DE102011003095A1 - Verfahren zur Ermittlung der SauerstoffkonzentrationO2 in einer Gasströmung und Sauerstoffsensor zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O2 in einer Gasströmung einer mit einer Motorsteuerung und einem Sauerstoffsensor (15) ausgestatteten Brennkraftmaschine (1), bei dem die Sauerstoffkonzentration O2,sens der Gasströmung in einer keramisch aufgebauten Meßzelle des Sensors (15) mittels eines meßtechnisch erfaßbaren Stroms ISens, der bei konstant angelegtrmittelt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Sauerstoffsensor (15) zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Es soll ein Verfahren der oben genannten Art bereitgestellt werden, das insbesondere eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine ermöglicht. Erreicht wird dies durch ein Verfahren der genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druck pSens an entration O2 mitberücksichtigt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ in einer Gasströmung einer mit einer Motorsteuerung und einem Sauerstoffsensor ausgestatteten Brennkraftmaschine, bei dem die Sauerstoffkonzentration O_2,Sens der Gasströmung in einer keramisch aufgebauten Meßzelle des Sensors mittels eines meßtechnisch erfaßbaren Stroms I_Sens, der bei konstant angelegter und aufrechterhaltener Spannung U_Sens fließt, ermittelt wird.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Sauerstoffsensor zur Durchführung eines Verfahrens der genannten Art.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
• Brennkraftmaschinen werden nach dem Stand der Technik in der Regel mit mindestens einem Sauerstoffsensor ausgestattet, der einlaßseitig im Ansaugsystem bzw. auslaßseitig im Abgasabführsystem angeordnet sein kann. Die Kenntnis der Sauerstoffkonzentration O₂ dient im Rahmen der Steuerung der Brennkraftmaschinen unterschiedlichen Zwecken.
• Ein im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordneter Sensor kann beispielsweise dazu verwendet werden, eine Abgasrückführung zu steuern bzw. zu regeln, d. h. die Rückführrate einzustellen.
• Die Abgasrückführug (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslaßseite auf die Einlaßseite der Brennkraftmaschine, wird insbesondere eingesetzt, um die Stickoxidemissionen zu reduzieren. Mit zunehmender Rückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden.
• Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten x_AGR erforderlich, die in der Größenordnung von bis 70% liegen können.
• Damit der Sensor mit Ladeluft, die neben der Frischluft auch rückgeführtes Abgas enthalten kann, und nicht ausschließlich mit Frischluft beaufschlagt wird, ist der Sensor stromabwärts der Einmündung der Rückführleitung der AGR in die Ansaugleitung anzuordnen.
• Der Sensor erfaßt die Sauerstoffkonzentration O₂ in der Ladeluftströmung, die im Rahmen einer Bilanzierung zur Ermittlung des Anteils F_intake der aus der Verbrennung resultierenden Fraktion an der Ladeluft bzw. zur Ermittlung der Rückführrate x_AGR herangezogen werden kann. Unter Verwendung des Sensors kann somit die Rückführrate x_AGR der AGR eingestellt, d. h. ein vorzugsweise in der Rückführleitung angeordnetes Absperrelement, welches als AGR-Ventil zur Einstellung der Rückführrate dient, betätigt werden.
• Unter bestimmten Voraussetzungen kann auf dieses Weise eine Closed-Loop-Regelung der AGR realisiert werden, wenn beispielsweise nur eine einzige Abgasrückführung vorgesehen ist. Darüber hinaus kann die mittels Sensor erfaßte Sauerstoffkonzentration O₂ bzw. der Anteil F_intake dazu verwendet werden, die Stickoxidkonzentration C_NOx,exhaust im Abgas zu bestimmen, d. h. die Rohemission an Stickoxiden NO_x. Auf einen im Abgasabführsystem angeordneten kostenintensiven NO_x-Sensor zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration C_NOx,exhaust im Abgas bzw. zur Regelung des AGR-Ventils, d. h. zur Regelung der rückgeführten Abgasmenge, kann dabei verzichtet werden.
• Bei einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine, welche mit einer Niederdruck-AGR ausgestattet ist, bei der eine Rückführleitung stromabwärts der Turbine aus der Abgasleitung abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in die Ansaugleitung mündet, wird der Sauerstoffsensor vorzugsweise stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts eines gegebenenfalls vorgesehenen Ladeluftkühlers angeordnet.
• Zum einen stellt die Rückführung von nachbehandeltem Abgas mittels Niederdruck-AGR sicher, dass der Sensor nicht durch im Abgas befindliche Rußpartikel bzw. durch im Abgas befindliches Öl verschmutzt wird. Zum anderen weist die Ladeluft nach der Kompression im Verdichter eine erhöhte Temperatur auf. Letzteres unterstützt den Sensor, der in der Regel mit einer elektrischen Heizung ausgestattet ist, seine Betriebstemperatur zu erreichen und zu halten.
• Neben der Rückführung heißer Abgase sind aber weitere Maßnahmen erforderlich, um die Schadstoffemissionen zu senken. Daher werden Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik mit mehreren Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
• Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) werden Oxidationskatalysatoren im Abgassystem vorgesehen. Sollen zusätzlich Stickoxide (NO_x) reduziert werden, kann dies bei Ottomotoren durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) erfordert.
• Zur Reduzierung der Stickoxide werden entweder selektive Katalysatoren eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern, oder Stickoxidspeicherkatalysatoren, bei denen die Stickoxide zunächst im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, werden, um dann während einer Regenerationsphase bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden.
• Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden.
• Zur Überwachung der vorstehend genannten Abgasnachbehandlungssysteme bzw. zum Überprüfen ihrer Funktionstüchtigkeit kann ein auslaßseitig im Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine angeordneter Sauerstoffsensor verwendet werden bzw. dienlich sein, da in den Nachbehandlungssystemen ablaufende Reaktionen die Sauerstoffkonzentration O₂ im Abgas, d. h. in der vorliegend relevanten Gasströmung, verändern.
• Um das Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine und grundsätzlich den Betrieb der Brennkraftmaschine zu verbessern, ist es erforderlich, eine qualitativ hochwertige Steuerung bzw. Regelung vorzusehen, d. h. die im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssysteme sowie eine die Zusammensetzung der Ladeluft beeinflussende Abgasrückführung möglichst exakt zu steuern bzw. zu regeln.
• Eine qualitativ hochwertige Steuerung bzw. Regelung setzt voraus, dass die von den Sensoren gelieferten Signale möglichst genau sind, insbesondere die vom Sauerstoffsensor erfaßte Sauerstoffkonzentration bzw. die der Motorsteuerung zur weiteren Verwendung bereitgestellte Sauerstoffkonzentration einen möglichst geringen Fehler aufweist.
• Zwischen den – ähnlich den Platten eines Kondensators – beabstandet zueinander angeordneten freien Enden der Meßzelle wird eine konstante Spannung U_Sens angelegt und aufrechterhalten, wobei der von den Sauerstoffmolekülen generierte und zwischen den freien Enden fließende Strom I_Sens meßtechnisch erfaßt wird (siehe 1a). Das dem Sensor zugrunde liegende Meßprinzip zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ beruht darauf, dass die Sauerstoffkonzentration O₂ in der Gasströmung proportional zu dem meßtechnisch erfaßten Strom I_Sens ist.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Sauerstoffsensoren verfügen über eine keramisch aufgebaute Meßzelle, in welche die die Meßzelle umströmende Gasströmung über eine Diffusionspassage eintritt. In der Meßzelle ist eine Sauerstoffpumpe angeordnet, die sich über einen elektrischen Pumpenstrom I_Sens regeln läßt. Über die Klemmen der Pumpe wird eine konstante Spannung U_Sens durch die Regelung des Pumpenstroms I_Sens aufrechterhalten. Bleibt die Spannung U_Sens konstant, hat sich ein Gleichgewicht zwischen der Sauerstoffzufuhr via Diffusionspassage und der Sauerstoffabfuhr via Sauerstoffpumpe eingestellt, wobei sich die Sauerstoffkonzentration anhand des dafür erforderlichen Pumpenstroms I_Sens, der meßtechnisch erfaßt wird, ermitteln läßt (siehe 1a). Das dem Sensor zugrunde liegende Meßprinzip zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ beruht darauf, dass die Sauerstoffkonzentration O₂ in der Gasströmung nahezu proportional zu dem meßtechnisch erfaßten Strom I_Sens ist.
• Wie 1b zu entnehmen ist, besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration O_2,sens und dem meßtechnisch erfaßten Strom I_Sens. Es gilt: O_2,sens = f(I_Sens) 1b zeigt in einem Diagramm den funktionalen Zusammenhang, wobei der Sensorstrom I_Sens in [mA] auf der Abszisse und die Sauerstoffkonzentration O_2,sens in [Vol%] auf der Ordinate aufgetragen sind.
• Da sich einerseits die Größe des Sensorstroms I_Sens aus der Anzahl der als Ladungsträger fungierenden Sauerstoffmoleküle pro Zeiteinheit bemißt und andererseits die Sauerstoffkonzentration O_2,sens gemäß 1b in [Vol%] aufgetragen ist, ändert sich die Steigung der in 1b dargestellten linearen Funktion f(I_Sens), wenn sich die Dichte in der Gasströmung, d. h. der Druck p_Sens an der Meßzelle ändert.
• Den Einfluß des Drucks auf die vom Sensor gelieferte Sauerstoffkonzentration O_2,sens berücksichtigen die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht. Vielmehr wird der funktionale Zusammenhang O_2,sens = f(I_Sens) für einen einzigen konkreten Druck p₀ ermittelt und in der Motorsteuerung zur weiteren Verwendung hinterlegt.
• Liegt dann tatsächlich ein höherer Druck p_Sens in der Meßzelle an als der Druck p₀, der dem funktionalen Zusammenhang f(I_Sens) zugrunde gelegt wurde, d. h. p_Sens > p₀, liefert der Sensor eine zu hohe Sauerstoffkonzentration O_2,sens in [Vol%]. Gilt hingegen p_Sens < p₀, liefert der Sensor eine zu geringe Sauerstoffkonzentration O_2,sens, d. h. eine Sauerstoffkonzentration, die niedriger ist als die tatsächlich in der Gasströmung vorliegende Sauerstoffkonzentration O_2,tat.
• Eine fehlerhaft ermittelte Sauerstoffkonzentration O₂ wirkt sich nachteilig auf die Qualität der Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine aus, d. h. auf die Qualität der Steuerung bzw. Regelung der Abgasnachbehandlungssysteme und der Abgasrückführung und damit auf das Emissionsverhalten.
• Insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen die Druckverhältnisse stärker variieren können, macht es sich negativ bemerkbar, dass der Einfluß des Drucks auf die vom Sensor gelieferte Sauerstoffkonzentration O₂ nicht berücksichtigt wird.
• Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und das insbesondere eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine ermöglicht.
• Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sauerstoffsensor zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
• Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ in einer Gasströmung einer mit einer Motorsteuerung und einem Sauerstoffsensor ausgestatteten Brennkraftmaschine, bei dem die Sauerstoffkonzentration O_2,sens der Gasströmung in einer keramisch aufgebauten Meßzelle des Sensors mittels eines meßtechnisch erfaßbaren Stroms I_Sens, der bei konstant angelegter und aufrechterhaltener Spannung U_Sens fließt, ermittelt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druck p_Sens an der Meßzelle bei der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ mitberücksichtigt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt, dass der Druck p_Sens in der Gasströmung und damit in der Meßzelle des Sensors variiert und Einfluß hat auf die vom Sensor gelieferte Sauerstoffkonzentration O_2,sens. Dies ermöglicht eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine, wodurch die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird.
• Die Berücksichtigung des in der Gasströmung vorherrschenden Drucks kann dabei auf ganz unterschiedliche Weise erfolgen.
• So können beispielsweise für eine Vielzahl unterschiedlicher Drücke p_Sens,i unterschiedliche Funktionen O_2,sens = f_i(I_Sens) in der Motorsteuerung hinterlegt und verwendet werden. Zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ wird dann in einem ersten Verfahrensschritt der Druck in der Gasströmung ermittelt. Dies kann rechnerisch erfolgen oder aber ebenfalls meßtechnisch mittels Sensor. Als Eingangssignale für die Motorsteuerung dient dann neben dem meßtechnisch erfaßten Sensorstrom I_Sens auch der Druck p_Sens an der Meßzelle, wobei zunächst die zu dem momentan vorherrschenden Druck p_Sens,i korrespondierende Funktion f_i(I_Sens) ermittelt wird und daran anschließend unter Verwendung dieser Funktion und des momentanen Stroms I_Sens die Sauerstoffkonzentration O_2,sens ausgelesen wird. Die Funktion kann bzw. die Funktionen f_i(I_Sens) können als Tabelle bzw. look-up table in der Motorsteuerung hinterlegt werden.
• Andere vorteilhafte Verfahrensvarianten zur Berücksichtigung des in der Gasströmung vorherrschenden Drucks werden in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. in Zusammenhang mit den Unteransprüchen, erörtert.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Druck p_Sens mittels Sensor meßtechnisch erfaßt wird.
• Eine Vielzahl von Brennkraftmaschinen ist bereits mit mindestens einem Drucksensor ausgestattet. So verfügen aufgeladene Brennkraftmaschinen in der Regel über einen Drucksensor zur Erfassung des Ladedrucks, d. h. des Drucks in der Ladeluftströmung stromabwärts einer einstufigen bzw. zweistufigen Kompression mittels Verdichter. Da man auch den Sauerstoffsensor bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine aufgrund des höheren Temperaturniveaus vorzugsweise stromabwärts des Verdichters anordnet, würde der Ladedrucksensor mit dem Ladedruck gleichzeitig den Druck p_Sens liefern, der an der Meßzelle des Sauerstoffsensors herrscht, so dass im Rahmen des. erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Drucks auf bereits vorhandene Sensoren zurück gegriffen werden kann und keine zusätzlichen Sensoren vorgesehen werden müssen.
• Nicht nur im Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine, sondern auch im Abgasabführsystem werden nach dem Stand der Technik bereits Drucksensoren eingesetzt.
• So wird als Kriterium für die Einleitung der Regeneration eines Partikelfilters häufig der stromaufwärts des Filters vorliegende Abgasgegendruck, der mit anwachsender Partikelmasse im Filter zunimmt, herangezogen, d. h. der Druck in der Gasströmung stromaufwärts des Filters. Dieser Abgasgegendruck würde auch an einem stromaufwärts des Filters vorgesehenen Sauerstoffsensor anliegen, so dass der Abgasgegendruck den an der Meßzelle des Sensors anliegenden Druck p_Sens abbildet, d. h. darstellt.
• Nichtsdestotrotz sind auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen der Druck p_Sens mittels Modell rechnerisch bestimmt wird. Es können auch mehrere Rechenmodelle verwendet werden. Ausgehend von dem zumindest näherungsweise bekannten Umgebungsdruck, der am Eintritt des Ansaugsystems bzw. am Austritt aus dem Abgasabführsystem vorliegt, kann der Druck mittels Simulation nahezu an jeder beliebigen Stelle des Leitungssystems einer Brennkraftmaschine berechnet, d. h. abgeschätzt werden.
• Die rechnerische Bestimmung kann auch mit einer meßtechnischen Erfassung des Drucks kombiniert werden, d. h. von einem mittels Drucksensor erfaßten Druck ausgehen. Liegt beispielsweise bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ein mittels Sensor meßtechnisch erfaßter Ladedruck vor, kann ausgehend von diesem Druck mittels Simulationsrechnung auf den Druck stromaufwärts des Verdichters geschlossen werden, der für einen stromaufwärts des Verdichters angeordneten Sauerstoffsensor dann den Druck p_Sens an der Meßzelle darstellt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine Variation der Sensitivität des Sensors bei der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ mitberücksichtigt wird.
• Die Sensitivität von Sauerstoffsensoren schwankt und zwar zum einen aufgrund von fertigungstechnisch bedingten Toleranzen von Sensor zu Sensor, d. h. die Sensoren haben schon von Hause aus eine unterschiedliche Sensitivität, und zum anderen auch bei einem einzelnen Sensor infolge des Betriebs bzw. infolge der äußeren Einflüsse, denen der Sensor während des Betriebs ausgesetzt ist. In diesem Zusammenhang spielt auch die Verschmutzung des Sensors durch Abgasbestandteile und die thermische Alterung des Sensors infolge thermischer Beanspruchung eine Rolle.
• Die Unterschiede in der originären Sensitivität bzw. die mit dem Betrieb des Sensors auftretenden Änderungen in der Sensitivität können bei der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ mitberücksichtigt, d. h. kompensiert werden.
• Diesbezüglich sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen eine korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor ermittelt wird unter Verwendung der Gleichung O_2,cor = f(I_Sens)·f(p_Sens)·C_adap, wobei C_adap ein dimensionsloser Faktor ist, mit dem die Variation der Sensitivität des Sensors kompensiert wird. Die Funktion f(p_Sens) dient der Kompensation von Druckänderungen, d. h. der Berücksichtigung eines sich ändernden Drucks p_Sens in der Gasströmung.
• An dieser Stelle sei angemerkt, dass die allgemeine Bezeichnung ”Sauerstoffkonzentration O₂” einen Sammelbegriff darstellt, unter den die verschiedenen spezifischen Sauerstoffkonzentrationen subsumiert werden, nämlich die vom Sensor gelieferte Sauerstoffkonzentration O_2,sens sowie die korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor.
• In Zusammenhang mit der in Rede stehenden Ausführungsform sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor ermittelt wird unter Verwendung der Gleichung

  

  wobei p₀ ein vorgebbarer Referenzdruck, O_2,sens die vom Sensor als Ausgangssignal bereitgestellte Sauerstoffkonzentration und K_p ein Druckfaktor ist, mit dem eine Abweichung des Drucks p_Sens vom Referenzdruck p₀ kompensiert wird.
• Die vom Sensor als Ausgangssignal gelieferte Sauerstoffkonzentration O_2,sens ist prinzipbedingt fehlerbehaftet, da diese weder Änderungen in der Sensitivität noch Variationen im Druck berücksichtigt.
• Als Korrektiv dient neben dem Faktor C_adap, der bereits erläutert wurde, die Funktion

  
• Die Funktion f(p_Sens) dient der Kompensation von Druckänderungen, d. h. der Berücksichtigung eines sich ändernden Drucks p_Sens in der Gasströmung. Als Referenzdruck p₀ dient vorzugsweise – aber nicht zwingend – der Umgebungsdruck p_atm. Da der Druck in der Gasströmung p_Sens rechnerisch ermittelt bzw. meßtechnisch erfaßt wird, stellt der Faktor K_p die einzige Unbekannte in der Funktion f(p_Sens) dar. Entspricht der Druck p_Sens in der Gasströmung dem Referenzdruck p₀, für den die Funktion f(I_Sens) ermittelt wurde, ist eine Kompensation im Hinblick auf eine Druckabweichung nicht erforderlich. Folgerichtig nimmt die Funktion f(p_Sens) den Wert 1 an. Es gilt: f(p_Sens = p₀) = 1.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Faktoren C_adap und K_p im Rahmen einer Kalibrierung mittels Motorsteuerung bestimmt werden. Im Rahmen der Kalibrierung wird eine Iteration durchgeführt, die eine vorgebbare Anzahl n an Iterationsschritten umfassen kann, beispielsweise n = 10, wobei die Startwerte für die Faktoren C_adap und K_p vorgegeben werden können.
• Da der Faktor C_adap auch die Unterschiede in der originären Sensitivität berücksichtigt, ist dieser Faktor auch ein Qualitätsmerkmal für neue, d. h. vor dem erstmaligen Betrieb stehende Sensoren. Insofern kann es sinnvoll sein, für den Faktor C_adap einen Wertebereich vorzugeben, innerhalb dessen der Faktor liegen muß, beispielsweise 0,95 < C_adap < 1,05 bzw. 0,9 < C_adap < 1,1. Für die Iteration wird dann ein Startwert gewählt, der ebenfalls innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt.
• Für den Druckfaktor K_p kann ebenfalls ein Wertebereich vorgeben werden, innerhalb dessen der Faktor K_p liegen soll, beispielsweise 1,1 < K_p < 1,7 bzw. 1,2 < K_p < 1,6.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Kalibrierung in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, in welchem die korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor in der Gasströmung bekannt ist.
• Um die Kalibrierung bzw. Iteration unter Verwendung der Gleichung (1) durchführen zu können, ist die Kenntnis der korrigierten, d. h. der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration O_2,car erforderlich. Insofern ist es vorteilhaft, die Kalibrierung in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine durchzuführen, in welchem die korrigierte, d. h. die tatsächliche Sauerstoffkonzentration O_2,cor in der Gasströmung bekannt ist. Dann umfaßt die Gleichung (1) nur zwei Unbekannte, nämlich die Faktoren C_adap und K_p.
• Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Kalibrierung durchgeführt wird, wenn die Sauerstoffkonzentration O₂ bzw. O_2,cor in der Gasströmung der Sauerstoffkonzentration O_2,atm in der Umgebungsluft entspricht, d. h. wenn bei trockener Umgebungsluft gilt: O_2,car = O_2,arm ≈ 21%.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Kalibrierung im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Während des Schubbetriebs wird die Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine grundsätzlich deaktiviert, so dass nur Frischluft gefördert bzw. angesaugt wird und die Zylinder sowie das Ansaugsystem bzw. Abgasabführsystem durchströmt. Folglich entspricht die Sauerstoffkonzentration in der aus Frischluft bestehenden Gasströmung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft. Bei trockener Umgebungsluft gilt: O_2,cor = O2,atm ≈ 21%.
• Nach einigen Arbeitsspielen sind die Gas führenden Leitungen ausreichend mit Frischluft gespült und zwar auch die Leitungen des Abgasabführsystems sowie die Leitungen einer gegebenenfalls nicht deaktivierten Abgasrückführung, so dass sichergestellt ist, dass sich an jeder Stelle des Ansaug- und Abgasabführsystems Frischluft befindet. Infolgedessen entspricht die Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffsensor in jedem Fall derjenigen in der Umgebungsluft, unabhängig davon an welcher Stelle der Sensor angeordnet ist.
• Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Kalibrierung n Arbeitsspiele, nachdem die Brennkraftmaschine in den Schubbetrieb überführt wurde, durchgeführt wird.
• Wie bereits erwähnt, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen zur Durchführung der Kalibrierung für die Faktoren C_adap und K_p Wertebereiche vorgegeben werden, innerhalb derer die Faktoren zu liegen haben. Die vorliegende Ausführungsform legt fest, dass nicht nur die Startwerte der beiden Faktoren in den vorgegebenen Bereichen liegen müssen, sondern vielmehr sämtliche Werte der Faktoren während der Kalibrierung bzw. Iteration.
• Die zweite der Erfindung, zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich einen Sauerstoffsensor zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch einen Sauerstoffsensor, bei dem der meßtechnisch erfaßte Strom I_Sens, der bei konstanter Spannung U_Sens in der keramisch aufgebauten Meßzelle des Sensors fließt, dazu dient, die Sauerstoffkonzentration O₂ einer Gasströmung der Brennkraftmaschine mittels Motorsteuerung zu ermitteln, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Element zur meßtechnischen Erfassung des Drucks p_Sens an der Meßzelle des Sensors vorgesehen ist.
• Das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Gesagte gilt ebenfalls für den erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor.
• Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Druck p_Sens in der Gasströmung bei der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ berücksichtigt werden soll, ist es überaus vorteilhaft den Druck genau an der Stelle zu bestimmen, an der auch die Sauerstoffkonzentration ermittelt wird, nämlich an bzw. in der Meßzelle des Sensors.
• Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Sensor weitere Vorteile. Die integrale Ausbildung des Sauerstoff- und Drucksensors in einem gemeinsamen Bauteil, d. h. Meßfühler, senkt beispielsweise die Montagekosten, da statt zwei Sensoren nur ein einziger Sensor einzubauen ist, und damit auch die Bereitstellungskosten. Der Raumbedarf für die Sensoren zur Erfassung der Drucks p_Sens und der Sauerstoffkonzentration O₂ wird ebenfalls verringert.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Sensors, bei denen ein Element zur meßtechnischen Erfassung der Temperatur T_Sens an der Meßzelle des Sensors vorgesehen ist.
• Ähnlich wie der Druck p_Sens hat auch die Temperatur T_Sens Einfluß auf die Dichte in der Gasströmung. Die Erfassung der Temperatur trägt somit zur Steigerung der Qualität der ermittelten Sauerstoffkonzentration bei.
• Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die im Ansaugsystem mit einem Verdichter eines Abgasturboladers und einem stromabwärts des Verdichters angeordneten Ladeluftkühler ausgestattet sind, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Sauerstoffsensor zwischen dem Verdichter und dem Ladeluftkühler angeordnet ist.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1a, 1b, 2 und 3 näher beschrieben.
• Hierbei zeigt:
• 1a schematisch den Aufbau eines Sauerstoffsensors,
• 1b in einem Diagramm den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Sensorstrom I_Sens und der Sauerstoffkonzentration O_2,sens,
• 2 schematisch eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit Sensor, und
• 3 in Gestalt eines Flußdiagramms eine Variante des Verfahrens zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂.
• Die 1a und 1b wurden bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
• 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 1 mit Sensor 15, die über mindestens einen Zylinder 2 verfügt.
• Jeder Zylinder 2 weist mindestens eine Einlaßöffnung auf und wird über ein auf der Einlaßseite 5a vorgesehenes Ansaugsystem 3 mit Ladeluft versorgt. Das Ansaugsystem 3 umfaßt neben einer Ansaugleitung 4 auch einen Einlaßkrümmer 6, der zu den Einlaßöffnungen der Zylinder 2 führt. Zum Abführen der Abgase weist jeder Zylinder 2 mindestens eine Auslaßöffnung auf, an die sich eine Abgasleitung 7 anschließt.
• Die in 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 wird mittels Abgasturboauflader 8 aufgeladen und ist zudem mit einer Abgasrückführung 9, 12 ausgestattet. Der Lader 8 verfügt über eine in der Abgasleitung 7 angeordnete Turbine 8b und einen in der Ansaugleitung 4 angeordneten Verdichter 8a. Zur Ausbildung einer Niederdruck-AGR 9 ist eine Rückführleitung 9a vorgesehen, die stromabwärts der Turbine 8b aus der Abgasleitung 7 abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 8a in die Ansaugleitung 4 mündet und in der ein Kühler 9b angeordnet ist, der die Temperatur im heißen Abgasstrom senkt bevor das Abgas sich stromaufwärts des Verdichters 8a mit Frischluft mischt, die via Ansaugleitung 4 über einen Luftfilter 3a angesaugt wird. In der Rückführleitung 9a ist des Weiteren ein als Niederdruck-AGR-Ventil 9d fungierendes Absperrelement 9d angeordnet, das der Einstellung der mittels Niederdruck-AGR 9 rückgeführten Abgasmenge dient. Die Niederdruck-AGR 9 verfügt über eine Bypaßleitung 9c zur Überbrückung des Kühlers 9b.
• Stromaufwärts der Abzweigung der Rückführleitung 9a sind zwei Abgasnachbehandlungssysteme 14 in der Abgasleitung 7 angeordnet, nämlich ein Oxidationskatalysator 14a und ein Partikelfilter 14b, die sicherstellen, dass via Niederdruck-AGR 9 nur nachbehandeltes Abgas in das Ansaugsystem 3 gelangt.
• Da die Rückführung von Abgas aus der Abgasleitung 7 in die Ansaugleitung 4 eine Druckdifferenz, d. h. ein Druckgefälle, erfordert, ist ein System 11 zur Einstellung des Abgasgegendrucks vorgesehen. Eine in der Abgasleitung 7 angeordnete Drossel 13 wird mit einer Umgehungsleitung 11a ausgestattet. Durch geeignetes Verstellen der Drossel 13 sowie eines in der Umgehungsleitung 11a vorgesehenen Absperrelementes 11b läßt sich der Abgasgegendruck stromaufwärts der Drossel 13 variieren und steuern.
• Das mittels Niederdruck-AGR 9 in die Ansaugleitung 4 eingebrachte Abgas wird mit Frischluft gemischt. Die so gebildete Ladeluft wird dem Verdichter 8a zugeführt und verdichtet. Stromabwärts des Verdichters 8a wird die komprimierte Ladeluft dann in einem in der Ansaugleitung 4 vorgesehenen Ladeluftkühler 10 gekühlt.
• Der Ladeluftkühler 10 befindet sich oberhalb der mindestens einen Einlaßöffnung des mindestens einen Zylinders 2. Die geodätische Höhe im Ansaugsystem 3 nimmt in Strömungsrichtung ausgehend vom Eintritt 10a in den Ladeluftkühler 10 bis hin zum Zylinder 2 ab, so dass in Strömungsrichtung ein durchgehendes Gefälle vorliegt. Erreicht wird dies auch dadurch, dass der Eintritt 10a in den Ladeluftkühler 10 geodätisch höher liegt als der Austritt 10b aus dem Ladeluftkühler 10. Eine Ansammlung und eine schlagartige Einbringung von Kondensat, insbesondere auskondensiertem Wasser, werden dadurch vermieden.
• Um sehr hohe Rückführraten erzeugen zu können, ist eine zusätzliche Abgasrückführung 12 vorgesehen. Zur Ausbildung dieser Hochdruck-AGR 12 ist eine Leitung 12a vorgesehen, die stromaufwärts der Turbine 8b aus der Abgasleitung 7 abzweigt und stromabwärts des Ladeluftkühlers 10 in das Ansaugsystem 3 mündet. Zur Einstellung der via Hochdruck-AGR 12 rückgeführten Abgasmenge ist in der Leitung 12a ein als Hochdruck-AGR-Ventil 12b dienendes Absperrelement 12b angeordnet.
• Stromabwärts der Einmündung der Rückführleitung 9a in die Ansaugleitung 4 ist ein Sensor 15 zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration O_2,Sens in der Ladeluft vorgesehen. Der Sensor 15 ist stromabwärts des Verdichters 8a zwischen Verdichter 8a und Ladeluftkühler 10 angeordnet, so dass nur das mittels Niederdruck-AGR 9 rückgeführte Abgas den Sensor 15 passiert.
• Beim Durchströmen des Verdichters 8a wird die aus Frischluft und Abgas gemischte Ladeluft homogenisiert, was die Qualität der Messung verbessert, da die mittels Sensor 15 erfaßte Konzentration O₂ als repräsentativ für die Ladeluftströmung angesehen werden kann.
• Die Temperatur der Ladeluft stromabwärts des Verdichters 8a ist infolge Kompression erhöht, was dem Auskondensieren von Wasser entgegen wirkt und den Sensor 15 beim Erreichen der Betriebstemperatur unterstützt.
• Wenn die Abgasrückführung 9, 12 ausschließlich via Niederdruck-AGR 9 erfolgt, d. h. die Hochdruck-AGR 12 deaktiviert ist, kann die Niederdruck-AGR 9 mittels Closed-Loop-Regelung betrieben werden.
• Die mittels Sensor 15 erfaßte Sauerstoffkonzentration O_2,Sens ermöglicht die Ermittlung des Anteils F_intake der aus der Verbrennung resultierenden Fraktion in der Ladeluft bzw. die Ermittlung der Rückführrate x_AGR. Unter Verwendung des Sensors 15 kann somit die Rückführrate x_AGR der Niederdruck-AGR 9 eingestellt, d. h. das in der Rückführleitung 9a angeordnete Absperrelement 9d zur Einstellung der Rückführrate betätigt werden. Die Stickoxidkonzentration C_NOx,exhaust im Abgas kann ebenfalls anhand der Sauerstoffkonzentration bestimmt werden.
• 3 zeigt schematisch in Gestalt eines Flußdiagramms eine Variante des Verfahrens zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ in grob vereinfachter Form.
• Zunächst wird überprüft, ob die Randbedingungen für die Kalibrierung des Sensors vorliegen. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren abgebrochen. Sind die Randbedingungen hingegen gegeben, wird zunächst der Druck p_Sens in der Gasströmung, d. h. an der Meßzelle, ermittelt, rechnerisch oder aber meßtechnisch mittels Sensor.
• Im weiteren Verlauf des Verfahrens werden die Faktoren C_adap und K_p bestimmt. Hierzu wird eine Iteration durchgeführt, die n Iterationsschritte umfaßt. Zu Beginn der Iteration werden für die Faktoren C_adap und K_p Startwerte vorgegeben. Beide Faktoren müssen während der Kalibrierung bzw. Iteration innerhalb vorgegebener Wertebereiche liegen. Verläßt einer der beiden Faktoren den vorgegebenen Wertebereich, werden die Iteration und damit die Kalibrierung abgebrochen.
• Es kann auch vorkommen, dass die Brennkraftmaschine nicht lange genug in dem für die Kalibrierung erforderlichen Modus betrieben wird, beispielsweise im Schubbetrieb. Dann reicht die zur Verfügung stehende Zeit unter Umständen nicht aus, um die n Iterationsschritte durchzuführen, weshalb in einem gesonderten Verfahrensschritt zu überprüfen ist, ob genügend Daten während der Iteration generiert wurden, um den Sensor zu kalibrieren. Ist dies nicht der Fall, kann der Sensor mit dem Faktor C_adap immer noch hinsichtlich der Sensitivität kalibriert werden, wobei der Einfluß des Drucks – wie im Stand der Technik – unberücksichtigt bleibt.
• Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird dann unter Verwendung der Gleichung

  

  die Sauerstoffkonzentration O_2,cor ermittelt. Ein Referenzdruck p₀ ist in der Motorsteuerung hinterlegt. Der Sauerstoffsensor liefert die Sauerstoffkonzentration O_2,sens in der Gasströmung.
• Bezugszeichenliste

1

aufgeladene Brennkraftmaschine

2

Zylinder

3

Ansaugsystem

3a

Luftfilter

4

Ansaugleitung

5a

Einlaßseite

5b

Auslaßseite

6

Einlaßkrümmer

7

Abgasleitung

8

Abgasturbolader

8a

Verdichter

8b

Turbine

9

Niederdruck-AGR, Abgasrückführung

9a

Rückführleitung

9b

zweiter Kühler

9c

Bypaßleitung

9d

Absperrelement, Niederdruck-AGR-Ventil

10

Ladeluftkühler

10a

Eintritt in den Ladeluftkühler

10b

Austritt aus dem Ladeluftkühler

11

System zur Einstellung des Abgasgegendrucks

11a

Umgehungsleitung

11b

Absperrelement

12

zusätzliche Abgasrückführung, Hochdruck-AGR

12a

Leitung

12b

Absperrelement, Hochdruck-AGR-Ventil

13

Drossel

14

Abgasnachbehandlungssystem

14a

Oxidationskatalysator

14b

Partikelfilter

15

Sensor, Sauerstoffsensor

AGR

Abgasrückführung

C_adap

dimensionsloser Faktor zur Kompensation einer Änderung der Sensorsensitivität

C_Nox,exhaust

Stickoxidkonzentration im Abgas

F_intake

Anteil der aus der Verbrennung resultierenden Fraktion in der Ladeluft

K_p

Druckfaktor zur Kompensation einer Druckabweichung

m_AGR

Masse an zurückgeführtem Abgas

m_Frischluft

Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft

n

Anzahl der Arbeitsspiele

O₂

Sauerstoffkonzentration in der Gasströmung

O_2,atm

Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre, d. h. in der Umgebung

O_2,cor

korrigierte Sauerstoffkonzentration, tatsächliche Sauerstoffkonzentration

O_2,sens

vom Sensor gelieferte Sauerstoffkonzentration

I_Sens

in der Meßzelle des Sensors meßtechnisch erfaßter Strom

U_Sens

in der Meßzelle des Sensors angelegte Spannung

p_Sens

Druck an bzw. in der Meßzelle

p₀

Referenzdruck

T_Sens

Temperatur an der Meßzelle

x_AGR

Abgasrückführrate

Claims (15)

1. Verfahren zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ in einer Gasströmung einer mit einer Motorsteuerung und einem Sauerstoffsensor (15) ausgestatteten Brennkraftmaschine (1), bei dem die Sauerstoffkonzentration O_2,sens der Gasströmung in einer keramisch aufgebauten Meßzelle des Sensors (15) mittels eines meßtechnisch erfaßbaren Stroms I_Sens, der bei konstant angelegter und aufrechterhaltener Spannung U_Sens fließt, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p_Sens an der Meßzelle bei der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ mitberücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p_Sens mittels Sensor meßtechnisch erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p_Sens mittels Modell rechnerisch bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation der Sensitivität des Sensors (15) bei der Ermittlung der Sauerstoffkonzentration O₂ mitberücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor ermittelt wird unter Verwendung der Gleichung O_2,cor = f(I_Sens)·f(p_Sens)·C_adap, wobei C_adap ein dimensionsloser Faktor ist, mit dem die Variation der Sensitivität des Sensors (15) kompensiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor ermittelt wird unter Verwendung der Gleichung

   

   wobei p₀ ein vorgebbarer Referenzdruck, O_2,sens die vom Sensor (15) als Ausgangssignal bereitgestellte Sauerstoffkonzentration und K_p ein Druckfaktor ist, mit dem eine Abweichung des Druck p_Sens vom Referenzdruck p₀ kompensiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faktoren C_adap und K_p im Rahmen einer Kalibrierung mittels Motorsteuerung bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird, in welchem die korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor in der Gasströmung bekannt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung durchgeführt wird, wenn die korrigierte Sauerstoffkonzentration O_2,cor in der Gasströmung der Sauerstoffkonzentration O_2,atm in der Umgebungsluft entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung n Arbeitsspiele, nachdem die Brennkraftmaschine (1) in den Schubbetrieb überführt wurde, durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der Kalibrierung für die Faktoren C_adap und K_p Wertebereiche vorgegeben werden, innerhalb derer die Faktoren zu liegen haben.
13. Sauerstoffsensor (15) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem der meßtechnisch erfaßte Strom I_Sens, der bei konstanter Spannung U_Sens in der keramisch aufgebauten Meßzelle des Sensors (15) fließt, dazu dient, die Sauerstoffkonzentration O₂ einer Gasströmung der Brennkraftmaschine (1) mittels Motorsteuerung zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element zur meßtechnischen Erfassung des Drucks p_Sens an der Meßzelle des Sensors (15) vorgesehen ist.
14. Sauerstoffsensor (15) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element zur meßtechnischen Erfassung der Temperatur T_Sens an der Meßzelle des Sensors (15) vorgesehen ist.
15. Sauerstoffsensor (15) nach Anspruch 13 oder 14, der in einem Ansaugsystem (3) einer Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist, die im Ansaugsystem (3) mit einem Verdichter (8a) eines Abgasturboladers (8) und einem stromabwärts des Verdichters (8a) angeordneten Ladeluftkühler (10) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) zwischen dem Verdichter (8a) und dem Ladeluftkühler (10) angeordnet ist.

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