alterungsfaktor a wie folgt ermittelt werden:
Der mittels der Formel (V) errechnete Alterungsfaktor kann dann zur Adaption der Sauerstoffsensorkennlinie verwendet werden. Dabei wird der ermittelte Alterungsfaktor während jeder Schubabschaltungsphase über einen Tiefpassfilter gefiltert und zur Adaption der Sauerstoffsensorkennlinie angewandt. Im Normalbetrieb des Sauerstoffsensors kann dann der gefilterte Alterungsfaktor zur Korrektur der gemessenen Sauerstoffkonzentration über den Pumpstrom verwendet. Im einfachsten Fall wird der gemessene Pumpstrom im Normalbetrieb des Sauerstoffsensors durch den gefilterten Alterungsfaktor dividiert und dann über die Kennlinie der entsprechenden Sauerstoffkonzentration zugeordnet.
Beispielsweise kann der aktuell zu verwendende Alterungsfaktor wie folgt mit der Formel (VI) bestimmt werden: a_aktuell = a_alt + F·(a_neu – a_alt) (VI) mit:

a_aktuell: aktueller Alterungsfaktor,
a_alt: zuvor ermittelter Alterungsfaktor,
a_neu: neu ermittelter Alterungsfaktor, und
F: Gewichtungsfaktor für den Tiefpassfilter (in der Regel zwischen 0 und 1).

Im darauffolgenden Schritt 130 wird abgefragt, ob der gefilterte Alterungsfaktor einen vorbestimmten Alterungsschwellenwert unterschreitet. Die Überprüfung der Unterschreitung ist der Tatsache geschuldet, dass der gefilterte Alterungsfaktor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration wie oben beschrieben dividiert wird.
Wenn im Schritt 130 bestimmt wird, dass der gefilterte Alterungsfaktor den vorbestimmten Alterungsschwellenwert unterschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 134, an dem der Sauerstoffsensor als fehlerhaft diagnostiziert wird. Nach dem Schritt 134 gelangt das Verfahren zum Schritt 140 und wird beendet.
Wenn jedoch am Schritt 130 bestimmt wird, dass der gefilterte Alterungsfaktor den vorbestimmten Alterungsschwellenwert nicht unterschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 132 und der gefilterte Alterungsfaktor wird zur Adaption der Kennlinie des Sauerstoffsensors sowie der ermittelten Sauerstoffkonzentration im Normalbetrieb des Sauerstoffsensors verwendet, solange bis eine weitere, nächste Alterungsadaption gemäß dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren am Sauerstoffsensor durchgeführt wird.
Wie oben beschrieben, liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gedanke zugrunde, dass bei Anlegen des zweiten Pumpstroms IP2 die zweite Pumpspannung V2 auf einen höheren Wert gesteuert wird. Dabei sollte dieser zweite Pumpstrom nahezu 21% anzeigen, da sowohl der Sauerstoff aus der Luft als auch der vom Wasser zersetzte Sauerstoff ausgepumpt wird und auf diesen Prozentwert kommen sollte. Wenn jedoch der zweite Pumpstrom einen geringeren Wert anzeigt, wird dieser geringere Wert als 21% angenommen und die weiteren Messwerte des Sauerstoffsensors entsprechend adaptiert. Erst bei einer Adaption, die oberhalb einer Schwelle liegt, wird der Sensor als fehlerhaft diagnostiziert (siehe Schritt 134 der 1). In diesem Fall kann ein Ersetzen des Sauerstoffsensors erforderlich sein.
Wie bereits beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren gemäß 1 auch bei einem Stickoxidsensor mit linearer Lambdasondenmessfähigkeit verwendet werden. Dabei wird der Pumpstrom von der ersten Kammer durch die Referenzspannung in der zweiten Kammer derart gesteuert, dass die Referenzspannungen in der ersten Kammer zum einen bei beispielsweise 450 mV und zum anderen bei beispielsweise 900 mV liegen. Auch hier kann wiederum aus dem Pumpstrom und der Pumpstromdifferenz in der Schubableitungsphase ein Alterungsfaktor bestimmt werden, der mittels eines Tiefpassfilters in einen gefilterten Alterungsfaktor umgewandelt und entsprechend die Kennlinie des Stickoxidsensors adaptiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10312440 A1 [0004]
DE 102006011722 B3 [0005]
DE 102013221407 A1 [0006]
DE 102012206476 A1 [0007]
US 2015/101327 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs ausgebildeten Sonde einer Brennkraftmaschine, die zumindest eine Pumpelektrode umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Steuern eines ersten Pumpstroms (IP1) an der zumindest einen Pumpelektrode derart, dass sich eine erste Pumpspannung (V1) einstellt, – Steuern eines zweiten Pumpstroms (IP2) an der zumindest einen Pumpelektrode derart, dass sich eine zweite Pumpspannung (V2) einstellt, die größer als die erste Pumpspannung (V1) ist, – Ermitteln eines Alterungsfaktors für die Sonde auf der Grundlage des ersten Pumpstroms (IP1) und des zweiten Pumpstroms (IP2), und – Anpassen einer Kennlinie der Sonde auf der Grundlage des ermittelten Alterungsfaktors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Pumpspannung (V2) derart ausgewählt ist, dass diese dafür ausreichend ist, das in der Luft enthaltene Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zersetzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Pumpspannung (V1) derart ausgewählt ist, dass diese nicht dafür ausreichend ist, das in der Luft enthaltene Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zersetzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Alterungsfaktor wie folgt ermittelt wird:
mit: a Alterungsfaktor der Sonde, IP1 erster Pumpstrom, IP2 zweiter Pumpstrom, C_H₂O Proportionalitätsfaktor zwischen Wasserkonzentration und Pumpstrom, und C_O₂ Proportionalitätsfaktor zwischen Sauerstoffkonzentration und Pumpstrom
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: – nach dem Steuern des ersten Pumpstroms (IP1) und des zweiten Pumpstroms (IP2), Steuern eines dritten Pumpstroms (IP3) derart, dass sich die erste Pumpspannung (V1) einstellt, wobei die Kennlinie der Sonde erst dann angepasst wird, wenn bestimmt wird, dass der dritte Pumpstrom (IP3) von dem ersten Pumpstrom (IP1) um weniger als einen vorbestimmten Schwellenwert abweicht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vorbestimmte Schwellenwert ungefähr 5%, vorzugsweise ungefähr 1%, noch bevorzugter ungefähr 0,5%, des ersten Pumpstroms (IP1) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Alterungsfaktor zum Bestimmen eines gefilterten Alterungsfaktors mittels eines Tiefpassfilters gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Sonde als fehlerhaft detektiert wird, wenn der gefilterte Alterungsfaktor einen vorbestimmten Alterungsschwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren unabhängig von der Luftzusammensetzung in Bezug auf den Wasserdampfdruck und einem Referenzdampfdruck durchgeführt wird.