DE10332629B4 - Verfahren zur Überwachung einer Breitbandsonde - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Überwachung der Funktion einer Breitbandsonde bei einem Verbrennungsmotor, die zur Regelung des Lambdawertes des Verbrennungsgasgemisches vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch oder nach einem definierten Ereignis der Regelbetrieb der Breitbandsonde (6) unterbrochen wird und ein Kalibrierzyklus durchfahren wird, dass in dem Kalibrierzyklus der Lambdawert des Verbrennungsgasgemisches von Lambda >1 bis Lambda <1 oder von Lambda <1 bis Lambda >1 durchfahren wird und die dabei im Verbrennungsraum auftretenden Ionisationssignalwerte (UIO) gemessen werden und das Maximum des Ionisationssignals (UIOmax) erfasst wird, dass beim Maximum des Ionisationssignals (UIOmax) das aktuell auftretende Signal (UBB) der Breitbandsonde (6) erfasst wird und ein direkter oder indirekter Vergleich mit einem gespeicherten Wert dieses Signals vorgenommen wird, dass bei einem einen Schwellwert übersteigenden Vergleichsergebnis ein Wartungssignal erzeugt wird und/oder auf einen Notbetrieb umgeschaltet wird und dass dann, wenn der Schwellwert nicht überschritten ist, weiter der Regelbetrieb mittels der Breitbandsonde (6) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktion einer Breitbandsonde bei einem Verbrennungsmotor.
  • Breitbandsonden, d.h. Breitband-Lambdasonden bzw. Breitband-Sauerstoffsonden, werden bei Katalysatoren von Verbrennungsmotoren, insbesondere Schichtlade- bzw. Magermix-Verbrennungsmotoren, verwendet. Sie haben gegenüber Spannungssprungsonden und Widerstandssprungsonden den Vorteil, dass der zur Auswertung geeignete proportionale Bereich ihrer Kennlinie einen weiten Bereich der Abgasluftzahl Lambda abdeckt. Das von ihnen gelieferte Signal ist proportional zur Abgasluftzahl (vgl. DE 198 49 272 A1 ).
  • Nach den geltenden Abgasvorschriften müssen alle motorrelevanten Funktionsgruppen in einer On Board Diagnose (OBD) überprüft werden können, wie dies auch in der DE 198 28 928 C2 und der DE 198 49 272 A1 beschrieben ist. Durch Alterung verschiebt sich die Kennlinie der Breitbandsonde. In der DE 198 28 928 C2 ist beschrieben, wie ein Fehler der Breitbandsonde erkannt werden kann. Hierfür ist ein zusätzlicher Messwertaufnehmer, beispielsweise eine Lambda-Sprungsonde, nötig.
  • In der DE 196 14 988 C1 ist ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorgangs eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem Verbrennungsmotor beschrieben. In der Verbrennungsphase wird folgend auf den Zündimpuls ein Prüfimpuls an die Zündkerze gelegt und die durch das jeweilige Kraftstoff-Luftgemisch erfolgende Beeinflussung des Prüfimpulses wird als elektrisches Ionisationssignal erfasst. Das Ionisationssignal wird zur Steuerung des Gemischverhältnisses der folgenden Verbrennungsphase oder zur Steuerung des Zündzeitpunktes verwendet.
  • Ein Verfahren zum Steuern von Verbrennungsmotoren durch Bestimmen des momentanen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in den Brennräumen des Verbrennungsmotors ist aus der DE 196 80 104 bekannt. Dazu wird ein Ionisationssensor im Brennraum angeordnet. Während der Flammenionisations-Phase werden charakteristische Parameter erfaßt und ein fetteres als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, wenn erfaßte Parameter von einer Grundfrequenz zunehmend abweichen. Als Alternative zu schmalbandigen Lambdasonden sind auch lineare Lambdasonden-Typen geeignet, die ein proportionales Ausgangssignal in Abhängigkeit der Luftzahl abgeben. Mit einer Detektorschaltung werden Messignale bei verschiedenen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen generiert. Dabei können Verbrennungsvorgänge bei Lambda = 0,8 bis 1,1 ermittelt werden. Der Ionisationssensor wird hinsichtlich seines Ausgangssignals von einer Lambdasonde kalibriert, die vorübergehend in der Auspuffanlage angeordnet ist.
  • Aus der DE 102 00 017 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung einer Brennkraftmaschine durch wenigstens einen im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Gassensor bekannt. Hierbei wird bei nicht betriebsbereitem Gassensor die Gemischzusammensetzung über Ionenstromsignale bestimmt. Bei betriebsbereiter Lambdasonde soll die Gemischzusammensetzung nicht mit dem Ioniosationssignal, sondern mit dem Signal der Lambdasonde bestimmt werden. Eine Kalibrierung des Ionenstromsignals erfolgt über die Lambdasonde.
  • Um ein unerwünschtes Abdriften des Ionisationssignals zu kompensieren, ist in der älteren Patentanmeldung DE 102 36 979 das Durchfahren eines Kalibrierzyklusses vorgeschlagen. Im Kalibrierzyklus wird der Lambdawert des Kraftstoff-Luftgemisches von einem Wert > 1 auf einen Wert < 1 reduziert. Die sich dabei ergebenden Ionisationssignale werden gemessen. Eine Lambdasonde im Abgasstrom ist dort nicht beschrieben.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem auf einfache Weise die Funktion der Breitbandsonde kontrolliert werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch ist erreicht, dass zur Überwachung der gewünschten Funktion der Breitbandsonde eine zusätzliche Lambdasonde nicht erforderlich ist. Der Aufwand zur notwendigen Überwachung der Breitbandsonde ist dadurch verringert. Die Erzeugung des Ionisationssignals und dessen Auswertung ist technisch einfacher als der Einsatz einer zusätzlichen, der Überwachung der Breitbandsonde dienenden Lambdasonde und die Auswertung deren Signale.
  • Die Art und Weise der Überwachung und Auswertung des Ionisationssignals ist aus der DE 196 14 388 C1 und der entsprechenden EP 0 801 226 B1 der Anmelderin beschrieben. Bevorzugt wird im Kalibrierzyklus nach einer Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches, Verbrennungsgasgemisches, in der Verbrennungsphase ein Prüfimpuls an eine Zündkerze des Verbrennungsraums gelegt, wobei aus der Beeinflussung des Prüfimpulses infolge der Ionisation im Verbrennungsraum oder zeitgleich mit der Regeneration des Speicherkatalysators das Ionisationssignal abgeleitet wird.
  • Da das Ionisationssignal für die Überwachung der Breitbandsonde erfasst wird, ist es auch möglich, das – ohnehin vorhandene – Ionisationssignal für weitere die Regelung unterstützende Funktionen einzusetzen.
  • Bevorzugt regelt das Ionisationssignal im Notbetrieb den Lambdawert des Verbrennungsgasgemisches.
  • Solange die Breitbandsonde ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, also nicht zur optimalen Regelung führt, kann die Zusammensetzung des Verbrennungsgasgemisches (Lambdawert) mittels des Ionisationssignals geregelt werden.
  • Das Ionisationssignal kann den Regelbetrieb auch dann unterstützen, wenn die Breitbandsonde infolge ihrer Trägheit nicht hinreichend schnell auf sehr schnelle, dynamische Änderungswünsche, beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen, hinsichtlich der Zusammensetzung des Verbrennungsgasgemisches reagieren kann.
    •
  • Gegenüber den bekannten Verfahren erfolgt eine Kalibrierung der Breitbandsonde mit dem Ionisationssignal. Dazu wird im Kalibrierzyklus nach einer Zündung des Verbrennungsgemisches ein Prüfimpuls an eine Zündkerze des Verbrennungsraumes gelegt. Durch die Ionisation im Verbrennungsraum wird der Prüfimpuls beeinflußt und das Ionisationssignal erzeugt Anspruch 2. Zur Kalibrierung der Breitbandsonde wird in vorteilhafter Weise ein charakteristischer Punkt der Ionisationskurve verwendet. Mit dem Verfahren wird weiterhin der Notbetrieb , wenn die Breitbandsonde ihre Betriebstemperatur nicht erreicht hat oder defekt ist, das Verbrennungsgemisch mit dem Ionisationssignal geregelt Anspruch 3. Hat die Breitbandsonde ihre Betriebstemperatur erreicht und arbeitet im Regelbetrieb, werden sehr schnelle Änderungen der Zusammensetzung des Verbrennungsgasgemisches mit dem Ionisationssignal erfaßt und erforderliche Änderungen des Verbrennungsgasgemisches durch das Ionisationssignal eingeleitet (vgl. Ansprüche 4 und 5).
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Motors mit 3-Wege-Katalysator und NOx-Speicher-Katalysator im Abgasstrang,
  • 2 eine Kennlinie einer Breitband-Lambdasonde sowie den Verlauf eines Ionisationssignals und
  • 3 ein Flussdiagramm.
  • Einem Motorzylinder 1 sind eine Kraftstoff-Einspritzdüse 2, eine Luftzufuhr 3, eine Zündkerze 4 und ein Abgasstrang 5 zugeordnet. Im Abgasstrang 5 liegen in Stromrichtung eine Breitbandsonde 6, ein 3-Wege-Katalysator 7, ein Temperatursensor 8 und ein NOx-Speicherkatalysator 9 mit einem NOx-Sensor 10. Die Betriebstemperatur des 3-Wege-Katalysators 7 wird durch den Temperatursensor 8 erfasst.
  • Die Signale der Breitbandsonde 6 des Temperatursensors 8 und des NOx-Sensors 10 sind an eine Motorsteuerung 11 gelegt, die u.a. die Kraftstoff-Luftgemisch-Zusammensetzung entsprechend des Signals UBB der Breitbandsonde 6 steuert.
  • Das Signal UBB verläuft in Abhängigkeit von der Luftzahl Lambda nach einer Werkskennlinie W (vgl. 2), die kein charakteristisches Maximum oder Minimum aufweist.
  • Im Laufe der Zeit verschleißt die Breitbandsonde 6. Ihre Kennlinie verschiebt sich dabei gegenüber der Werkskennlinie W, was in 2 strichliert gezeigt ist. Aus der Verschiebung der Kennlinie folgt eine Verschiebung des Sollwertes und Verschlechterung der Regelung, was zur Vermehrung der Abgas-Schadstoffe führt.
  • Um dies zu erkennen, wird eine Kalibrierung vorgenommen, die zu einer Wartungsanzeige und/oder einem Notbetrieb führen kann.
  • An die Zündkerze 4 wird anschließend an die Zündung über eine Leitung 12 ein Prüfimpuls gelegt. Dieser wird entsprechend des jeweiligen Lambdawertes beeinflusst. Aus dieser Beeinflussung wird ein Ionisationssignal UIO erzeugt, wie dies in der DE 196 14 988 C1 bzw. der EP 0 801 226 B1 beschrieben ist. Der sich zwischen Lambda <1 und Lambda > 1 ergebende Verlauf dieses Ionisationssignals UIO ist in 2 gezeigt. Im Bereich von etwa Lambda = 1 hat das Ionisationssignal ein charakteristisches Maximum UIOMAX.
  • Bei einem Dieselmotor kann für das Ionisationssignal die Glühkerze verwendet werden.
  • Zur Kalibrierung wird zyklisch oder nach einem definierten Ereignis der von der Breitbandsonde 6 bewirkte Regelbetrieb unterbrochen und ein Kalibrierzyklus durchfahren. Dabei wird ausgehend vom luftreichen Betrieb, d.h. Lambda >1, oder vom brennstoffreichen Betrieb, d.h. Lambda <1, der Lambdawert der Gemischzusammensetzung vorzugsweise schrittweise geändert und die jeweils auftretenden Ionisationssignalwerte, beispielsweise UIO1, UIO2, werden erfasst, wodurch sich das Auftreten des Maximalwerts des Ionisationssignals UIOMAX erkennen lässt, was etwa bei Lambda = 1 der Fall sein wird.
  • Beim Auftreten von UIOMAX wird das bei diesem Lambdawert auftretende Signal UBB der Breitbandsonde 6 gemessen. Ist die Breitbandsonde 6 noch nicht verschlissen, wird dieser Wert UBB1 sein.
  • Ist dagegen die Breitbandsonde 6 verschlissen, wird dieser Wert UBB2 sein (vgl. 2). Auf verschiedene Weise kann verglichen werden, wie stark der Wert UBB2 vom Wert UBB1, bezogen auf das Maximum des Ionisationssignals UIOMAX abweicht.
  • Es kann die Differenz UBB1 – UIOMAX oder das Verhältnis UIOMAX/UBB1, bzw. bei weiteren Messungen UBB2 – UIOMAX oder UIOMAX/UBB2 gebildet werden. Die erst ermittelte Differenz bzw. das erst ermittelte Verhältnis wird z.B. als Kalibrierwert gespeichert und mit der späteren Differenz bzw. Verhältnis verglichen. Der Vergleich kann auch unter Zuhilfenahme von vorgespeicherten Werkswerten erfolgen. Die Messwerterfassung und der Vergleich kann mittels eines Mikroprozessors der Motorsteuerung 11 geschehen.
  • Übersteigt das Vergleichsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert, ist dies ein Zeichen dafür, dass die Kennlinie der Breitbandsonde 6 verschoben ist und die durch die Breitbandsonde 6 erfolgende Regelung nicht mehr optimal ist. Dementsprechend wird eine Wartungsanzeige und/oder ein Notbetrieb aktiviert.
  • Wenn der Vergleich ergibt, dass der Schwellwert nicht überschritten ist, wird nach dem Kalibrierzyklus mit dem durch die Breitbandsonde 6 bewirkten Gemisch-Regelbetrieb fortgefahren.
  • Das Flussdiagramm der 3 zeigt Ähnliches. Ein Block 1 bildet eine übergeordnete Einheit, die Teil der Software die Motorsteuerung 11 sein kann. Diese übergeordnete Einheit 1 enthält einen Betriebsstundenzähler und/oder einen Ereigniszähler, der beispielsweise die Anzahl der Startvorgänge erfasst. Der Zähler leitet zyklisch nach einer definierten Betriebszeit oder nach definierten Ereignissen des Motorbetriebs über einen Block 2 den Kalibrierzyklus ein. Ansonsten schaltet der Block 2 auf Gemischregelung oder Notbetrieb mit Wartungsanzeige.
  • Der Kalibrierzyklus wird im Block 3 aus dem Magerbetrieb des Motors, d.h. Lambda >1, angefahren. Im Block 4 wird das Kraftstoff-Luftgemisch schrittweise angefettet. Während dieser Gemischanreicherung wird die Signaländerung des Ionisationssignals UIO und des Breitbandsondesignals UBB gemessen, bis das Ionisationssignalmaximum UIOMAX sicher detektiert ist. Im Block 5 wird dann zum Zeitpunkt des Ionisationssignalmaximums UIOMAX das Signal UBB der Breitbandsonde 6 gemessen und abgespeichert. Danach wird im Block 6 die Abweichung des Messwertes UBB, beispielsweise UBB2, vom abgespeicherten Werkswert, beispielsweise UBB1, ermittelt.
  • Im Block 7 wird die Abweichung bewertet, beispielsweise mit einem voreingestellten Schwellwert verglichen, und als Messgröße dem Block 1 zugeführt, wobei entsprechend der Bewertung eine Wartungsanzeige und der Notbetrieb oder die Gemischregelung mittels des Signals UBB der Breitbandsonde 6 aktiviert wird. Bei der Gemischregelung – und im Notbetrieb – wird die Öffnungszeit Tspritz des Einspritzventils und damit die eingespritzte Brennstoffmenge festgelegt.
  • Da das Ionisationssignal UIO für den Kalibrierzyklus erfasst wird, ist es auch möglich, das Ionisationssignal UIO für die Gemischregelung zu verwenden, wenn in besonderen Betriebsfällen die Gemischregelung durch die Breitbandsonde 6 ungenügend ist. Dies ist beispielsweise der Fall, solange die Breitbandsonde 6 ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, oder wenn eine hohe Änderungsdynamik des Betriebs, beispielsweise schnelle Beschleunigungen, auf die die Breitbandsonde 6 nicht hinreichend schnell reagiert.
  • Der Notbetrieb wird üblicherweise mittels eines gespeicherten, statischen Kennfeldes realisiert. Die Einhaltung der Kennfeldgrenzen kann im Notbetrieb durch eine Abfrage des Ionisationssignals überwacht werden.
  • Der NOx-Speicherkatalysator 9 muss immer wieder regeneriert werden. Weil die Stickoxide bei den geringen Abgastemperaturen des Magerbetriebs nicht umgesetzt werden können, werden sie im Speicherkatalysator solange gespeichert bis die Speicherkapazität erschöpft ist. Für die Regeneration muss eine Gemischanfettung, beispielsweise bis zur Luftzahl 1, erfolgen. Im sich anschließenden Regenerationsprozess werden die Stickoxide in elementaren Stickstoff und Sauerstoff umgewandelt, wodurch der Katalysator für eine folgende Speicherphase frei wird. Der Zeitpunkt der Regeneration des Speicherkatalysators 9 ist von der NOx-Konzentration nach dem Speicherkatalysator 9 abhängig, die mit dem NOx-Sensor 10 gemessen wird. Vorzugsweise wird der Regenerationsprozess zeitgleich mit dem Kalibrierzyklus durchgeführt. Dabei ist keine zusätzliche Unterbrechung des Regelbetriebs nötig und im Kalibrierzyklus wird – wie beschrieben – ohnehin das Gemisch angefettet.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Überwachung der Funktion einer Breitbandsonde bei einem Verbrennungsmotor, die zur Regelung des Lambdawertes des Verbrennungsgasgemisches vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch oder nach einem definierten Ereignis der Regelbetrieb der Breitbandsonde (6) unterbrochen wird und ein Kalibrierzyklus durchfahren wird, dass in dem Kalibrierzyklus der Lambdawert des Verbrennungsgasgemisches von Lambda >1 bis Lambda <1 oder von Lambda <1 bis Lambda >1 durchfahren wird und die dabei im Verbrennungsraum auftretenden Ionisationssignalwerte (UIO) gemessen werden und das Maximum des Ionisationssignals (UIOmax) erfasst wird, dass beim Maximum des Ionisationssignals (UIOmax) das aktuell auftretende Signal (UBB) der Breitbandsonde (6) erfasst wird und ein direkter oder indirekter Vergleich mit einem gespeicherten Wert dieses Signals vorgenommen wird, dass bei einem einen Schwellwert übersteigenden Vergleichsergebnis ein Wartungssignal erzeugt wird und/oder auf einen Notbetrieb umgeschaltet wird und dass dann, wenn der Schwellwert nicht überschritten ist, weiter der Regelbetrieb mittels der Breitbandsonde (6) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kalibrierzyklus nach einer Zündung des Verbrennungsgasgemisches in der Verbrennungsphase ein Prüfimpuls an eine Zündkerze des Verbrennungsraums gelegt wird, wobei aus der Beeinflussung des Prüfimpulses durch die Ionisation im Verbrennungsraum das Ionisationssignal erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Notbetrieb der Lambdawert des Verbrennungsgasgemisches mittels des Ionisationssignals (UIO) geregelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, solange die Breitbandsonde ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, der Lambdawert des Verbrennungsgasgemisches mittels des Ionisationssignals (UIO) geregelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn im durch die Breitbandsonde (6) erfolgten Regelbetrieb sehr schnelle Änderungen der Zusammensetzung des Verbrennungsgasgemisches erforderlich werden, diese durch das Ionisationssignal (UIO) eingeleitet werden.
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