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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lambda-Sonde,
insbesondere einer Nernstsonde, in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine
und eine Steuerung zum Steuern einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine,
die als Lambdasonde eine Nernstsonde aufweist mit den im Oberbegriff
der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren von
Sensorelementen.
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Es
ist bekannt, dass zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben
an die zulässigen Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine
eine hohe Wirksamkeit der eingesetzten Abgasreinigungsmaßnahmen
notwendig ist. Eine dieser Maßnahmen ist eine möglichst
genaue Einstellung der Abgaszusammensetzung derart, dass ein in
einem Abgassystem verwendeter Katalysator möglichst wirkungsvoll
arbeiten kann. Um bei heutigen Drei-Wege-Katalysatoren eine hohe
Abgas-Konvertierungsleistung zu erreichen, werden diese mit einem
Abgas beaufschlagt, welches wechselnd einen leichten Kraftstoff-Überschuss
(fett) oder einen leichten Sauerstoffüberschuss (mager)
aufweist. Diese sogenannte Lambda-Modulation wird hauptsächlich über
Lambda-Sonden geregelt, die vor dem Katalysator eingebaut sind.
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Die
Lambda-Sonde (λ-Sonde) ist ein Sensor, um im Abgas einer
Brennkraftmaschine das Mischverhältnis von Luft zu Kraftstoff
bestimmen zu können. Die Messung basiert auf einem physikalischen Effekt
zur Ermittlung des Sauerstoffpartialdruckes. Die Lambda-Sonde ist
der Hauptsensor in dem Regelkreis der Lambdaregelung zur katalytischen
Abgasreinigung (umgangssprachlich: geregelter Katalysator). Es werden
zwei Messprinzipien verwendet: die Spannung eines Festkörperelektrolyten
(bei Nernstsonde) und Widerstandsänderung eines Keramikelementes
(Widerstandssonde). Sie wird hauptsächlich bei Ottomotoren,
aber auch bei der Abgasregelung von Brennwertkesseln und Dieselmotoren eingesetzt.
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Bei
der hier hauptsächlich interessierenden Nernstsonde ist
eine Seite des keramischen Sensorelements dem Abgasstrom der Verbrennungsmaschine
ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz
liegt. In den meisten Fällen wird hierzu die Umgebungsluft
verwendet, die entweder durch eine Öffnung direkt an einer
Schutzhülle der Sonde oder über eine Zuleitung
und Stecker zugeführt wird. Dies erschwert die sogenannte
Referenzluftvergiftung durch Wasser, Öl- oder Kraftstoffdämpfe.
Dabei ist der Sauerstoffgehalt der Referenz verringert und die Sondenspannung
verkleinert. Bei einer sogenannten gepumpten Referenz wird die Umgebungsluft
nicht mehr benötigt, sondern die Sauerstoffreferenz wird
durch einen aufgeprägten Sauerstoff-Innenstrom aus dem
Abgas hergestellt.
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Bei
Temperaturen etwa über 300°C wird die Yttrium-dotierte
Zirkoniumdioxid-Keramik der Sonde für negative Sauerstoff-Ionen
leitend. Der Konzentrationsunterschied erzeugt eine Ionendiffusion
zum Abgas. Die Sauerstoff-Atome können als doppelt negativ
geladene Ionen durch die Keramik durchtreten. Die zur Ionisierung
der Sauerstoff-Atome erforderlichen Elektronen werden von den elektronisch
leitfähigen Elektroden geliefert. Dadurch lässt
sich zwischen den innen und außen angebrachten Platin-Elektroden
eine elektrische Spannung, die Sondenspannung, abnehmen. Diese wird über
eine Verkabelung an das Motorsteuergerät weitergeleitet.
Sie liegt bei λ > 1
(mageres Gemisch, zu viel Luft) zwischen 0 und 150 mV, bei λ < 1 (fettes Gemisch,
zu viel Kraftstoff) zwischen 700 und 1000 mV. Die Spannung wird
dabei durch die Nernst-Gleichung beschrieben. In einem sehr schmalen Übergangsbereich
um λ = 1, dem sogenannten λ-Fenster, ist die Kennlinie
extrem steil. Die Spannung ändert sich dort in Abhängigkeit
vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis fast sprunghaft.
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Darüber
hinaus wird bei Erreichen maximal zulässiger Temperaturen
im Abgassystem oder zum Erreichen einer höheren Motorleistung üblicherweise der
Bereich des geregelten Betriebes verlassen und eine Anreicherung
mit Kraftstoff vorgenommen.
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Bei
den eingesetzten Lambdasonden unterscheidet man im Wesentlichen
zwei verschiedene Bauarten. Breitband-Lambdasonden sind in der Lage,
auch bei Lambdawerten ungleich 1, ein hinreichend genaues Signal
zu liefern. Werden solche Sonden zur Regelung der Lambda-Modulation
eingesetzt, so kann der gewünschte Überschuss
an Kraftstoff oder Luft genau geregelt werden. Ein weiterer Vorteil
von Breitband-Lambdasonden ist es, dass auch in Betriebszuständen
mit Kraftstoff-Überschuss das Gemischverhältnis
vergleichsweise genau geregelt werden kann.
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Die
sogenannten Sprung-Lambdasonden nach dem Nernst-Prinzip sind im
Allgemeinen preiswerter als Breitband-Lambdasonden, können
aber nur im Bereich um Lambda = 1 mit einer relativ hohen Genauigkeit
messen. Aus diesem Grunde wertet eine Regelung nach dem Stand der
Technik lediglich aus, ob sich das Sondensignal einer Nernstsonde
ober- oder unterhalb einer festgelegten Lambda = 1 äquivalenten
Signalspannung befindet. Bei magerer oder fetter Abgaszusammensetzung
ist das abgegebene Signal sehr flach und insbesondere mit einer
Alterung der Sonde mit Toleranzabweichungen behaftet. Zusätzlich
zeigt das Signal insbesondere bei einer fetten Abgaszusammensetzung
eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Temperatur
des Sensorelementes, welche ebenfalls durch Produktionstoleranzen
und Alterung des Heizelementes einer gewissen Toleranz unterliegt.
Die Lambda-Modulation wird nach dem Stand der Technik in diesen
Bereichen durch eine Steuerung am Motor eingestellt, wodurch sich
unter Umständen aufgrund einer zu ungenauen Motor-Vorsteuerung
Werte ergeben, die von den Werten abweichen, welche für
eine optimale Abgasreinigung benötigt werden. Auch die
Betriebszustände mit Kraftstoff-Überschuss oder
-Mangel werden deswegen nach dem Stand der Technik nur gesteuert angefahren,
das heißt es wird bestenfalls überwacht und zusätzlicher
Kraftstoff zugegeben beziehungsweise vermindert, wenn das Signal
der Sprungsonde noch nicht oberhalb beziehungsweise unterhalb einer
definierten Lambda = 1 äquivalenten Signalspannung ist.
Da die Vorsteuerung der Gemischzusammensetzung ebenfalls toleranzbehaftet
ist, kommt es in diesen Betriebszuständen in der Regel
zu einem unnötig hohen Kraftstoffverbrauch. Um sicherzugehen,
dass ein gewünschter Lambdawert von zum Beispiel 0,96 bei
allen möglichen Serienstreuungen auch sicher erreicht wird,
muss nämlich unter Berücksichtigung der Vorsteuertoleranzen
in der Regel ein weit fetterer Lambdawert vorgesteuert werden. Werden
beispielsweise die Toleranzen der Vorsteuerung auf bis zu 5% ermittelt,
so muss dann bereits ein Lambdawert von 0,91 eingestellt sein, obwohl
dieser Toleranzabstand nur für einen kleinen Teil der Fahrzeuge
auch tatsächlich nötig ist. Somit fährt
der überwiegende Teil der Fahrzeuge mit einem deutlich
fetteren Lambdawert als es eigentlich nötig ist, was gleichbedeutend
mit einem größeren Kraftstoffverbrauch und dadurch
größerer Umweltbelastung ist.
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Ein
Beheben der aufgezählten Nachteile der auch als Zweipunktsonden
bezeichneten Sprungsonden wird insbesondere dann möglich,
wenn die genannten Einflüsse auf die Signaltoleranzen verringert,
adaptiert oder korrigiert werden können.
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DE 10 2006 012 476
A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, bei der zum Zwecke der
Entgegenwirkung einer möglichen Zerstörung eines
Sensors, einer keramischen Nernstsonde, durch insbesondere beim
Kaltstart durch Wasserdampf auftretende Wassertropfen der Sensor
auf eine relativ hohe, sogenannte Schockresistenztemperatur aufgeheizt
wird, die höher als die normale Betriebstemperatur des
Sensors ist. Hierbei wird lediglich sichergestellt, dass der Sensor
schnellstens ein verwertbares Signal abgibt.
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DE 10 2005 059 893
A1 offenbart ein Verfahren und ein Steuergerät
zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Nox-Speicherkatalysators.
Das System diagnostiziert hierbei abhängig von den gemessen
Nox-Abgasparametern die tatsächliche Beladung des Nox-Speicherkatalysators.
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DE 10 2006 043 085
A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lambda-Bestimmung
in einer Abgasnachbehandlungsanlage, in welcher Ammoniak als ein
Reduktionsmittel zugeführt wird und hierzu eine Nox-Speicher/Ammoniak-Erzeugungseinheit
im Standardgasweg des Reduktionsmittel-Generierungssystems vorgesehen
ist.
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DE 199 37 016 A1 offenbart
ein Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen,
bei dem zwei Messelemente, eine Konzentrationszelle und eine Pumpzelle,
sich den Messbereich des Lambdawertes teilen.
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Aus
der
DE 1 336 728 A2 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
eines Verbrennungsprozesses mit einem Katalysatorvolumen, das als
ein Sauerstoff-Speicher vorgesehen ist, bekannt.
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Die
DE 10 2005 058 522
A1 offenbart ein Lambda-Regelungsverfahren und ein Steuergerät
für einen Verbrennungsmotor, die durch eine Synchronisation
der Änderung eines Adaptionseingriffs mit einer Aktualisierung
eines Regeleingriffs und eine überlagerte kompensierende Änderung
die Zeitspanne verringert, in welcher die Regelung des Adaptionseingriffs
gestört ist.
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Allen
angegebenen Veröffentlichungen ist eigen, dass sie keinen
Lösungsansatz liefern, den Einfluss zu minimieren, welcher
durch die Temperatur des Sensorelementes auf das Signal des Sensors entsteht
zu verringern. Sie sind daher lediglich als technologischer Hintergrund
zur vorliegenden Erfindung zu betrachten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss zu minimieren,
welcher durch die Temperatur des Sensorelementes auf das Signal
eines Sensors, insbesondere einer Nernstsonde, ausgeübt wird
und dadurch die Signalgenauigkeit einer Lambda-Sonde zu verbessern,
um beim Einsatz einer preiswerteren Nernst-Sonde als Lambda-Sonde
die vorteilhaften Eigenschaften einer teureren Breitbandsonde zu
erreichen, wobei ein verringerter Kraftstoffverbrauch und eine geringere
Umweltbelastung realisiert sein sollen. Ferner ist es eine Aufgabe
vorliegender Erfindung, den Einfluss der Herstell-Ungenauigkeiten
und der Alterung des Sensorelementes auf die Betriebstemperatur
und somit die Messgenauigkeit einer Lambda-Sonde, insbesondere einer
Nernst-Sonde, möglichst einfach und automatisierbar zu
verringern. Nach einem weiteren Aspekt ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung die erfindungsgemäßen Mittel unter Beibehaltung
der Vorteile auf eine breite Anzahl von Anwendungen der Messtechnik
anwendbar zu machen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren zum
Betreiben wenigstens einer Lambda-Sonde in der Abgasanlage einer
Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses
eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine, wobei die Abgasanlage
wenigstens ein Heizelement zum Aufheizen der Lambda-Sonde aufweist,
welches in wenigstens einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird, und
das Heizelement durch eine Heizelementsteuerung geregelt aufgeheizt
wird,
- • in einer ersten Gruppe von
Schritten wenigstens zwei der folgenden Parameter der Lambda-Sonde verwendet
und/oder erfasst werden:
– Beaufschlagen mit einer
definierten oder undefinierten Heizleistung;
– Erfassen
des ohmschen Widerstandes des Heizelementes der Lambda-Sonde;
– Erfassen
des ohmschen Widerstandes der Signal-Elektroden der Lambda-Sonde;
– Erfassen
des elektrischen Sensorsignals der Lambda-Sonde;
- • in einer zweiten Gruppe von Schritten aus wenigstens
einem erfassten Parameterwert eine Änderung des erfassten
Parameters ermittelt oder erfasst wird.
- • in einer dritten Gruppe von Schritten jeweils ein Vergleich
der ermittelten Änderung des erfassten Parameters mit einem
vorgegebenen Referenzwert für die erwartete korrelierende Änderung
eines anderen verwendeten und/oder erfassten Parameters ausgeführt
wird, und mit dem Ergebnis des Vergleiches zu einer vierten Gruppe
von Schritten fortgeschritten wird, und
- • in einer vierten Gruppe von Schritten ein Korrekturwert
bestimmt wird, wobei wenigstens ein Betriebs-Referenzwert aus einer
Referenzwertvorrats-Vorrichtung entnommen und mit dem bestimmten
Korrekturwert zu einem Betriebs-Sollwert der Lambda-Sonde ergänzt
wird.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden
bei einem Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Lambda-Sonde,
in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem
zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines
Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine, wobei die Abgasanlage
wenigstens ein Heizelement zum Aufheizen der Lambda-Sonde aufweist, welches
in wenigstens einem Verfahrensschritt aufgeheizt wird, und das Heizelement
durch eine Heizelementsteuerung geregelt aufgeheizt wird, in einer ersten
Gruppe von Schritten wenigstens zwei der folgenden Parameter der
Lambda-Sonde verwendet und/oder erfasst:
- – Beaufschlagen
mit einer definierten oder undefinierten Heizleistung;
- – Erfassen des ohmschen Widerstandes des Heizelementes
der Lambda-Sonde;
- – Erfassen des ohmschen Widerstandes der Signal-Elektroden
der Lambda-Sonde;
- – Erfassen des elektrischen Sensorsignals der Lambda-Sonde.
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Weiterhin
werden in einer zweiten Gruppe von Schritten aus wenigstens einem
erfassten Parameterwert die Steigung der Kennlinie des ohmschen Widerstandes
des Heizelementes der Lambda-Sonde, und/oder des ohmschen Widerstandes
der Lambda-Sonde und/oder des elektrischen Sensor-Signals der Lambda-Sonde
in Abhängigkeit von der Änderung der Messgröße
ermittelt. In einer dritten Gruppe von Schritten wird jeweils ein
Vergleich des ermittelten Steigungswertes der gemessenen Kennlinie
mit einem vorgegebenen Steigungs-Referenzwert ausgeführt,
und bei einer, mit einer vorgegebenen Genauigkeit ermittelten, Gleichheit
der erfassten Steigung der Kennlinie wird mit dem Steigungs-Referenzwert
zu einer vierten Gruppe von Schritten fortgeschritten, andernfalls
wird erneut zu der ersten Gruppe von Schritten übergegangen.
In einer vierten Gruppe von Schritten wird ein Korrekturwert bestimmt,
wenigstens ein Betriebs-Referenzwert aus einer Referenzwertvorrats-Vorrichtung
entnommen und mit dem bestimmten Korrekturwert eine Ergänzung
zu einem Betriebs-Sollwert der Lambda-Sonde vorgenommen. Somit sind
die gestellten Aufgaben der vorliegenden Erfindung verwirklicht.
Die Ermittlung der Steigung ist hierbei auf die Ermittlung der Änderung
der des erfassten Parameters in Bezug auf die erfasste physikalische
Größe zurück geführt.
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Nach
einem anderen Aspekt vorliegender Erfindung sind die Aufgaben der
Erfindung mit einem Verfahren zum Betreiben
wenigstens einer Lambda-Sonde in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine
mit einem Lambda-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses
eines Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine gelöst,
wobei die Abgasanlage wenigstens ein Heizelement zum Aufheizen der
Lambda-Sonde aufweist, welches in wenigstens einem Verfahrensschritt
aufgeheizt wird, und das Heizelement durch eine Heizelementsteuerung
geregelt aufgeheizt wird, wobei in einer ersten Gruppe von Schritten
wenigstens zwei der folgenden Parameter der Lambda-Sonde verwendet und/oder
erfasst werden:
- – Beaufschlagen mit
einer definierten oder undefinierten Heizleistung;
- – Erfassen des ohmschen Widerstandes des Heizelementes
der Lambda-Sonde;
- – Erfassen des ohmschen Widerstandes der Signal-Elektroden
der Lambda-Sonde;
- – Erfassen des elektrischen Sensorsignals der Lambda-Sonde.
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In
einer zweiten Gruppe von Schritten aus wenigstens einem erfassten
Parameterwert werden die Temperatur des Heizelementes der Lambda-Sonde
und/oder der Lambda-Sonde und die aufgewendete Heizenergie erfasst.
In einer dritten Gruppe von Schritten wird jeweils ein Vergleich
der ermittelten Temperatur des Heizelementes der Lambda-Sonde und/oder
der Lambda-Sonde mit einer Referenztemperatur ausgeführt,
und bei einer, mit einer vorgegebenen Genauigkeit, ermittelten Gleichheit
der erfassten Temperatur zu einer vierten Gruppe von Schritten fortgeschritten,
andernfalls wird erneut zu der ersten Gruppe von Schritten übergegangen.
In einer vierten Gruppe von Schritten wird ein Korrekturwert bestimmt,
wenigstens ein Betriebs-Referenzwert aus einer Referenzwertvorrats-Vorrichtung
entnommen und mit dem bestimmten Korrekturwert eine Ergänzung
zu einem Betriebs-Sollwert der Lambda-Sonde vorgenommen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wird in der ersten Gruppe von Schritten eine Heizleistung zum Aufwärmen
der Lambda-Sonde aufgebracht und der ohmsche Widerstand der Lambda-Sonde
erfasst. Das Beaufschlagen mit einer Heizleistung soll zum Einen das
ohnehin erforderliche schnelle Erreichen der Betriebstemperatur
des Sensorelementes ermöglichen und gleichzeitig für
einen steileren Anstieg der Temperatur sorgen, damit eine erfindungsgemäße
Messung genauer erfolgen kann, weil erfindungsgemäß die
Kennliniensteigung von Bedeutung ist.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird in der ersten Gruppe von Schritten eine Heizleistung zum Aufwärmen der
Lambda-Sonde aufgebracht und der ohmsche Widerstand der Lambda-Sonde
oder der ohmsche Widerstand des Heizelementes der Lambda-Sonde erfasst.
Mit dieser Zusammensetzung der erfassten Parameter lässt
sich eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens realisieren, die in den angefügten Figuren-
und Beispielbeschreibung näher erläutert ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden in
der ersten Gruppe von Schritten das elektrische Signal der Lambda-Sonde und
des ohmschen Widerstandes der Lambda-Sonde oder des ohmschen Widerstandes
des Heizelementes der Lambda-Sonde erfasst. Auch mit dieser Zusammensetzung
der erfassten Parameter lässt sich eine weitere vorteilhafte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
realisieren, die in den angefügten Figuren- und Beispielbeschreibungen näher
erläutert ist.
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Bevorzugt
speichert die Referenzwertvorrats-Vorrichtung mindestens einen Referenzwert
als einen analogen oder digitalen Signalwert.
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Weiterhin
bevorzugt ist, dass die Ermittlung der Steigung der Kennlinie in
der zweiten Gruppe von Schritten durch ein analoges oder digitales
Auswerten von mindestens zwei gemessenen Messwerten des Messsignals
erfolgt, wobei die Differenz der Messwerte im Verhältnis
zur Differenz der jeweiligen zugehörigen physikalischen
Größenwerte gesetzt wird, wobei diese physikalischen
Größenwerte als eine erste Näherung mit
Hilfe einer Referenzkennlinie zugeordnet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
in der dritten Gruppe von Schritten ausgeführte Vergleich
des ermittelten Steigungswertes der gemessenen Kennlinie mit einem vorgegebenen
Steigungs-Referenzwert derart ausgeführt, dass beginnend
mit einem höheren Steigungswert der Kennlinie bei niedriger
Temperatur mit steigender Temperatur das Erreichen eines kleineren Steigungswertes
durch periodisch wiederholte Messvorgänge erwartet wird
und bei einer festgestellten Gleichheit der im Wesentlichen zuletzt
gemessene Messwert ein Eichpunktmesswert identifiziert wird. Zu
diesem Eichpunktmesswert existiert ein korrespondierender Referenzwert,
der in einem der anderen vorher beschriebenen Schritte zum Vergleich
herangezogen wird.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorliegender
Erfindung wird der in der vierten Gruppe von Schritten bestimmte
Korrekturwert durch Bilden einer Differenz zwischen dem ermittelten,
als ein Eichpunktmesswert identifizierten, Messwert und einem Referenzwert
ermittelt und hierbei neben dem Betrag auch das Vorzeichen der Differenzwertbildung
als Information festgehalten.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird das Ergänzen des aus der Referenzwertvorrats-Vorrichtung
entnommenen Betriebs-Referenzwertes zu einem Betriebs-Sollwert der
Lambda-Sonde durch Bilden einer Addition des ermittelten Korrekturwertes
mit dem Betriebs-Referenzwert ausgeführt. Dies ist möglich,
weil die Kennlinien der in Frage kommenden elektronischen Elemente
vom gleichen Typ oder Serie sind und lediglich um einen Wert voneinander
verschoben sind, welcher durch die vorzeichenbehaftete Addition ausgeglichen
wird.
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In
noch einer weiteren Ausgestaltung vorliegender Erfindung wird das
Beaufschlagen der Lambda-Sonde mit einer Heizleistung mit einer
vorgegebenen, konstanten Energiemenge ausgeführt.
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Weiterhin
wird das Beaufschlagen der Lambda-Sonde mit einer Heizleistung in
einem beliebig gewählten Temperaturbereich mit einer positiven,
zum Aufwärmen, oder einer negativen, zum Kühlen,
Energiemenge ausgeführt. Der zum Messen vorgesehene Temperaturbereich
kann somit auch in einem höheren Temperaturbereich liegen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der,
der Heizelementsteuerung übergebene, gefundene Betriebs-Sollwert
zum Regeln der Temperatur der Lambda-Sonde herangezogen und die
Temperatur der Lambda-Sonde auf einem vorgegebenen Temperaturniveau
gehalten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
gefundene Betriebs-Sollwert zur rechnerischen Korrektur des Signales
der Lambda-Sonde bezogen auf einen Referenzwert herangezogen.
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Das
Sensorelement der Lambda-Sonde ist in einer bevorzugten Ausgestaltung
als ein Heißleiter ausgeführt und in einer weiteren
Ausgestaltung ist die Lambda-Sonde als eine Nernst-Sonde ausgeführt.
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Nach
einem anderen Aspekt vorliegender Erfindung sind die Aufgaben der
Erfindung mit einem Verfahren zum Kalibrieren und Betreiben wenigstens eines
Sensorelementes in einem, eine physikalische Größe
erfassenden, System gelöst, bei dem in einer ersten Gruppe
von Schritten wenigstens zwei der folgenden Parameter des Sensorelementes
verwendet und/oder erfasst werden:
- – Beaufschlagung
des Sensorelementes mit der zu erfassenden physikalischen Größe
durch eine Beaufschlagungsvorrichtung oder durch die zu erfassende
physikalische Größe;
- – Erfassen einer elektrophysikalischen Eigenschaft
der Beaufschlagungsvorrichtung;
- – Erfassen einer anderen als des elektrischen Sensorsignals
elektrophysikalischen Eigenschaft des Sensorelementes;
- – Erfassen des elektrischen Sensorsignals des Sensorelementes.
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In
einer zweiten Gruppe von Schritten wird aus wenigstens einem erfassten
Parameterwert die Steigung der elektrophysikalischen Kennlinie der
Beaufschlagungsvorrichtung, und/oder der elektrophysikalischen Kennlinie
des Sensorelementes und/oder des elektrischen Sensorsignals des
Sensorelementes ermittelt. In einer dritten Gruppe von Schritten wird
jeweils ein Vergleich des ermittelten Steigungswertes der gemessenen
Kennlinie mit einem vorgegebenen Steigungs-Referenzwert ausgeführt,
und bei einer, mit einer vorgegebenen Genauigkeit ermittelten, Gleichheit
der erfassten Steigung der Kennlinie wird mit dem Steigungs-Referenzwert
zu einer vierten Gruppe von Schritten fortgeschritten. Andernfalls
wird erneut zu der ersten Gruppe von Schritten übergegangen.
In einer vierten Gruppe von Schritten wird ein Korrekturwert bestimmt,
wenigstens ein Betriebs-Referenzwert aus einer Referenzwertvorrats-Vorrichtung
entnommen und mit dem bestimmten Korrekturwert eine Ergänzung
zu einem Betriebs-Sollwert des Sensorelementes vorgenommen. In einer
fünften Gruppe von Schritten wird der gefundene Betriebs-Sollwert
der Steuerung der Beaufschlagungsvorrichtung übergeben.
Hierdurch ist es möglich, das erfindungsgemäße
Verfahren auch auf beliebige andere Anwendungen der Messtechnik
anzuwenden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann nach
dem zuletzt beschriebenen Aspekt der Erfindung die zu messende elektrophysikalische
Eigenschaft wenigstens eine von Widerstand, Kapazität oder
Induktivität sein und die zu erfassende physikalische Größe
eine von den Temperatur, Druck, Lichtintensität, Luftfeuchtigkeit,
Gaskonzentration oder ähnlichem. Das durch die Erfindung gelöste
Problem der vorhandenen Abweichungen durch herstellbedingte Streuung
oder Alterung kommt so gut wie in allen Bereichen der Messtechnik vor
und kann hierdurch erfindungsgemäß gelöst
werden.
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Nach
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Aufgaben
der Erfindung mit einer Steuerung der Beheizung einer Lambda-Sonde in
der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Lambda-Regelsystem
zum Regeln des Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnisses eines
Verbrennungsprozesses der Brennkraftmaschine gelöst, wobei
die Abgasanlage wenigstens ein Heizelement zum Aufheizen der Lambda-Sonde
aufweist, und das Heizelement durch eine Heizelementsteuerung geregelt
aufgeheizt wird, dadurch, dass die Steuerung Mittel aufweist, welche
aus erfassten Daten die Steigung einer Kennlinie ermitteln. Und
die Lambda-Sonde ist in einer bevorzugten Ausgestaltung nach dem zuletzt
beschriebenen Aspekt als eine Nernst-Sonde ausgeführt.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 zwei
abweichende Temperatur-Kennlinien-Verläufe eines Widerstandes
eines Sensorelementes, einer Nernstsonde, die sich durch Serienstreuung
oder Alterung unterscheiden können;
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2 zwei
abweichende Temperatur-Kennlinien-Verläufe eines Widerstandes
eines Heizelementes und
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3 abweichende
Temperatur-Kennlinien-Verläufe des Sensorsignals der Nernstsonde
jeweils für eine konstante fette und magere Abgaszusammensetzung,
jeweils für zwei verschiedene Zustandsformen des Elementes,
die sich durch Serienstreuung oder Alterung unterscheiden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren soll anhand von vier
Ausführungsbeispielen erläutert werden.
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1 zeigt
beispielhaft zwei Temperatur-Kennlinien-Verläufe I und
II des ohmschen Widerstandes, beziehungsweise Innenwiderstandes
eines Sensorelementes, zum Beispiel einer Nernstsonde, die sich
durch eine vorliegende herstellungsbedingte Serienstreuung oder
eine Alterung unterscheiden können. Eine der beiden Kennlinien,
beispielsweise die unter Bezeichnung I, kann als eine Referenz-Kennlinie,
das heißt eine Ideal-Kennlinie, angenommen sein. Dann ist
die andere Kennlinie II eine real gemessene Kennlinie, die verschiedene,
als elektronische Bauelemente hergestellte Sensorelemente wie eine
Nernstsonde aufgrund von Fertigungstoleranzen oder durch zeitlich
voran schreitende Alterung aufweisen können. Hierbei ist
es nicht wichtig, ob die eine Kennlinie über der anderen
liegt, denn ein anderes Bauelement kann eine andere Abweichung aufweisen,
die seine Kennlinie entsprechend höher oder tiefer in Bezug
auf die Referenzkennlinie positionieren kann.
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Wesentlich
für die Ausführung der vorliegenden Erfindung
ist die Tatsache, dass die verschiedenen Kennlinien I, II zwar höher
oder tiefer liegen können, aber deren Formverlauf einschließlich
der Steigung an einem bestimmten Punkt, einem Eichpunkt, im Wesentlichen
mit einer guten Näherung erhalten bleibt.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel werden nur die Parameter beaufschlagte
Heizleistung und der ohmsche Widerstand des Sensorelementes zur
Ausführung der Erfindung verwendet. Das Sensorelement wird
mit einer konstanten, vorgegebenen Heizleistung beaufschlagt. Damit
steigt die Temperatur ϑ des Heizelementes und des Sensorelementes
kontinuierlich.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass der Widerstand des Heizerelementes mit steigender
Temperatur ϑ zunächst stark sinkt, um dann zu
höheren Temperaturen hin nur noch geringe Widerstandsverringerungen
aufzuweisen. Der in diesem Beispiel verwendete Sensor ist offenbar
aus einem sogenannten Heißleiter hergestellt, was bedeutet,
dass sein ohmscher Widerstand in Gegensatz zu metallischen Widerständen
mit steigender Temperatur sinkt.
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Aus
den beiden formgleichen Kennlinien I, II im Diagramm der 1 ist
ersichtlich, dass bei niedrigeren Temperaturen ϑ eine sehr
steile Parameter-Abhängigkeit vorliegt, so dass in diesem
Bereich mit einer guten Messgenauigkeit der Temperatur ϑ gerechnet
werden kann – was sich die vorliegende Erfindung, wie weiterfolgend
beschrieben ist, zunutze macht. Bei steigender Temperatur ϑ flacht
die Widerstandsänderung schnell ab und wird fast zu einer geraden
Linie. Das war auch eine Absicht der Entwickler dieses Sensorelementes,
um ihn im Bereich der Betriebstemperaturen stabiler zu machen, damit sein
Messsignal weniger temperaturabhängig ist. Jedoch ist ebenso
erkennbar, dass die Abweichungen aufgrund der herstellungsbedingten
Streuung oder einer Alterung des Sensorelementes im Bereich höherer
Betriebstemperaturen des Sensorelementes größer
sind als die Widerstandsänderung infolge der Temperaturänderung
(ΔT). Hierdurch ist es nicht möglich, aus der
Messung des Widerstandes des Sensorelementes auf seine Temperatur ϑ bei
Betriebstemperaturen hinreichend genau zu schließen und
folglich nicht möglich, diese Betriebstemperatur auf einem
gewünschten Temperaturniveau zu halten.
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In
einer ersten Beispielanwendung kann nun ausgewertet werden, bei
welchen absoluten Widerstandswerten Rs1 beziehungsweise
Rs2 die Steigung S der Kennlinien-Kurve
einen vorgegebenen Wert S1 unterschreitet.
Auf diese Weise kann zwischen den Zuständen I und II beziehungsweise
dazwischenliegenden Zuständen unterschieden werden. Somit wird
es möglich, auch für die gewünschte Solltemperatur
Ts auf den dazugehörigen passenden Widerstandswert des
Sensorelementes zu schließen, indem einfach ein Korrekturwert,
der hier einer Widerstands-Differenz RS1–RS2 entspricht, ermittelt wird und dieser
dem Referenz-Widerstandswert der Referenz-Kennlinie I an der Stelle
Ts mit dem ermittelten Vorzeichen aufaddiert wird. Das ist möglich,
weil die Differenz RS1–RS2 entlang der beiden Kennlinien I und II,
und einer beliebigen anderen realen Kennlinie eines Sensorelementes,
vom gleichen Typ oder Serie, im Wesentlichen gleich bleibt.
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Alternativ
oder zusätzlich kann dabei ausgewertet werden, wie viel
Heizenergie bis zum Unterschreiten eines vorgegebenen Referenz-Widerstandswertes
aufgewendet worden ist, und diese Information kann ebenfalls in ähnlicher
Weise zur Bestimmung einer Abweichung zwischen Kennlinie I und II
benutzt werden.
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Anhand
der 1 ist noch eine zweite vorteilhafte Beispielanwendung
der vorliegenden Erfindung erklärbar. Um den fast flachen
hohen Temperaturbereich TH des Sensors zum
Kalibrieren auf eine Referenzkennlinie zu benutzen, werden ebenfalls
die Parameter beaufschlagte Heizleistung und Widerstand des Sensorelementes
verwendet und es wird die Tatsache ausgenutzt, dass bei hohen Temperaturen ϑ die Änderungen
im Widerstand des Sensorelementes nur noch gering sind.
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Der
Sensor wird hierfür für eine vorgegebene Zeitspanne
mit einer konstanten, vorgegebenen, möglichst hohen Heizleistung
beaufschlagt. Damit steigt die Temperatur ϑ des Heizelementes
und des Sensorelementes rasch auf einen hohen Wert, bei dem die
Temperatur des Sensorelementes im flachen Temperaturbereich TH des Sensorelement-Widerstandes liegt. Trotz
der Toleranzen im Heizerelement und seinem Widerstand ist unter
diesen Bedingungen der Temperaturbereich TH,
in welchem sich das Sensorelement befindet, zumindest ungefähr
bekannt. Es kann dann der Wert des Sensorelement-Widerstandes RTH1 beziehungsweise RTH2 ermittelt
und so die Abweichung zwischen der Referenz-Kennlinie I und realen
Kennlinie II unterschieden werden. Somit wird es möglich,
auch für die gewünschte Solltemperatur Ts auf
den dazugehörigen passenden Widerstandswert des Sensorelementes zu
schließen und diesen kalibrierten Wert beispielsweise für
eine geregelte Aufwärmung/Abkühlung des Lambda-Sensors
zu verwenden.
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2 zeigt
zwei abweichende Temperatur-Kennlinien-Verläufe I und II
des Widerstandes des Heizelementes RH, die
in einer dritten Beispielanwendung verwendet sind. Im dritten Ausführungsbeispiel
werden die Parameter beaufschlagte Heizleistung des Sensors, das
Sensor-Signal (siehe 3), ohmscher Widerstand des
Sensor-Elementes (siehe 1) oder der Widerstand des Heizerelementes verwendet.
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Für
eine vorgegebene Zeitspanne wird die Heizleistung des Heizelementes
um einen vorgegebenen Wert verringert oder erhöht. Es wird
ermittelt, um welchen Wert sich dadurch der Widerstand des Elementes
und um welchen Wert sich das Signal des Sensors dadurch ändert.
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Die
Kennlinien in 2 zeigen einen linearen Verlauf
eines Kaltleiters, das heißt der Widerstandswert wächst
mit wachsender Temperatur ϑ, aber eine leicht verschiedene
Steigung. Die mit I gekennzeichnete Kennlinie entspricht auch hier
einer Referenzkennlinie und die mit II gekennzeichnete einer realen,
gemessenen Kennlinie, beziehungsweise einem Zustand I und II eines
durch Alterung veränderten Heizelementes.
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Wie
weiter in 3 dargestellt, ist die Änderung
des Signalwertes ΔU nur von der Temperatur ϑ und
nicht von dem Zustand des Sensors abhängig. Durch die ermittelte
Signaländerung kann daher auf die tatsächliche
Temperaturänderung ΔTLT während dieser Maßnahme
geschlossen werden, wodurch eine unabhängige Temperaturmessung
ausgeführt sein kann, ohne hierfür eine zusätzliche
Temperaturmesseinheit vorsehen zu müssen.
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Durch
eine Verknüpfung dieser unabhängig ermittelten
Temperaturänderung ΔT mit der gleichfalls ermittelten
Widerstandsänderung ΔR1 beziehungsweise ΔR2 oder ΔRH1 beziehungsweise ΔRH2 kann nun zwischen den Zuständen
I und II beziehungsweise dazwischenliegenden Zuständen
unterschieden werden, da für eine bestimmte Temperaturänderung ΔTLT die damit verbundene Änderung des
Widerstandes gemäß 1 je nach
Zustand unterschiedlich ist. Somit wird es möglich, auch
für die gewünschte Solltemperatur Ts auf den dazugehörigen
passenden Widerstandswert des Sensorelementes genauer zu schließen.
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3 zeigt
Temperatur-Kennlinien-Verläufe des Sensorsignals einer
Nernst-Sonde jeweils für eine konstante fette und eine
magere Abgaszusammensetzung jeweils für zwei verschiedene
Zustände I und II des Sensorelementes, die sich durch eine
Serienstreuung oder Alterung mehr oder weniger stark unterscheiden
können.
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Hierbei
ist erkennbar, dass die durch Temperaturänderung ΔTLT bewirkte Sensorsignal-Änderung der
Ausgangsspannung des Sensors ΔU bei den verschiedenen Kennlinien
erhalten bleibt, das heißt, die Steigung bleibt erhalten.
Das wird dazu verwendet, wie oben beschrieben, eine unabhängige
Temperaturmessung vorzunehmen, die in einem weiteren Schritt zum
Ermitteln einer gesuchten Korrektur herangezogen wird. Besonders
vorteilhaft kann die Temperaturmessung in Bereichen mit einer deutlichen Steigung
gemessen sein. Das ist bei den zwei oberhalb dargestellten Kennlinien
für eine fette Kraftstoff-Luftgemisch-Betriebsart mit einem λF in den steilen Kennlinien-Bereichen A und
C der Fall und bei den zwei unterhalb dargestellten Kennlinien für
eine magere Kraftstoff-Luftgemisch-Betriebsart mit einem λM in dem steilen Kennlinien-Bereich B der
Fall. Der flache Kennlinien-Bereich D bei einer mageren Kraftstoff-Luftgemisch-Betriebsart
mit einem λM dagegen eignet sich
wiederum eher zum Ermitteln eines Kennlinien-Korrekturwertes anhand
eines absoluten Spannungswertes in diesem Bereich, der mit einem Referenzspannungswert
verglichen wird.
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Die
Nernst-Sonde schaltet als eine Sprung-Sonde ihr Ausgangssignal anhängig
vom dem im Abgas gegebenen Sauerstoffpartialdruck jeweils nahezu
sprungartig in den Hochpegelbereich mit λF oder
in den Niedrigpegelbereich mit λM um. Hierbei
bewirken die durch herstellungsbedingte Streuung oder Alterung verursachten
Messwertabweichungen, dass die Umschaltpunkte in einem Temperaturbereich ΔTLT schwanken können, wodurch beispielsweise
die Lambda-Steuerung zum Gewährleisten eines vorgeschriebenen
Abgaswertes entsprechend grober eingestellt sein muss. Dadurch, dass
die Abweichungen der Kennlinien I und II jeweils erfindungsgemäß korrigiert
sein können, wird die Lambda-Steuerung wesentlich genauer
die beiden Umschaltpunkte im niedrigen Temperaturbereich, das heißt
gerade bei dem kritischen Startbetrieb, erkennen können,
was geringere Schadstoff-Emissionen zur Folge hat.
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Im
vierten Ausführungsbeispiel werden die Parameter Sensor-Signal
sowie ohmscher Widerstand des Sensorelementes oder Widerstand des Heizelementes
verwendet. Es wird ermittelt, bei welchem Widerstandswert, Ri oder RH beim Aufheizen des
Sensors das Sensor-Signal die festgelegten Schwellwerte ULTF beziehungsweise ULTM jeweils
erstmalig überschreitet. Durch Vergleich mit vorab ermittelten
Verknüpfungen dieser beiden Werte für die verschiedenen
Sensor-Zustände kann nun zwischen den Zuständen
I und II beziehungsweise dazwischenliegenden Zuständen
unterschieden werden. Eine Leerlaufspannung U0 ist
von dem Sensorelement bei kaltem Sensorelement ausgegeben und liegt
ungefähr in der Mitte zwischen den später bei Betriebstemperatur
ausgegebenen Hoch- und Niedrigpegelwert.
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Die
vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind
lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen.
Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen
werden. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist zur Veranschaulichung
vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche
einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und
Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne
dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen
definiert ist.
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- I
- erste
Kennlinie, Referenzkennlinie
- II
- zweite
Kennlinie, abweichende Kennlinie, reale Kennlinie
- S
- Steigungswert
- S1
- vorgegebene
Steigung, Steigungs-Referenzwert
- Ri
- Innenwiderstand
der Lambda-Sonde
- Rs1
- Eichpunktwiderstand
der Referenz
- Rs2
- gemessener
Eichpunktwiderstand
- RTH1
- Heißwiderstand
der Referenz
- RTH2
- Heißwiderstand
des Sensors
- Ts
- Solltemperatur
- TH
- Temperaturbereich
- ΔR1
- Widerstands-Änderung
der Referenz
- ΔR2
- Widerstands-Änderung
des Sensors
- RH
- Widerstand
des Heizelementes
- ΔRH1
- Heizelement-Widerstands-Änderung
der Referenz
- ΔRH2
- Widerstands-Änderung
des Sensors
- Δϑ
- Temperaturänderung
- ϑ
- Temperatur
- U0
- Leerlaufspannung
- ULTF
- Niedertemperatur-Spannungsschwellwert
für Fett-Betrieb
- ULTM
- Niedertemperatur-Spannungsschwellwert
für Mager-Betrieb
- ΔTLT
- Temperaturänderung
im Niedertemperaturbereich
- ΔU
- Spannungsänderung
- λF
- Lambda
bei Fett-Betrieb
- λM
- Lambda
bei Mager-Betrieb
- A,
B, C
- steiler
Kennlinien-Bereich
- D
- flacher
Kennlinien-Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006012476
A1 [0010]
- - DE 102005059893 A1 [0011]
- - DE 102006043085 A1 [0012]
- - DE 19937016 A1 [0013]
- - DE 1336728 A2 [0014]
- - DE 102005058522 A1 [0015]