WO2017102709A1 - Verfahren, vorrichtung, system, computerprogramm und computerprogrammprodukt zur diagnose eines mischpotentialsensors - Google Patents

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WO2017102709A1
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potential sensor
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mixed
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Torsten Reitmeier
Sabrina KOLBECK
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method, an apparatus, a system, a computer program and a computer program product for diagnosis of a mixed potential sensor for a motor driving ⁇ convincing.
  • Mixed potential sensors are characterized by a simple structure and a relatively high sensitivity for the measurement of pollutant components. They generally have a gas sensitive ⁇ first measuring electrode and a second Referenzelekt ⁇ rode between which a mixed potential is determined askerssig ⁇ nal function of the gas to be measured. It is an object on which the invention is based
  • a method for the diagnosis of a mixed potential sensor for a motor vehicle comprises providing the mixed potential sensor with a gas-sensitive first electrode and a referencing second electrode, which are designed to generate a measurement signal in dependence on a gas to be measured as a mixed potential between the first and second electrodes is representative of a gas concentration of the gas to be measured.
  • the method further includes controlling the mixed potential sensor by means of electrical current and thereby ⁇ n ⁇ countries of the mixed potential between the first and second electrodes.
  • the method further comprises determining a gradient of the modified mixing potential and a determining ei ⁇ nes function state of the mixed potential sensor in Depending ⁇ ness of the determined course of the mixed potential.
  • the functional principle of mixed potential sensors is based essentially on ion diffusion of oxygen.
  • the contaminant components ⁇ bind the available oxygen and the resulting voltage difference between the ERS th and second electrode is detected as a mixed potential.
  • the driving of the mixed potential sensor by means of electrical current makes it possible to achieve a slight excess of oxygen in the mixed potential sensor and to pump it specifically toward the electrode or to provide it for detection by the electrode.
  • the supplied oxygen surplus thus represents a con ⁇ trolled disturbance of the mixed potential, the advertising evaluated to determine the functional state of the mixed potential sensor the can.
  • it is by means of predetermined changing the
  • the mixed potential sensor Due to the driving of the mixed potential sensor by means of electrical current, a pumping current is introduced, which leads to a controlled disturbance of the mixing potential between the two electrodes. An oxygen excess is achieved between the electrodes, which causes an oxygen ion transport and a defined change of the mixed potential. If the course of the mixed potential is determined until the specifically introduced disturbance has subsided again, the functional state of the mixed potential sensor can be checked, for example, in comparison with a predetermined and calibrated course of the mixed potential stored on a data memory.
  • the determined functional state of the mixed potential sensor makes it possible, for example, to draw conclusions about the age and activity of one or both electrodes, which may be impaired due to external influences.
  • a sol ⁇ che impairment of the activity of the mixed potential sensor may be, for example, in drifting measurement signals tillspie- rules, leading to a different course of the mixed potential, which for example does not correspond to a calibrated or functional state.
  • the mixed potential representing the potential applied between an aisle and a referencing ⁇ sitiven electrode of Mischpoten- tialsensors.
  • the Ermit ⁇ stuffs the functional state of the mixed potential sensor in Ab ⁇ dependence of the determined course of the specifically modified mixed potential comprises matching the detected course of the mixed potential with predetermined reference values which are repre ⁇ sentative for a given operational state of the mixed potential sensor.
  • the functional state of the mixed potential sensor can be checked by the fact that the variation of the CONTROL lines ⁇ modified mixed potential determined is compared with a predetermined profile which is for example stored in a data memory.
  • the course of the Mischpo- determined tentials can be compared and provide information on a current operating state of the mixing potential sensor, for example, in terms of its shape, sti ⁇ supply and / or its maximum and minimum excursions with a predetermined profile and / or predetermined reference values.
  • Such a functional state of the mixed potential sensor can be used, for example, for various operating points which different torques, temperatures or injection behavior of injectors can be checked and compared with historical data.
  • a match of the determined course of the mixed potential with a predetermined course or with predetermined basic data is determined by means of the method described, and the mixed potential sensor is judged to be reliable and functional within predetermined tolerance ranges.
  • the gas sensi ⁇ tive electrode of the mixed potential sensor is poisoned by, for example maximum deflections of the determined course of the mixed potential with previously calibrated and not Vergif ⁇ ended measurement signals of the mixed potential sensor and / or Verläu- fen of the mixed potential are compared.
  • the term "poisoned” in this context refers to a reversible or irreversible poisoning of various substances which deposit on or in one or both electrodes and adversely affect their activity.
  • the Ansteu ⁇ ern the mixed potential sensor by means of electrical current comprises a driving means of an isolated current source, which is formed ⁇ , to provide a timed current waveform for driving the mixed potential sensor.
  • the mixed potential sensor has more than two electrodes, so that, for example, a referencing Electrode and a plurality of gas-sensitive electrodes are part of the mixed ⁇ potential sensor, the gas-sensitive electrodes are sensitive, for example, for different gases or gas mixtures.
  • the power source is usefully connected to the electrodes so that a desired pumping current can be introduced between one of the measuring electrodes and the reference electrode. In this way, the electrodes can be individually controlled and checked for the reliability of the measurement signals.
  • the predefined activation by means of the current source comprises, for example, different current levels, amplitudes and times and, inter alia, makes it possible to determine a response time and an activity of the individual electrodes or the respective electrode pair.
  • the power source may Wech ⁇ selstrom or DC power supply as the pumping power for the mixed potential sensor.
  • the frequency of the driving electrical current can be variable and also the pulse shape of the provided current waveform can vary. For example, the current-addressing the course of a kon ⁇ constants curve or a sine, square, triangular or otherwise pulsed form.
  • the polarity of the current source can be bidirectionally adjustable, so that using different current waveforms and by changing the polarity of the current curve conclusions about both the activity of the complete mixed potential sensor and its subareas, such as electrodes, gas transfer, oxidation and electrode material state, activity of the three-phase boundary ⁇ layer and aging of the ionic conductor are possible and provide information on the functional state of the mixed potential sensor.
  • the Ermit ⁇ stuffs the functional state of the mixed potential sensor comprises an ER mittein an electrode and / or functionality of the material mixed potential sensor.
  • the Ermit ⁇ stuffs the functional state of the mixed potential sensor comprises a He ⁇ means of an electrode-gas transition of Mischpotentialsen ⁇ sors.
  • the Ermit ⁇ stuffs the functional state of the mixed potential sensor comprises a He ⁇ convey a type of a three-phase boundary layer of the mixed potential sensor.
  • the electrode-gas transition and the activity of the three-phase boundary layer are two parameters that can decisively influence the functionality of the mixed potential sensor.
  • the electrode-gas transition essentially denotes the interface between the respective electrode surface and the surrounding gas.
  • a reliable determination of gas concentrations using the mixed potential sensor to ermögli ⁇ chen, the gas to be detected may not be prevented from reaching the electrode surface. This would crizspiels- be the case if the mixed potential sensor has a silicon poisoning and the electrode surface is wetted with Silizi ⁇ dioxide, which would block a detection of the measured Ga ⁇ ses.
  • the three-phase boundary layer denotes an area of the
  • the Mixed potential sensor in which the gas to be measured, the Elekt ⁇ rode and a zirconia grid co-operate and co-determine the func- tion state of the mixed potential sensor.
  • the Akti ⁇ tivity of the three-phase boundary layer decides on the kinetics of oxygen deposits, which are incorporated as oxygen molecules in the zirconia lattice of the mixed potential sensor and are dissolved out of this. It has a significant effect on properties such as the signal level of the measurement signals and the response time of the mixed potential sensor.
  • an apparatus for diagnosing a mixed potential sensor for a motor driving ⁇ generating is adapted to perform one of the methods described above, and the mixed potential sensor having a gas sensitive first electrode and a referencing second electrode, which are adapted in Depending ⁇ ability of a gas to be measured to generate a measurement signal, which is representative of a mixed potential for a Gaskonzent ⁇ ration of the gas to be measured.
  • the system comprises an insulated Stromquel ⁇ le, which is designed for electrically driving the mixed potential sensor.
  • the invention features a computer program for diagnosing a mixed potential ⁇ sensor for a motor vehicle, which is designed to perform one of the methods described above when executed on a data processing apparatus.
  • the invention is characterized by a computer program product comprising executable program code, wherein the program code, when executed by a data processing device, is one of the previously described methods for the diagnosis of the mixed potential sensor performs.
  • the computer program product comprises a medium which can be read by the data processing device and on which the program code is stored.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a motor vehicle with a device for diagnosing a Mischpotenti ⁇ alsensors
  • FIG. 3 shows a flow chart for a method for the diagnosis of a mixed potential sensor for a motor vehicle.
  • Figure 1 shows an embodiment of a system for Diag ⁇ nose of a mixed potential sensor 5 which is arranged in an exhaust gas tract 7 of a motor vehicle.
  • a Vorrich ⁇ device 1 is adapted to selectively control the mixed potential sensor 5 by means of an isolated current ⁇ source 11 and thereby to enable a determination of a functional state of the mixed potential sensor 5.
  • the mixing ⁇ potential sensor 5 can be checked for an activity and an age and it can be a measuring signals of the mixed potential sensor 5 a certain reliability zugeord ⁇ net.
  • the mixed potential sensor 5 comprises, for example, one or more gas-sensitive electrodes and a referencing electrode, which are designed to generate a measurement signal as a function of a gas to be measured, which as mixed potential between a gas-sensitive electrode and the referencing electrode is representative of a gas concentration of the gas to be measured.
  • the mixed potential Zvi ⁇ rule the two electrodes can be changed by means of driving with electric current, thereby allowing a determination of function egg nes state of the mixed potential sensor 5 in depen ⁇ dependence of the modified mixed potential.
  • the operating principle of the mixed potential sensor 5 is based essentially on ion diffusion of oxygen.
  • the harmful substance components bind the available oxygen and the resulting voltage difference Zvi ⁇ rule of the first and second or the gassensiti ⁇ ven and referencing electrode is detected as a mixed potential.
  • the driving of the mixed potential sensor by means of electrical current makes it possible to achieve a slight excess of oxygen in the mixed potential sensor and to pump it specifically toward the electrodes or to provide it for detection by the electrodes.
  • the oxygen excess provided thus represents a controlled disturbance of the mixed potential, which can be evaluated to determine the functional state of the mixed potential sensor 5.
  • the mixed potential sensor 5 Upon determination of the functional state of the mixed potential sensor 5, the mixed potential sensor 5 is driven, for example, with a predetermined current profile V_ST, thereby introducing in a controlled manner a change in the mixed potential.
  • the predetermined current profile V_ST represents a pump ⁇ stream, which leads to a defined change of the mixed potential between the electrodes due to an induced Sauerstoffüber- shot. If now the course V_MP of the mixed potential is determined until the specifically introduced disturbance has decayed again, the functional state of the mixed potential sensor 5 can be determined, for example, by comparing thus determined course V_MP with a predetermined and calibrated course of the mixed potential.
  • an active diagnosis of the functional state of the mixed potential sensor 5 given the information about the functionality of the mixed potential sensor 5 and the reliability of the measurement ⁇ can deliver signals.
  • the device 1 comprises, for example, a data processing device 9, on which a computer program is executed in order to control the mixed potential sensor 5 by means of electrical current and to influence the mixing potential between the electrodes of the mixed potential sensor 5.
  • Figure 2 shows an example of a current to be driven extending V_ST and a resulting V_MP course of the mixed potential which can be evaluated for the diagnosis of the mixed potential ⁇ sensor 5 and a determination of the functional condition of the mixed potential sensor 5 allows.
  • the mixed potential sensor 5 is thereby operated in voltage mode, the so-called EMF operation.
  • the current waveform shown V_ST which is provided ⁇ by the isolated current source 11, has a function of time t ⁇ a right angular shape and leads to an exponential increase in the course of saturating V_MP the mixed potential.
  • the driving current waveform V_ST may have a Si ⁇ nus-, triangle or otherwise shaped pulse shape.
  • the current source is preferably isolated from an evaluation and / or heating circuit in order to avoid cross-influences when pumping the mixed potential sensor 5.
  • a maximum and Mi ⁇ nimalwert can be determined, which can be with reference values vergli- Chen and thus information about theterrorismszu ⁇ stood enable the mixed potential sensor 5.
  • Wei ⁇ se aging of the electrodes and the mixed potential ⁇ sensor 5 can be checked and an activity of the entire mixed potential sensor 5 to be controlled to a loading of the motor vehicle 3 drove the measurement signals of the Mischpotenti ⁇ alsensors 5 to attach a certain credibility ,
  • mixed potential sensor 5 can be done to get back to allow a timely manner a reliable determination of emissions or other gas concentrations, and thus possibly affect operation of the motor vehicle 3 before ⁇ geous. In this way can also be determined whether the gas sensi ⁇ tive electrode or electrodes of the mixed potential sensor 5 are poisoned by, for example maximum deflections of the determined course V_MP the mixed potential with previously ka ⁇ libri Erten and measurement signals of the non-poisoned mixed potential sensor 5 are compared.
  • “Poisoned” with the term in this context is a reversible or irreversible deposition of different substances referred to, which are deposited on the electrodes and their activity adversely beeinflus ⁇ sen.
  • the mixed potential sensor in a functional operating state during a driving means of electric current with a value of 100 nA a course of the mixed potential with an amplitude of 60 mV.
  • Is in the context of a diagnosis of the mixed potential sensor 5 then only an amplitude of 10 mV of course V_MP he ⁇ averages, this may be one or more electrodes and, optionally, point to a poisoning of the mixed potential sensor 5 is indicative of a reduced quantityi ⁇ ty.
  • Figure 3 shows a flowchart for a method of diagnosis of the mixed potential sensor 5, in which in a step Sl, for example, the mixed potential sensor 5 seen by electrical current is driven specified, for example ge ⁇ Mäss the curve shown in Figure 2 V_ST, and thereby the mixed potential between the first and second electrode is selectively changed.
  • the history V_MP will play as determined at ⁇ according to the illustrated in Figure 2 track by allowing selectively a ⁇ brought by means of the current profile V_ST disorder is monitored.
  • the functional state of the mixed potential sensor is then determined as a function of the determined gradient V_MP 5, and thus the functional state of the mixed potential 5, for example with respect to aging, Ak ⁇ tivity and electrode and gas transition is determined.
  • such a determination includes, for example, a trimming the ermit ⁇ telten V_MP course with predetermined stored values.
  • the method of the determined course V_MP can also be in terms of electrode and / or material functionality, ONS an oxidation and electrode material state and / or activity of the three-phase boundary layer of the mixed potential sensor are checked 5 via ⁇ .

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Abstract

Ein Verfahren zur Diagnose eines Mischpotentialsensors (5) fürein Kraftfahrzeug (3) umfasst ein Ansteuern des Mischpotentialsensors (5) mittels elektrischen Stroms und dadurch Ändern des Mischpotentials zwischen einer gassensitiven ersten Elektrode und einer referenzierenden zweiten Elektrode des Mischpotentialsensors (5), die dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit eines zu messenden Gases ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential repräsentativ ist für eine Gaskonzentration des Gases. Das Verfahren umfasst weiter ein Ermitteln eines Verlaufs (V_MP) des geänderten Mischpotentials und ein Ermitteln eines Funktionszustandes des Mischpotentialsensors (5) in Abhängigkeit des ermittelten Verlaufs (V_MP).

Description

Beschreibung
Verfahren, Vorrichtung, System, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt zur Diagnose eines Mischpotentialsensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein System, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Diagnose eines Mischpotentialsensors für ein Kraftfahr¬ zeug .
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen in Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Hierdurch ist es insbesondere für den Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen, wie Katalysatoren, erforderlich, die Schadstoffkomponenten im Abgastrakt sehr genau zu bestimmen. Zur Messung und Bestimmung von Schadstoffkomponenten, wie beispielsweise Stickoxiden (NOx) und Kohlenwasserstoffen (HC) , in Abgasen von Kraftfahrzeugen werden langzeitstabile Sensoren benötigt, die hohen Temperaturen und Strömungsge¬ schwindigkeiten standhalten und Schadstoffkomponenten im ppm- Bereich nachweisen können. Zu diesem Zweck werden unter anderem Lambdasonden oder Mischpotentialsensoren eingesetzt.
Mischpotentialsensoren sind durch einen einfachen Aufbau und eine relativ hohe Empfindlichkeit zur Messung von Schadstoff- komponenten gekennzeichnet. Sie weisen in der Regel eine gas¬ sensitive erste Messelektrode und eine zweite Referenzelekt¬ rode auf, zwischen denen ein Mischpotential als Spannungssig¬ nal in Abhängigkeit des zu messenden Gases bestimmt wird. Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ein
Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Diagnose eines Mischpotentialsensors zu schaffen, die dazu geeignet sind, einen Funktionszustand des Mischpotentialsensors zu ermit¬ teln .
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patent- ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Diagnose eines Mischpotentialsensors für ein Kraftfahr- zeug ein Bereitstellen des Mischpotentialsensors mit einer gassensitiven ersten Elektrode und einer referenzierenden zweiten Elektrode, die dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit eines zu messenden Gases ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential zwischen der ersten und zweiten Elektrode repräsentativ ist für eine Gaskonzentration des zu messenden Gases. Das Verfahren umfasst weiter ein Ansteuern des Mischpotentialsensors mittels elektrischen Stroms und dadurch Än¬ dern des Mischpotentials zwischen der ersten und zweiten Elektrode. Das Verfahren umfasst weiter ein Ermitteln eines Verlaufs des geänderten Mischpotentials und ein Ermitteln ei¬ nes Funktionszustands des Mischpotentialsensors in Abhängig¬ keit des ermittelten Verlaufs des Mischpotentials.
Mittels des beschriebenen Verfahrens ist eine Diagnosemög- lichkeit des Funktionszustands des Mischpotentialsensors rea¬ lisierbar, die Auskunft über die Funktionstüchtigkeit des Mischpotentialsensors und die Zuverlässigkeit der Messsignale geben kann. Ist der Mischpotentialsensor zum Beispiel in einem Abgastrakt eines Kraftfahrzeugs angeordnet, ermöglicht das beschriebene Verfahren, einen Ausstoß von Schadstoffemis¬ sion während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs zuverlässig zu kontrollieren und gegebenenfalls nutzbringend anzupassen.
Das Funktionsprinzip von Mischpotentialsensoren beruht im We- sentlichen auf Ionendiffusion von Sauerstoff. Die Schadstoff¬ komponenten binden den zur Verfügung stehenden Sauerstoff und die daraus resultierende Spannungsdifferenz zwischen der ers- ten und zweiten Elektrode wird als Mischpotential detektiert. Das Ansteuern des Mischpotentialsensors mittels elektrischen Stroms ermöglicht es, in dem Mischpotentialsensor einen geringfügigen Sauerstoffüberschuss zu erreichen und diesen ge- zielt zur Elektrode hin zu pumpen beziehungsweise für die De- tektion durch die Elektrode bereitzustellen. Der bereitgestellte Sauerstoffüberschuss repräsentiert somit eine kon¬ trollierte Störung des Mischpotentials, die zum Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors ausgewertet wer- den kann. Somit ist es mittels vorgegebenen Änderns des
Mischpotentials zwischen den beiden Elektroden auf einfache Weise möglich, den Funktionszustand des Mischpotentialsensors zu untersuchen und eine Zuverlässigkeit der Messsignale des Mischpotentialsensors zu überprüfen.
Aufgrund des Ansteuerns des Mischpotentialsensors mittels elektrischen Stroms wird ein Pumpstrom eingeleitet, welcher zu einer kontrollierten Störung des Mischpotentials zwischen den beiden Elektroden führt. Es wird ein Sauerstoffüberschuss zwischen den Elektroden erzielt, welcher einen Sauerstoffio- nentransport und eine definierte Änderung des Mischpotentials begründet. Wird nun der Verlauf des Mischpotentials ermittelt bis die gezielt eingeführte Störung wieder abgeklungen ist, kann der Funktionszustand des Mischpotentialsensors, bei- spielsweise im Vergleich zu einem vorgegebenen und kalibrierten Verlauf des Mischpotentials, der auf einem Datenspeicher hinterlegt ist, kontrolliert werden.
Beispielsweise wird im Rahmen des beschriebenen Verfahrens ermittelt, dass die Funktionalität des Mischpotentialsensors beeinträchtigt ist und Gaskonzentrationen und Schadstoffemis¬ sionen nicht mehr zuverlässig bestimmt werden können. Auf¬ grund der Kenntnis des eingeschränkten Funktionszustands kann eine entsprechende Wartung des Mischpotentialsensors erfol- gen, um zeitnah wieder ein zuverlässiges Ermitteln von Schadstoffemissionen oder anderer Gaskonzentrationen zu ermögli- chen und somit einen Betrieb des Kraftfahrzeugs möglicherwei¬ se vorteilhaft zu beeinflussen.
Der ermittelte Funktionszustand des Mischpotentialsensors er- möglicht zum Beispiel Rückschlüsse auf ein Alter und eine Aktivität einer oder beider Elektroden, die unter Umständen aufgrund von äußeren Einflüssen beeinträchtigt ist. Eine sol¬ che Beeinträchtigung der Aktivität des Mischpotentialsensors kann sich zum Beispiel in driftenden Messsignalen wiederspie- geln, die zu einem abweichenden Verlauf des Mischpotentials führen, welcher beispielsweise nicht einem kalibrierten oder funktionstüchtigen Zustand entspricht. Dabei repräsentiert das Mischpotential das Potential, das zwischen einer gassen¬ sitiven und einer referenzierenden Elektrode des Mischpoten- tialsensors anliegt.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Ermit¬ teln des Funktionszustandes des Mischpotentialsensors in Ab¬ hängigkeit des ermittelten Verlaufs des gezielt veränderten Mischpotentials ein Abgleichen des ermittelten Verlaufs des Mischpotentials mit vorgegebenen Referenzwerten, die reprä¬ sentativ für einen vorgegebenen Funktionszustand des Mischpotentialsensors sind. Der Funktionszustand des Mischpotentialsensors kann dadurch überprüft werden, dass der ermittelte Verlauf des kontrol¬ liert geänderten Mischpotentials mit einem vorgegebenen Verlauf verglichen wird, welcher beispielsweise in einem Datenspeicher hinterlegt ist. Der ermittelte Verlauf des Mischpo- tentials kann beispielsweise hinsichtlich seiner Form, Stei¬ gung und/oder seiner maximalen und minimalen Ausschläge mit einem vorgegebenen Verlauf und/oder vorgegebenen Referenzwerten verglichen werden und Auskunft über einen aktuellen Funktionszustand des Mischpotentialsensors geben.
Ein solcher Funktionszustand des Mischpotentialsensors kann zum Beispiel für verschiedene Betriebspunkte, die unter- schiedliche Drehmomente, Temperaturen oder Einspritzverhalten von Injektoren umfassen können, überprüft und mit historischen Daten abgeglichen werden. Beispielsweise wird mittels des beschriebenen Verfahrens eine Übereinstimmung des ermit- telten Verlaufs des Mischpotentials mit einen vorgegebenen Verlauf oder mit vorgegebenen Eckdaten ermittelt und innerhalb von vorgegebenen Toleranzbereichen der Mischpotentialsensor als zuverlässig und funktionstüchtig beurteilt. Auf diese Weise kann auch ermittelt werden, ob die gassensi¬ tive Elektrode des Mischpotentialsensors vergiftet ist, indem beispielsweise maximale Ausschläge des ermittelten Verlaufs des Mischpotentials mit zuvor kalibrierten und nicht vergif¬ teten Messsignalen des Mischpotentialsensors und/oder Verläu- fen des Mischpotentials verglichen werden. Mit dem Begriff „vergiftet" ist in diesem Zusammenhang eine reversible oder irreversible Vergiftung verschiedener Stoffe bezeichnet, die sich an oder in einer oder beiden Elektroden ablagern und deren Aktivität nachteilig beeinflussen.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Ansteu¬ ern des Mischpotentialsensors mittels elektrischen Stroms ein Ansteuern mittels einer isolierten Stromquelle, die dazu aus¬ gebildet ist, einen zeitlich vorgegebenen Stromverlauf zum Ansteuern des Mischpotentialsensors bereitzustellen.
Eine solche zusätzliche Stromquelle zum vorgegebenen Ansteu¬ ern des Mischpotentialsensors mit elektrischem Strom ist vor¬ teilhaft von einem Auswerte- und/oder Heizkreislauf des
Mischpotentialsensors isoliert, sodass Quereinflüsse und ein sogenanntes Querpumpen verhindert oder zumindest reduziert werden. Auf diese Weise kann ein kontrollierter Sauerstoff- überschuss erzielt und eine absichtliche Änderung des Misch¬ potentials eingeleitet werden.
Gegebenenfalls weist der Mischpotentialsensor mehr als zwei Elektroden auf, sodass beispielsweise eine referenzierende Elektrode und mehrere gassensitive Elektroden Teil des Misch¬ potentialsensors sind, wobei die gassensitiven Elektroden zum Beispiel für unterschiedliche Gase oder Gasgemische sensitiv sind. In einem solchen Fall ist die Stromquelle nutzbringend mit den Elektroden schaltbar verbunden, sodass ein gewünschter Pumpstrom zwischen einer der Messelektroden und der Referenzelektrode eingeleitet werden kann. Auf diese Weise können die Elektroden einzeln angesteuert und hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Messsignale überprüft werden.
Das vorgegebene Ansteuern mittels der Stromquelle umfasst zum Beispiel unterschiedliche Stromhöhen, Amplituden und Zeiten und ermöglicht unter anderem ein Ermitteln einer Ansprechzeit und einer Aktivität der einzelnen Elektroden beziehungsweise des jeweiligen Elektrodenpaares. Die Stromquelle kann Wech¬ selstrom oder Gleichstrom als Pumpstrom für den Mischpotentialsensor bereitstellen. Außerdem kann die Frequenz des ansteuernden elektrischen Stroms variabel sein und auch die Pulsform des bereitgestellten Stromverlaufs kann variieren. Beispielsweise weist der ansteuernde Stromverlauf eine kon¬ stanten Verlauf oder aber eine Sinus-, Rechteck-, Dreieckoder anderweitig gepulste Form auf. Außerdem kann die Polarität der Stromquelle bidirektional einstellbar sein, sodass unter Verwendung verschiedener Stromverläufe und durch Ändern der Polarität des Stromverlaufs Rückschlüsse sowohl über die Aktivität des kompletten Mischpotentialsensors als auch über dessen Teilbereiche, wie Elektroden, Gasübergang, Oxidations- und Elektrodenmaterialzustand, Aktivität der Dreiphasengrenz¬ schicht sowie Alterung des Ionenleiters möglich sind und Aus- kunft über den Funktionszustand des Mischpotentialsensors liefern .
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Ermit¬ teln des Funktionszustandes des Mischpotentialsensors ein Er- mittein einer Elektroden- und/oder Materialfunktionalität des Mischpotentialsensors . Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Ermit¬ teln des Funktionszustandes des Mischpotentialsensors ein Er¬ mitteln eines Elektroden-Gasübergangs des Mischpotentialsen¬ sors .
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Ermit¬ teln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors ein Er¬ mitteln einer Aktivität einer Dreiphasengrenzschicht des Mischpotentialsensors .
Der Elektroden-Gasübergang und die Aktivität der Dreiphasengrenzschicht sind zwei Parameter, die die Funktionalität des Mischpotentialsensors entscheidend beeinflussen können. Dabei bezeichnet der Elektroden-Gasübergang im Wesentlichen die Grenzfläche zwischen der jeweiligen Elektrodenoberfläche und dem umgebenden Gas. Um ein zuverlässiges Ermitteln von Gaskonzentrationen mittels des Mischpotentialsensors zu ermögli¬ chen, darf das zu detektierende Gas nicht am Erreichen der Elektrodenoberfläche gehindert werden. Dies wäre beispiels- weise der Fall, falls der Mischpotentialsensor eine Silizium- Vergiftung aufweist und die Elektrodenoberfläche mit Silizi¬ umdioxid benetzt ist, was eine Detektion des zu messenden Ga¬ ses blockieren würde. Mittels des beschriebenen Verfahrens ist ein Ermitteln einer solchen Beeinträchtigung des Mischpo- tentialsensors möglich.
Die Dreiphasengrenzschicht bezeichnet einen Bereich des
Mischpotentialsensors, in dem das zu messende Gas, die Elekt¬ rode und ein Zirkonoxid-Gitter zusammenwirken und den Funkti- onszustand des Mischpotentialsensors mitbestimmen. Die Akti¬ vität der Dreiphasengrenzschicht entscheidet dabei über die Kinetik von Sauerstoffeinlagerungen, die sich als Sauerstoffmoleküle in das Zirkonoxid-Gitter des Mischpotentialsensors einlagern und aus diesem herausgelöst werden. Sie wirkt sich wesentlich auf Eigenschaften, wie Signalhöhe der Messsignale und Ansprechzeit, des Mischpotentialsensors aus. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Diagnose eines Mischpotentialsensors für ein Kraftfahr¬ zeug dazu ausgebildet, eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchzuführen, wobei der Mischpotentialsensor eine gas- sensitive erste Elektrode und eine referenzierende zweite Elektrode aufweist, die dazu ausgebildet sind, in Abhängig¬ keit eines zu messenden Gases ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential repräsentativ ist für eine Gaskonzent¬ ration des zu messenden Gases.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein System zur Diagnose eines Mischpotentialsensors für ein Kraftfahr¬ zeug eine Vorrichtung, wie zuvor beschrieben, zur Diagnose des Mischpotentialsensors und den Mischpotentialsensor, der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines zu messenden Ga¬ ses ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential re¬ präsentativ ist für eine Gaskonzentration des zu messenden Gases. Außerdem umfasst das System eine isolierte Stromquel¬ le, die zum elektrischen Ansteuern des Mischpotentialsensors ausgebildet ist.
Eine solche Vorrichtung und ein solches System korrespondie¬ ren zu dem zuvor beschriebenen Verfahren, sodass sämtliche Merkmale und Eigenschaften des Verfahrens auch für die Vor- richtung und das System offenbart sind und umgekehrt.
Gemäß einem weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm zur Diagnose eines Mischpotential¬ sensors für ein Kraftfahrzeug, das dazu ausgebildet ist, ei- nes der zuvor beschriebenen Verfahren bei seiner Ausführung auf eine Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogrammprodukt, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung eines der zuvor beschriebenen Verfahren zur Diagnose des Mischpotentialsensors ausführt. Das Computerprogrammprodukt umfasst insbesondere ein von der Datenverarbeitungsvorrichtung lesbares Medium, auf dem der Programmcode gespeichert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung zur Diagnose eines Mischpotenti¬ alsensors,
Figur 2 einen zeitlichen Strom- und Spannungsverlauf zur
Diagnose eines Mischpotentialsensors,
Figur 3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Diagnose eines Mischpotentialsensors für ein Kraftfahrzeug.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Diag¬ nose eines Mischpotentialsensors 5, welcher in einem Abgas¬ trakt 7 eines Kraftfahrzeugs 3 angeordnet ist. Eine Vorrich¬ tung 1 ist dazu ausgebildet, mittels einer isolierten Strom¬ quelle 11 den Mischpotentialsensor 5 gezielt anzusteuern und dadurch ein Ermitteln eines Funktionszustands des Mischpotentialsensors 5 zu ermöglichen. Auf diese Weise kann der Misch¬ potentialsensor 5 hinsichtlich einer Aktivität und eines Alters überprüft werden und es kann eine den Messsignale des Mischpotentialsensors 5 eine gewisse Zuverlässigkeit zugeord¬ net werden.
Der Mischpotentialsensor 5 umfasst zum Beispiel eine oder mehrere gassensitive Elektroden und eine referenzierende Elektrode, die dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit eines zu messenden Gases ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential zwischen einer gassensitiven Elektrode und der referenzierenden Elektrode repräsentativ ist für eine Gaskonzentration des zu messenden Gases. Das Mischpotential zwi¬ schen den beiden Elektroden kann mittels Ansteuerns mit elektrischem Strom geändert werden und dadurch ein Ermitteln ei- nes Funktionszustands des Mischpotentialsensors 5 in Abhän¬ gigkeit des geänderten Mischpotentials ermöglichen.
Das Funktionsprinzip des Mischpotentialsensors 5 beruht im Wesentlichen auf Ionendiffusion von Sauerstoff. Die Schad- stoffkomponenten binden den zur Verfügung stehenden Sauerstoff und die daraus resultierende Spannungsdifferenz zwi¬ schen der ersten und zweiten beziehungsweise der gassensiti¬ ven und referenzierenden Elektrode wird als Mischpotential detektiert. Das Ansteuern des Mischpotentialsensors mittels elektrischen Stroms ermöglicht es, in dem Mischpotentialsensor einen geringfügigen Sauerstoffüberschuss zu erreichen und diesen gezielt zur Elektroden hin zu pumpen beziehungsweise für die Detektion durch die Elektroden bereitzustellen. Der bereitgestellte Sauerstoffüberschuss repräsentiert somit eine kontrollierte Störung des Mischpotentials, die zum Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors 5 ausgewertet werden kann.
Bei einem Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotential- sensors 5 wird der Mischpotentialsensor 5 zum Beispiel mit einem vorgegebenen Stromverlauf V_ST angesteuert und dadurch eine Änderung des Mischpotentials kontrolliert eingeführt. Der vorgegebene Stromverlauf V_ST repräsentiert einen Pump¬ strom, welcher aufgrund eines induzierten Sauerstoffüber- Schusses zu einer definierten Änderung des Mischpotentials zwischen den Elektroden führt. Wird nun der Verlauf V_MP des Mischpotentials ermittelt bis die gezielt eingeführte Störung wieder abgeklungen ist, kann der Funktionszustand des Mischpotentialsensors 5 ermittelt werden, indem beispielsweise so ermittelte Verlauf V_MP mit einem vorgegebenen und kalibrierten Verlauf des Mischpotentials verglichen wird. Somit ist mittels des beschriebenen Systems und eines korres¬ pondieren Verfahrens, das beispielsweise gemäß dem in Figur 3 dargestellten Ablaufdiagramm durchgeführt wird, eine aktive Diagnosemöglichkeit des Funktionszustands des Mischpotential- sensors 5 gegeben, die Auskunft über die Funktionstüchtigkeit des Mischpotentialsensors 5 und die Zuverlässigkeit der Mess¬ signale liefern kann. Gemäß dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist es auf diese Weise möglich einen Beitrag dafür zu leisten, dass ein Ausstoß von Schadstoffemission während ei- nes Betriebs des Kraftfahrzeugs 3 zuverlässig kontrollierbar ist und gegebenenfalls nutzbringend angepasst werden kann.
Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung 1 beispielsweise eine Datenverarbeitungsvorrichtung 9, auf der ein Computerprogramm ausgeführt wird, um den Mischpotentialsensor 5 mittels elektrischen Stroms anzusteuern und das Mischpotential zwischen den Elektroden des Mischpotentialsensors 5 zu beeinflussen.
Figur 2 zeigt einen beispielhaft einen anzusteuernden Strom- verlauf V_ST sowie einen daraus resultierenden Verlauf V_MP des Mischpotentials, welcher zur Diagnose des Mischpotential¬ sensors 5 ausgewertet werden kann und ein Ermitteln des Funktionszustandes des Mischpotentialsensors 5 ermöglicht. Der Mischpotentialsensor 5 wird dabei im Spannungsbetrieb, dem sogenannten EMF-Betrieb, betrieben. Der dargestellte Stromverlauf V_ST, der durch die isolierte Stromquelle 11 bereit¬ gestellt wird, weist in Abhängigkeit der Zeit t eine recht¬ eckige Form auf und führt zu einem exponentiell sättigenden Anstieg des Verlaufs V_MP des Mischpotentials. In anderen Ausgestaltungen des Verfahrens zur Diagnose des Mischpotenti¬ alsensors 5 kann der ansteuernde Stromverlauf V_ST eine Si¬ nus-, Dreieck oder anderweitig geformte Pulsform aufweisen. Die Stromquelle ist vorzugsweise von einem Auswerte- und/oder Heizungskreis isoliert, um Quereinflüsse beim Pumpen des Mischpotentialsensors 5 zu vermeiden. Aus der Reaktion der Messsignale des Mischpotentialsensors 5 und des daraus resultierenden Verlaufs V_MP kann eine Anstiegs- und Abfallszeit, eine Symmetrie, ein Maximal- und Mi¬ nimalwert ermittelt werden, welche mit Referenzwerten vergli- chen werden können und somit Auskunft über den Funktionszu¬ stand des Mischpotentialsensors 5 ermöglichen. Auf diese Wei¬ se kann eine Alterung der Elektroden und des Mischpotential¬ sensors 5 überprüft werden und eine Aktivität des kompletten Mischpotentialsensors 5 kontrolliert werden, um in einem Be- trieb des Kraftfahrzeugs 3 den Messsignalen des Mischpotenti¬ alsensors 5 eine gewisse Vertrauenswürdigkeit zumessen zu können .
Beispielsweise wird im Rahmen eines solchen Verfahrens ermit- telt, dass die Funktionalität des Mischpotentialsensors 5 be¬ einträchtigt ist und Gaskonzentrationen und Schadstoffemissi¬ onen nicht mehr zuverlässig bestimmt werden können. Aufgrund der Kenntnis des eingeschränkten Funktionszustands kann eine entsprechende Wartung des Mischpotentialsensors 5 erfolgen, um zeitnah wieder ein zuverlässiges Ermitteln von Schadstoffemissionen oder anderer Gaskonzentrationen zu ermöglichen und somit einen Betrieb des Kraftfahrzeugs 3 möglicherweise vor¬ teilhaft zu beeinflussen. Auf diese Weise kann auch ermittelt werden, ob die gassensi¬ tive Elektrode oder Elektroden des Mischpotentialsensors 5 vergiftet sind, indem beispielsweise maximale Ausschläge des ermittelten Verlaufs V_MP des Mischpotentials mit zuvor ka¬ librierten und Messsignalen des nicht vergifteten Mischpoten- tialsensors 5 verglichen werden. Mit dem Begriff „vergiftet" ist in diesem Zusammenhang eine reversible oder irreversible Ablagerung verschiedener Stoffe bezeichnet, die sich an den Elektroden ablagern und deren Aktivität nachteilig beeinflus¬ sen. Zum Beispiel weist der Mischpotentialsensor 5 in einem funktionstüchtigen Betriebszustand bei einem Ansteuern mittels elektrischen Stroms mit einem Wert von 100 nA einen Verlauf des Mischpotentials mit einer Amplitude von 60 mV auf. Wird im Rahmen einer Diagnose des Mischpotentialsensors 5 dann lediglich eine Amplitude von 10 mV des Verlauf V_MP er¬ mittelt, kann dies ein Anzeichen für eine verringerte Aktivi¬ tät einer oder mehrerer Elektroden sein und gegebenenfalls auf ein Vergiftung des Mischpotentialsensors 5 hinweisen.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Diagnose des Mischpotentialsensors 5, bei dem in einem Schritt Sl beispielsweise der Mischpotentialsensor 5 mittels elektri- sehen Stroms vorgegeben angesteuert wird, beispielsweise ge¬ mäß dem in Figur 2 dargestellten Verlauf V_ST, und dadurch das Mischpotential zwischen der ersten und zweiten Elektrode gezielt verändert wird. In einem weiteren Schritt S3 wird der Verlauf V_MP, bei¬ spielsweise gemäß dem in Figur 2 dargestellten Verlauf, ermittelt, indem die mittels des Stromverlauf V_ST gezielt ein¬ gebrachte Störung überwacht wird. In einem weiteren Schritt S5 wird dann der Funktionszustand des Mischpotentialsensors 5 in Abhängigkeit des ermittelten Verlaufs V_MP bestimmt und somit der Funktionszustand des Mischpotentials 5, beispielsweise hinsichtlich Alterung, Ak¬ tivität und Elektroden- und Gasübergang, ermittelt. Ein sol- ches Ermitteln umfasst zum Beispiel ein Abgleichen des ermit¬ telten Verlaufs V_MP mit vorgegebenen hinterlegten Werten. In diesem Schritt oder in einem weiteren Schritt S7 des Verfahrens kann der ermittelte Verlauf V_MP auch hinsichtlich einer Elektroden- und/oder Materialfunktionalität, eines Oxidati- ons- und Elektrodenmaterial-Zustands und/oder einer Aktivität der Dreiphasengrenzschicht des Mischpotentialsensors 5 über¬ prüft werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Diagnose eines Mischpotentialsensors (5) für ein Kraftfahrzeug (3) , umfassend
- Bereitstellen des Mischpotentialsensors (5) mit einer gassensitiven ersten Elektrode und einer referenzie- renden zweiten Elektrode, die dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit eines zu messenden Gases ein Messsig¬ nal zu generieren, das als Mischpotential zwischen der ersten und zweiten Elektrode repräsentativ ist für eine Gaskonzentration des zu messenden Gases,
- Ansteuern des Mischpotentialsensors (5) mittels elek¬ trischen Stroms und dadurch Ändern des Mischpotentials zwischen der ersten und zweiten Elektrode,
- Ermitteln eines Verlaufs (V_MP) des geänderten Mischpotentials, und
- Ermitteln eines Funktionszustands des Mischpotential¬ sensors (5) in Abhängigkeit des ermittelten Verlaufs (V_MP) .
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors (5) in Ab¬ hängigkeit des Verlaufs (V_MP) des Mischpotentials um- fasst :
Abgleichen des ermittelten Verlaufs (V_MP) des Mischpotentials mit vorgegebenen Referenzwerten, die repräsentativ für einen vorgegebenen Funktionszustand des Mischpotentialsensors (5) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ansteuern des Mischpotentialsensors (5) mittels elektrischen
Stroms umfasst:
Ansteuern mittels einer isolierten Stromquelle (11), die dazu ausgebildet ist, einen zeitlich vorgegeben Stromverlauf (V_ST) zum Ansteuern den Mischpotentialsensor (5) bereitzustellen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors (5) umfasst:
Ermitteln einer Elektroden- und/oder Materialfunktionalität des Mischpotentialsensors (5) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors (5) umfasst:
Ermitteln eines Elektroden-Gas-Übergangs des Mischpoten tialsensors (5) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Ermitteln des Funktionszustands des Mischpotentialsensors (5) umfasst:
Ermitteln einer Aktivität einer Dreiphasengrenzschicht des Mischpotentialsensors (5) .
Vorrichtung (1) zur Diagnose eines Mischpotentialsensors (5) für ein Kraftfahrzeug (3) , wobei
- der Mischpotentialsensor (5) eine gassensitive erste Elektrode und eine referenzierende zweite Elektrode aufweist, die dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit eines zu messenden Gases ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential repräsentativ ist für eine Gas¬ konzentration des zu messenden Gases, und
- die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
System zur Diagnose eines Mischpotentialsensors (5) für ein Kraftfahrzeug (3) , umfassend
- eine Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 zur Diagnose eines Mischpotentialsensors (5) für ein Kraftfahrzeug (3) ,
- den Mischpotentialsensor (5) , der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines zu messenden Gases ein Messsignal zu generieren, das als Mischpotential re- präsentativ ist für eine Gaskonzentration des zu messenden Gases, und
- eine isolierte Stromquelle (11), die zum elektrischen Ansteuern des Mischpotentialsensors (5) ausgebildet ist .
9. Computerprogramm zur Diagnose eines Mischpotentialsensors (5) für ein Kraftfahrzeug (3) , wobei das Computer¬ programm dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung (9) durchzuführen.
10. Computerprogrammprodukt, umfassend ausführbaren Pro¬ grammcode, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung (9) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.
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