WO2006087261A1 - Verfahren zur spannungsgesteuerten leistungseinstellung der heizung einer abgassonde - Google Patents

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Walter Strassner
Lothar Diehl
Stefan Rodewald
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Definitions

  • one or more probes are arranged in the exhaust of the internal combustion engine, which typically determine the residual oxygen content of the exhaust gas based on this measurement can determine the Qualltat the combustion About a Control unit is this measurement signal, along with other characteristics such as speed, air flow or throttle angle, the fuel metering
  • the probe must have a sufficient operating temperature In the warm-up phase of the probe, for example, after engine start, the probe signal is therefore not available Until reaching a sufficient probe temperature, therefore, the fuel control is replaced by a fuel control Dies As a result, no optimal classification values are achieved during this time
  • Critical factors related to damage to the probe include strong temperature gradients within the probe which can lead to stress cracking due to the resulting differential thermal expansion of the probe body
  • the heater in the interior of the probe and is characterized by an Al 2 O 3 layer or an Al 2 ⁇ 3-Isolationsfohe from the sensor element isolated
  • the probe is heated from the inside out is chosen too high a heating rate , then the temperature gradient from the inside of the probe to the probe surface becomes so large that cracks can start from the probe surface under tension
  • the heating voltage when switching on as a ramp from a suitable starting voltage, for example from 10V to the full heating voltage, for example, 13V, controlled the ramp is only started when the dew point is exceeded in the exhaust system, otherwise on the Probe impinging moisture strongly cools the probe surface and thus leads to large temperature gradients with the described effects
  • the probe must not go through the entire temperature range from cold to operating temperature so after the engine start but is already preheated, whereby the heating ramp described can be passed through faster accordingly Nevertheless, the described disadvantage remains that the greatest mechanical stresses occur at the end of the ramp, what the maximum permissible rate of increase of the heating power is limited
  • the object relating to the method is achieved in that in the heating phase of the heating in an initial phase, the heating voltage very quickly with respect to a follow-up phase or abruptly to a high value, preferably the full operating voltage is brought and then the heating voltage is reduced continuously or quasi-continuously Prevents a too rapid rise in the temperature in the sensor element, the tensile stresses increase so much that it exceeds the strength of the ceramic and ruptures cracks in the sensor element surface
  • a preferred variant provides that the reduction of the heating voltage preferably takes place in steps between 0.1 V / s and 0.3 V / s. This results in lower tensile stresses in the surface because the maximum possible temperature difference between the surface and the interior of the lambda probe is lowered becomes
  • the invention has the advantage that the reduction takes place up to a predetermined constant value or until the probe heating is completely switched off
  • the ramp-shaped heating voltage is designed so that the resulting tensile stresses in the surface of the probe assume an approximately constant value over the heating phase, which is less than the mate ⁇ alspezifische strength of the surface mate ⁇ als the probe.
  • the invention provides that the application of the high heating voltage and the subsequent reduction of the heating voltage occurs with the engine start
  • the voltage conditions in the sensor element return to The resulting compressive stresses quickly heated heater environment produce only small tensile stresses on the sensor element surface
  • the sensor element can be warmed by the low heating capacity to around 200 0 C, it is provided that the probe already at a time lying in front of the engine start signal, preferably the opening of the driver's door or the insertion of the ignition key, is preheated
  • An embodiment provides that the preheating takes place at a low effective heating voltage, preferably at 2 V.
  • the preheating is selected so that excessive amounts of water can not lead to the destruction of the sensor element
  • a particularly simple embodiment provides that the preheating is carried out staggered. This has the advantage that the waiting time before the engine start is considerably shortened. It is provided that at a first time before the engine start lags signal a first heating power with a small fraction of the full Heating power and a second higher heating power is set with a larger fraction of the full heating power in a subsequent second before the engine start signal
  • An embodiment of the invention provides that after starting the engine, the heating power is reduced compared to the Einschaltiere This is then justified that as soon as the engine starts the risk of water transport in the exhaust system increases The voltage conditions reverse in the sensor element and the resulting compressive stresses thus generate small tensile stresses on the sensor element surface
  • Figure 1 is a Schurampe and a tensile stress curve according to the prior art Figure 2 an initially konzent ⁇ erte heating ramp and the associated Buchwoodsverlauf Figure 3 is a representation of the preheating and the Werners when inserting the ignition key
  • Figure 4 is an illustration of the further heating with the ignition switched on and the zugeho ⁇ ge course of the tensile stresses
  • Figure 5 is a representation of the reduction of heating power at engine start and tension curve Description of the embodiments
  • FIG. 1 illustrates a heating ramp according to the prior art. It can be seen that, when the heating voltage is switched on, it is raised from a suitable starting voltage (in this case 10 V) steadily to the full heating voltage available (here 13 V) then started when the dew point is exceeded in the exhaust system. otherwise possible moisture will strongly cool the surface of the probe and cracking may occur. As soon as the engine starts, the heating power is reduced again. This is done according to the prior art in that the target internal resistance of the Nernst cell indicates that the operating temperature has been reached. The voltage conditions in the sensor element are reversed and no tensile stresses are generated on the sensor element surface more
  • the tensile stress in MPa is indicated on the right side.
  • the course of the tensile stress shows that although the stress is reduced, at the same time a fast light - off is also possible
  • FIG. 2 shows an initial concentrated heating ramp which begins with full operating voltages.
  • the heating voltage is lowered at a satisfactory rate along a ramp.
  • the ramp is designed so that the simulated tensile stress in the surface of the sensor element is established as early as possible.
  • the tensile stress then remains constant at a value that results from the material-specific strength and a safety factor
  • the internal resistance of the Nernst cell is used to reach the operating temperature
  • the probe is clocked with a low effective heating voltage Daduich the sensor element heats up by the low heating voltage to about 200 0 C This temperature is corresponding to the Mate ⁇ alzusammen application chosen so that any amounts of water can not lead to a Zerstomng the sensor element
  • the tensile stresses behave similarly by the low heating and the tensile stresses rise only slightly When the engine is then started, the tensile stresses behave analogous to those in Figure 2
  • Figure 4 describes the further heating when switching on the ignition Since the ignition of the ignition announces the early engine start, is heated with increased heating power in still air If the engine is now started, the heater jumps to its maximum value and then regulates, According to the internal resistance of the Nernst cell, on the operating temperature and thus on the operating voltage The regulation follows again the previously described heating ramp Here, too, the tensile stresses increase slowly according to the different heat outputs, which has a positive effect on the life of the sensor element

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spannungsgesteuerten Leistungseinstellung einer Sondenheizung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine Um bei einem solchen Verfahren bei dem die Betriebstemperatur der Sonde in kürzester Zeit erreicht wird, ohne dass die Sonde dabei beschädigt wird, ist es erfindungsgemaß vorgesehen, dass in der Aufheizphase der Heizung in einer Anfangsphase die Heizspannung sehr schnell bezüglich einer Nachfolgephase oder sprunghaft auf einen hohen Wert, vorzugsweise die volle Betriebsspannung, gebracht wird und anschließend die Heizspannung kontinuierlich oder quasi kontinuierlich reduziert wird.

Description

Verfahren zur spannungsgesteuerten Leistungseinstellung der Heizung einer Abgassonde
Stand der Technik
Die Gemischreguherung von Brennkraftmaschinen erfolgt heute in Abhängigkeit von der Verbrennung und der daraus resultierenden Zusammensetzung des Abgases Dazu sind im Abgas der Brennkraftmaschine eine oder mehrere Sonden angeordnet, die typischerweise den Restsauerstoffgehalt des Abgases bestimmen Auf Basis dieser Messung lasst sich die Qualltat der Verbrennung ermitteln Über eine Steuer- oder Regeleinheit dient dieses Messsignal, zusammen mit anderen Kenngroßen wie Drehzahl, Luftdurchsatz oder Drosselklappenwinkel, der Kraftstoffzumessung
Wie aus der DE 28 05 805 bekannt, muss die Sonde eine ausreichende Betriebstemperatur aufweisen In der Aufwarmphase der Sonde, zum Beispiel nach dem Motorstart, steht das Sondensignal daher nicht zur Verfügung Bis zum Erreichen einer ausreichenden Sondentemperatur wird daher die Kraftstoffregelung durch eine Kraftstoffsteuerung ersetzt Dies hat zur Folge, dass in dieser Zeit keine optimalen Verb rennungs werte erreicht werden
Um die Zeit bis zum Erreichen einer ausreichenden Betriebstemperatur der Sonde zu minimieren smd diese mit elektrischen Zusatzheizungen ausgestattet Die Steuerung der Heizleistung ist dabei so auszulegen, dass die Betnebstemperatui möglichst schnell erreicht wnd, ohne dabei die Sonde zu beschädigen oder zu zerstören
Als kritische Faktoren in Bezug auf eine Beschädigung der Sonde sind starke Temperaturgradienten innerhalb der Sonde zu sehen, die aufgrund der daraus resultierenden unterschiedlichen thermischen Dehnung des Sondenkorpers zu Spannungsrissen führen können Bei planaren Breitband-Lambdasonden hegt zum Beispiel der Heizer im Inneren der Sonde und ist durch eine Al2O3-Schicht oder eine Al2θ3-Isolationsfohe von dem Sensorelement isoliert Die Sonde wird so von innen heraus erwärmt Wird dabei eine zu hohe Heizrate gewählt, dann wird der Temperaturgradient vom Inneren der Sonde zur Sondenoberflache so groß, dass Risse von der unter Zugspannung stehenden Sondenoberflache ausgehen können
Um dies zu vermeiden, wird die Heizspannung beim Einschalten als Rampe von einer geeigneten Startspannung, beispielsweise von 10V auf die volle Heizspannung, beispielsweise von 13V, gesteuert Dabei wird die Rampe erst dann gestartet, wenn im Abgassystem der Taupunkt überschritten ist, da ansonsten auf die Sonde auftreffende Feuchtigkeit die Sondenoberflache stark abkühlt und so zu großen Temperaturgradienten mit den beschriebenen Auswirkungen führt
Bei dieser Form der Sondenheizung hat es sich als nachteilig erwiesen, dass, bedingt durch die Rampe und durch die Taupunktverzogerung, die Betriebstemperatur der Sonde erst relativ spat erreicht wird Bei einer möglichst schnellen Sondenaufheizung und somit kurzen Rampe zeigen der Temperaturgradient und damit die mechanische Spannung in der Sensoroberflache bei Erreichen der maximalen Heizspannung ein Maximum Die Rampe ist so auszulegen dass diese maximale mechanische Spannung sicher unter der Eigenfestigkeit des Sondenmateπals hegt
Aus der DE 40 19 067 ist eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Heizung, insbesondere der Heizung einer Sonde im Abgas einer Brennkraftmaschme, bekannt, bei der das Einschaltsignal für die Heizung durch einen zeitlich vor der Zundschlossbetatigung liegenden Vorgang ausgelost wird Dieser Vorgang kann beispielsweise das Offnen einer Fahrzeugtur sein oder durch einen Kontakt im Fahrersitz ausgelost werden
Die Sonde muss so nach dem Motorstart nicht mehr den gesamten Temperaturbereich von kalt bis auf Betriebstemperatur durchfahren sondern ist bereits vorgeheizt, wodurch die beschriebene Heizrampe entsprechend schneller durchfahren werden kann Dennoch bleibt der beschriebene Nachteil, dass die größten mechanischen Spannungen am Ende der Rampe auftreten, was die maximal zulassige An- stiegsgeschwindigkeit der Heizleistung begrenzt
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahien zur Heizung einer Sonde im Abgas einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem die Betriebstemperatur der Sonde in kürzester Zeit erreicht wird, ohne dass die Sonde dabei beschädigt wird Vorteile der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelost, dass in der Aufheizphase der Heizung in einer Anfangsphase die Heizspannung sehr schnell bezüglich einer Nachfolgephase oder sprunghaft auf einen hohen Wert, vorzugsweise die volle Betriebsspannung, gebracht wird und anschließend die Heizspannung kontinuierlich oder quasi kontinuierlich reduziert wird Dadurch wird verhindert, dass ein zu schneller Anstieg der Temperatur im Sensorelement die Zugspannungen derart stark ansteigen lässt, dass sie die Festigkeit der Keramik überschreitet und Risse in der Sensorelementoberfläche auslost
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die Reduzierung der Heizspannung vorzugsweise in Schritten zwischen 0,1 V/s und 0.3 V/s erfolgt Dadurch entstehen kleinere Zugspannungen in der Oberfläche, weil der maximal mögliche Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und dem Inneren der Lambda - Sonde gesenkt wird
Bei Sensorelementen mit hoher Wärmekapazität hat die Erfindung den Vorteil, dass die Reduzierung bis zu einem vorgegebenen konstanten Wert oder bis zum völligen Ausschalten der Sondenheizung erfolgt
Eine Ausfuhrungsform sieht vor, dass die rampenformige Heizspannung so ausgelegt wird, dass die entstehenden Zugspannungen in der Oberflache der Sonde über die Aufheizphase einen annähernd konstanten Wert annehmen, der geringer ist als die mateπalspezifische Festigkeit des Oberflächen- mateπals der Sonde Dadurch kann die eingebrachte Heizleistung als Wärmequelle frühzeitig die Sensorelementoberflache erreichen und den maximalen Temperaturgradient zwischen Oberfläche und Innerem der Sonde absenken Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Sonde aus.
Da die Gefahr von Wassertransport im Abgassystem extrem steigt, wenn der Motor gestartet wird, sieht die Erfindung vor, dass das Anlegen der hohen Heizspannung und die darauffolgende Reduzierung der Heizspannung mit dem Motorstart erfolgt Dadurch kehren sich die Spannungsverhaltnisse im Sensorelement um Die entstehenden Druckspannungen der schnell erwärmten Heizerumgebung erzeugen nur noch kleine Zugspannungen auf der Sensorelementoberflache Damit sich das Sensorelement durch die geringe Heizleistung auf etwa 2000C erwarmen kann, ist vorgesehen, dass die Sonde bereits bei einem zeitlich vor dem Motorstart liegendem Signal, vorzugsweise dem Offnen der Fahrertur oder dem Einstecken des Zündschlüssels, vorgeheizt wird
Eine Ausfuhrungsform sieht vor, dass die Vorheizung bei einer geringen effektiven Heizspannung, vorzugsweise bei 2 V, erfolgt Die Vorheizung ist so gewählt, dass behebige Wassermengen nicht zu einer Zerstörung des Sensorelcmentes fuhren können
Eine besonders einfache Ausfuhrungsform sieht vor, dass die Vorheizung gestaffelt durchgeführt wird Dies hat den Vorteil, dass die Wartezeit vor dem Motorstart erheblich verkürzt wird Dabei ist vorgesehen, dass bei einem ersten zeitlich vor dem Motorstart hegenden Signal eine erste Heizleistung mit einem kleinen Bruchteil der vollen Heizleistung und bei einem nachfolgendem zweiten vor dem Motorstart liegenden Signal eine zweite höhere Heizleistung mit einem größeren Bruchteil der vollen Heizleistung eingestellt wird
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nach dem Motorstart die Heizleistung gegenüber der Einschaltleistung reduziert wird Dies begründet sich dann, dass sobald der Motor startet die Gefahr von Wassertransport im Abgassystem steigt Die Spannungsverhaltnisse kehren sich im Sensorelement um und die entstehenden Druckspannungen erzeugen somit kleine Zugspannungen auf der Sensorelementoberflache
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert Es zeigen
Figur 1 eine Heizrampe und ein Zugspannungs verlauf gemäß dem Stand der Technik Figur 2 eine anfangskonzentπerte Heizrampe sowie der zugehörige Zugspannungsverlauf Figur 3 eine Darstellung des Vorheizens und des Zugspannungsverlaufs beim Einstecken des Zündschlüssels
Figur 4 eine Darstellung für das weitere Aufheizen bei eingeschalteter Zündung sowie der zugehoπge Verlauf der Zugspannungen Figur 5 eine Darstellung der Reduktion der Heizleistung beim Motorstart und Zugspannungsverlauf Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 veranschaulicht eine Heizrampe gemäß dem Stand der Technik Dabei ist zu erkennen, dass beim Einschalten der Heizspannung diese von einer geeigneten Startspannung (hier 10 V) stetig auf die volle zur Verfügung stehende Heizspannung (hier 13 V) hochgefahren wird Die Heizrampe wird dabei erst dann gestartet, wenn im Abgassystem der Taupunkt überschritten ist. da sonst eventuelle Feuchtigkeit die Sondenoberflache stark abkühlt und es so zur Rissbildung kommen kann Sobald der Motor startet wird die Heizleistung wieder reduziert Dies geschieht gemäß dem Stand der Technik dadurch, dass der Zielinnenwiderstand der Nernstzelle das Erreichen der Betriebstemperatur anzeigt Die Spannungsverhaltnisse im Sensorelement kehren sich dabei um und es werden keine Zugspannungen auf der Sensorelementoberflache mehr erzeugt
Weiterhin ist in Figur 1 auf der rechten Seite die Zugspannung in MPa angegeben Der Verlauf der Zugspannung zeigt, dass obwohl die Spannung reduziert wird, gleichzeitig auch ein Fast - Light - off möglich ist
Figur 2 zeigt eine anfangskonzentπerte Heizrampe, die mit voller Betriebsspannungen beginnt Die Heizspannung wird mit einei gelingen Rate entlang einer Rampe abgesenkt Auch hier ist die Rampe wieder so ausgelegt, dass die simulierte Zugspannung in der Oberflache des Sensorelementes möglichst früh aufgebaut wird Die Zugspannung bleibt dann konstant auf einem Wert, der sich aus der mateπalspezifischen Festigkeit und einem Sicherheitsfaktor ergibt Auch hier wird der Innenwiderstand der Nernstzelle zum Erreichen der Betriebstemperatur genutzt
In Figur 3 ist das Vorheizen beim Einstecken des Zündschlüssels ins Zundschloss bzw das Offnen der Fahrertur darstellt Bereits bei diesen Vorgangen wird die Sonde mit einer geringen effektiven Heizspannung getaktet Daduich erwärmt sich das Sensorelement durch die geringe Heizspannung auf etwa 2000C Diese Temperatur wird entsprechend der Mateπalzusammensetzung so gewählt, dass auch beliebige Wassermengen nicht zu einer Zerstomng des Sensorelementes führen können Die Zugspannungen verhalten sich dabei ähnlich Durch die geringe Erwärmung steigen auch die Zugspannungen nur gering an Wird der Motor dann gestartet, verhalten sich die Zugspannungen analog zu denen in Figur 2
Figur 4 beschreibt das weitere Aufheizen beim Einschalten der Zündung Da das Einschalten der Zündung den baldigen Motorstart ankündigt, wird mit erhöhter Heizleistung an ruhender Luft geheizt Wird der Motor nun gestartet, so springt die Heizung auf ihren maximalen Wert und regelt sich dann, gemaß dem Innenwiderstand der Nernstzelle, auf die Betriebstemperatur und damit auf die Betriebsspannung ein Die Regelung folgt dabei wieder der vorher beschriebenen Heizrampe Auch hier steigen die Zugspannungen entsprechend den verschiedenen Heizleistungen nur langsam an, was sich auf die Lebensdauer des Sensorelementes positiv auswirkt
In Figur 5 ist die Reduktion der Heizleistung beim Motorstart gezeigt Die Gefahr von Wassertransport im Abgassystem steigt extrem an sobald der Motor gestartet wird Um das Sensorelement vor Zugspannungen zu schützen, wird die Heizleistung wieder entlang emer Rampe reduziert Dadurch kehren sich die Spannungsverhaltnisse im Sensorelement um Die Heizerumgebung erwärmt sich sehr schnell und es bildet sich eine Druckspannung aus, die jedoch auf der Sensorelementoberflache keine schädigenden Zugspannungen mehr erzeugen kann Dies zeigt sich auch im eingezeichneten Verlauf der Zugspannungen

Claims

Anspruche
1 Verfahren zur spannungsgesteuerten Leistungsemstellung einer Sondenheizung im Abgassystem einer Brennkraftmaschme. dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizphase der Heizung in einer Anfangsphase die Heizspannung sehr schnell bezuglich einer Nachfolgephase oder sprunghaft auf einen hohen Wert, vorzugsweise die volle Betriebsspannung, gebracht wird und anschließend die Heizspannung kontinuierlich oder quasi kontinuierlich reduziert wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die Reduzierung der Heizspannung vorzugsweise in Schritten zwischen etwa 0,1 V/s und 0,3 V/s erfolgt
3 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Heizspannung bis zu einem vorgegebenen konstanten Wert oder bis zum völligen Ausschalten der Sondenheizung erfolgt Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rampenfoimige Heizspannung so ausgelegt wird, dass die entstehenden Zugspannungen in der Oberflache der Sonde über die Aufheizphase einen annähernd konstanten Wert annehmen, der geringer ist als die mateπalspezifische Festigkeit des Oberflachenmaterials der Sonde
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen der hohen Heizspannung und die darauffolgende Reduzierung der Heizspannung mit dem Motorstart erfolgen
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass die Sonde beieits bei einem zeitlich vor dem Motorstart liegenden Signal, vorzugsweise dem Offnen der Fahrzeugtur oder dem Einstecken des Zündschlüssels vorgeheizt wird
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet dass die Vorheizung mit einer geringen effektiven Heizspannung, vorzugsweise bei 2V, erfolgt
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet dass die Vorheizung gestaffelt durchgeführt wird
Verfahren nach Anspiuch 8 dadurch gekennzeichnet dass bei einem ersten zeitlich vor dem Motorstart liegenden Signal eine erste Heizleistung, mit einem kleineren Bruchteil vorzugsweise 1/8 der vollen Heizleistung und bei einem nachfolgendem zweiten vor dem Motorstart liegenden Signal und eine zweite höhere Heizleistung mit einem größeren Bruchteil 1A der vollen Heizleistung eingestellt wird 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Motorstart die Heizleistung gegenüber der Emschaltleistung reduziert wird.
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