DE102019219647A1 - Measurement of the shunt resistance of a lambda probe and correction of its influence - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100; 200) zur Berechnung eines Lambdawerts unter Verwendung einer Breitbandlambdasonde (L). Dabei wird mittels einer Auswerteeinrichtung (M), die einen Messanschluss (S1) und zumindest einen Stellanschluss (S2; S3) aufweist, in einer Startphase der Breitbandlambdasonde (L) zumindest ein Nebenschlusswiderstand (RN1;RN2; RN3) und ggf. ein Masseversatz (Uλ.0) ermittelt. Während eines Normalbetriebs der Breitbandlambdasonde (L), der zeitlich nach der Startphase stattfindet, wird ein Pumpstrom (lP,t) einer Pumpzelle (P) der Breitbandlambdasonde (L) unter Berücksichtigung des zumindest einen Nebenschlusswiderstands (RN1;RN2; RN3) und/oder des Masseversatzes (Uλ.0) ermittelt. Der Lambdawert wird anschließend aus dem ermittelten Pumpstrom (lP,t) berechnet.The invention relates to a method (100; 200) for calculating a lambda value using a broadband lambda probe (L). At least one shunt resistor (RN1; RN2; RN3) and, if necessary, a mass offset ( Uλ.0) determined. During normal operation of the broadband lambda probe (L), which takes place after the start phase, a pump current (lP, t) of a pump cell (P) of the broadband lambda probe (L) taking into account the at least one shunt resistor (RN1; RN2; RN3) and / or of the mass offset (Uλ.0) is determined. The lambda value is then calculated from the determined pump current (lP, t).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung eines Lambdawerts unter Verwendung einer Breitbandlambdasonde sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for calculating a lambda value using a broadband lambda probe as well as a computing unit and a computer program for its implementation.
Stand der TechnikState of the art
In vielen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden Lambdasonden bzw. Lambdasensoren eingesetzt, um das Verhältnis aus Kraftstoff und Verbrennungsluft in einem Einspritzgemisch, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, zu regeln. Dazu kann in der Lambdasonde die elektrische Spannung einer Nernstzelle oder der elektrische Widerstand einer Widerstandssprungsonde gemessen werden.In many vehicles with internal combustion engines, lambda probes or lambda sensors are used to regulate the ratio of fuel and combustion air in an injection mixture that is fed to the internal combustion engine. For this purpose, the electrical voltage of a Nernst cell or the electrical resistance of a resistance jump probe can be measured in the lambda probe.
Der Lambdawert entspricht einem Stöchiometrieverhältnis zwischen Verbrennungssauerstoff und Brennstoffmolekülen, wobei ein Wert von 1 bedeutet, dass so viel Sauerstoff in dem Verbrennungsraum vorhanden ist, wie theoretisch für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs benötigt wird. Lambdawerte über 1 kennzeichnen einen Sauerstoffüberschuss (mageres Gemisch), Werte unter 1 einen Sauerstoffmangel (fettes Gemisch) im Verbrennungsraum.The lambda value corresponds to a stoichiometric ratio between combustion oxygen and fuel molecules, where a value of 1 means that there is as much oxygen in the combustion chamber as is theoretically required for complete combustion of the fuel. Lambda values above 1 indicate an excess of oxygen (lean mixture), values below 1 an oxygen deficiency (rich mixture) in the combustion chamber.
In Fahrzeugen heutiger Bauart kommen die unterschiedlichsten Sonden zum Einsatz. Neben Sprungsonden existieren auch sogenannte Breitbandlambdasonden mit zwei Zellen, wie sie beispielsweise aus der
Aus dem Pumpstrom kann dann der Lambdawert des zu prüfenden Abgases berechnet werden. Der Pumpstrom kann dabei direkt als der Strom gemessen werden, der von der Lambdasonde in einen Messanschluss der Auswerteeinheit fließt, oder anhand der Ströme berechnet werden, die Stellanschlüsse der Auswerteeinheit zur Einstellung des Pumpstromes verlassen.The lambda value of the exhaust gas to be tested can then be calculated from the pump current. The pump current can be measured directly as the current that flows from the lambda probe into a measuring connection of the evaluation unit, or it can be calculated on the basis of the currents that leave the control connections of the evaluation unit for setting the pump current.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Berechnung eines Lambdawerts unter Verwendung einer Breitbandlambdasonde sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Besch reibung.According to the invention, a method for calculating a lambda value using a broadband lambda probe as well as a computing unit and a computer program for its implementation are proposed with the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the description below.
Bei Lambdasonden für die Anwendung in Fahrzeugen sind Anschlüsse einer Auswertungselektronik gegenüber dem metallischen Sondenkörper und gegenüber einem eingebauten Heizelement grundsätzlich elektrisch isoliert. Wenn die Isolierung fehlerhaft ist, bildet sich ein Nebenschlusswiderstand von den Anschlüssen zum Sondengehäuse oder auch zum Heizelement. Je nach Sonde, Alter usw. kann dieser Widerstand relativ klein werden und so signifikante Leckströme verursachen.In the case of lambda probes for use in vehicles, the connections of evaluation electronics are fundamentally electrically isolated from the metallic probe body and from a built-in heating element. If the insulation is faulty, a shunt resistance will build up from the connections to the probe housing or to the heating element. Depending on the probe, age, etc., this resistance can become relatively small and thus cause significant leakage currents.
Zudem kann sich das Massepotential des metallischen Sondengehäuses, das über den Auspuff mit Fahrzeugmasse verbunden ist, von dem Massepotential der Auswerteelektronik im Steuergerät unterscheiden. Bei PKW ist hierbei eine Potentialdifferenz, auch Masseversatz genannt, von ±1 V realistisch.In addition, the ground potential of the metallic probe housing, which is connected to the vehicle ground via the exhaust, can differ from the ground potential of the evaluation electronics in the control unit. In the case of cars, a potential difference, also known as a ground offset, of ± 1 V is realistic.
Da die Auswerteeinheit zur Berechnung des Lambdawerts, insbesondere das Steuergerät eines Fahrzeugs, sehr empfindlich auf störende Einflüsse reagiert, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, wenigstens einen Leckstrom bzw. Nebenschlusswiderstand zu messen und bei der Berechnung des Lambdawerts zu berücksichtigen, so dass nur der tatsächlich durch die Pumpzelle fließende, und damit „sauerstoffwirksame“, Pumpstrom das Ergebnis beeinflusst. Dadurch kann über die gesamte Lebensdauer der Lambdasonde hinweg eine im Wesentlichen konstante Auswertungsqualität erzielt werden.Since the evaluation unit for calculating the lambda value, in particular the control unit of a vehicle, reacts very sensitively to disruptive influences, the invention provides for at least one leakage current or shunt resistance to be measured and taken into account when calculating the lambda value, so that only the actually caused by the Pump current flowing through the pump cell, and thus “oxygen-effective”, influences the result. As a result, an essentially constant evaluation quality can be achieved over the entire service life of the lambda probe.
Wenn der Pumpstrom durch Messen des Stroms, der von der Lambdasonde in die Auswerteeinheit fließt, ermittelt wird, stört ein erster Nebenschlusswiderstand, über den Strom von einer Stromquelle durch den Messanschluss der Auswerteeinheit fließt, ohne die Pumpzelle durchflossen zu haben, z.B. ein Strom von einer Fahrzeugbatterie über eine Sondenheizung zum Sondensteuergerät.If the pump current is determined by measuring the current that flows from the lambda probe into the evaluation unit, a first shunt resistance interferes, through which current flows from a current source through the measuring connection of the evaluation unit without having flowed through the pump cell, e.g. a current from a Vehicle battery via a probe heater to the probe control unit.
Dieser erste Nebenschlusswiderstand kann gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ermittelt werden, indem in der Startphase der Lambdasonde der Stromfluss in den Messanschluss als erster Leckstrom gemessen wird, während Strom weder durch die Stellanschlüsse der Auswerteeinheit noch durch die Sondenheizung fließt. Gleichzeitig wird die Spannung der Stromquelle gemessen und der erste Nebenschlusswiderstand aus der Spannung der Stromquelle und dem gemessenen ersten Leckstrom berechnet. Im späteren Normalbetrieb kann dann der jeweils aktuelle erste Leckstrom aus der jeweils aktuell gemessenen Spannung der Stromquelle und dem anfangs berechneten ersten Nebenschlusswiderstand berechnet werden. Dieser aktuelle erste Leckstrom wird dann von dem gemessenen Stromfluss subtrahiert, um einen korrigierten Pumpstrom zu ermitteln.According to advantageous embodiments of the invention, this first shunt resistance can be determined by measuring the current flow into the measuring connection as the first leakage current in the start phase of the lambda probe, while current neither flows through the control connections of the evaluation unit nor through the probe heater. At the same time, the voltage of the current source is measured and the first shunt resistance is calculated from the voltage of the current source and the measured first leakage current. In later normal operation, the current first leakage current can then be calculated from the current measured voltage of the current source and the initially calculated first shunt resistance. This current first leakage current is then subtracted from the measured current flow in order to determine a corrected pump current.
Wird der Pumpstrom andererseits anhand der Stellströme berechnet, die die Stellanschlüsse der Auswerteeinheit zur Einstellung des Pumpstromes verlassen, stört der erste Leckstrom nicht, da er nicht durch die Zellen fließt. In diesem Fall werden jedoch vorteilhafterweise zweite Leckströme berücksichtigt, die von den Stellanschlüssen der Auswerteeinheit direkt zu Masse abfließen, ohne über die mit dem jeweiligen Stellanschluss verbundene Zelle geflossen zu sein. Hierbei ist die Ermittlung komplizierter, da im Strompfad zwischen den Stellanschlüssen der Auswerteeinheit und der Sonde bzw. innerhalb der Lambdasonde keine Strommessstellen vorgesehen sind. Daher wird vorteilhafterweise im noch kalten Zustand der zu messende Sondenanschluss auf einen möglichst hohen Eingangswiderstand eingestellt und eine erste definierte Ausgangsstromstärke an dem zu messenden Stellanschluss eingestellt. Nach Einschwingen des Systems wird das Potential des Sondenanschlusses gegen den Masseanschluss der Auswerteeinrichtung gemessen. Diese Prozedur wird mit einer zweiten definierten Ausgangsstromstärke, die sich von der ersten unterscheidet, wiederholt. Aus der Differenz der beiden gemessenen Potentiale und der Differenz der beiden eingestellten Stromstärken kann der zweite Nebenschlusswiderstand des betreffenden Stellanschlusses berechnet werden.If, on the other hand, the pump current is calculated on the basis of the control currents that leave the control connections of the evaluation unit for setting the pump current, the first leakage current does not interfere because it does not flow through the cells. In this case, however, second leakage currents are advantageously taken into account, which flow from the setting connections of the evaluation unit directly to ground without having flowed via the cell connected to the respective setting connection. Determination is more complicated here, since no current measuring points are provided in the current path between the setting connections of the evaluation unit and the probe or within the lambda probe. Therefore, the probe connection to be measured is advantageously set to the highest possible input resistance when it is still cold, and a first defined output current intensity is set at the control connection to be measured. After the system has settled, the potential of the probe connection is measured against the ground connection of the evaluation device. This procedure is repeated with a second defined output current that is different from the first. The second shunt resistance of the relevant control connection can be calculated from the difference between the two measured potentials and the difference between the two set currents.
Vorteilhafterweise wird dabei auch der Masseversatz der Lambdasonde berücksichtigt. Dieser Masseversatz der Sondenmasse gegenüber der Masse der Auswerteeinrichtung ergibt sich als Differenz aus dem gemessenen Potential und der zugehörigen, mit dem berechneten zweiten Nebenschlusswiderstand multiplizierten, eingestellten Stromstärke.The mass offset of the lambda probe is advantageously also taken into account. This mass offset of the probe mass in relation to the mass of the evaluation device results as the difference between the measured potential and the associated, set current strength multiplied by the calculated second shunt resistance.
Im Normalbetrieb erfolgt die Korrektur des Pumpstroms durch Messen des aktuellen Sondenanschlusspotentials gegen den Masseanschluss der Auswerteeinrichtung und Berechnung des zweiten Leckstroms aus dem masseversatzkorrigierten aktuellen Sondenanschlusspotential und dem berechneten zweiten Nebenschlusswiderstand .In normal operation, the pump current is corrected by measuring the current probe connection potential against the ground connection of the evaluation device and calculating the second leakage current from the current probe connection potential corrected for mass offset and the calculated second shunt resistance.
Bevorzugt wird der so ermittelte Lambdawert zur Einstellung bzw. Optimierung eines Luft-Brennstoff-Gemischs für einen Verbrennungsprozess, insbesondere in einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, verwendet.The lambda value determined in this way is preferably used to set or optimize an air-fuel mixture for a combustion process, in particular in an internal combustion engine of a vehicle.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, for example a control unit of a motor vehicle, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for performing all method steps is advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. A program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawings.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Verschaltung einer Breitbandlambdasonde, wobei auch mögliche Nebenschlusswiderstände dargestellt sind.1 shows a schematic representation of an advantageous interconnection of a broadband lambda probe, with possible shunt resistances also being shown. -
2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Pumpstrom durch Messen eines Messstroms und Korrektur des gemessenen Messstroms ermittelt wird.2 shows an advantageous embodiment of a method according to the invention, wherein a pump current is determined by measuring a measuring current and correcting the measured measuring current. -
3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Pumpstrom durch Einstellen eines Stellstroms und Korrektur des eingestellten Stellstroms ermittelt wird.3 shows a further advantageous embodiment of a method according to the invention, wherein a pump current is determined by setting a control current and correcting the set control current.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, die hier beschriebenen Verfahren
In
Die Lambdasonde L verfügt über eine Sondenheizung H, die dazu eingerichtet ist, die Lamdasonde L während eines Normalbetriebs möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu erhitzen. Dazu ist die Sondenheizung an einer Fahrzeugbatterie B angeschlossen.The lambda probe L has a probe heater H which is set up to heat the lambda probe L to operating temperature as quickly as possible during normal operation. The probe heater is connected to a vehicle battery B for this purpose.
Mit zunehmendem Alter der Schaltung
Je nach Ausgestaltung der Auswertung wird der Strom, der über die Signalleitung der Lambdasonde L in den Messanschluss
Ein erster Nebenschlusswiderstand RN1, der eine elektrisch leitende Verbindung von der Fahrzeugbatterie B, im dargestellten Beispiel über die Sondenheizung H, zum Signalausgang der Lambdasonde L herstellt, erhöht den Stromfluss in den Messeingang
Durch die Nebenschlusswiderstände
In
In dem Verfahren
Während des Normalbetriebs werden Stellströme an den Stellanschlüssen
Der tatsächliche aktuelle Pumpstrom Ip.t, der durch die Pumpzelle P der Lambdasonde L fließt, wird folglich durch Subtraktion des berechneten aktuellen Leckstroms IN1,t von einem aktuell in den Messanschluss
Aus diesem bezüglich des über den Nebenschlusswiderstand RN1 fließenden Leckstroms IN1,t korrigierten aktuellen Pumpstrom IP,t wird durch das Motorsteuergerät M der Lambdawert berechnet.The lambda value is calculated by the engine control unit M from this actual pump current I P , t corrected with regard to the leakage current I N1, t flowing through the shunt resistor R N1.
Dieser aktuelle Lambdawert kann dann vorteilhafterweise zur Einstellung eines optimierten Luft-Brennstoff-Gemischs am Eingang der Brennkraftmaschine verwendet werden.This current lambda value can then advantageously be used to set an optimized air-fuel mixture at the input of the internal combustion engine.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
Da in dem Strompfad innerhalb der Lambdasonde L keine Messmöglichkeit für die tatsächlich fließenden Ströme besteht, muss der zweite bzw. dritte Nebenschlusswiderstand
Ein Masseversatz Uλ,0 des Masseanschlusses der Lambdasonde L gegenüber dem Masseanschluss G des Motorsteuergeräts M kann aus jeweils zusammengehörigen Werten für Stellstrom lS,1, lS,2 und Sondenpotential Uλ,1, Uλ,2 unter Verwendung des berechneten zweiten bzw. dritten Nebenschlusswiderstands
Im Normalbetrieb ist der Eingang der Lambdasonde L ohne zusätzlichen Widerstand geschaltet und der Pumpstrom lP,t kann durch Messen des aktuellen Sondenpotentials Uλ,t, Korrektur des Massenversatzes Uλ,0 und Division durch den berechneten zweiten Nebenschlusswiderstand
Das Motorsteuergerät M berechnet den Lambdawert anhand dieses korrigierten Pumpstroms lP,t und verwendet bevorzugt den berechneten Lambdawert zur Einstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs am Eingang der Brennkraftmaschine.The engine control unit M calculates the lambda value on the basis of this corrected pump current I P, t and preferably uses the calculated lambda value to adjust the air-fuel mixture at the input of the internal combustion engine.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Verfahren nicht nur im Zusammenhang mit Fahrzeugen zum Einsatz kommen können, sondern auch für alle anderen Anwendungen vorteilhaft ist, in denen die Zusammensetzung eines Luft-Brennstoff- bzw. Abgas-Gemischs analysiert werden soll.It should be expressly pointed out that the methods described here can not only be used in connection with vehicles, but are also advantageous for all other applications in which the composition of an air-fuel or exhaust gas mixture is to be analyzed.
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