WO1994016371A1 - System zum betreiben eines heizelements für einen keramischen sensor in einem kraftfahrzeug - Google Patents

System zum betreiben eines heizelements für einen keramischen sensor in einem kraftfahrzeug Download PDF

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WO1994016371A1
WO1994016371A1 PCT/DE1993/001149 DE9301149W WO9416371A1 WO 1994016371 A1 WO1994016371 A1 WO 1994016371A1 DE 9301149 W DE9301149 W DE 9301149W WO 9416371 A1 WO9416371 A1 WO 9416371A1
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internal combustion
combustion engine
temperature
phase
ceramic sensor
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PCT/DE1993/001149
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French (fr)
Inventor
Eberhard Schnaibel
Erich Schneider
Konrad Henkelmann
Frank Blischke
Georg Mallebrein
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Priority to EP94900746A priority patent/EP0635148B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G23/00—Means for ensuring the correct positioning of parts of control mechanisms, e.g. for taking-up play
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1493—Details
    • F02D41/1494—Control of sensor heater

Definitions

  • the invention relates to a system for operating a heating element for a ceramic sensor in a motor vehicle according to the preamble of claim 1.
  • Such a system for operating a heating element for a ceramic sensor in a motor vehicle is known from US Pat. No. 4,348,583.
  • a constant current is applied to a heating element in a first time interval.
  • the current is pulsed in a second time interval, so that heating is carried out with reduced power in the second time interval.
  • a high heating output is made available during the first time interval in order to reach a desired temperature as quickly as possible.
  • heating is carried out with reduced power in order to maintain the temperature.
  • the object of the invention is to set different sensor temperatures in a system of the type mentioned at the outset for operating a heating element for a ceramic sensor in a motor vehicle, depending on the operating state of an internal combustion engine driving the motor vehicle.
  • Another object of the invention is to protect the ceramic sensor from damage by impinging liquid.
  • the ceramic sensor should be ready for operation as quickly as possible and the sensor signals should be impaired as little as possible.
  • the invention is intended to enable protection of the ceramic sensor without any structural changes to the sensor or with only minor structural changes and to be inexpensive.
  • the invention has the advantage that it enables a setting of the temperature TSe of the ceramic sensor that is matched to the respective operating state of the internal combustion engine.
  • a first operating state (phase I) of the internal combustion engine is defined in which it is to be expected that liquid is present in the exhaust gas duct of the internal combustion engine and a second operating state (phase II) in which it is not to be expected that in the exhaust gas duct the internal combustion engine liquid is present.
  • the critical temperature TSeK is selected so that when the ceramic sensor is operated below the critical temperature TSeK there is no significant risk of damage to the ceramic sensor when it comes into contact with liquid. If the internal combustion engine is in the second operating state, the control of the heating element can be oriented, for example, to an optimal operating temperature of the ceramic sensor.
  • the distinction between the two operating states mentioned when controlling the heating element has the advantage that the risk of damage to the ceramic sensor due to contact with liquid is eliminated and the service life of the ceramic sensor can thus be extended without any design changes must be made on the sensor.
  • the heating element is not put into operation during the first operating state of the internal combustion engine or is operated with reduced output or is initially operated with high output and then with reduced output.
  • the transition from high to reduced power occurs when a selectable period of time has passed since the start of the internal combustion engine or when it can be assumed that the temperature TSe of the ceramic sensor has exceeded a threshold TSel. Whether the threshold value TSel has been exceeded can be determined from the temperature-dependent properties of the ceramic sensor or the signal from a temperature sensor that is in thermal contact with the ceramic sensor.
  • the last offers the advantage that the ceramic sensor is heated very quickly to the temperature which is the maximum permissible under the given circumstances. It is thereby achieved that the optimum operating temperature of the ceramic sensor can be set within a short time after the transition from the first to the second operating state of the internal combustion engine. All three measures for protecting the ceramic sensor have in common that they are only taken when it is necessary, ie during the first operating state.
  • the first operating state is after a cold start of the internal combustion engine. A cold start is assumed if the coolant temperature of the internal combustion engine is below a threshold value TKM1 at the start.
  • the transition from the first to the second operating state of the internal combustion engine occurs when a selectable period of time has elapsed since the beginning of the first operating state or when it can be assumed that the temperature TAbg of the exhaust system in the vicinity of the ceramic sensor has exceeded a threshold value TTau .
  • the latter can be determined from the signal of a temperature sensor which is attached in the vicinity of the ceramic sensor or from a model which approximately describes the temperature TAbg of the exhaust system in the vicinity of the ceramic sensor.
  • the amount of air or air mass sucked in since the start of the internal combustion engine is integrated into the model and the integral is compared with a threshold value.
  • the system according to the invention can be used particularly advantageously in the case of an oxygen probe which is attached in the exhaust gas duct of the internal combustion engine, seen in the flow direction of the exhaust gases, before or after a catalytic converter.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine with the components essential to the invention
  • FIG. 2 shows a flow diagram of the system according to the invention for operating a heating element for an oxygen probe
  • FIG. 3 shows diagrams for the time profile of the electrical power supplied to the heating element (top), the temperature TSe of the oxygen probe (center) and the temperature TAbg of the exhaust system in the vicinity of the oxygen probe (bottom) and
  • FIG. 4 shows a block diagram of a device with which it can be determined whether the temperature TSe of the oxygen probe has exceeded a threshold value TSel.
  • the invention is described below using the example of an oxygen probe which is located in the exhaust gas duct of an internal combustion engine.
  • the oxygen probe is used to record the oxygen content of the exhaust gas and to make it available to a device for regulating the air / fuel ratio.
  • the oxygen probe has generally been installed very far forward in the exhaust gas duct, ie close to the internal combustion engine, in order to ensure rapid heating of the oxygen probe by the exhaust gases of the internal combustion engine.
  • it is usually equipped with an electrical heating element.
  • the heating element it can be ensured by the heating element that the oxygen probe also under operating conditions under which the Exhaust gas temperature is low and / or only a very small amount of exhaust gas is present, is kept at operating temperature.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an internal combustion engine 100 with the components essential to the invention.
  • An intake tract 102 and an exhaust gas duct 104 are attached to the internal combustion engine 100.
  • In the intake tract 102 of the internal combustion engine 100 there are - in the flow direction of the intake air - an air mass or air flow meter 106, a sensor 108 for detecting the temperature of the intake air and an injection nozzle 110.
  • the exhaust duct 104 of the internal combustion engine 100 is located - viewed in the flow direction of the exhaust gases - an oxygen probe 112 with heating element 114, a sensor 116 for detecting the temperature TAbg of the exhaust gas or the wall of the exhaust gas duct 104 in the vicinity of the oxygen probe 112 Catalyst 118 and optionally an additional oxygen probe 120 with heating element 122 and a further sensor 124 for detecting the temperature TAbg of the exhaust gases or the wall of the exhaust gas duct 104 in the vicinity of the oxygen probe 120.
  • a sensor 126 is attached to the internal combustion engine 100 the coolant temperature of the internal combustion engine 100.
  • a control unit 128 is connected to the sensor 108, the injector 110, the oxygen probe 112, the heating element 114, the sensor 116, the oxygen probe 120, the heating element 122, the sensor 124 and the via lines with the air mass or air flow meter 106 Sensor 126 connected.
  • the oxygen probe 120 is not absolutely necessary for regulating the air / fuel ratio, so that today's systems are often only equipped with the oxygen probe 112 for cost reasons. In the future, however, a two-probe concept that contains both the oxygen probe 112 and the oxygen probe 120 appears to be gaining in importance.
  • An embodiment with only one oxygen probe 112 is used for the description below of the functional principle of the invention.
  • the Transfer to an exemplary embodiment with two oxygen probes 112 and 120 is very simple, since each heating element 114, 122 is controlled for itself using the same principle as in the exemplary embodiment with only one oxygen probe 112. A separate control is necessary because it can generally be assumed that the oxygen probes 112 and 120 are exposed to different conditions. The differences can be particularly large after a cold start of the internal combustion engine 100.
  • the catalytic converter 118 then has a low temperature - generally approximately the ambient temperature - and can initially store large amounts of condensed water, so that the exhaust gases are cooled on the way from the oxygen probe 112 to the oxygen probe 120 and with liquid be enriched.
  • the risk of damage from contact with liquid thus exists for the oxygen probe 120 for a substantially longer period of time than for the oxygen probe 112, so that the protective measures for the oxygen probe 120 can accordingly be maintained longer.
  • a first operating state it can be assumed that liquid, generally condensed water, is present in the exhaust duct 104 in the vicinity of the oxygen probe 112.
  • a second operating state it can be assumed that there is no liquid in the exhaust duct 104 in the vicinity of the oxygen probe 112. A risk of damage to the oxygen probe 112 by contact with liquid thus only exists in the first operating state and consequently Measures to protect the oxygen probe 112 must also be taken only during the first operating state.
  • the first operating state is generally present after a cold start of the internal combustion engine 100, as long as the temperature TAbg of the exhaust gas duct in the vicinity of the oxygen probe 112 is lower than the dew point temperature TTau of approximately 50-60 ° C.
  • the period within which the internal combustion engine is in the first operating state is referred to as phase I below. If the dew point temperature TTau is exceeded, there is a transition to the second operating state and phase II begins.
  • the signal from sensor 126 which detects the temperature of the coolant of internal combustion engine 100, is evaluated immediately before or immediately after engine 100 is started. If the evaluation shows that the temperature of the coolant is greater than a threshold value TKM1, which is, for example, 75 ° C., there is no cold start.
  • TKM1 which is, for example, 75 ° C.
  • the internal combustion engine 100 is in the second operating state and no further measures are required to protect the oxygen probe 112 from damage due to contact with liquid, ie the activation of the heating element 114 is not subject to any restrictions in this connection. If, on the other hand, the temperature of the coolant is lower than the threshold value TKM1, there is a cold start and it can initially be assumed that the internal combustion engine 100 is in the first operating state.
  • Measure 1 measures to protect the oxygen probe 112 must be taken until the second operating state is reached. These measures are intended in each case to prevent the oxygen probe 112 from being heated to temperatures by the heating element 114 during phase I at which there is a risk of damage to the oxygen probe 112 by contact with liquid. The following individual measures are available: Measure 1:
  • the heating element 114 remains switched off.
  • the heating element 114 is operated with a power P2 which is reduced compared to its nominal power Pl.
  • the heating element 114 is initially operated with its nominal power Pl and if it can be assumed that the temperature TSe of the oxygen probe 112 has exceeded a threshold value TSel, the heating power P is reduced in such a way that the temperature TSe of the oxygen probe 112 no longer increases or only increases slightly.
  • the threshold TSel is approximately 50 K below a critical temperature TSeK of z. B. 300 to 350 ° C, above which there is a risk of damage to the oxygen probe 112 upon contact with liquid.
  • the temperature TSe of the oxygen probe 112 can be estimated from the time which has elapsed since the heating element 114 was switched on or from the output signals of the oxygen probe 112 or from the signals from a temperature sensor which is in thermal contact with the Oxygen probe 112 is located or can be determined by other methods familiar to the person skilled in the art.
  • phase I ends and phase II begins can either be approximately determined from empirical values collected during the application (option 1) or determined as follows:
  • the signals from the temperature sensor 116 are used to determine whether the dew point temperature TTau in the vicinity of the oxygen probe 112 has been exceeded.
  • Option 3 the dew point temperature TTau in the vicinity of the oxygen probe 112 has been exceeded.
  • a mathematical model for the exhaust gas temperature, into which the amount of air or air mass added since the engine 100 started, is used to determine whether the dew point temperature TTau in the vicinity of the oxygen probe 112 has been exceeded.
  • FIG. 2 shows a flow diagram of a preferred exemplary embodiment of the system according to the invention for operating the heating element 114 of an oxygen probe 112.
  • measure 3 described above is taken during phase I and the transition from phase I to phase II is carried out according to a of options 1, 2 or 3 described above.
  • the flow chart begins with a first step 200 in which the internal combustion engine 100 is started. Subsequently, in a step 202, a query is made as to whether the coolant temperature of the internal combustion engine 100 is lower than the threshold value TKM1. If this condition is met, a step 204 follows. In step 204, the heating element 114 is put into operation with nominal power Pl. Then in step 206 it is queried whether the temperature TSe of the oxygen probe 112 has exceeded the threshold value TSel. This query is repeated until the requested condition is fulfilled. If the condition is met, ⁇ . O follows step 208. In step 208, a query is made as to whether it can be assumed that liquid is present in the vicinity of the oxygen probe 112.
  • step 210 follows in which the heating element 114 is operated with power P2 reduced relative to its nominal power Pl.
  • the reduction in the power P can be achieved, for example, by clocking the electrical current flowing through the heating element 114.
  • step 212 follows, in which the heating element 114 is operated with nominal power Pl. Step 212 can also be reached directly from step 202, specifically when the condition of step 202 is not fulfilled, ie when there is no cold start and therefore also no measures for protecting the oxygen probe 112 from damage by contact with liquid are required.
  • FIG. 3 shows diagrams for the time profile of the electrical power P supplied to the heating element 114 (top), the temperature TSe of the oxygen probe 112 (center) and the temperature TAbg in the vicinity of the oxygen probe 112 (bottom).
  • Phase I which has already been defined in more detail above, is divided into two sub-phases. A sub-phase la and a subsequent sub-phase Ib. Phase II follows on from phase Ib. The individual phases or partial phases are separated from one another by vertical dashed lines.
  • the temperature TSe of the oxygen probe 112 is plotted on the ordinate.
  • the rise in temperature is additionally influenced by the exhaust gas flowing past the oxygen probe 112.
  • the temperature TAbg of the exhaust gas or the exhaust gas duct 104 is plotted on the ordinate.
  • the end point of the partial phase la is reached when the temperature TSe of the oxygen probe 112 exceeds the threshold value TSel, for example 250 to 300 ° C. In the flowchart in FIG. 2, this is the case when the condition of query 206 is fulfilled for the first time. At this point in time, sub-phase la ends and sub-phases Ib begin.
  • the electrical power P with which the heating element 114 is acted on is reduced to a reduced value P2, for example 11 W (see FIG. 3, upper diagram).
  • the reduction in the electrical power P has the result that the temperature TSe of the oxygen probe 112 assumes an approximately constant value (see FIG. 3, middle diagram).
  • the point in time of the transition from phase Ib to phase II results from the time course of the temperature TAbg.
  • the temperature TAbg in the vicinity of the oxygen probe 112 is approximately constant for a longer period in the partial phases la and Ib and is approximately 50 to 60 ° C., which is approximately the dew point temperature TTau corresponds.
  • TAbg remains at this value until the liquid in the exhaust duct 104 in the vicinity of the oxygen probe 112 and upstream has completely changed to the gaseous state.
  • the rise in the temperature TAbg towards the end of the partial phase 1b thus indicates that there is no longer any liquid in the vicinity of the oxygen probe 112. For this reason, the time for the transition from partial phase Ib to phase II coincides with an increase in the temperature TAbg above the dew point temperature TTau.
  • the system according to the invention works the more reliably the more precisely the times for the transition from sub-phase la to Ib and for the transition from sub-phase Ib to phase II can be determined.
  • preferred embodiments are used to explain how these times can be determined.
  • the properties of ceramic sensors are often temperature-dependent, so that in these cases the temperature TSe of the sensors is determined from the behavior of the sensors without additional thermocouples can be. This also applies to the oxygen probe 112 described here, the electrical resistance of which decreases sharply as the temperature rises.
  • FIG. 4 shows a circuit known per se, with which the electrical resistance of the oxygen probe 112 is used to determine whether the oxygen probe 112 has exceeded a threshold value TSel, i.e. the circuit serves to determine the time of transition from sub-phase la to sub-phase Ib.
  • a series circuit comprising a voltage source 400 and a resistor 402 can serve as an equivalent circuit diagram for the oxygen probe 120 (shown in dash-dot lines).
  • a resistor 404 e.g. B. 51 kOhm switched.
  • the voltage drop across the resistor 404 which is a component of the control device 128 (shown in dash-dot lines), is detected and evaluated, which is indicated by a voltage meter 406.
  • the oxygen probe 112 has a resistance 402 of approximately 10 MOhm in the cold state and approximately 50 Ohm in the hot state.
  • the voltage drop across the resistor 404 depends on the resistance 402 of the oxygen probe 112 and thus enables conclusions to be drawn about the temperature TSe of the oxygen probe 112.
  • the oxygen probe 112 In addition to the change in resistance, a further effect occurs when the temperature of the oxygen probe 112 increases. As a rule, the oxygen probe 112 already delivers a voltage below the critical temperature TSeK, which depends on the oxygen content of the exhaust gas, for example when the threshold value TSel is exceeded. Thus, as a rule, there is a temperature range in which the oxygen probe 112 is ready for operation without there being any appreciable risk of damage upon contact with liquid.
  • phase I it is possible to bring the oxygen probe 112 to operating temperature and thus to enable the air / fuel ratio to be regulated without the risk of damage the oxygen probe 112 must be accepted by contact with liquid, ie the oxygen probe is operated in this case in the temperature range between the threshold value TSel and the critical temperature TSeK.
  • the earliest possible start-up of the oxygen probe 112 after starting the engine is urgently desired in terms of the lowest possible pollutant emissions.
  • a further increase in the temperature TSe of the oxygen probe 112 in phase II is nevertheless necessary since the oxygen probe 112 has many functional advantages at higher temperatures.
  • the time of the transition from partial phase Ib to phase II can also be determined without the temperature sensor 116 using the following method, ie the temperature sensor 116 is not absolutely necessary for the system according to the invention and can also be omitted. Then, using a model that simulates the temperature profile of the exhaust gases, it is determined when the exhaust gases have exceeded the dew point temperature TTau.
  • the air mass or air quantity measured by the air mass or air flow meter 106 is fed into the model as an input variable.
  • the air mass or air quantity is integrated in the model and the integral is compared with an empirically determined threshold value.
  • the threshold value represents the total air mass or air quantity drawn in by the internal combustion engine 100 since the cold start, at which experience has shown that the temperature TAbg exceeds the dew point temperature TTau.
  • the threshold value for the integrated air mass or air quantity during the application phase it should be noted for which section of the exhaust gas duct 104 the model is to be used.
  • the threshold value for the environment of the oxygen probe 120 is significantly larger than the threshold value for the environment of the oxygen probe 112.
  • the difference is essentially caused by the fact that in the case of the oxygen probe 120, the exhaust gases have large amounts of thermal energy for heating withdrawn from the catalyst 118 and thus the evaporation of the condensate 118 accumulating in the catalyst 118 is delayed. Only when the condensate upstream of the oxygen probe 120 has completely evaporated does the temperature TAbg of the exhaust gas in the vicinity of the oxygen probe 120 rise above the dew point temperature TTau.
  • the heating element 114 into operation before the internal combustion engine 100 starts.
  • the commissioning is triggered by a process that occurs before the start of the internal combustion engine 100, for example opening the vehicle door, switching on the interior lighting, actuating the belt buckle or loading the driver's seat. This allows the time between the start of the internal combustion engine 100 and the operational readiness of the oxygen probe 112 to be shortened.
  • B. may be important in connection with a heatable catalyst. The measures described for protecting the oxygen probe 112 can also be used in this variant.
  • the temperature TAbg represents the temperature in the vicinity of the oxygen probe 112 or 120. Depending on the exemplary embodiment, this can be the temperature of the exhaust gases, the wall of the exhaust gas duct 104 or the catalyst 118. If there is the possibility of detecting several of these temperatures, TAbg can also be determined by averaging over at least two of these temperatures. Instead of the coolant temperature, the temperature of the wall of the exhaust gas duct (104) or the temperature of the catalytic converter (118) can also be used to determine whether the internal combustion engine (100) has a cold start. However, the prerequisite for this is that an appropriate temperature sensor is available. If the temperature detected by this sensor is lower than the dew point temperature (TTau) when the internal combustion engine (100) starts, there is a cold start.
  • TTau dew point temperature

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Heizelements (114) eines keramischen Sensors (112), der im Abgaskanal (104) einer Brennkraftmaschine (100) angebracht ist und durch das Heizelement (114) aufheizbar ist. Befindet sich die Brennkraftmaschine (100) in einem Betriebszustand, in dem damit zu rechnen ist, daß im Abgaskanal (114) der Brennkraftmaschine (100) Flüssigkeit vorhanden ist, so wird das Heizelement (114) nicht in Betrieb genommen oder so angesteuert, daß der keramische Sensor (112) unterhalb einer kritischen Temperatur (TSeK) betrieben wird. Oberhalb der kritischen Temperatur (TSe) besteht die Gefahr, daß der keramische Sensor (112) durch Kontakt mit Flüssigkeit beschädigt wird.

Description

System zum Betreiben eines Heizelements für einen keramischen Sensor in einem Kraftfahrzeug
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Heizelements für einen keramischen Sensor in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Ober¬ begriff des Anspruchs 1.
Ein solches System zum Betreiben eines Heizelements für einen kera¬ mischen Sensor in einem Kraftfahrzeug ist aus der US-PS 4 348 583 bekannt. Dort wird ein Heizelement in einem ersten Zeitintervall mit einem konstanten Strom beaufschlagt. In einem zweiten Zeitintervall wird der Strom gepulst, so daß im zweiten Zeitintervall mit redu¬ zierter Leistung geheizt wird. Mit dieser Art der Ansteuerung des Heizelements wird während des ersten Zeitintervalls eine hohe Heiz¬ leistung zur Verfügung gestellt, um eine gewünschte Temperatur mög¬ lichst schnell zu erreichen. Im zweiten Zeitintervall wird mit redu¬ zierter Leistung geheizt, um die Temperatur zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem System der ein¬ gangs genannten Art zum Betreiben eines Heizelements für einen kera¬ mischen Sensor in einem Kraftfahrzeug abhängig vom Betriebszustand einer das Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine unterschied¬ liche Sensortemperaturen einzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den keramischen Sensor vor Beschädigung durch auftreffende Flüssigkeit zu schützen. Gleichzeitig soll der keramische Sensor möglichst schnell betriebs¬ bereit sein und die Sensorsignale sollen möglichst wenig beeinträch¬ tigt werden. Weiterhin soll die Erfindung einen Schutz des kerami¬ schen Sensors ganz ohne bauliche Veränderungen des Sensors bzw. mit nur geringen baulichen Veränderungen ermöglichen und kostengünstig sein.
Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 und die nachfolgend gekenn¬ zeichneten Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß sie eine auf den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraf maschine abgestimmte Einstellung der Temperatur TSe des keramischen Sensors ermöglicht. Es ist ein erster Betriebszustand (Phase I) der Brennkraftmaschine definiert, in dem damit zu rechnen ist, daß im Abgaskanal der Brennkraftmaschine Flüs¬ sigkeit vorhanden ist und ein zweiter Betriebszustand (Phase II), in dem nicht damit zu rechnen ist, daß im Abgaskanal der Brennkraftma¬ schine Flüssigkeit vorhanden ist. Wenn sich die Brennkraftmaschine im ersten Betriebszustand befindet, wird das Heizelement nicht in Betrieb genommen oder das Heizelement wird so angesteuert, daß der keramische Sensor unterhalb einer kritischen Temperatur TSeK betrie¬ ben wird. Die kritische Temperatur TSeK wird so gewählt, daß beim Betrieb des keramischen Sensors unterhalb der kritischen Temperatur TSeK keine nennenswerte Gefahr einer Beschädigung des keramischen Sensors bei Kontakt mit Flüssigkeit besteht. Befindet sich die Brennkraftmaschine im zweiten Betriebszustand, so kann die Ansteue- rung des Heizelements beispielsweise auf eine optimale Betriebstem¬ peratur des keramischen Sensors ausgerichtet sein. Die Unterscheidung der beiden genannten Betriebszustände bei der An- steuerung des Heizelements hat den Vorteil, daß die Gefahr einer Be¬ schädigung des keramischen Sensors durch Kontakt mit Flüssigkeit ausgeräumt wird und sich somit die Lebensdauer des keramischen Sen¬ sors verlängern läßt, ohne daß konstruktive Änderungen am Sensor vorgenommen werden müssen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß unterschied¬ lich aufwendige Maßnahmen zum Schutz des keramischen Sensors zur Verfügung stehen, mit denen sich in einem weiten Einsatzbereich ein guter Kompromiß zwischen Aufwand und Nutzen erzielen läßt. Je nach Ausführungsbeispiel wird das Heizelement während des ersten Be¬ triebszustands der Brennkraftmaschine nicht in Betrieb genommen oder mit reduzierter Leistung betrieben oder zunächst mit hoher und an¬ schließend mit reduzierter Leistung betrieben. Der Übergang von der hohen zur reduzierten Leistung erfolgt, wenn seit dem Start der Brennkraf maschine eine wählbare Zeitspanne verstrichen ist oder wenn davon auszugehen ist, daß die Temperatur TSe des keramischen Sensors einen Schwellwert TSel überschritten hat. Ob der Schwellwert TSel überschritten ist, kann aus den temperatur bhängigen Eigen¬ schaften des keramischen Sensors oder dem Signal eines in thermi¬ schen Kontakt mit dem keramischen Sensor stehenden Temperatursensors ermittelt werden.
Von den drei genannten Maßnahmen zum Schutz des keramischen Sensors bietet die letzte den Vorteil, daß der keramische Sensor sehr schnell auf die unter den gegebenen Umständen höchstzulässige Tempe¬ ratur geheizt wird. Dadurch wird erreicht, daß die optimale Be¬ triebstemperatur des keramischen Sensors innerhalb kurzer Zeit nach dem Übergang vom ersten in den zweiten Betriebszustand der Brenn¬ kraftmaschine eingestellt werden kann. Allen drei Maßnahmen zum Schutz des keramischen Sensors ist gemeinsam, daß sie nur dann er¬ griffen werden, wenn es erforderlich ist, d.h. während des ersten Betriebszustands. Der erste Betriebszustand liegt nach einem Kaltstart der Brennkraft¬ maschine vor. Von einem Kaltstart geht man aus, falls die Kühlmit¬ teltemperatur der Brennkraftmaschine beim Start unterhalb eines Schwellwerts TKM1 liegt. Der Übergang vom ersten zum zweiten Be¬ triebszustand der Brennkraftmaschine erfolgt dann, wenn seit Beginn des ersten Betriebszustands eine wählbare Zeitspanne verstrichen ist oder wenn davon auszugehen ist, daß die Temperatur TAbg der Abgasan¬ lage in der Umgebung des keramischen Sensors einen Schwellwert TTau überschritten hat. Letzteres kann aus dem Signal eines Temperatur- senεors, der in der Umgebung des keramischen Sensors angebracht ist oder aus einem Modell, das die Temperatur TAbg der Abgasanlage in der Umgebung des keramischen Sensors näherungsweise beschreibt, er¬ mittelt werden.
In dem Modell wird die seit dem Starten der Brennkraftmaschine ange¬ saugte Luftmenge oder Luftmasse aufintegriert und das Integral wird mit einem Schwellwert verglichen. Die Vielzahl der hier dargestell¬ ten Kriterien, nach denen der Übergang vom ersten zum zweiten Be¬ triebszustand ermittelt werden kann, erschließen der Erfindung ein weites Einsatzgebiet, indem sie viel Freiraum für die Berücksichti¬ gung der jeweiligen technischen Gegebenheiten bieten.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße System bei ei¬ ner Sauerstoff-Sonde einsetzen, die im Abgaskanal der Brennkraftma¬ schine in Stromrichtung der Abgase gesehen vor oder nach einem Kata¬ lysator angebracht ist.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit den erfindungswesentlichen Komponenten,
Figur 2 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Systems zum Betrieb eines Heizelements für eine Sauerstoff-Sonde,
Figur 3 Diagramme für den zeitlichen Verlauf der dem Heizelement zu¬ geführten elektrischen Leistung (oben), der Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde (Mitte) und der Temperatur TAbg der Abgasanlage in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde (unten) und
Figur 4 ein Blockschaltbild einer Einrichtung, mit der ermittelt werden kann, ob die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde einen Schwellwert TSel überschritten hat.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Sauerstoff-Sonde, die sich im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine befindet, beschrie¬ ben. Prinzipiell ist ein Einsatz im Zusammenhang mit beliebigen be¬ heizbaren keramischen Sensoren im Abgaskanal der Brennkraf maschine denkbar. Die Sauerstoff-Sonde dient dazu, den Sauerstoffgehalt des Abgases zu erfassen und einer Einrichtung zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zur Verfügung zu stellen. Bislang wur¬ de die Sauerstoff-Sonde in der Regel sehr weit vorne im Abgaskanal, d.h. nahe der Brennkraftmaschine, angebracht, um eine schnelle Er¬ wärmung der Sauerstoff-Sonde durch die Abgase der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Um die Sauerstoff-Sonde noch schneller aufzuheizen ist sie in der Regel mit einem elektrischen Heizelement versehen. Des weiteren kann durch das Heizelement sichergestellt werden, daß die Sauerstoff-Sonde auch unter Betriebsbedingungen, unter denen die Abgastemperatur niedrig ist und/oder nur eine sehr geringe Menge an Abgas vorhanden ist, auf Betriebstemperatur gehalten wird.
Bei einer Montage der Sauerstoff-Sonde nahe der Brennkraftmaschine kann es aber zu Problemen kommen:
1. Wenn die Brennkraftmaschine längere Zeit bei hoher Leistung be¬ trieben wird, fällt eine große Menge sehr heißer Abgase an, durch die die Sauerstoff-Sonde möglicherweise auf unzulässig hohe Tempera¬ turen aufgeheizt wird. Dadurch kann sich die Lebensdauer der Sauer¬ stoff-Sonde verkürzen.
2. Es ist in der Regel schwierig, im Abgaskanal nahe der Brennkraft¬ maschine eine geeignete Einbaustelle für die Sauerstoff-Sonde zu finden, von der aus die Abgase aller Zylinder der Brennkraf maschine erfaßt werden können.
Diese Schwierigkeiten lassen sich umgehen, indem man die Sauer¬ stoff-Sonde stromabwärts, d.h. weg von der Brennkraftmaschine, im Abgaskanal anbringt. Diese zweite Art der Montage wirft allerdings ein neues Problem auf. In der Anfangsphase nach Start der kalten Brennkraftmaschine ist der Abgaskanal stromauf der Sauerstoff-Sonde noch relativ kalt. Dadurch kommt es zur Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers. Werden die kondensierten Wassertröpfchen bei¬ spielsweise von der Wandung des Abgaskanals durch vorbeiströmende Abgase losgerissen und auf die Sauerstoff-Sonde geschleudert, so wird die Sauerstoff-Sonde an den Auftreffstellen lokal sehr rasch abgekühlt. Diese Abkühlung kann zu einer Beschädigung der Sauer¬ stoff-Sonde, beispielsweise Risse in der Keramik, führen. Das Risiko der Beschädigung ist besonders hoch, wenn sich die Sauerstoff-Sonde schon auf einer hohen Temperatur befindet. Die Erfindung sieht vor, die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde durch entsprechende Ansteue- rung des Heizelements derart zu beeinflussen, daß das Risiko einer Beschädigung der Sauerstoff-Sonde durch auftreffendes Kondenswasser sehr gering gehalten werden kann.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 100 mit den erfindungswesentlichen Komponenten. An der Brennkraftma¬ schine 100 sind ein Ansaugtrakt 102 und ein Abgaskanal 104 ange¬ bracht. Im Ansaugtrakt 102 der Brennkraf maschine 100 befinden sich - in Stromrichtung der angesaugten Luft gesehen - der Reihe nach ein Luftmassen- oder Luftmengenmesser 106, ein Sensor 108 zur Erfassung der Temperatur der angesaugten Luft und eine Einspritzdüse 110. Im Abgaskanal 104 der Brennkraftmaschine 100 befinden sich - in Strom¬ richtung der Abgase gesehen - eine Sauerstoff-Sonde 112 mit Heizele¬ ment 114, ein Sensor 116 zur Erfassung der Temperatur TAbg der Abga¬ se oder der Wandung des Abgaskanals 104 in der Umgebung der Sauer¬ stoff-Sonde 112, ein Katalysator 118 und optional eine weitere Sauerstoff-Sonde 120 mit Heizelement 122 und ein weiterer Sensor 124 zur Erfassung der Temperatur TAbg der Abgase oder der Wandung des Abgaskanals 104 in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 120. An der Brennkraftmaschine 100 ist ein Sensor 126 zur Erfassung der Kühlmit¬ teltemperatur der Brennkraftmaschine 100 angebracht. Ein Steuergerät 128 ist über Zuleitungen mit dem Luftmassen- oder Luftmengenmesser 106 dem Sensor 108, der Einspritzdüse 110, der Sauerstoff-Sonde 112, dem Heizelement 114, dem Sensor 116, der Sauerstoff-Sonde 120, dem Heizelement 122, dem Sensor 124 und dem Sensor 126 verbunden.
Die Sauerstoff-Sonde 120 ist zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Ver¬ hältnisses nicht unbedingt erforderlich, so daß heutige Systeme aus Kostengründen häufig nur mit der Sauerstoff-Sonde 112 ausgestattet sind. Für die Zukunft scheint ein Zwei-Sonden-Konzept, das sowohl die Sauerstoff-Sonde 112 als auch die Sauerstoff-Sonde 120 enthält, aber an Bedeutung zu gewinnen. Für die weiter unten folgende Be¬ schreibung des Funktionsprinzips der Erfindung wird ein Ausführungs¬ beispiel mit nur einer Sauerstoff-Sonde 112 herangezogen. Die Übertragung auf ein Ausführungsbeispiel mit zwei Sauerstoff-Sonden 112 und 120 ist sehr einfach, da jedes Heizelement 114, 122 für sich nach dem gleichen Prinzip wie beim Ausführungsbeispiel mit nur einer Sauerstoff-Sonde 112 angesteuert wird. Eine getrennte Ansteuerung ist deshalb erforderlich, weil in der Regel davon auszugehen ist, daß die Sauerstoff-Sonden 112 und 120 unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt sind. Besonders groß können die Unterschiede nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 100 sein. Dann besitzt der Kataly¬ sator 118 eine niedrige Temperatur - in der Regel ungefähr Umge¬ bungstemperatur - und kann zunächst große Mengen an Kondenswasser speichern, so daß die Abgase auf dem Weg von der Sauerstoff-Sonde 112 zur Sauerstoff-Sonde 120 abgekühlt und mit Flüssigkeit ange¬ reichert werden. Die Gefahr der Beschädigung durch Kontakt mit Flüs¬ sigkeit besteht somit bei der Sauerstoff-Sonde 120 für einen wesent¬ lich längeren Zeitraum als bei der Sauerstoff-Sonde 112, so daß die Schutzmaßnahmen für die Sauerstoff-Sonde 120 dementsprechend länger aufrecht zu erhalten sind.
Im folgenden soll das Funktionsprinzip der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels mit nur einer Sauerstoff-Sonde 112 erläutert werden:
Nach Starten der Brennkraftmaschine 100 wird zunächst ermittelt in welchem Betriebszustand sich die Brennkraftmaschine 100 befindet. Es wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden:
In einem ersten Betriebszustand ist davon auszugehen, daß im Abgas¬ kanal 104 in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 Flüssigkeit, in der Regel Kondenswasser vorhanden ist. In einem zweiten Betriebszu¬ stand ist davon auszugehen, daß im Abgaskanal 104 in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 keine Flüssigkeit vorhanden ist. Eine Ge¬ fahr der Beschädigung der Sauerstoff-Sonde 112 durch Kontakt mit Flüssigkeit besteht somit nur beim ersten Betriebszustand und folg- lieh sind auch nur während des ersten Betriebszustands Maßnahmen zum Schutz der Sauerstof -Sonde 112 zu treffen.
Der erste Betriebszustand liegt in der Regel nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 100 vor, solange die Temperatur TAbg des Ab¬ gaskanals in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 niedriger ist als die Taupunkt-Temperatur TTau von ca. 50 - 60 °C. Der Zeitraum, in¬ nerhalb dessen sich die Brennkraftmaschine im ersten Betriebszustand befindet, wird im folgenden als Phase I bezeichnet. Wird die Tau¬ punkt-Temperatur TTau überschritten, so erfolgt ein Übergang zum zweiten Betriebszustand und es beginnt eine Phase II.
Um zu ermitteln ob ein Kaltstart vorliegt, wird unmittelbar vor oder unmittelbar nach Starten der Brennkraftmaschine 100 das Signal des Sensors 126, der die Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftma¬ schine 100 erfaßt, ausgewertet. Ergibt die Auswertung, daß die Temperatur des Kühlmittels größer ist als ein Schwellwert TKM1, der beispielsweise 75° C beträgt, so liegt kein Kaltstart vor. Die Brennkraftmaschine 100 befindet sich im zweiten Betriebszustand und es sind keine weitergehenden Maßnahmen zum Schutz der Sauer¬ stoff-Sonde 112 vor Beschädigung durch Kontakt mit Flüssigkeit er¬ forderlich, d.h. die Ansteuerung des Heizelemets 114 unterliegt in diesem Zusammenhang keinen Beschränkungen. Ist die Temperatur des Kühlmittels dagegen kleiner als der Schwellwert TKM1, so liegt ein Kaltstart vor und es ist zunächst davon auszugehen, daß sich die Brennkraftmaschine 100 im ersten Betriebszustand befindet. Demgemäß sind solange Maßnahmen zum Schutz der Sauerstoff-Sonde 112 zu tref¬ fen, bis der zweite Betriebszustand erreicht ist. Diese Maßnahmen sollen jeweils verhindern, daß die Sauerstoff-Sonde 112 durch das Heizelement 114 während der Phase I auf Temperaturen geheizt wird, bei dem die Gefahr einer Beschädigung der Sauerstoff-Sonde 112 durch Kontakt mit Flüssigkeit besteht. Im einzelnen stehen folgende Ma߬ nahmen zur Verfügung: Maßnahme 1:
Das Heizelement 114 bleibt ausgeschaltet.
Maßnahme 2:
Das Heizelement 114 wird mit gegenüber seiner Nennleistung Pl redu¬ zierter Leistung P2 betrieben.
Maßnahme 3:
Das Heizelement 114 wird anfangs mit seiner Nennleistung Pl betrie¬ ben und dann, wenn davon auszugehen ist, daß die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 einen Schwellwert TSel überschritten hat, wird die Heizleistung P derart reduziert, daß die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 nicht mehr oder nur noch geringfügig steigt. Der Schwellwert TSel liegt ca. 50 K unterhalb einer kritischen Temperatur TSeK von z. B. 300 bis 350° C, oberhalb derer die Gefahr der Beschädigung der Sauerstoff-Sonde 112 bei Kontakt mit Flüssig¬ keit besteht. Die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 kann aus der Zeit, die seit dem Einschalten des Heizelements 114 verstrichen ist, abgeschätzt werden oder aus den Ausgangssignalen der Sauer¬ stoff-Sonde 112 oder aus den Signalen eines Temperatursensors, der sich in thermischen Kontakt mit der Sauerstoff-Sonde 112 befindet oder nach anderen dem Fachmann geläufigen Verfahren ermittelt werden.
Der Zeitpunkt, zu dem Phase I endet und Phase II beginnt, kann ent¬ weder aus Erfahrungswerten, die während der Applikation gesammelt wurden, näherungsweise festgelegt werden (Möglichkeit 1) oder fol¬ gendermaßen ermittelt werden:
Möglichkeit 2:
Aus den Signalen des Temperatursensors 116 wird ermittelt ob die Taupunkt-Temperatur TTau in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 überschritten ist. Möglichkeit 3:
Aus einem mathematischen Model für die Abgastemperatur, in das die seit Starten der Brennkraftmaschine 100 aufsummierte Luftmenge bzw. Luftmasse eingeht, wird ermittelt, ob die Taupunkt-Temperatur TTau in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 überschritten ist.
Denkbar wäre auch der Einsatz eines Feuchtigkeitssensors in der Um¬ gebung der Sauerstoff-Sonde 112, um zu ermitteln, ob der erste oder der zweite Betriebszustand der Brennkraftmaschine 100 vorliegt. Im Augenblick kommt dieser Variante aus Kostengründen noch keine große Bedeutung zu. Dies könnte sich im Laufe der technischen Entwicklung aber durchaus ändern.
Figur 2 zeigt ein Flußdiagra m eines bevorzugten Ausführungsbei¬ spiels des erfindungsgemäßen Systems zum Betreiben des Heizelements 114 einer Sauerstoff-Sonde 112. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird während der Phase I die obenbeschriebene Maßnahme 3 ergriffen und der Übergang von Phase I nach Phase II wird gemäß einer der obenbe¬ schriebenen Möglichkeiten 1, 2 oder 3 ermittelt.
Das Flußdiagramm beginnt mit einem ersten Schritt 200, in dem die Brennkraftmaschine 100 gestartet wird. Anschließend wird in einem Schritt 202 abgefragt, ob die Kühlmittelttemperatur der Brennkraft¬ maschine 100 kleiner ist als der Schwellwert TKM1. Ist diese Bedin¬ gung erfüllt, so schließt sich ein Schritt 204 an. Im Schritt 204 wird das Heizelement 114 mit Nennleistung Pl in Betrieb genommen. Danach wird in Schritt 206 abgefragt, ob die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 den Schwellwert TSel überschritten hat. Diese Abfrage wird solange wiederholt, bis die abgefragte Bedingung er¬ füllt ist. Ist die Bedingung erfüllt, Ϊ. O folgt Schritt 208. In Schritt 208 wird abgefragt, ob davon auszugehen ist, daß Flüssigkeit in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 vorhanden ist. Zur Beant¬ wortung dieser Frage wird wenigstens eine der drei obengenannten Möglichkeiten 1, 2 oder 3 herangezogen. Ist die Bedingung 208 er¬ füllt, so schließt sich ein Schritt 210 an, in dem veranlaßt wird, daß das Heizelement 114 mit relativ zu seiner Nennleistung Pl redu¬ zierter Leistung P2 betrieben wird. Die Reduzierung der Leistung P läßt sich beispielsweise durch Takten des durch das Heizelement 114 fließenden elektrischen Stroms erreichen. Auf Schritt 210 folgt wie¬ der Schritt 208. Ist Bedingung 208 nicht erfüllt, so folgt Schritt 212, in dem veranlaßt wird, daß das Heizelement 114 mit Nennleistung Pl betrieben wird. Zu Schritt 212 kann man auch direkt von Schritt 202 aus gelangen, und zwar dann, wenn die Bedingung des Schrittes 202 nicht erfüllt ist, d.h. wenn kein Kaltstart vorliegt und somit auch keine Maßnahmen zum Schutz der Sauerstoff-Sonde 112 vor Be¬ schädigung durch Kontakt mit Flüssigkeit erforderlich sind.
Figur 3 zeigt Diagramme für den zeitlichen Verlauf der dem Heizele¬ ment 114 zugeführten elektrischen Leistung P (oben), der Temperatur TSe der Sauerstof -Sonde 112 (Mitte) und der Temperatur TAbg in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 (unten). Die Zeitskala der Abszis¬ se beginnt bei jedem der drei Diagramme mit dem Starten der Brenn¬ kraftmaschine 100 oder mit dem Einschalten des Heizelements 114 bei t = tO. Die weiter oben bereits näher definierte Phase I ist in zwei Teilphasen unterteilt. Eine Teilphase la und eine sich anschließende Teilphase Ib. An Teilphase Ib schließt sich Phase II an. Die einzel¬ nen Phasen bzw. Teilphasen sind durch vertikale gestrichelte Linien voneinander getrennt.
Sämtliche Kurvenverläufe der Figur 3 beschreiben den Fall, bei dem die Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine 100 unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Start der Brennkraf maschine 100 unterhalb des Schwellwerts TKM1 liegt, d.h. es liegt ein Kaltstart vor. Be¬ zieht man sich auf das in Figur 2 dargestellte Flußdiagramm, so be¬ deutet dies, daß die in Schritt 202 abgefragte Bedingung erfüllt ist. Folglich wird entsprechend Schritt 204 des Flußdiagramms der Figur 2 das Heizelement 114 zunächst mit Nennleistung Pl betrieben, beispielsweise 18 W. Dies kann aus dem oberen Diagramm der Figur 3 abgelesen werden, bei dem auf der Ordinate die dem Heizelement 114 zugeführte elektrische Leistung P aufgetragen ist. Während der Teil¬ phase la liegt die elektrische Leistung P konstant beim Wert Pl.
Im mittleren Diagramm der Figur 3 ist auf der Ordinate die Tempera¬ tur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 aufgetragen. Innerhalb der Teilpha¬ se la ist ein Anstieg der Temperatur TSe ab der Zeit t = tO als Fol¬ ge der Beheizung durch das Heizelement 114 zu erkennen. Der Tempera¬ turanstieg wird zusätzlich durch das an der Sauerstoff-Sonde 112 vorbeistreichende Abgas beeinflußt.
Im unteren Diagramm der Figur 3 ist auf der Ordinate die Temperatur TAbg des Abgases bzw. des Abgaskanals 104 aufgetragen. Die Tempera¬ tur TAbg steigt zunächst ab der Zeit t = tO stark an und strebt dann gegen Ende der Teilphase la einem konstanten Wert von ca. 50 bis 60° C zu, also etwa der Taupunkt-Temperatur TTau.
Der Endpunkt der Teilphase la ist dann erreicht, wenn die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 den Schwellwert TSel, beispielsweise 250 bis 300° C, überschreitet. Im Flußdiagramm der Figur 2 ist das der Fall, wenn die Bedingung der Abfrage 206 erstmals erfüllt ist. Zu diesem Zeitpunkt endet die Teilphase la und es beginnt die Teil- phases Ib. Die elektrische Leistung P, mit der das Heizelement 114 beaufschlagt wird, wird auf einen reduzierten Wert P2, beispielswei¬ se 11 W, abgesenkt (siehe Figur 3, oberes Diagramm). Die Reduzierung der elektrischen Leistung P hat zur Folge, daß die Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 einen annähernd konstanten Wert annimmt (siehe Figur 3, mittleres Diagramm). Der Zeitpunkt des Übergangs von Teilphase Ib nach Phase II ergibt sich aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur TAbg. Die Temperatur TAbg in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 ist nach einem Anstieg ab der Zeit t = tO für einen größeren Zeitraum in den Teilphasen la und Ib annähernd konstant und beträgt ca. 50 bis 60° C, was ungefähr der Taupunkt-Temperatur TTau entspricht. TAbg verharrt auf diesem Wert, bis die Flüssigkeit im Abgaskanal 104 in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 und stromaufwärts vollständig in den gasförmi¬ gen Zustand übergegangen ist. Der Anstieg der Temperatur TAbg gegen Ende der Teilphase Ib weist somit darauf hin, daß in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist. Aus diesem Grund fällt der Zeitpunkt für den Übergang von Teilphase Ib nach Phase II mit einem Anstieg der Temperatur TAbg über die Tau¬ punkt-Temperatur TTau zusammen.
Aus dem oberen Diagramm der Figur 3 kann man entnehmen, daß mit Be¬ ginn der Phase II die elektrische Leistung P, mit der das Heizele¬ ment 114 beaufschlagt wird, von P2 auf Pl erhöht wird. Dies ent¬ spricht dem Schritt 212 des Flußdiagramms aus Figur 2, der dann aus¬ geführt wird, wenn die in Schritt 208 abgefragte Bedingung nicht er¬ füllt ist. Wie aus dem mittleren Diagramm der Figur 3 zu sehen ist, hat die Erhöhung der elektrischen Leistung P eine Erhöhung der Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 zur Folge.
Das erfindungsgemäße System arbeitet umso zuverlässiger, je genauer die Zeitpunkte für den Übergang von Teilphase la nach Ib und für den Übergang von Teilphase Ib nach Phase II festgelegt werden können. Im folgenden wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele dargelegt, wie man diese Zeitpunkte ermitteln kann.
Die Eigenschaften keramischer Sensoren sind häufig temperaturabhän¬ gig, so daß die Temperatur TSe der Sensoren in diesen Fällen ohne zusätzliche Thermoelemente aus dem Verhalten der Sensoren ermittelt werden kann. Dies gilt auch für die hier beschriebene Sauer¬ stoff-Sonde 112, deren elektrischer Widerstand mit steigender Tempe¬ ratur stark abnimmt.
Figur 4 zeigt eine an sich bekannte Schaltung, mit der aus dem elektrischen Widerstand der Sauerstoff-Sonde 112 ermittelt wird, ob die Sauerstoff-Sonde 112 einen Schwellwert TSel überschritten hat, d.h. die Schaltung dient dazu, den Zeitpunkt des Übergangs von Teilphase la nach Teilphase Ib zu ermitteln.
Als Ersatzschaltbild für die Sauerstoff-Sonde 120 (strichpunktiert gezeichnet) kann eine Reihenschaltung aus einer Spannungsguelle 400 und einem Widerstand 402 dienen. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist ein Widerstand 404, z. B. 51 kOhm, geschaltet. Der Spannungsab¬ fall am Widerstand 404, der ein Bestandteil des Steuergeräts 128 (strichpunktiert gezeichnet) ist, wird erfaßt und ausgewertet, was durch einen Spannungsmeser 406 angedeutet ist. Die Sauerstoff-Sonde 112 besitzt im kalten Zustand einen Widerstand 402 von etwa 10 MOhm und im heißen Zustand von etwa 50 Ohm. Die am Widerstand 404 abfal¬ lende Spannung hängt vom Widerstand 402 der Sauerstoff-Sonde 112 ab und ermöglicht somit Rückschlüsse auf die Temperatur TSe der Sauer¬ stoff-Sonde 112.
Neben der Widerstandsänderung tritt bei Temperaturerhöhung der Sauerstoff-Sonde 112 ein weiterer Effekt auf. In der Regel liefert die Sauerstoff-Sonde 112 bereits unterhalb der kritischen Temperatur TSeK eine Spannung, die vom Sauerstoffgehalt des Abgases abhängt, beispielsweise ab Überschreiten des Schwellwerts TSel. Somit exi¬ stiert in der Regel ein Temperaturbereich, in dem die Sauer¬ stoff-Sonde 112 betriebsbereit ist ohne daß eine nennenswerte Gefaαr einer Beschädigung bei Kontakt mit Flüssigkeit besteht. Folglich besteht bereits in der Anfangsphase nach dem Kaltstart (Phase I) die Möglichkeit, die Sauerstoff-Sonde 112 auf Betriebs¬ temperatur zu bringen und somit eine Regelung des Luft/Kraft¬ stoff-Verhältnisses zu ermöglichen, ohne daß die Gefahr einer Be¬ schädigung der Sauerstoff-Sonde 112 durch Kontakt mit Flüssigkeit in Kauf genommen werden muß, d.h. die Sauerstoff-Sonde wird in diesem Fall im Temperaturbereich zwischen dem Schwellwert TSel und der kri¬ tischen Temperatur TSeK betrieben. Die nach Motorstart frühestmögli¬ che Inbetriebnahme der Sauerstoff-Sonde 112 ist im Sinne einer mög¬ lichst geringen Schadstoffemission dringend erwünscht. Eine weitere Erhöhung der Temperatur TSe der Sauerstoff-Sonde 112 in Phase II ist trotzdem erforderlich, da die Sauerstoff-Sonde 112 bei höheren Temperaturen viele funktionelle Vorteile aufweist.
Der Zeitpunkt des Übergangs von Teilphase Ib nach Phase II läßt sich mit dem folgenden Verfahren auch ohne den Temperatursensor 116 er¬ mitteln, d. h. der Temperatursensor 116 ist für das erfindungsgemäße System nicht unbedingt erforderlich und kann auch entfallen. Dann wird mittels eines Modells, das den Temperaturverlauf der Abgase nachbildet, ermittelt, wann die Abgase die Taupunkt-Temperatur TTau überschritten haben. Als Eingangsgröße wird die vom Luftmassen- oder Luftmengenmesser 106 erfaßte Luftmasse oder Luftmenge in das Modell eingespeist. Im Modell wird die Luftmasse oder Luftmenge aufinte¬ griert und das Integral wird mit einem empirisch ermittelten Schwellwert verglichen. Der Schwellwert stellt die von der Brenn¬ kraftmaschine 100 seit dem Kaltstart insgesamt angesaugte Luftmasse oder Luftmenge dar, bei der die Temperatur TAbg erfahrungsgemäß die Taupunkt-Temperatur TTau übersteigt. Sobald der im Rahmen des Mo¬ dells durchgeführte Vergleich ergibt, daß der Schwellwert erreicht ist, ist davon auszugehen, daß die Temperatur TAbg die Tau¬ punkt-Temperatur TTau überschritten hat. Bei der empirischen Ermittlung des Schwellwerts für die aufinte¬ grierte Luftmasse oder Luftmenge während der Applikationsphase ist zu beachten, für welchen Abschnitt des Abgaskanals 104 das Modell angewendet werden soll. So ist der Schwellwert für die Umgebung der Sauerstoff-Sonde 120 wesentlich größer als der Schwellwert für die Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112. Der Unterschied wird im wesent¬ lichen dadurch hervorgerufen, daß im Falle der Sauerstoff-Sonde 120 den Abgasen große Wärmeenergiemengen zur Aufheizung des Katalysators 118 entzogen werden und damit ein Verdunsten des im Katalysator 118 anfallenden Kondenswassers 118 verzögert wird. Erst wenn das Kon¬ denswasser stromauf der Sauerstoff-Sonde 120 vollständig verdunstet ist, steigt die Temperatur TAbg des Abgases in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 120 über die Taupunkt-Temperatur TTau an.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems ist es auch möglich, das Heizelement 114 schon vor dem Start der Brennkraftmaschine 100 in Betrieb zu nehmen. In diesem Zusammenhang wird die Inbetriebnahme durch einen Vorgang ausgelöst, der zeitlich vor dem Start der Brenn¬ kraftmaschine 100 liegt, beispielsweise Öffnen der Fahrzeugtür, Ein¬ schalten der Innenraumbeleuchtung, Betätigung des Gurtschlosses oder Belastung des Fahrersitzes. Dadurch läßt sich die Zeit zwischen dem Start der Brennkraftmaschine 100 und der Betriebsbereitschaft der Sauerstoff-Sonde 112 verkürzen, was z. B. in Zusammenhang mit einem beheizbaren Katalysator wichtig sein kann. Auch bei dieser Variante können die geschilderten Maßnahmen zum Schutz der Sauerstoff-Sonde 112 eingesetzt werden.
Die Temperatur TAbg repräsentiert die Temperatur in der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112 bzw. 120. Je nach Ausführungsbeispiel kann es sich dabei um die Temperatur der Abgase, der Wandung des Abgaskanals 104 oder des Katalysators 118 handeln. Falls die Möglichkeit be¬ steht, mehrere dieser Temperaturen zu erfassen, kann TAbg auch durch Mittelung über wenigstens zwei dieser Temperaturen ermittelt werden. Statt der Kühlmitteltemperatur kann auch die Temperatur der Wandung des Abgaskanals (104) oder die Temperatur des Katalysators (118) herangezogen werden, um zu ermitteln, ob ein Kaltstart der Brenn¬ kraftmaschine (100) vorliegt. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß ein entsprechender Temperatursensor vorhanden ist. Falls beim Start der Brennkraftmaschine (100) die von diesem Sensor erfaßte Temperatur kleiner ist als die Taupunkttemperatur (TTau), liegt ein Kaltstart vor.

Claims

Ansprüche
1. System zum Betreiben eines Heizelements (114) eines keramischen Sensors (112), der im Abgaskanal (104) einer Brennkraftmaschine (100) angebracht ist und durch das Heizelement (114) aufheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- das Heizelement (114) abhängig davon angesteuert wird, in welchem Betriebszustand sich die Brennkraftmaschine (100) befindet,
- ein erster Betriebszustand (Phase I) der Brennkraftmaschine (100) definiert ist, in dem damit zu rechnen ist, daß im Abgaskanal (114) der Brennkraftmaschine (100) Flüssigkeit vorhanden ist,
- ein zweiter Betriebszustand (Phase II) der Brennkraftmaschine (100) definiert ist, in dem nicht damit zu rechnen ist, daß im Ab¬ gaskanal (114) der Brennkraftmaschine (100) Flüssigkeit vorhanden ist und
- das Heizelement (114) nicht in Betrieb genommen wird oder das Heizelement (114) so angesteuert wird, daß der keramische Sensor (112) unterhalb einer kritischen Temperatur (TSeK) betrieben wird, wenn sich die Brennkraftmaschine im ersten Betriebszustand (Phase I) befindet.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Be¬ triebszustand (Phase I) der Brennkraftmaschine (100) vorliegt, falls beim Start der Brennkraftmaschine (100) die Kühlmitteltemperatur un¬ terhalb eines Schwellwerts (TKM1) liegt oder falls die Temperatur (TAbg) der Abgasanlage unterhalb eines Schwellwerts (TTau) liegt.
3. System nach den Ansprüchen 1 oder 2 ( dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (114) des keramischen Sensors (112) während des er¬ sten Betriebszustands (Phase I) der Brennkraftmaschine (100) mit re¬ duzierter Leistung (P2) betrieben wird.
4. System nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (114) des keramischen Sensors (112) während des er¬ sten Betriebszustands (Phase I) der Brennkraftmaschine (100) zu¬ nächst (Teilphase la) mit hoher (Pl) und anschließend (Teilphase Ib) mit reduzierter Leistung (P2) betrieben wird, wobei der Übergang von der hohen (Pl) zur reduzierten Leistung (P2) dann erfolgt, wenn seit dem Start der Brennkraftmaschine (100) eine wählbare Zeitspanne ver¬ strichen ist oder wenn davon auszugehen ist, daß die Temperatur (TSe) des keramischen Sensors (112) einen Schwellwert (TSel) über¬ schritten hat.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus tempera¬ turabhängigen Eigenschaften des keramischen Sensors (112) oder aus dem Signal eines in thermischen Kontakt mit dem keramischen Sensor (112) stehenden Temperatursensors ermittelt wird, ob die Temperatur (TSe) des keramischen Sensors (112) den Schwellwert (TSel) über¬ schritten hat.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein Übergang vom ersten Betriebszustand (Phase I) zum zweiten Betriebszustand (Phase II) der Brennkraftmaschine (100) er¬ folgt, wenn seit Beginn des ersten Betriebszustands (Phase I) eine wählbare Zeitspanne verstrichen ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Übergang vom ersten Betriebszustand (Phase I) zum zweiten Betriebszustand (Phase II) der Brennkraftmaschine (100) er¬ folgt, wenn davon auszugehen ist, daß die Temperatur (TAbg) der Ab¬ gasanlage in der Umgebung des keramischen Sensors (112) einen Schwellwert (TTau) überschritten hat.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Signal eines Temperatursensors, der in der Umgebung des keramischen Sensors angebracht ist oder aus einem Modell, das die Temperatur (TAbg) in der Umgebung des keramischen Sensors näherungsweise be¬ schreibt, ermittelt wird, ob die Temperatur (TAbg) in der Umgebung des keramischen Sensors (112) den Schwellwert (TTau) überschritten hat.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Modell die seit dem Starten der Brennkraftmaschine (110) angesaugte Luft¬ menge oder Luftmasse aufintegriert wird und das Integral mit einem Schwellwert verglichen wird.
10. System nach einem der vorhegehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die kritische Temperatur (TSeK) so gewählt wird, daß bei einem Betrieb des keramischen Sensors (112) unterhalb der kriti¬ schen Temperatur (TSeK) keine nennenswerte Gefahr einer Beschädigung des keramischen Sensors (112) bei Kontakt mit Flüssigkeit besteht.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der keramische Sensor (112) während des ersten Be¬ triebszustands (Phase I) der Brennkraftmaschine (100) im Temperatur¬ bereich zwischen dem Schwellwert (TSel), oberhalb dessen der kerami¬ sche Sensor (112) wenigstens bedingt betriebsbereit ist, und der kritischen Temperatur (TSeK) betrieben wird.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Heizelement (114) des keramischen Sensors (112) auf Veranlassung eines zeitlich vor dem Start der Brennkraftmaschine (100) liegenden Vorgangs einschaltbar ist.
13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der keramische Sensor (112) eine Sauerstoff-Sonde ist, die im Abgaskanal (104) der Brennkraftmaschine (100) in Stromrich¬ tung der Abgase gesehen vor oder nach einem Katalysator (118) ange¬ ordnet ist.
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