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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors
für eine
Brennkraftmaschine mit einer Kohlenwasserstoff-Moleküle detektierenden beheizbaren
Sondenelektrode, die als Maß für die Kohlenwasserstoffkonzentration
eine Spannung erzeugt.
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Amerikanische
Bundesvorschriften schreiben vor, daß die Funktionen aller emissionsrelevanten
Bauteile (z. B. Einspritzsysteme, Katalysatoren und dergleichen)
eines Kraftfahrzeugs während
des Betriebs mit bordeigenen Mitteln (On-Board-Diagnose, OBD) überwacht
werden müssen.
Bei Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen, Dieselfahrzeugen, werden
beispielsweise sowohl Oxidationskatalysatoren als auch NOx-Katalysatoren,
sogenannte Denox-Katalysatoren, zur Verbesserung der Abgaswerte eingesetzt.
Um nun die Funktionsweise derartiger Katalysatoren zu überwachen,
kommen Kohlenwasserstoffsensoren (HC-Sensoren) zum Einsatz, die im wesentlichen
auf dem Mischpotentialprinzip basieren und hinsichtlich ihres Aufbaus
stark den an sich bekannten Lambda-Sonden ähneln. Von diesen Lambda-Sonden
unterscheiden sie sich bei ansonsten gleichem Aufbau im wesentlichen
nur in der kohlenwasserstoffsensitiven Elektrodenbeschichtung.
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Aus
der
DE 44 08 504 A1 ist
ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in
Gasgemischen bekannt, bei dem durch Anordnung einer ersten und zweiten
Messelektrode in unterschiedlichen Temperaturbereichen des Festkörperelektrolyten
eine katalytische Aktivität
der Messelektroden mittels der Temperatur einstellbar ist. Das Material
der Elektroden kann hierbei derart ausgewählt werden, dass auch eine
Empfindlichkeit gegenüber
Sauerstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff besteht. Ein derartiger
Sensor ist insbesondere geeignet, die Funktionsfähigkeit von Katalysatoren in einer
Abgasentgiftungsanlage von Brennkraftmaschinen zu überwachen.
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Aus
der
DE 36 37 304 A1 ist
ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Erkennung der Betriebsbereitschaft
einer Sauerstoffmesssonde bekannt, bei dem eine Betriebsbereitschaft
durch Messen der an der Sonde anliegenden Spannung für zwei verschiedene
Belastungszustände
festgestellt wird. Hierbei werden die verschiedenen Belastungszustände dadurch
erzielt, dass die Sauerstoffmesssonde abwechselnd mit einem ersten
Widerstand und der Parallelschaltung aus dem ersten und einem zweiten
Widerstand belastet wird.
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Mittels
dieser Kohlenwasserstoffsensoren kann die Kohlenwasserstoff-Konzentration im
Abgas einer Brennkraftmaschine erfasst und hieraus kann auf die
Funktionsfähigkeit
beispielsweise eines Oxidationskatalysators oder eines Denox-Katalysators geschlossen
werden.
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Problematisch
bei solchen Kohlenwasserstoffsensoren ist nun, dass sich bei längerem Betrieb ein
starker Empfindlichkeitsverlust einstellt. Hieraus resultieren bei
einer großen
Lebensdauer so große Toleranzen,
dass eine Überwa chung
von Katalysatoren im Rahmen der OBD nicht mehr möglich ist. Es muss daher entweder
die Alterung irgendwie verhindert oder der durch die Alterung eintretende
Empfindlichkeitsverlust auf irgendeine Weise kompensiert werden,
um so derartige Kohlenwasserstoffsensoren langzeitstabiler zu machen.
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Bei
einem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines
Kohlenwasserstoffsensors werden über
einen Betriebsstundenzähler und
eine zuvor bestimmte Alterungskennlinie die von dem Kohlenwasserstoffsensor
erfassten und alterungsbedingt verfälschten Messwerte korrigiert.
Hierbei ist jedoch nachteilig, daß beispielsweise bei einem
Tausch des Steuergeräts
und/oder des Sensors der Betriebsstundenzähler immer wieder auf den richtigen
Stand gebracht werden muß,
was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
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Bei
einem anderen bekannten Verfahren wird im Betrieb ein Abgleich mit
bekannten Gaskonzentrationen durchgeführt. Dies ist jedoch im Fahrbetrieb
nicht möglich,
da sich auch die Emissionen der Brennkraftmaschine im Laufe der
Zeit verändern
und damit keine Referenz bilden können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors
für eine
Brennkraftmaschine dahingehend weiterzubilden, daß auf technisch
möglichst
einfach zu realisierende Weise eine zuverlässige Aussage über die
Empfindlichkeit des Kohlenwasserstoffsensors alterungsunabhängig und
möglichst
unabhängig von
der Erfassung weiterer Motorbetriebsdaten möglich ist.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit
eines Kohlenwasserstoffsensors für
eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die
von der Sondenelektrode erzeugte Spannung kurzzeitig kurzschließt, und
danach den Spannunqsverlauf zeitabhängig mißt und hieraus auf die Empfindlichkeit
des Sensors schließt.
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Durch
dieses Meßverfahren
können
auf besonders vorteilhafte weise die dynamischen Eigenschaften des
Kohlenwasserstoffsensors während des
Betriebs bestimmt werden und hieraus auf die Empfindlichkeit des
Kohlenwasserstoffsensors geschlossen werden kann. Auf diese Weise
ist eine Kompensation des alterungsbedingten Empfindlichkeitsverlusts
bei Kohlenwasserstoffsensoren auf technisch einfach zu realisierende
Weise möglich.
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Es
hat sich nämlich
gezeigt, daß im
Laufe der Zeit die Empfindlichkeit des Sensors aufgrund einer nachteiligen
Veränderung
der dynamischen Eigenschaften des Sensors kleiner wird. Der Sensor wird
mit zunehmendem Alter langsamer und hierdurch unempfindlicher.
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Rein
prinzipiell kann die zeitabhängige
Messung des Spannungsverlaufs und das Schließen auf die Empfindlichkeit
des Sensors aus diesem Spannungsverlauf auf unterschiedliche Art
und Weise erfolgen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform,
welche die dynamischen Eigenschaften des Sensors direkt erfaßt, sieht
vor, daß man
die Zeit mißt,
die vergeht, bis die Spannung nach dem Kurzschluß wieder einen vorgegebenen
Spannungswert erreicht und hieraus auf die Empfindlichkeit des Sensors
schließt.
Aus der so gemessenen Zeitkonstante kann beispielsweise über eine
Kennlinie ein Korrekturfaktor ermittelt werden, mit dem die von
dem Kohlenwasserstoffsensor bei nachfolgenden Messungen ausgegebene
Spannung multipliziert wird.
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Um
einem Meßproblem
zu begegnen, welches daraus resultiert, daß beim praktischen Fahrbetrieb
die Kohlenwasserstoff-Konzentration
während des
Meßvorgangs
nicht immer konstant bleibt, sieht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
vor, daß man
die Messung wiederholt durchführt
und die gemessenen Zeiten, die jeweils vergehen, bis die Spannung
an der Sondenelektrode einen vorgegebenen Spannungswert erreichen,
mittelt und aus dem Mittelwert auf die Empfindlichkeit des Kohlenwasserstoffsensors
schließt.
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Vorzugsweise
beträgt
der vorgegebene Spannungswert etwa das 2/3-facheder an der Sondenelektrode
vor dem Kurzschluß anliegenden Spannung.
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Die
Kurzschlußzeit
beträgt
vorteilhafterweise weniger als 0,5 Sekunden.
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Eine
andere besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens,
welche der sich beim praktischen Fahrbetrieb ändernden Kohlenwasserstoff-Konzentration
während
des Meßvorgangs Rechnung
trägt,
sieht vor, daß von
einem an sich bekannten Motorsteuergerät erfaßte Betriebsparameter der Brennkraftmaschine
zu Beginn der Messung/en gespeichert werden, mit am Ende der Messung/en erfaßten Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine verglichen werden und die bei den Messungen
erhaltenen Zeitkonstanten nur dann für eine weitere Verarbeitung
berücksichtigt
werden, wenn sich die am Ende erfaßten Betriebsparameter lediglich
um vorgegebene Toleranzwerte von den zu Beginn erfaßten Betriebsparametern
unterscheiden.
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Vorteilhafterweise
können
die beiden letztgenannten Ausführungsformen
des Verfahrens auch miteinander kombiniert werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird darüber
hinaus auch noch durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Empfindlichkeit
eines Kohlenwasserstoffsensors für
eine Brennkraftmaschine mit einer Kohlenwasserstoff-Moleküle detektierenden,
beheizbaren Sondenelektrode, deren erzeugte Spannung ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration
ist, gelöst,
bei welcher eine Schaltungseinheit vorgesehen ist, die ein ansteuerbares
Schaltermittel ansteuert, durch welches die an der Sondenelektrode
anliegende Spannung kurzschließbar
ist, und die diese Spannung vor, während und nach dem Kurzschluß erfaßt und auswertet.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, daß die
Schaltungseinheit Teil einer an sich bekannten Motorsteuerung ist.
Auf diese Weise können
zusätzliche
Schaltungseinheiten entfallen.
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Das
Schaltermittel ist vorzugsweise ein Feldeffekt-Transistor.
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Zeichnung
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine;
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2 den
durch das erfindungsgemäße Verfahren
mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen
Spannungsverlauf eines neuen Kohlenwasserstoffsensors;
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3 den
Spannungsverlauf eines durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfaßten
Spannungsverlauf eines gealterten Kohlenwasserstoffsensors und
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4 schematisch
den Aufbau eines an sich bekannten Kohlenwasserstoffsensors.
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Beschreibunq der Ausführunqbeispiele
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Wie
aus 4 hervorgeht, umfaßt ein Kohlenwasserstoffsensor
im wesentlichen eine an einem Keramikkörper 10 befestigte
Referenzelektrode 11, die in einem mit Umgebungsluft gefüllten Referenzluftkanal 13 angeordnet
ist, eine Sondenelektrode 12, die im Abgas der Brennkraftmaschine
angeordnet ist, und eine Heizeinrichtung 15 zur Beheizung der
Referenzelektrode 11 und der Sondenelektrode 12.
Die Heizeinrichtung 15 bilden in die Keramik isoliert eingelagerte
Heizwiderstände
aus Platin. Die Keramik besteht aus Zirkoniumoxyd (ZRO2). Diese
Keramik ist im heißen
Zustand ein Sauerstoffionenleiter. Durch die Heizeinrichtung 15 wird
die Sonde soweit aufgeheizt, daß die
Sauerstoffionenleitfähigkeit
der Keramik einsetzt.
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In
dem Referenzluftkanal 13 befindet sich – wie oben erwähnt – normale
Umgebungsluft, die ca. 18% Sauerstoff enthält. Sind nun an der Referenzelektrode 11 und
an der Sondenelektrode 12 unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen
vorhanden, entsteht ein Konzentrationsgefälle. Sauerstoffteilchen nehmen
auf der Seite mit hoher Konzentration Elektronen auf und werden
dadurch zu Sauerstoffionen. Diese wandern durch die Keramik 10.
Auf der Seite mit der niedrigeren Sauerstoffkonzentration geben
die Sauerstoffionen ihre Elektronen wieder ab und verlassen als
Sauerstoffmoleküle
die Keramik und oxidieren die zu messenden HC-Moleküle.
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Aufgrund
des Ionenstroms baut sich eine Spannung an den Elektroden auf. Das
dabei entstehende elektrische Feld übt eine Kraft auf die Ionen aus,
die der Diffusion entgegengerichtet ist. Es stellt sich so eine
Gleichgewichtsspannung ein, die gemessen werden kann und ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration
ist.
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Es
hat sich nun gezeigt, daß die
Empfindlichkeit derartiger Kohlenwasserstoffsensoren mit zunehmendem
Alter abnimmt. Da solche Kohlenwasserstoffsensoren zur Überwachung
von Katalysatoren in Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen im Rahmen
der in den USA vorgeschriebenen On-Board-Diagnose (OBD) eingesetzt
werden, müssen
sie eine für
eine zuverlässige Überwachung
erforderliche Meßempfindlichkeit
aufweisen.
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Da
nun die Meßempfindlichkeit
mit zunehmendem Alter abnimmt und hierdurch eine zuverlässige Überwachung
nicht mehr gewährleistet
ist, ist es erforderlich, auch die Empfindlichkeit des Kohlenwasserstoffsensors
kontinuierlich zu überwachen. Dies
geschieht auf vorteilhafte Weise mit der in 1 dargestellten
Vorrichtung.
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Wie
aus 1 hervorgeht, ist die Sondenelektrode, die eine
der HC-Konzentration proportionale Spannung abgibt, und deren Wechselstrom-Innenwiderstand
Ri als Temperatursignal für
die Heizungsregelung dient und die eine geregelte Heizung 20 zur Einstellung
einer vorgegebenen Temperatur aufweist, mit einem Steuergerät, beispielsweise
einem Mikrokontroller 30, verbunden. Die an der Sondenelektrode
abgegriffene Spannung wird dabei über einen Analog-Digital-Wandler
dem Mikrokontroller 30 zugeführt, der das zu erfassende
Kohlenwasserstoffsignal errechnet.
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Vom
Mikrokontroller 30 führt
eine Steuerleitung zu einem Feldeffekttransistor FET, durch welchen
die an der Sondenelektrode anliegende Spannung kurzzeitig, in der
Regel < 0,5 Sekunden,
kurzschließbar
ist. Vor, während
und nach diesem Kurzschluß wird
die an der Sondenelektrode anliegende Spannung kontinuierlich dem
Mikrokontroller 30 zugeführt.
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Die
Auswertung dieser Spannung läßt sich am
besten in Verbindung mit 2 und 3, welche
jeweils den Spannungsverlauf einer neuen und alten Sonde zeigen,
erläutern.
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Wie
aus 2 hervorgeht, welche die an der Sondenelektrode 12 anliegende
Spannung (Sondenspannung U) über der
Zeittaudarstellt, sinkt die Sondenspannung U schlagartig durch den
mittels des FET herbeigeführten
Kurzschluß ab
(Zeit t1). Nach Beendigung des Kurzschlusses "regeneriert" sich der Kohlenwasserstoffsensor und
hierdurch die Spannung U im wesentlichen exponentialförmig wieder, bis
sie einen Spannungswert annimmt, der im wesentlichen dem Spannungswert
vor dem Kurzschluß entspricht.
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Es
wird nun aufgrund dieses Spannungsverlaufs auf die Empfindlichkeit
des Kohlenwasserstoffsensors dadurch geschlossen, daß die Zeittaugemessen
wird, die vergeht, bis die Spannung einen vorgegebenen Spannungswert
UV erreicht. Dieser Spannungswert UV entspricht etwa dem 2/3-fachen des
Spannungswerts an der Sondenelektrode vor dem Kurzschluß. Diese
Zeit tau ist ein Maß für die mit zunehmendem
Alter abnehmende Dynamik des Kohlenwasserstoffsensors und damit
ein Maß für die Empfindlichkeit
des Kohlenwasserstoffsensors.
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Bei
dem in 2 dargestellten neuen Kohlenwasserstoffsensor
hat tau einen Wert von etwa 0,5 Sekunden.
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In 3 ist
der Spannungsverlauf eines bauartgleichen gealterten Kohlenwasserstoffsensors dargestellt.
Wie aus 3 zu entnehmen ist, "regeneriert sich" der Kohlenwasserstoffsensor
und dadurch die Sondenspannung nach dem Kurzschluß bei ansonsten
gleichen Meßbedingungen
alterungsbedingt wesentlich langsamer als der in 2 dargestellte
Kohlenwasserstoffsensor. Aufgrund der verlangsamten Dynamik des
in 3 dargestellten Kohlenwasserstoffsensors beträgt die Zeitkonstante
tau 1,8 Sekunden und deutet somit auf einen wesentlich unempfindlicheren
Kohlenwasserstoffsensor hin.
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Die
so bestimmten Zeitkonstanten tau können nun in einem Kennfeld
abgelegt werden, an dessen Ausgang ein Multiplikationsfaktor für die an
der Sondenelektrode abgegriffene Spannung, d.h. das HC-Signal, anliegt.
So kann auf einfache weise eine Korrektur der Empfindlichkeit des
Kohlenwasserstoffsensors vorgenommen werden. Es wird zunächst die Zeitkonstante
tau berechnet, welche eine Eingangsgröße des Kennfeldes ist. Dem
Kennfeld wird ein Korrekturwert entnommen, mit dem schließlich der HC-Wert
korrigiert wird.
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Zur
Steigerung der Meßempfindlichkeit
und um sicherzustellen, daß während der
Messung die Kohlenwasserstoff-Konzentration
konstant bleibt, ist es möglich,
die Messung mehrmals zu wiederholen und den Mittelwert der Zeitkonstanten
tau ZU bilden.
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Eine
andere Variante der Messung sieht vor, daß zu Beginn der Messung die
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfaßt und gespeichert und mit
den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine am Ende der Messung
verglichen werden. Sofern sich die Betriebsparameter um einen vorgegebenen Wert
unterscheiden, wird die Messung wiederholt, solange, bis die Betriebsparameter
sich nur noch innerhalb gewisser vorgegebener Toleranzwerte unterscheiden.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Kohlenwasserstoffkonzentration
während
der Messung im wesentlichen konstant geblieben ist.
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Die
beiden letztgenannten Ausführungsformen
des Verfahrens können
auch zur weiteren Steigerung der Genauiqkeit kombiniert werden.
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Das
obenbeschriebene Verfahren und die obenbeschriebene Vorrichtung
haben den großen Vorteil,
daß die
Bestimmung der Empfindlichkeit unabhängig von weiteren Vorrichtungen,
wie beispielsweise Betriebsstundenzählern und dergleichen, auf technisch
verhältnismäßig einfach
zu realisierende Weise möglich
ist.