DE102017114710A1

DE102017114710A1 - Verfahren und systeme für einen sauerstoffsensor

Info

Publication number: DE102017114710A1
Application number: DE102017114710.1A
Authority: DE
Inventors: Michael McQuillen; Gopichandra Surnilla; Richard E. Soltis; Daniel A. Makled
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2018-01-11
Also published as: CN107575290A; RU2017123374A; CN107575290B; US20180010530A1; US9856799B1

Abstract

Verfahren und Systeme zum Verringern einer Schwarzfärbung eines Sauerstoffsensors aufgrund von Spannungsabweichungen in einen Überpotentialbereich werden bereitgestellt. Vor dem Übergang des Sensors von einer niedrigeren Spannung zu einer oberen Spannung während eines Betriebs mit variabler Spannung wird eine Betriebstemperatur des Sensors mittels Einstellungen an einer Sensorheizvorrichtungseinstellung verringert. Die Verringerung der Temperatur vergrößert den Bereich der verfügbaren Temperaturen für den Sensor, bevor der Überpotentialbereich erreicht wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zum Verringern eines Auftretens von Schwarzfärbung in Sauerstoffsensoren.
Hintergrund/Kurzdarstellung
Ansauggas- und/oder Abgassensoren können betrieben werden, um Hinweise auf verschiedene Ansauggas- und Abgasbestandteile bereitzustellen. Die Ausgabe von einer Breitbandsonde für Sauerstoff (UEGO-Sensor) kann zum Beispiel verwendet werden, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR – air fuel ratio) des Abgases zu bestimmen. Hinweise auf den Sauerstoffgehalt des Ansauggases und Abgases können verwendet werden, um verschiedene Motorbetriebsparameter, wie Kraftstoffversorgung, einzustellen. Als solches kann die Messgenauigkeit eines Sauerstoffsensors durch eine Funktionsminderung eines Elements in dem Sauerstoffsensor, wie etwa aufgrund einer Schwarzfärbung eines Sensorelements, stark beeinträchtigt werden. Schwarzfärbung eines Sauerstoffsensorelements ist eine Form von Funktionsminderung, die aufgrund des Betriebs des Sensors bei einer Spannung, die im Überpotentialbereich eines Sensorelements liegt, wenn ein elektrischer Strom über einem Schwellenwert erzeugt wird, auftreten kann.
Verschiedene Ansätze wurden bisher verwendet, um eine Schwarzfärbung von Sauerstoffsensorelementen zu verringern. Bei einem beispielhaften Ansatz, gezeigt von Tsukada u.a. in US 20120001641 , kann die Pumpspannung, die in der Sauerstoffpumpzelle des Sauerstoffsensors verwendet wird, begrenzt werden, damit sie innerhalb einer Schwellenwertspannung liegt. Die Schwellenwertspannung kann der Begrenzung des Überpotentialbereichs der Zelle entsprechen. Während eines Betriebs des Sensors mit variabler Spannung, bei dem der Sensorbetrieb zwischen einer höheren und einer niedrigeren Spannung wechselt, darf jede der niedrigeren und der höheren Betriebsspannung die Schwellenwertspannung nicht übersteigen.
Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben jedoch mögliche Nachteile bei den zuvor genannten Ansätzen erkannt. Als ein Beispiel kann die Genauigkeit der Sauerstoffgehaltmessung durch den Sensor verringert sein, wenn die Pumpspannung auf eine Schwellenwertgrenze begrenzt wird. Die gewünschte Pumpspannung kann sich auf Grundlage von Faktoren wie Gaskonzentration verändern und eine feststehende obere Schwellenwertgrenze der Spannung kann den Sensorbetrieb beeinträchtigen. Auch kann sich die Möglichkeit einer Schwarzfärbung auf Grundlage der Betriebstemperatur des Sensors verändern, und bei höherer Betriebstemperatur kann eine Schwarzfärbung des Sensorelements auftreten, auch wenn dieser innerhalb einer Schwellenwertspannung betrieben wird. Die Erfinder haben auch erkannt, dass der Betrieb des Sensors in dem variablen Spannungsmodus zu einer Schwarzfärbung führen kann, aufgrund dessen, dass die Zelle die Zielpumpspannung während des Übergangs zu der höheren Spannung übersteigt. Die überschießende Spannung kann den Sensor in den Überpotentialbereich versetzen (d. h. in einen Bereich, in dem die höhere Spannung das Elektrolyt in dem Sensor veranlassen kann, aufgrund einer Entfernung von Sauerstoff vom Sensor teilweise zu elektrolysieren).
Bei einem alternativen Ansatz zum Steuern der Schwarzfärbung von Sauerstoffsensorelementen kann eine niedrigere Rampenrate verwendet werden, um eine gewünschte höhere Spannung in den UEGO-Sensorzellen zu erreichen, so dass eine geringere Möglichkeit eines Überschießens der Spannung zum Überpotentialbereich vorliegt. Jedoch haben die Erfinder auch bei diesem Ansatz mögliche Probleme erkannt. Als ein Beispiel kann das Verwenden einer niedrigeren Rampenrate, um die Betriebsspannung zu erhöhen, zeitaufwändig sein und zu Verzögerungen bei den vom Sensor durchgeführten Messungen führen, wodurch der Sensorbetrieb beeinträchtigt wird.
Die Erfinder dieser Offenbarung haben erkannt, dass der Spannungsschwellenwert, um in den Überpotentialbereich einzutreten, steigt, wenn die Betriebstemperatur des Sensors verringert wird. Somit kann durch Verringern der Betriebstemperatur des Sensors die zum Schwarzfärben des Sensors erforderliche Spannung erhöht werden, was ermöglicht, dass der Sensor über einen größeren Spannungsbereich betrieben werden kann, bevor eine Schwarzfärbung des Sensors auftritt. In einem Beispiel können die oben beschriebenen Probleme durch ein Verfahren für einen Motor angegangen werden, das umfasst: während eines Betriebs eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung, Verringern des Auftretens von Schwarzfärbung eines Sauerstoffsensorelements durch Verringern einer Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur vor einem Übergang von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Betriebsspannung. Auf diese Weise, durch Einstellen der Temperatur des UEGO-Sensors während eines Betriebs des UEGO-Sensors mit variabler Spannung, kann die Bewegung der UEGO-Zellen aufgrund dessen, dass sie im Überpotentialbereich sind, verringert werden, was die Möglichkeit einer Schwarzfärbung des Sensors verringert.
Als ein Beispiel kann die Temperatur des UEGO-Sensors während Bedingungen, wenn ein UEGO-Abgassensor in einem Modus mit variabler Spannung betrieben wird, wie etwa zur Sauerstoffgehaltschätzung des Abgases, zumindest vor dem Anheben der UEGO-Sensorspannung von einer niedrigeren, nominalen Spannung zu einer oberen Spannung verringert werden. Durch Senken der Sensortemperatur kann eine Begrenzung des Überpotentialbereichs in Richtung zu einer höheren absoluten Spannung verschoben werden. Das Ausmaß der Verringerung der UEGO-Temperatur kann auf Grundlage von Parametern, wie etwa einer aktuellen Temperatur des Sensors, und der Differenz zwischen der gewünschten höheren Spannung und der temperaturmodifizierten Begrenzung der Überpotentialspannung bestimmt werden. Die Verringerung der UEGO-Temperatur kann durchgeführt werden, indem die Einstellungen eines Heizelements, das mit dem UEGO-Sensor gekoppelt ist, eingestellt werden, so dass die Heizvorrichtung weniger Wärme erzeugt. Wenn bestimmt wird, dass die Begrenzung des Überpotentialbereichs nur durch Senken der UEGO-Temperatur nicht auf ein gewünschtes Niveau verschoben werden kann (wie etwa aufgrund höherer Umgebungstemperaturen oder aufgrund anderer Temperatureinschränkungen), kann die obere Spannung auf eine Schwellenwertspannung bei oder unter der Begrenzung des Überpotentialbereichs begrenzt werden. Dann kann eine niedrigere Rampenrate der Spannung verwendet werden, um die höhere Spannung innerhalb des Schwellenwertbereichs zu erreichen, um Spannungsüberschießen zu verringern.
Auf diese Weise, indem zuerst die UEGO-Temperatur gesenkt und dann ein Übergang des Betriebs des UEGO-Sensors mit einer niedrigeren Spannung zu einem Betrieb mit höherer Spannung vorgenommen wird, kann die Begrenzung des Überpotentialbereichs zu einem höheren Spannungswert verschoben werden, und während eines Betriebs mit der höheren Spannung kann das Risiko der Schwarzfärbung der UEGO-Sensorelemente verringert werden. Durch Ermöglichen eines höheren Werts der Spannung während eines UEGO-Betriebs mit variabler Spannung kann eine höhere Genauigkeit bei den UEGO-Sensormessungen erzielt werden. Somit kann der Betriebsspannungsbereich des UEGO-Sensors vergrößert werden. Die technische Wirkung des Verschiebens der Begrenzung des Überpotentialbereichs zu einer höheren Spannung ist, dass eine schnellere Rampenrate verwendet werden kann, um die höhere Spannung ohne das Risiko von Spannungsüberschießen in den Überpotentialbereich zu erreichen. Zusätzlich kann auch das Risiko von Spannungsüberschießen in den Überpotentialbereich während Spannungsübergängen verringert werden. Durch Verwendung einer schnelleren Rampenrate kann die höhere Spannung innerhalb einer kürzeren Zeit erreicht werden, was die Messungsgenauigkeit erhöhen kann. Insgesamt kann eine Funktionsminderung des Sauerstoffsensors durch wirksame Verringerung des Risikos der Schwarzfärbung des UEGO-Elements verringert werden und die Genauigkeit des Sauerstoffsensorbetriebs wird aufrechterhalten, wodurch eine effiziente Motorleistung ermöglicht wird.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um auf vereinfachte Art und Weise eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der detaillierten Beschreibung weitergehend beschrieben werden. Sie ist nicht dazu gedacht, zentrale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes der Erfindung zu identifizieren, deren Umfang einzig durch die Ansprüche, die der ausführlichen Beschreibung folgen, definiert ist. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand der Erfindung nicht auf Umsetzungen beschränkt, die jegliche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angemerkte Nachteile lösen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein beispielhaftes Motorsystem mit Ansaug- und Abgas-Sauerstoffsensoren.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften UEGO-Sensors.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren veranschaulicht, das zum Verringern des Auftretens von Schwarzfärbung in Sauerstoffsensoren implementiert werden kann.
4 zeigt ein beispielhaftes Diagramm der Änderung des Schwellenwerts des Überpotentialbereichs mit der Temperatur.
5 zeigt einen beispielhaften Betrieb der UEGO-Zellen, um Auftreten von Schwarzfärbung zu verringern.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren zur Verringerung des Auftretens von Schwarzfärbung in einer oder mehreren UEGO-Zellen über Einstellungen der Betriebstemperaturen. Sauerstoffsensoren können in einem Ansaugluftkanal oder einem Abgaskanal, wie in dem Motorsystem der 1 gezeigt, angeordnet sein. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Sauerstoffsensors, der durch Schwarzfärbung beeinträchtigt werden könnte. Eine Motorsteuerung kann dazu konfiguriert sein, eine Routine, wie etwa die beispielhafte Routine aus 3, durchzuführen, um das Auftreten von Schwarzfärbung in einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle des UEGO-Sensors zu verringern. 4 zeigt die Verschiebung des unteren Schwellenwerts des Überpotentialbereichs auf Grundlage der Betriebstemperatur des Sensors. Ein beispielhafter Betrieb des UEGO-Sensors zum Verringern der Schwarzfärbung ist in 5 gezeigt.
1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zylinder eines Mehrzylindermotors 10 in einem Motorsystem 100 zeigt. Der Motor 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das eine Steuerung 12 beinhaltet, und durch Eingabe durch einen Fahrzeugführer 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel beinhaltet die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines Pedalpositions-Proportionalsignals PP. Eine Brennkammer (Zylinder) 30 des Motors 10 kann Brennkammerwände 32 mit einem darin angeordneten Kolben 36 beinhalten. Der Kolben 36 kann mit einer Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein zwischengeschaltetes Getriebesystem mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Weiterhin kann ein Anlasser über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Betrieb des Motors 10 starten zu können.
Die Brennkammer 30 kann Ansaugluft von einem Ansaugkrümmer 44 über einen Ansaugkanal 42 aufnehmen und Verbrennungsgase über den Abgaskanal 48 ablassen. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgaskanal 48 können selektiv über ein jeweiliges Einlassventil 52 und Auslassventil 54 mit der Brennkammer 30 in Verbindung stehen. In einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile einschließen.
In diesem Beispiel können das Einlassventil 52 und das Auslassventil 54 durch Nockenbetätigung über jeweilige Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils einen oder mehrere Nocken einschließen und ein oder mehrere der folgenden Systeme verwenden: Nockenprofilverstell(CPS)-, variables Nockenansteuerungs-(VCT)-, variables Ventilansteuerungs(VVT)- und/oder variables Ventilhub(VVL)-System, die durch die Steuerung 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu variieren. Die Position des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 kann jeweils durch Positionssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Einlassventil 52 und/oder das Auslassventil 54 durch eine elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Beispielsweise kann die Brennkammer 30 alternativ ein über eine elektrische Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein über Nockenbetätigungssysteme, einschließlich CPS- und/oder VCT-Systeme, gesteuertes Auslassventil beinhalten.
Eine Kraftstoffeinspritzung 66 ist direkt mit der Brennkammer 30 zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in diese, proportional zu der Pulsbreite des Signals FPW, das von der Steuervorrichtung 12 über einen elektronischen Treiber 68 empfangen wird, gekoppelt gezeigt. Auf diese Weise stellt die Kraftstoffeinspritzung 66 bereit, was als Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30 bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzung kann zum Beispiel in der Seite der Brennkammer oder in der Oberseite der Brennkammer (wie gezeigt) montiert sein. Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzung 66 über ein Kraftstoffsystem (nicht gezeigt) zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoffleitung enthält. Bei einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 alternativ oder zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzung aufweisen, die im Ansaugkrümmer 44 in einer Konfiguration angeordnet ist, die das bereitstellt, was als Ansaugrohreinspritzung von Kraftstoff in den Ansaugkanal stromaufwärts der Brennkammer 30 bekannt ist.
Der Ansaugkanal 42 kann eine Drossel 62 mit einer Drosselklappe 64 umfassen. In diesem besonderen Beispiel kann die Position der Drosselklappe 64 durch die Steuerung 12 über ein Signal, das einem Elektromotor oder Aktor, der in der Drossel 62 integriert ist, bereitgestellt wird, verändert werden, eine Konfiguration, die im Allgemeinen 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 Steuerung 12 durch ein Drosselpositionssignal TP bereitgestellt werden. Der Luftansaugkanal 42 kann den Ansauglufttemperatur(IAT)-Sensor 125 und den Barometerdruck(BP)-Sensor 128 beinhalten. Der IAT-Sensor 125 schätzt die Temperatur der Ansaugluft, die beim Motorbetrieb zu verwenden ist, und stellt der Steuerung 12 ein Signal bereit. In ähnlicher Weise schätzt der BP-Sensor 128 den Umgebungsdruck für den Motorbetrieb und stellt der Steuerung 12 ein Signal bereit. Der Ansaugkanal 42 kann ferner einen Luftmassenstromsensor 120 und einen Krümmerluftdrucksensor 122 zum Bereitstellen der jeweiligen MAF- und MAP-Signale an die Steuerung 12 beinhalten.
Ein Abgassensor 126 ist mit dem Abgaskanal 48 stromaufwärts einer Emissionssteuervorrichtung 70 gekoppelt gezeigt. Der Sensor 126 kann jeder geeignete Sensor zum Bereitstellen einer Angabe eines Abgasluft-Kraftstoff-Verhältnisses (AFR) sein, wie zum Beispiel ein linearer Sauerstoffsensor (Lambda-Sonde) oder UEGO (Universal- oder Weitbereich-Abgas-Sauerstoff), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor (oder Zweizustands-Lambda-Sonde) oder EGO, eine HEGO (beheizter EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. Eine detaillierte Ausführungsform des Sauerstoffsensors (UEGO-Sensor) ist unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Ein Sauerstoffsensor kann verwendet werden, um das AFR für sowohl Ansauggas als auch Abgas zu schätzen. Auf Grundlage der AFR-Schätzung können Motorbetriebsparameter, z. B. Kraftstoffversorgung, reguliert werden. Zusätzlich kann durch Verwendung der AFR-Schätzung im Abgas eine Betriebsleistung einer Emissionssteuervorrichtung verbessert werden.
Um den Motorbetrieb zu verbessern, ist es wünschenswert, das Auftreten jeglicher Funktionsminderung im Sauerstoffsensor verringern zu können. In einem Beispiel können aufgrund des Betriebs des Sauerstoffsensors bei höheren Spannungen (wie etwa im Überpotentialbereich des Sensors) elektrische Ströme über einem Schwellenwert erzeugt werden, die weißes Zirkonoxid, das in den Sensorzellen vorhanden ist, teilweise elektrolysieren können, um ein dunkleres Material, Zirkoniumoxid, zu bilden, wodurch eine Funktionsminderung im Sensor verursacht wird. Dieses Phänomen kann als Schwarzfärbung der UEGO-Zellen bezeichnet werden. Um das Auftreten der Schwarzfärbung während Bedingungen, wenn ein UEGO-Abgassensor in einem Modus mit variabler Spannung betrieben wird, zu verringern, kann die Temperatur des UEGO-Sensors vor dem Anheben der UEGO-Sensorspannung von einer niedrigeren Spannung zu einer oberen Spannung gesenkt werden. Durch Verringerung der Sensortemperatur kann eine Begrenzung des Überpotentialbereichs in Richtung zu einer höheren absoluten Spannung verschoben werden. Ein detailliertes Verfahren zur Verringerung des Auftretens einer Funktionsminderung des Abgassensors aufgrund einer Schwarzfärbung eines Elements wird unter Bezugnahme auf 3–5 erläutert.
Die Emissionssteuervorrichtung 70 ist entlang des Abgaskanals 48 stromabwärts des Abgassensors 126 angeordnet gezeigt. Bei der Vorrichtung 70 kann es sich um einen Dreiwegekatalysator (TWC), eine NOx-Falle, diverse andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen daraus handeln. In manchen Ausführungsformen kann die Emissionssteuervorrichtung 70 während des Betriebs des Motors 10 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors mit einem bestimmten Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben wird.
Ferner kann ein System 140 zur Abgasrückführung (AGR) einen gewünschten Anteil des Abgases über einen AGR-Kanal 142 aus dem Abgaskanal 48 in den Ansaugkrümmer 44 leiten. Die dem Ansaugkrümmer 44 bereitgestellte Menge der AGR kann durch die Steuerung 12 über ein AGR-Ventil 144 variiert werden. Ferner kann ein AGR-Sensor 146 innerhalb des AGR-Kanals 142 angeordnet sein und kann eine Anzeige von einem oder mehr aus Druck, Temperatur und Konzentration von Bestandteilen des Abgases bereitstellen. Ein linearer Sauerstoffsensor 172 kann am Ansaugkanal angeordnet sein, stromabwärts der Ansaugdrossel, um die AGR-Regulierung zu erleichtern. Unter einigen Bedingungen kann das AGR-System 140 auch verwendet werden, um die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer zu regulieren, wodurch ein Verfahren zum Steuern des Zeitpunkts der Zündung in einigen Verbrennungsmodi bereitgestellt wird. Ferner kann unter einigen Bedingungen ein Teil der Verbrennungsgase durch Steuern der Ansteuerung des Abgasventils, wie etwa durch Steuern eines variablen Ventilansteuerungsmechanismus, in der Brennkammer zurückgehalten oder eingefangen werden.
Die Steuerung 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer gezeigt, mit einer Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Anschlüssen 104, einem elektronischen Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, gezeigt als ein Nurlese-Speicherchip 106 in diesem besonderen Beispiel, einem Random-Access-Speicher 108, einem Lebenserhaltungsspeicher 110 und einem Datenbus. Die Steuerung 12 kann verschiedene Signale von Sensoren, die mit dem Motor 10 verbunden sind, zusätzlich zu den vorher diskutierten Signalen, empfangen, umfassend Messung eines oder mehrerer von Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Feuchtigkeit von Sauerstoffsensoren 126 und 172, eingespeister Luftmassenstrom (MAF) von dem Luftmassenstromsensor 120; eine Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem Temperatursensor 112, der mit einer Kühlhülse 114 gekoppelt ist; ein Zündungsprofilaufnahmesignal (PIP) von einem Halleffektsensor 118 (oder anderer Art), der mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt ist; eine Drosselposition (TP) von einem Drosselpositionssensor; und ein Absolutkrümmerdrucksignal, MAP, vom Sensor 122. Ein Motordrehzahlsignal, RPM, kann von der Steuerung 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Anzeige eines Vakuums oder Drucks in dem Ansaugkrümmer bereitzustellen. Es sei angemerkt, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Während eines stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor einen Hinweis auf das Motordrehmoment geben. Ferner kann dieser Sensor, zusammen mit der erfassten Motordrehzahl, eine Schätzung der in den Zylinder eingespeisten Ladung (einschließlich Luft) bereitstellen. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als ein Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen.
Das Speichermedium Nurlese-Speicher 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert werden, die nicht flüchtige Anweisungen darstellen, die vom Prozessor 102 ausführbar sind, um die oben beschriebenen Verfahren wie auch andere Varianten, die vorstellbar aber nicht ausdrücklich aufgeführt sind, durchzuführen. Wie vorstehend beschrieben zeigt 1 einen Zylinder eines Mehrzylindermotors und jeder Zylinder kann gleichermaßen seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Kraftstoffeinspritzungen, Zündkerzen etc. beinhalten.
Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren der 1 und nutzt die verschiedenen Aktoren der 1, um den Motorbetrieb auf Grundlage der empfangenen Signale und Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung 12 gespeichert sind, einzustellen. In einem Beispiel kann die Steuerung 12 Eingaben von den Sauerstoffsensoren 126 und 172 bezüglich der Betriebstemperatur und der Spannung der Sensoren empfangen. Während eines Übergangs von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Betriebsspannung des Sauerstoffsensors kann die Steuerung 12 ein Signal an eine Heizvorrichtung (Heizelement), die mit dem Sauerstoffsensor gekoppelt ist, senden, um die von der Heizvorrichtung erzeugte Wärme zu verringern, um die Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors zu senken. Zum Beispiel kann eine Ausgabe der Sensorheizvorrichtung (z. B. Spannungs- oder Stromausgabe der Heizvorrichtung) verringert werden.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abgas-Sauerstoffsensors, wie der UEGO-Sensor 200, der konfiguriert ist, um eine Konzentration von Sauerstoff (O₂) in einem Abgasstrom während der Kraftstoffversorgung zu messen. In einem Beispiel ist der UEGO-Sensor 200 eine Ausführungsform des UEGO-Sensors 126 der 1. Man wird jedoch verstehen, dass der Sensor der 2 alternativ einen Ansaug-Sauerstoffsensor darstellen kann, wie der Sensor 172 der 1.
Der Sensor 200 umfasst eine Vielzahl von Schichten aus einem oder mehreren Keramikmaterialien, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. In der Ausführungsform der 2 sind fünf Keramikschichten (Elemente) als Schichten 201, 202, 203, 204 und 205 dargestellt. Diese Schichten beinhalten eine oder mehrere Schichten eines festen Elektrolyts, der ionischen Sauerstoff leiten kann. In manchen Ausführungsformen, wie die in 2 gezeigte, kann außerdem eine Heizvorrichtung 207 in thermischer Verbindung mit den Schichten angeordnet sein. Die Temperatureinstellung der Heizvorrichtung kann eingestellt werden, um die Betriebstemperatur des Sensors zu verändern. Während der dargestellte UEGO-Sensor 200 aus fünf Keramikschichten gebildet ist, wird man verstehen, dass der UEGO-Sensor eine andere geeignete Anzahl von Keramikschichten beinhalten kann.
Beispiele geeigneter fester Elektrolyte beinhalten Materialien auf Basis von Zirkoniumoxid (auch bekannt als Zirkonoxid ZrO₂). ZrO₂ hat üblicherweise eine weiße Farbe. Bei Nutzung bei höheren Spannungen (in dem Überpotentialbereich) können die zwei Sauerstoffatome von dem ZrO₂, entfernt werden, wodurch das weiße ZrO₂ zu einem dunkelfarbigen metallischen Zirkonium (Zr) verändert wird, was eine Schwarzfärbung des entsprechenden Elements verursacht. Andere Gründe für die auftretende Schwarzfärbung können u. a. hohe Betriebstemperatur, niedrige Luft- und Sauerstoffbedingungen beinhalten. Das neu geformte Zr weist nicht nur eine ionische Leitfähigkeit auf, sondern ist auch zu elektronischer Leitfähigkeit in der Lage. Die elektronische Leitfähigkeit kann proportional zum Ausmaß der Schwarzfärbung ansteigen, was die Genauigkeit der Sensormessungen beeinträchtigt.
Die Schicht 202 beinhaltet ein poröses Material oder poröse Materialien, die einen Diffusionsweg 210 erzeugen. Der Diffusionsweg 210 ist konfiguriert, um Abgase mittels Diffusion in einen ersten Innenhohlraum (auch als Gaserfassungshohlraum bezeichnet) 222 einzuleiten. Der Diffusionsweg 210 kann konfiguriert sein, um einer oder mehreren Komponenten des Abgases, einschließlich u. a eines gewünschten Analyts (z. B. O₂) zu ermöglichen, in den Innenhohlraum 222 zu diffundieren, mit einer stärker eingeschränkten Rate als der, mit der der Analyt durch Pumpelektrodenpaare 212 und 214 hinein- und herausgepumpt werden kann. Auf diese Weise kann ein stöchiometrisches Niveau von O₂ in dem ersten Innenhohlraum 222 erhalten werden.
Der Sensor 200 beinhaltet ferner einen zweiten Innenhohlraum 224 innerhalb der Schicht 204 und durch die Schicht 203 von dem ersten Innenhohlraum 222 getrennt. Der zweite Innenhohlraum 224 ist konfiguriert, um einen konstanten Sauerstoffteildruck, gleich einer stöchiometrischen Bedingung, aufrechtzuerhalten, z. B. ist ein in dem zweiten Innenhohlraum 224 vorhandenes Sauerstoffniveau gleich dem, das das Abgas aufweisen würde, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch wäre. Die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenhohlraum 224 wird durch die Pumpspannung V_cp konstant gehalten. Hierbei kann der zweite Innenhohlraum 224 als eine Referenzzelle bezeichnet werden.
Ein Paar von Messelektroden 216 und 218 ist in Verbindung mit dem ersten Innenhohlraum 222 und der Referenzzelle 224 angeordnet. Das Messelektrodenpaar 216 und 218 erfasst einen Konzentrationsgradienten, der sich aufgrund einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, die höher oder niedriger als das stöchiometrische Niveau ist, zwischen dem ersten Innenhohlraum 222 und der Referenzzelle 224 entwickeln kann. Eine hohe Sauerstoffkonzentration kann durch ein mageres Ansaugluft- oder Abgasgemisch verursacht werden, während eine niedrige Sauerstoffkonzentration durch ein fettes Gemisch verursacht werden kann.
Das Paar von Pumpelektroden 212 und 214 ist in Verbindung mit dem Innenhohlraum 222 angeordnet und ist konfiguriert, um einen ausgewählten Gasbestandteil (z. B. O₂) elektrochemisch vom Innenhohlraum 222 durch die Schicht 201 und aus dem Sensor 200 zu pumpen. Alternativ 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. Hierin kann die Elektrolytschicht 201 zusammen mit dem Pumpelektrodenpaar 212 und 214 als eine O₂-Pumpzelle bezeichnet werden. Außerdem kann die Elektrolytschicht 203 zusammen mit dem Elektrodenpaar 216 und 218 als eine Nernst-Zelle (auch bekannt als Messzelle) bezeichnet werden. Die Elektroden 212, 214, 216 und 218 können aus verschiedenen geeigneten Materialen gefertigt sein. In einigen Ausführungsformen können die Elektroden 212, 214, 216 und 218 zumindest teilweise aus einem Material gefertigt sein, das die Spaltung des molekularen Sauerstoffs katalysiert. Beispiele solcher Materialen beinhalten u. a. Elektroden, die Platin und/oder Gold enthalten.
Die Messzelle (Nernst-Zelle) kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenhohlraum (Gaserfassungshohlraum) 222 passiv messen. Die Pumpzelle kann die Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum 222 auf Grundlage einer Rückmeldung von der Messzelle einstellen. Eine externe Vergleichsschaltung kann die von der Messzelle erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung V_p vergleichen. In einem Beispiel kann die Referenzspannung V_p unter normalen Betriebsbedingungen 450 mV betragen. Die Spannung an die Pumpzelle kann proportional zur Spannung an der Nernst-Zelle sein. Somit kann die von der Nernst-Zelle erzeugte Spannung zu diesem Zeitpunkt ungefähr 450 mV betragen, wobei eine Elektrode der Luft ausgesetzt ist (mit ~20 % Sauerstoffkonzentration) und die andere Elektrode einer niedrigen Sauerstoffkonzentration (~10 ppm Sauerstoff) ausgesetzt ist. Diese Sauerstoffkonzentration (~10 ppm) kann der Stöchiometrie entsprechen. Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum 222 aufgrund von Reduktionsmitteln, wie Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff, geringer als die Sauerstoffkonzentration, die der Stöchiometrie (~10 ppm) entspricht, ist, kann die Vergleichsschaltung ein Signal an die Pumpzelle senden, um Sauerstoff vom Auslass in den Hohlraum 222 zu pumpen. Der Sauerstoff reagiert mit den Reduktionsmitteln, wodurch das Sauerstoffkonzentrationsniveau steigt, bis das Niveau die Sauerstoffkonzentration erreicht, die der Stöchiometrie entspricht (~10 ppm), wie von der Messzelle (Nernst-Zelle) gemessen. Die Menge all dieser Reduktionsmittel in dem Hohlraum bestimmt, wie viel Sauerstoff durch die Pumpzelle in den Hohlraum gepumpt werden muss, um vollständig zu reagieren. Der Pumpstrom I_p ist direkt proportional zu der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle. Die gepumpte Sauerstoffmenge ist gerade ausreichend, um vollständig mit all den Reduktionsmitteln zu reagieren. Der Sensor kann verschiedene Techniken einsetzen, um die Konzentration von Reduktionsmitteln zu bestimmen. In einem Beispiel kann der Pumpstrom, der proportional zu der Sauerstoffkonzentration in der Pumpzelle ist, verwendet werden, um die Reduktionsmittelkonzentration zu schätzen.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum höher als die Sauerstoffkonzentration, die der Stöchiometrie entspricht (~10 ppm), ist, kann ein umgekehrtes Verfahren stattfinden. Die Messzelle kann eine Spannung unterhalb der Referenzspannung V_p (450 mV) messen und die Vergleichsschaltung kann ein Signal an die Pumpzelle senden, um Sauerstoff aus dem Hohlraum zu pumpen, indem ein Pumpstrom I_p in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird. Der Pumpstrom I_p ist direkt proportional zu der Sauerstoffmenge, die aus der Zelle gepumpt wird, welche wiederum direkt proportional zu der Sauerstoffmenge, die in den Hohlraum 222 diffundiert, ist. Diese Sauerstoffmenge kann direkt proportional zu der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas sein. Während ausgewählter Bedingungen kann der Sauerstoffsensor, wenn er als ein Abgas-Sauerstoffsensor enthalten ist, mit variabler Spannung betrieben werden, wie etwa zur Erfassung eines Alkoholgehalts des im Motor verbrannten Kraftstoffs, zur Feuchtigkeitsschätzung, Wassererfassung, Einzelteil- und Sensoralterungskorrektur, Abgasdruckerfassung, usw. Als weiteres Beispiel kann der Sensor, wenn er als ein Ansauggas-Sauerstoffsensor enthalten ist, während ausgewählter Bedingungen in einem Modus mit variabler Spannung betrieben werden, um die Ansaugluftfeuchtigkeit zu messen, die Menge an Wasser, die von einem Wassereinspritzsystem eingespritzt wird, zu messen, die Zusammensetzung der Waschflüssigkeitseinspritzung und Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen, und zur Drehmomentsteuerung auf Grundlage der Menge an Kohlenwasserstoffen, Feuchtigkeit, Sauerstoff und in den Motor eintretende AGR.
Während des Betriebs des Sensors mit variabler Spannung kann eine höhere Spannung an der Nernst-Zelle erwünscht sein, und dementsprechend kann die Pumpzellenspannung von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Spannung erhöht werden, um die höhere Spannung der Nernst-Zelle zu erreichen. In einem Beispiel kann die niedrigere Betriebsspannung V1, die während des Betriebs mit variabler Spannung genutzt wird, 450 mV betragen, und die höhere Betriebsspannung Vh, die während des Betriebs mit variabler Spannung genutzt werden kann, kann 1 V betragen. Als solches besteht ein direktes Verhältnis zwischen der Spannung der Nernst-Zelle und der Pumpzellenspannung und sie sind proportional zueinander. Die Pumpzellenspannung ist die Spannung, die über der Pumpzelle angelegt ist, um eine gewünschte gemessene Spannung der Nernst-Zelle zu erreichen. Wenn es also eine Anweisung gibt, dass sich die Spannung der Nernst-Zelle von einer niedrigen Spannung (Vs) zu einer hohen Spannung während des Betriebs mit variabler Spannung ändern soll, ändert sich auch die Pumpzellenspannung von der niedrigeren zur höheren Spannung, um dies zu erreichen. Wenn somit die Nernst-Zelle bei 450 mV betrieben wird, wird die Pumpzelle ebenfalls ungefähr 450 mV aufweisen, und wenn gewünscht ist, dass die Spannung der Nernst-Zelle zum Beispiel bei ungefähr 1 V liegt, dann liegt auch die Pumpspannung bei ungefähr 1 V.
Während des Betriebs mit variabler Spannung kann ein elektrischer Strom höher als der Schwellenwert erzeugt werden, wenn die höhere Spannung angelegt wird, falls die angelegte Spannung im Überpotentialbereich liegt. Dieser elektrische Strom über dem Schwellenwert kann zu einer Umwandlung des Zirkoniumoxids, das in einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle vorhanden ist, in metallisches Zirkonium führen, das sich auf den Elektroden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle ansammeln kann. Eine solche Ansammlung von metallischem Zirkonium kann zu einer Schwarzfärbung der Sensorzellen führen, was die Leistung des Sensors beeinträchtigen kann.
Um das Auftreten einer solchen Schwarzfärbung während des Betriebs eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung zu verringern, kann eine Steuerung eine Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors (z. B. von einer ersten/aktuellen Temperatur zu einer zweiten, niedrigeren Temperatur) vor einem Übergang von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Betriebsspannung verringern. Die Erfinder dieser Offenbarung haben erkannt, dass die Spannung, mit der die Nernst-Zelle oder die Pumpzelle in den Überpotentialbereich eintritt, steigt, wenn die Betriebstemperatur des Sensors verringert wird. Mit anderen Worten ist ein größerer Bereich von Betriebsspannungen für den Betrieb des Sauerstoffsensors mit variabler Spannung bei geringeren Betriebstemperaturen verfügbar (bevor Probleme bezüglich der Schwarzfärbung des Sensors auftreten). Somit kann durch Verringern der Betriebstemperatur des Sensors die obere Spannung, jenseits welcher der Sensor schwarzgefärbt werden kann, erhöht werden. Somit erhöht dies die Sensorgenauigkeit und -zuverlässigkeit und verringert eine Funktionsminderung des Sensors. In einem Beispiel kann die Betriebstemperatur gesenkt werden, indem die Ausgabe eines Sensorheizelements verringert wird. Alternativ kann die Betriebstemperatur gesenkt werden, indem die Temperatur des Abgases, das den Sensor erreicht, verringert wird.
Man wird verstehen, dass der hierin beschriebene Sauerstoffsensor lediglich ein Ausführungsbeispiel eines UEGO-Sensors ist und dass andere Ausführungsformen von Ansaug- oder Abgas-Sauerstoffsensoren zusätzliche und/oder alternative Merkmale und/oder Konstruktionen aufweisen können.
Auf diese Art und Weise ermöglicht das System der 1 und 2 ein Motorsystem, das umfasst: einen Motor mit einem Auslass; eine Kraftstoffeinspritzung zum Zuführen von Kraftstoff zu einem Motorzylinder; einen Sauerstoffsensor, der mit dem Auslass gekoppelt ist, wobei der Sauerstoffsensor eine Heizvorrichtung, eine Pumpzelle und eine Nernst-Zelle beinhaltet; und eine Steuerung. Die Steuerung kann mit computerlesbaren Anweisungen, die auf nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, konfiguriert sein zum: Anlegen einer ersten niedrigeren Spannung an die Pumpzelle; nach dem Anlegen, Einstellen einer Temperatureinstellung der Heizvorrichtung, um eine Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle zu senken; nach dem Einstellen, Erhöhen einer Pumpzellenspannung von der ersten Spannung auf eine zweite Spannung; auf Grundlage einer Änderung des Stroms der Pumpzelle bei der zweiten Spannung bezüglich der ersten Spannung, Schätzen eines Sauerstoffgehalts des Abgases; und Einstellen der Motorkraftstoffversorgung als Reaktion auf den geschätzten Sauerstoffgehalt. Das System kann ferner einen Temperatursensor zum Schätzen einer Umgebungstemperatur umfassen, wobei die Steuerung ferner Anweisungen beinhaltet zum: Senken der Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle auf Grundlage der Umgebungstemperatur, wobei die Temperatureinstellung der Heizvorrichtung auf eine höhere Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle eingestellt wird, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Zusätzlich oder optional kann die Steuerung ferner Anweisungen beinhalten zum: Erhöhen der Pumpzellenspannung von der ersten Spannung zur zweiten Spannung mit einer höheren Rampenrate, wenn die zweite Spannung höher ist, und mit einer geringeren Rampenrate, wenn die zweite Spannung niedriger ist.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren 300 zum Verringern des Auftretens einer Schwarzfärbung in Elementen der Breitbandsonde für Sauerstoff (UEGO-Sensor) durch Einstellen einer Betriebstemperatur der Sensorzellen während eines Betriebs mit variabler Spannung. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 300 und der übrigen der hierin enthaltenen Verfahren können durch eine Steuerung auf Grundlage von in einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Motorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa von den zuvor in Bezug auf 1 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Motoraktoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren einzustellen. Der Sauerstoffsensor kann einer von einem Ansaug-Sauerstoffsensor, der mit einem Ansaugkanal stromabwärts einer Ansaugdrossel (und stromaufwärts eines AGR-Ventils) gekoppelt ist, und einem Abgas-Sauerstoffsensor, der mit einem Abgaskanal stromaufwärts eines Abgaskatalysators gekoppelt ist, sein. Das Verfahren ermöglicht Verringerung des Auftretens von Schwarzfärbung eines Sauerstoffsensorelements, insbesondere während eines Betriebs eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung, durch Verringern einer Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur vor einem Übergang von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Betriebsspannung. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 300 können durch eine Steuerung auf Grundlage von in einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit von Sensoren des Motorsystems empfangenen Signalen ausgeführt werden, wie etwa von den zuvor in Bezug auf 1 und 2 beschriebenen Sensoren. Die Steuerung kann Motoraktoren des Motorsystems einsetzen, um den Motorbetrieb gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren einzustellen.
Bei 302 kann eine erste niedrigere (nominale) Spannung (Vi) über der Pumpzelle angelegt werden. In einem Beispiel kann die niedrigere Spannung 450 mV betragen. Dementsprechend kann die Spannung an der Nernst-Zelle den ersten niedrigeren Spannungswert erreichen. In einem Beispiel kann die erste niedrigere Spannung eine Standardspannung sein, die am Sensor angelegt wird, wann immer der Sensor zur Sauerstoffgehaltschätzung betrieben wird.
Bei 304 beinhaltet die Routine Bestimmen, ob ein Anstieg der Spannung (zu einer höheren Betriebsspannung) an der Nernst-Zelle erwünscht ist. In einem Beispiel kann ein Anstieg der Spannung als Reaktion auf eine Angabe, dass der Sensor in einem Modus mit variabler Spannung zu betreiben ist, erwünscht sein, wie etwa für eine Kraftstoffalkoholgehaltschätzung. Außerdem kann die Anforderung nach einem Betrieb des Sauerstoffsensors mit variabler Spannung eine Reaktion auf eine Anforderung nach einer oder mehreren einer Schätzung eines Alkoholgehalts des im Motor verbrannten Motors, einer Schätzung der Umgebungsfeuchtigkeit einer angesaugten Luftladung und einer Schätzung eines Sauerstoffgehalts der angesaugten Luftladung oder eines Abgases sein. Als noch weitere Beispiele kann ein Abgas-Sauerstoffsensor mit variabler Spannung betrieben werden, zur Erfassung eines Alkoholgehalts des im Motor verbrannten Kraftstoffs, Feuchtigkeitsschätzung, Wassererfassung, Einzelteil- und Sensoralterungskorrektur, Abgasdruckerfassung, während ein Ansauggas-Sauerstoffsensor in einem Modus mit variabler Spannung betrieben werden kann, um die Feuchtigkeit der Ansaugluft zu messen, die Menge an Wasser, die durch ein Wassereinspritzsystem eingespritzt wird, zu messen, eine Waschmitteleinspritzungszusammensetzung zu bestimmen, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, und zur Drehmomentsteuerung auf Grundlage der Menge an Kohlenwasserstoffen, Feuchtigkeit, Sauerstoff und AGR , die in den Motor eintritt. Wenn bei 306 bestimmt wird, dass ein Anstieg der Spannung der Nernst-Zelle nicht erwünscht ist, kann die Pumpzellenspannung auf einem niedrigeren Spannungsniveau (Vi) gehalten werden. Folglich kann auch die Spannung der Nernst-Zelle weiterhin auf dem niedrigeren Wert sein.
Wenn bei 308 bestimmt wird, dass eine höhere Betriebsspannung an der Nernst-Zelle erwünscht ist, kann die Steuerung die gewünschte Spannung (Vh) an der Nernst-Zelle auf Grundlage der Motorbetriebsbedingungen und Abgassauerstoffniveaus bestimmen. In einem Beispiel ist die gewünschte Spannung 1 V. Außerdem kann eine aktuelle Betriebstemperatur des Sensors (einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle) bestimmt werden. In einem Beispiel kann die Betriebstemperatur des Sensors von den Einstellungen eines Sensorheizelements (wie die Heizvorrichtung 207 in 2) und Umgebungsbedingungen abgeleitet werden. Bei einem weiteren Beispiel kann die Betriebstemperatur des Sensors auf Grundlage der Temperatur des Abgases, das durch den Sensor strömt, bestimmt werden.
Bei 310 beinhaltet die Routine Bestimmen, ob die gewünschte höhere Spannung (Vh) höher als eine Schwellenwertspannung ist. Die Schwellenwertspannung kann einer unteren Begrenzung eines Überpotentialbereichs entsprechen. Insbesondere kann die Schwellenwertspannung eine Spannung sein, bei der eine Anstiegsrate der Pumpzellenspannung für eine gegebene Änderung des Pumpzellenstroms höher als ein Schwellenwert ist. Wenn die UEGO-Zellen mit einer Spannung innerhalb des Überpotentialbereichs betrieben werden, kann ein elektrischer Strom höher als ein Schwellenwert erzeugt werden, was zu einer Elektrolyse des in den Zellen vorhandenen Zirkoniumoxids führen kann, was eine Schwarzfärbung des Sensors verursacht. Somit kann die Betriebsspannung an jeder der UEGO-Zellen unter dem Überpotentialbereich gehalten werden, um das Auftreten von Schwarzfärbung in einem UEGO-Sensor zu verringern. Während eines Übergangs zu der höheren Spannung kann jedoch die tatsächliche Spannung überschießen und unbeabsichtigt in dem Überpotentialbereich landen. Als solches kann die Begrenzung des Überpotentialbereichs von der Betriebstemperatur des Sensors abhängen. Bei niedrigeren Betriebstemperaturen kann die Begrenzung des Überpotentialbereichs bei einer höheren absoluten Spannung liegen, wodurch der Bereich der verfügbaren Betriebsspannungen für den Sensor, bevor eine Schwarzfärbung auftreten kann, vergrößert wird.
Wenn bestimmt wird, dass die gewünschte höhere Spannung (Vh) höher als die Schwellenwertspannung ist (für die aktuellen Betriebsbedingungen, einschließlich der aktuellen Betriebstemperatur), kann daraus geschlossen werden, dass ein Anstieg der Pumpzellenspannung auf Vh jede der Pumpzelle und der Nernst-Zelle veranlassen kann, innerhalb des Überpotentialbereichs mit einem höheren Risiko des Auftretens von Schwarzfärbung zu arbeiten. Um die Begrenzung des Überpotentialbereichs bei 312 zu einer höheren absoluten Spannung zu verschieben, kann die Betriebstemperatur des UEGO-Sensors gesenkt werden. Verringern der Betriebstemperatur des Sensors beinhaltet Verringern der Betriebstemperatur jeder einer Pumpzelle und einer Nernst-Zelle des Sauerstoffsensors. Das Ausmaß der Verringerung der UEGO-Temperatur kann auf Grundlage von Parametern, wie etwa einer aktuellen Temperatur des Sensors und einer Differenz zwischen der gewünschten höheren Spannung und der temperaturmodifizierten Begrenzung der Überpotentialspannung, bestimmt werden.
In einem Beispiel kann die Temperatur von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur gesenkt werden. Die zweite Temperatur wird in Abhängigkeit von der ersten Temperatur und einer Differenz zwischen der höheren Betriebsspannung und einer Schwellenwertspannung eingestellt. Insbesondere kann die zweite Temperatur verringert werden, wenn die Differenz zwischen der höheren Betriebstemperatur und der Schwellenwertspannung größer wird. Ferner kann die zweite Temperatur erhöht werden, wenn die erste Temperatur steigt. Die zweite Temperatur kann ferner auf Grundlage der Umgebungstemperatur eingestellt werden, wobei die zweite Temperatur in Richtung zur ersten Temperatur gesteigert wird, wenn die Umgebungstemperatur steigt. Wie hierin dargelegt, kann eine Rampenrate von der niedrigeren Betriebsspannung zur höheren Betriebsspannung erhöht werden, wenn die zweite Temperatur erhöht wird.
Die Verringerung der UEGO-Temperatur kann durchgeführt werden, indem die Einstellungen des Heizelements, das mit dem UEGO-Sensor gekoppelt ist, eingestellt werden, so dass die Heizvorrichtung weniger Wärme erzeugt. Zum Beispiel kann das Verringern der Betriebstemperatur Einstellen einer Ausgabe eines Heizelements des Sauerstoffsensors beinhalten, um die während des Sensorbetriebs erzeugte Wärme zu begrenzen, wobei die Ausgabe eines von einem Heizvorrichtungsstrom und einer Heizvorrichtungsspannung beinhaltet. In einem Beispiel kann die Steuerung ein Signal an das Thermostat der Heizvorrichtung senden, um die Temperatureinstellungen des Heizelements zu verändern. Bei einem anderen Beispiel kann die Steuerung ein Signal an die Heizvorrichtung senden, um eine Ausgabe (Strom oder Spannung) des Heizelements zu verringern.
Zum Beispiel kann die Steuerung bestimmen, dass ein Steuersignal an den Aktor des Sensorelements gesendet wird, wie etwa die Pulsbreite des Signals, die auf Grundlage einer Bestimmung der Differenz zwischen der gewünschten höheren Spannung und der temperaturmodifizierten Begrenzung der Überpotentialspannung bestimmt wird. Die gewünschte höhere Spannung kann auf der Art der vom Sensor angeforderten Erfassung basieren, während die temperaturmodifizierte Begrenzung auf einer Karte oder einem Modell basieren kann, wie unter Bezugnahme auf die Karte der 4 herausgearbeitet wird. Die Steuerung kann die Pulsbreite durch eine Bestimmung, die die vorhergesagte oder modellhafte Änderung der oberen Spannung berücksichtigt, bestimmen, wie etwa Erhöhen der Pulsbreite, wenn die vorhergesagte Differenz größer wird. Die Steuerung kann alternativ die Pulsbreite auf Grundlage einer Berechnung unter Verwendung einer Nachschlagtabelle bestimmen, wobei die Eingabe die gewünschte obere Spannung oder die gewünschte Änderung der oberen Spannung (für Betrieb des Sensors mit variabler Spannung) und die Ausgabe die Pulsbreite ist.
Sobald die Betriebstemperatur des UEGO-Sensors bei 314 gesenkt wurde, kann die Routine ein Bestimmen beinhalten, ob die gewünschte höhere Betriebsspannung (Vh) außerhalb der temperaturmodifizierten Begrenzung des Überpotentialbereichs liegt. Wenn bei 316 bestätigt wird, dass die modifizierte Begrenzung für den Überpotentialbereich höher als Vh ist, kann die gewünschte höhere Spannung (Vh) an der Pumpzelle angelegt werden, und dementsprechend kann auch die Spannung der Nernst-Zelle auf Vh ansteigen. Außerdem kann die Routine direkt zu 316 weitergehen, wenn bei 310 bestimmt wird, dass die gewünschte Spannung Vh geringer als die Begrenzung des Überpotentialbereichs ist (ohne dass eine Temperaturänderung nötig ist), wobei die Betriebsspannung der Pumpzelle direkt auf Vh erhöht werden kann, ohne eine Änderung der Betriebstemperatur. Da die gewünschte höhere Spannung niedriger als die Begrenzung des Überpotentialbereichs ist, kann eine höhere Rampenrate verwendet werden, um Vh zu erreichen, ohne ein erhöhtes Risiko des Spannungsüberschießens in den Überpotentialbereich während des Übergangs. Insbesondere beinhaltet die Routine nach Verringern der Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors (z. B. von der ersten zur zweiten Temperatur) einen Übergang des Sensors von der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung mit einer Rampenrate, wobei die Rampenrate in Abhängigkeit von der zweiten Temperatur im Verhältnis zur ersten Temperatur bestimmt wird. Zum Beispiel kann die Rampenrate verringert werden, wenn eine Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur kleiner wird (d. h. eine langsamere Rate für eine kleinere Spannungsänderung von der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung und eine schnellere Rate für eine größere Spannungsänderung von der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung). Durch Verwendung einer höheren Rampenrate kann Vh innerhalb einer kürzeren Zeit erreicht werden, was die Genauigkeit des Betriebs des UEGO-Sensors erhöhen kann.
Wenn jedoch bei 314 bestimmt wird, dass die gewünschte höhere Spannung (Vh) sogar nach Absenken der Sensortemperatur innerhalb des Überpotentialbereichs liegt, kann daraus geschlossen werden, dass die gewünschte Verschiebung der Begrenzung des Überpotentialbereichs nicht durch lediglich Senken der Temperatur durchgeführt werden kann. Dies kann auftreten, wenn die Temperaturverringerung aufgrund höherer Umgebungstemperaturen oder aufgrund anderer Temperaturbeschränkungen begrenzt ist. Zum Beispiel kann sich die Sensorbetriebstemperatur an die (höhere) Umgebungstemperatur angleichen, wenn die Umgebungstemperatur höher ist, auch wenn die Sensorausgabe verringert wird, was dazu führt, dass die höhere Spannung des Sensors dem Überpotentialbereich näher kommt. Um zu verhindern, dass die UEGO-Zellen in dem Überpotentialbereich arbeiten, wird die Temperatureinstellung bei 318 auf Grundlage der Umgebungstemperatur begrenzt und die obere Spannung wird auf eine Schwellenwertspannung bei oder unter Begrenzung des Oberpotentialbereichs mit der beschränkten Temperatureinstellung begrenzt. Eine niedrigere Rampenrate kann ebenfalls verwendet werden, um die Schwellenwertspannung zu erreichen, um die Möglichkeit des Spannungsüberschießens in den Überpotentialbereich zu verringern.
Nach dem Übergang zur höheren Spannung bei 316 und 318 kann die Steuerung eine Angabe des Abgas-Sauerstoffgehalts oder Kraftstoffalkoholgehalts (wie auf Grundlage des Anlasses für den Betriebsmodus mit variabler Spannung bestimmt) erzeugen, wobei die Angabe auf einer Änderung des Pumpstroms des Sauerstoffsensors während des Betriebs mit variabler Spannung basiert. Ferner kann die Steuerung einen Motorbetriebsparameter, einschließlich der Zylinderkraftstoffversorgung, auf Grundlage der Angabe einstellen.
Die Karte 400 der 4 zeigt eine beispielhafte Änderung der unteren Begrenzung eines Überpotentialbereichs eines Sauerstoffsensors bei Änderung der Betriebstemperatur. Die Karte zeigt einen Pumpzellen-Pumpstrom entlang der Y-Achse (Ip) und die Pumpzellen-Pumpspannung entlang der X-Achse (Vp). Beispielhafte Kurven der Spannungsänderung bei einer Stromänderung für einen Bereich der Temperaturen T1 bis T6 (hierin als ein Beispiel variierend von 950 ° bis 580 °) sind durch Kurven 402–412 gezeigt, die Linien mit verschiedenen Mustern (durchgehend, gestrichelt, usw.) aufweisen.
Der Überpotentialbereich ist als der Bereich definiert, bei dem die Spannung beginnt, beim Anlegen eines gegebenen Stroms hochzuschnellen. Unter Bezugnahme auf die Kurve 402 (kalibriert für eine erste Temperatur T1, wie etwa 950 °) beginnt der Überpotentialbereich zum Beispiel bei oder über V1. Vor V1 ist die Spannung für einen gegebenen Ip linear, nach V1 jedoch steigt die Spannung exponentiell an. Während des Betriebs mit variabler Spannung bei T1 (z. B. 950 °), ist somit die höchste obere Spannung, die an dem Sensor anlegbar ist, auf V1 begrenzt (oder gerade darunter).
Im Vergleich dazu, unter Bezugnahme auf Kurve 412 (kalibriert für eine zweite Temperatur T2, niedriger als T1, wie etwa 580 °), beginnt der Überpotentialbereich bei oder über V2, was höher als V1 ist. Vor V2 ist die Spannung für einen gegebenen Ip linear, nach V2 jedoch steigt die Spannung exponentiell an. Während des Betriebs mit variabler Spannung bei T2 (z. B. 580 °), ist somit die höchste obere Spannung, die an dem Sensor anlegbar ist, auf V2 begrenzt (oder gerade darunter).
Durch Senken der Temperatur von T1 zu T2 wird somit der Spannungsbereich, der für den Betrieb mit variabler Spannung verfügbar ist, um ΔV vergrößert, hierin definiert als V2–V1. Als solches kann die Änderung der Temperatur nicht linear mit der Änderung des Spannungsbereichs über alle Temperaturen sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis bei manchen Temperaturen linear und bei anderen Temperaturen nicht linear sein. Ein Verhältnis zwischen der Änderung der Betriebstemperatur des Sensors bezüglich der Änderung des Spannungsbereichs (oder die höchste mögliche Spannung, bevor der Überpotentialbereich erreicht wird) kann während einer Kalibrierungsroutine erlernt und im Speicher der Steuerung als eine Nachschlagtabelle als eine Funktion von Temperatur gespeichert werden. Die Steuerung kann auf diese Karte während der Routine der 3, wie etwa bei 310 und 312, zurückgreifen.
Zurückkehrend zu 5 ist nun eine beispielhafte Karte 500 zum Einstellen des Betriebs eines Sauerstoffsensors gezeigt, um Funktionsminderung und Schwarzfärbung aufgrund von Abweichungen in den Überpotentialbereich zu verringern. Hierbei ist der Sensor ein Abgas-Sauerstoffsensor. In alternativen Beispielen kann der Sensor ein Ansaug-Sauerstoffsensor sein. Die Karte 500 zeigt Änderungen der Pumpzellenspannung des Sensors bei Kurve 502, Änderungen einer Spannung der Nernst-Zelle des Sensors bei Kurve 504, die Sensorbetriebstemperatur bei Kurve 504 und die Umgebungstemperatur bei Kurve 508. Änderungen der unteren Begrenzung eines Überpotentialbereichs der Pumpzelle sind als Strichpunktlinie 503 gezeigt, und entsprechende Änderungen der unteren Begrenzung eines Überpotentialbereichs der Nernst-Zelle sind als Strichpunktlinie 505 gezeigt. Alle Kurven sind über die Zeit entlang der X-Achse dargestellt.
Vor t1 wird der Sensor in einem Modus mit nicht variabler Spannung zur Sauerstoffgehaltschätzung betrieben. Dabei ist die Nernst-Zelle auf eine erste niedrigere Nernst-Zellenspannung Vn1 gesetzt, was zu einer entsprechenden Änderung der Spannung der Pumpzelle zu einer ersten niedrigeren Pumpzellenspannung Vp1 führt. Diese wird bis t1 aufrechterhalten und die Stromausgabe durch die Pumpzelle nach Anlegen von Vp1 wird zur Sauerstoffgehaltschätzung eines Abgases verwendet. Zwischen t1 und t1 wird der Sensor nicht betrieben.
Bei t2 geht der Sensor in einen Modus mit variabler Spannung für eine Kraftstoffalkoholgehaltschätzung über. Zu diesem Zeitpunkt ist die Sensortemperatur höher (bei T1) und die Umgebungstemperatur ist niedriger. Zwischen t2 und t3 wird die erste Spannung Vn1 an der Nernst-Zelle angelegt, was zu einer entsprechenden Änderung der Spannung der Pumpzelle zur ersten Spannung Vp1 führt. Zwischen t2 und t3 wird eine Änderung der Stromausgabe durch die Pumpzelle nach Anlegen von Vp1 erlernt (als delta Ip1).
Während des Betriebs mit variabler Spannung kann es wünschenswert sein, eine zweite, höhere Spannung Vp2 an der Pumpzelle anzulegen. Bei den aktuellen Bedingungen der Sensortemperatur würde dies jedoch dazu führen, dass die Pumpzelle sehr nahe an oder in dem Überpotentialbereich arbeiten würde, wie durch die untere Begrenzung des Überpotentialbereichs bei der Strichpunklinie 503 angezeigt. In gleicher Weise würde der Betrieb der Pumpzelle bei dieser Spannung erfordern, dass die Nernst-Zelle ebenfalls sehr nahe an oder in dem Überpotentialbereich arbeiten müsste, wie durch die untere Begrenzung des Überpotentialbereichs bei der Strichpunktlinie 505 angezeigt. Um den Grenzbereich zum Überpotentialbereich, bei t3, zu verbessern, wird eine Ausgabe einer Sensorheizvorrichtung auf unter die Sensorbetriebstemperatur eingestellt. Insbesondere kann die Sensorbetriebstemperatur aufgrund der geringeren Umgebungstemperatur und auf Grundlage der Differenz zwischen Vp1 und Vp2 von T1 zu T2 verringert werden. Als Ergebnis der Verringerung wird der Grenzbereich zum Überpotentialbereich vergrößert, so dass, wenn Vp2 an der Pumpzelle angelegt wird, ein Risiko eines Übergangs in den Überpotentialbereich verringert ist. Aufgrund des größeren Grenzbereichs gehen die Nernst-Zelle und die Pumpzelle außerdem bei t4 mit einer schnelleren Rampenrate zur höheren Spannung (Vp2 und Vn2) über.
Zwischen t4 und t5 wird die zweite Spannung Vn2 an der Nernst-Zelle angelegt, was zu einer entsprechenden Änderung der Spannung der Pumpzelle zur ersten Spannung Vp2 führt. Zwischen t4 und t5 wird eine Änderung der Stromausgabe durch die Pumpzelle nach Anlegen von Vp2 erlernt (als delta Ip2). Auf Grundlage der Differenz zwischen delta Ip1 und delta Ip2 wird ein Sauerstoffgehalt des im Motor verbrannten Kraftstoffs erlernt.
Bei t5 ist wird ein weiterer Betriebsmodus mit variabler Spannung zur Abgas-Sauerstoffgehaltschätzung angefordert. Dementsprechend geht der Sensor bei t5 in einen Modus mit variabler Spannung über, indem die Spannung der Nernst-Zelle und Pumpzelle auf die erste niedrigere Spannung (Vn1 und Vp1) verringert wird. Zusätzlich wird die Sensorausgabe eingestellt, um die Sensorbetriebstemperatur auf T1 zu erhöhen. Die Umgebungstemperatur kann sich in der Zwischenzeit erhöht haben.
Zwischen t5 und t6 wird die erste Spannung Vn1 an der Nernst-Zelle angelegt, was zu einer entsprechenden Änderung der Spannung der Pumpzelle zur ersten Spannung Vp1 führt. Zwischen t5 und t6 wird eine Änderung der Stromausgabe durch die Pumpzelle nach Anlegen von Vp1 erlernt (als delta Ip3).
Während des Betriebs mit variabler Spannung kann es wünschenswert sein, eine zweite, höhere Spannung Vp2 an der Pumpzelle anzulegen. Bei den aktuellen Bedingungen der Sensortemperatur würde dies jedoch dazu führen, dass die Pumpzelle sehr nahe an oder in dem Überpotentialbereich arbeiten würde, wie durch die untere Begrenzung des Überpotentialbereichs bei der Strichpunklinie 503 angezeigt. In gleicher Weise würde der Betrieb der Pumpzelle bei dieser Spannung erfordern, dass die Nernst-Zelle ebenfalls sehr nahe an oder in dem Überpotentialbereich arbeiten müsste, wie durch die untere Begrenzung des Überpotentialbereichs bei der Strichpunktlinie 505 angezeigt. Um den Grenzbereich zum Überpotentialbereich, bei t6, zu verbessern, wird eine Ausgabe einer Sensorheizvorrichtung auf unter die Sensorbetriebstemperatur eingestellt. Aufgrund der höheren Umgebungstemperatur und auf Grundlage der Differenz zwischen Vp1 und Vp2 kann die Sensorbetriebstemperatur nur von T1 zu T3 verringert werden, und kann nicht auf T2 verringert werden. Als Ergebnis der Verringerung wird der Grenzbereich zum Überpotentialbereich vergrößert, aber die Vergrößerung ist nicht so groß wie möglich war, als die Temperatur auf T2 verringert wurde (bei t3–t4). Wenn Vp2 an der Pumpzelle angelegt wird, wird somit ein Risiko eines Übergangs in den Überpotentialbereich verringert, aber nicht so stark wie gewünscht. Um den größeren Grenzbereich auszugleichen, gehen die Nernst-Zelle und die Pumpzelle bei t7 mit einer langsameren Rampenrate zur höheren Spannung (Vp2 und Vn2) über, um ein Eintreten in den Überpotentialbereich zu vermeiden.
Zwischen t7 und t8 wird die zweite Spannung Vn2 an der Nernst-Zelle angelegt, was zu einer entsprechenden Änderung der Spannung der Pumpzelle zur ersten Spannung Vp2 führt. Zwischen t7 und t8 wird eine Änderung der Stromausgabe durch die Pumpzelle nach Anlegen von Vp2 erlernt (als delta Ip4). Auf Grundlage der Differenz zwischen delta Ip3 und delta Ip4 wird ein Sauerstoffgehalt des Abgases erlernt und zur Luft-Kraftstoff-Korrektur verwendet. Wenn zum Beispiel der erlernte Sauerstoffgehalt angibt, dass das Abgas fetter als bei Stöchiometrie ist, kann die Kraftstoffversorgung verringert werden, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu Stöchiometrie zurückzuführen. Als weiteres Beispiel, wenn der erlernte Sauerstoffgehalt angibt, dass das Abgas magerer als bei Stöchiometrie ist, kann die Kraftstoffversorgung erhöht werden, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu Stöchiometrie zurückzuführen.
Man wird verstehen, dass in einem weiteren Beispiel, wenn die Umgebungstemperatur gleich ist und eine größere Spannungsänderung während des Betriebs mit variabler Spannung erwünscht ist (wie etwa zu Vp2', wobei Vp2'–Vp1 größer als Vp2–Vp1 ist), und alles andere gleich ist, ein größerer Abfall der Sensorbetriebstemperatur erforderlich wäre, um den gleichen Grenzbereich zum Überpotentialbereich bereitzustellen. Zusätzlich kann die Spannung aufgrund der größeren Differenz der Spannungen mit einer höheren Rampenrate von der niedrigeren zur oberen Spannung übergehen.
Auf diese Weise kann eine Steuerung als Reaktion auf eine Anforderung nach Betrieb eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung, die empfangen wird, während der Sensor bei einer ersten Temperatur und bei einer ersten Spannung liegt, eine Ausgabe eines Sauerstoffsensorelements einstellen, um den Sauerstoffsensor auf eine zweite Temperatur zu senken; und nach dem Absenken, den Sauerstoffsensor von der ersten Spannung zu einer zweiten Spannung, die höher als die erste Spannung ist, hochfahren, mit einer Rampenrate, die in Abhängigkeit von der zweite Temperatur eingestellt ist. Zusätzlich oder optional kann die zweite Temperatur eingestellt werden, um die zweite Spannung auf unter eine Schwellenwertspannung in einem Überpotentialbereich des Sauerstoffsensors zu begrenzen. Ferner kann die Rampenrate verringert werden, wenn sich die zweite Temperatur der ersten Temperatur annähert. Die Anforderung nach einem Betrieb des Sauerstoffsensors mit variabler Spannung kann eine Reaktion auf eine Anforderung nach einer oder mehreren einer Schätzung eines Alkoholgehalts des im Motor verbrannten Motors, einer Schätzung der Umgebungsfeuchtigkeit einer angesaugten Luftladung und einer Schätzung eines Sauerstoffgehalts der angesaugten Luftladung oder eines Abgases sein. Der Sauerstoffsensor kann einer von einem Ansaug-Sauerstoffsensor, der mit einem Ansaugkanal stromabwärts einer Ansaugdrossel gekoppelt ist, und einem Abgas-Sauerstoffsensor, der mit einem Abgaskanal stromaufwärts eines Abgaskatalysators gekoppelt ist, sein.
Auf diese Weise, durch Verringern der Temperatur eines Sauerstoffsensors während eines Betriebsmodus mit variabler Spannung kann der Spannungsbereich für den Betrieb mit variabler Spannung vergrößert werden. Somit ermöglicht dies, dass der Sensor mit höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit arbeitet. Zusätzlich werden durch Ausdehnen des Bereichs unbeabsichtigte Abweichungen einer Pumpzellenspannung in einen Überpotentialbereich verringert. Durch Ausdehnen des Bereichs und dadurch, dass ermöglicht wird, dass der Sensor mit einer größeren Differenz zwischen der niedrigeren Spannung und der höheren Spannung, die während eines Modus mit variabler Spannung angelegt wird, betrieben wird, wird eine schnellere Rampenrate der Spannung ermöglicht, was ermöglicht, dass die Erfassung innerhalb einer kürzeren Zeit durchgeführt wird, wodurch die Sensorgenauigkeit steigt. Durch Verringern der Wahrscheinlichkeit, dass der Sauerstoffsensor in dem Überpotentialbereich arbeitet, wird eine Funktionsminderung des Sensors aufgrund einer Schwarzfärbung des Sensorelements verringert. Dadurch wird, zusätzlich zur Erhöhung der Sensorleistung, die Lebensdauer des Sensors verlängert.
Ein beispielhaftes Verfahren für einen Motor umfasst: während eines Betriebs eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung, Verringern des Auftretens von Schwarzfärbung eines Sauerstoffsensorelements durch Verringern einer Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur vor einem Übergang von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Betriebsspannung. In dem vorstehenden Beispiel wird, zusätzlich oder optional, die zweite Temperatur in Abhängigkeit von der ersten Temperatur und einer Differenz zwischen der höheren Betriebsspannung und einer Schwellenwertspannung eingestellt. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele wird, zusätzlich oder optional, die zweite Temperatur verringert, wenn die Differenz zwischen der höheren Betriebstemperatur und der Schwellenwertspannung größer wird, und wird erhöht, wenn die erste Temperatur steigt. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele wird, zusätzlich oder optional, die zweite Temperatur ferner auf Grundlage der Umgebungstemperatur eingestellt, wobei die zweite Temperatur in Richtung zu ersten Temperatur gesteigert wird, wenn die Umgebungstemperatur steigt. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, umfasst das Verfahren ferner Verringern einer Rampenrate von der niedrigeren Betriebstemperatur zur höheren Betriebstemperatur, wenn die zweite Temperatur gesteigert wird. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, ist die Schwellenwertspannung eine Spannung, bei der eine Anstiegsrate der Pumpzellenspannung für eine gegebene Änderung des Pumpzellenstroms höher als ein Schwellenwert ist. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, beinhaltet Verringern der Betriebstemperatur des Sensors Verringern der Betriebstemperatur jeder einer Pumpzelle und einer Nernst-Zelle des Sauerstoffsensors. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, beinhaltet das Verringern der Betriebstemperatur Einstellen einer Ausgabe eines Heizelements des Sauerstoffsensors, um die während des Sensorbetriebs erzeugte Wärme zu begrenzen, wobei die Ausgabe eines von einem Heizvorrichtungsstrom und einer Heizvorrichtungsspannung beinhaltet. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, umfasst das Verfahren ferner, nach Verringern der Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von der ersten zur zweiten Temperatur, einen Übergang des Sensors von der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung mit einer Rampenrate, wobei die Rampenrate in Abhängigkeit von der zweiten Temperatur im Verhältnis zur ersten Temperatur bestimmt wird. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele wird, zusätzlich oder optional, die Rampenrate verringert, wenn eine Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur kleiner wird. In jedem oder allen der vorhergehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, ist der Betrieb des Sauerstoffsensors mit variabler Spannung eine Reaktion auf eine Anforderung nach einer Schätzung der Abgas-Sauerstoffkonzentration. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, umfasst das Verfahren ferner Erzeugen einer Angabe eines Kraftstoffalkoholgehalts auf Grundlage einer Änderung des Pumpstroms des Sauerstoffsensors während des Betriebs mit variabler Spannung; und Einstellen eines Motorbetriebsparameters, einschließlich einer Zylinderkraftstoffversorgung, auf Grundlage der Angabe.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren für einen Motor umfasst: als Reaktion auf eine Anforderung nach Betrieb eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung, die empfangen wird, während der Sensor bei einer ersten Temperatur und bei einer ersten Spannung liegt, Einstellen einer Ausgabe eines Sauerstoffsensorelements, um den Sauerstoffsensor auf eine zweite Temperatur zu senken; und nach dem Absenken, Hochfahren des Sauerstoffsensors von der ersten Spannung zu einer zweiten Spannung, die höher als die erste Spannung ist, mit einer Rampenrate, die in Abhängigkeit von der zweite Temperatur eingestellt ist. In dem vorstehenden Beispiel, zusätzlich oder optional, wird die zweite Temperatur eingestellt, um die zweite Spannung auf unter eine Schwellenwertspannung in einem Überpotentialbereich des Sauerstoffsensors zu begrenzen. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, wird die Rampenrate verringert, wenn sich die zweite Temperatur der ersten Temperatur annähert. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, ist die Anforderung nach einem Betrieb des Sauerstoffsensors mit variabler Spannung eine Reaktion auf eine Anforderung nach einer oder mehreren einer Schätzung eines Alkoholgehalts des im Motor verbrannten Motors, einer Schätzung der Umgebungsfeuchtigkeit einer angesaugten Luftladung und einer Schätzung eines Sauerstoffgehalts der angesaugten Luftladung oder eines Abgases. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele, zusätzlich oder optional, ist der Sauerstoffsensor einer von einem Ansaug-Sauerstoffsensor, der mit einem Ansaugkanal stromabwärts einer Ansaugdrossel gekoppelt ist, und einem Abgas-Sauerstoffsensor, der mit einem Abgaskanal stromaufwärts eines Abgaskatalysators gekoppelt ist.
Ein weiteres beispielhaftes Motorsystem umfasst: einen Motor mit einem Auslass; eine Kraftstoffeinspritzung zum Zuführen von Kraftstoff zu einem Motorzylinder; einen Sauerstoffsensor, der mit dem Auslass gekoppelt ist, wobei der Sauerstoffsensor eine Heizvorrichtung, eine Pumpzelle und eine Nernst-Zelle beinhaltet; und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, zum: Anlegen einer ersten niedrigeren Spannung an die Pumpzelle; nach dem Anlegen, Einstellen einer Temperatureinstellung der Heizvorrichtung, um eine Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle zu senken; nach dem Einstellen, Erhöhen einer Pumpzellenspannung von der ersten Spannung auf eine zweite Spannung; auf Grundlage einer Änderung des Stroms der Pumpzelle bei der zweiten Spannung bezüglich der ersten Spannung, Schätzen eines Sauerstoffgehalts des Abgases; und Einstellen der Motorkraftstoffversorgung als Reaktion auf den geschätzten Sauerstoffgehalt. In dem vorstehenden Beispiel, zusätzlich oder optional, umfasst das System ferner einen Temperatursensor zum Schätzen einer Umgebungstemperatur, wobei die Steuerung ferner Anweisungen beinhaltet zum: Senken der Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle auf Grundlage der Umgebungstemperatur, wobei die Temperatureinstellung der Heizvorrichtung auf eine höhere Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle eingestellt wird, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. In jedem oder allen der vorstehenden Beispiele umfasst die Steuerung ferner, zusätzlich oder optional, Anweisungen zum: Erhöhen der Pumpzellenspannung von der ersten Spannung zur zweiten Spannung mit einer höheren Rampenrate, wenn die zweite Spannung höher ist, und mit einer geringeren Rampenrate, wenn die zweite Spannung niedriger ist.
Bei einer weiteren Darstellung wird die Spannung während einer ersten Bedingungen, bei der ein Sauerstoffsensor bei einer ersten Betriebstemperatur liegt, nach Anlegen einer ersten, niedrigeren Spannung an einer Pumpzelle des Sauerstoffsensors, auf eine zweite Spannung mit einer ersten, niedrigeren Rampenrate erhöht. Ferner wird die Spannung während einer zweiten Bedingungen, bei der der Sauerstoffsensor bei einer zweiten Betriebstemperatur liegt, die niedriger als die erste Betriebstemperatur ist, nach Anlegen der ersten Spannung an der Pumpzelle des Sauerstoffsensors, auf eine dritte Spannung mit einer zweiten, höheren Rampenrate erhöht. Hierbei ist die dritte Spannung höher als die zweite Spannung. Ferner wird die Temperatur des Sauerstoffsensors während der ersten Bedingung mittels Einstellungen an einer Sensorheizvorrichtung auf die erste Temperatur verringert, und während der zweiten Bedingung wird die Temperatur des Sauerstoffsensors mittels Einstellungen an der Sensorheizvorrichtung auf die zweite Temperatur verringert. Ferner ist während der ersten Bedingung eine Umgebungstemperatur höher und während der zweiten Bedingung ist die Umgebungstemperatur niedriger.
Es sei angemerkt, dass die hierin enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzungsroutinen mit verschiedenen Motoren und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hierin offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein und können von dem Steuersystem, einschließlich der Steuerung in Kombination mit verschiedenen Sensoren, Aktoren und anderer Motorbauteile, ausgeführt werden. Die hierin beschriebenen bestimmten Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien darstellen, wie beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Als solches können verschiedene veranschaulichte Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge, oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht unbedingt erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile der Ausführungsbeispiele zu erzielen, sondern wird zur leichteren Darstellung und Beschreibung bereitgestellt. Eine(r) oder mehrere aus den veranschaulichten Handlungen, Vorgängen und/oder Funktionen können wiederholt durchgeführt werden, je nach konkret eingesetzter Strategie. Ferner stellen die beschriebenen Handlungen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch einen Code dar, der in einem nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Motorsteuersystem programmiert werden soll, in welchem die beschriebenen Handlungen durch Ausführen der Anweisungen in einem System, einschließend die verschiedenen Motorhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung, ausgeführt werden.
Es ist anzuerkennen, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind und dass diese bestimmten Ausführungsformen nicht einschränkend zu verstehen sind, da viele Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie bei einem V6-, einem I-4, einem I6-, einem V12-, einem Boxer-4-Motor und anderen Motortypen angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderer hierin offenbarter Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Die nachfolgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent dazu beziehen. Diese Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Aufnahme eines solchen Elements oder mehrerer solcher Elemente beinhalten, wobei zwei oder mehr solcher Elemente weder erforderlich noch ausgeschlossen sind. Andere Kombinationen oder Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Ergänzung der vorliegenden Ansprüche oder durch Darlegung neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, ob breiter, enger, gleich oder unterschiedlich in ihrem Umfang in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche, werden ebenfalls so betrachtet, dass sie in dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
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 20120001641 [0003]

Claims

Verfahren für einen Motor, umfassend: während eines Betriebs eines Sauerstoffsensors mit variabler Spannung, Verringern des Auftretens von Schwarzfärbung eines Sauerstoffsensorelements durch Verringern einer Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur vor einem Übergang von einer niedrigeren Betriebsspannung zu einer höheren Betriebsspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Temperatur in Abhängigkeit von jedem der ersten Temperatur und einer Differenz zwischen der höheren Betriebsspannung und einer Schwellenwertspannung eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Temperatur verringert wird, wenn die Differenz zwischen der höheren Betriebstemperatur und der Schwellenwertspannung größer wird, und erhöht wird, wenn die erste Temperatur steigt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zweite Temperatur ferner auf Grundlage der Umgebungstemperatur eingestellt wird, wobei die zweite Temperatur in Richtung zur ersten Temperatur gesteigert wird, wenn die Umgebungstemperatur steigt.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend Verringern einer Rampenrate von der niedrigeren Betriebsspannung zur höheren Betriebsspannung, wenn die zweite Temperatur gesteigert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwellenwertspannung eine Spannung ist, bei der eine Anstiegsrate der Pumpzellenspannung für eine gegebene Änderung des Pumpzellenstroms höher als ein Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verringern der Betriebstemperatur Verringern der Betriebstemperatur einer jeden einer Pumpzelle und einer Nernst-Zelle des Sauerstoffsensors beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verringern der Betriebstemperatur Einstellen einer Ausgabe eines Heizelements des Sauerstoffsensors beinhaltet, um die während des Sensorbetriebs erzeugte Wärme zu begrenzen, wobei die Ausgabe eines von einem Heizvorrichtungsstrom und einer Heizvorrichtungsspannung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, nach Verringern der Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von der ersten zur zweiten Temperatur, Übergang des Sensors von der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung mit einer Rampenrate, wobei die Rampenrate in Abhängigkeit von der zweiten Temperatur im Verhältnis zur ersten Temperatur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Rampenrate verringert wird, wenn eine Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur kleiner wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrieb des Sauerstoffsensors mit variabler Spannung eine Reaktion auf eine Anforderung nach einer Schätzung der Abgas-Sauerstoffkonzentration ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Erzeugen einer Angabe eines Kraftstoffalkoholgehalts auf Grundlage einer Änderung des Pumpstroms des Sauerstoffsensors während des Betriebs mit variabler Spannung; und Einstellen eines Motorbetriebsparameters, einschließlich einer Zylinderkraftstoffversorgung, auf Grundlage der Angabe.
Motorsystem, umfassend: einen Motor mit einem Auslass; eine Kraftstoffeinspritzung, die Kraftstoff zu einem Motorzylinder zuführt; einen Sauerstoffsensor, der mit dem Auslass gekoppelt ist, wobei der Sauerstoffsensor eine Heizvorrichtung, eine Pumpzelle und eine Nernst-Zelle beinhaltet; und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind zum: Anlegen einer ersten Spannung an die Pumpzelle; nach dem Anlegen, Einstellen einer Temperatureinstellung der Heizvorrichtung, um eine Temperatur einer jeden der der Pumpzelle und der Nernst-Zelle zu senken; nach dem Einstellen, Erhöhen einer Pumpzellenspannung von der ersten Spannung zu einer zweiten Spannung; auf Grundlage einer Änderung des Stroms der Pumpzelle bei der zweiten Spannung im Verhältnis zur ersten Spannung, Schätzen eines Sauerstoffgehalts des Abgases; und Einstellen der Motorkraftstoffversorgung als Reaktion auf den geschätzten Sauerstoffgehalt.
System nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Temperatursensor zum Schätzen einer Umgebungstemperatur, wobei die Steuerung ferner Anweisungen beinhaltet zum: Senken der Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle auf Grundlage der Umgebungstemperatur, wobei die Temperatureinstellung der Heizvorrichtung auf eine höhere Temperatur einer jeden der Pumpzelle und der Nernst-Zelle eingestellt wird, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt.
System nach Anspruch 13, wobei die Steuerung ferner Anweisungen umfasst zum: Erhöhen der Pumpzellenspannung von der ersten Spannung zur zweiten Spannung mit einer höheren Rampenrate, wenn die zweite Spannung höher ist, und mit einer geringeren Rampenrate, wenn die zweite Spannung niedriger ist.