DE102017100222A1 - Detektierung der schwärzung eines sauerstoffsensorelements - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme zum Detektieren einer thermischen Alterung und einer Schwärzung bei Sauerstoffsensoren. Thermische Alterungs- und Schwärzungseffekte können auf Basis einer überwachten Impedanzänderung in jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle des Sauerstoffsensors nach dem Anlegen einer Wechselspannung unterschieden werden. Als Reaktion auf die Detektion einer thermischen Alterung und/oder Schwärzung im Sauerstoffsensor können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um eine genaue Sauerstoffschätzung unter Verwendung des Sensors sicherzustellen.

Description

• Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Systeme zum Detektieren einer thermischen Alterung und/oder Schwärzung von Sauerstoffsensoren.
• Hintergrund/Zusammenfassung
• Ansaug- und/oder Abgassensoren können betrieben werden, um Angaben über verschiedene Ansaug- und Abgasbestandteile bereitzustellen. Das Ausgangssignal von einem Universal-Abgassauerstoff-(UEGO-)Sensor kann zum Beispiel verwendet werden, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) von Abgas zu bestimmen. Auf ähnliche Weise kann ein Sauerstoffsensor in einem Motor-Ansaugkanal angeordnet sein, um die Feuchtigkeit des Ansauggases oder die Zusammensetzung von Abgasen zu bestimmen, die an das Ansaugsystem zurückgeleitet werden. Angaben über den Ansaug- und Abgassauerstoffgehalt können verwendet werden, um verschiedene Motor-Betriebsparameter wie z. B. die Kraftstoffzufuhr anzupassen. Als ein Beispiel kann eine Zylinder-Kraftstoffzufuhr auf Basis eines Abgas-AFR rückkopplungsgesteuert sein, um ein Ziel-Verbrennungs-AFR zu erzielen, das die Betriebsleistung einer Vorrichtung zur Abgasemissionssteuerung maximiert. Daher kann die Messgenauigkeit eines Sauerstoffsensors signifikant von einer Verschlechterung eines Elements im Sauerstoffsensor, z. B. aufgrund einer Schwärzung oder thermischen Alterung des Sensorelements, betroffen sein. Die Schwärzung eines Sauerstoffsensorelements ist eine Form der Verschlechterung, die aufgrund der Anwendung einer hohen und/oder variablen Spannung und aufgrund niedriger Sauerstoff- und Wasserbedingungen auftritt. Die thermische Alterung ist eine weitere Form der Verschlechterung, welche aufgrund des kontinuierlichen Sensorbetriebs im Laufe der Zeit auftritt.
• Verschiedene Ansätze sind verwendet worden, um eine Sauerstoffsensorverschlechterung zu detektieren, insbesondere in Bezug auf eine Schwärzung und thermische Alterung. In einem beispielhaften Ansatz, der von Verdier et al. in US 20120167656 A1 gezeigt wird, kann eine Spannung an Anschlüsse angelegt werden, die mit Elektroden eines Pumpzellen-(im Fall eines Doppelzellen-)Sensors oder denen einer kombinierten Pump- und Messzelle (im Fall eines Einzelzellensensors) des Abgassensors verbunden sind, und anschließend wird ein durch die Zelle fließender Pumpstrom überwacht. Spannungen gleicher Größe können zu unterschiedlichen Zeitpunkten an die Anschlüsse angelegt werden, und die Pumpstromdifferenz wird geschätzt. Falls die Pumpstromdifferenz höher als ein Schwellenwert ist, kann eine Verschlechterung des Sauerstoffsensors aufgrund einer Schwärzung zumindest einer der Zellenelektroden angenommen werden.
• Die Erfinder haben hier potentielle Probleme bei dem oben erwähnten Ansatz erkannt. Als ein Beispiel kann eine Änderung des Pumpstroms nach einem Anlegen einer Spannung zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten aufgrund einer thermischen Alterung oder einer Schwärzung eines Elements auftreten. In Folge dessen ist es in dem Ansatz von Verdier et al. möglicherweise nicht möglich, zwischen der thermischen Alterung des Sensors und der Schwärzung eines Elements zu unterscheiden. Auf Basis des Auftretens von thermischer Alterung und/oder Schwärzung eines Elements ist es erforderlich, unterschiedliche Korrekturmaßnahmen für zukünftige Sauerstoffschätzungen unter Verwendung des Sensors zu tätigen. Die Anwendung ungeeigneter Korrekturmaßnahmen auf UEGO-Sensoren kann die Sensorverschlechterung beschleunigen, und die Genauigkeit der Sauerstoffschätzung unter Verwendung des Sensors kann abnehmen, wodurch das Motorleistungsverhalten beeinträchtigt wird.
• Die Erfinder haben hier einen Ansatz ermittelt, mit welchem das oben beschriebene Problem zumindest teilweise behoben werden kann. Ein beispielhaftes Verfahren für einen Fahrzeugmotor umfasst das Unterscheiden zwischen einer thermischen Alterung und einer Schwärzung eines Sauerstoffsensorelements auf Basis einer überwachten Änderung der Impedanz jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle des Sauerstoffsensors nach dem Anlegen einer Spannung. Auf diese Weise kann eine Sensorschwärzung zuverlässiger ermittelt und schnell behoben werden.
• Als ein Beispiel kann die Impedanz jeweils einer Pump- und einer Nernstzelle eines Sauerstoffsensors überwacht werden und zur Detektierung und Unterscheidung der thermischen Alterung des Sensors und der Schwärzung eines Sensorelements verwendet werden. Die thermische Alterung (welche auch als Kornvergröberung bezeichnet wird) kann beim Sauerstoffsensor nach mehrfacher Verwendung im Laufe der Zeit auftreten. Eine Schwärzung kann aufgrund einer Materialänderung (z. B. Zirconiumoxid (ZrO₂) zu Zirconium (Zr)) auftreten, die in den Elektroden der Pumpzelle vorliegt. Eine dunkle Anreicherung (z. B. von metallischem Zr) kann auf einer Elektrode des Sensors beobachtet werden, welche als Schwärzung bezeichnet werden kann. Eine Wechsel-(AC-)Spannung kann nach Bedarf oder periodisch an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle des Sauerstoffsensors angelegt werden, und die entsprechende Impedanz der Zellen kann durch Messen der jeweiligen Pumpströme geschätzt werden, um eine Frequenzabtastung zu erzeugen. Die Impedanz jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle kann sich aufgrund von Erhitzung im Laufe der Zeit verringern. Eine thermische Alterung kann auf Basis der Impedanzänderung im zeitlichen Verlauf detektiert werden. Nach einem Zeitraum und nach mehrfacher Verwendung kann sich die Impedanzänderung (welche sowohl in der Pump- als auch in der Nernstzelle zu beobachten ist) aufgrund der thermischen Alterung stabilisieren. Ein weiteres Anlegen einer Spannung an jede der Zellen ergibt möglicherweise keine weitere Impedanzreduktion. Falls eine Schwärzung bei einer Elektrode der Pumpzelle vorliegt, kann ein weiteres Anlegen einer Wechselspannung mit höherer Spitzenspannung nach der Stabilisierung der thermischen Alterung eine signifikante Änderung der Pumpzellenimpedanz ergeben. Das Ausmaß der Schwärzung kann aus der Höhe der bei der Pumpzellenimpedanz beobachteten Änderung im Vergleich zu einer vorhergehenden Messung der Pumpzellenimpedanz (wie z. B. während einer letzten Abtastung) geschätzt werden. Ebenso kann beim Anlegen derselben Wechselspannung an die Nernstzelle keine weitere Impedanzänderung vorliegen, was weiter bestätigt, dass eine bei der Pumpzelle beobachtete Widerstandsänderung auf eine Schwärzung zurückzuführen ist und nicht von einer weiteren thermischen Alterung stammt. Nach der Detektierung der thermischen Alterung kann ein Kompensationsfaktor aktualisiert werden, der während der Sauerstoffschätzung unter Verwendung des Sensors verwendet wird. Im Vergleich dazu können bei der Detektierung einer Sensorschwärzung eine niedrigere Ziel-(Referenz-)Spannung und eine weniger starke Rampenrate für das Anlegen einer Referenzspannung während der zukünftigen Sauerstoffschätzung verwendet werden. Ferner kann ein Diagnosecode (Statuszeichen) gesetzt werden, um den Benutzer über die Verschlechterung zu informieren.
• Auf diese Weise kann eine Änderung der Impedanz (oder des Widerstandes) im zeitlichen Verlauf in jeweils der Pump- und der Nernstzelle verwendet werden, um bei einem Sauerstoffsensor zwischen thermischen Alterungseffekten und der Schwärzung von Elementen zu unterscheiden. Durch die aktive Überwachung der Impedanzen jeweils der Pump- und der Nernstzelle im zeitlichen Verlauf nach einem Anlegen einer Wechselspannung ist es möglich, die Schwärzung von Elementen mit höherer Sicherheit zu detektieren und zwischen den beiden Formen der UEGO-Sensorverschlechterung besser zu unterscheiden. Der technische Erffekt der Unterscheidung zwischen thermischen Alterungseffekten und der Schwärzung von Elementen bei einem Sauerstoffsensor besteht darin, dass dementsprechend geeignete Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können. Durch das Aktualisieren eines Korrekturfaktors zur Kompensation thermischer Alterungseffekte kann die Genauigkeit der Sauerstoffschätzung während der Alterung eines Sensors aufrechterhalten werden. Im Vergleich dazu können, wenn eine Schwärzung eines Elements detektiert wird, weitere Schäden am Sensor aufgrund von Schwärzung begrenzt werden, indem Präventivmaßnahmen wie z. B. das Anlegen einer niedrigeren Zielspannung und einer weniger starken Rampenrate der Referenzspannung während der Sauerstoffschätzungen getätigt werden. Insgesamt werden durch die effektive Detektion und Unterscheidung der thermischen Alterung und Schwärzung von Elementen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Sauerstoffsensorbetriebs erhöht, was ermöglicht, das Motorleistungsverhalten aufrechtzuerhalten.
• Es versteht sich, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der Detailbeschreibung weiter beschrieben werden. Sie soll keine Schlüsselmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstandes festlegen, dessen Schutzumfang einzig von den Patentansprüchen definiert wird, welche auf die Detailbeschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung genannten Nachteile beheben.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt ein beispielhaftes Motorsystem, welches Ansaug- und Abgassauerstoffsensoren umfasst.
• 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften UEGO-Sensors.
• 3 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren veranschaulicht, das implementiert werden kann, um eine thermische Alterung und Schwärzung von Elementen bei einem Sauerstoffsensor zu detektieren.
• 4 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Schwankungen der Pumpzellenimpedanz für eine Vielzahl von Frequenzabtastungen im zeitlichen Verlauf.
• 5 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Schwankungen der Nernstzellenimpedanz für eine Vielzahl von Frequenzabtastungen im zeitlichen Verlauf.
• 6 zeigt ein Beispiel für das Detektieren der thermischen Alterung und Schwärzung auf Basis der Änderung der Pump- und Nernstzellenimpedanz bei einem UEGO-Sensor.
• Detailbeschreibung
• Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zum Detektieren der thermischen Alterung und Schwärzung bei Sauerstoffsensoren. Sauerstoffsensoren können in einem Ansaugluftkanal oder einem Abgaskanal angeordnet sein, wie in dem Motorsystem aus 1 gezeigt wird. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Sauerstoffsensors, der von thermischer Alterung und/oder Schwärzung betroffen ist. Eine Motorsteuereinheit kann konfiguriert sein, um eine Steuerroutine wie z. B. die beispielhafte Routine aus 3 durchzuführen, um eine thermische Alterung und Schwärzung von Elementen in einem Sauerstoffsensor zu detektieren. 4 und 5 zeigen Schwankungen der Pumpzellen- beziehungsweise Nernstzellenimpedanz (im zeitlichen Verlauf) für eine Vielzahl von Frequenzabtastungen. Ein Beispiel für das Detektieren einer thermischen Alterung und Schwärzung von Elementen auf Basis einer Änderung der Pump- und Nernstzellenimpedanz wird in 6 gezeigt.
• 1 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Zylinder eines mehrzylindrigen Motors 10 in einem Motorsystem 100 zeigt. Der Motor 10 kann zumindest teilweise von einem Steuersystem, welches eine Steuereinheit 12 umfasst, und durch Eingaben von einem Fahrzeugbetreiber 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134, um ein proportionales Pedalpositionssignal PP zu erzeugen. Eine Brennkammer (Zylinder) 30 des Motors 10 kann Brennkammerwände 32 umfassen, wobei ein Kolben 36 darin positioniert ist. Der Kolben 36 kann mit einer Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, sodass die Hin- und Herbewegung des Kolbens 36 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Zwischen-Getriebesystem mit zumindest einem Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startvorgang des Motors 10 zu ermöglichen.
• Die Brennkammer 30 kann Ansaugluft von einem Ansaugkrümmer 44 über einen Ansaugkanal 42 aufnehmen und kann Verbrennungsgase über einen Abgaskanal 48 ausstoßen. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgaskanal 48 können über ein Ansaugventil 52 beziehungsweise ein Abgasventil 54 selektiv mit der Brennkammer 30 kommunizieren. In manchen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Ansaugventile und/oder zwei oder mehr Abgasventile umfassen.
• In diesem Beispiel können das Ansaugventil 52 und das Abgasventil 54 mittels Nockenbetätigung über jeweilige Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken umfassen und können eines oder mehrere aus einem Nockenprofilschaltungs-(CPS-), variablen Nockenzeitsteuerungs-(VCT-), variablen Ventilzeitsteuerungs-(VVT-) und/oder variablen Ventilhub-(VVL-)System verwenden, das von der Steuereinheit 12 betrieben werden kann, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Ansaugventils 52 und des Abgasventils 54 kann durch Positionssensoren 55 beziehungsweise 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Ansaugventil 52 und/oder das Abgasventil 54 mittels elektrischer Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Brennkammer 30 alternativ ein Ansaugventil, das mittels elektrischer Ventilbetätigung gesteuert wird, sowie ein Abgasventil umfassen, das mittels einer ein CPS- und/oder VCT-System umfassenden Nockenbetätigung gesteuert wird.
• Eine Kraftstoffeinspritzung 66 ist direkt mit der Brennkammer 30 gekoppelt gezeigt, um im Verhältnis zur Impulsbreite FPW des von der Steuereinheit 12 über einen elektronischen Treiber 68 empfangenen Signals direkt Kraftstoff in diese einzuspritzen. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzung 66 das bereit, was als Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30 bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzung 66 kann zum Beispiel in der Seite der Brennkammer oder in der Oberseite der Brennkammer (wie gezeigt) montiert sein. Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzung 66 mittels eines (nicht gezeigten) Kraftstoffsystems, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffleitung umfasst, zugeführt werden. In manchen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 alternativ oder zusätzlich dazu eine Kraftstoffeinspritzung umfassen, welche im Ansaugkrümmer 44 in einer Konfiguration angeordnet ist, die das bereitstellt, was als Saugrohreinspritzung in das Ansaugrohr stromauf der Brennkammer 30 bekannt ist.
• Der Ansaugkanal 42 kann eine Drossel 62 umfassen, welche eine Drosselklappe 64 aufweist. In diesem konkreten Beispiel kann die Position der Drosselklappe 64 durch die Steuereinheit 12 über ein Signal variiert werden, das einem in der Drossel 62 umfassten Elektromotor oder Aktuator bereitgestellt wird, wobei diese Konfiguration gemeinhin als elektronische Drosselsteuerung (ETC) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann die Drossel 62 betrieben werden, um die Ansaugluft zu variieren, die der Brennkammer 30 neben anderen Motorzylindern bereitgestellt wird. Die Position der Drosselklappe 64 kann der Steuereinheit 12 mittels eines Drosselpositionssignals TP bereitgestellt werden. Der Luftansaugkanal 42 kann den Ansauglufttemperatur-(IAT-)Sensor 125 und den barometrischen Druck-(BP-)Sensor 128 umfassen. Der IAT-Sensor 125 schätzt die Ansauglufttemperatur, welche in Motorbetriebsvorgängen verwendet werden soll, und stellt der Steuereinheit 12 ein Signal bereit. Auf ähnliche Weise schätzt der BP-Sensor 128 den Umgebungsdruck für Motorbetriebsvorgänge und stellt der Steuereinheit 12 ein Signal bereit. Der Ansaugkanal 42 kann ferner einen Massenluftstromsensor 120 und einen Krümmerluftdrucksensor 122 umfassen, um der Steuereinheit 12 jeweilige Signale MAF und MAP bereitzustellen.
• Ein Abgassensor 126 wird mit dem Abgaskanal 48 stromauf einer Emissionssteuerungsvorrichtung 70 gezeigt. Der Sensor 126 kann ein beliebiger, geeigneter Sensor sein, um eine Angabe des Abgasluft/Kraftstoff-Verhältnisses (AFR) bereitzustellen, wie z. B. ein linearer Sauerstoffsensor oder ein UEGO (Universal- oder Breitband-Abgassauerstoffsensor), ein Zwei-Zustand-Sauerstoffsensor oder EGO, ein HEGO (beheizter EGO), ein NO_x-, HC- oder CO-Sensor. In einem ersten Betriebsmodus des Sauerstoffsensors kann Abgas von einem Verbrennungsmotor in einen ersten Hohlraum strömen, welcher auf einer Seite von einer Zirconiumoxidschicht und auf einer anderen Seite von einer Keramikschicht gebildet wird, wobei die Keramikschicht zwischen dem ersten Hohlraum und einem zweiten, ein Referenzgas enthaltenden Hohlraum positioniert ist. Eine erste Spannung kann an die Zirconiumoxidschicht angelegt werden, um Sauerstoffionen zwischen dem ersten Hohlraum und dem Abgas zu pumpen, und eine zweite Spannung kann an die Keramikschicht angelegt werden, und die erste Spannung kann begrenzt werden, wenn die zweite Spannung eine Schwelle erreicht. Dahingegen kann in einem zweiten Betriebsmodus des Sauerstoffsensors eine Zersetzung eines Teils der Zirconiumoxidschicht zu Zirconium detektiert werden, indem eine Impedanzänderung der Zirconiumschicht mit einer Impedanzänderung der Keramikschicht verglichen wird. Eine genaue Ausführungsform des UEGO-Sensors wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Ein Sauerstoffsensor kann verwendet werden, um das AFR sowohl für das Ansauggas als auch das Abgas zu schätzen. Auf Basis der AFR-Schätzung können Motorbetriebsparameter wie z. B. die Kraftstoffzufuhr reguliert werden. Darüber hinaus kann unter Verwendung der AFR-Schätzung im Abgas die Betriebsleistung einer Emissionssteuerungsvorrichtung verbessert werden. Um den Motorbetrieb zu verbessern, ist es wichtig, jegliche Verschlechterung des Sauerstoffsensors/der Sauerstoffsensoren zu detektieren. Ein genaues Verfahren zum Detektieren der Sauerstoffsensorverschlechterung aufgrund jedes aus der thermischen Alterung und der Schwärzung von Elementen wird unter Bezugnahme auf 3–6 beschrieben.
• Die Emissionssteuerungsvorrichtung 70 wird entlang des Abgaskanals 48 stromab des Abgassensors 126 angeordnet gezeigt. Die Vorrichtung 70 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC), eine NO_x-Falle, verschiedene andere Emissionssteuerungsvorrichtungen oder Kombinationen daraus sein. In manchen Ausführungsformen kann die Emissionssteuerungsvorrichtung 70 während des Betriebs des Motors 10 periodisch zurückgesetzt werden, indem zumindest ein Zylinder des Motors mit einem bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird.
• Ferner kann ein Abgasrückführungs-(EGR-)System 140 einen gewünschten Anteil des Abgases aus dem Abgaskanal 48 über einen EGR-Kanal 142 zum Ansaugkrümmer 44 leiten. Die EGR-Menge, welche dem Ansaugkrümmer 44 bereitgestellt wird, kann von der Steuereinheit 12 über ein EGR-Ventil 144 variiert werden. Ferner kann ein EGR-Sensor 146 innerhalb des EGR-Kanals 142 angeordnet sein und kann eine Angabe eines oder mehrerer aus einem Druck, einer Temperatur und den Bestandteilkonzentrationen des Abgases bereitstellen. Ein linearer Sauerstoffsensor 172 kann am Ansaugkanal stromab der Ansaugdrossel positioniert sein, um die EGR-Regulierung zu erleichtern. Unter gewissen Bedingungen kann das EGR-System 140 verwendet werden, um die Temperatur des Gemisches aus Luft und Kraftstoff innerhalb der Brennkammer zu regulieren und dadurch ein Verfahren bereitzustellen, um den Zündzeitpunkt während gewisser Verbrennungsmodi zu steuern. Ferner kann unter gewissen Bedingungen ein Anteil der Verbrennungsgase in der Brennkammer zurückgehalten oder eingeschlossen werden, indem das zeitliche Verhalten des Abgasventils gesteuert wird, zum Beispiel durch das Steuern eines variablen Ventilzeitsteuerungsmechanismus.
• Die Steuereinheit 12 wird in 1 als Mikrocomputer gezeigt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingabe-/Ausgabe-Anschlüsse 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, welches in diesem konkreten Beispiel als Festwertspeicherchip 106 gezeigt wird, einen Direktzugriffsspeicher 108, einen Keepalive-Speicher 110 und einen Datenbus umfasst. Die Steuereinheit 12 kann, zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Signalen, verschiedene Signale von Sensoren empfangen, die mit dem Motor 10 gekoppelt sind, einschließlich der Messung eines eingespeisten Massenluftstroms (MAF) vom Massenluftstromsensor 120, einer Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem Temperatursensor 112, der mit einem Kühlmantel 114 gekoppelt ist, eines Zündprofil-Pickupsignals (PIP) von einem Halleffekt-Sensor 118 (oder einem anderen Sensortyp), der mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt ist, einer Drosselposition (TP) von einem Drosselpositionssensor sowie eines absoluten Krümmerdrucksignals MAP vom Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM kann von der Steuereinheit 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Angabe bezüglich des Vakuums oder Drucks im Ansaugkrümmer bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie z. B. ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Angabe über das Motordrehmoment bereitstellen. Ferner kann dieser Sensor gemeinsam mit der detektierten Motordrehzahl eine Einschätzung der in den Zylinder eingebrachten Ladung (einschließlich der Luft) bereitstellen. In einem Beispiel kann der Sensor 118, welcher auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen mit gleichem Abstand erzeugen.
• Der Festwertspeicher 106 des Speichermediums kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die nichtflüchtige Befehle, welche vom Prozessor 102 ausführbar sind, um die unten beschriebenen Verfahren durchzuführen, sowie anderen Varianten repräsentieren, die berücksichtigt, aber nicht speziell angeführt werden. Wie oben beschrieben zeigt 1 einen Zylinder eines mehrzylindrigen Motors, und jeder Zylinder kann auf ähnliche Weise seinen eigenen Satz von Ansaug-/Abgasventilen, Kraftstoffeinspritzung, Zündkerze etc. umfassen.
• Die Steuereinheit 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren aus 1 und setzt die verschiedenen Aktuatoren aus 1 ein, um den Motorbetrieb auf Basis der empfangenen Signale und der in einem Speicher der Steuereinheit 12 gespeicherten Befehle anzupassen. In einem Beispiel initiiert die Steuereinheit 12 eine Diagnoseroutine, um eine thermische Alterung zu detektieren, welche in den Sauerstoffsensoren 126 und 172 vorliegt.
• 2 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Abgassauerstoffsensors wie des UEGO-Sensors 200, der konfiguriert ist, um eine Konzentration von Sauerstoff (O₂) in einem Abgasstrom unter Kraftstoffzufuhrbedingungen zu messen. In einem Beispiel ist der UEGO-Sensor 200 eine Ausführungsform des UEGO-Sensors 126 aus 1. Es wird jedoch angenommen, dass die Sensoren aus 2 alternativ dazu einen Ansauggassauerstoffsensor wie den Sensor 172 aus 1 repräsentieren.
• Der Sensor 200 umfasst eine Vielzahl von Schichten aus einem oder mehreren keramischen Materialien, welche in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind. In der Ausführungsform aus 2 werden fünf keramische Schichten (Elemente) als die Schichten 201, 202, 203, 204 und 205 dargestellt. Diese Schichten umfassen eine oder mehrere Schichten aus einem Festkörperelektrolyt, der zur Leitung ionischen Sauerstoffs fähig ist. Ferner kann in einigen Ausführungsformen wie z. B. der in 2 gezeigten eine Heizvorrichtung 207 in thermischer Kommunikation mit den Schichten angeordnet sein, um die Ionenleitfähigkeit der Schichten zu erhöhen. Während der dargestellte UEGO-Sensor 200 aus fünf keramischen Schichten gebildet ist, wird angenommen, dass der UEGO-Sensor eine andere geeignete Anzahl von keramischen Schichten umfassen kann.
• Beispiele von geeigneten Festkörperelektrolyten umfassen Materialien auf Zirconiumoxid-(auch als Zirkonoxid ZrO₂ bekannt)Basis. ZrO₂ weist üblicherweise eine weiße Farbe auf. Im Laufe des Gebrauchs können die beiden Sauerstoffatome im Laufe der Zeit aus dem ZrO₂ entfernt werden, wodurch sich das weiße ZrO₂ zu einem dunkelfarbigen, metallischen Zirconium (Zr) verändert und eine Schwärzung des entsprechenden Elements verursacht. Primäre Ursachen, aufgrund derer eine Schwärzung auftritt, können eine hohe Spannung (in der Überpotential-Region), variable Spannungsbedingungen sowie niedrige Luft- und Sauerstoffbedingungen umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Das neu gebildete Zr weist nicht nur eine Ionenleitfähigkeit auf, sondern ist auch zur Elektronenleitfähigkeit fähig. Die Elektronenleitfähigkeit kann proportional zum Ausmaß der Schwärzung steigen.
• Die Schicht 202 umfasst ein poröses Material oder Materialien, welche einen Diffusionspfad 210 erzeugen. Der Diffusionspfad 210 ist konfiguriert, um mittels Diffusion Abgase in einen ersten Innenhohlraum 222 (welcher auch als Gasdetektionshohlraum bezeichnet wird) einzuleiten. Der Diffusionspfad 210 kann konfiguriert sein, um zu ermöglichen, dass ein oder mehrere Abgaskomponenten einschließlich eines, aber nicht beschränkt auf einen gewünschten Analyten (z. B. O₂) mit einer geringeren Rate in den Innenhohlraum 222 diffundiert/diffundieren als der Analyt durch das Pumpelektrodenpaar 212 und 214 hinein- oder herausgepumpt werden kann. Auf diese Weise kann ein stöchiometrischer O₂-Pegel im ersten Innenhohlraum 222 erzielt werden.
• Der Sensor 200 umfasst ferner einen zweiten Innenhohlraum 224 innerhalb der Schicht 204, welcher durch die Schicht 203 vom ersten Innenhohlraum 222 getrennt ist. Der zweite Innenhohlraum 224 ist konfiguriert, um einen konstanten Sauerstoffpartialdruck aufrechtzuerhalten, welcher zu einer stöchiometrischen Bedingung äquivalent ist; z. B. ist ein im zweiten Innenhohlraum 224 vorliegender Sauerstoffpegel gleich dem, den das Abgas hätte, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch wäre. Die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenhohlraum 224 wird durch die Pumpspannung V_cp konstant gehalten. Hier kann der zweite Innenhohlraum 224 als Referenzzelle bezeichnet werden.
• Ein Paar von Abfühlelektroden 216 und 218 ist in Kommunikation mit dem ersten Innenhohlraum 222 und der Referenzzelle 224 angeordnet. Das Paar von Abfühlelektroden 216 und 218 detektiert einen Konzentrationsgradienten, der zwischen dem ersten Innenhohlraum 222 und der Referenzzelle 224 aufgrund einer Sauerstoffkonzentration im Abgas entstehen kann, die höher als oder geringer als der stöchiometrische Pegel ist. Eine hohe Sauerstoffkonzentration kann durch ein überstöchiometrisches Ansaugluft- oder Abgasgemisch verursacht werden, während eine geringe Sauerstoffkonzentration durch ein unterstöchiometrisches Gemisch verursacht werden kann.
• Das Paar von Pumpelektroden 212 und 214 ist in Kommunikation mit dem Innenhohlraum 222 angeordnet und konfiguriert, um einen ausgewählten Gasbestandteil (z. B. O₂) elektrochemisch aus dem Innenhohlraum 222 durch die Schicht 201 und aus dem Sensor 200 zu pumpen. Alternativ dazu kann das Paar von Pumpelektroden 212 und 214 konfiguriert sein, um ein ausgewähltes Gas elektrochemisch durch die Schicht 201 und in den Innenhohlraum 222 zu pumpen. Hier kann die Elektrolytschicht 201 gemeinsam mit dem Paar von Pumpelektroden 212 und 214 als eine O₂-pumpende Zelle bezeichnet werden. Ebenso kann die Elektrolytschicht 203 gemeinsam mit dem Paar von Elektroden 216 und 218 als eine Nernstzelle (auch als Messzelle bekannt) bezeichnet werden. Die Elektroden 212, 214, 216 und 218 können aus verschiedenen, geeigneten Materialien bestehen. In einigen Ausführungsformen können die Elektroden 212, 214, 216 und 218 zumindest teilweise aus einem Material bestehen, das die Dissoziation von molekularem Sauerstoff katalysiert. Beispiele solcher Materialien umfassen platin- und/oder goldhaltige Elektroden, sind aber nicht auf diese beschränkt.
• Die Messzelle (Nernstzelle) kann die Sauerstoffkonzentration im ersten Innen-(Gasdetektions-)Hohlraum 222 passiv messen. Die pumpende Zelle kann die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum 222 auf Basis eines Rückkopplungssignals von der Messzelle anpassen. Eine externe Komparatorschaltung kann die von der Messzelle erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung V_p vergleichen. In einem Beispiel kann die Referenzspannung V_p unter Normalbetriebsbedingungen 450 mV sein. Die an einer Nernstzelle erzeugte Spannung, wobei eine Elektrode der Luft (mit ~20%iger Sauerstoffkonzentration) und die andere Elektrode einer niedrigen Sauerstoffkonzentration (~10 ppm Sauerstoff) ausgesetzt ist, kann etwa 450 mV sein. Diese Sauerstoffkonzentration (~10 ppm Sauerstoff) kann der Stöchiometrie entsprechen. Falls die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum 222 aufgrund von Reduktionsmitteln wie Kohlenmonoxid oder Wasserstoff geringer ist als die der Stöchiometrie entsprechende Sauerstoffkonzentration (~10 ppm), kann die Komparatorschaltung ein Signal an die pumpende Zelle senden, um Sauerstoff vom Abgassystem in den Hohlraum 222 zu pumpen. Der Sauerstoff wird mit den Reduktionsmitteln reagieren und daher den Sauerstoffkonzentrationspegel erhöhen, bis der Pegel die der Stöchiometrie entsprechende Sauerstoffkonzentration (~10 ppm) erreicht, die von der Mess-(Nernst-)Zelle gemessen wird. Die Menge all dieser Reduktionsmittel im Hohlraum bestimmt, wie viel Sauerstoff von der pumpenden Zelle in den Hohlraum gepumpt werden muss, sodass es zur vollständigen Umsetzung kommt. Der Pumpstrom I_p ist direkt proportional zur Sauerstoffkonzentration in der pumpenden Zelle. Die Menge an gepumptem Sauerstoff ist gerade ausreichend, dass es zur vollständigen Umsetzung mit allen Reduktionsmitteln kommt. Der Sensor kann unterschiedliche Techniken einsetzen, um die Konzentration der Reduktionsmittel zu bestimmen. In einem Beispiel kann der zur Sauerstoffkonzentration in der pumpenden Zelle proportionale Pumpstrom verwendet werden, um die Reduktionsmittelkonzentration zu schätzen.
• Falls die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum größer als die der Stöchiometrie entsprechende Sauerstoffkonzentration (~10 ppm) ist, kann ein umgekehrtes Verfahren stattfinden. Die Messzelle kann eine Spannung messen, die geringer als die Referenzspannung V_p (450 mV) ist, und die Komparatorschaltung kann ein Signal an die pumpende Zelle senden, um Sauerstoff aus dem Hohlraum zu pumpen, indem ein Pumpstrom I_p in die entgegengesetzte Richtung angelegt wird. Der Pumpstrom I_p ist direkt proportional zur aus der Zelle gepumpten Sauerstoffmenge, welche wiederum direkt proportional zur in den Hohlraum 222 diffundierenden Sauerstoffmenge ist. Diese Sauerstoffmenge kann direkt proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas sein.
• Wie zuvor beschrieben, kann im Laufe des Gebrauchs eine Schwärzung bei einem oder mehreren Elektrolyten auftreten. Grundsätzlich kann sich eine Schwärzung von der thermischen Alterung unterscheiden. Da die Pumpzelle während des Betriebs höhere Spannungen erfährt, ist sie anfälliger für eine Schwärzung. In einem Beispiel kann sich metallisches Zr auf der Elektrode 214 der Pumpzelle anreichern. Die Impedanz des Sensorelements kann geschätzt werden, indem ein Spannungsabfall am Sensorelement gemessen wird, zum Beispiel unter Verwendung eines auf einer Wechselspannung basierenden Verfahrens. Es kann eine Frequenzabtastung (Impedanzspektroskopie) mit einer unveränderten (Wechsel-)Spannung in einem regelmäßigen Zeitintervall durchgeführt werden, und die entsprechende Impedanzänderung kann unter Verwendung eines Frequenzantwortanalysators (FRA) überwacht und analysiert werden. Unterschiedliche physiochemische Prozesse, die innerhalb der Zelle stattfinden, beeinflussen den Elektronen- und Ionentransport, den Transport von gasförmigen und Festphasen-Reagenzien, heterogene Reaktionen etc. Solche Prozesse können unterschiedliche charakteristische Zeitkonstanten aufweisen und werden daher mit unterschiedlichen Wechselstromfrequenzen dargestellt. Wenn sie über einen breiten Frequenzbereich durchgeführt wird, kann eine Impedanzspektroskopie verwendet werden, um die Impedanz, welche diesen verschiedenen Prozessen zugeordnet ist, zu ermitteln und zu quantifizieren. Bei dem Sauerstoffsensor 200 kann die Impedanz insbesondere an entweder der Nernstzelle oder der Pumpzelle gemessen werden. Aufgrund der Schwärzung (Zr-Anreicherung) kann die Elektronenleitfähigkeit der Pumpzelle steigen, weshalb eine Abnahme der Impedanz der Pumpzelle detektiert werden kann. Jedoch kann im Laufe des Gebrauchs und der Zeit der Korngrenzenwiderstand aufgrund thermischer Effekte abnehmen. Dieser Effekt kann als thermische Alterung oder Kornvergröberung bezeichnet werden. Die Nernstzellenimpedanz kann ebenfalls aufgrund derselben thermischen Effekte abnehmen. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Impedanzabnahme aufgrund thermischer Alterung möglicherweise nicht fortschreitet, nachdem sich die Körner der Pumpzelle vergröbert haben. Sobald sich die thermische Alterung stabilisiert, ist möglicherweise keine weitere Impedanzänderung aufgrund von thermischen Alterungseffekten in jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle zu beobachten. Die Stabilisierung des thermischen Alterungseffekts kann in einer Nernstzelle aufgrund ihrer distalen Positionierung in Bezug auf die Heizvorrichtung im Vergleich zur Pumpzelle früher erfolgen.
• Sobald bestätigt worden ist, dass sich der thermische Alterungsprozess stabilisiert hat, ist es möglich, jegliche Zr-Anreicherung zu detektieren, die auf der Elektrode 214 der Pumpzelle vorliegt. Eine Wechselspannung kann an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle angelegt werden, und der entsprechende Spannungsabfall am Sensorelement kann gemessen werden, um die Impedanzänderung zu schätzen. Falls beobachtet wird, dass beim Anlegen der höheren Spannung ein weiterer Impedanzabfall in der Pumpzelle besteht, kann angenommen werden, dass eine Schwärzung aufgrund einer Zr-Anreicherung auf der Elektrode 214 aufgetreten ist. Andererseits tritt bei der Nernstzelle keine Schwärzung auf. Deshalb sollte beim Anlegen der höheren Spannung verglichen mit einer zuletzt gemessenen (während der Stabilisierung thermischer Alterungseffekte geschätzten) Impedanz keine Impedanzänderung an der Nernstzelle beobachtet werden. Sobald sich der thermische Alterungseffekt stabilisiert, ist bei der Nernstzellenimpedanz keine Änderung zu beobachten. Deshalb kann eine Impedanzänderung in der Pumpzelle, die auftritt, während es keine Impedanzänderung in der Nernstzelle gibt, mit der Schwärzung des UEGO-Sensors in Verbindung gebracht werden.
• Es versteht sich, dass der hier beschriebene Sauerstoffsensor lediglich eine beispielhafte Ausführungsform eines UEGO-Sensors ist und dass andere Ausführungsformen von Ansaug- oder Abgas-Sauerstoffsensoren zusätzliche und/oder alternative Merkmale und/oder Auslegungen aufweisen können.
• 1 und 2 zeigen beispielhafte Konfigurationen des Sauerstoffsensors mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Der hier dargestellte Sauerstoffsensor ist einer aus einem Ansaugsauerstoffsensor, welcher stromab einer Ansaugdrossel gekoppelt ist, und einem Abgassauerstoffsensor, welcher stromauf einer Emissionssteuerungsvorrichtung gekoppelt ist. Falls sie so gezeigt werden, dass sie miteinander in direktem Kontakt oder direkt gekoppelt sind, dann können solche Elemente zumindest in einem Beispiel als in direktem Kontakt beziehungsweise direkt gekoppelt bezeichnet werden. Auf ähnliche Weise können Elemente, die so gezeigt werden, dass sie aneinander anliegend oder angrenzend sind, zumindest in einem Beispiel aneinander anliegend oder angrenzend sein. Als ein Beispiel können Elemente, welche so miteinander in Kontakt sind, dass sie eine gemeinsame Seite aufweisen, als in gemeinsamem Seitenkontakt bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt positioniert sind, wobei nur ein Abstand und keine anderen Komponenten zwischen ihnen sind, in zumindest einem Beispiel als solche bezeichnet werden.
• 3 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Detektieren einer thermischen Alterung und Schwärzung von Elementen in einem UEGO-(Sauerstoff-)Sensor auf Basis des Anlegens einer Wechselspannung und der Schätzung der Impedanz. Befehle zur Durchführung des Verfahrens 300 und der restlichen, hier umfassten Verfahren können von einer Steuereinheit auf Basis von Befehlen, die in einem Speicher der Steuereinheit gespeichert sind, und in Verbindung mit Signalen, die von Sensoren des Motorsystems wie z. B. den oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen Sensoren empfangen werden, ausgeführt werden. Die Steuereinheit kann Motoraktuatoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den unten beschriebenen Verfahren anzupassen.
• Bei 302 kann ein(e) niedrige(r) Wert (Spitze) einer Wechselspannung an jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle des UEGO-(Sauerstoff-)Sensors angelegt werden. Das Anlegen der Wechselspannung kann nach Bedarf und/oder periodisch zwischen regelmäßigen Sauerstoffschätzvorgängen stattfinden. Die Periodizität des Anlegens der Wechselspannung kann auf einem oder mehreren aus dem zeitlichen Ablauf des Antriebszyklus, der Anzahl der durchgeführten Anlegungen einer variablen Referenzspannung, einer Schwellenstrecke und/oder einer Schwellenfahrzeit seit der letzten Messung basieren. Die Pumpzelle kann ein Paar von Pumpelektroden sowie eine Elektrolytschicht (wie z. B. die Elektrolytschicht 201 zusammen mit dem Pumpelektrodenpaar 212 und 214 in 2) umfassen. Ferner kann die Nernstzelle ein Paar von Elektroden und eine Elektrolytschicht (wie z. B. die Elektrolytschicht 203 zusammen mit den Elektroden 216 und 218) umfassen. Ein Beispiel einer Wechselspannung, welche an den Sensor angelegt wird, wird in Gleichung 1 gezeigt. V(t) = V_peak·sin(ωt) (1) Darin ist V(t) die Wechselspannung, V_peak die Spitzenspannung, ω ist die Frequenz und t ist die Zeit. Eine erste und eine zweite Frequenzabtastung können in jeweils der Pump- beziehungsweise der Nernstzelle durchgeführt werden. Jede aus der ersten und der zweiten Frequenzabtastung kann durchgeführt werden, indem V_peak konstant gehalten wird, während eine Frequenz des Wechselstroms schrittweise geändert wird und die entsprechenden Wechselströme überwacht werden. In einem Beispiel kann der verwendete Frequenzbereich zwischen 5 × 10⁶ Hz und 1 Hz sein.
• Aus der angelegten Wechselspannung und den gemessenen Wechselströmen kann bei 304 eine Endpunktimpedanz von jeweils der Pump- (Z_p,n) und der Nernstzelle (Z_n,n) für die erste und die zweite Frequenzabtastung geschätzt werden. Die Impedanz beider Zellen kann eine reale und eine imaginäre Komponente aufweisen. Die Pumpzellen- und die Nernstzellenimpedanz kann auf Basis von Faktoren wie z. B. den Korngrenzen und den Platinelektroden der jeweiligen Zellen variieren. Die Pumpzelle und die Nernstzelle können unterschiedliche Geometrien und Dicken aufweisen und daher unterschiedliche Impedanzen aufweisen. Ein Teil der Impedanz, welcher auf der Verdrahtung der Pumpzelle beruht, kann im Zuge der Analyse vernachlässigt werden. Die Pumpzellen- und Nernstzellenimpedanz werden in Bezug auf 4 und 5 weiter beschrieben.
• Bei 306 umfasst die Routine das Abrufen der Endpunktimpedanzwerte, welche aus den vorhergehenden Frequenzabtastungen geschätzt wurden. Die Spitzenspannung und der bei der Stromschätzung eingesetzte Frequenzbereich können dieselben sein, die während der vorhergehenden Schätzung verwendet wurden. Die Endpunktimpedanzen der Pumpzellen- und Nernstzellenimpedanz-Frequenzabtastungen (Z_p,n-1 beziehungsweise Z_n,n-1) können aus dem Speicher der Steuereinheit abgerufen werden. Zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Frequenzabtastung kann der UEGO-Sensor zur Sauerstoffschätzung verwendet worden sein. Aufgrund des Anlegens variabler Spannungen und der hohen Temperatur während der Sauerstoffschätzung kann eine thermische Alterung (auch als Kornvergröberungseffekt bezeichnet) in jeweils der Pump- und der Nernstzelle bestehen. Der Hauptgrund für eine thermische Alterung in den Zellen ist eine Erwärmung. Die Pumpzelle kann aufgrund ihrer Nähe zu den Heizelementen im Vergleich zur Nernstzelle ein größeres Ausmaß an thermischer Alterung erfahren. Alternativ dazu, abhängig von den Charakteristika der Zelle, kann die Nernstzelle im Vergleich zur Pumpzelle ein größeres Ausmaß an thermischer Alterung erfahren. Darüber hinaus kann aufgrund der Belastung mit hohen Spannungen eine Schwärzung von Elementen in der Pumpzelle auftreten. Eine Schwärzung kann aufgrund einer Umwandlung des Materials Zirconiumoxid (ZrO₂), das in den Elektroden der Pumpzelle vorliegt, zu Zirconium (Zr) auftreten. Eine dunkle Anreicherung von metallischem Zr, welche als Schwärzung bezeichnet werden kann, kann auf einer Pumpzellenelektrode beobachtet werden. Die thermischen Alterungs- und Schwärzungseffekte können sich ferner im Laufe der Zeit und des Gebrauchs verschlechtern.
• Bei 308 kann die Steuereinheit den aktuellen Impedanzwert für die Pumpzelle (Z_p,n, wie bei 304 bestimmt) und der Nernstzelle (Z_n,n, wie bei 304 bestimmt) mit den zuvor geschätzten, entsprechenden Impedanzwerten für die Pumpzelle (Z_p,n-1, wie bei 306 abgerufen) und der Nernstzelle (Z_n,n-1, wie bei 306 abgerufen) vergleichen. Eine Unterscheidung zwischen einer thermischen Alterung und einer Schwärzung kann auf einer überwachten Impedanzänderung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle nach der aktuellen Spannungsanlegung relativ zur überwachten Impedanzänderung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle nach der unmittelbar zuvor getätigten Spannungsanlegung (ohne dazwischen getätigten Frequenzabtastungen) basieren. Für die Pumpzelle kann die Differenz zwischen Z_p,n und Z_p,n-1 geschätzt werden. Auf ähnliche Weise kann für die Nernstzelle die Differenz zwischen Z_n,n und Z_n,n-1 geschätzt werden. Bei 310 bestimmt die Routine, ob eine Impedanzabnahme in jeweils der Pump- und der Nernstzelle besteht. Falls die Differenz der Impedanzen (wie bei 308 bestimmt) zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung jeweils der Pump- und der Nernstzellenimpedanz negativ ist, kann angenommen werden, dass in jeweils der Pump- und der Nernstzelle eine Impedanzabnahme besteht. In einem Beispiel kann, falls die Differenz der Impedanzen (wie bei 308 bestimmt) zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle höher als ein Impedanzschwellenwert ist, kann dies das Vorhandensein einer thermischen Alterung anzeigen. Der Impedanzschwellenwert kann entweder ein konstanter Wert sein oder von dem Impedanzwert abhängig (z. B. eine Funktion davon) sein, der bei der unmittelbar vorhergehenden Frequenzabtastung geschätzt wurde. In einem weiteren Beispiel kann eine Anzeige der thermischen Alterung darauf basieren, dass eine Endpunktimpedanz jeder aus der ersten und der zweiten Frequenzabtastung niedriger als eine erste beziehungsweise zweite Schwellenimpedanz ist. Die erste und zweite Schwellenimpedanz können auf dem Endpunkt jeder aus der ersten und zweiten Frequenzabtastung nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle basieren.
• Falls bei 310 bestimmt wird, dass eine Impedanzabnahme in jeweils der Pump- und der Nernstzelle besteht, kann bei 312 angenommen und angezeigt werden, dass thermische Alterungseffekte in jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle vorliegen. Der thermische Alterungseffekt (das Ausmaß der Alterung) kann in jeweils der Pump- und der Nernstzelle unterschiedlich sein. Der Wert der Differenz zwischen Z_p,n und Z_p,n-1 sowie Z_n,n und Z_n,n-1 kann eine Schätzung des Ausmaßes der thermischen Alterung in der Pumpzelle beziehungsweise der Nernstzelle liefern. Das Ausmaß der thermischen Alterung kann dem Benutzer angezeigt werden, indem ein Diagnosecode oder Statuszeichen gesetzt wird.
• Auf Basis der Detektion thermischer Alterungseffekte in jeweils der Pump- und der Nernstzelle kann bei 314 ein Kompensationsfaktor für die thermische Alterung für den UEGO-Sensor aktualisiert werden. Der Kompensationsfaktor sollte jegliche Ungenauigkeiten berücksichtigen, die bei den Sauerstoffschätzungen mit dem Sensor aufgrund von thermischen Alterungseffekten auftreten. Mit fortschreitender thermischer Alterung kann der Kompensationsfaktor angepasst (erhöht) werden, um genaue Sauerstoffschätzungen sicherzustellen. Bei 316 kann der aktualisierte Kompensationsfaktor während weiterer Sauerstoffschätzungen durch den UEGO-Sensor verwendet werden. Auf diese Weise kann eine Sauerstoffschätzung vom UEGO-Sensor sogar bei Vorhandensein thermischer Alterungseffekte genau durchgeführt werden.
• Falls bei 310 festgestellt wird, dass in keiner aus der Pump- und der Nernstzelle eine Impedanzabnahme besteht, kann bei 318 angenommen werden, dass sich der thermische Alterungs-(Kornvergröberungs-)Prozess stabilisiert hat. Bei Verwendung über einen Zeitraum kann jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle einer Kornvergröberung unterliegen, und dadurch kann sich die thermische Alterung stabilisieren. Die Impedanzen von der Pumpzelle und der Nernstzelle können sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Alterung, die jede der zwei Zellen erfährt, mit unterschiedlichen Raten stabilisieren. In einem Beispiel kann sich die thermische Alterung in der Nernstzelle vor der der Pumpzelle stabilisieren, aufgrund ihrer unterschiedlichen räumlichen Abstände vom Heizelement. Sobald sich der thermische Alterungseffekt stabilisiert hat, kann der vom UEGO-Sensor verwendete Kompensationsfaktor für die Sauerstoffschätzung während zukünftiger Betriebsvorgänge des UEGO-Sensors konstant gehalten werden.
• Bei 320 umfasst die Routine ein Anlegen einer Wechselspannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle des UEGO-Sensors. Der Spitzenwert der in dieser Phase angelegten Wechselspannung kann verglichen mit dem bei 302 an die Zellen angelegten Spitzenwert der Wechselspannung gleich oder höher sein. Eine Frequenzabtastung kann in jeder der beiden Zellen durchgeführt werden, um V_peak konstant zu halten, und die entsprechenden Wechselströme können überwacht werden. In einem Beispiel kann der verwendete Frequenzbereich zwischen 5 × 10⁶ Hz und 1 Hz sein. Aus der angelegten Wechselspannung und den gemessenen Wechselströmen kann bei 322 die Impedanz (der Impedanzendpunkt der Frequenzabtastung) jeweils der Pump- (Z_p,n+1) und der Nernstzelle (Z_n,n+1) geschätzt werden. Wie zuvor kann die Impedanz beider Zellen eine reale und eine imaginäre Komponente aufweisen. Bei 324 umfasst das Verfahren das Abrufen der Impedanzwerte, welche aus der vorhergehenden Frequenzabtastung geschätzt wurden. Die vorhergehende Frequenzabtastung kann die Stabilisierung der thermischen Alterung in jeder der zwei Zellen angezeigt haben. Die Pumpzellen- und die Nernstzellenimpedanz (Z_p,n beziehungsweise Z_n,n) können aus dem Speicher der Steuereinheit abgerufen werden. Zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Frequenzabtastung kann der UEGO-Sensor zur Sauerstoffschätzung verwendet worden sein, was eine weitere Verschlechterung aufgrund von Schwärzung verursacht.
• Bei 326 kann die Steuereinheit den aktuellen Impedanzwert für die Pumpzelle (Z_p,n+1, wie bei 322 bestimmt) und die Nernstzelle (Z_n,n+1, wie bei 322 bestimmt) mit den zuvor geschätzten, entsprechenden Impedanzwerten für die Pumpzelle (Z_p,n, wie bei 304 bestimmt) und die Nernstzelle (Z_n,n, wie bei 304 bestimmt) vergleichen. Für die Pumpzelle kann die Differenz zwischen Z_p,n+1 und Z_p,n geschätzt werden. Auf ähnliche Weise kann für die Nernstzelle die Differenz zwischen Z_n,n+1 und Z_n,n geschätzt werden. Bei 328 bestimmt die Routine, ob eine Abnahme der Pumpzellenimpedanz höher als eine Schwelle ist, während eine Abnahme der Nernstzellenimpedanz niedriger als eine Schwelle ist (z. B. kann die Nernstzellenimpedanz im Wesentlichen konstant bleiben). Die Pumpzelle ist im Vergleich zur Nernstzelle anfälliger dafür, von der hohen Referenzspannung beeinträchtigt zu werden, die während der Sauerstoffschätzung an ihr anliegt. Infolgedessen ist es wahrscheinlicher, dass eine Schwärzung in der Pumpzelle stattfindet. Aufgrund der Schwärzung der Pumpzelle kann eine starke Abnahme der Pumpzellenimpedanz beim Anlegen einer Wechselspannung beobachtet werden, während beim Anlegen der gleichen Spannung keine Schwankungen bei der Nernstzellenspannung bestehen können. In einem Beispiel kann ein Vorliegen einer Schwärzung in der Pumpzelle angezeigt werden, falls die Differenz der Impedanzen (wie bei 326 bestimmt) zwischen der aktuellen und der vorhergehenden Messung für die Pumpzelle höher als eine Schwelle ist und für die Nernstzelle niedriger als ein Impedanzschwellenwert ist. Der Impedanzschwellenwert jeweils der Pump- und der Nernstzelle kann entweder ein konstanter Wert sein oder kann von dem Impedanzwert abhängig sein, der aus den vorhergehenden Frequenzabtastungen für jede der zwei Zellen geschätzt wurde. Die Höhe der Abnahme der Pumpzellenimpedanz (Versatz des Endpunktes der Frequenzabtastung) kann das Ausmaß der Schwärzung anzeigen, welche möglicherweise in der Pumpzelle aufgetreten ist.
• Falls keine signifikante Differenz der Pumpzellenimpedanz beobachtet wird, kann die Steuerung bei 330 anzeigen, dass das UEGO-Element möglicherweise nicht von einer Schwärzung betroffen ist. In diesem Fall ist die Funktionsweise des UEGO-Sensors möglicherweise nicht aufgrund einer Schwärzung beeinträchtigt. Zu diesem Zeitpunkt können sich die thermischen Alterungseffekte auch stabilisiert haben. Auf Basis der Anzeige, dass sich das UEGO-Element nicht geschwärzt hat, kann der Sensor bei 332 damit fortfahren, den Sauerstoff zu schätzen und normal betrieben zu werden.
• Falls bei 328 festgestellt wird, dass eine signifikante Abnahme der Pumpzellenimpedanz und keine Änderung der entsprechenden Nernstzellenimpedanz besteht, kann bei 334 angenommen und angezeigt werden, dass sich das UEGO-Element geschwärzt hat. Als Reaktion auf die Detektion einer Schwärzung kann ein Statuszeichen oder ein Diagnosecode gesetzt werden. Aufgrund des wiederholten Anlegens einer hohen Spannung und dem Vorliegen hoher Temperaturen kann sich das ZrO₂ in Zr umgewandelt haben, was eine Anreicherung des dunklen, metallischen Elements Zr auf einer Pumpzellenelektrode bewirkt. Die Schwärzung ist eine Form der UEGO-Sensorverschlechterung und kann die Sauerstoffschätzfähigkeiten des Sensors beeinträchtigen. Ferner kann ein Fehlfunktionsanzeigelämpchen aktiviert werden, um den Fahrzeugbetreiber darüber zu benachrichtigen, dass sich der UEGO-Sensor verschlechtert hat und möglicherweise ersetzt werden muss.
• Als Reaktion auf die Detektion einer Schwärzung von UEGO-Elementen kann die Steuerung bei 336 die Zielspannung und Rampenraten der Referenzspannungen, die bei zukünftigen Sensor-Betriebsvorgängen verwenden werden, begrenzen (senken). Durch die Einschränkung solcher Bedingungen, die eine Schwärzung verursachen, kann ein weiterer Schaden an der Pumpzelle verhindert werden. Ebenso kann ein Kompensationsfaktor während der Sauerstoffschätzung verwendet werden, der sowohl die thermische Alterung als auch Schwärzungseffekte berücksichtigt.
• Auf diese Weise kann eine UEGO-Sensorverschlechterung aufgrund einer Schwärzung detektiert werden, indem eine Wechselspannung verwendet wird und die entsprechenden Impedanzen jeweils der Pump- und der Nernstzelle geschätzt werden. Ebenso ist es bei Verwendung dieses Verfahrens möglich, zwischen thermischen Alterungseffekten und einer Pumpzellenschwärzung zu unterscheiden.
• 4 zeigt einen beispielhaften Graphen 400 der Schwankung der Pumpzellenimpedanz in einem UEGO-Sensor beim Anlegen von Wechselspannungen für eine Vielzahl von Frequenzabtastungen. Eine Steuereinheit kann eine Schwärzung im UEGO-Sensor detektieren, indem Impedanzänderungen der Pumpzelle überwacht werden. Eine Wechsel-(AC-)Spannung kann an die Pumpzelle des UEGO-Sensors angelegt werden, wenn der Sensor in einem neuen Zustand und noch nicht zur Sauerstoffschätzung verwendet worden ist (z. B. unmittelbar nach dem Einbau). Der entsprechende Strom kann aufgezeichnet werden, und die Impedanz kann aus der angelegten Wechselspannung und dem gemessenen Strom geschätzt werden. Diese Messung kann im Herstellerbetrieb durchgeführt werden. Eine Frequenzabtastung kann durchgeführt werden, indem die Spannung und die Zeit konstant gehalten werden und die Schwingungsfrequenz der Wechselspannung variiert wird. Für jeden Frequenzwert kann der Strom gemessen werden, und die Impedanz kann geschätzt werden. Die Impedanz kann einen Real- und einen Imaginärteil aufweisen. In diesem Beispiel gibt die x-Achse den Realteil der Impedanz (Z1) an, und die y-Achse gibt den Imaginärteil der Impedanz (Z2) an.
• Die Impedanzschätzung aus der ersten Frequenzabtastung, welche an der Pumpzelle des neuen UEGO-Sensors durchgeführt wurde, wird im Graphen 402 gezeigt. Der Impedanzgraph kann auf Basis des Teils der Pumpzelle, der zur Impedanz beiträgt, in drei Abschnitte S1, S2 und S3 geteilt werden. Der erste Abschnitt, S1, kann der Induktanz aufgrund der Verdrahtung der Pumpzelle entsprechen, und daher kann dieser Teil des Graphen während der Analyse und der Detektion einer Pumpzellenschwärzung nicht berücksichtigt werden. Der zweite Abschnitt, S2, kann der Impedanz entsprechen, welche aufgrund der Korngrenzen der Pumpzelle entsteht. Eine thermische Alterung der Pumpzelle wird dem Kornvergröberungseffekt zugeordnet, wodurch dieser Teil des Graphen Änderungen aufgrund einer thermischen Alterung zeigen kann. Gleichermaßen kann eine Elementschwärzung detektiert werden, indem eine Änderung der Korngrenzenimpedanz überwacht wird. Der dritte Abschnitt, S3, kann der Impedanz entsprechen, die den Platinelektroden (wie z. B. den in 2 gezeigten Elektroden 212 und 214, die in 2 gezeigt werden) der Pumpzellen zugeordnet ist. Die Impedanz in diesem Abschnitt kann sich aufgrund einer thermischen Alterung und/oder von Schwärzungseffekten nicht merklich ändern. Der Endpunkt des Graphen 402 (Maximalwert der realen Impedanz) kann mit R1 bezeichnet werden.
• Sobald der UEGO-Sensor zu arbeiten und Sauerstoff zu schätzen beginnt, kann der Prozess des Anlegens einer Wechselspannung periodisch und/oder nach Bedarf wiederholt werden, um eine thermische Alterung und/oder Schwärzungseffekte zu detektieren. In diesem Beispiel kann zehn Minuten nach dem UEGO-Sensorbetrieb eine Wechselspannung an die Pumpzelle angelegt werden, und der entsprechende Strom kann gemessen werden. Die entsprechende Impedanz kann geschätzt werden und wird im Graphen 404 gezeigt. Der Endpunkt des Graphen 404 (der Maximalwert der realen Impedanz) kann mit R2 bezeichnet werden. Aus den Graphen 402 und 404 kann beobachtet werden, dass der zweite Abschnitt des Graphen 404 im Vergleich zum zweiten Abschnitt des Graphen 402 kleiner ist. Ebenso kann aus der Position der Punkte R1 und R2 ein Versatz des Maximalwertes der realen Impedanz beobachtet werden. Daraus kann abgeleitet werden, dass nach zehn Minuten des Betriebs eine Reduktion der Korngrenzenimpedanz aufgrund thermischer Alterungseffekte besteht.
• Danach kann periodisch eine Vielzahl von Frequenzabtastungen durchgeführt werden, und eine entsprechende Impedanzschätzung kann aufgezeichnet werden, um eine thermische Alterung und Sensorverschlechterung aufgrund einer Schwärzung zu detektieren. In diesem Beispiel wurden Frequenzabtastungen fünfzehn Minuten, zwanzig Minuten, fünfundzwanzig Minuten, dreißig Minuten, fünfundvierzig Minuten und eine Stunde nach dem Betriebsbeginn des UEGO-Sensors durchgeführt. Die entsprechenden Impedanzschätzungen werden aufgezeichnet. Die Graphen 406 und 408 zeigen die Impedanz, die für Frequenzabtastungen geschätzt wurde, die nach 30 Minuten beziehungsweise eine Stunde nach dem Beginn durchgeführt wurden. Es kann beobachtet werden, dass die Impedanz der Korngrenzenregion in jedem der Graphen abnimmt. Die stetige Impedanzabnahme kann thermischen Alterungseffekten zugeschrieben werden, welche in der Pumpzelle des UEGO-Sensors auftreten.
• Die Graphen von den zuvor erwähnten, anderen Frequenzabtastungen sind der Klarheit halber nicht in der Figur umfasst. Impedanzschätzungen, die nicht in der Figur gezeigt werden, folgen der Tendenz der Reduktion der Korngrenzenimpedanz im Laufe des Gebrauchs und der Zeit. Die Wechselspannung, die jedes Mal an die Pumpzelle angelegt wird, kann dieselbe Größe (dieselbe Spitzen- und Effektivspannung) aufweisen. Die Wirkung der thermischen Alterung auf die Sauerstoffschätzung durch den UEGO-Sensor kann unter Verwendung eines Kompensationsfaktors ausgeglichen werden. Der Kompensationsfaktor kann jegliche Ungenauigkeiten berücksichtigen, die bei Sauerstoffschätzungen mit dem Sensor aufgrund von thermischen Alterungseffekten entstehen.
• Die Fahrzeugsteuereinheit kann den Prozess des periodischen Anlegens einer Wechselspannung, des Durchführens einer Frequenzabtastung, der Messung des Wechselstroms und der Schätzung von Impedanzen solange fortsetzen, bis keine weitere Änderung der Korngrenzenimpedanz zu beobachten ist. In diesem Beispiel zeigt der Graph 410 eine Frequenzabtastung, welche siebzehn Stunden nach dem Betriebsbeginn des Sensors durchgeführt wurde. Der Endpunkt des Graphen 410 (Maximalwert der realen Impedanz) kann mit R3 bezeichnet werden. Beim Vergleich des Graphen 410 mit vorhergehenden Frequenzabtastungsgraphen (402, 404, 406 und 408) kann beobachtet werden, dass eine stetige Abnahme der Korngrenzenimpedanz im Laufe des Gebrauchs und der Zeit besteht. Der maximale reale Impedanzwert R3 ist im Vergleich zu vorhergehenden Werten (R1 und R2) der maximalen realen Impedanz, die während vorhergehenden Frequenzabtastungen aufgezeichnet wurden, niedriger. Diese fortschreitende Impedanzabnahme kann auf eine thermische Alterung zurückzuführen sein, die in der Pumpzelle stattfindet. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Reduktion der Korngrenzenimpedanz nach siebzehn Stunden des Gebrauchs möglicherweise aufgrund thermischer Alterungseffekte weiter fortgeschritten ist.
• In diesem Beispiel wird eine Frequenzabtastung achtzehn Stunden nach dem Beginn des UEGO-Sensorbetriebs unter Verwendung desselben Spitzen-Wechselspannungswertes, der während der zuvor erwähnten Frequenzabtastungen verwendet wurde, durchgeführt. Die entsprechende Impedanz kann aus dem Wechselstrom berechnet werden, der nach dem Anlegen der Spannung gemessen wurde und im Graphen 412 gezeigt wird. Es kann beobachtet werden, dass nach der letzten Frequenzabtastung keine merkliche Änderung der Impedanz beobachtbar ist. Ebenso kann der Maximalwert der realen Impedanz (Endpunkt des Graphen 412) mit dem Maximalwert der realen Impedanz (R3), der aus der vorhergehenden, siebzehn Stunden nach dem Beginn des UEGO-Sensorbetriebs durchgeführten Messung (Graph 410) geschätzt wurde, zusammenfallen. Aus der Beständigkeit der Korngrenzenimpedanz, die in aufeinanderfolgenden Graphen zu beobachten ist, kann abgeleitet werden, dass aufgrund wiederholter Erhitzung in der Pumpzelle möglicherweise eine Kornvergröberung stattgefunden hat. Als eine Folge des Kornvergröberungseffektes ist keine weitere Impedanzänderung aufgrund thermischer Alterungseffekte zu beobachten. Zu diesem Zeitpunkt kann festgestellt werden, dass sich die Impedanzänderung aufgrund thermischer Alterungseffekte stabilisiert hat, und falls irgendeine weitere Impedanzänderung (beim Anlegen einer Spannung) zu beobachten ist, kann die Ursache anderen Faktoren wie z. B. dem Vorliegen einer Schwärzung in der Pumpzelle zugeschrieben werden.
• Nach der Stabilisierung des thermischen Alterungsprozesses kann die Steuerung eine Wechselspannung mit einem höheren Spitzenspannungswert an die Pumpzelle anlegen und eine Frequenzabtastung durchführen, um das Vorliegen einer Schwärzung zu detektieren. Der entsprechende Wechselstrom wird gemessen, und die geschätzte Impedanz wird im Graphen 414 gezeigt. Der maximale Impedanzwert (Endpunkt des Graphen 410) kann mit R3 bezeichnet werden. Im Vergleich zum vorhergehenden Impedanzschätzungsgraphen 412 kann im Graphen 414 eine deutliche Abnahme der Korngrenzenimpedanz beobachtet werden. Es gibt auch eine signifikante Reduktion des maximalen, realen Impedanzwertes, wie aus dem Versatz von R4 im Vergleich zu R3 zu beobachten ist. Aus dieser signifikanten Abnahme der Korngrenzen- und des Maximalwertes der Impedanz kann abgeleitet werden, dass möglicherweise eine Schwärzung in der Pumpzelle aufgetreten ist. Das Ausmaß der Schwärzung, d. h. die Menge von dunklem, metallischem Zr, das sich auf einer Pumpzellenelektrode angereichert hat, kann aus dem Grad der Änderung der Endpunktimpedanz der Frequenzabtastung geschätzt werden. In diesem Beispiel kann die Impedanzdifferenz zwischen den Endpunktimpedanzen R4 und R3 als quantitative Schätzung für die Schwärzung verwendet werden. Als Reaktion auf die Detektion einer Schwärzung eines UEGO-Elements kann die Steuerung die Zielspannung und Rampenraten für Referenzspannungen begrenzen, die bei zukünftigen Sensorbetriebsvorgängen verwendet werden. Durch die Einschränkung solcher Bedingungen, die eine Schwärzung verursachen, kann ein weiterer Schaden an der Pumpzelle verhindert werden. Zusätzlich dazu kann bei der Detektion einer Schwärzung eines UEGO-Sensorelements ein Diagnosecode und/oder ein Statuszeichen gesetzt werden. Auf diese Weise ist es durch das Überwachen der Impedanzänderung in einer Pumpzelle möglich, jedes aus der thermischen Alterung und Schwärzungseffekten in einer UEGO-Sensor-Pumpzelle zu unterscheiden und zu detektieren.
• 5 zeigt einen beispielhaften Graphen 500 der Schwankung der Nernstzellenimpedanz in einem UEGO-Sensor beim Anlegen von Wechselspannungen für eine Vielzahl von Frequenzabtastungen. Es ist möglich, eine thermische Alterung im UEGO-Sensor zu detektieren, indem eine Impedanzänderung in der Nernstzelle überwacht wird. Eine Wechsel-(AC-)Spannung kann an die Nernstzelle des UEGO-Sensors angelegt werden, wenn der Sensor in einem neuen Zustand ist und noch nicht zur Sauerstoffschätzung verwendet worden ist. Der entsprechende Strom kann aufgezeichnet werden, und die Impedanz kann aus der angelegten Wechselspannung und dem gemessenen Wechselstrom geschätzt werden. Diese Messung kann im Herstellerbetrieb durchgeführt werden. Eine Frequenzabtastung kann durchgeführt werden, indem die Spannung und die Zeit konstant gehalten werden und die Schwingungsfrequenz der Wechselspannung variiert wird. Für jeden Frequenzwert kann der Strom gemessen werden, und die Impedanz kann gemessen werden. Die Impedanz kann einen Real- und einen Imaginärteil aufweisen. In diesem Beispiel gibt die x-Achse den Realteil der Impedanz (Z1) an, und die y-Achse gibt den Imaginärteil der Impedanz (Z2) an.
• Die Impedanz, die aus der ersten Frequenzabtastung geschätzt wurde, welche in der Nernstzelle eines neuen UEGO-Sensors durchgeführt wurde, wird vom Graphen 502 gezeigt. Die Endpunktimpedanz des Graphen 502 (Maximalwert der realen Impedanz) kann mit I1 bezeichnet werden. Sobald der UEGO-Sensor zu arbeiten und Sauerstoff zu schätzen beginnt, kann der Prozess des Anlegens einer Wechselspannung periodisch und/oder nach Bedarf wiederholt werden, um eine thermische Alterung und/oder Schwärzungseffekte zu detektieren. In diesem Beispiel kann, abermals zehn Minuten nach dem UEGO-Sensorbetrieb, eine Wechselspannung an die Nernstzelle angelegt werden, und der entsprechende Strom kann gemessen werden. Die entsprechende Impedanz kann geschätzt werden und ist im Graphen 504 dargestellt. Die Endpunktimpedanz des Graphen 504 (Maximalwert der realen Impedanz) kann mit I2 bezeichnet werden. Aus den Graphen 402 und 404, insbesondere aus der Position der Punkte I1 und I2, kann beobachtet werden, dass es einen Versatz des Maximalwertes der realen Impedanz gibt. Daraus kann abgeleitet werden, dass eine Reduktion der Nernstzellenimpedanz aufgrund thermischer Alterungseffekte nach zehn Minuten des Gebrauchs besteht.
• Danach kann periodisch eine Vielzahl von Frequenzabtastungen durchgeführt werden, und eine entsprechende Impedanzschätzung kann zur Detektion einer thermischen Alterung aufgezeichnet werden. In diesem Beispiel wurden Frequenzabtastungen nach fünfzehn Minuten, zwanzig Minuten, fünfundzwanzig Minuten, dreißig Minuten, fünfundvierzig Minuten und eine Stunde nach dem Betriebsbeginn des UEGO-Sensors durchgeführt. Die entsprechenden Impedanzschätzungen wurden aufgezeichnet. Die Graphen 506 und 508 zeigen eine Impedanz, die für Frequenzabtastungen geschätzt wurde, die nach 30 Minuten beziehungsweise eine Stunde nach dem Beginn durchgeführt wurden. Es kann beobachtet werden, dass in jedem der Graphen der maximale Impedanzwert abnimmt. Die stetige Impedanzabnahme kann thermischen Alterungseffekten zugeschrieben werden, welche in der Nernstzelle des UEGO-Sensors auftreten.
• Die Graphen von den anderen Frequenzabtastungen sind der Klarheit halber nicht in der Figur umfasst. Impedanzschätzungen, die nicht in der Figur gezeigt werden, folgen der Tendenz der Reduktion der maximalen Impedanz im Laufe des Gebrauchs und der Zeit. Die jedes Mal an die Nernstzelle angelegte Wechselspannung kann dieselbe Größe (dieselbe Spitzen- und Effektivspannung) aufweisen. Die Wirkung einer thermischen Alterung auf die Sauerstoffschätzung durch den UEGO-Sensor kann unter Verwendung eines Kompensationsfaktors ausgeglichen werden. Der Kompensationsfaktor kann jegliche Ungenauigkeiten berücksichtigen, die bei Sauerstoffschätzungen mit dem Sensor aufgrund thermischer Alterungseffekte entstehen.
• Die Steuereinheit im Fahrzeug kann den Prozess des Anlegens einer Wechselspannung, des Durchführens einer Frequenzabtastung, der Messung eines Wechselstroms und der Schätzung von Impedanzen solange fortsetzen, bis keine weitere Änderung der maximalen Impedanz der Nernstzelle zu beobachten ist. In diesem Beispiel zeigt der Graph 510 eine Frequenzabtastung, die siebzehn Stunden nach dem Betriebsbeginn des Sensors durchgeführt wurde. Die Endpunktimpedanz des Graphen 510 (Maximalwert der realen Impedanz) kann mit I3 bezeichnet werden. Beim Vergleich des Graphen 510 mit vorhergehenden Frequenzabtastungsgraphen (502, 504, 506 und 508) kann beobachtet werden, dass es im Laufe des Gebrauchs und der Zeit eine stetige Impedanzabnahme gibt. Der maximale, reale Impedanzwert I3 ist im Vergleich zu zuvor aufgezeichneten Werten der maximalen realen Impedanz (I1 und I2) niedriger. Diese Impedanzabnahme kann auf eine thermische Alterung zurückzuführen sein, welche in der Nernstzelle stattfindet. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Reduktion des maximalen Impedanzwertes aufgrund thermischer Alterungseffekte nach siebzehn Stunden des Gebrauchs möglicherweise fortschreitet. In einem Beispiel kann die in der Nernstzelle beobachtete Abnahme des maximalen Impedanzwertes niedriger sein als die entsprechende Abnahme des maximalen Impedanzwertes, die – unter denselben Messbedingungen – bei der Pumpzelle zu beobachten ist (wie aus 4 ersichtlich). Dies kann auf die Schwankung des thermischen Alterungsgrads zurückzuführen sein, die jede der zwei Zellen erfährt. Die unterschiedlichen Ausmaße der thermischen Alterung können aufgrund unterschiedlicher räumlicher Abstände der zwei Zellen vom Heizelement entstehen.
• In diesem Beispiel wird eine Frequenzabtastung achtzehn Stunden nach dem Beginn des UEGO-Sensorbetriebs unter Verwendung desselben Spitzenwertes der Wechselspannung, der während der zuvor erwähnten Frequenzabtastungen verwendet wurde, durchgeführt. Die entsprechende Impedanz kann aus der Wechselspannung berechnet werden, die nach dem Anlegen der Spannung gemessen wurde, und wird im Graphen 512 gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass nach der letzten Frequenzabtastung keine merkliche Änderung der Impedanz beobachtbar ist. Ebenso kann der Maximalwert der realen Impedanz (der Endpunkt des Graphen 512) mit dem Maximalwert der realen Impedanz (I3), der für die vorhergehende Messung (Graph 510) geschätzt wurde, die siebzehn Stunden nach dem Beginn des UEGO-Sensorbetriebs durchgeführt wurde, zusammenfallen. Aus der Beständigkeit der Impedanzabnahme, die in aufeinanderfolgenden Graphen beobachtbar ist, kann abgeleitet werden, dass eine Kornvergröberung aufgrund wiederholter Erhitzung in der Nernstzelle stattgefunden hat. In Folge des Kornvergröberungseffektes ist keine weitere Impedanzänderung aufgrund thermischer Alterungseffekte zu beobachten. Zu diesem Zeitpunkt kann festgestellt werden, dass sich die Impedanzänderung aufgrund thermischer Alterungseffekte stabilisiert hat.
• Nach der Stabilisierung des thermischen Alterungsprozesses kann die Steuerung eine Wechselspannung mit einem höheren Spitzenspannungswert an die Nernstzelle anlegen und eine Frequenzabtastung durchführen, um das Vorliegen einer Schwärzung in der Pumpzelle desselben UEGO-Sensors zu bestätigen. Während des UEGO-Sensorbetriebs wird keine hohe Referenzspannung an die Nernstzelle angelegt, wodurch die Möglichkeit einer Schwärzung von Nernstzellenelektroden niedrig sein kann. Der entsprechende Wechselstrom wird gemessen, und die geschätzte Impedanz wird im Graphen 514 gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass es im Vergleich zu der Impedanz aus den letzten zwei Frequenzabtastungen (Graphen 512 und 510) keine merkliche Impedanzänderung gibt. Ebenso kann der Maximalwert der realen Impedanz (Endpunkt des Graphen 514) mit dem Maximalwert der realen Impedanz (I3), der für die vorhergehenden Messungen (Graph 512 und 510) geschätzt wurde, zusammenfallen. Auf diese Weise kann, falls unter denselben Messbedingungen eine signifikante Impedanzabnahme in der Pumpzelle, aber keine Impedanzänderung in der Nernstzelle zu beobachten ist, ein Auftreten einer Schwärzung in der Pumpzelle bestätigt werden.
• 6 zeigt einen beispielhaften Betriebsablauf 600, der die Detektion einer thermischen Alterung und von Schwärzungseffekten in einem UEGO-Sensor auf Basis von Änderungen der Pump- und Nernstzellenimpedanz veranschaulicht. Die horizontale Achse (x-Achse) gibt die Zeit an, und die vertikalen Markierungen t1–t7 legen wichtige Zeitpunkte im Detektionsprozess fest.
• Der erste Graph (Kurve 602) gibt die Spitzen-Wechsel-(AC-)Spannung an, die an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle angelegt wird. Der niedrigere Spitzenspannungswert wird durch V1 angezeigt, und der höhere Spitzenspannungswert wird durch V2 angezeigt. Die entsprechenden Impedanzwerte können aus den Wechselströmen geschätzt werden. Der zweite Graph (Kurve 604) zeigt den maximalen Impedanzwert, der in der Pumpzelle des UEGO-Sensors geschätzt wird. Drei wichtige Werte der Pumpzellenimpedanz werden durch gepunktete Linien Z_P1, Z_P2 beziehungsweise Z_P3 gezeigt. Der dritte Graph (Kurve 606) zeigt den maximalen Impedanzwert, der in der Nernstzelle des UEGO-Sensors geschätzt wird. Zwei wichtige Werte der Nernstzellenimpedanz werden durch gepunktete Linien Z_N1 beziehungsweise Z_N2 gezeigt. Im vierten und letzten Graphen stellen die Linien 608 und 610 Statuszeichen dar, welche eine thermische Alterung und Schwärzungseffekte anzeigen, die im UEGO-Sensor detektiert wurden.
• Vor dem Zeitpunkt t1 kann eine Wechsel-(AC-)Spannung mit dem Spitzenwert V1 an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle des UEGO-Sensors angelegt werden. Die entsprechenden Ströme können in jeder Zelle aufgezeichnet werden, und die Impedanzen können aus der angelegten Wechselspannung und dem gemessenen Wechselstrom geschätzt werden. Diese Messung kann im Herstellerbetrieb durchgeführt werden, wenn der UEGO neu ist. Eine Frequenzabtastung kann durchgeführt werden, indem die Spitzenspannung und die Zeit konstant gehalten werden und die Schwingungsfrequenz der Wechselspannung variiert wird. Die maximalen Impedanzwerte, die aus den angelegten Wechselspannungen und den gemessenen Strömen jeweils der Pump- und der Nernstzelle geschätzt wurden, sind aus den Graphen 604 beziehungsweise 606 ersichtlich. Der maximale Impedanzwert für die Pumpzelle und die Nernstzelle wird durch gepunktete Linien Z_P1 beziehungsweise Z_N1 gezeigt. Die Impedanzwerte (Z_P1 und Z_N1) für jede der zwei Zellen können im Speicher der Steuereinheit gespeichert werden. Das Anlegen einer Wechselspannung und die entsprechende Impedanzschätzung können bis zum Zeitpunkt t1 fortgesetzt werden.
• Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 kann die Steuereinheit im Fahrzeug den Prozess des Anlegens einer Wechselspannung (mit dem Spitzenspannungswert V1), des Durchführens einer Frequenzabtastung, des Messens eines Wechselstroms und des Schätzens von Impedanzen mehrmals unter denselben Bedingungen fortsetzen. Jedes Mal, wenn die Impedanz jeder der zwei Zellen geschätzt wird, kann der Wert mit dem Wert aus der vorhergehenden Messung verglichen werden. Vor dem Zeitpunkt t2 kann weder eine thermische Alterung noch eine Schwärzung im UEGO-Sensor detektiert werden, weshalb das Statuszeichen in der AUS-Position gehalten werden kann.
• Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 kann eine Wechselspannung (mit dem Spitzenwert V1) an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle angelegt werden, und die entsprechenden maximalen Impedanzwerte können geschätzt werden. Während dieser Zeit werden die maximalen Impedanzwerte für die Pumpzelle und die Nernstzelle durch gepunktete Linien Z_P2 beziehungsweise Z_N2 gezeigt. Beim Vergleich der Werte der aktuellen Pumpzellen- und Nernstzellenimpedanzen (Z_P2 und Z_N2) mit zuvor gemessenen Werten wie z. B. Z_P1 beziehungsweise Z_N1 kann eine Impedanzabnahme für jede der zwei Zellen beobachtet werden. Die Impedanzabnahme kann thermischen Alterungseffekten zugeschrieben werden. Eine thermische Alterung kann aufgrund der ständigen Verwendung bei hohen Temperaturen in jeweils der Pump- und der Nernstzelle auftreten. Auf Basis der Detektion von thermischen Alterungseffekten in jeweils der Pump- und der Nernstzelle kann ein Statuszeichen oder ein Diagnosecode (Linie 608) gesetzt werden. Ferner kann während der Sauerstoffschätzung unter Verwendung des UEGO-Sensors ein Kompensationsfaktor verwendet werden, um jegliche Ungenauigkeiten aufgrund thermischer Alterungseffekte bei der Schätzung zu vermeiden.
• Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird der UEGO-Sensor weiterhin zur Sauerstoffschätzung betrieben. Das Statuszeichen für den thermischen Alterungseffekt kann in der EIN-Position gehalten werden, und der Kompensationsfaktor kann während des UEGO-Sensorbetriebs verwendet werden.
• Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 kann eine Wechselspannung (mit dem Spitzenwert V1) an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle angelegt werden, und entsprechende maximale Impedanzwerte können wie zuvor geschätzt werden. Während dieser Zeit kann beobachtet werden, dass die Maximalwerte jeder aus der Pumpzellen- und der Nernstzellenimpedanz bei Z_P2 beziehungsweise Z_N2 unverändert geblieben sind. Dadurch kann zum Zeitpunkt t2 angenommen werden, dass sich thermische Alterungseffekte im UEGO-Sensor möglicherweise stabilisiert haben. Danach kann durch das Anlegen einer Spannung an jeweils der Pump- und der Nernstzelle keine weitere Impedanzänderung aufgrund thermischer Alterungseffekte beobachtet werden. Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 wird der UEGO-Sensor weiterhin zur Sauerstoffschätzung verwendet. Das Statuszeichen, welches eine thermische Alterung anzeigt, kann weiterhin in der EIN-Position gehalten werden, und der Kompensationsfaktor kann während des UEGO-Sensorbetriebs verwendet werden.
• Nach der Stabilisierung des thermischen Alterungsprozesses kann, zwischen den Zeitpunkten t6 und t7, eine Wechselspannung mit dem Spitzenwert V2 an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle angelegt werden. Eine Frequenzabtastung kann durchgeführt werden, indem die Spitzenspannung und die Zeit konstant gehalten werden und die Schwingungsfrequenz variiert wird. Der Spitzenwert V2 kann höher sein als der Spitzenwert (V1) der zuvor während der Detektion der thermischen Alterung verwendeten Spannung. Die höhere Spannung kann günstig für eine bessere Schätzung der UEGO-Sensorschwärzung sein. Nach dem Anlegen der Spitzenspannung V2 kann der entsprechende Strom gemessen werden, und die maximalen Impedanzwerte jeweils der Pump- und der Nernstzelle können geschätzt werden. Es kann zu diesem Zeitpunkt beobachtet werden, dass der Maximalwert der Pumpzellenimpedanz eine signifikante Abnahme von Z_P2 auf Z_P3 zeigt. Aus dieser Impedanzabnahme kann abgeleitet werden, dass möglicherweise eine Schwärzung in der Pumpzelle aufgetreten ist. Zu diesem Zeitpunkt bleibt die Nernstzellenimpedanz jedoch möglicherweise konstant auf Z_N2. Da während des Betriebs des UEGO-Sensors eine niedrigere Referenzspannung an der Nernstzelle anliegt, ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Schwärzung in der Nernstzelle gering. Dadurch kann das Auftreten einer Schwärzung in der Pumpzelle bestätigt werden, falls unter denselben Messbedingungen eine signifikante Impedanzabnahme in der Pumpzelle zu beobachten ist, aber keine Impedanzänderung in der Nernstzelle zu beobachten ist.
• Als Reaktion auf das Detektieren der Schwärzung eines UEGO-Elements wird das Statuszeichen oder der Diagnosecode für die Schwärzungsdetektion auf die EIN-Position gesetzt (Linie 610). Darüber hinaus kann die Steuereinheit die Zielspannung und die Spannungsrampenraten begrenzen, die bei zukünftigen Sensorbetriebsvorgängen verwendet werden. Indem solche Bedingungen eingeschränkt werden, die eine Schwärzung verursachen, kann ein weiterer Schaden an der Pumpzelle verhindert werden. Das Statuszeichen für eine thermische Alterung (Linie 608) kann ebenso in der EIN-Position gehalten werden. Während der Sauerstoffschätzung kann ein Kompensationsfaktor verwendet werden, der sowohl eine thermische Alterung als auch Schwärzungseffekte berücksichtigt.
• Ein beispielhaftes Verfahren für einen Motor umfasst das Unterscheiden zwischen einer thermischen Alterung und einer Schwärzung eines Sauerstoffsensorelements auf Basis einer überwachten Impedanzänderung jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle des Sauerstoffsensors nach dem Anlegen einer Spannung. In dem vorhergehenden Beispiel ist die Spannung zusätzlich oder optional dazu eine Wechselspannung. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst das Unterscheiden auf Basis einer überwachten Änderung zusätzlich oder optional dazu das Unterscheiden auf Basis der überwachten Änderung nach einem aktuellen Anlegen der Spannung relativ zur überwachten Änderung der Impedanz jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst das Unterscheiden zusätzlich oder optional dazu das Anzeigen einer thermischen Alterung als Reaktion darauf, dass die überwachte Impedanzänderung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle höher als ein Schwellenwert ist, sowie das Anzeigen einer Schwärzung als Reaktion darauf, dass die überwachte Impedanzänderung der Pumpzelle höher als der Schwellenwert ist, während die überwachte Impedanzänderung der Nernstzelle niedriger als der Schwellenwert ist. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele ist der Schwellenwert zusätzlich oder optional dazu einer aus einem konstanten Wert und einem Wert, der auf der Impedanz nach dem vorhergehenden Anlegen der Spannung basiert. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst das Anzeigen einer Schwärzung zusätzlich oder optional dazu das Anzeigen eines Schwärzungspegels auf Basis der Impedanzänderung der Pumpzelle nach dem vorhergehenden Anlegen einer Spannung. Beliebige oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen zusätzlich oder optional dazu das Absenken eines oder mehrerer Betriebsparameter des Sauerstoffsensors auf Basis der Anzeige einer Schwärzung, wobei die Betriebsparameter eines oder mehrere aus einer Referenzspannung und einer Spannungsrampenrate umfassen. Beliebige oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional dazu das Anpassen eines Kompensationsfaktors für die Sauerstoffschätzung als Reaktion auf die Anzeige einer thermischen Alterung. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst das Unterscheiden zusätzlich oder optional dazu das Unterscheiden auf Basis einer Endpunktimpedanz einer Frequenzabtastung, welche nach dem Anlegen der Spannung an die Pumpzelle erzeugt wird, sowie das Anzeigen einer Schwärzung des Sauerstoffsensors auf Basis dessen, dass die Endpunktimpedanz niedriger als eine Schwellenimpedanz ist. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele basiert die Schwellenimpedanz zusätzlich oder optional dazu auf dem Endpunkt der Frequenzabtastung nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung an die Pumpzelle.
• Ein weiteres, beispielhaftes Verfahren umfasst das periodische Anlegen einer Wechselspannung an jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle eines Sauerstoffsensors; das Erzeugen einer Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, welche eine Impedanzänderung nach dem Anlegen einer Spannung umfasst; und das Anzeigen einer Schwärzung auf Basis eines Endpunktes der Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle. Im vorhergehenden Beispiel umfasst das periodische Anlegen einer Spannung zusätzlich oder optional dazu das Anlegen einer Wechselspannung einmal pro Antriebszyklus, nach einer Schwellenfahrstrecke oder nach einer Schwellenzeitspanne, die seit einem vorhergehenden Anlegen vergangen ist. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst die Frequenzabtastung zusätzlich oder optional dazu das Anlegen der Wechselspannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, während eine Spitzenspannung konstant gehalten wird; das schrittweise Ändern einer Frequenz der Wechselspannung; das Messen eines Pumpstroms nach dem Anlegen der Wechselspannung; und das Berechnen der Impedanz jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle auf Basis der angelegten Spannung und des gemessenen Pumpstroms. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst die Frequenzabtastung zusätzlich oder optional dazu eine erste Frequenzabtastung der Pumpzelle nach dem Anlegen der Wechselspannung und eine zweite Frequenzabtastung der Nernstzelle nach dem Anlegen der Wechselspannung. Beliebige oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen zusätzlich oder optional dazu das Anzeigen einer thermischen Alterung auf Basis dessen, dass die Endpunktimpedanz jeder aus der ersten und der zweiten Frequenzabtastung niedriger als eine erste beziehungsweise zweite Schwellenimpedanz ist, sowie das Anzeigen einer Schwärzung auf Basis dessen, dass die Endpunktimpedanz der ersten Frequenzabtastung niedriger als die erste Schwellenimpedanz ist und die Endpunktimpedanz der zweiten Frequenzabtastung gleich der zweiten Schwellenimpedanz ist. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele basieren die erste und die zweite Schwellenimpedanz zusätzlich oder optional dazu auf dem Endpunkt jeder aus der ersten und der zweiten Frequenzabtastung nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle. Beliebige oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional dazu als Reaktion auf die Anzeige einer thermischen Alterung das Anpassen eines Kompensationsfaktors für die Sauerstoffschätzung und als Reaktion auf die Anzeige einer Schwärzung das Absenken von Betriebsparametern, welche eine Referenzspannung und eine Spannungsrampenrate des Sauerstoffsensors umfassen.
• In noch einem weiteren Beispiel umfasst ein Fahrzeugmotor einen Motor, welcher ein Ansaugsystem und ein Abgassystem, einen Sauerstoffsensor, welcher mit dem Abgassystem des Motors gekoppelt ist, wobei der Sauerstoffsensor eine Pumpzelle und eine Nernstzelle umfasst, und eine Steuereinheit mit computerlesbaren Befehlen, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, umfasst, um: eine Spannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle anzulegen; das Impedanzprofil jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle zu lernen; und als Reaktion einer Änderung des Impedanzprofils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsanlegungen der Pumpzelle eine Schwärzung im Sauerstoffsensor anzuzeigen. Im vorhergehenden Beispiel umfasst das Impedanzprofil der Pumpzelle zusätzlich oder alternativ dazu jeden aus einem ersten, zweiten und dritten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt auf der Impedanz der Pumpzellenverdrahtung basiert, der zweite Abschnitt auf der Impedanz der Pumpzellenkorngrenzen basiert und der dritte Abschnitt auf der Impedanz der Pumpzellenelektroden basiert. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele basiert die Anzeige einer Schwärzung zusätzlich oder optional dazu auf einer Impedanzänderung des zweiten Abschnittes im Impedanzprofil, die auf den zweiten Abschnitt eines Impedanzprofils der vorhergehenden Messung folgt.
• Ein weiteres beispielhaftes Verfahren umfasst Folgendes: in einem ersten Betriebsmodus eines Sauerstoffsensors, Leiten von Abgas von einem Verbrennungsmotor in einen ersten Hohlraum, der auf einer Seite von einer Zirconiumoxidschicht und auf einer anderen Seite von einer Keramikschicht gebildet wird, wobei die Keramikschicht zwischen dem ersten Hohlraum und einem zweiten, ein Referenzgas enthaltenden Hohlraum positioniert ist; Anlegen einer ersten Spannung an die Zirconiumoxidschicht, um Sauerstoffionen zwischen dem ersten Hohlraum und dem Abgas zu pumpen; Anlegen einer zweiten Spannung an die Keramikschicht, wobei die erste Spannung begrenzt wird, wenn die zweite Spannung eine Schwelle erreicht; und, in einem zweiten Betriebsmodus des Sauerstoffsensors, Detektieren einer Zersetzung eines Teils der Zirconiumoxidschicht zu Zirconium durch das Vergleichen einer Impedanzänderung der Zirconiumoxidschicht mit einer Impedanzänderung der Keramikschicht. In dem vorhergehenden Beispiel ist die Keramikschicht zusätzlich oder optional dazu eine erste Keramikschicht, wobei der Sauerstoffsensor ferner eine Pumpzelle und eine Nernstzelle umfasst, wobei die Pumpzelle die erste Keramikschicht und ein erstes, mit einer Spannungsquelle verbundenes Elektrodenpaar umfasst, wobei die Nernstzelle eine zweite Keramikschicht und ein zweites, mit der Spannungsquelle verbundenes Elektrodenpaar umfasst, wobei jeweils das erste und das zweite Elektrodenpaar Zirconiumoxidschichten umfasst. In beliebigen oder allen der vorhergehenden Beispiele umfasst der zweite Betriebsmodus zusätzlich oder optional dazu das periodische Anlegen einer Wechselspannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, das Erzeugen einer Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, die eine Impedanzänderung beim periodischen Anlegen einer Spannung umfasst, und das Anzeigen einer Zersetzung eines Teils des Zirconiumoxids zu Zirconium auf Basis eines Endpunktes der Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle. Beliebige oder alle der vorhergehenden Beispiele umfassen ferner zusätzlich oder optional dazu das Absenken eines oder mehrerer aus einer Referenzspannung und einer Spannungsrampenrate des Sauerstoffsensors als Reaktion auf die Anzeige der Zersetzung des Teils des Zirconiumoxids zu Zirconium.
• Auf diese Weise können durch die Überwachung einer Impedanzänderung in jeweils der Pump- und der Nernstzelle thermische Alterungseffekte und eine Schwärzung eines Elements in einem Sauerstoff-(z. B. einem UEGO-)Sensor detektiert werden. Unter Verwendung dieses Verfahrens ist es möglich, zwischen thermischen Alterungseffekten und einer Sauerstoffsensorschwärzung zu unterscheiden. Die technische Wirkung der Unterscheidung zwischen thermischen Alterungseffekten und der Schwärzung eines Elements in einem Sauerstoffsensor besteht darin, dass für jeden Effekt entsprechende Korrekturmaßnahmen eingesetzt werden können. Dadurch ist es möglich, die Genauigkeit der Sauerstoffschätzung aufrechtzuerhalten, während der Sensor altert, indem geeignete Korrekturfaktoren verwendet werden, um die thermischen Alterungseffekte zu kompensieren. Sobald eine Schwärzung eines Elements detektiert worden ist, kann ein weiterer Schaden am Sensor aufgrund einer Schwärzung begrenzt werden, indem Präventivmaßnahmen wie z. B. die Verwendung einer niedrigeren Zielspannung und einer niedrigeren Rampenrate zum Anlegen von Referenzspannungen während der Sauerstoffschätzungen ergriffen werden. Durch das effektive Detektieren einer thermischen Alterung und einer Schwärzung in einem Sauerstoffsensor werden die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Sauerstoffsensorbetriebs ohne eine Wirkung auf die Motorbetriebsvorgänge aufrechterhalten.
• Es ist zu beachten, dass die hier umfassten, beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen in verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und können vom Steuersystem, welches die Steuereinheit umfasst, in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Motor-Hardware durchgeführt werden. Die speziellen, hier beschriebenen Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien repräsentieren, wie z. B. ereignisgesteuerte, unterbrechungsgesteuerte, Multitasking-, Multithreading- und ähnliche Strategien. Daher können verschiedene dargestellte Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen in der dargestellten Abfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen, beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, sondern wird der einfachen Darstellung und Beschreibung halber bereitgestellt. Eine oder mehrere der dargestellten Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen kann/können abhängig von der bestimmten, verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen einen Code graphisch darstellen, der in einen nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Motorsteuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Aktionen durchgeführt werden, indem die Befehle in einem System, das die verschiedenen Hardwarekomponenten umfasst, in Kombination mit der elektronischen Steuereinheit ausgeführt werden.
• Es ist klar, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese speziellen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn zu betrachten sind, weil zahlreiche Varianten möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6-Motoren, 4-Zylinder-Reihenmotoren, 6-Zylinder-Reihenmotoren, V-12-Motoren, 4-Takt-Boxermotoren und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie anderer hier offenbarter Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
• Die folgenden Patentansprüche weisen besonders auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, welche als neuartig und nicht offensichtlich erachtet werden. Diese Patentansprüche können sich auf “ein” Element oder “ein erstes” Element oder ein Äquivalent davon beziehen. Solche Patentansprüche sollten so verstanden werden, dass sie weder den Einbau eines oder mehrerer solcher Elemente erfordern noch zwei oder mehr solcher Elemente ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch die Änderung der vorliegenden Patentansprüche oder durch die Vorlage neuer Patentansprüche in dieser oder einer verwandten Patentanmeldung beansprucht werden. Solche Patentansprüche werden, ob sie nun einen breiteren, engeren, gleichen oder unterschiedlichen Schutzumfang als die ursprünglichen Patentansprüche umfassen, als vom Gegenstand der vorliegenden Offenbarung erfasst erachtet.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 20120167656 A1 [0003]

Claims (20)

1. Verfahren für einen Motor, umfassend: Unterscheiden zwischen einer thermischen Alterung und einer Schwärzung eines Sauerstoffsensorelements auf Basis einer überwachten Impedanzänderung jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle des Sauerstoffsensors nach Anlegen einer Spannung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Spannung eine Wechselspannung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Unterscheiden auf Basis einer überwachten Änderung das Unterscheiden auf Basis der überwachten Änderung nach einem aktuellen Anlegen der Spannung relativ zur überwachten Änderung der Impedanz jeweils der Pumpzelle und Nernstzelle nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Unterscheiden Folgendes umfasst: Anzeigen einer thermischen Alterung als Reaktion darauf, dass die überwachte Impedanzänderung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle höher als ein Schwellenwert ist; und Anzeigen einer Schwärzung als Reaktion darauf, dass die überwachte Impedanzänderung der Pumpzelle höher als der Schwellenwert ist, während die überwachte Impedanzänderung der Nernstzelle niedriger als der Schwellenwert ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin der Schwellenwert einer aus einem konstanten Wert und einem Wert ist, der auf der Impedanz nach dem vorhergehenden Anlegen der Spannung basiert.
6. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Anzeigen einer Schwärzung ferner das Anzeigen eines Schwärzungspegels auf Basis einer Impedanzänderung der Pumpzelle nach dem vorhergehenden Anlegen einer Spannung umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 4, welches ferner als Reaktion auf die Anzeige der Schwärzung das Absenken eines oder mehrerer Betriebsparameter des Sauerstoffsensors, worin die Betriebsparameter eine oder mehrere aus einer Referenzspannung und einer Spannungsrampenrate umfassen, und als Reaktion auf die Anzeige einer thermischen Alterung das Anpassen eines Kompensationsfaktors für die Sauerstoffschätzung umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Unterscheiden das Unterscheiden auf Basis einer Endpunktimpedanz einer Frequenzabtastung, die nach dem Anlegen der Spannung an die Pumpzelle erzeugt wurde, und das Anzeigen einer Schwärzung des Sauerstoffsensors auf Basis dessen, dass die Endpunktimpedanz niedriger als eine Schwellenimpedanz ist, umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die Schwellenimpedanz auf dem Endpunkt der Frequenzabtastung nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung an die Pumpzelle basiert.
10. Verfahren für einen Motor, umfassend: periodisches Anlegen einer Wechselspannung an jeweils einer Pumpzelle und einer Nernstzelle eines Sauerstoffsensors; Erzeugen einer Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, welche eine Impedanzänderung nach dem Anlegen einer Spannung umfasst; Anzeigen einer Schwärzung auf Basis eines Endpunktes der Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle.
11. Verfahren nach Anspruch 10, worin das periodische Anlegen einer Spannung das Anlegen einer Wechselspannung ein Mal pro Antriebszyklus, nach einer Schwellenfahrtstrecke oder nach einem Schwellenzeitraum, der seit einem vorhergehenden Anlegen vergangen ist, umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Frequenzabtastung Folgendes umfasst: Anlegen der Wechselspannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, während eine Spitzenspannung konstant gehalten wird; schrittweises Ändern einer Frequenz der Wechselspannung; Messen eines Pumpstroms nach Anlegen der Wechselspannung und Berechnen der Impedanz jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle auf Basis der angelegten Spannung und des gemessenen Pumpstroms.
13. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Frequenzabtastung eine erste Frequenzabtastung der Pumpzelle nach dem Anlegen der Wechselspannung sowie eine zweite Frequenzabtastung der Nernstzelle nach dem Anlegen der Wechselspannung umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 10, welches ferner das Anzeigen einer thermischen Alterung auf Basis dessen, dass die Endpunktimpedanz jeder aus der ersten und der zweiten Frequenzabtastung niedriger als eine erste beziehungsweise eine zweite Schwellenimpedanz ist, und das Anzeigen einer Schwärzung auf Basis dessen, dass die Endpunktimpedanz der ersten Frequenzabtastung geringer als die erste Schwellenimpedanz und die Endpunktimpedanz der zweiten Frequenzabtastung gleich der zweiten Schwellenimpedanz ist, umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 14, worin die erste und die zweite Schwellenimpedanz auf dem Endpunkt jeder aus der ersten und der zweiten Frequenzabtastung nach einem vorhergehenden Anlegen der Spannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle basieren.
16. Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner umfasst, als Reaktion auf das Anzeigen einer thermischen Alterung einen Kompensationsfaktor für die Sauerstoffschätzung anzupassen, und als Reaktion auf das Anzeigen einer Schwärzung Betriebsparameter einschließlich einer Referenzspannung und einer Spannungsrampenrate des Sauerstoffsensors abzusenken.
17. Verfahren, umfassend: in einem ersten Betriebsmodus eines Sauerstoffsensors, Leiten von Abgas von einem Verbrennungsmotor in einen ersten Hohlraum, welcher auf einer Seite von einer Zirconiumoxidschicht und auf einer anderen Seite von einer Keramikschicht gebildet wird, wobei die Keramikschicht zwischen dem ersten Hohlraum und einem zweiten, ein Referenzgas enthaltenden Hohlraum positioniert ist; Anlegen einer ersten Spannung an die Zirconiumoxidschicht, um Sauerstoffionen zwischen dem ersten Hohlraum und dem Abgas zu pumpen; Anlegen einer zweiten Spannung an die Keramikschicht, wobei die erste Spannung begrenzt wird, wenn die zweite Spannung eine Schwelle erreicht; und in einem zweiten Betriebsmodus des Sauerstoffsensors, Detektieren der Zersetzung eines Teils der Zirconiumoxidschicht zu Zirconium durch das Vergleichen einer Impedanzänderung der Zirconiumschicht mit einer Impedanzänderung der Keramikschicht.
18. Verfahren nach Anspruch 17, worin die Keramikschicht eine erste Keramikschicht ist, und worin der Sauerstoffsensor ferner eine Pumpzelle und eine Nernstzelle umfasst, wobei die Pumpzelle die erste Keramikschicht und ein erstes, mit einer Spannungsquelle verbundenes Elektrodenpaar umfasst, wobei die Nernstzelle eine zweite Keramikschicht und ein zweites, mit der Spannungsquelle verbundenes Elektrodenpaar umfasst, worin jeweils das erste und das zweite Elektrodenpaar Zirconiumoxidschichten umfasst.
19. Verfahren nach Anspruch 18, worin der zweite Betriebsmodus das periodische Anlegen einer Wechselspannung an jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, das Erzeugen einer Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle, welche eine Impedanzänderung beim periodischen Anlegen der Spannung umfasst, sowie das Anzeigen einer Zersetzung eines Teils des Zirconiumoxids zu Zirconium auf Basis eines Endpunktes der Frequenzabtastung jeweils der Pumpzelle und der Nernstzelle umfasst.
20. Verfahren nach Anspruch 19, welches ferner als Reaktion auf das Anzeigen einer Zersetzung des Teils des Zirconiumoxids zu Zirconium umfasst, eine oder mehrere aus einer Referenzspannung und einer Spannungsrampenrate des Sauerstoffsensors abzusenken.

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