DE19636416B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine mit einer Kohlenwasserstoffmoleküle detektierenden, beheizbaren Sondenelektrode, deren erzeugte Spannung ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration ist, dadurch gekennzeichnet, daß man die an der Sondenelektrode anliegende Spannung (U) kurzzeitig kurzschließt, dabei den Spannungsverlauf zeitabhängig mißt und hieraus auf die Empfindlichkeit des Kohlenwasserstoffsensors schließt.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteile der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise beträgt der vorgegebene Spannungswert etwa das 2/3-facheder an der Sondenelektrode vor dem Kurzschluß anliegenden Spannung.
  • Die Kurzschlußzeit beträgt vorteilhafterweise weniger als 0,5 Sekunden.
  • 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.
  • Vorteilhafterweise können die beiden letztgenannten Ausführungsformen des Verfahrens auch miteinander kombiniert werden.
  • 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.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Schaltungseinheit Teil einer an sich bekannten Motorsteuerung ist. Auf diese Weise können zusätzliche Schaltungseinheiten entfallen.
  • Das Schaltermittel ist vorzugsweise ein Feldeffekt-Transistor.
  • Zeichnung
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine;
  • 2 den durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Spannungsverlauf eines neuen Kohlenwasserstoffsensors;
  • 3 den Spannungsverlauf eines durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfaßten Spannungsverlauf eines gealterten Kohlenwasserstoffsensors und
  • 4 schematisch den Aufbau eines an sich bekannten Kohlenwasserstoffsensors.
  • Beschreibunq der Ausführunqbeispiele
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei dem in 2 dargestellten neuen Kohlenwasserstoffsensor hat tau einen Wert von etwa 0,5 Sekunden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die beiden letztgenannten Ausführungsformen des Verfahrens können auch zur weiteren Steigerung der Genauiqkeit kombiniert werden.
  • 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.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine mit einer Kohlenwasserstoffmoleküle detektierenden, beheizbaren Sondenelektrode, deren erzeugte Spannung ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration ist, dadurch gekennzeichnet, daß man die an der Sondenelektrode anliegende Spannung (U) kurzzeitig kurzschließt, dabei den Spannungsverlauf zeitabhängig mißt und hieraus auf die Empfindlichkeit des Kohlenwasserstoffsensors schließt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man aus der Zeit, die vergeht, bis die Spannung nach dem Kurzschluß wieder einen vorgegebenen Spannungswert (Zeitkonstante (tau)) erreicht, auf die Empfindlichkeit des Sensors schließt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Messung wiederholt, die Zeitkonstanten (tau) mittelt und aus dem Mittelwert auf die Empfindlichkeit schließt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Spannungswert (UV) etwa dem 2/3-fachen der an der Sondenelektrode vor dem Kurzschluß anliegenden Spannung (U) beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußzeit < 0,5 Sekunden beträgt.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 (tau) nur dann für die weitere Verarbeitung berücksichtigt werden, wenn sich die am Ende erfaßten Betriebsparameter lediglich um vorgegebene Toleranzwerte von den zu Beginn erfaßten Betriebsparametern unterscheiden.
  7. Vorrichtung zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine mit einer Kohlenwasserstoffmoleküle detektierenden, beheizbaren Sondenelektrode, deren Innenwiderstand (Ri) ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungseinheit (30) vorgesehen ist, die ein ansteuerbares Schaltermittel ansteuert, durch welches die an der Sensorelektrode (12) anliegende Spannung kurzschließbar ist, und die diese Spannung vor, während und nach dem Kurzschluß erfaßt und auswertet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheit (30) Teil einer an sich bekannten Motorsteuerung ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltermittel ein Feldeffekttransistor (FET) ist.
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