DE102016212349A1 - Method for operating an oxygen sensor and oxygen sensor for determining an oxygen concentration in an intake tract - Google Patents

Method for operating an oxygen sensor and oxygen sensor for determining an oxygen concentration in an intake tract Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Sauerstoffsensors (5) mit einem Sensorelement (11) in einem Ansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1), wobei das Sensorelement (11) einen mittels zumindest eines Heizelements beheizbaren Ionenleiter mit einer yttriumstabilisierten Zirconoxid-Keramik und eine Schutzbeschichtung (12) aus einem Faserwerkstoff aufweist, wobei ein Wasserschlag festgestellt wird, wenn ein Anstieg einer Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt und/oder wenn eine Temperatur am Ionenleiter unter einen festgelegten Schwellwert abfällt und/oder eine Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt, wobei im Falle eines festgestellten Wasserschlags das zumindest eine Heizelement heruntergeregelt und solange auf einer niedrigen Temperatur betrieben wird, bis ein vollständiges Verdampfen von Wasser aus der Schutzbeschichtung (12) festgestellt wird. Method for operating an oxygen sensor (5) with a sensor element (11) in an intake tract (2) of an internal combustion engine (1), wherein the sensor element (11) comprises an ion conductor, which can be heated by means of at least one heating element, with a yttrium-stabilized zirconium oxide ceramic and a protective coating (12 ) of a fiber material, wherein a water hammer is detected when an increase in heating power at the ion conductor is above a predetermined threshold and / or when a temperature at the ion conductor falls below a predetermined threshold and / or a heating power at the ion conductor is above a predetermined threshold, wherein, in the event of a detected water hammer, the at least one heating element is downshifted and operated at a low temperature until complete evaporation of water from the protective coating (12) is detected.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sauerstoffsensors mit einem Sensorelement in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Sie betrifft ferner einen Sauerstoffsensor zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. The invention relates to a method for operating an oxygen sensor with a sensor element in an intake tract of an internal combustion engine. It further relates to an oxygen sensor for determining an oxygen concentration in an intake tract of an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine of a motor vehicle.

Eine Brennkraftmaschine mit einem im Luftansaugtrakt angeordneten Sauerstoffsensor ist beispielsweise aus der DE 10 2012 200 062 A1 bekannt. Sauerstoffsensoren werden im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen angeordnet, um eine Regelung der Abgasrückführung zu ermöglichen. Als Sauerstoffsensoren werden dabei insbesondere Sensoren mit einem Sensorelement aus yttriumstabilisierter Zirkonoxidkeramik verwendet. An internal combustion engine with an arranged in the air intake tract oxygen sensor is for example from the DE 10 2012 200 062 A1 known. Oxygen sensors are arranged in the intake tract of internal combustion engines in order to enable regulation of the exhaust gas recirculation. In particular, sensors with a sensor element of yttrium-stabilized zirconium oxide ceramic are used as oxygen sensors.

Derartige Sensoren reagieren sehr empfindlich auf Wasserschlag, indem sie brechen. Aufgrund der im Ansaugtrakt herrschenden Bedingungen muss mit der Gefahr eines Wasserschlags stets gerechnet werden. Teilweise werden Kappen verwendet, die mittels Strömungsumlenkung und feinen Löchern Wasser von der Sensorkeramik fernhalten. Diese sind jedoch im Ansaugtrakt zumeist nicht nutzbar, da die feinen Löcher im Ansaugtrakt durch Ruß- und Ölreste verstopfen und die für eine Selbstreinigung notwendige Abgashitze im Ansaugtrakt fehlt. Derzeit werden teilweise Sensoren mit einer speziellen Thermoschockschutzbeschichtung eingesetzt, bei denen eine Kappe einen groben Schutz bietet und das Sensorelement selbst robust ausgebildet ist. Diese Ausbildung des Sensorelementes geht jedoch auf Kosten der Empfindlichkeit. Such sensors are very sensitive to water hammer by breaking. Due to the conditions prevailing in the intake system, the risk of water hammering must always be expected. Partial caps are used, which by means of flow deflection and fine holes keep water away from the sensor ceramic. However, these are mostly unusable in the intake tract, since the fine holes in the intake tract clog with soot and oil residues and the exhaust gas heat necessary for self-cleaning in the intake tract is missing. At present, some sensors are used with a special thermal shock protection coating in which a cap offers a rough protection and the sensor element itself is made robust. However, this design of the sensor element is at the expense of sensitivity.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum sicheren und zerstörungsfreien Betreiben eines Sauerstoffsensors mit einem Sensorelement in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine anzugeben. Zudem soll ein Sauerstoffsensor zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angegeben werden, bei dem eine Zerstörung durch einen Wasserschlag weitgehend ausgeschlossen werden kann. It is an object of the present invention to provide a method for safe and non-destructive operation of an oxygen sensor with a sensor element in an intake tract of an internal combustion engine. In addition, an oxygen sensor for determining an oxygen concentration in an intake tract of an internal combustion engine is to be specified, in which destruction by a water hammer can be largely ruled out.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sauerstoffsensors mit einem Sensorelement in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angegeben, wobei das Sensorelement einen mittels zumindest eines Heizelements Ionenleiter mit einer yttriumstabilisierten Zirkonoxidkeramik und eine Schutzbeschichtung aus einem Faserwerkstoff aufweist, wobei ein Wasserschlag festgestellt wird, wenn ein Anstieg einer Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt und/oder wenn eine Temperatur am Ionenleiter unter einen festgelegten Schwellwert abfällt und/oder eine Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt, wobei im Falle eines festgestellten Wasserschlags das zumindest eine Heizelement heruntergeregelt und so lange auf einer niedrigen Temperatur betrieben wird, bis ein vollständiges Verdampfen von Wasser aus der Schutzbeschichtung festgestellt wird. According to one aspect of the invention, a method is provided for operating an oxygen sensor with a sensor element in an intake tract of an internal combustion engine, wherein the sensor element comprises by means of at least one heating element ion conductor with a yttrium-stabilized zirconia ceramic and a protective coating of a fiber material, wherein a water hammer is detected, if an increase of a heating power on the ion conductor is above a defined threshold value and / or if a temperature on the ion conductor drops below a defined threshold value and / or a heat output on the ion conductor is above a defined threshold value, wherein in the case of a detected water hammer the at least one heating element is regulated down and so on operated at a low temperature until complete evaporation of water from the protective coating is detected.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es die Erkennung eines Wasserschlags erlaubt und durch die rechtzeitige Abschaltung des Heizelementes verhindert, dass das Sensorelement durch den Wasserschlag zerstört wird. This method has the advantage that it allows the detection of a water hammer and prevents the timely shutdown of the heating element that the sensor element is destroyed by the water hammer.

Dabei saugt sich im Falle eines Wasserschlags zunächst die Schutzbeschichtung aus dem Faserwerkstoff mit Wasser voll. Es hat sich herausgestellt, dass im Falle eines nur kurzzeitig auftretenden Wasserschlags die Sensorkeramik keinen Thermoschock erleidet, da die von dem Sensorelement in das Kappensystem abgegebene Hitze das Wasser aus der Faserisolierung verdampft, so dass auch bei wiederholtem Wasserschlag keine Zerstörung des Sensorelements auftritt. Bei lange dauerndem, massivem Wasserschlag jedoch könnte eine Zerstörung des Sensorelementes auftreten. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine derartige Zerstörung nicht sofort erfolgt, sondern erst, wenn sich das Fasermaterial mit flüssigem Wasser vollgesaugt hat und der Wasserschlag weiter anhält, so dass das aufgesaugte Wasser nicht verdampft, sondern an das Sensorelement weitergeleitet wird, so dass dieses auskühlt und beim Heizen zerstört werden kann. Daher ist es in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, im Falle eines Wasserschlags dass das Sensorelement heizende Heizelement herunter zu regeln und so lange auf einer niedrigen Temperatur zu betreiben, bis das Wasser aus der Schutzbeschichtung vollständig verdampft ist. In the event of a water hammer, the protective coating of the fiber material is first soaked up with water. It has been found that in the case of a short-term water hammer the sensor ceramic suffers no thermal shock, as the heat emitted by the sensor element in the cap system heat evaporates the water from the fiber insulation, so that no destruction of the sensor element occurs even with repeated water hammer. For a long-lasting, massive water hammer, however, a destruction of the sensor element could occur. However, it has been found that such destruction does not occur immediately, but only when the fiber material has been soaked with liquid water and the water hammer continues, so that the absorbed water does not evaporate, but is forwarded to the sensor element, so this cools and can be destroyed when heating. It is therefore provided in the method according to the invention, in the case of a water hammer, to control the heating element heating the sensor element and to operate at a low temperature until the water has completely evaporated from the protective coating.

Dabei wird ein Wasserschlag dadurch festgestellt, dass die Heizleistung des Heizelements plötzlich ansteigt und/oder die Temperatur am Ionenleiter abfällt und/oder eine hohe Heizleistung erforderlich ist, um die Temperatur am Ionenleiter auf einen vorgegebenen Wert zu regeln. Die jeweiligen Schwellwerte können mit Hilfe eines Modells ermittelt und/oder experimentell ermittelt werden. In this case, a water hammer is determined by the fact that the heating power of the heating element suddenly rises and / or the temperature drops on the ion conductor and / or a high heating power is required to control the temperature at the ion conductor to a predetermined value. The respective threshold values can be determined with the aid of a model and / or determined experimentally.

Das Verfahren hat den Vorteil, dass das Sensorelement zuverlässig vor einer Zerstörung durch Wasserschlag geschützt wird, ohne dass die Empfindlichkeit des Sensors, beispielsweise durch Thermoschockbeschichtungen, reduziert wird. The method has the advantage that the sensor element is reliably protected against destruction by water hammer, without the sensitivity of the sensor, for example by thermal shock coatings, is reduced.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein vollständiges Verdampfen des Wassers aus der Schutzbeschichtung festgestellt, wenn die Heizleistung des Heizelements bei vorgegebener Temperatur unter einen festgelegten Schwellwert fällt. According to one embodiment of the invention, a complete evaporation of the water from the protective coating is detected when the heating power of the heating element falls below a predetermined threshold at a predetermined temperature.

Dieses Vorgehen beruht darauf, dass bei noch in der Schutzbeschichtung vorhandenem Wasser ein signifikanter Teil der Heizleistung für das Verdampfen des Wassers umgesetzt wird. Falls das Wasser jedoch vollständig verdampft ist, wird bei vorgegebener Temperatur nur noch eine verhältnismäßig geringe Heizleistung angefordert. Auch der hierfür gesetzte Schwellwert kann anhand eines Modells und/oder experimentell ermittelt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das erfolgte Verdampfen des Wassers zuverlässig festgestellt werden kann. This procedure is based on the fact that, with water still present in the protective coating, a significant part of the heating power for the evaporation of the water is converted. However, if the water is completely evaporated, only a relatively low heat output is required at a given temperature. The threshold value set for this purpose can also be determined experimentally by means of a model and / or. This embodiment has the advantage that the evaporation of the water can be detected reliably.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein vollständiges Verdampfen des Wassers aus der Schutzbeschichtung festgestellt, wenn das Heizelement für einen festgelegten Zeitraum auf der niedrigen Temperatur betrieben wurde. According to one embodiment of the invention, complete evaporation of the water from the protective coating is determined when the heating element has been operated at the low temperature for a specified period of time.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie besonders einfach ist. Ein vollständiges Verdampfen des Wassers aus der Schutzbeschichtung wird hier nicht direkt nachgewiesen, sondern lediglich nach einem festgelegten Zeitraum angenommen, wobei der Zeitraum wiederum anhand eines Modells und/oder experimentell ermittelt werden kann. This embodiment has the advantage that it is particularly simple. A complete evaporation of the water from the protective coating is not directly detected here, but assumed only after a specified period of time, the period can be determined again by a model and / or experimentally.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wiederaufheizen des Sensorelementes auf die Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors vorgenommen, wenn ein vollständiges Verdampfen des Wassers festgestellt wurde. According to one embodiment of the invention, the sensor element is reheated to the operating temperature of the oxygen sensor when complete evaporation of the water has been detected.

Falls das Wasser aus der Schutzbeschichtung vollständig verdampft ist, besteht nicht länger die Gefahr, das Sensorelement beim Wiederaufheizen zu zerstören. Ein Wiederaufheizen des Sensorelementes und damit eine neuerliche Inbetriebnahme des Sensors sind somit gefahrlos möglich. If the water from the protective coating has completely evaporated, there is no longer the risk of destroying the sensor element during reheating. A reheating of the sensor element and thus a new commissioning of the sensor are thus possible safely.

Dabei kann das Wiederaufheizen des Sensorelementes nach einem Wasserschlag mit einer niedrigeren Heizrate erfolgen als im Normalbetrieb. Das heißt, es wird nach einem festgestellten Wasserschlag und einem vollständigen Verdampfen des Wassers aus der Schutzbeschichtung zunächst erst vorsichtig, d. h. mit einer geringen Heizrate, aufgeheizt. Dabei kann das Aufheizen beispielsweise 1,5 mal bis 2 mal langsamer erfolgen als im Normalbetrieb des Sensors. Insbesondere erfolgt die Aufheizung nach einer festgelegten Funktion bzw. einem festgelegten Temperaturprofil. The reheating of the sensor element can take place after a water hammer at a lower heating rate than in normal operation. That is, it is after a detected water hammer and a complete evaporation of the water from the protective coating first carefully, d. H. with a low heating rate, heated. In this case, the heating, for example, 1.5 times to 2 times slower than in normal operation of the sensor. In particular, the heating takes place according to a defined function or a defined temperature profile.

Dies hat den Vorteil, dass möglicherweise trotz der Schutzbeschichtung in das Sensorelement eingedrungene geringe Wassermengen verdampft werden können, ohne das Sensorelement zu zerstören. This has the advantage that possibly despite the protective coating penetrated into the sensor element small amounts of water can be evaporated without destroying the sensor element.

Nachdem der Temperatursollwert des Sensorelementes wieder erreicht ist, kann der Sauerstoffsensor wieder in Betrieb genommen werden. After the temperature setpoint of the sensor element is reached again, the oxygen sensor can be put back into operation.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt nach einem festgestellten Wasserschlag eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Sauerstoffsensors. Dabei wird gemäß einer Ausführungsform eine Funktionstüchtigkeit des Sauerstoffsensors angenommen, wenn anhand seiner Messwerte Sauerstoffkonzentrationen von höchstens 21 Vol.% im Ansaugtrakt ermittelt werden. Falls die Messwerte der Sauerstoffkonzentration nach einem Wasserschlag deutlich über 21 % liegen, beispielsweise bei 35 %, so kann angenommen werden, dass die Messkammer des Sensorelementes gebrochen und der Sensor somit zerstört ist. According to one embodiment, a check of the functionality of the oxygen sensor takes place after a detected water hammer. In this case, according to one embodiment, a functional capability of the oxygen sensor is assumed if, based on its measured values, oxygen concentrations of at most 21% by volume are determined in the intake tract. If the measured values of the oxygen concentration after a water hammer are significantly above 21%, for example 35%, then it can be assumed that the measuring chamber of the sensor element is broken and the sensor is thus destroyed.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt bereit gestellt, aufweisend ein computerlesbares Medium, und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherter Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit anleitet, das beschriebene Verfahren auszuführen. According to one aspect of the invention, there is provided a computer program product comprising a computer readable medium and program code stored on the computer readable medium which, when executed on a computing unit, directs the computing unit to execute the described method.

Bei der Recheneinheit kann es sich insbesondere um eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine handeln oder um ein lediglich dem Sauerstoffsensor zugeordnetes Steuergerät. In particular, the arithmetic unit may be an engine controller of the internal combustion engine or a control unit associated only with the oxygen sensor.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Sauerstoffsensor zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine angegeben, wobei der Sauerstoffsensor ein Sensorelement mit einem mittels zumindest eines Heizelementes beheizbaren Ionenleiter mit einer yttriumstabilisierten Zirkonoxidkeramik aufweist, wobei zumindest eine beheizte Zone des Ionenleiters eine Schutzbeschichtung aus einem Faserwerkstoff aufweist, die die beheizte Zone bedeckt. According to a further aspect, an oxygen sensor is provided for determining the oxygen concentration in an intake tract of an internal combustion engine, wherein the oxygen sensor has a sensor element with an ion conductor which can be heated by means of at least one heating element with a yttrium-stabilized zirconium oxide ceramic, wherein at least one heated zone of the ion conductor has a protective coating of a fiber material that covers the heated zone.

Dieser Sauerstoffsensor hat den Vorteil, dass die Schutzbeschichtung aus dem Faserwerkstoff das Sensorelement bzw. insbesondere die beheizte Zone des Ionenleiters von vorbeistreichender Luft im Ansaugtrakt trennt. Somit schlägt sich Kondenswasser nicht direkt auf der beheizten Zone des Ionenleiters nieder, sondern wird durch die Schutzbeschichtung aufgenommen. Hierfür sind durch den verwendeten Faserwerkstoff porenartige Zwischenräume ausgebildet, die eine ausreichende Absorptionsfähigkeit der Schutzbeschichtung sicherstellt. Die Absorptionsfähigkeit ist dabei so groß, dass die typischerweise bei einem Wasserschlag auftretenden Kondenswassermengen aufgenommen werden können. Somit speichert die Schutzbeschichtung im Ansaugtrakt auftretendes Kondenswasser und kann als Puffer dienen, der das Kondenswasser von der beheizten Zone des Ionenleiters fernhält. In der Schutzbeschichtung kann das Kondenswasser so lange gehalten werden, bis es mittels des Heizelementes verdampft wird. This oxygen sensor has the advantage that the protective coating of the fiber material separates the sensor element or, in particular, the heated zone of the ion conductor from passing air in the intake tract. Thus, condensed water does not settle directly on the heated zone of the ion conductor, but is absorbed by the protective coating. For this purpose, pore-like intermediate spaces are formed by the fiber material used, which ensures a sufficient absorption capacity of the protective coating. The absorption capacity is so great that the typically occurring in a water hammer condensate can be absorbed. Thus, the protective coating stores condensation occurring in the intake tract and can serve as a buffer which keeps the condensation away from the heated zone of the ion conductor. In the protective coating, the condensed water can be kept until it is evaporated by means of the heating element.

Bei der Schutzbeschichtung kann es sich insbesondere um ein Gewebe oder Gewirke aus dem Faserwerkstoff handeln. Als Materialien kommen sowohl metallische als auch keramische Fasern in Betracht, die eine ausreichende Temperaturstabilität aufweisen. The protective coating may in particular be a woven or knitted fabric of the fiber material. Suitable materials are both metallic and ceramic fibers which have sufficient temperature stability.

Gemäß einer Ausführungsform ist dem Sauerstoffsensor ein Steuergerät zugeordnet, das zum Betreiben des Sauerstoffsensors zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, einen Wasserschlag festzustellen, wenn ein Anstieg einer Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt und/oder wenn eine Temperatur am Ionenleiter unter einen festgelegten Schwellwert abfällt und/oder eine Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt, im Falle eines festgestellten Wasserschlags das zumindest eine Heizelement herunter zu regeln und so lange auf einer niedrigen Temperatur zu betreiben, bis ein vollständiges Verdampfen aus der Schutzbeschichtung festgestellt wird. According to one embodiment, the oxygen sensor is associated with a control device which is set up to operate the oxygen sensor for determining the oxygen concentration in an intake tract of an internal combustion engine, wherein the control device is adapted to detect a water hammer when an increase in heating power at the ion conductor is above a predetermined threshold and / or when a temperature at the ion conductor falls below a predetermined threshold and / or a heat output on the ion conductor is above a predetermined threshold, in the case of a detected water hammer down the at least one heating element and operate as long at a low temperature until a complete evaporation from the protective coating is detected.

Ein derartiger Sauerstoffsensor weist, wie bereits weiter oben in Verbindung mit dem Verfahren beschriebene Vorteile auf. Such an oxygen sensor has advantages as already described above in connection with the method.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the accompanying drawings. Show in it

1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt und einem darin angeordneten Sauerstoffsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 schematically an internal combustion engine with an intake and an oxygen sensor arranged therein according to an embodiment of the invention;

2 schematisch einen Teil des Sauerstoffsensors gemäß 1 und 2 schematically a part of the oxygen sensor according to 1 and

3 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Sauerstoffsensors gemäß den 1 und 2. 3 schematically a flowchart of a method for operating the oxygen sensor according to the 1 and 2 ,

1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, die beispielsweise als Otto- oder Dieselmotor eines Fahrzeuges ausgebildet sein kann. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein Ansaugtrakt 2 zugeordnet, durch den der Brennkraftmaschine 1 Verbrennungsluft zugeführt wird. Ferner ist der Brennkraftmaschine 1 ein Abgastrakt 3 zugeordnet, durch den die Abgase der Brennkraftmaschine 1 abgeführt werden. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein System zur Abgasrückführung, bei dem über eine Abgasrückführungsleitung 4 Abgase aus dem Abgastrakt 3 in den Ansaugtrakt 2 zurückgeführt werden. Hierdurch kann insbesondere eine klopfende Verbrennung sparsam und umweltfreundlich vermieden werden. Die Regelung der Abgasrückführungsrate erfolgt über ein System, das in der schematischen Darstellung gemäß 1 nicht gezeigt ist. Dieses System benötigt zur Regelung der Abgasrückführrate insbesondere Messwerte eines Sauerstoffsensors 5, der im Ansaugtrakt zwischen der Einmündung der Abgasrückführleitung 4 und der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Der Sauerstoffsensor 5 weist ein Sensorelement aus einer yttriumstabilisierten Zirkonoxidkeramik auf. Dem Sensor 5 zugeordnet ist ein Steuergerät 6, das mit dem Sauerstoffsensor 5 über eine Signalleitung 7 verbunden ist, und das die Messwerte des Sauerstoffsensors 5 aufnimmt und den Sensor 5 steuert. 1 shows an internal combustion engine 1 , which may be formed for example as a gasoline or diesel engine of a vehicle. The internal combustion engine 1 is an intake tract 2 assigned by the internal combustion engine 1 Combustion air is supplied. Furthermore, the internal combustion engine 1 an exhaust tract 3 assigned by the exhaust gases of the internal combustion engine 1 be dissipated. The internal combustion engine 1 has an exhaust gas recirculation system with an exhaust gas recirculation line 4 Exhaust gases from the exhaust tract 3 in the intake tract 2 to be led back. As a result, in particular a knocking combustion can be avoided sparingly and environmentally friendly. The regulation of the exhaust gas recirculation rate via a system that in the schematic representation according to 1 not shown. In particular, this system requires measured values of an oxygen sensor for regulating the exhaust gas recirculation rate 5 located in the intake tract between the mouth of the exhaust gas recirculation line 4 and the internal combustion engine 1 is arranged. The oxygen sensor 5 has a sensor element made of a yttrium-stabilized zirconia ceramic. The sensor 5 assigned is a control unit 6 that with the oxygen sensor 5 via a signal line 7 connected, and that the readings of the oxygen sensor 5 picks up and the sensor 5 controls.

Bei dem Steuergerät 6 kann es sich um das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1 handeln, es kann sich jedoch auch um ein separates Steuergerät handeln. At the control unit 6 it may be the engine control unit of the internal combustion engine 1 but it can also be a separate controller.

Das Steuergerät 6 weist ein computerlesbares Medium 8 auf, das insbesondere als nicht flüchtiger Speicher ausgebildet sein kann und auf dem Programmcode abgespeichert ist, der, wenn er auf dem Steuergerät 6 ausgeführt wird, das Steuergerät 6 anleitet, das in Verbindung mit 3 beschriebene Verfahren auszuführen. The control unit 6 has a computer readable medium 8th on, which may be formed in particular as a non-volatile memory and is stored on the program code, when it is on the control unit 6 running, the controller 6 that communicates with 3 to carry out the described method.

2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Ansaugtrakt 2 mit dem darin angeordneten Sauerstoffsensor 5. Der Sauerstoffsensor 5 weist ein Sensorelement mit einer beheizten Zone 9 auf. Auf der Oberseite 10 des Sensorelementes 11 ist eine Schutzbeschichtung 12 aus einem Faserwerkstoff angeordnet, die zumindest die beheizbare Zone 9 bedeckt. Bei dem Faserwerkstoff handelt es sich insbesondere um ein Keramik- oder Metallvlies oder ein Keramik- oder Metallfasergestrick oder -gewebe. Die Schutzbeschichtung 12 kann zusätzlich durch eine in 2 nicht gezeigte Kappe abgedeckt sein. Die Schutzbeschichtung 12 bedeckt die beheizbare Zone 9 des Sensorelementes 11 und trennt diese von dem durch den Ansaugtrakt 2 strömenden Ansaugluftstrom. Kondenswasser aus dem Ansaugluftstrom kann sich demnach nicht direkt auf der beheizbaren Zone 9 niederschlagen, sondern wird in dem Porenraum der Schutzbeschichtung 12 aufgenommen. 2 schematically shows a section of the intake system 2 with the oxygen sensor arranged therein 5 , The oxygen sensor 5 has a sensor element with a heated zone 9 on. On the top 10 of the sensor element 11 is a protective coating 12 arranged from a fiber material, at least the heatable zone 9 covered. The fiber material is, in particular, a ceramic or metal fleece or a ceramic or metal-fiber knit or fabric. The protective coating 12 can additionally by a in 2 Cover not shown covered. The protective coating 12 covers the heatable zone 9 of the sensor element 11 and separates them from the one through the intake tract 2 flowing intake air flow. Condensation from the intake air flow can not therefore directly on the heated zone 9 but will precipitate in the pore space of the protective coating 12 added.

3 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Betreiben des beschriebenen Sauerstoffsensors 5 im Ansaugtrakt 2. Nachdem in einem Schritt 100 der Startbefehl „Sensor ein“ durch das Steuergerät 6 des Sauerstoffsensors 5 gegeben wurde, wird in einem Schritt 200 das Sensorelement beispielsweise auf 780 °C aufgeheizt. Dabei wird die Temperatur von 780 °C als Sollwert für die Betriebstemperatur des Sensors 5 vorgegeben. 3 shows steps of a method for operating the described oxygen sensor 5 in the intake system 2 , After in one step 100 the start command "Sensor on" by the control unit 6 of the oxygen sensor 5 was given is in one step 200 the sensor element, for example, heated to 780 ° C. The temperature of 780 ° C is the setpoint for the operating temperature of the sensor 5 specified.

Im Folgenden wird im Schritt 300 ein auftretender Wasserschlag dadurch erkannt, dass abnorme Werte für die Leistung des Heizelementes, für die Temperatur der beheizbaren Zone 9 oder für den Anstieg der Leistung des Heizelementes auftreten. Beispielsweise wird ein Wasserschlag festgestellt, wenn die Heizleistung bei einer Temperatur von 780 °C der beheizbaren Zone oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Ferner wird ein Wasserschlag angenommen, wenn der zeitliche Anstieg der Heizleistung dP/dT größer als ein vordefinierter Schwellwert ist. Ferner kann ein Wasserschlag angenommen werden, wenn die Isttemperatur der beheizbaren Zone 9 trotz einer Heizleistung im Normbereich unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt. The following is in step 300 an occurring water hammer detected by abnormal values for the performance of the heating element, for the temperature of the heated zone 9 or to increase the power of the heating element. For example, a water hammer is detected when the heating power at a temperature of 780 ° C of the heated zone is above a predetermined threshold. Furthermore, a water hammer is assumed if the increase in the heating power dP / dT over time is greater than a predefined threshold value. Furthermore, a water hammer can be assumed if the actual temperature of the heated zone 9 despite a heating power in the normal range falls below a predetermined threshold.

Falls in einem Schritt 400 ein Wasserschlag erkannt wurde, wird das Heizelement heruntergeregelt, d. h. zeitweise abgeschaltet und/oder bei einer niedrigeren Temperatur betrieben. Dies erfolgt in einem Schritt 500 so lange, bis in einem Schritt 600 festgestellt wurde, dass das in der Schutzbeschichtung 12 kondensierte Wasser vollständig verdampft ist. If in one step 400 a water hammer has been detected, the heating element is down-regulated, ie temporarily switched off and / or operated at a lower temperature. This is done in one step 500 so long, in one step 600 it was found that in the protective coating 12 condensed water is completely evaporated.

Beispielsweise wird der Sollwert des Heizelementes auf 200 °C gesetzt und die Heizleistung wird überwacht. Nun verdampft das durch die Schutzbeschichtung 12 aufgesaugte Kondenswasser. Die geringe Temperatur des Heizelementes bewirkt, dass das Sensorelement 11 auch bei Berührung von durchtretendem Wasser auf der heißen Zone nicht beschädigt wird. Da Wasser verdampft werden muss, ist die Heizleistung zum Erreichen der Sollwerttemperatur von 200°C deutlich höher als im Normalbetrieb. Die Heizleistung wird überwacht, wenn die gemessene Heizleistung der typischen Heizleistung bei 200 ° C, d. h. der Heizleistung im Normbereich, entspricht, ist das Wasser verdampft und es kann wieder auf 780 °C aufgeheizt werden. Alternativ kann auch eine konstant niedrige Heizleistung eingebracht werden, die im Normalbetrieb etwa 200 °C ergibt, und eine geeignete Zeit abgewartet werden, damit das Wasser verdampfen kann, beispielsweise eine Minute. Anschließend wird wieder auf 780 °C aufgeheizt. For example, the setpoint of the heating element is set to 200 ° C and the heating power is monitored. Now this evaporates through the protective coating 12 absorbed condensation. The low temperature of the heating element causes the sensor element 11 will not be damaged even if it comes into contact with the hot water in the hot zone. Since water must be evaporated, the heating power to reach the setpoint temperature of 200 ° C is significantly higher than in normal operation. The heating power is monitored, if the measured heating power of the typical heating power at 200 ° C, ie the heating capacity in the standard range, corresponds to the water is evaporated and it can be heated to 780 ° C. Alternatively, a constant low heating power can be introduced, which gives about 200 ° C in normal operation, and to wait for a suitable time so that the water can evaporate, for example one minute. It is then heated to 780 ° C again.

Das Aufheizen im Schritt 700 kann vorsichtig, d. h. mit einer geringeren Heizrate als im Normalbetrieb, erfolgen. Heating in step 700 can be done carefully, ie with a lower heating rate than in normal operation.

Anschließend wird im Schritt 800 eine Diagnose des Sauerstoffsensors 5 durchgeführt. Dabei wird die Sauerstoffkonzentration im Ansaugtrakt 2 gemessen. Falls die Auswertung im Schritt 900 ergibt, dass die gemessenen Sauerstoffkonzentrationen deutlich oberhalb von 21 Vol.% liegen, wird angenommen, dass der Sensor 5 defekt ist. Im Schritt 1000 wird dann ein entsprechender Fehler ausgegeben. Falls die ermittelten Sauerstoffkonzentrationen im Schritt 900 im Normbereich liegen, kann davon ausgegangen werden, dass der Sensor 5 durch den erfolgten Wasserschlag nicht zerstört wurde. Subsequently, in step 800 a diagnosis of the oxygen sensor 5 carried out. The oxygen concentration in the intake tract is thereby 2 measured. If the evaluation in step 900 shows that the measured oxygen concentrations are well above 21 vol.%, it is assumed that the sensor 5 is defective. In step 1000 then a corresponding error is output. If the determined oxygen concentrations in step 900 within the normal range, it can be assumed that the sensor 5 was not destroyed by the water hit.

  

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012200062 A1 [0002] DE 102012200062 A1 [0002]

Claims (11)

Verfahren zum Betreiben eines Sauerstoffsensors (5) mit einem Sensorelement (11) in einem Ansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1), wobei das Sensorelement (11) einen mittels zumindest eines Heizelements beheizbaren Ionenleiter mit einer yttriumstabilisierten Zirconoxid-Keramik und eine Schutzbeschichtung (12) aus einem Faserwerkstoff aufweist, wobei ein Wasserschlag festgestellt wird, wenn ein Anstieg einer Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt und/oder wenn eine Temperatur am Ionenleiter unter einen festgelegten Schwellwert abfällt und/oder eine Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt, wobei im Falle eines festgestellten Wasserschlags das zumindest eine Heizelement heruntergeregelt und solange auf einer niedrigen Temperatur betrieben wird, bis ein vollständiges Verdampfen von Wasser aus der Schutzbeschichtung (12) festgestellt wird. Method for operating an oxygen sensor ( 5 ) with a sensor element ( 11 ) in an intake tract ( 2 ) an internal combustion engine ( 1 ), wherein the sensor element ( 11 ) an ion conductor, which can be heated by means of at least one heating element, with a yttrium-stabilized zirconium oxide ceramic and a protective coating ( 12 ) of a fiber material, wherein a water hammer is detected when an increase in heating power at the ion conductor is above a predetermined threshold and / or when a temperature at the ion conductor falls below a predetermined threshold and / or a heating power at the ion conductor is above a predetermined threshold, wherein, in the event of a detected water hammer, the at least one heating element is turned down and operated at a low temperature until complete evaporation of water from the protective coating ( 12 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein vollständiges Verdampfen des Wassers aus der Schutzbeschichtung (12) festgestellt wird, wenn die Heizleistung des Heizelements bei vorgegebener Temperatur unter eines festgelegten Schwellwert fällt. Process according to claim 1, wherein complete evaporation of the water from the protective coating ( 12 ) is detected when the heating power of the heating element at a predetermined temperature falls below a predetermined threshold. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein vollständiges Verdampfen des Wassers aus der Schutzbeschichtung (12) festgestellt wird, wenn das Heizelement für einen festgelegten Zeitraum auf der niedrigen Temperatur betrieben wurde. Process according to claim 1, wherein complete evaporation of the water from the protective coating ( 12 ) is detected when the heating element has been operated at a low temperature for a specified period of time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Wiederaufheizen des Sensorelements (11) auf die Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors (5) erfolgt, wenn ein vollständiges Verdampfen des Wassers festgestellt wurde. Method according to one of claims 1 to 3, wherein a reheating of the sensor element ( 11 ) to the operating temperature of the oxygen sensor ( 5 ) occurs when complete evaporation of the water has been detected. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Wiederaufheizen des Sensorelements (11) nach einem Wasserschlag mit einer niedrigeren Heizrate erfolgt als im Normalbetrieb. Method according to claim 4, wherein the reheating of the sensor element ( 11 ) after a water hammer at a lower heating rate than in normal operation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nach einem festgestellten Wasserschlag eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Sauerstoffsensors (5) erfolgt. Method according to one of claims 1 to 5, wherein after a detected water hammer a check of the functionality of the oxygen sensor ( 5 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Funktionstüchtigkeit des Sauerstoffsensors (5) angenommen wird, wenn anhand seiner Messwerte Sauerstoffkonzentrationen von höchstens 21 Volumenprozent im Ansaugtrakt (2) ermittelt werden. A method according to claim 6, wherein a functionality of the oxygen sensor ( 5 ), based on its measured values, oxygen concentrations not exceeding 21% by volume in the intake 2 ) be determined. Computerprogrammprodukt aufweisend ein computerlesbares Medium (8) und auf dem computerlesbaren Medium (8) abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit (6) ausgeführt wird, die Recheneinheit (6) anleitet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen. Computer program product comprising a computer readable medium ( 8th ) and on the computer-readable medium ( 8th stored program code which, when stored on a computer unit ( 6 ) is executed, the arithmetic unit ( 6 ) to carry out a method according to one of claims 1 to 7. Sauerstoffsensor (5) zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration in einem Ansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1), wobei der Sauerstoffsensor (5) ein Sensorelement (11) mit einem mittels zumindest eines Heizelements beheizbaren Ionenleiter mit einer yttriumstabilisierten Zirconoxid-Keramik aufweist, wobei zumindest eine beheizte Zone des Ionenleiters eine Schutzbeschichtung (12) aus einem Faserwerkstoff aufweist, die die beheizte Zone bedeckt. Oxygen sensor ( 5 ) for determining an oxygen concentration in an intake tract ( 2 ) an internal combustion engine ( 1 ), wherein the oxygen sensor ( 5 ) a sensor element ( 11 ) with an ion conductor which can be heated by means of at least one heating element with a yttrium-stabilized zirconium oxide ceramic, wherein at least one heated zone of the ion conductor has a protective coating ( 12 ) of a fiber material covering the heated zone. Sauerstoffsensor (5) nach Anspruch 9, wobei dem Sauerstoffsensor ein Steuergerät (6) zugeordnet ist, das zum Betreiben des Sauerstoffsensors (5) zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration in einem Ansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) eingerichtet ist, wobei das Steuergerät (6) dazu eingerichtet ist, einen Wasserschlag festzustellen, wenn ein Anstieg einer Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt und/oder wenn eine Temperatur am Ionenleiter unter einen festgelegten Schwellwert abfällt und/oder eine Heizleistung am Ionenleiter oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt, im Falle eines festgestellten Wasserschlags das zumindest eine Heizelement herunterzuregeln und solange auf einer niedrigen Temperatur zu betreiben, bis ein vollständiges Verdampfen von Wasser aus der Schutzbeschichtung (12) festgestellt wird. Oxygen sensor ( 5 ) according to claim 9, wherein the oxygen sensor is a control unit ( 6 ) associated with operating the oxygen sensor ( 5 ) for determining an oxygen concentration in an intake tract ( 2 ) an internal combustion engine ( 1 ), wherein the control unit ( 6 ) is adapted to detect a water hammer when an increase in heating power at the ion conductor is above a predetermined threshold and / or when a temperature at the ion conductor falls below a predetermined threshold and / or a heating power on the ion conductor is above a predetermined threshold, in the case of determined water hammer down the at least one heating element and to operate at a low temperature until a complete evaporation of water from the protective coating ( 12 ) is detected. Sauerstoffsensor (5) nach Anspruch 10, wobei das dem Sauerstoffsensor (5) zugeordnete Steuergerät (11) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7 durchzuführen. Oxygen sensor ( 5 ) according to claim 10, wherein the oxygen sensor ( 5 ) associated control device ( 11 ) is adapted to perform a method according to one of claims 2 to 7.
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