DE102018205494A1

DE102018205494A1 - Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde

Info

Publication number: DE102018205494A1
Application number: DE102018205494.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Ledermann; Ralf Zimmerschied
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde vor, bei der eine Lambdamessung (3) auf Basis eines korrigierten Pumpstroms erfolgt. Die Korrektur des Pumpstroms erfolgt auf Basis eines gemessenen Pumpstroms und eines hinterlegten Werts eines Offsetstroms. Die Erfindung sieht ferner vor, dass der hinterlegte Wert des Offsetstroms auf Basis einer an dem Sensorelement der Breitband-Lambdasonde messbaren Vergleichsspannung aktualisiert wird (6).

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2013 202 261 A1 ist bereits ein Verfahren zur Überwachung eines stetigen Lambdasignals eines mehrzelligen Abgassensors bekannt, wobei das stetige Lambdasignal aus einem Pumpstrom einer Pumpzelle bestimmt wird, wobei die Pumpzelle zwischen einer dem Abgas zugewandten Elektrode, einer in einem über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbundenem Hohlraum angeordneten Elektrode und einem zwischen den Elektroden angeordneten Festkörper-Elektrolyten gebildet wird, wobei die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum durch den Pumpstrom konstant gehalten wird und wobei zwischen den Elektroden der Pumpzelle eine Pumpspannung und/oder zwischen der dem Abgas zugewandten Elektrode und einer weiteren Elektrode eine Nernstspannung Uv bestimmt wird. Die DE 10 2013 202 261 A1 sieht ferner vor, dass aus der Pumpspannung und/oder der Nernstspannung Uv ein erster Lambdawert des Abgases bestimmt wird, dass aus dem stetigen Lambdasignal ein zweiter Lambdawert bestimmt wird und dass zur Überwachung des stetigen Lambdasignals der erste Lambdawert mit dem zweiten Lambdawert verglichen wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 sieht hingegen ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde vor, bei der eine Lambdamessung auf Basis eines korrigierten Pumpstroms erfolgt. Die Korrektur des Pumpstroms erfolgt auf Basis eines gemessenen Pumpstroms und eines hinterlegten Werts eines Offsetstroms. Die Erfindung sieht ferner vor, dass der hinterlegte Wert des Offsetstroms auf Basis einer an dem Sensorelement der Breitband-Lambdasonde messbaren Vergleichsspannung aktualisiert wird.
Das Verfahren kann insbesondere mit einer Breitband-Lambdasonde erfolgen, die ein keramisches Sensorelement aufweist, das eine elektrochemische Pumpzelle, eine elektrochemische Nernstzelle, eine Diffusionsbarriere und einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum über die Diffusionsbarriere mit einem Abgas kommuniziert, wobei die elektrochemische Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode aufweist, die dem Abgas unmittelbar ausgesetzt ist, und eine innere Pumpelektrode aufweist, die in dem Hohlraum angeordnet ist, und einen zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode angeordneten ersten Festelektrolyten aufweist, wobei die elektrochemische Nernstzelle eine Nernstelektrode aufweist, die in dem Hohlraum angeordnet ist, und eine Referenzelektrode aufweist, die in einem Referenzgas angeordnet ist, und einen zwischen der Nernstelektrode und der Referenzelektrode angeordneten zweiten Festelektrolyten aufweist, wobei zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode eine Pumpspannung anlegbar ist, sodass ein Pumpstrom fließt und wobei zwischen der Nernstelektrode und der Referenzelektrode eine Nernstspannung messbar ist.
Die Lambdamessung sieht insbesondere die folgenden Schritte vor:

- Regeln der Nernstspannung auf einen vorgegebenen Sollwert durch Stellen der Pumpspannung und/oder des Pumpstroms.
- Ermitteln des korrigierten Pumpstroms aus dem Pumpstrom und einem hinterlegten Wert des Offsetstroms.
- Ausgabe des korrigierten Pumpstroms als Maß für den Lambdawert des Abgases.

Die Aktualisierung des hinterlegten Werts des Offsetstroms, sieht insbesondere die folgenden Schritte vor:

- Ermitteln einer Vergleichsspannung, die entweder durch die Pumpspannung gegeben ist oder durch die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode und der Referenzelektrode gegeben ist.
- Ermitteln einer Pumpstromdifferenz aus dem Pumpstrom und einem aus der Vergleichsspannung abgeleiteten Vergleichsstrom.
- Aktualisieren des Werts des Offsetstroms auf Basis der Pumpstromdifferenz.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass aus einer Vergleichsspannung ein Vergleichsstrom abgeleitet wird, der ohne weitere Umrechnungen und dimensionsrichtig für einen Vergleich mit dem Pumpstrom zur Verfügung steht. Beispielsweise kann eine Pumpstromdifferenz durch Subtraktion des Vergleichsstroms von dem Pumpstrom erhalten werden. Die Ermittlung des absoluten Lambdawerts, wie er beispielsweise zum stöchiometrischen Betrieb einer Brennkraftmaschine benötigt wird, braucht so erst zu einem späten Zeitpunkt, nicht vor der Ausgabe des korrigierten Pumpstroms als Maß für den Lambdawert des Abgases erfolgten. Die geringe Anzahl der Umrechnungen lässt eine hohe Genauigkeit des Verfahrens erwarten.
Der Wert des Offsetstroms kann insbesondere aus der Pumpstromdifferenz durch Tiefpassfilterung hervorgehen. In diesem Fall lassen bleiben kurzfristige Signalstörungen ohne schädliche Auswirkungen auf die Korrektheit des ermittelten Offsetstroms.
Der Vergleichsstrom kann aus der Vergleichsspannung auf Basis einer Kennlinie ermittelt werden, die sich beispielsweise aus der Spezifikation der Sonde, insbesondere aus dem Innenwiderstand der Pumpzelle, ergibt, und/oder zuvor auf einem Prüfstand ermittelt wurde.
Wird unterstellt, dass der Offsetstrom eine Größe ist, die sich für eine Breitbandlambdasonde nur langsam ändert, zum Beispiel durch Alterung im Laufe der Lebensdauer der Sonde, ist es vorteilhaft, dass die Lambdamessung häufiger oder mit einer höheren Bandbreite durchgeführt wird als die Aktualisierung des hinterlegten Werts des Offsetstroms. Vorzugsweise ist sogar eine viel größere Häufigkeit oder eine viel größere Bandbreite vorgesehen, beispielsweise mindestens 1000-fach.
Alternativ kann der Offsetstrom auch mit der gleichen Rate berechnet und aktualisiert werden wie die Lambdamessung. Insbesondere kann der durch Tiefpassfilterung erhaltene Offsetstrom direkt zur Korrektur des Pumpstroms verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sehen vor, dass zur Aktualisierung des hinterlegten Werts des Offsetstroms spezielle Betriebsphasen genutzt werden, die üblicherweise besonders genau spezifiziert sind und/oder die eine besonders genaue Durchführung der für das Verfahren benötigten Messungen zulassen. Insbesondere: Phasen, in denen das ermittelte Maß für den Lambdawert des Abgases stationär ist, d.h. sich insbesondere weniger als 10%/s ändert; Phasen in denen das ermittelte Maß für den Lambdawert des Abgases einem Lambdawert zwischen 0,95 und 1,05 entspricht, insbesondere einem Lambdawert von 1,0 entspricht.
Weiterbildungen sehen vor, dass das Verfahren eine Diagnose vorsieht, die eine Aktion auslöst, wenn der Wert des Offsetstroms innerhalb vorgegebenen Grenzen liegt und die eine andere Aktion auslöst, wenn der Wert des Offsetstroms außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt.
Beispielsweise kann eine Fehlermeldung veranlasst oder beibehalten werden, wenn der Wert des Offsetstroms außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt. Beispielsweise kann eine Fehlermeldung unterlassen oder eine bestehende Fehlermeldung zurückgesetzt werden, wenn der Wert des Offsetstroms innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt.
Die vorgegebenen Grenzen können beispielsweise durch +/- 6% des Pumpstroms bei Lambda = 1 gegeben sein.
Figurenliste

- 1 eine Breitband-Lambda-Sonde mit zugehöriger elektronischer Ansteuerungseinheit 124.
- 2 zeigt exemplarisch ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 mit einer Breitband-Lambda-Sonde und einer elektronischen Ansteuerungseinheit 124 dargestellt. Sie umfasst ein Sensorelement 112. Das Sensorelement 112 weist eine elektrochemische Pumpzelle 116 mit einer äußeren Pumpelektrode 118 und einer inneren Pumpelektrode 118' und einem dazwischen angeordneten Festelektrolyten 120 auf. Die äußere Pumpelektrode 118 ist dem Abgas 114, lediglich durch eine Schutzschicht getrennt, unmittelbar ausgesetzt, die innere Pumpelektrode 118' ist in einem inneren Hohlraum 130 des Sensorelements 112 angeordnet. Der Zutritt des Gases zu dem Hohlraum 130 bzw. zu der in ihm angeordneten Elektrode 118 ist durch eine poröse Diffusionsbarriere 128 limitiert.
Das Sensorelement 112 weist eine elektrochemische Nernstzelle 216 mit einer Nernstelektrode 218 und einer in einem Referenzkanal 219 angeordneten Referenzelektrode 218' auf, die durch den zweiten Festelektrolyten 120' miteinander verbunden sind. Das Sensorelement 112 umfasst ferner ein als elektrische Widerstandheizung ausgebildetes Heizelement 122.
Die elektronische Ansteuerungseinheit 124 ist eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Breitband-Lambdasonde durchzuführen, insbesondere um eine aktivierbare und/oder deaktivierbare äußere elektrische Beschaltung zu realisieren, durch die elektrische Spannungen und/oder elektrische Ströme in die elektrochemische Pumpzelle 116, die elektrochemische Nernstzelle 216 und/oder das Heizelement 122 einprägbar sind. Überdies kann die Ansteuerung eingerichtet sein, die Bestimmung einer Temperatur des Sensorelements 112 und/oder der elektrochemischen Pumpzelle 116 und/oder der elektrochemischen Nernstzelle 216 vorzunehmen, beispielsweise durch entsprechende Widerstandsmessungen oder dergleichen. Die Vorrichtung 110 und/oder die elektronische Ansteuerungseinheit 124 kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 126 umfassen. Das Sensorelement 112 kann über mindestens eine Schnittstelle 134 mit der elektronischen Ansteuerungseinheit 124 und/oder mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 126 verbunden sein. Insbesondere ist zwischen der äußeren Pumpelektrode 118 und der inneren Pumpelektrode 118' eine Pumpspannung Up anlegbar, sodass ein Pumpstrom Ip fließt, und zwischen der Nernstelektrode 218 und der Referenzelektrode 218' eine Nernstspannung Un messbar.
Der Betrieb der Lambdasonde beginnt, nachdem das Sensorelement 112 ausreichend aufgeheizt ist, beispielsweise nachdem mittels der elektrischen Widerstandsheizung eine Betriebstemperatur zwischen 700°C und 800°C eingeregelt ist. Die Temperatur des Sensorelements 112 und damit der Innenwiderstand der elektrochemischen Zellen 116, 216 wird nachfolgend weiterhin stets auf diese Temperatur geregelt. In der 2 ist dies als Verfahrensschritt 1 dargestellt.
Im Betrieb der Breitband-Lambdasonde wird die Nernstspannung Un stets auf einen vorgegebenen Sollwert, beispielsweise 450mV geregelt. Hierzu wird die Pumpspannung Up und/oder der Pumpstroms Ip durch einen Regelalgorithmus geeignet gestellt. Es wird somit in dem inneren Hohlraum 130 ein Gasgemisch mit einer vorgegebenen Luftzahl eingestellt, beispielsweise Lambda = 1. In der 2 ist dies als Verfahrensschritt 2 dargestellt.
Dieser Pumpstrom Ip fließt physikalisch als lonenstrom in der elektrochemischen Pumpzelle 116 und als Elektronenstrom in deren Zuleitung und ist grundsätzlich bereits ein Maß für den Partialdruck des Sauerstoffs im Abgas 114, also für Lambda. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Pumpstrom Ip jedoch noch mit einem hinterlegten Wert des Offsetstroms loff korrigiert. Beispielweise ergibt sich der so korrigierte Pumpstrom Ipk aus dem Pumpstrom Ipk durch Addition oder Subtraktion des Offsetstroms Ioff. In der 2 ist dies als Verfahrensschritt 3 dargestellt.
Der so korrigierte Pumpstroms Ipk wird sodann als Maß für den Lambdawert des Abgases 114 ausgegeben. In der 2 ist dies als Verfahrensschritt 4 dargestellt.
Der hinterlegte Wert des Offset-Stroms loff kann zunächst, beispielsweise werkseitig, durch einen vorgegebenen Wert, beispielsweise durch den Wert 0, initialisiert sein. In der 2 ist dies als Verfahrensschritt 0 dargestellt. Eine Initialisierung kann auch mit einem Wert erfolgen, der zuvor, beispielsweise bei einer früheren Fahrt mit einem der Breitband-Lambdasonde zugeordneten Kraftfahrzeug, ermittelt und nicht-flüchtig abgespeichert wurde.
Gelegentlich ist eine Aktualisierung des hinterlegten Werts des Offsetstroms vorgesehen (Verfahrensschritt 6). Sie kann beispielsweise erfolgen, wenn eine oder mehrere Bedingungen vorliegen. Ob dies der Fall ist, wird im Verfahrensschritt 5 geprüft. Erfolgt keine Aktualisierung des hinterlegten Werts des Offsetstroms Ioff wird das Verfahren mit Verfahrensschritt 3 fortgesetzt.
Eine derartige Bedingung ist beispielsweise erfüllt, falls das ermittelte Maß für den Lambdawert des Abgases 114 stationär ist und/oder falls das ermittelte Maß für den Lambdawert des Abgases einem Lambdawert zwischen 0,95 und 1,05 entspricht.
Zur Aktualisierung 6 des hinterlegten Werts des Offsetstroms ist vorgesehen, dass zunächst eine Vergleichsspannung Uv ermittelt wird (Verfahrensschritt 6.1). Es kann sich dabei beispielsweise um die Pumpspannung Up handeln. Es kann sich dabei alternativ auch um die Spannung handeln, die zwischen der äußeren Pumpelektrode 118 und der Referenzelektrode 218' messbar ist. Ist die Nernstspannung Un auf beispielswese 450mV eingeregelt und die Nernstelektrode 218 mit der inneren Pumpelektrode 118' kurzgeschlossen, unterscheiden sich die beiden als Vergleichsspannung Uv vorgeschlagenen Alternativen lediglich um einen konstanten Wert von hier 450mV.
Nachfolgend ist vorgesehen, dass der Wert der Vergleichsspannung Uv in den Wert eines Vergleichsstroms Iv umgerechnet wird. Dies kann beispielsweise in dem Fall, in dem die Vergleichsspannung Uv durch die Pumpspannung Up gegeben ist, erfolgen, indem letztere durch den Innenwiderstand der Pumpzelle 116 dividiert wird. In der 2 ist dies durch den Verfahrensschritt 6.2. dargestellt.
In diesem Beispiel wird die Pumpstromdifferenz durch Subtraktion des Pumpstroms von dem Vergleichsstrom gebildet (Verfahrensschritt 6.3).
Nach Tiefpassfilterung der Pumpstromdifferenz Ipd, beispielsweise mit einem Tiefpassfilter erster Ordnung, dessen Grenzfrequenz mindestens der zehnfachen Bandbreite der Lambdamessung entspricht, ergibt sich der aktualisierte Werts des Offsetstroms Ioff, mit dem der bisher hinterlegte Wert des Offsetstroms Ioff überschrieben wird und der nunmehr hinterlegt ist (Verfahrensschritt 6.4).
Das Verfahren kann anschließend mit Verfahrensschritt 3 vorgesetzt werden.
Optional kann zuvor jedoch ein Diagnoseschritt 7 erfolgen. In dem Diagnoseschritt 7 wird zunächst geprüft, ob der soeben hinterlegte Wert des Offsetstroms loff innerhalb vorgegebener Schranken liegt oder nicht (Verfahrensschritt 7.1). Ist dies der Fall wird keine Fehlermeldung ausgelöst bzw., falls eine Fehlermeldung momentan bereits besteht, wird diese zurückgesetzt (Verfahrensschritt 7.2). Liegt der hinterlegte Wert des Offsetstroms Ioff jedoch nicht innerhalb der vorgegebenen Schranken, wird das Verfahren stattdessen im Verfahrensschritt 7.3 fortgesetzt, in dem eine Fehlermeldung ausgegeben wird, bzw., falls die Fehlermeldung bereits besteht, die Fehlermeldung aufrechterhalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013202261 A1 [0001]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde, wobei die Breitbandlambdasonde ein keramisches Sensorelement (112) aufweist, das eine elektrochemische Pumpzelle (116), eine elektrochemische Nernstzelle (216), eine Diffusionsbarriere (128) und einen Hohlraum (130) aufweist, wobei der Hohlraum (130) über die Diffusionsbarriere (128) mit einem Abgas (114) kommuniziert, wobei die elektrochemische Pumpzelle (116) eine äußere Pumpelektrode (118) aufweist, die dem Abgas (114) unmittelbar ausgesetzt ist, und eine innere Pumpelektrode (118') aufweist, die in dem Hohlraum (130) angeordnet ist, und einen zwischen der äußere Pumpelektrode (118) und der inneren Pumpelektrode (118') angeordneten ersten Festelektrolyten (120) aufweist, wobei die elektrochemische Nernstzelle (216) eine Nernstelektrode (218) aufweist, die in dem Hohlraum (130) angeordnet ist, und eine Referenzelektrode (218') aufweist, die in einem Referenzgasraum (219) angeordnet ist, und einen zwischen der Nernstelektrode (218) und der Referenzelektrode (218') angeordneten zweiten Festelektrolyten (120') aufweist, wobei zwischen der äußeren Pumpelektrode (118) und der inneren Pumpelektrode (118') eine Pumpspannung (Up) anlegbar ist, sodass ein Pumpstrom (Ip) fließt, wobei zwischen der Nernstelektrode (218) und der Referenzelektrode (218') eine Nernstspannung (Un) messbar ist wobei das Verfahren eine Lambdamessung (2, 3) vorsieht, die folgende Schritte vorsieht: - Regeln der Nernstspannung auf einen vorgegebenen Sollwert durch Stellen der Pumpspannung und/oder des Pumpstroms (2) - Ermitteln des korrigierten Pumpstroms aus dem Pumpstrom und einem hinterlegten Wert des Offsetstroms (3) - Ausgabe des korrigierten Pumpstroms als Maß für den Lambdawert des Abgases (4) wobei das Verfahren vorsieht, dass eine Aktualisierung (6) des hinterlegten Werts des Offsetstroms (loff) erfolgt und durch folgende Schritte erfolgt: - Ermitteln (6.1) einer Vergleichsspannung (Uv), die entweder durch die Pumpspannung (Up) gegeben ist oder durch die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode und der Referenzelektrode gegeben ist, - Ermitteln (6.2, 6.3) einer Pumpstromdifferenz (Ipd) aus dem Pumpstrom (Ip) und einem aus der Vergleichsspannung (Uv) abgeleiteten Vergleichsstrom (Iv) - Überschreiben (6.4) des hinterlegten Werts des Offsetstroms (Ioff) auf Basis der Pumpstromdifferenz (Ipd).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Offsetstroms (Ioff) aus der Pumpstromdifferenz (Ipd) durch Tiefpassfilterung hervorgeht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichsstrom (Iv) aus der Vergleichsspannung (Uv) auf Basis einer Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie zuvor auf einem Prüfstand ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktualisierung (6) des hinterlegten Wert des Offsetstroms (Ioff) lediglich unter der notwendigen Bedingung erfolgt, dass das ermittelte Maß für den Lambdawert des Abgases stationär ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktualisierung (6) des hinterlegten Wert des Offsetstroms lediglich unter der notwendigen Bedingung erfolgt, dass das ermittelte Maß für den Lambdawert des Abgases einem Lambdawert zwischen 0,95 und 1,05 entspricht, insbesondere einem Lambdawert von 1,0 entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdamessung (2, 3) häufiger oder mit einer höheren Bandbreite durchgeführt wird als die Aktualisierung (6) des hinterlegten Wert des Offsetstroms.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdamessung (2, 3) gleich häufig durchgeführt wird wie die Aktualisierung (6) des hinterlegten Wert des Offsetstroms.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Diagnose (7) vorsieht, die eine Aktion (7.2) auslöst, wenn der hinterlegte Wert des Offsetstroms (loff) innerhalb vorgegebenen Grenzen liegt und die eine andere Aktion (7.3) auslöst, wenn der Wert des Offsetstroms (Ioff) außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
Nichtflüchtiger Speicher, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronische Steuerungseinheit (124), welche einen nichtflüchtigen Speicher nach dem vorangehenden Anspruch umfasst.