DE102005006760A1

DE102005006760A1 - Verfahren zur spannungsgesteuerten Leistungseinstellung der Heizung einer Abgassonde

Info

Publication number: DE102005006760A1
Application number: DE102005006760A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wahl; Walter Strassner; Lothar Diehl; Stefan Rodewald; Jürgen Sindel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-17
Also published as: KR101092812B1; JP2008530542A; EP1853807B1; US20080087005A1; JP4825224B2; WO2006087261A1; US8240127B2; EP1853807A1; KR20070110851A

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 erfindungsgemäß 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

Die Gemischregulierung 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 lässt sich die Qualität der Verbrennung ermitteln. Über eine Steuer- oder Regeleinheit dient dieses Messsignal, zusammen mit anderen Kenngrößen wie Drehzahl, Luftdurchsatz oder Drosselklappenwinkel, der Kraftstoffzumessung.

Wie aus der DE 28 05 805 bekannt, muss die Sonde eine ausreichende Betriebstemperatur aufweisen. In der Aufwärmphase 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 Verbrennungswerte erreicht werden.

Um die Zeit bis zum Erreichen einer ausreichenden Betriebstemperatur der Sonde zu minimieren sind diese mit elektrischen Zusatzheizungen ausgestattet. Die Steuerung der Heizleistung ist dabei so auszulegen, dass die Betriebstemperatur möglichst schnell erreicht wird, 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 unterschiedliche thermischen Dehnung des Sondenkörpers zu Spannungsrissen führen können.

Bei planaren Breitband-Lambdasonden liegt zum Beispiel der Heizer im Inneren der Sonde und ist durch eine Al₂O₃-Schicht oder eine Al₂O₃-Isolationsfolie 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 Sondenoberfläche so groß, dass Risse von der unter Zugspannung stehenden Sondenoberfläche ausgehen können.

Um dies zu vermeiden, wird die Heizspannung beim Einschalten als Rampe von einer geeigneten Startspannung, beispielsweise von 10V, auf die volle Heizspannung, 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 Sondenoberfläche 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 Taupunktverzögerung, die Betriebstemperatur der Sonde erst relativ spät erreicht wird. Bei einer möglichst schnellen Sondenaufheizung und somit kurzen Rampe zeigen der Temperaturgradient und damit die mechanische Spannung in der Sensoroberfläche bei Erreichen der maximalen Heizspannung ein Maximum. Die Rampe ist so auszulegen, dass diese maximale mechanische Spannung sicher unter der Eigenfestigkeit des Sondenmaterials liegt.

Aus der DE 40 19 067 ist eine Einrichtung zur Steuerung und Regelung einer Heizung, insbesondere der Heizung einer Sonde im Abgas einer Brennkraftmaschine, bekannt, bei der das Einschaltsignal für die Heizung durch einen zeitlich vor der Zündschlossbetätigung liegenden Vorgang ausgelöst wird. Dieser Vorgang kann beispielsweise das Öffnen einer Fahrzeugtür sein oder durch einen Kontakt im Fahrersitz ausgelöst 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 zulässige Anstiegsgeschwindigkeit der Heizleistung begrenzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren 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 gelöst, 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 auslöst.

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 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 Ausführungsform vor, dass die rampenförmige Heizspannung so ausgelegt wird, dass die entstehenden Zugspannungen in der Oberfläche der Sonde über die Aufheizphase einen annähernd konstanten Wert annehmen, der geringer ist als die materialspezifische Festigkeit des Oberflächenmaterials der Sonde. Dadurch kann die eingebrachte Heizleistung als Wärmequelle frühzeitig die Sensorelementoberfläche erreichen und den maximalen Temperaturgradient zwischen Oberfläche und Innerem der Sonde absenken. Dies wirkt sich postiv auf die Lebensdauer der Sonde aus.

Da die Gefahrt von Wassertransport im Abgassystem extrem steigt, wenn der Motor gestartet wird, sieht die Erfindung vor, dass das Anlegen der hohen Heizspannung und die darauf folgende Reduzierung der Heizspannung mit dem Motorstart erfolgt. Dadurch kehren sich die Spannungsverhältnisse im Sensorelement um. Die entstehenden Druckspannungen der schnell erwärmten Heizerumgebung erzeugen nur noch kleine Zusammenspannungen auf der Sensorelementoberfläche.

Damit sich das Sensorelement durch die geringe Heizleistung auf etwa 200°C erwärmen kann, ist vorgesehen, dass die Sonde bereits bei einem zeitlich vor dem Motorstart liegendem Signal, vorzugsweise dem Öffnen der Fahrertür oder dem Einstecken des Zündschlüssels, vorgeheizt wird.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Vorheizung bei einer geringen effektiven Heizspannung, vorzugsweise bei 2V, erfolgt. Die Vorheizung ist so gewählt, dass beliebige Wassermengen nicht zu einer Zerstörung des Sensorelementes führen können.

Eine besonders einfache Ausführungsform 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 liegenden 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 darin, dass sobald der Motor startet die Gefahr von Wassertransport im Abgassystem steigt. Die Spannungsverhältnisse kehren sich im Sensorelement um und die entstehenden Druckspannungen erzeugen somit kleine Zugspannungen auf der Sensorelementoberfläche.

Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Heizrampe und ein Zugspannungsverlauf gemäß dem Stand der Technik
2 eine anfangskonzentrierte Heizrampe sowie der zugehörige Zugspannungsverlauf
3 eine Darstellung des Vorheizens und des Zugspannungsverlaufs beim Einstecken des Zündschlüssels
4 eine Darstellung für das weitere Aufheizen bei eingeschalteter Zündung sowie der zugehörige Verlauf der Zugspannungen
5 eine Darstellung der Reduktion der Heizleistung beim Motorstart und Zugspannungsverlauf
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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 Sondenoberfläche 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 Zielinnenwiederstand der Nernstzelle das Erreichen der Betriebstemperatur anzeigt. Die Spannungsverhältnisse im Sensorelement kehren sich dabei um und es werden keine Zugspannungen auf der Sensorelementoberfläche mehr erzeugt.
Weiterhin ist in 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.
2 zeigt eine anfangskonzentrierte Heizrampe, die mit voller Betriebsspannungen beginnt. Die Heizspannung wird mit einer geringen Rate entlang einer Rampe abgesenkt. Auch hier ist die Rampe wieder so ausgelegt, dass die simulierte Zugspannung in der Oberfläche des Sensorelementes möglichst früh aufgebaut wird. Die Zugspannung bleibt dann konstant auf einem Wert, der sich aus der materialspezifischen Festigkeit und einem Sicherheitsfaktor ergibt. Auch hier wird der Innenwiderstand der Nernstzelle zum Erreichen der Betriebstemperatur genutzt.
In 3 ist das Vorheizen beim Einstecken des Zündschlüssels ins Zundschloss bzw. das Öffnen der Fahrertür darstellt. Bereits bei diesen Vorgängen wird die Sonde mit einer geringen effektiven Heizspannung getaktet. Dadurch erwärmt sich das Sensorelement durch die geringe Heizspannung auf etwa 200°C. Diese Temperatur wird entsprechend der Materialzusammensetzung so gewählt, dass auch beliebige Wassermengen nicht zu einer Zerstörung des Sensorelementes führen können.
Die Zugspannungen verhalten sich dabei ähnlich. Durch die geringe Erwärmung steigen auch die Zugspannungen nur geringe an. Wird der Motor dann gestartet, verhalten sich die Zugspannungen analog zu denen in 2.
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, gemäß 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 entsprechende den verschiedenen Heizleistungen nur langsam an, was sich auf die Lebensdauer des Sensorelementes positiv auswirkt.
In 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 einer Rampe reduziert. Dadurch kehren sich die Spannungsverhältnisse im Sensorelement um. Die Heizerumgebung erwärmt sich sehr schnell und es bildet sich eine Druckspannung aus, die jedoch auf der Sensorelementoberfläche keine schädigenden Zugspannungen mehr erzeugen kann. Dies zeigt sich auch im eingezeichneten Verlauf der Zugspannungen.

Claims

Verfahren zur spannungsgesteuerten Leistungseinstellung einer Sondenheizung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, 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.
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.
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 rampenförmige Heizspannung so ausgelegt wird, dass die entstehenden Zugspannungen in der Oberfläche der Sonde über die Aufheizphase einen annährend konstanten Wert annehmen, der geringer ist als die materialspezifische Festigkeit des Oberflächenmaterials der Sonde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen der hohen Heizspannung und die darauf folgende Reduzierung der Heizspannung mit dem Motorstart erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde bereits bei einem zeitlich vor dem Motorstart liegenden Signal, vorzugsweise dem Öffnen der Fahrzeugtür oder dem Einstecken des Zundschlüssels, 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 Anspruch 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 ¼ der vollen Heizleistung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Motorstart die Heizleistung gegenüber der Einschaltleistung reduziert wird.