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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der Dynamik einer
Breitband-Lambdasonde, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine
angeordnet ist und mit welcher über einen Regelkreis mit
einem stetigen Regelalgorithmus das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
der Brennkraftmaschine geregelt wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Diagnose der Dynamik
einer Breitband-Lambdasonde, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine
angeordnet ist und welche in einem Regelkreis mit einem stetigen
Regelalgorithmus eingebunden ist, der in einer Motorelektronik hinterlegt
ist und mit dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine
regelbar ist.
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Bei
modernen Brennkraftmaschinen werden Lambdasonden eingesetzt, welche
die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmen
und über einen Lambda-Regelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung
der Brennkraftmaschine derart regeln, dass eine für die
Abgasnachbehandlung durch in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehene
Katalysatoren optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht wird.
Dabei wird bevorzugt auf ein Lambda von 1, also ein stöchiometrisches
Verhältnis von Kraftstoff zu Luft, geregelt. Die Schadstoffemission
der Brennkraftmaschine kann so minimiert werden.
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Es
sind verschiedene Formen von Lambdasonden im Einsatz. Bei einer
Zweipunkt-Lambdasonde, auch als Sprungsonde oder Nernst-Sonde bezeichnet,
weist die Kennlinie bei Lambda = 1 einen sprungartigen Abfall auf.
Sie erlaubt daher im Wesentlichen nur die Unterscheidung zwischen
fettem Abgas bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kraftstoffüberschuss
und magerem Abgas bei Betrieb mit Luftüberschuss.
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Eine
Breitband-Lambdasonde, auch als stetige oder lineare Lambdasonde
bezeichnet, ermöglicht die Messung des Lambdawertes in
dem Abgas in einem weiten Bereich um Lambda = 1 herum. Damit kann
beispielsweise eine Brennkraftmaschine auch auf einen mageren Betrieb
mit Luftüberschuss geregelt werden.
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Wesentlich
für den schadstoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine
ist eine schnelle Regelung der Abgaszusammensetzung auf den vorgegebenen Lambda-Wert.
Dies gilt insbesondere auch für Brennkraftmaschinen mit
Einzelzylinder-Regelung, wo das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf Basis
des Signals der gemeinsamen Lambdasonde für jeden einzelnen
Zylinder der Brennkraftmaschine individuell eingestellt wird. Dazu
muss die Lambda-Messung mit einer hohen zeitlichen Auflösung
erfolgen, um die bei der Lambdasonde ankommenden, aufeinander folgenden
Abgasvolumen der verschiedenen Zylinder in ihrer Zusammensetzung
bestimmen und einem jeweiligen Zylinder zuordnen zu können.
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Neben
den gewählten Regelparametern des Lambda-Regelkreises und
den Streckenparametern bestimmt die Dynamik der Lambdasonde die
Geschwindigkeit des Regelkreises. Dabei ist im Neuzustand die Dynamik
der Lambdasonden auch für eine Einzelzylinder-Regelung
mit einer für alle Zylinder gemeinsamen Lambdasonde in
einem gemeinsamen Abgaskanal ausreichend. Aufgrund von Alterungseffekten
können sich die dynamischen Eigenschaften der Lambdasonden
jedoch dahingehend verändern, dass die Reaktionsgeschwindigkeit
der Lambdasonde bei der Bestimmung der Abgaszusammensetzung nicht
mehr ausreichend ist, was zu einer erhöhten Schadstoffemission
führt. Liegt diese außerhalb der gesetzlichen
Vorgaben, ist im Rahmen der On-Board-Diagnose der Brennkraftmaschine
die mangelnde Dynamik der Lambdasonde festzustellen und eine entsprechende
Fehlermeldung vorzusehen.
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In
der Schrift
DE 102
60 721 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose der dynamischen
Eigenschaften einer Lambdasonde, die wenigstens zeitweilig zu einer
zylinderindividuellen Lambdaregelung verwendet wird, sowie eine
zugehörige Diagnosevorrichtung beschrieben. Dabei ist es
vorgesehen, dass wenigstens eine Stellgröße der
Lambdaregelung erfasst und mit einer vorgebbaren maximalen Schwelle
verglichen wird und im Falle des Überschreitens der maximalen Schwelle
das dynamische Verhalten der Lambdasonde im Hinblick auf die Einsatzfähigkeit
für die zylinderindividuelle Lambdaregelung als nicht ausreichend bewertet
wird. Die dynamischen Eigenschaften der Lambdasonde können
aus der Einzelzylinderregelung selbst erfasst werden, da die zylinderindividuellen
Regler bei nicht ausreichender Dynamik der Lambdasonde divergieren.
Weiterhin kann eine Testfunktion mit einer gezielten Störung
oder Verstimmung des aktuellen Lambdawertes vorgesehen sein. Das
Verfahren eignet sich demnach nur für Brennkraftmaschinen
mit Einzelzylinder-Lambdaregelung oder es erfordert eine gezielte
Beeinflussung des Lambda-Wertes.
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Es
sind weitere Diagnoseverfahren zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften
von Lambdasonden bekannt. So kann beispielsweise ein gemessenes
Lambdasignal mit einem erwarteten Lambdasignal bei einer bekannten
Anregung verglichen werden.
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Nachteilig
bei vielen bekannten Verfahren ist, dass damit nur eine Änderung
der Zeitkonstante der Lambdasonde, nicht aber eine reine Totzeit
im Sondensignal, erkannt werden kann. Beispielsweise ist es mit
einem Vergleich zwischen gemessenem und erwartetem Lambdasignal
bei einer periodischen Anregung nicht möglich, eine reine
Totzeit zu erkennen, da es keine Möglichkeit gibt, zu unterscheiden, ob
eine beobachtete Reaktion im gemessenen Lambdasignal auf die Anregung
der unmittelbar vorausgehenden Periode oder einer früheren
Periode zurückzuführen ist.
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Für
die Diagnose von Zweipunkt-Lambdasonden ist es bekannt, die Periodendauer
der sich einstellenden Reglerschwingung auszuwerten. Auf Grund der
sprungartigen Änderung des Ausgangssignals der Zweipunkt-Lambdasonde
bei Lambda = 1 ist eine lineare Regelung, wie sie für Breitband-Lambdasonden
eingesetzt wird, nicht möglich. Der Lambda-Regelkreis für
Zweipunkt-Lambdasonden ist daher im Allgemeinen mit einem Zweipunkt-Regelalgorithmus
ausgeführt. Bei diesem Regelalgorithmus verursacht der
Signaldurchgang durch eine Schwelle in fetter Richtung einen Sprung der
Reglerstellgröße nach mager, worauf das Kraftstoff-Luft-Gemisch
und somit die Abgas-Zusammensetzung mit konstanter Steigung in Richtung
mager verändert wird. Durchläuft das Lambdasignal
auf Grund dieser Stellgrößenänderung
eine zweite Schwelle in Richtung mager, so springt die Reglerstellgröße
wieder nach fett, gefolgt von einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Gemischs
und somit der Abgas-Zusammensetzung mit konstanter Steigung in Richtung
fett. Es stellt sich auf diese Weise ein periodischer Verlauf von
Lambdasignal und Reglerstellgröße ein, wobei die
Periodendauer von den Streckenparametern, den Reglerparametern und
von der Dynamik der Zweipunkt-Lambdasonde abhängt. Verlängert
sich das Ansprechverhalten der Zweipunkt-Lambdasonde, zum Beispiel
auf Grund von Alterungseffekten, so führt dies zu einer
Verlängerung der Periodendauer. Überschreitet
diese einen vorgegebenen Grenzwert, kann auf eine nicht mehr ausreichende
Dynamik der Zweipunkt-Lambdasonde geschlossen werden.
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Nachteilig
hierbei ist, dass das Verfahren nicht für die heute bei
modernen Brennkraftmaschinen bevorzugt eingesetzten Breitband-Lambdasonden
mit einer stetigen Regelung verwendet werden kann.
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Breitband-Lambdasonden
zeigen neben dem bekannten Vorteil einer Regelung über
einen größeren Lambda-Bereich den Nachteil einer
geringeren Dynamik, zum Beispiel auf Grund der zusätzlichen
und alterungsabhängigen Dämpfung durch die bei
Breitband-Lambdasonden notwendige Diffusionsbarriere oder durch
die Dynamik des eingesetzten Pumpstromreglers. Daher ist die Überwachung der
Dynamik von Breitband-Lambdasonden von besonderem Interesse.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, welches eine zuverlässige Diagnose der
Dynamik von Breitband-Lambdasonden ermöglicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass während eines Diagnosezeitraums der Regelalgorithmus
auf eine Zweipunkt-Lambdaregelung umgeschaltet wird und dass aus
der sich einstellenden Periodendauer des Lambdasignals oder einer
Reglerstellgröße auf die Dynamik der Breitband-Lambdasonde
geschlossen wird. Die Zweipunkt-Regelung bewirkt einen periodischen
Verlauf des Lambdasignals und der Reglerstellgrößen.
Die sich einstellende Periodendauer ist neben den bekannten Strecken-
und Reglerparametern in erster Linie von den dynamischen Eigenschaften
der Breitband-Lambdasonde abhängig. Eine langsamer reagierende
Breitband-Lambdasonde führt zwangsweise zu einer verlängerten
Periodendauer der Reglerschwingung. Diese Schwingung ist sowohl
dem Messsignal der Lamb dasonde, also dem Lambdasignal, wie auch,
gegebenenfalls zeitversetzt, den Reglerstellgrößen
aufgeprägt. Die Periodendauer ist messtechnisch einfach
zu erfassen. Die Dauer des Diagnosezeitraums kann so kurz gewählt werden,
dass keine merkliche Beeinträchtigung der Abgasnachbehandlung
erfolgt. Das Verfahren kann sowohl für Breitband-Lambdasonden,
welche in einem für alle Zylinder gemeinsamen Abgasstrang
der Brennkraftmaschine angeordnet sind, als auch für so genannte
Mehr-Bank-Abgassysteme eingesetzt werden. Bei Mehr-Bank-Abgassystemen
wird das Abgas verschiedener Zylindergruppen in getrennte Abgaskanäle
geleitet, in denen jeweils eine Breitband-Lambdasonde vorgesehen
ist.
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Entsprechend
einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung
kann es vorgesehen sein, dass bei Überschreitung der sich
einstellenden Periodendauer über einen vorgegebenen Maximalwert
auf eine fehlerhaft verlangsamte Breitband-Lambdasonde geschlossen
wird. Der Vergleich der gemessenen Periodendauer mit einem vorgegebenen
Maximalwert ermöglicht eine schnelle und sichere Festlegung,
ob die Dynamik der Breitband-Lambdasonde den Vorgaben genügt.
Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass zur Erhöhung der
Auswertesicherheit der Mittelwert von in mehreren aufeinander folgenden
Diagnosezeiträumen gemessenen Periodendauern mit dem Maximalwert verglichen
wird oder dass für eine Fehlerbestimmung mehrere in aufeinander
folgenden Diagnosezeiträumen gemessene Periodendauern über
dem vorgegebenen Maximalwert liegen müssen.
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Entsprechend
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung
kann es vorgesehen sein, dass der Maximalwert in Abhängigkeit der
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine vorgegeben wird. Die Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine, beispielsweise die Drehzahl, haben einen wesentlichen
Einfluss auf die Periodendauer der Reglerschwingung. Dieser Einfluss
ist dem Einfluss der Dynamik der Breitband-Lambdasonde auf die Periodendauer überlagert.
Durch die Berücksichtigung der Betriebsparameter bei der
Wahl des Maximalwertes kann der Einfluss der Dynamik der Breitband-Lambdasonde
von dem Einfluss der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine separiert
und so auf die Dynamik der Breitband-Lambdasonde geschlossen werden.
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Die
Aussagesicherheit lässt sich dadurch erhöhen,
dass die Diagnose der Dynamik der Breitband-Lambdasonde bei vorgegebenen
Betriebsbedingungen der Brennkraftma schine erfolgt. So können
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine für die Diagnose
vorgesehen sein, bei welchen stabile und reproduzierbare Reglerschwingungen
auftreten und bei denen sich der zulässige Maximalwert der
Periodendauer entsprechend genau definieren lässt. Ein
Diagnosezeitraum wird entsprechend nur dann gestartet, wenn geeignete
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine vorliegen.
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Eine
fehlerhaft verlangsamte Breitband-Lambdasonde kann dem Betreiber
der Brennkraftmaschine signalisiert werden und/oder in einem Fehlerspeicher
registriert werden. Die Registrierung in einem Fehlerspeicher kann
bei einem Werkstattbesuch ausgelesen und daraufhin die fehlerhafte
Breitband-Lambdasonde ersetzt werden.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass die Motorelektronik so ausgebildet ist, dass der Regelalgorithmus während
eines Diagnosezeitraums auf eine Zweipunkt-Lambdaregelung umgeschaltet
wird und dass aus der sich einstellenden Periodendauer des Lambdasignals
oder einer Reglerstellgröße auf die Dynamik der
Breitband-Lambdasonde schließbar ist. Die Vorrichtung bewirkt
durch die Umschaltung des Regelalgorithmus die Ausbildung einer
in Abhängigkeit von der Dynamik der Breitbandsonde ausgebildeten Schwingung
des Lambdasignals oder einer davon abhängigen Reglerstellgröße.
Die Dynamik der Breitband-Lambdasonde kann an Hand der Periodendauer
der Schwingung bestimmt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
Regelkreis für eine Lambda-Regelung und
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2 ein
Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf von Lambda als Ausgangssignal
einer Breitband-Lambdasonde bei einer Zweipunkt-Regelung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit
einem Regelkreis 20 für eine Lambda-Regelung.
Dabei beschränkt sich die Darstellung auf die für
die Erklärung der Erfindung notwendigen Komponenten.
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Die
Brennkraftmaschine 1 besteht aus einem Motorblock 23 mit
vier Zylindern. Dem Motorblock 23 wird über einen
Zuluftkanal 10 Frischluft und über eine Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 Kraftstoff
zugeführt. In dem Zuluftkanal 10 ist eine Drosselklappe 21 zur
Einstellung der zugeführten Luftmenge vorgesehen. Dem Motorblock 23 nachgeordnet
ist eine Abgaskanal 11, in dem in Strömungsrichtung
des Abgases eine Breitband-Lambdasonde 25 und ein Katalysator 12 angeordnet
sind.
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Die
Drosselklappe 21, die Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 und
die Breitband-Lambdasonde 25 sind mit einer Motorelektronik 24 verbunden.
Sie bilden, gemeinsam mit dem Motorblock 23, den Regelkreis 20 für
die Lambda-Regelung. Dabei ist der Regelalgorithmus in der Motorelektronik 24 hinterlegt.
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Für
den normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ist in der
Motorelektronik 24 ein linearer Lambda-Regelalgorithmus
vorgesehen. Die Breitband-Lambdasonde 25 bestimmt den Sauerstoffgehalt
im Abgas und bildet ein entsprechendes Ausgangssignal, welches der
Motorelektronik 24 zugeführt wird. Diese bildet
daraus die Reglerstellgrößen für die
Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 und die Drosselklappe 21 zur
Einstellung der zugeführten Luftmenge dahingehend, dass
die Brennkraftmaschine 1 mit einem vorgegebenen Lambda,
also einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, betrieben
wird. Für eine optimierte Abgasnachbehandlung in dem als
Dreiwege-Katalysator ausgeführten Katalysator 12 ist
ein Betrieb bei einem Lambda von 1 vorgesehen. Die stetig arbeitende
Breitband-Lambdasonde 25 und der lineare Lambda-Regelalgorithmus
ermöglichen die kontinuierliche Einstellung der Reglerstellgrößen
ohne eine überlagerte periodische Schwingung.
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Zur
Diagnose der Dynamik der Breitband-Lambdasonde 25 wird
während eines kurzzeitigen Diagnosezeitraums der lineare
Regelalgorithmus in der Motorelektronik 24 auf einen Zweipunkt-Regelalgorithmus
umgeschaltet. Bei einem Zweipunkt-Regelalgorithmus pendelt das Lambda
im Abgas zwischen zwei vorgegebenen Grenzwerten. Erreicht das Lambda
einen unteren, einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeordneten
Grenzwert, so stellt der Zweipunkt-Regelalgorithmus die Reglerstellgrößen
für die Kraftstoff- Dosiereinrichtung 22 und die
Drosselklappe 21 derart ein, dass eine Veränderung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hin zu einer mageren
Einstellung, also einem Luftüberschuss, erfolgt. Erreicht
dadurch das Lambda einen oberen, einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch
zugeordneten Grenzwert, so stellt der Zweipunkt-Regelalgorithmus
die Reglerstellgrößen für die Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 und
die Drosselklappe 21 derart ein, dass eine Veränderung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hin zu einer fetten Einstellung,
also einem Kraftstoffüberschuss, erfolgt. Wie schnell der
Wechsel zwischen magerer und fetter Einstellung erfolgt, hängt
von den gewählten Regelparametern, der Regelstrecke sowie
der Dynamik der Breitband-Lambdasonde 25 ab. Bei gegebenen
Regelparametern sowie gegebener Regelstrecke ist die Periodendauer der
Lambda-Schwingung demnach ein Maß für die Dynamik
der Breitband-Lambdasonde 25 und kann entsprechend für
die Diagnose der Dynamik der Breitband-Lambdasonde 25 verwendet
werden.
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2 zeigt
ein Diagramm 30 mit dem zeitlichen Verlauf von Lambda als
Ausgangssignal einer Breitband-Lambdasonde 25 bei einer
Zweipunkt-Regelung. Zur vereinfachten Darstellung ist der Lambda-Verlauf
abweichend von der tatsächlichen Kurvenform als sinusförmige
Schwingung dargstellt. Dabei sind der zeitliche Verlauf eines Signals
Lambda A 40 einer intakten Breitband-Lambdasonde 25 und
eines Signals Lambda B 50 einer verlangsamten Breitband-Lambdasonde 25 gegenüber
einer Signalachse 31 und einer Zeitachse 32 aufgetragen.
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Beginnend
von der Signalachse 31 durchläuft das Signal Lambda
A 40 bis zu einer Markierung Periodendauer A 41 eine
vollständige Schwingungsperiode.
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Das
Signal Lambda B 50 der verlangsamten Breitband-Lambdasonde 25 benötigt
zum Durchlauf einer vollständigen Periode einen längeren
Zeitraum, gekennzeichnet durch die Markierung Periodendauer B 51.
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Die
Markierung Maximalwert 60 beschreibt die maximal zulässige
Periodendauer 41, 51 für Breitband-Lambdasonden 25,
deren Dynamik den Vorgaben genügt. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel zeigt die Breitband-Lambdasonde 25 mit
der Periodendauer A 41 eine ausreichende Dynamik, während
die Dynamik der Breitband-Lambdasonde 25 mit der Periodendauer
B 51 auf Grund von Alterungseffekten entsprechend der Vorgabe
durch den Maximalwert 60 zu gering ist.
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Die
Periodendauer 41, 51 der Lambda-Schwingung bei
einer Zweipunkt-Regelung kann somit zur Diagnose der Dynamik von
Breitband-Lambdasonden 25 verwendet werden. Der Vergleich
der Periodendauer 41, 51 mit einem Maximalwert 60 ermöglicht
die Klassifizierung der Breitband-Lambdasonden 25 in intakte
und verlangsamte und somit defekte Breitband-Lambdasonden 25.
Verlangsamte Breitband-Lambdasonden 25 können wechselnden
Abgaszusammensetzungen nicht mehr ausreichend schnell folgen, was
zu Regelabweichungen und in Folge zu erhöhten Schadstoffemissionen der
Brennkraftmaschine 1 führt. Eine verlangsamte Breitband-Lambdasonde 25 kann
daher dem Bediener der Brennkraftmaschine 1 angezeigt werden,
wie dies beispielsweise in der US-amerikanischen Gesetzgebung für
On-Board-Diagnosesysteme gefordert wird. Sie kann weiterhin in einem
Fehlerspeicher registriert und bei einem nächsten Werkstattbesuch ausgelesen
werden.
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Die
Periodendauer 41, 51 einer in Zweipunkt-Regelung
betriebenen Breitband-Lambdasonde 25 ist neben den Regelparametern,
den Streckenparametern und der Dynamik der Breitband-Lambdasonde 25 von
den vorliegenden Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 abhängig.
Dem kann dadurch Rechnung getragen werden, dass der Maximalwert 60 in
Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 vorgegeben
wird.
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Zur
Erhöhung der Auswertesicherheit kann die Periodendauer 41, 51 über
mehrere Perioden gemittelt werden. Es kann weiterhin vorgesehen
sein, dass zur Meldung einer verlangsamten Breitband-Lambdasonde 25 die
Periodendauer 41, 51 bei mehreren aufeinander
folgenden Diagnosezeiträumen über dem vorgegebenen
Maximalwert 60 liegen muss oder dass ein Mittelwert der
bei mehreren aufeinander folgenden Diagnosezeiträumen bestimmten Periodendauern 41, 51 über
dem vorgegebenen Maximalwert 60 liegen muss.
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Es
kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Diagnose der Dynamik der
Breitband-Lambdasonde 25 auf für die Bestimmung
der Periodendauer 41, 51 besonders geeignete Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 1 beschränkt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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