EP2697487A1 - Verfahren zum betreiben einer lambdasonde - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer lambdasonde

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Publication number
EP2697487A1
EP2697487A1 EP11794047.8A EP11794047A EP2697487A1 EP 2697487 A1 EP2697487 A1 EP 2697487A1 EP 11794047 A EP11794047 A EP 11794047A EP 2697487 A1 EP2697487 A1 EP 2697487A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
lambda probe
resistance
operating
measured
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11794047.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Grillenberger
Jörg Merkel
Björn SPECHT
Andreas Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2697487A1 publication Critical patent/EP2697487A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N11/00—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus, e.g. for catalytic activity
    • F01N11/007—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus, e.g. for catalytic activity the diagnostic devices measuring oxygen or air concentration downstream of the exhaust apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
    • F01N2560/025—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor for measuring or detecting O2, e.g. lambda sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a lambda probe after
  • Lambda sensors are probes for determining the residual oxygen content in the exhaust gas of a motor vehicle. They include a so-called Nernst cell with a zirconium membrane, which is lapped by the exhaust gas flow on one side and with the
  • lambda probes with zirconium membranes have to be heated to temperatures of more than 650 ° C.
  • resistance heaters are usually provided. Since the membrane potential of the lambda probe is also dependent on the temperature, it must be precisely controlled during operation of the lambda probe. Usually, no separate temperature sensors are provided for this purpose; instead, the temperature-dependent resistance of the Nernst cell is used as the temperature measure.
  • the zirconium membrane shows the behavior of a resistor with negative temperature coefficients, so it becomes more conductive with increasing temperature. The ideal working temperature of the probe thus corresponds to a certain resistance value via the Nernst cell, so that regulation of the heating of the lambda probe can be carried out on the basis of the resistance measurement.
  • a conventional method for operating a lambda probe in the manner described is known, for example, from DE 10 2004 057 929 A1.
  • the present invention is based on the object to provide a method for operating a lambda probe, which allows a reliable temperature control of the probe even at higher maturities.
  • a resistance of a Nernst cell of the lambda probe is measured in a first operating mode and a temperature of the lambda probe is determined on the basis of the measured resistance.
  • a heating voltage of a heater of the lambda probe is set as a function of a difference between the measured temperature and a target temperature, so that it can be ensured that the lambda probe is always operated at the optimum temperature.
  • the lambda probe in a second operating mode, is operated at a predetermined temperature and is measured during operation at the predetermined temperature, the resistance of the Nernst cell. From the difference of the measured resistance to a predetermined setpoint resistance, a correction factor for determining the temperature of the lambda probe in the first operating mode is determined.
  • the second operating mode thus represents a calibration mode for the lambda probe.
  • the predetermined temperature is set by operating the heater with a predetermined heating voltage.
  • a predetermined heating voltage This is a particularly simple and convenient way, since the heater shows no signs of aging in contrast to the Nernst cell. Even with aged lambda probes, therefore, there is always a known relationship between the predetermined heating voltage and the temperature achieved thereby at the heating device.
  • the predetermined heating voltage is varied after installation of a new lambda probe until the resistance of the Nernst cell reaches the setpoint resistance.
  • the heating voltage for the second operating mode is indirectly determined experimentally from the known resistance-temperature relationship of a new lambda probe, at which point the lambda probe reaches the desired setpoint temperature.
  • the second operating state is taken at regular time intervals. This can for example be done after each start of the motor vehicle or coupled to the service cycle of the motor vehicle. This ensures that aging phenomena of the lambda probe are detected early, so that a corresponding correction factor can be determined.
  • the second operating state is only assumed if at least one operating and / or environmental parameter of the motor vehicle lies within a predetermined value range.
  • operational and / or environmental parameters are expediently selected, which likewise have an influence on the temperature of the lambda probe, so that the determination of the correction factor in the second operating mode is not falsified by these parameters.
  • a correction factor is determined in the second operating mode only if the difference between the measured resistance of the Nernst cell and the setpoint resistance exceeds a predetermined threshold value. This avoids that complex corrections have to be carried out in each case with small fluctuations in the resistance-temperature relationship of the Nernst cell.
  • the measured resistance of the Nernst cell is preferably stored in a memory device each time the motor vehicle is operated in the second operating mode.
  • the aging behavior of the lambda probe can be determined particularly well over the course over time of the resistors thus determined at a given temperature. It is possible to read these values, for example during service processes, in order to collect a large amount of data about the aging behavior of the lambda probes under real operating conditions and to evaluate them for an entire vehicle fleet.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a lambda probe
  • Fig. 3 is a graphical representation of the dependence between temperature of a
  • Fig. 4 shows the time course of the resistance of Nernstzellen different
  • FIG. 5 shows a control loop for regulating the temperature of a lambda probe when using an embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the method steps in the determination of a correction factor for the temperature control of a lambda probe in the context of an exemplary embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 7 shows a control loop for temperature control of a lambda probe.
  • a lambda probe shown generally at 10 in FIG. 1 for determining the oxygen content in an exhaust gas of a motor vehicle, comprises a membrane 12 made of zirconium (IV) oxide which is bounded on both sides by gas-permeable platinum electrodes 14, 16. On the side of the electrode 14, the lambda probe 10 is at a
  • Exhaust gas stream 18 of the motor vehicle in conjunction, on the side of the electrode 16 with the outside air 20.
  • oxygen can diffuse through the zirconium membrane 12.
  • Lambda probe 10 on which there is a relative excess of oxygen, the molecular oxygen absorbs electrons from the respective electrode 14, 16 and diffuses in the form of 0 2 " ions through the zirconium membrane 12. Between the electrodes 14, 16 therefore sets a potential difference , which can be determined by means of a voltage measuring device 22. From the potential difference between the two sides of the lambda probe 10, the ratio of the oxygen partial pressure in the exhaust gas flow to the oxygen partial pressure in the ambient air 20 can be determined. Further, to bring the diaphragm 12 to its desired temperature, heating elements 24 are provided intended. The regulation of the heating elements 24 and thus the temperature of the lambda probe 10 is carried out according to the prior art according to a control loop, as shown in Fig. 2. To determine the temperature of the lambda probe 10, the resistance of the Nernst cell, ie the zirconium membrane 12 with its electrodes 14, 16, is used. It depends on the temperature and, as shown in FIG. 2. To determine the temperature of the lambda probe 10, the resistance of the N
  • the resistance of the Nernst cell is first determined and converted in a further step according to the characteristic curve from FIG. 3 into a temperature of the lambda probe 10. By difference between the measured temperature and a predetermined setpoint temperature becomes a
  • the relationship between the temperature of the Nernst cell and its resistance varies with the age of the lambda probe 10.
  • the drawn in Fig. 3 and marked with squares line 26 shows the relationship between temperature and resistance of the Nernst cell for a new lambda probe, the solid line 28 those for an aged lambda probe 10.
  • the resistance of the Nernst cell is approximately 80 ohms. If the control according to FIG. 2 is continued unchanged even with an aged lambda probe 10, the aged lambda probe 10 is also regulated to a Nernst resistance of 80 ohms.
  • the aged lambda probe 10 has a significantly elevated temperature of more than 950 ° C with a Nernst resistance of 80 ohms. This can falsify the measurement results of the lambda probe and possibly lead to damage to the ceramic body.
  • FIG. 4 shows the change in the Nernst resistance of the lambda probe 10 at a predetermined operating temperature as a function of the number of operating hours in a plurality of measurement series. It can be clearly seen that this results in significant and strong shifts that can lead to temperature deviations of several hundred degrees in a temperature-resistance curve according to FIG. 3, if only regulated to a fixed predetermined resistance of the Nernst cell of the lambda probe 10 out.
  • a differential measurement is performed on a newly installed lambda probe 10.
  • a reference heating voltage is determined at which the lambda probe 10 reaches a predetermined temperature. This can be done, for example, by varying
  • the temperature measurement can also be omitted and replaced by simple resistance measurement, since the relationship between Nernstwiderstand and probe temperature is also known.
  • the thus determined reference heating voltage, at which the lambda probe 10 reaches exactly the desired temperature is subsequently stored in a memory device, for example an EEPROM of the motor vehicle, as a reference variable.
  • this reference heating voltage can be used for targeted adjustment of the lambda probe temperature, since the heating elements, in contrast to the Nernst cell, have no signs of aging.
  • the temperature of the lambda probe 10 is influenced not only by the heating voltage at the heating elements 24, but also by other environmental factors. These include the ambient temperature itself and the temperature of the exhaust line, which in turn is influenced by operating variables of the motor vehicle such as a coolant temperature, an injection quantity, an engine speed, an exhaust gas mass flow, possibly the presence of a regeneration operation or the like. If the setpoint temperature of the lambda probe is later to be set for a calibration measurement using the stored reference heating voltage, care must be taken to ensure that these influencing variables are within specified limits, so that the calibration is not falsified.
  • a calibration according to FIG. 6 is then carried out at regular intervals. For this purpose, if the mentioned environmental parameters are within their desired value range, the stored reference heating voltage is applied to the heating elements 24. As a result, the temperature of the lambda probe is reliably set to its desired value. Now, the resistance can be measured via the zirconium diaphragm 12, so that the Nernstwiderstand the lambda probe 10 at their
  • a compensation factor is determined, which is included in the conversion between the measured Nernst resistance and the existing probe temperature.
  • the further control is carried out as known, in which an integral controller receives the difference between the measured and corrected by means of the compensation factor probe temperature and the setpoint temperature as an input and provides the output necessary for the temperature adjustment voltage for the heating elements 24 as an output. In this way it can be ensured that the desired setpoint temperature is maintained at all times even in the case of aged lambda sensors, without resulting in possibly harmful overheating of the lambda probe 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde (10), bei welchem in einen ersten Betriebsmodus ein Widerstand einer Nernstzelle (12) der Lambdasonde (10) gemessen und auf Grundlage des gemessenen Widerstands eine Temperatur der Lambdasonde (10) ermittelt wird, wobei eine Heizspannung einer Heizeinrichtung (24) der Lambdasonde (10) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und einer Solltemperatur eingestellt wird, wobei in einem zweiten Betriebsmodus die Lambdasonde (10) mit einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird und während des Betriebs mit der vorgegebenen Temperatur der Widerstand der Nernstzelle (12) gemessen wird, wobei aus der Differenz des gemessenen Widerstands zu einem vorgegebenen Sollwiderstand ein Korrekturfaktor für die Ermittlung der Temperatur der Lambdasonde (10) im ersten Betriebsmodus bestimmt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Lambdasonden sind Sonden zum Bestimmen des Restsauerstoffgehalts im Abgas eines Kraftwagens. Sie umfassen eine so genannte Nernstzelle mit einer Zirkonmembran, die auf einer Seite vom Abgasstrom umspült wird und auf der anderen Seite mit der
Umgebungsluft in Kontakt steht. Bei entsprechend hohen Temperaturen können
Sauerstoff ionen durch die Zirkonmembran diffundieren, wobei sich über die Membran ein vom Partialdruckverhältnis des Sauerstoffes auf beiden Seiten abhängiges Potential aufbaut. Die Nutzung dieses Potentials dient zur Ermittlung des Restsauerstoffgehalts im Abgas.
Um diese Diffusion zu ermöglichen, müssen Lambdasonden mit Zirkonmembranen auf Temperaturen von mehr auf 650°C erwärmt werden. Hierzu sind üblicherweise Widerstandsheizungen vorgesehen. Da das Membranpotential der Lambdasonde auch von der Temperatur abhängig ist, muss diese im Betrieb der Lambdasonde genau geregelt werden. Meist sind hierfür keine eigenen Temperatursensoren vorgesehen, es wird vielmehr der temperaturabhängige Widerstand der Nernstzelle als Temperaturmaß verwendet. Die Zirkonmembran zeigt hierbei das Verhalten eines Widerstands mit negativen Temperaturkoeffizienten, wird also mit zunehmender Temperatur leitfähiger. Der idealen Arbeitstemperatur der Sonde entspricht somit ein bestimmter Widerstandswert über die Nernstzelle, so dass eine Regelung der Heizung der Lambdasonde auf Grundlage der Widerstandsmessung erfolgen kann.
Nachteiligerweise verändert sich der Widerstand der Nernstzelle bzw. dessen
Temperaturabhängigkeit mit zunehmender Alter der Lambdasonde. Die Temperaturbestimmung wird daher bei Lambdasonden mit höheren Laufzeiten zunehmend ungenau, was zum Einen das Messergebnis der Lambdasonde verschlechtern kann und zum anderen zu Fehlsteuerungen der Heizung der Lambdasonde führen kann. Letzteres ist gerade bzgl. möglicher Überhitzungen der Lambdasonde kritisch, da bei entsprechend gestalteten Sonden gegebenenfalls die Fehlregelung der Temperatur soweit gehen kann, dass es zur Rissbildung im Keramikkörper der Sonde kommt. Dies kann zu einem
Komplettausfall der Sonde führen.
Ein übliches Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde auf die beschriebene Art ist beispielsweise aus der DE 10 2004 057 929 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde bereitzustellen, welches eine zuverlässige Temperaturregelung der Sonde auch bei höheren Laufzeiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde wird in einem ersten Betriebsmodus ein Widerstand einer Nernstzelle der Lambdasonde gemessen und auf Grundlage des gemessenen Widerstandes eine Temperatur der Lambdasonde ermittelt. Eine Heizspannung einer Heizeinrichtung der Lambdasonde wird in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und einer Solltemperatur eingestellt, so dass sichergestellt werden kann, dass die Lambdasonde immer auf der optimalen Temperatur betrieben wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem zweiten Betriebsmodus die Lambdasonde mit einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird und während des Betriebs mit der vorgegebenen Temperatur der Widerstand der Nernstzelle gemessen wird. Aus der Differenz des gemessenen Widerstands zu einem vorgegebenen Sollwiderstand wird ein Korrekturfaktor für die Ermittlung der Temperatur der Lambdasonde im ersten Betriebsmodus bestimmt. Der zweite Betriebsmodus stellt somit einen Kalibriermodus für die Lambdasonde dar. Durch den Betrieb bei einer vorgegebenen Temperatur, die zweckmäßigerweise identisch mit der Sollbetriebstemperatur der Lambdasonde ist, können altersbedingte Änderungen des Widerstands der Nernstzelle bzw. der Temperaturabhängigkeit dieses Widerstands detektiert werden. Mittels des auf dieser Basis ermittelten Korrekturfaktors kann sichergestellt werden, dass auch Lambdasonden mit höherer Laufzeit stets bei der gewünschten Temperatur betrieben werden. Alterungsbedingte Fehlregelungen der Heizeinrichtung der Lambdasonde werden so vermieden, so dass Ausfälle auf Grund von überhitzten Keramikkörpern der Lambdasonde oder dergleichen zuverlässig ausgeschlossen werden können.
Vorzugsweise wird im zweiten Betriebsmodus die vorgegebene Temperatur durch Betreiben der Heizeinrichtung mit einer vorgegebenen Heizspannung eingestellt. Dies ist eine besonders einfache und zweckmäßige Möglichkeit, da die Heizeinrichtung im Gegensatz zur Nernstzelle keine Alterungserscheinungen zeigt. Auch bei gealterten Lambdasonden besteht daher ein stets bekannter Zusammenhang zwischen der vorgegebenen Heizspannung und der dadurch an der Heizeinrichtung erzielten Temperatur.
Um diesen Zusammenhang für eine neue Lambdasonde zu ermitteln und somit eine zuverlässige Differenzheizspannung für den zweiten Betriebsmodus zu erhalten, wird die vorgegebenen Heizspannung nach Einbau einer neuen Lambdasonde solange variiert, bis der Widerstand der Nernstzelle den Sollwiderstand erreicht. Mit anderen Worten wird aus dem bekannten Widerstands-Temperatur-Zusammenhang einer neuen Lambdasonde indirekt experimentell die Heizspannung für den zweiten Betriebsmodus ermittelt, bei dem die Lambdasonde die gewünschte Solltemperatur erreicht.
Vorzugsweise wird der zweite Betriebszustand in regelmäßigen Zeitabschnitten eingenommen. Dies kann beispielsweise nach jedem Start des Kraftwagens geschehen oder auch an den Servicezyklus des Kraftwagens gekoppelt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass Alterungserscheinungen der Lambdasonde frühzeitig erkannt werden, so dass ein entsprechender Korrekturfaktor ermittelt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Betriebszustand nur dann eingenommen, wenn zumindest ein Betriebs- und/oder Umgebungsparameter des Kraftwagens in einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Hierfür werden zweckmäßigerweise Betriebs- und/oder Umgebungsparameter gewählt, welche ebenfalls einen Einfluss auf die Temperatur der Lambdasonde haben, so dass die Bestimmung des Korrekturfaktors im zweiten Betriebsmodus nicht durch diese Parameter verfälscht wird.
Es dabei besonders vorteilhaft, hierbei eine Kühlmitteltemperatur und/oder eine
Umgebungstemperatur und/oder eine Einspritzmenge und/oder eine Motordrehzahl und/oder einen Abgasmassenstrom und/oder eine Aktivität einer Regenerationsbetriebsmodus des Kraftwagens oder dergleichen zu berücksichtigen. All die genannten Größen beeinflussen die Temperatur der Lambdasonde entweder von außen her - wie die Umgebungstemperatur - oder aber indirekt über die Temperatur des Abgasstromes, mit dem die Lambdasonde in Kontakt steht. Gegebenenfalls kann auch eine Messung der Umgebungstemperatur sowie der Abgastemperatur in die Kalkulation des Korrekturfaktors zum zweiten Betriebsmodus der Lambdasonde einfließen, um so einen besonders genauen Korrekturfaktor zu erhalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten Betriebsmodus nur dann ein Korrekturfaktor bestimmt, wenn die Differenz zwischen dem gemessenen Widerstand der Nernstzelle und dem Sollwiderstand eines vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Hierdurch wird vermieden, dass bei kleinen Fluktuationen des Widerstands-Temperatur-Zusammenhangs der Nernstzelle jeweils aufwendige Korrekturen durchgeführt werden müssen.
Der gemessene Widerstand der Nernstzelle wird vorzugsweise bei jedem Betreiben des Kraftwagens im zweiten Betriebsmodus in einer Speichereinrichtung gespeichert. Über den zeitlichen Verlauf der derart bestimmten Widerstände bei einer vorgegebenen Temperatur kann das Alterungsverhalten der Lambdasonde besonders gut bestimmt werden. Es ist möglich, diese Werte beispielsweise bei Servicevorgängen auszulesen, um so einen großen Datenbestand über das Alterungsverhalten der Lambdasonden unter realen Betriebsbedingungen zu sammeln und für eine gesamte Fahrzeugflotte auszuwerten. Ferner ist es zweckmäßig, den Verlauf der Widerstandswerte der Lambdasonde im zweiten Betriebsmodus als Maß für die Plausibilisierung des bei einem jeweiligen einzelnen Messvorgang bestimmten Widerstandswertes im zweiten Betriebsmodus zu verwenden. Treten hierbei Abweichungen in ungewöhnliche Richtung oder in ungewöhnlichen Ausmaß aus, so kann die Messung gegebenenfalls verworfen und wiederholt werden, da solche Abweichungen in der Regel auf externe Störgrößen hindeuten, welche die Messung verfälscht haben. Hierdurch wird zuverlässig die Bestimmung von falschen Korrekturfaktoren aufgrund externer Störungen vermieden.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lambdasonde;
Fig. 2 einen Regelkreis zum Regeln der Temperatur einer Lambdasonde nach dem Stand der Technik; Fig. 3 eine grafische Auftragung der Abhängigkeit zwischen Temperatur einer
Lambdasonde und Widerstand deren Nernstzelle für unterschiedlich gealterte Lambdasonden;
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Widerstandes von Nernstzellen verschiedener
Lambdasonden während der Alterung;
Fig. 5 ein Regelkreisschema zum Regeln der Temperatur einer Lambdasonde bei der Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte bei der Bestimmung eines Korrekturfaktors für die Temperaturregelung einer Lambdasonde im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 ein Regelkreisschema zur Temperaturregelung einer Lambdasonde bei
Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Normalbetriebmodus.
Eine in Fig. 1 schematisch dargestellte, im Ganzen mit 10 bezeichnete Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Abgas eines Kraftwagens umfasst eine Membran 12 aus Zirkon(IV)oxid, die beidseitig von gasdurchlässigen Platinelektroden 14, 16 begrenzt ist. Auf Seite der Elektrode 14 steht die Lambdasonde 10 mit einem
Abgasstrom 18 des Kraftwagens in Verbindung, auf Seite der Elektrode 16 mit der Außenluft 20. Bei erhöhten Temperaturen, insbesondere oberhalb von ca. 650°C kann Sauerstoff durch die Zirkonmembran 12 diffundieren. Auf derjenigen Seite der
Lambdasonde 10, auf welcher ein relativer Sauerstoffüberschuss existiert, nimmt der molekulare Sauerstoff Elektronen aus der jeweiligen Elektrode 14, 16 auf und diffundiert in Form von 02"-lonen durch die Zirkonmembran 12. Zwischen den Elektroden 14, 16 stellt sich daher eine Potentialdifferenz ein, die mittels eines Spannungsmessgeräts 22 bestimmt werden kann. Aus der Potentialdifferenz zwischen den beiden Seiten der Lambdasonde 10 kann das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks im Abgasstrom zum Sauerstoffpartialdruck in der Umgebungsluft 20 bestimmt werden. Um die Membran 12 auf ihre Solltemperatur zu bringen, sind ferner Heizelemente 24 vorgesehen. Die Regelung der Heizelemente 24 und damit der Temperatur der Lambdasonde 10 erfolgt gemäß dem Stand der Technik nach einem Regelkreis, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Zur Bestimmung der Temperatur der Lambdasonde 10 dient dabei der Widerstand der Nernstzelle, also der Zirkonmembran 12 mit ihren Elektroden 14, 16. Dieser ist abhängig von der Temperatur und zeigt, wie in Fig. 3 dargestellt, einen negativen
Temperaturkoeffizienten. In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst der Widerstand der Nernstzelle bestimmt und in einem weiteren Schritt gemäß der Kennlinie aus Fig. 3 in eine Temperatur der Lambdasonde 10 umgerechnet. Durch Differenzbildung zwischen der gemessenen Temperatur und einer vorgegebenen Solltemperatur wird eine
Eingangsgröße für einen proportional-integralen Regler bereitgestellt, der schließlich die Stellgröße des Systems, nämlich die Spannung für die Heizelemente 24 bereitstellt.
Veränderungen der Heizspannung führen wiederum zu einer Veränderung der
Temperatur der Nernstzelle und damit zu einer Veränderung des gemessenen
Widerstands. Auf diese Art kann mittels einer einfachen Regelung die Temperatur der Lambdasonde 10 konstant gehalten werden.
Der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Nernstzelle und ihrem Widerstand variiert jedoch mit dem Alter der Lambdasonde 10. Die in Fig. 3 durchgezogene und mit Quadraten gekennzeichnete Linie 26 zeigt den Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand der Nernstzelle für eine neue Lambdasonde, die durchgezogene Linie 28 denjenigen für eine gealterte Lambdasonde 10. Bei einer Solltemperatur von 830 C° beträgt im Fall der neuen Lambdasonde der Widerstand der Nernstzelle in etwa 80 Ohm. Wird die Regelung gemäß Fig. 2 auch bei gealterter Lambdasonde 10 unverändert weiter geführt, so wird auch die gealterte Lambdasonde 10 auf einen Nernstwiderstand von 80 Ohm hin geregelt. Wie der Graph 28 zeigt, liegt bei der gealterten Lambdasonde 10 jedoch bei einem Nernstwiderstand von 80 Ohm eine deutlich erhöhte Temperatur von mehr als 950 C° vor. Dies kann die Messergebnisse der Lambdasonde verfälschen und gegebenenfalls zu Beschädigungen an deren Keramikkörper führen.
Fig. 4 zeigt die Veränderung des Nernstwiderstands der Lambdasonde 10 bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur in Abhängigkeit von deren Betriebsstundenzahl in einer Mehrzahl von Messreihen. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich hierbei deutliche und starke Verschiebungen ergeben, die bei einem Temperatur-Widerstandsverlauf gemäß Fig. 3 zu Temperaturabweichungen von mehreren hundert Grad führen können, sofern lediglich auf einen fest vorgegebenen Widerstandswert der Nernstzelle der Lambdasonde 10 hin geregelt wird. Um die Regelung der Sondentemperatur zu verbessern, wird, wie in Fig. 5 dargestellt, bei einer neu eingebauten Lambdasonde 10 eine Differenzmessung durchgeführt. Hierzu wird eine Referenzheizspannung bestimmt, bei welcher die Lambdasonde 10 eine vorgegebene Temperatur erreicht. Dies kann beispielsweise durch variierende
Ansteuerung der Heizelemente 24 und eine davon unabhängige Temperaturmessung geschehen. Bei neuer Lambdasonde kann die Temperaturmessung auch entfallen und durch einfache Widerstandsmessung ersetzt werden, da hier ja der Zusammenhang zwischen Nernstwiderstand und Sondentemperatur auch bekannt ist. Die so bestimmte Referenzheizspannung, bei der die Lambdasonde 10 genau die gewünschte Temperatur erreicht, wird in der Folge in einer Speichereinrichtung, beispielsweise einem EEPROM des Kraftwagens als Referenzgröße abgelegt.
Auch bei gealterter Lambdasonde kann diese Referenzheizspannung zum gezielten Einstellen der Lambdasondentemperatur verwendet werden, da die Heizelemente im Gegensatz zur Nernstzelle keine Alterungserscheinungen aufweisen. Es ist dabei jedoch zu beachten, dass die Temperatur der Lambdasonde 10 nicht nur durch die Heizspannung an den Heizelementen 24, sondern auch durch andere Umgebungsfaktoren beeinflusst wird. Hierzu zählen die Umgebungstemperatur selbst sowie die Temperatur des Abgasstranges, welche wiederum von Betriebsgrößen des Kraftwagens wie einer Kühlmitteltemperatur, einer Einspritzmenge, einer otordrehzahl, eines Abgasmassenstroms, gegebenenfalls dem Vorliegen eines Regenerationsbetriebs oder dergleichen beeinflusst wird. Soll später unter Verwendung der gespeicherten Referenzheizspannung die Solltemperatur der Lambdasonde für eine Kalibrierungsmessung eingestellt werden, so ist darauf zu achten, dass diese Einflussgrößen sich in vorgegebenen Rahmen bewegen, so dass die Kalibrierung nicht verfälscht wird.
Bei gealterter Lambdasonde wird dann in regelmäßigen Abständen eine Kalibrierung gemäß Fig. 6 durchgeführt. Hierzu wird, sofern die genannten Umgebungsparameter in ihrem Sollwertebereich liegen, die gespeicherte Referenzheizspannung an die Heizelemente 24 angelegt. Hierdurch wird die Temperatur der Lambdasonde zuverlässig auf ihren Sollwert eingestellt. Nun kann der Widerstand über die Zirkonmembran 12 gemessen werden, so dass der Nernstwiderstand der Lambdasonde 10 bei ihrer
Solltemperatur nun bekannt ist.
Außerhalb dieses Kalibrierzustands erfolgt die normale Regelung der Lambdasondentemperatur dann gemäß dem in Fig. 7 dargestellten Regelkreis. Aus dem beim
Kalibrieren bestimmten gealterten Nernstwiderstand der Lambdasonde 10 bei ihrer Solltemperatur wird ein Kompensationsfaktor bestimmt, der in die Umrechnung zwischen dem gemessenen Nernstwiderstand und der vorliegenden Sondentemperatur einfließt. Die weitere Regelung erfolgt wie bekannt, in dem eine Integralregler die Differenz aus der gemessenen und mittels des Kompensationsfaktors korrigierten Sondentemperatur und der Solltemperatur als Eingangsgröße erhält und als Ausgangsgröße die zur Temperatureinstellung notwendige Spannung für die Heizelemente 24 liefert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass auch bei gealterter Lambdasonden jederzeit die gewünschte Solltemperatur eingehalten wird, ohne das es zu gegebenenfalls schädlichen Überhitzungen der Lambdasonde 10 kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde (10), bei welchem in einem ersten Betriebsmodus ein Widerstand einer Nernstzelle (12) der Lambdasonde (10) gemessen und auf Grundlage des gemessenen Widerstands eine Temperatur der Lambdasonde (10) ermittelt wird, wobei eine Heizspannung einer Heizeinrichtung (24) der Lambdasonde (10) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und einer Solltemperatur eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zweiten Betriebsmodus die Lambdasonde (10) mit einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird und während des Betriebs mit der vorgegebenen Temperatur der Widerstand der Nernstzelle (12) gemessen wird, wobei aus der Differenz des gemessenen Widerstands zu einem vorgegebenen Sollwiderstand ein Korrekturfaktor für die Ermittlung der Temperatur der Lambdasonde (10) im ersten Betriebsmodus bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
im zweiten Betriebsmodus die vorgegebene Temperatur durch Betreiben der Heizeinrichtung (24) mit einer vorgegebenen Heizspannung eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die vorgegebene Heizspannung nach Einbau einer neuen Lambdasonde (10) ermittelt wird, indem die Heizspannung solange variiert wird, bis der Widerstand der Nernstzelle (12) den Sollwiderstand erreicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Betriebszustand in regelmäßigen Zeitabständen eingenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Betriebszustand nur dann eingenommen wird, wenn zumindest ein Betriebs- und/oder Umgebungsparameter des Kraftwagens in einem vorgegebenen Wertebereich liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Betriebs- und/oder Umgebungsparameter eine
Kühlmitteltemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder eine
Einspritzmenge und/oder eine Motordrehzahl und/oder ein Abgasmassenstrom und/oder eine Aktivität eines Regenerationsbetriebsmodus und/oder dgl. ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
im zweiten Betriebsmodus nur dann ein Korrekturfaktor bestimmt wird, wenn die Differenz zwischen dem gemessenen Widerstand der Nernstzelle (12) und dem Sollwiderstand einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei jedem Betreiben des Kraftwagens im zweiten Betriebsmodus der jeweils gemessene Widerstand der Nernstzelle (12) in einer Speichereinrichtung gespeichert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
im zweiten Betriebsmodus eine Plausibilisierung des gemessenen Widerstands anhand der gespeicherten Widerstandswerte früherer Messungen erfolgt.
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