DE102022202504A1 - Method for diagnosing an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, exhaust gas sensor and internal combustion engine - Google Patents

Method for diagnosing an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, exhaust gas sensor and internal combustion engine Download PDF

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Gerhard Haft
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines einen Abgassensors (10) für eine Brennkraftmaschine, einen Abgassensor (10) und eine Brennkraftmaschine. Der Abgassensor (10) umfasst einen Hauptkörper (12), eine am Hauptkörper (12) angebrachte Abgaselektrode (22), eine im Hauptkörper (12) angeordnete Pumpkavität (20, 30), in der eine Pumpelektrode (24, 34) angeordnet ist, und eine im Hauptkörper (12) angeordnete Referenzkavität (50), in der eine Referenzelektrode (52) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität (20, 30) durch Anlegen eines Pumpstroms (IP0, IP1) an der Pumpelektrode (24, 34), ein Ermitteln eines ersten Lambdawerts für die Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf dem angelegten Pumpstrom (IP0, IP1), ein Ermitteln eines zweiten Lambdawerts für die Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf der sich zwischen der Abgaselektrode (22) und der Referenzelektrode (52) ausbildenden Elektrodenspannung (V3) und ein Ermitteln eines fehlerbehafteten Abgassensors (10), wenn der ermittelte erste Lambdawert vom ermittelten zweiten Lambdawert um mehr als einen Abweichungsschwellenwert abweicht.The present invention relates to a method for diagnosing an exhaust gas sensor (10) for an internal combustion engine, an exhaust gas sensor (10) and an internal combustion engine. The exhaust gas sensor (10) comprises a main body (12), an exhaust gas electrode (22) attached to the main body (12), a pump cavity (20, 30) arranged in the main body (12), in which a pump electrode (24, 34) is arranged, and a reference cavity (50) arranged in the main body (12) in which a reference electrode (52) is arranged. The method according to the invention comprises extracting oxygen from the pump cavity (20, 30) by applying a pump current (IP0, IP1) to the pump electrode (24, 34), determining a first lambda value for the internal combustion engine at least partially based on the applied pump current ( IP0, IP1), determining a second lambda value for the internal combustion engine at least partially based on the electrode voltage (V3) developing between the exhaust gas electrode (22) and the reference electrode (52) and determining a faulty exhaust gas sensor (10) if the determined first Lambda value deviates from the determined second lambda value by more than a deviation threshold value.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Überprüfung der Messgenauigkeit eines Abgassensors für einen Brennkraftmaschine, einen Abgassensor und eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassensor.The present invention relates to a method for diagnosing an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, in particular for checking the measuring accuracy of an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, an exhaust gas sensor and an internal combustion engine with an exhaust gas sensor.

Abgassensoren, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, Lambdasonden und Sauerstoffsensoren, können auf dem amperometrischen Messprinzip beruhen, d. h. auf einer elektrochemischen Methode zur quantitativen Bestimmung von chemischen Stoffen. Insbesondere wird an einer Elektrode des Abgassensors ein elektrischer Strom derart eingestellt, dass sich ein zeitlich konstantes elektrochemisches Potential einstellt. Beispielsweise erlauben Stickoxidsensoren eine Messung der Stickoxidkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren. Dadurch wird z. B. eine optimale Steuerung und Regelung sowie Diagnose von Stickoxidkatalysatoren durch die Motorsteuerung ermöglicht.Exhaust gas sensors, such as nitrogen oxide sensors, lambda sensors and oxygen sensors, can be based on the amperometric measuring principle, i. H. on an electrochemical method for the quantitative determination of chemical substances. In particular, an electric current is set at an electrode of the exhaust gas sensor in such a way that an electrochemical potential that is constant over time is set. For example, nitrogen oxide sensors allow the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas of internal combustion engines, such as Otto or diesel engines, to be measured. This will e.g. B. enables optimal control and regulation as well as diagnosis of nitrogen oxide catalysts by the engine control.

Derartige Abgassensoren weisen einen aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörper auf, in dem Kavitäten mit zugeordneten Elektroden vorgesehen sind. Zudem ist im Hauptkörper eine Heizvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu heizen und auf dieser zu halten, beispielsweise bei ca. 850°C. Ferner ist es bei Abgassensoren, insbesondere Stickoxidsensoren, bekannt, diese derart zu betreiben, dass vorbestimmte Sollwerte für die Steuerung bzw. Regelung der sogenannten Nernstspannungen über die Lebenszeit des Abgassensors, insbesondere Stickoxidsensor, unveränderlich sind und somit ein Optimum zwischen dem Gleichgewicht von Sauerstoff und Stickoxid eingestellt wird. Über die Nernstspannungen werden die Sauerstoffkonzentrationen und somit die Zerlegung des Sauerstoff- und Stickoxidmoleküle in den einzelnen Kavitäten des Abgassensors, insbesondere Stickoxidsensor, bestimmt.Such exhaust gas sensors have a main body formed from a solid electrolyte, in which cavities with associated electrodes are provided. In addition, a heating device is arranged in the main body, which is designed to heat the main body to a predetermined operating temperature and to keep it at this, for example at approx. 850°C. Furthermore, with exhaust gas sensors, in particular nitrogen oxide sensors, it is known to operate them in such a way that predetermined target values for the control or regulation of the so-called Nernst voltages over the lifetime of the exhaust gas sensor, in particular nitrogen oxide sensors, are unchangeable and thus an optimum between the balance of oxygen and nitrogen oxide is set. The oxygen concentrations and thus the breakdown of the oxygen and nitrogen oxide molecules in the individual cavities of the exhaust gas sensor, in particular the nitrogen oxide sensor, are determined via the Nernst voltages.

Beispielhafte Vorrichtungen sind bekannt aus WO 2002/031486 A1 , US 8 312 707 B2 , DE 100 14 881 B4 , US 11 073 062 B2 , DE 101 61 901 B4 und US 6 301 878 B1 .Exemplary devices are known from US Pat WO 2002/031486 A1 , U.S. 8,312,707 B2 , DE 100 14 881 B4 , U.S. 11,073,062 B2 , DE 101 61 901 B4 and U.S. 6,301,878 B1 .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Diagnose eines Abgassensors, einen Abgassensor und eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem der Abgassensor im Hinblick auf seine Messgenauigkeit diagnostiziert werden kann.The present invention is based on the object of providing a method for diagnosing an exhaust gas sensor, an exhaust gas sensor and an internal combustion engine, with which the exhaust gas sensor can be diagnosed with regard to its measurement accuracy.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Abgassensor gemäß Anspruch 9 und einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with a method according to claim 1, an exhaust gas sensor according to claim 9 and an internal combustion engine according to claim 10. Advantageous configurations are specified in the dependent claims.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, einen Abgassensor für eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug im Hinblick auf seine Messgenauigkeit zu diagnostizieren. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Verfahren zur Diagnose eines Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, wie beispielsweise ein Stickoxidsensor, der dazu ausgebildet ist, ein erstes Lambdasignal, wie z B. ein lineares Lambdasignal, und ein zweites Lambdasignal, wie z. B. ein binäres Lambdasignal, auszugeben, die entweder miteinander oder jeweils mit einem Referenzwert verglichen werden können. Weichen beispielsweise die beiden unabhängig voneinander ermittelten Lambdasignale um mehr als einen vorbestimmten Abweichungsschwellenwert voneinander ab, kann ein fehlerbehafteter und/oder messungenauer Abgassensor diagnostiziert werden. Ebenfalls ist es möglich, die beiden unabhängig voneinander ermittelten Lambdawerte mit einem Referenzwert, wie beispielsweise einem Lambdawert von 1, zu vergleichen und bei einer zu großen Abweichung davon einen fehlerbehafteten Abgassensor zu diagnostizieren, wenn eine vorgeschaltete unabhängige Lambdasonde einen dritten Lambdawert von ungefähr 1 anzeigt. The present invention is essentially based on the idea of diagnosing an exhaust gas sensor for an internal combustion engine for a vehicle with regard to its measurement accuracy. In particular, this involves a method for diagnosing an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, such as a nitrogen oxide sensor, which is designed to use a first lambda signal, such as a linear lambda signal, and a second lambda signal, such as a linear lambda signal. B. a binary lambda signal, which can either be compared with each other or each with a reference value. If, for example, the two lambda signals determined independently of one another deviate from one another by more than a predetermined deviation threshold value, a faulty and/or incorrectly measured exhaust gas sensor can be diagnosed. It is also possible to compare the two lambda values determined independently of one another with a reference value, such as a lambda value of 1, and to diagnose a faulty exhaust gas sensor if the deviation from this is too great if an upstream independent lambda probe displays a third lambda value of approximately 1.

Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Diagnose eines einen Hauptkörper aufweisenden und in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensor vorgesehen, der eine an einer Außenseite des Hauptkörpers angebrachte Abgaselektrode, die mit dem Abgas in Verbindung steht, eine im Hauptkörper angeordnete Pumpkavität, in der eine Pumpelektrode angeordnet ist, und eine im Hauptkörper angeordnete und mit der Umgebungsluft verbundene Referenzkavität aufweist, in der eine Referenzelektrode angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität durch Anlegen eines Pumpstroms an der Pumpelektrode derart, dass eine sich zwischen der Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende Pumpspannung auf einem vorbestimmten Pumpspannungssollwert gehalten wird, ein Ermitteln eines ersten Lambdawerts für die Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf dem angelegten Pumpstrom, ein Ermitteln eines zweiten Lambdawerts für die Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf der sich aufgrund des im Abgas vorrätigen Sauerstoffs zwischen der Abgaselektrode und der Referenzelektrode ausbildenden Elektrodenspannung und ein Ermitteln eines fehlerbehafteten Abgassensors, wenn der ermittelte erste Lambdawert vom ermittelten zweiten Lambdawert um mehr als einen Abweichungsschwellenwert abweicht.Consequently, according to a first aspect of the present invention, a method for diagnosing an exhaust gas sensor having a main body and arranged in an exhaust line of an internal combustion engine is provided, which has an exhaust gas electrode attached to an outside of the main body, which is in communication with the exhaust gas, a pump cavity arranged in the main body , in which a pumping electrode is arranged, and has a reference cavity which is arranged in the main body and is connected to the ambient air and in which a reference electrode is arranged. The method according to the invention comprises extracting oxygen from the pump cavity by applying a pump current to the pump electrode in such a way that a pump voltage developing between the pump electrode and the reference electrode is kept at a predetermined pump voltage setpoint, determining a first lambda value for the internal combustion engine at least partially based on the applied pump current, determining a second lambda value for the internal combustion engine at least partially based on the electrode voltage that forms between the exhaust gas electrode and the reference electrode due to the oxygen present in the exhaust gas, and determining a faulty exhaust gas sensor if the determined first lambda value differs from the determined second lambda value by more than a deviation threshold.

Weicht der anhand des Pumpstroms ermittelte erste Lambdawert von dem anhand der Elektrodenspannung zwischen der Abgaselektrode und der Referenzelektrode ermittelte zweite Lambdawert um mehr als den Abweichungsschwellenwert voneinander ab, kann der Abgassensor als fehlerhaft diagnostiziert und messungenau analysiert werden.If the first lambda value determined using the pump current deviates from the second lambda value determined using the electrode voltage between the exhaust gas electrode and the reference electrode by more than the deviation threshold value, the exhaust gas sensor can be diagnosed as faulty and the measurements can be analyzed accurately.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Ermitteln eines dritten Lambdawerts mittels eines weiteren Abgassensors. Bei einer solchen bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Diagnose des Abgassensors dann, wenn der dritte Lambdawert in einem Bereich zwischen ungefähr 0,99 und 1,01, vorzugsweise in einem Bereich zwischen ungefähr 0,995 und 1,005, liegt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass der zweite Lambdawert, der als binärer Lambdawert bezeichnet werden kann, in einem engen Grenzbereich um das stöchiometrische Verhältnis von Lambda gleich 1 am messgenauesten ist und es folglich bevorzugt ist, die Diagnose durchzuführen, wenn mittels eines unabhängigen Abgassensors ein entsprechender Lambdawert ermittelt wird.The method preferably also includes determining a third lambda value using a further exhaust gas sensor. In such a preferred embodiment, the exhaust gas sensor is diagnosed when the third lambda value is in a range between approximately 0.99 and 1.01, preferably in a range between approximately 0.995 and 1.005. In particular, it has been found that the second lambda value, which can be referred to as a binary lambda value, is most accurate to measure in a narrow limit range around the stoichiometric ratio of lambda equal to 1, and it is therefore preferable to carry out the diagnosis when using an independent exhaust gas sensor a corresponding Lambda value is determined.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines Gradienten des ersten Lambdawerts. Bei einer derart bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Diagnose des Abgassensors dann, wenn der ermittelte Gradient des ersten Lambdawerts einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert überschreitet. Damit kann sichergestellt werden, dass die Diagnose auch während eines dynamischen Wechsels des Betriebszustands der Brennkraftmaschine stattfinden und durchgeführt werden kann. Ein Ziel dabei ist es, die Dynamik bzw. die Antwortzeit des ersten Lambdasignals zu überprüfen. Wenn beispielsweise das Lambdasignal einen hohen Gradienten hat, so kann erwartet werden, dass sich das tatsächliche Lambdasignal schnell ändert. Folglich ist ferner zu erwarten, dass auch das zweite Lambdasignal einen hohen Gradienten aufweist.In an advantageous embodiment, the method according to the invention also includes determining a gradient of the first lambda value. In such a preferred embodiment, the exhaust gas sensor is diagnosed when the determined gradient of the first lambda value exceeds a predetermined gradient threshold value. It can thus be ensured that the diagnosis can also take place and be carried out during a dynamic change in the operating state of the internal combustion engine. One goal is to check the dynamics or the response time of the first lambda signal. For example, if the lambda signal has a high gradient, the actual lambda signal can be expected to change rapidly. Consequently, it is also to be expected that the second lambda signal also has a high gradient.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines Gradienten des zweiten Lambdawerts. Bei einer derart bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Diagnose des Abgassensors dann, wenn der ermittelte Gradient des zweiten Lambdawerts einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert überschreitet.In a further advantageous embodiment, the method according to the invention also includes determining a gradient of the second lambda value. In such a preferred embodiment, the exhaust gas sensor is diagnosed when the determined gradient of the second lambda value exceeds a predetermined gradient threshold value.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines quasistationären Betriebszustands der Brennkraftmaschine. Bei einer solchen derart vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Diagnose des Abgassensors während eines ermittelten quasistationären Betriebszustands der Brennkraftmaschine. Ein quasistationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sich sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment und die durch den Abgastrakt strömende Gasmasse (bestehend aus Luft und Abgasen) nur geringfügig ändert und im Wesentlichen konstant bleibt.In a further advantageous embodiment, the method according to the invention also includes determining a quasi-stationary operating state of the internal combustion engine. In such an advantageous embodiment of the method according to the invention, the exhaust gas sensor is diagnosed during a determined quasi-stationary operating state of the internal combustion engine. A quasi-stationary operating state of the internal combustion engine is characterized in that both the speed and the torque and the gas mass (consisting of air and exhaust gases) flowing through the exhaust tract change only slightly and remain essentially constant.

Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine. Die Diagnose des Abgassensors erfolgt dabei dann während einer ermittelten Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine. Eine Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht getrenntem Kraftschluss die Brennkraftmaschine durch das Fahrzeug geschleppt wird, also in Drehbewegung gehalten wird. Gleichzeitig wird bei der Brennkraftmaschine die Kraftstoffzufuhr unterbrochen.The method according to the invention preferably also includes determining an overrun fuel cutoff phase of the internal combustion engine. The exhaust gas sensor is then diagnosed during a determined overrun fuel cutoff phase of the internal combustion engine. An overrun cut-off phase of the internal combustion engine is characterized in that the internal combustion engine is dragged through the vehicle, ie it is kept rotating, if the frictional connection is not separated. At the same time, the fuel supply is interrupted in the internal combustion engine.

Dabei kann es bevorzugt sein, dass das Verfahren ferner ein Ermitteln, dass der erste Lambdawert größer oder kleiner ist als ein vorbestimmter erster Lambdaschwellenwert und/oder ein Ermitteln, dass der zweite Lambdawert größer oder kleiner ist als ein vorbestimmter zweiter Lambdaschwellenwert, aufweist. Der vorbestimmte erste Lambdaschwellenwert und/oder der vorbestimmte zweite Lambdaschwellenwert können beispielsweise ein Lambdawert gleich 1 sein. Dabei soll insbesondere überprüft werden, ob der lineare oder der binäre Lambdawert von 1 abweicht, obwohl aktuell ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit Lambda gleich 1 vorliegt. Letzteres kann beispielsweise mit einem quasistationären Betriebszustand und einer vorgeschalteten Lambdasonde sichergestellt werden. Dabei kann es ein Ziel sein, eine unabhängige Prüfung der beiden Lambdasignale durchzuführen, um einen eventuelle Drift der beiden Abgassensoren zu erkennen.It can be preferred that the method further includes determining that the first lambda value is greater or smaller than a predetermined first lambda threshold value and/or determining that the second lambda value is greater or smaller than a predetermined second lambda threshold value. The predetermined first lambda threshold value and/or the predetermined second lambda threshold value can be a lambda value equal to 1, for example. In particular, it should be checked whether the linear or the binary lambda value deviates from 1, although the internal combustion engine is currently in an operating state with lambda equal to 1. The latter can be ensured, for example, with a quasi-stationary operating state and an upstream lambda probe. One goal can be to carry out an independent test of the two lambda signals in order to detect any drift in the two exhaust gas sensors.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vorzugweise ferner ein Ermitteln, dass der erste Lambdawert von dem Lambdawert = 1 um nicht mehr als einen vorbestimmten ersten Lambdaabweichungsschwellenwert abweicht und/oder ein Ermitteln, dass der zweite Lambdawert von dem Lambdawert gleich 1 um nicht mehr als einen vorbestimmten zweiten Lambdaabweichungsschwellenwert abweicht. Der vorbestimmte erste Lambdaabweichungsschwellenwert beträgt ungefähr 0,01, vorzugsweise 0,005 und/oder der vorbestimmte zweite Lambdaabweichungsschwellenwert beträgt ungefähr 0,01, vorzugsweise 0,005. In a further embodiment, the method according to the invention preferably also includes determining that the first lambda value deviates from the lambda value=1 by no more than a predetermined first lambda deviation threshold value and/or determining that the second lambda value differs from the lambda value equal to 1 by no more than a predetermined second lambda error threshold. The predetermined first lambda error threshold is approximately 0.01, preferably 0.005 and/or the predetermined second lambda error threshold is approximately 0.01, preferably 0.005.

Der Abweichungsschwellenwert beträgt vorzugsweise ungefähr 5 %, noch bevorzugter ungefähr 3 % des ersten Lambdawerts.The deviation threshold is preferably about 5%, more preferably about 3% of the first lambda value.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abgassensor für eine Brennkraftmaschine offenbart, der einen Hauptkörper, eine an einer Außenseite des Hauptkörpers angebrachte Abgaselektrode, die mit dem Abgas in Verbindung steht, eine im Hauptkörper angeordnete Pumpkavität, in der eine Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete und mit der Umgebungsluft verbundene Referenzkavität, in der eine Referenzelektrode angeordnet ist, und eine Steuereinheit aufweist, die mit der Abgaselektrode, der Pumpelektrode und der Referenzelektrode verbunden und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zur Diagnose des Abgassensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.According to another aspect of the present invention, an exhaust gas sensor for an internal combustion engine is disclosed, comprising a main body, an exhaust electrode attached to an outside of the main body and communicating with the exhaust gas, a pump cavity arranged in the main body in which a pump electrode is arranged, a reference cavity arranged in the main body and connected to the ambient air, in which a reference electrode is arranged, and having a control unit which is connected to the exhaust gas electrode, the pump electrode and the reference electrode and is designed to carry out a method for diagnosing the exhaust gas sensor according to one of the preceding claims .

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgassensor offenbart.According to a further aspect of the present invention, an internal combustion engine with an exhaust gas sensor according to the invention is disclosed.

Weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

  • 1 eine schematische Schnittansicht durch einen in Form eines Stickoxidsensors beispielhaft dargestellten Abgassensors für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs zeigt, und
  • 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgassensors zeigt.
Other features and objects of the invention will become apparent to those skilled in the art by practicing the present teachings and considering the accompanying drawings, in which:
  • 1 shows a schematic sectional view through an exhaust gas sensor for an internal combustion engine of a vehicle, shown as an example in the form of a nitrogen oxide sensor, and
  • 2 shows an exemplary flowchart of a method according to the invention for operating an exhaust gas sensor.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind amperometrisch arbeitende Sensoren, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, Lambdasonden und Sauerstoffsensoren, dadurch gekennzeichnet, dass deren Messprinzip auf der Amperometrie basiert, d. h. auf einer elektrochemischen Methode zur quantitativen Bestimmung von chemischen Stoffen. Insbesondere wird an einer Arbeitselektrode ein elektrischer Strom derart eingestellt, dass sich ein zeitlich konstantes elektrochemisches Potential einstellt.Within the scope of the present disclosure, amperometric sensors, such as nitrogen oxide sensors, lambda sensors and oxygen sensors, are characterized in that their measuring principle is based on amperometry, i. H. on an electrochemical method for the quantitative determination of chemical substances. In particular, an electric current is set at a working electrode in such a way that an electrochemical potential that is constant over time is set.

Ferner umfasst im Rahmen der vorliegenden Offenbarung der Begriff „Steuerung“ die regelungstechnischen Begriffe „Steuern“ und „Regeln“. Der Fachmann wird jeweils erkennen, wann ein regelungstechnisches Steuern und wann ein regelungstechnisches Regeln anzuwenden ist.Furthermore, within the scope of the present disclosure, the term “control” includes the control engineering terms “control” and “regulate”. The person skilled in the art will recognize in each case when control by regulation and when regulation by regulation is to be used.

Die 1 zeigt einen beispielhaften Stickoxidsensor 10, der exemplarisch für einen Abgassensor steht. Folglich ist die vorliegende Erfindung auch dazu bedacht, bei sämtlichen Abgassensoren für Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge eingesetzt zu werden, die zum Bestimmen von chemischen Stoffen eingesetzt werden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung bei Abgassensoren anwendbar, die einen keramischen Grundträger mit zumindest einem daran angebrachten Elektrodenpaar aufweisen.the 1 shows an exemplary nitrogen oxide sensor 10, which is an example of an exhaust gas sensor. Accordingly, the present invention is also intended to be applied to any exhaust gas sensors for vehicle internal combustion engines that are used to detect chemical substances. In particular, the present invention is applicable to exhaust gas sensors that have a ceramic base support with at least one pair of electrodes attached thereto.

Unter Verweis auf die 1 ist eine schematische Schnittansicht des beispielhaften Stickoxidsensor 10 dargestellt, der dazu ausgebildet ist, in einem Abgasstrakt einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet zu werden und den Stickoxidgehalt bzw. den Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine quantitativ zu erfassen.Referring to the 1 a schematic sectional view of exemplary nitrogen oxide sensor 10 is shown, which is designed to be arranged in an exhaust line of an internal combustion engine (not shown) and to quantitatively detect the nitrogen oxide content or the oxygen content in the exhaust gas of the internal combustion engine.

Der Stickoxidsensor 10 weist einen Hauptkörper 12 aus einem Feststoffelektrolyten auf, der vorzugsweise aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder durch einen Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid gebildet ist. Zusätzlich kann ein Mischkristall aus Hafniumoxid, ein Mischkristall aus Perowskit-basierten Oxiden oder ein Mischkristall aus trivalentem Metalloxid verwendet werden, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3). Der Hauptkörper 12 bildet ein Sensorelement des Abgassensors 10. Der Hauptkörper 12 kann somit auch als Sensorelement bezeichnet werden.The nitrogen oxide sensor 10 has a main body 12 made of a solid electrolyte, which is preferably formed from a mixed crystal of zirconium oxide and yttrium oxide and/or by a mixed crystal of zirconium oxide and calcium oxide. In addition, a mixed crystal of hafnium oxide, a mixed crystal of perovskite-based oxides, or a mixed crystal of trivalent metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) can be used. The main body 12 forms a sensor element of the exhaust gas sensor 10. The main body 12 can thus also be referred to as a sensor element.

Innerhalb des Hauptkörpers 12 des exemplarisch dargestellten Stickoxidsensors 10 sind eine erste Pumpkavität 20, eine zweite Pumpkavität 30 und eine Messkavität 40 vorgesehen. Die erste Pumpkavität 20 ist über einen Verbindungspfad 15 mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 verbunden. Insbesondere kann Abgas durch den Verbindungspfad 15 in die erste Pumpkavität 20 strömen bzw. gelangen. Die zweite Pumpkavität 30 ist mit der ersten Pumpkavität 20 über einen ersten Diffusionspfad 25 verbunden. Die Messkavität 40 ist mit der zweiten Pumpkavität 30 über einen zweiten Diffusionspfad 35 verbunden.A first pump cavity 20, a second pump cavity 30 and a measuring cavity 40 are provided within the main body 12 of the nitrogen oxide sensor 10 illustrated as an example. The first pump cavity 20 is connected to the outside of the main body 12 via a connection path 15 . In particular, exhaust gas can flow or get into the first pump cavity 20 through the connection path 15 . The second pump cavity 30 is connected to the first pump cavity 20 via a first diffusion path 25 . The measurement cavity 40 is connected to the second pump cavity 30 via a second diffusion path 35 .

Der erste Diffusionspfad 25 und/oder zweite Diffusionspfad 35 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Gasgemisch mit einer vorbestimmten Rate gelangen kann. Alternativ kann der erste Diffusionspfad 25 und/oder zweite Diffusionspfad 35 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein.The first diffusion path 25 and/or second diffusion path 35 is provided, for example, in the form of a very thin slit through which the gas mixture can pass at a predetermined rate. Alternatively, the first diffusion path 25 and/or second diffusion path 35 may be filled or padded with a porous filler to form a diffusion rate control layer.

Der erste Diffusionspfad 25 und/oder der zweite Diffusionspfad 35 sind derart ausgebildet, dass durch diese hindurch das Gasgemisch nur teilweise gelangen kann. Durch Kenntnis der Querschnitte des ersten und/oder zweiten Diffusionspfads 25, 35 und/oder durch Kenntnis der jeweiligen porösen Füllmittel kann die Diffusionsrate durch den ersten und/oder zweiten Diffusionspfad 25, 35 bestimmt und festgelegt werden.The first diffusion path 25 and/or the second diffusion path 35 are designed in such a way that the gas mixture can only partially pass through them. By knowing the cross sections of the first and/or second diffusion path 25, 35 and/or by knowing the respective porous fillers, the diffusion rate through the first and/or second diffusion path 25, 35 can be determined and fixed.

In einer alternativen Ausgestaltung des exemplarisch als Stickoxidsensor 10 ausgebildeten Abgassensors sind im Hauptkörper 12 nur eine Pumpkavität 20, 30 mit einer der Pumpelektroden 24, 34 und die Messkavität 40 mit der Messelektrode 44 vorgesehen.In an alternative configuration of the exhaust gas sensor designed as an example of a nitrogen oxide sensor 10 , only one pump cavity 20 , 30 with one of the pump electrodes 24 , 34 and the measuring cavity 40 with the measuring electrode 44 are provided in the main body 12 .

Im Hauptkörper 12 ist außerdem eine Referenzkavität 50 gebildet, die direkt mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 in Verbindung steht. Innerhalb der Referenzkavität 50 ist eine Referenzelektrode 52 angeordnet. Insbesondere steht die Referenzkavität 50 mit der Umgebungsluft, d. h. nicht mit dem Abgas, in Verbindung und ist dazu ausgebildet, eine Sauerstoffreferenz für die im Stickoxidsensor 10 angeordneten verschiedenen Elektroden zu bilden.Also formed in the main body 12 is a reference cavity 50 which communicates directly with the exterior of the main body 12 . A reference electrode 52 is arranged within the reference cavity 50 . In particular, the reference cavity 50 is in contact with the ambient air, i. H. not connected to the exhaust gas, and is designed to form an oxygen reference for the various electrodes arranged in the nitrogen oxide sensor 10 .

An einer Außenseite des Hauptkörpers 12 ist eine Abgaselektrode 22 (auch „P+“ Elektrode genannt) angeordnet. Insbesondere kann während eines Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines Referenzstroms an der Abgaselektrode 22 der im Abgas befindliche Sauerstoff ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen zur Referenzelektrode 52 diffundieren und dort wieder in Sauerstoffmoleküle zur Ausbildung einer Sauerstoffreferenz umgewandelt werden.An exhaust gas electrode 22 (also called “P+” electrode) is arranged on an outer side of the main body 12 . In particular, during a measuring operation of nitrogen oxide sensor 10, the oxygen in the exhaust gas can be ionized by applying a reference current to exhaust gas electrode 22 and can diffuse through main body 12 as oxygen ions to reference electrode 52, where they are converted back into oxygen molecules to form an oxygen reference.

Innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ist eine erste Pumpelektrode 24 (auch „P-“ Elektrode genannt) angeordnet. Insbesondere kann während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines ersten Pumpstroms IP0 an der ersten Pumpelektrode 24 der im Abgas befindliche Sauerstoff innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen. Aufgrund der aus der ersten Pumpkavität 20 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der ersten Pumpelektrode 24 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine erste Elektrodenspannung bzw. erste Nernstspannung V0 aus. Genauer gesagt bildet sich die erste Elektrodenspannung bzw. die erste Nernstspannung V0 direkt aus dem in der ersten Pumpkavität 20 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.A first pumping electrode 24 (also called “P” electrode) is arranged inside the first pumping cavity 20 . In particular, the oxygen in the exhaust gas can be ionized within the first pump cavity 20 during the measuring operation of the nitrogen oxide sensor 10 by applying a first pump current IP0 to the first pump electrode 24 and migrate or pass through the main body 12 as oxygen ions. Due to the oxygen ions discharged from the first pump cavity 20, a first electrode voltage or first Nernst voltage V0 is formed indirectly between the first pump electrode 24 and the reference electrode 52. More precisely, the first electrode voltage or the first Nernst voltage V0 is formed directly from the residual oxygen still present in the first pump cavity 20 .

Innerhalb der zweiten Pumpkavität 30 ist eine zweite Pumpelektrode 34 (auch „M1“ Elektrode genannt) angeordnet. Hier kann während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines zweiten Pumpstroms IP1 an der zweiten Pumpelektrode 34 der im Gasgemisch befindliche Sauerstoff innerhalb der zweiten Pumpkavität 30 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen. Aufgrund der aus der zweiten Pumpkavität 30 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der zweiten Pumpelektrode 34 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine zweite Elektrodenspannung bzw. zweite Nernstspannung V1 aus. Genauer gesagt bildet sich die zweite Elektrodenspannung bzw. die zweite Nernstspannung V1 direkt aus dem in der zweiten Pumpkavität 30 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.A second pumping electrode 34 (also referred to as “M1” electrode) is arranged within the second pumping cavity 30 . Here, during the measurement operation of the nitrogen oxide sensor 10 , the oxygen present in the gas mixture within the second pump cavity 30 can be ionized by applying a second pump current IP1 to the second pump electrode 34 and migrate or pass through the main body 12 as oxygen ions. Due to the oxygen ions discharged from the second pump cavity 30, a second electrode voltage or second Nernst voltage V1 is formed indirectly between the second pump electrode 34 and the reference electrode 52. More precisely, the second electrode voltage or the second Nernst voltage V1 is formed directly from the residual oxygen still present in the second pump cavity 30 .

Innerhalb der Messkavität 40 ist eine Messelektrode 44 (auch „M2“ Elektrode genannt) angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 bei Anlegen eines Messstroms IP2 den innerhalb der Messkavität 40 vorhandenen Sauerstoff und/oder Stickoxide zu ionisieren, so dass die Sauerstoffionen durch den Hauptkörper 12 wandern bzw. gelangen können. Aufgrund der aus der Messkavität 40 ausgebrachten bzw. herausgepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 52 eine dritte Elektrodenspannung bzw. dritte Nernstspannung bzw. Messspannung V2 aus, die durch Anlegen des Messstroms IP2 an der Messelektrode 44 auf konstantem Wert gehalten werden soll. Genauer gesagt bildet sich die dritte Elektrodenspannung bzw. die dritte Nernstspannung bzw. Messspannung V2 direkt aus dem in der Messkavität 40 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff. Der angelegte Messstrom IP2 ist dann ein Indiz für den innerhalb des Abgases befindlichen Stickoxidgehalt.A measuring electrode 44 (also called an “M2” electrode) is arranged inside measuring cavity 40 and is designed to ionize the oxygen and/or nitrogen oxides present inside measuring cavity 40 when a measuring current IP2 is applied during measuring operation of nitrogen oxide sensor 10, so that the oxygen ions can migrate or pass through the main body 12 . Due to the oxygen ions discharged or pumped out of the measuring cavity 40, a third electrode voltage or third Nernst voltage or measuring voltage V2 forms between the measuring electrode 44 and the reference electrode 52, which is to be kept at a constant value by applying the measuring current IP2 to the measuring electrode 44 . More precisely, the third electrode voltage or the third Nernst voltage or measurement voltage V2 is formed directly from the residual oxygen still present in the measurement cavity 40 . The measuring current IP2 applied is then an indication of the nitrogen oxide content in the exhaust gas.

Während des Betriebs des Abgassensors 10 bildet sich aufgrund der elektrochemischen Prozesse im Hauptkörper 12 eine vierte Nernstspannung bzw. Elektrodenspannung V3 zwischen der Abgaselektrode 22 und der Referenzelektrode 52 aus, die zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration im Abgas herangezogen werden kann. Zur Auswertung der vierten Elektrodenspannung V3 können Analyseverfahren herangezogen werden, mit Hilfe deren der Sauerstoffgehalt im Abgas ermittelt werden kann. Insbesondere handelt es sich bei der Ermittlung des Sauerstoffwerts mittels der vierten Elektrodenspannung V3 um eine vom Ermitteln des Sauerstoffwerts mittels des ersten Pumpstroms IP0 unabhängige Ermittlung. Die vierte Elektrodenspannung V3 bildet sich insbesondere aufgrund des im Abgas vorrätigen Sauerstoffs. Dabei kann die vierte Elektrodenspannung V3 den Unterschied des Sauerstoffgehalts an der Abgaselektrode 22 und dem Sauerstoffgehalt an der Referenzelektrode, der im Wesentlichen 21 % liegt, angeben. Wenn beispielsweise während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine im Wesentlichen Sauerstoff durch den Abgastrakt der Brennkraftmaschine strömt, beträgt die vierte Elektrodenspannung V3 im Wesentlichen 0 V.During the operation of exhaust gas sensor 10, a fourth Nernst voltage or electrode voltage V3 forms between exhaust gas electrode 22 and reference electrode 52 due to the electrochemical processes in main body 12, which fourth Nernst voltage can be used to determine the oxygen concentration in the exhaust gas. Analysis methods can be used to evaluate the fourth electrode voltage V3, with the help of which the oxygen content in the exhaust gas can be determined. In particular, the determination of the oxygen value using the fourth electrode voltage V3 is a determination that is independent of the determination of the oxygen value using the first pump current IP0. The fourth electrode voltage V3 is formed in particular due to the oxygen present in the exhaust gas. The fourth electrode voltage V3 can indicate the difference between the oxygen content at the exhaust gas electrode 22 and the oxygen content at the reference electrode, which is essentially 21%. If, for example, during an overrun fuel cut-off phase of the internal combustion engine, essentially oxygen flows through the exhaust tract of the internal combustion engine, the fourth electrode voltage V3 is essentially 0 V.

Somit weist der in der 1 gezeigte Stickoxidsensor 10, der beispielhaft für einen auf dem amperometrisch Messprinzip basierenden Sensor steht, drei relevante Elektrodenpaare auf, nämlich ein erstes Elektrodenpaar bestehend aus der ersten Pumpelektrode 24 und der Abgaselektrode 22, ein zweites Elektrodenpaar bestehend aus der zweiten Pumpelektrode 34 und der Abgaselektrode 22 und ein drittes Elektrodenpaar bestehend aus der Messelektrode 44 und der Abgaselektrode 22.Thus, the in the 1 The nitrogen oxide sensor 10 shown, which is an example of a sensor based on the amperometric measuring principle, has three relevant pairs of electrodes, namely a first pair of electrodes consisting of the first pump electrode 24 and the exhaust gas electrode 22, a second pair of electrodes consisting of the second pump electrode 34 and the exhaust gas electrode 22 and a third pair of electrodes consisting of the measuring electrode 44 and the exhaust gas electrode 22.

Die an der ersten und zweiten Pumpelektrode 24, 34 anliegenden Pumpströme IP0 und IP1 sind derart eingestellt, das bevorzugt nur der im Gasgemisch befindliche Sauerstoff ionisiert wird, jedoch nicht die im Gasgemisch vorhandenen Stickoxide. Insbesondere ist die erste Pumpelektrode 24 dazu ausgebildet, während des Normalbetriebs des Stickoxidsensors 10 nahezu den gesamten Sauerstoff aus dem Abgas zu pumpen bzw. einen vorbestimmten Sauerstoffschlupf aus der ersten Pumpkavität 20 in die zweite Pumpkavität 30 zuzulassen. Die zweite Pumpelektrode 34 ist dazu ausgebildet, den aus der ersten Pumpkavität 20 noch nicht herausgepumpten Sauerstoff zu ionisieren und abzuleiten, so dass die im Gasgemisch, das in der Messkavität 40 vorhanden ist, gebundenen Sauerstoffionen lediglich mit Stickstoff gebunden ist und als Stickoxide vorliegen. Die Messelektrode 44 ist dazu ausgebildet, die Stickoxide zu ionisieren, wobei der an der Messelektrode 44 angelegte Messstrom IP2 ein Maß für den Stickoxidgehalt im Abgas ist.The pump currents IP0 and IP1 applied to the first and second pump electrodes 24, 34 are set in such a way that preferably only the oxygen present in the gas mixture is ionized, but not the nitrogen oxides present in the gas mixture. In particular, first pump electrode 24 is designed to pump almost all of the oxygen out of the exhaust gas during normal operation of nitrogen oxide sensor 10 or to allow a predetermined oxygen slip from first pump cavity 20 into second pump cavity 30 . The second pumping electrode 34 is designed to ionize and drain off the oxygen that has not yet been pumped out of the first pumping cavity 20, so that the oxygen ions bound in the gas mixture present in the measuring cavity 40 are bound only with nitrogen and are present as nitrogen oxides. Measuring electrode 44 is designed to ionize the nitrogen oxides, measuring current IP2 applied to measuring electrode 44 being a measure of the nitrogen oxide content in the exhaust gas.

Innerhalb des Hauptkörpers 12 ist ferner eine Heizvorrichtung 60 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper 12 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu heizen und auf dieser zu halten, beispielsweise bei ca. 850°C.Also arranged within the main body 12 is a heating device 60 which is designed to heat the main body 12 to and maintain it at a predetermined operating temperature, for example at approximately 850°C.

Die Betriebsweise zum Ermitteln des Stickoxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine mittels des offenbarten Stickoxidsensors 10 ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt, auf den an dieser Stelle verwiesen wird. Das aus dem Stand der Technik bekannte regelungstechnische Steuerungsprinzip für den Stickoxidsensor 10 der 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Elektrodenspannungen bzw. Nernstspannungen V0, V1, V2 durch Anlegen und Anpassen der Pumpströme IP0, IP1 und des Messstroms IP2 auf jeweils vorbestimmten Sollwerten gehalten werden, die über die Lebenszeit des Stickoxidsensors 10 unveränderlich sind und von Werk aus einmalig vorbestimmt sein können. Hierzu weist der Stickoxidsensor 10 eine Steuereinheit (nicht explizit gezeigt) auf, die mit den Elektroden 22, 24, 34, 44, 52 elektrisch verbunden und dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Elektroden mit elektrischem Strom anzusteuern, damit die jeweiligen Elektrodenspannungen bzw. Messspannung bzw. Nernstspannungen V0, V1 V2 auf den vorbestimmten Sollwerten gehalten werden.The mode of operation for determining the nitrogen oxide content in the exhaust gas of the internal combustion engine using the disclosed nitrogen oxide sensor 10 is already known from the prior art, to which reference is made at this point. The control principle known from the prior art for the nitrogen oxide sensor 10 of 1 is characterized in particular by the fact that the respective electrode voltages or Nernst voltages V0, V1, V2 are kept at respectively predetermined target values by applying and adjusting the pump currents IP0, IP1 and the measuring current IP2, which are unchangeable over the lifetime of the nitrogen oxide sensor 10 and from the factory can be predetermined once. To this end, the nitrogen oxide sensor 10 has a control unit (not explicitly shown) which is electrically connected to the electrodes 22, 24, 34, 44, 52 and is designed to activate the respective electrodes with electric current so that the respective electrode voltages or measurement voltage or Nernst voltages V0, V1 V2 are maintained at the predetermined set values.

Der erste Pumpstrom IP0 kann also den Sauerstoffgehalt im Abgas anzeigen. Ferner kann auf der Grundlage des ersten Pumpstroms IP0 ein erster Lambdawert ermittelt werden, der als linearer Lambdawert bezeichnet werden kann. Der Abgassensor 10 kann also lineare Lambdasonde fungieren. Wenn vorliegend von einer linearen Lambdasonde (oder einem linearen Lambdawert) gesprochen wird, so handelt es sich dabei insbesondere um eine Breitbandsonde. Mit der linearen Lambdasonde lässt sich nicht nur zwischen „mager“ und „fett“ unterscheiden, sondern es wird aufgrund eines im Wesentlichen linearen Zusammenhangs zwischen einem Messwert und dem Sauerstoffgehalt des Abgasstroms der Lambdawert bzw. der Sauerstoffgehalt des Abgasstroms genau gemessen. Die Breitbandsonde misst daher nicht nur z.B. in einem stöchiometrischen Punkt Lambda = 1, sondern auch im mageren und im fetten Bereich die genauen Beträge und kann einen Übergang des Gemischs von mager zu fett oder umgekehrt darstellen.The first pump current IP0 can therefore indicate the oxygen content in the exhaust gas. Furthermore, a first lambda value, which can be referred to as a linear lambda value, can be determined on the basis of the first pump current IP0. The exhaust gas sensor 10 can therefore function as a linear lambda probe. If a linear lambda probe (or a linear lambda value) is mentioned in the present case, this is in particular a broadband probe. With the linear lambda probe, it is not only possible to differentiate between "lean" and "rich", but the lambda value or the oxygen content of the exhaust gas flow is measured precisely on the basis of an essentially linear relationship between a measured value and the oxygen content of the exhaust gas flow. The broadband sensor therefore not only measures e.g. in a stoichiometric point lambda = 1, but also in the lean and in the rich range the exact amounts and can show a transition of the mixture from lean to rich or vice versa.

Zudem kann basierend auf der vierten Elektrodenspannung V3 ein zweiter Lambdawert ermittelt werden, der als binärer Lambdawert bezeichnet werden kann. Wenn vorliegend von einer binären Lambdasonde (oder einem binären Lambdawert) gesprochen wird, so handelt es sich dabei insbesondere um eine Sprungsonde. Die binäre Lambdasonde ist insbesondere dazu eingerichtet, einen ersten Wert für ein mageres Gemisch und einen zweiten Wert für ein fettes Gemisch auszugeben. „Binär“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Lambdasonde die zwei Zustände „fett“ und „mager“ messen kann, also z.B. Lambda > 1 und Lambda < 1 unterscheiden kann. Insbesondere kann sich dabei zu Nutze gemacht werden, dass die Kennlinie im Fetten und Mageren nicht flach ist, sondern eine geringere Steigung aufweist als im Sprungpunkt. Da aber stromabwärts des Katalysators die Konzentrationsänderungen relativ langsam sind, kann die Spannung gut ermittelt werden und über die Kennlinie in ein Lambda umgerechnet werden.In addition, based on the fourth electrode voltage V3, a second lambda value can be determined, which can be referred to as a binary lambda value. When a binary lambda probe (or a binary lambda value) is mentioned here, it is in particular a jump probe. The binary lambda probe is set up in particular to output a first value for a lean mixture and a second value for a rich mixture. In this context, "binary" means that the lambda probe can measure the two states "rich" and "lean", e.g. can distinguish between lambda > 1 and lambda < 1. In particular, it is possible to take advantage of the fact that the characteristic curve is not flat in the rich and lean ranges, but has a lower gradient than at the jump point. However, since the concentration changes are relatively slow downstream of the catalytic converter, the voltage can be determined easily and converted into a lambda via the characteristic curve.

Unter Verweis auf die 2 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose des als Stickoxidsensor ausgebildeten Abgassensors 10 der 1 dargestellt.Referring to the 2 FIG. 12 is an exemplary flow chart of a method according to the invention for diagnosing exhaust gas sensor 10, which is designed as a nitrogen oxide sensor 1 shown.

Das Verfahren der 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem der Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Beispielsweise kann beim Schritt 210 ermittelt werden, dass sich die Brennkraftmaschine in einem quasistationären Betriebszustand befindet, bei dem sich die Drehzahl, das Drehmoment und der durch den Abgastrakt strömende Gasmassenstrom nur geringfügig ändert, vorzugsweise im Wesentlichen konstant bleibt.The procedure of 2 starts at step 200 and then proceeds to step 210, at which the operating state of the internal combustion engine is determined. For example, it can be determined in step 210 that the internal combustion engine is in a quasi-stationary operating state in which the speed, the torque and the gas mass flow flowing through the exhaust tract change only slightly, preferably remaining essentially constant.

Wenn beim Schritt 210 ein quasistationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt worden ist, gelangt das Verfahren zum Schritt 220, an dem basierend auf dem ersten Pumpstrom IP0 der erste Lambdawert, auch linearer Lambdawert genannt, ermittelt wird. Das Ermitteln des ersten bzw. linearen Lambdawerts erfolgt dabei anhand von in der Steuereinheit hinterlegten charakteristischen Kennlinien und Zuordnungsvorschriften und ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.If a quasi-stationary operating state of the internal combustion engine has been determined in step 210, the method proceeds to step 220, at which based on the first pump current IP0 the first lambda value, also called linear lambda value, is determined. The first or linear lambda value is determined using characteristic curves and assignment rules stored in the control unit and is well known from the prior art.

In einem darauffolgenden Schritt 230, der auch zeitlich vor dem Schritt 220 oder zeitgleich zum Schritt 220 erfolgen kann, wird anhand der vierten Elektrodenspannung V3 der zweite Lambdawert ermittelt, der auch als binärer Lambdawert bezeichnet werden kann.In a subsequent step 230, which can also take place before step 220 or at the same time as step 220, the second lambda value, which can also be referred to as the binary lambda value, is determined using the fourth electrode voltage V3.

In einem darauffolgenden Schritt 240 wird der erste Lambdawert mit dem zweiten Lambdawert verglichen. Wird beim Schritt 240 festgestellt, dass der erste Lambdawert vom zweiten Lambdawert um mehr als einen vorbestimmten Abweichungsschwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 250 und es wird ein fehlerbehafteter und nicht mehr ordnungsgemäß funktionierender bzw. nicht mehr ausreichend messgenauer Abgassensor 10 festgestellt, bevor das Verfahren beim Schritt 270 endet. Zusätzlich kann beim Schritt 250 eine Warnung an den Betreiber der Brennkraftmaschine ausgegeben werden, die auf den als fehlerhaft diagnostizierten Abgassensor 10 hinweist.In a subsequent step 240, the first lambda value is compared with the second lambda value. If it is determined in step 240 that the first lambda value deviates from the second lambda value by more than a predetermined deviation threshold value, the method advances to step 250 and a faulty exhaust gas sensor 10 that is no longer functioning properly or is no longer sufficiently accurate is determined before the method ends at step 270. In addition, in step 250 a warning can be issued to the operator of the internal combustion engine, which indicates that the exhaust gas sensor 10 has been diagnosed as faulty.

Wird hingegen beim Schritt 240 festgestellt, dass der ermittelte erste Lambdawert von dem ermittelten zweiten Lambdawert um nicht mehr als den vorbestimmten Abweichungsschwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 260, an dem ein fehlerfreier und ausreichend messgenauer Abgassensor 10 festgestellt wird, bevor das Verfahren wiederum beim Schritt 270 endet.If, on the other hand, it is determined in step 240 that the determined first lambda value does not deviate from the determined second lambda value by more than the predetermined deviation threshold value, the method proceeds to step 260, at which an error-free and sufficiently measuring-accurate exhaust gas sensor 10 is determined before the method starts again at Step 270 ends.

Beim Schritt 210 kann alternativ eine Schubabschaltungsphase als Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt werden, während dem das weitere Verfahren und die weiteren Verfahrensschritte 220 bis 260 durchgeführt werden können.In step 210, an overrun fuel cut-off phase can alternatively be determined as the operating state of the internal combustion engine, during which the further method and the further method steps 220 to 260 can be carried out.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn beim Schritt 210 zusätzlich oder alternativ ein dritter Lambdawert von einem weiteren (anderen) Abgassensor ermittelt wird. Wenn der ermittelte dritte Lambdawert in einem Bereich um den Lambdawert = 1 liegt, können dann die weiteren Schritte 220 bis 260 für die Diagnose des Abgassensors 10 durchgeführt werden.Furthermore, it can be advantageous if, in step 210, a third lambda value is additionally or alternatively determined by a further (different) exhaust gas sensor. If the determined third lambda value is in a range around the lambda value=1, then the further steps 220 to 260 for the diagnosis of the exhaust gas sensor 10 can be carried out.

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Claims (11)

Verfahren zur Diagnose eines einen Hauptkörper (12) aufweisenden und in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors (10), der eine an einer Außenseite des Hauptkörpers (12) angebrachte Abgaselektrode (22), die mit dem Abgas in Verbindung steht, eine im Hauptkörper (12) angeordnete Pumpkavität (20, 30), in der eine Pumpelektrode (24, 34) angeordnet ist, und eine im Hauptkörper (12) angeordnete und mit der Umgebungsluft verbundene Referenzkavität (50) aufweist, in der eine Referenzelektrode (52) angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: - Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität (20, 30) durch Anlegen eines Pumpstroms (IP0, IP1) an der Pumpelektrode (24, 34) derart, dass eine sich zwischen der Pumpelektrode (24, 34) und der Referenzelektrode (52) ausbildende Pumpspannung (V0, V1) auf einem vorbestimmten Pumpspannungssollwert gehalten wird, - Ermitteln eines ersten Lambdawerts für die Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf dem angelegten Pumpstrom (IP0, IP1), - Ermitteln eines zweiten Lambdawerts für die Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf der sich aufgrund des im Abgas vorrätigen Sauerstoffs zwischen der Abgaselektrode (22) und der Referenzelektrode (52) ausbildenden Elektrodenspannung (V3), und - Ermitteln eines fehlerbehafteten Abgassensors (10), wenn der ermittelte erste Lambdawert vom ermittelten zweiten Lambdawert um mehr als einen Abweichungsschwellenwert abweicht.Method for diagnosing an exhaust gas sensor (10) which has a main body (12) and is arranged in an exhaust line of an internal combustion engine and which has an exhaust gas electrode (22) which is attached to an outside of the main body (12) and which is in connection with the exhaust gas. 12) arranged pump cavity (20, 30), in which a pump electrode (24, 34) is arranged, and has a reference cavity (50) arranged in the main body (12) and connected to the ambient air, in which a reference electrode (52) is arranged , where the method comprises: - Extraction of oxygen from the pump cavity (20, 30) by applying a pump current (IP0, IP1) to the pump electrode (24, 34) in such a way that a pump voltage forms between the pump electrode (24, 34) and the reference electrode (52). (V0, V1) is maintained at a predetermined pump voltage setpoint, - determining a first lambda value for the internal combustion engine based at least in part on the applied pump current (IP0, IP1), - determining a second lambda value for the internal combustion engine based at least in part on the electrode voltage (V3) developing between the exhaust gas electrode (22) and the reference electrode (52) due to the oxygen present in the exhaust gas, and - Determining a faulty exhaust gas sensor (10) if the determined first lambda value deviates from the determined second lambda value by more than a deviation threshold value. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: - Ermitteln eines dritten Lambdawerts mittels eines weiteren Abgassensors, wobei die Diagnose des Abgassensors (10) erfolgt, der der dritte Lambdawert in einem Bereich zwischen ungefähr 0,99 und 1,01, vorzugsweise in einem Bereich zwischen ungefähr 0,995 und 1,005, liegt.procedure after claim 1 , furthermore with: - determining a third lambda value by means of a further exhaust gas sensor, the exhaust gas sensor (10) being diagnosed, the third lambda value being in a range between approximately 0.99 and 1.01, preferably in a range between approximately 0.995 and 1.005 , lies. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Ermitteln eines Gradienten des ersten Lambdawerts, wobei die Diagnose des Abgassensors (10) erfolgt, wenn der ermittelte Gradient des ersten Lambdawerts einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert überschreitet.A method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Determining a gradient of the first lambda value, the exhaust gas sensor (10) being diagnosed when the determined gradient of the first lambda value exceeds a predetermined gradient threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Ermitteln eines Gradienten des zweiten Lambdawerts, wobei die Diagnose des Abgassensors (10) erfolgt, wenn der ermittelte Gradient des zweiten Lambdawerts einen vorbestimmten Gradientenschwellenwert überschreitet.A method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Determining a gradient of the second lambda value, the exhaust gas sensor (10) being diagnosed when the determined gradient of the second lambda value exceeds a predetermined gradient threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Ermitteln eines quasistationären Betriebszustands der Brennkraftmaschine, wobei die Diagnose des Abgassensors (10) während eines ermittelten quasistationären Betriebszustands der Brennkraftmaschine erfolgt.A method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Determining a quasi-stationary operating state of the internal combustion engine, the diagnosis of the exhaust gas sensor (10) taking place during a determined quasi-stationary operating state of the internal combustion engine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Ermitteln eine Schubbetriebsphase der Brennkraftmaschine, wobei die Diagnose des Abgassensors (10) während einer ermittelten Schubbetriebsphase der Brennkraftmaschine erfolgt.A method according to any one of the preceding claims, further comprising: - Determining an overrun phase of the internal combustion engine, the diagnosis of the exhaust gas sensor (10) being carried out during an overrun phase of the internal combustion engine that has been determined. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit: - Ermitteln, dass der erste Lambdawert größer oder kleiner ist als ein vorbestimmter erster Lambdaschwellenwert, und/oder - Ermitteln, dass der zweite Lambdawert größer oder kleiner ist als ein vorbestimmter zweiter Lambdaschwellenwert.procedure after claim 6 , further comprising: - determining that the first lambda value is greater than or less than a predetermined first lambda threshold value, and/or - determining that the second lambda value is greater than or less than a predetermined second lambda threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: - Ermitteln, dass der erste Lambdawert von dem Lambdawert = 1 um nicht mehr als einen vorbestimmten ersten Lambdaabweichungsschwellenwert abweicht, und/oder - Ermitteln, dass der zweite Lambdawert von dem Lambdawert = 1 um nicht mehr als einen vorbestimmten zweiten Lambdaabweichungsschwellenwert abweicht.A method according to any one of the preceding claims, further comprising: - determining that the first lambda value deviates from the lambda value=1 by no more than a predetermined first lambda deviation threshold value, and/or - determining that the second lambda value deviates from the lambda value=1 by no more than a predetermined second lambda deviation threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abweichungsschwellenwert ungefähr 5 %, vorzugsweise ungefähr 3 %, des ersten Lambdawerts beträgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the deviation threshold value is approximately 5%, preferably approximately 3%, of the first lambda value. Abgassensor (10) für eine Brennkraftmaschine, mit: - einem Hauptkörper (12), - einer an einer Außenseite des Hauptkörpers (12) angebrachten Abgaselektrode (22), die mit dem Abgas in Verbindung steht, - einer im Hauptkörper (12) angeordneten Pumpkavität (20, 30), in der eine Pumpelektrode (24, 34) angeordnet ist, - einer im Hauptkörper (12) angeordneten und mit der Umgebungsluft verbundenen Referenzkavität (50), in der eine Referenzelektrode (52) angeordnet ist, und - einer Steuereinheit, die mit der Abgaselektrode (22), der Pumpelektrode (24, 34) und der Referenzelektrode (52) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zur Diagnose des Abgassensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Exhaust gas sensor (10) for an internal combustion engine, with: - a main body (12), - an exhaust gas electrode (22) attached to an outside of the main body (12) and communicating with the exhaust gas, - a pump cavity (20, 30) arranged in the main body (12), in which a pump electrode (24, 34) is arranged, - A reference cavity (50) arranged in the main body (12) and connected to the ambient air, in which a reference electrode (52) is arranged, and - A control unit which is connected to the exhaust gas electrode (22), the pumping electrode (24, 34) and the reference electrode (52) and is designed to carry out a method for diagnosing the exhaust gas sensor (10) according to one of the preceding claims. Brennkraftmaschine mit einem Abgassensor (10) nach Anspruch 10.Internal combustion engine with an exhaust gas sensor (10). claim 10 .
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