DE102011077353B4

DE102011077353B4 - Kompensation einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzellen-Lambdasonde basierend auf einem gemessenen Gleichstromwiderstand

Info

Publication number: DE102011077353B4
Application number: DE201110077353
Authority: DE
Inventors: Jens Paggel; Sirko Schlegel; Martin Götzenberger; Wolfgang Eisenmann
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-06-11
Also published as: DE102011077353A1

Abstract

Verfahren zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Lambdasonde, insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Einzellen-Lambdasonde, das Verfahren aufweisend
– Bestimmen eines Gleichstromwiderstandes (Ri) der Lambdasonde basierend auf
– dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden negativen Pumpstroms (Ip) und
einem entsprechenden Wert einer an der Lambdasonde abfallenden negativen Pumpspannung (Vp), und
– dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden weiteren negativen Pumpstroms (Ip) und
eines entsprechenden Wertes einer an der Lambdasonde abfallenden weiteren negativen Pumpspannung (Vp),
– Kompensieren der Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) der Lambdasonde basierend auf dem bestimmten Gleichstromwiderstand.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Regelung von Luft-zu-Kraftstoff Verhältnissen eines Abgases einer Brennkraftmaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzellen-Lambdasonde. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Regeln des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses eines Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei das genannte Verfahren zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde durchgeführt wird. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde.
Eine Lambdasonde ist ein Sensor, der in einem Verbrennungsabgas einer Brennkraftmaschine den Gehalt an restlichem Sauerstoff misst, um daraus für weitere Verbrennungsprozesse ein für eine optimale Verbrennung geeignetes Verhältnis von Luft zu Kraftstoff einstellen zu können, so dass weder ein Kraftstoff- noch ein Luftüberschuss auftritt. Eine Lambdasonde stellt im Regelkreis einer sog. Lambdaregelung zur katalytischen Abgasreinigung den Hauptsensor dar. Für Lambdasonden werden derzeit je nach speziellem Anwendungsfall zwei unterschiedliche Messprinzipien verwendet.
Bei einer sog. Widerstandssonde wird der elektrische Widerstand in einem halbleitenden Material gemessen, welches Sauerstofffehlstellen aufweist, die als Ladungsträgerdonatoren wirken. Umgebender Sauerstoff besetzt diese Fehlstellen, so dass im Ergebnis die Zahl der freien Ladungsträger reduziert und der Widerstand erhöht wird.
Bei einer sog. Nernstsonde wird die Eigenschaft von Zirconiumdioxid ausgenutzt bei hoher Temperatur von ca. 650°C Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können, wodurch eine (Nernst-)Spannung entsteht. Bei einer Nernstsonde wird eine Seite der Zirconiumdioxid-Membran dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt. Bei einer sog. Zweizellen-Nernstsonde wird als Referenz die Umgebungsluft verwendet. Bei einer sog. Einzellen-Nernstsonde wird kein separates Referenzgas wie z. B. Umgebungsluft benötigt. Die Sauerstoffreferenz wird hier eigenständig im Sensor durch einen sog. Pumpstrom hergestellt, wobei die Zirconiumdioxid-Membran als Sauerstoffpumpe genutzt wird. Auf diese Weise kann in einem versiegelten Bereich der Einzellen-Nernstsonde, welche nachfolgend auch als Einzellen-Lambdasonde oder einfach als Lambdasonde bezeichnet wird, eine praktisch sauerstofffreie Referenz erzeugt werden.
Lambdasonden lassen sich ferner in sogenannte Sprung-Lambdasonden und Breitband-Lambdasonden unterteilen. Eine Sprung-Lambdasonde weist lediglich für eine Luftzahl des Abgases, die im Bereich von Lambda = 1 liegt, eine hohe Empfindlichkeit auf. Eine Breitband-Lambdasonde weist auch außerhalb des um den Wert Lambda = 1 liegenden Bereichs der Luftzahl eine relativ hohe Empfindlichkeit auf. Breitband-Lambdasonden können wiederum als Einzellen-Breitband-Lambdasonden oder als Zweizellen-Breitband-Lambdasonden ausgebildet sein.
Einzellen-Breitband-Lambdasonden sind sog. Grenzstromsonden, welche mittels einer Stromquelle oder einer Spannungsquelle betrieben werden können. Bei dem Betrieb mittels einer Spannungsquelle ist der Grenzstrom das eigentliche Messsignal. Bei dem Betrieb mittels einer Stromquelle wird zur Abgasregelung eine an der Lambdasonde anliegende Spannung gemessen. Beide Verfahren sind abgesehen von ihrer elektrischen Ansteuerung und Auswertung äquivalent.
Bei dem Betrieb mittels einer Stromquelle sollte der Gleichstromwiderstand der Lambdasonde bekannt sein. Bei einer Kenntnis des Gleichstromwiderstandes, welcher sich beispielsweise mit der Lebensdauer der Lambdasonde ändert, kann nämlich der korrekte Arbeitspunkt der (Abgas)Regelung berechnet und eine genaue und stabile Bestimmung realisiert werden.
4 zeigt ein Diagramm 400, welches die Verschiebung des stabilen Arbeitspunkts in Abhängigkeit des Gleichstromwiderstandes illustriert. In dem Diagramm 400 ist auf der Abszisse die an der Einzellen-Breitband-Lambdasonde anliegende Spannung (Pumpspannung) Vp aufgetragen, welche erforderlich ist, um in der Sonde eine sauerstofffreie Referenz zu erzeugen. Auf der Ordinate ist der entsprechende Pumpstrom Ip aufgetragen. Der Gleichstromwiderstand ist in dem Diagramm mit Ri bezeichnet. Wie aus dem Diagramm 400 ersichtlich, hängt die Pumpstrom-Pumpspannungskennlinie von dem Lambda-Wert bzw. dem Verhältnis von Luft-zu-Brennstoff (Air to Fuel Ratio, AFR) ab. Bei einem extrem mageren Gemisch mit ausschließlich Luft ergibt sich die mit dem Bezugszeichen 452 gekennzeichnete Kennlinie. Bei einem AFR von 18 ergibt sich die mit dem Bezugszeichen 454 gekennzeichnete Kennlinie. Bei einem noch fetteren Gemisch ergibt sich die mit dem Bezugszeichen 456 gekennzeichnete Kennlinie.
Die Kennlinien 452, 454 und 456 weisen jeweils ein Plateau auf, welches den Bereich für eine stabile Abgasregelung darstellt. Die mit den Bezugszeichen 452a, 454a bzw. 456a gekennzeichneten Kreise stellen jeweils des optimalen Arbeitspunkt für die Abgasregelung dar. Wie aus 4 ersichtlich, verschiebt sich als Funktion des Pumpstroms Ip, welches dem Ausgangssignal (Lambdasignal) der Einzellen-Breitband-Lambdasonde entspricht, der optimale Arbeitspunkt entsprechend dem Gleichstromwiderstand Ri der Lambdasonde auf der Vp-Achse nach links oder nach rechts. Über die Lebensdauer der Einzellen-Breitband-Lambdasonde verändert sich deren Gleichspannungswiderstand beispielsweise von 42 Ohm bis zu 220 Ohm. Diese Verschiebung kann im Betrieb der Einzellen-Breitband-Lambdasonde zu unerwünschten Instabilitäten in der Abgasregelung führen.
Aus der DE 697 29 270 T2 ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungssystem mittels eines Grenzstromsensors zur Gemischregelung einer Brennkraftmaschine bekannt. Das Verfahren zur Erfassung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses umfasst dabei folgende Schritte. Anlegen einer Spannung an den Grenzstrom-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der ein ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Messgas angebendes Grenzstromsignal abgibt und Einstellung eines Sollspannungswertes für die an den Grenzstrom-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angelegte Spannung unter Verwendung einer Klemmenspannungskennlinie bei einer Spannungs-Strom-Charakteristik des Grenzstrom-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wobei die Klemmenspannungskennlinie unterschiedliche stromabhängige Änderungsgeschwindigkeiten des Sollspannungswertes aufweist, bei denen eine Änderungsgeschwindigkeit in zumindest einem spezifischen Bereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im Vergleich zu anderen Bereichen verringert ist. Der spezifische Bereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses umfasst dabei einen Umgebungsbereich des stöchiometrischen Verhältnisses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilität der Abgasregelung durch Lambdasonde zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde beschrieben, welches insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzellen-Lambdasonde geeignet ist. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Bestimmen eines Gleichstromwiderstandes der Lambdasonde basierend auf (a1) dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden negativen Pumpstroms und (a2) einem entsprechenden Wert einer an der Lambdasonde abfallenden negativen Pumpspannung (a3) dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden weiteren negativen Pumpstrom (I_P) und (a4) einem entsprechenden Wertes eines an der Lambdasonde abfallenden weiteren negativen Pumpspannung (V_P), und (b) ein Kompensieren der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde basierend auf dem bestimmten Gleichstromwiderstand.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Gleichstromwiderstand einer Lambdasonde auf einfache Weise dadurch besonders genau bestimmt werden kann, indem in bestimmten Betriebsphasen der Lambdasonde bewusst vorgegebene negative elektrische Messgrößen (Pumpspannung oder Pumpstrom) angelegt und die komplementäre ebenfalls negativen elektrischen Betriebsgrößen (Pumpstrom bzw. Pumpspannung) gemessen wird. Da es im üblichen Betrieb einer Lambdasonde keine Betriebszustände gibt, in denen die Lambdasonde mit negativen Pumpströmen bzw. negativen Pumpspannungen beaufschlagt wird, sind die Wertepaare jeweils aus negativem Pumpstrom und zugehöriger negativer Pumpspannung von dem jeweiligen Betriebszustand der Lambdasonde weitgehend unabhängig. Die Wertepaare bestehend aus negativen Pumpstrom und negativer Pumpspannung sind daher ein direktes Maß für den Gleichstromwiderstand und damit für den allgemeinen (Alterungs)Zustand der Lambdasonde.
Unter dem Begriff negativer Pumpstrom ist insbesondere ein Strom zu verstehen, welcher im Vergleich zu einem Pumpstrom in einer üblichen Betriebsphase der Lambdasonde, mit dem in bekannter Weise eine Sauerstoffreferenz in einem Teil der Lambdasonde erzeugt wird, eine entgegengesetzte Stromrichtung aufweist. Der negative Pumpstrom und die negative Pumpspannung sollten so groß sein, dass der Gleichstromwiderstand mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann. Andererseits sollten die Stromstärke des negativen Pumpstroms und/oder der Spannungswert der negativen Pumpspannung nicht so groß sein, dass eine Beschädigung der Lambdasonde zu besorgen wäre. Der negative Pumpstrom kann beispielsweise eine Stromstärke im Bereich zwischen –0,3 mA und –0,1 mA haben. Die negative Pumpspannung kann beispielsweise Werte im Bereich zwischen –0,5 V und 0 V, insbesondere zwischen –0,2 V und 0 V, annehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (a) ein Beaufschlagen der Lambdasonde mit dem negativen Pumpstrom, welcher eine vorgegebene negative Stromstärke aufweist, und (b) ein Messen der negativen Pumpspannung, welche bei dem negativen Pumpstrom an der Lambdasonde anliegt. Dies bedeutet, dass zur Bestimmung des Gleichstromwiderstands der Lambdasonde diese zunächst mit einem vorgegebenen negativen Pumpstrom beaufschlagt und dann die an der Lambdasonde abfallende negative (Pump)Spannung gemessen wird. Dies hat den Vorteil, dass zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens lediglich eine vorzugsweise einstellbare Konstantstromquelle und eine einfache Spannungsmesseinrichtung benötigt werden. Eine oder beide dieser elektrischen Einrichtung(en) kann bzw. können beispielsweise in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs implementiert sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (a) ein Beaufschlagen der Lambdasonde mit der negativen Pumpspannung, welche eine vorgegebene negative Spannungshöhe aufweist, und (b) ein Messen des negativen Pumpstroms, welche bei der negativen Pumpspannung durch die Lambdasonde fließt. Dies bedeutet, dass zur Bestimmung des Gleichstromwiderstands der Lambdasonde diese zunächst mit einer vorgegebenen negativen Pumpspannung beaufschlagt und dann der durch die Lambdasonde fließende negative (Pump)Strom gemessen wird. Dies hat den Vorteil, dass zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens lediglich eine vorzugsweise einstellbare Konstantspannungsquelle und eine einfache Strommesseinrichtung benötigt werden. Eine oder beide dieser elektrischen Einrichtung(en) kann bzw. können beispielsweise in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs implementiert sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Bestimmen des Gleichstromwiderstandes ferner unter Berücksichtigung eines Pumpstromwertes von Null und eines Pumpspannungswertes von Null durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass zur Bestimmung des Gleichstromwiderstandes lediglich ein Wertepaar von Pumpstrom und zugehöriger Pumpspannung erforderlich ist. Dabei wird insbesondere die Eigenschaft der Lambdasonde ausgenutzt, dass unabhängig von dem Zustand der Lambdasonde (a) bei einem Pumpstromwert von Null an der Lambdasonde keine Spannung bzw. ein Pumpspannungswert von Null abfällt oder (b) bei einem Pumpspannungswert von Null kein Strom durch die Lambdasonde fließt.
Da sich in einem Kennliniendiagramm, in dem auf der Abszisse die Spannung und auf der Ordinate der Strom aufgetragen ist, der Widerstand unmittelbar aus der Steigung der Kennlinie ergibt, kann der Gleichstromwiderstand der Lambdasonde einfach durch die Bestimmung oder die Berechnung des Verhältnisses aus der Pumpspannung und dem entsprechenden durch die Lambdasande fließenden Pumpstrom ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Bestimmen des Gleichstromwiderstandes in einer Schubphase einer Brennkraftmaschine eines Motors eines Kraftfahrzeugs durchgeführt.
Zur oben beschriebenen Bestimmung des Gleichstromwiderstandes der Lambdasonde muss der Betriebszustand der Lambdasonde hin zu einem negativen Stromwert und zu einem negativen Spannungswerte geändert werden. In diesem (künstlichen) Betriebszustand ist dann eine Messung von Lambda und/oder von einem Luft-zu-Kraftstoff Verhältnis der Motorabgase nicht möglich. Daher eignet sich zur Durchführung des in diesem Dokument beschriebenen Bestimmen des Gleichstromwiderstandes eine Betriebsphase eines Kraftfahrzeugs, in welcher der Motor des Kraftfahrzeugs zwar in Betrieb (und daher der Lambdasensor ausreichend heiß ist), in welcher dem Motor jedoch kein Kraftstoff zugeführt wird und sich somit im Abgas auch kein verbrannter Kraftstoff befindet.
In der Schubphase ist das Gaspedal des Kraftfahrzeugs nicht betätigt und die Drosselklappe für die Zuführung von gasförmigem Kraftstoff-Luft Gemisch ist geschlossen. Infolge eines eingelegten oder geschalteten Gangs bleibt die Brennkraftmaschine jedoch in Betrieb und die Brennkraftmaschine befindet sich nicht im Leerlauf. Dieser Betriebszustand wird häufig auch als Motorbremse genutzt.
Da es bei dem üblichen Betrieb der Lambdasonde keine Betriebszustände gibt, bei denen das zu messende Abgas im negativen Strom/Spannungsquadranten Signale erzeugt, kann in der Anschaltphase der Lambdasonde oder aber insbesondere in Schubphasen der Brennkraftmaschine die Lambdasonde mit einem kleinen negativen Pumpstrom (oder mit einer kleinen negativen Pumpspannung) beaufschlagt und die zu zugehörige Pumpspannung (oder den zugehörigen Pumpstrom) gemessen werden. Dadurch kann ohne eine negative Beeinflussung des Betriebszustands der Lambdasonde deren Gleichstromwiderstand bestimmt werden. Diese Bestimmung bzw. die für die Bestimmung erforderliche Messung kann in jeder oder in zumindest einigen Schubphasen der Brennkraftmaschine ohne Datenverluste wiederholt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Bestimmen des Gleichstromwiderstandes in einer Startphase einer Brennkraftmaschine eines Motors eines Kraftfahrzeugs durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass bereits frühzeitig eine geeignete Kompensation der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde durchgeführt werden kann, so dass auch in der Startphase einer Brennkraftmaschine eine besonders stabile Abgasregelung erreicht werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch bereits vor der hier beschriebenen Bestimmung des Gleichstromwiderstandes eine gewisse Kompensation der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde durchgeführt werden kann. Vor der Bestimmung des Gleichstromwiderstandes kann nämlich beispielsweise ein nominaler Gleichstromwiderstandswert der betreffenden Lambdasonde oder ein während eines vorherigen Betriebszyklus der Brennkraftmaschine bestimmter Gleichstromwiderstandswert für eine vorläufige Kompensation der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde verwendet werden. Sobald eine genauere Bestimmung des Gleichstromwiderstandes gemäß dem hier beschriebenen Verfahren möglich ist, sollte die Kompensation der Strom-Spannungs-Kennlinie basierend auf dem aktuell tatsächlich vorliegenden Gleichstromwiderstand durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Aufheizen der Lambdasonde auf, welches vor dem Bestimmen des Gleichstromwiderstandes durchgeführt der Lambdasonde durchgeführt wird.
Da die Lambdasonde bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bei Temperaturen von typischerweise weniger als 300°C nicht richtig arbeiten kann wird gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Lambdasonde vorher aufgeheizt. So ist gewährleistet, dass die Bestimmung des Gleichstromwiderstands und damit die gesamte Kompensation der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann und dass die Brennkraftmaschine auch in der Warmlaufphase im hinsichtlich schädlicher Emissionen optimierten Bereich betrieben werden kann. Die optimale Arbeitstemperatur der Lambdasonde kann insbesondere im Bereich zwischen 550°C und > 800°C liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses eines Abgases einer Brennkraftmaschine beschrieben. Das beschriebene Abgasregelungsverfahren weist auf (a) ein Betreiben der Brennkraftmaschine, (b) ein Durchführen des o. g. Verfahrens zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde gemäß einer der vorangehenden Ansprüche, (c) ein Messen des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses des Abgases mittels der Lambdasonde, und (d) ein Einstellen des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff Gemisches basierend auf einem Ausgabewert der Lambdasonde.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine basierend auf einem aktuellen Wert für den Gleichstromwiderstand der Lambdasonde durchgeführten Kompensation der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde die Stabilität einer Lambdaregelung erheblich verbessert und damit ungewollte Instabilitäten bei der Lambdaregelung vermieden werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde beschrieben, welche insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzellen-Lambdasonde geeignet ist. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Einrichtung zum Bestimmen eines Gleichstromwiderstandes der Lambdasonde basierend auf (a1) dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden negativen Pumpstroms und (a2) einem entsprechenden Wert einer an der Lambdasonde abfallenden negativen Pumpspannung, (a3) dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden weiteren negativen Pumpstrom (I_P) und (a4) einen entsprechenden Wertes eines an der Lambdasonde abfallenden weiteren negativen Pumpspannung (Vp) und (b) eine Einrichtung zum Kompensieren der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde basierend auf dem bestimmten Gleichstromwiderstand.
Auch der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Gleichstromwiderstand einer Lambdasonde auf einfache Weise dadurch besonders genau bestimmt werden kann, dass in bestimmten Betriebsphasen bewusst eine vorgegebene negative elektrische Messgröße (Pumpspannung oder Pumpstrom) angelegt und die komplementäre ebenfalls negative elektrische Betriebsgröße (Pumpstrom bzw. Pumpspannung) gemessen wird. Da in bekannter Weise bei dem Betrieb der Lambdasonde mit einem Pumpstrom von Null auch keine Pump(Spannung) an der Sonde abfällt, kann der Gleichstromwiderstandes entsprechend dem Ohm'schen Gesetz einfach aus dem Quotienten aus (negativer) Pumpspannung und dem entsprechend (negativen) Pumpstrom berechnet werden.
Die beschriebene Vorrichtung kann insbesondere in einer Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs realisiert sein. Die Vorrichtung kann auch als sog. Lambdasonden-Interface realisiert werden und eine direkte Ausgabe von vorbestimmten (Pump)Strömen über digitale Befehle erlauben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde beschrieben, welches insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Einzellen-Lambdasonde geeignet ist. Das Computerprogramm ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des o. g. Verfahrens zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer Lambdasonde eingerichtet.
Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blue-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und/oder eine Steuerung einer Lambdasonde derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit vorrichtungsbezogenen Patentansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
1 zeigt experimentell bestimmte Strom-Spannungs-Kennlinien einer Einzellen-Lambdasonde für verschieden fette Luft-Kraftstoff Gemische.
2a zeigt die in 1 dargestellten Kennlinien nach einer Kompensation mit einem Gleichstromwiderstand von 42 Ohm.
2b zeigt die in 1 dargestellten Kennlinien nach einer Kompensation mit einem Gleichstromwiderstand von 75 Ohm.
2c zeigt die in 1 dargestellten Kennlinien nach einer Kompensation mit einem Gleichstromwiderstand von 220 Ohm.
3 zeigt anhand eines Flussdiagramms einen Funktionsablauf zur Kompensation der Kennlinie einer Lambdasonde.
4 illustriert die bekannte Verschiebung des stabilen Arbeitspunkts einer Lambdasonde in Abhängigkeit des Gleichstromwiderstandes der Lambdasonde.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
1 zeigt experimentell bestimmte Strom-Spannungs-Kennlinien einer Einzellen-Lambdasonde für verschieden fette Luft-Kraftstoff Gemische. Mit dem Bezugszeichen 102 ist eine Kennlinie bezeichnet, welche man dann erhält, wenn sich in der Lambdasonde ausschließlich Luft und kein (verbrannter) Kraftstoff befindet. Die mit den Bezugszeichen 104, 106, 108 und 110 bezeichneten Strom-Spannungs-Kennlinien erhält man für ein Verhältnis von Luft-zu-Brennstoff (Air to Fuel Ratio, AFR) von 15,95 (Bezugszeichen 104), 14,5 (Bezugszeichen 106), 13,05 (Bezugszeichen 108) und 11,6 (Bezugszeichen 110). Das für eine stabile Lambdaregelung von Luft-zu-Brennstoff Verhältnissen geeignete Plateau erstreckt sich über einen Pumpspannungsbereich von Vp ≈ 0,2 V bis Vp ≈ 0,7 V. Die steilen Anstiege der Kennlinien bei Vp ≈ 0,8 V spiegeln eine einsetzende Wasserelektrolyse wieder. Die Kennlinienanstiege bei Vp ≈ 2 V markieren den Beginn der Zerstörung der Lambdasonde.
Wie aus 1 ersichtlich, liegen alle Kennlinien 102, 104, 106, 108 und 110 für kleine negative Werte der Pumpspannung Vp und des Pumpstroms Ip in guter Näherung übereinander und zeigen in diesem Bereich ein zumindest annähernd lineares Verhalten. Die entsprechende Steigung, welche durch die mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnete gestrichelte Linie illustriert ist, stellt den Gleichstromwiderstand der Lambdasonde dar. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Gleichstromwiderstand einen Widerstandwert von 75 Ohm. Genau wie bei den in 4 dargestellten Kennlinien verschiebt sich auch bei den Kennlinien 102, 104, 106, 108 und 110 das Plateau, welches den Bereich für eine stabile Abgasregelung darstellt, mit zunehmenden AFR nach rechts.
2a zeigt die in 1 dargestellten Kennlinien 102, 104, 106, 108 und 110 nach einer Kompensation mit einem Gleichstromwiderstand von 42 Ohm. Die entsprechenden Kennlinien sind mit den Bezugszeichen 202a (reine Luft), 204a (AFR = 15,95), 206a (AFR = 14,5), 208a (AFR = 13,05) und 210a (AFR = 11,6) versehen.
2b zeigt die in 1 dargestellten Kennlinien 102, 104, 106, 108 und 110 nach einer Kompensation mit einem Gleichstromwiderstand von 75 Ohm. Die entsprechenden Kennlinien sind mit den Bezugszeichen 202b (reine Luft), 204b (AFR = 15,95), 206b (AFR = 14,5), 208b (AFR = 13,05) und 210b (AFR = 11,6) versehen.
2c zeigt die in 1 dargestellten Kennlinien 102, 104, 106, 108 und 110 nach einer Kompensation mit einem Gleichstromwiderstand von 75 Ohm. Die entsprechenden Kennlinien sind mit den Bezugszeichen 202c (reine Luft), 204c (AFR = 15,95), 206c (AFR = 14,5), 208c (AFR = 13,05) und 210c (AFR = 11,6) versehen.
Aus einem Vergleich der 2a, 2b und 2c ist ersichtlich, dass bei einer Kennlinienkompensation mit dem tatsächlichen Gleichstromwiderstandswert von 75 Ohm die Lambdaregelung am stabilsten ist, da in 2b die Plateaus für jeweils eine stabile Abgasregelung direkt übereinander liegen. Der optimale Arbeitspunkt in der Mitte der Plateaus hat also immer den gleichen Pumpspannungswert von ca. 450 mV. Aus 2a ist beispielsweise ersichtlich, dass eine Kennlinienkompensation von 42 Ohm nicht zu eindeutigen Kennlinien führt und eine entsprechende Abgasregelung leicht zu Instabilitäten führen kann.
In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun der Gleichstromwiderstand der Lambdasonde in bestimmten Betriebsphasen der Lambdasonde gemessen. Dadurch kann die jeweilige Kennlinienkompensation optimal an den aktuellen (Alterungs)Zustand der Lambdasonde angepasst werden.
3 zeigt anhand eines Flussdiagramms 300 einen Funktionsablauf zur Kompensation der Kennlinie einer Lambdasonde.
Mit dem Bezugszeichen 320 ist ein Funktionsblock gekennzeichnet, bei dem die Lambdasonde (üblicherweise mit dem Motorstart) gestartet wird. Da zu diesem Zeitpunkt noch kein genauer Wert für den Gleichstromwiderstand der Lambdasonde vorliegt, wird die erste Kennlinienkompensation mit einem nominalen Widerstandswert für den Gleichstromwiderstand der Lambdasonde durchgeführt, welche für den verwendeten Typ von Lambdasonde charakteristisch ist. Alternativ kann auch ein Gleichstromwiderstand zur ersten Kennlinienkompensation verwendet werden, welcher bei einem vorherigen Betrieb der Lambdasonde ermittelt wurde und während des Stillstandes des Motors oder der Brennkraftmaschine in einem Speicher insbesondere einer Motorsteuerung abgelegt wurde.
Mit dem Bezugszeichen 325 ist ein Funktionsblock gekennzeichnet, bei dem eine Kennlinienadaption in der Startphase des Motors unmittelbar nach dem Motorstart durchgeführt wird. Da zu Beginn der Startphase die Lambdasonde noch zu kalt ist (< 300°C) wird diese in bekannter Weise zunächst künstlich aufgeheizt (Schritt 325(a)). Bei Erkennung einer minimalen Temperatur für die Bestimmung bzw. Messung des Gleichstromwiderstandes der Lambdasonde wird die Lambdasonde mit einem sehr kleinen negativen Pumpstrom beaufschlagt (Schritt 325(b)). Der Pumpstrom kann beispielweise einen Wert von 0,5 mA haben. Dann wird die zugehörige Pumpspannung gemessen, welche an der Lambdasonde anliegt (Schritt 325(c)). Danach wird die Lambdasonde mit einem etwas größeren negativer Pumpstrom von beispielsweise 1 mA beaufschlagt (Schritt 325(d)) und erneut die zugehörige Pumpspannung gemessen (Schritt 325(e)). Aus den gewonnenen elektrischen Daten von zwei Pumpspannungen und den jeweils zugehörigen Pumpströmen wird dann der Gleichstromwiderstand der Lambdasonde berechnet (Schritt 325(f)). Basierend auf dem berechneten Gleichstromwiderstand kann dann eine erste optimale Kennlinienkompensation durchgeführt werden (Schritt 325(g)). Danach wird die Start-Prozedur des Motors fortgesetzt und dabei insbesondere der Pumpstromregler aktiviert, der für eine übliche Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch die Lambdasonde erforderlich ist.
Mit dem Bezugszeichen 330 ist ein Funktionsblock gekennzeichnet, bei dem eine Kennlinienadaption in einer Schubphase des Motors durchgeführt wird. Mit dem Beginn der Schubphase wird zunächst der Pumpstromregler geöffnet (Schritt 330(a)). Dann wird für die erneute Bestimmung bzw. Messung des Gleichstromwiderstandes der Lambdasonde die Lambdasonde mit einem sehr kleinen negativen Pumpstrom von beispielsweise 0,5 mA beaufschlagt (Schritt 330(b)). Dann wird die zugehörige Pumpspannung gemessen, welche an der Lambdasonde anliegt (Schritt 330(c)). Danach wird die Lambdasonde mit einem etwas größeren negativer Pumpstrom von beispielsweise 1 mA beaufschlagt (Schritt 330(d)) und erneut die zugehörige Pumpspannung gemessen (Schritt 330(e)). Aus den gewonnenen elektrischen Daten von zwei Pumpspannungen und den jeweils zugehörigen Pumpströmen wird dann der Gleichstromwiderstand der Lambdasonde berechnet (Schritt 330(f)). Basierend auf dem berechneten Gleichstromwiderstand wird dann eine weitere optimale Kennlinienkompensation durchgeführt (Schritt 330(g)).
Es wird darauf hingewiesen, dass der Funktionsblock 330 grundsätzlich in jeder Schubphase oder in zumindest einigen Schubphasen des Motors durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann immer eine optimale Kennlinienkompensation durchgeführt werden.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen kleinen (Pump)Stromwerte auch den Stromwert Null haben können. Der entsprechend (Pump)Spannungswert hat dann ebenfalls den Wert Null. Dies hat den Vorteil, dass in den Funktionsblöcken 325 und/oder 330 jeweils nur ein Wertepaar für einen Pumpstrom und eine Pumpspannung erfasst werden muss.

Claims

Verfahren zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Lambdasonde, insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Einzellen-Lambdasonde, das Verfahren aufweisend – Bestimmen eines Gleichstromwiderstandes (Ri) der Lambdasonde basierend auf – dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden negativen Pumpstroms (Ip) und einem entsprechenden Wert einer an der Lambdasonde abfallenden negativen Pumpspannung (Vp), und – dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden weiteren negativen Pumpstroms (Ip) und eines entsprechenden Wertes einer an der Lambdasonde abfallenden weiteren negativen Pumpspannung (Vp), – Kompensieren der Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) der Lambdasonde basierend auf dem bestimmten Gleichstromwiderstand.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend Beaufschlagen der Lambdasonde mit dem negativen Pumpstrom (Ip), welcher eine vorgegebene negative Stromstärke aufweist, und Messen der negativen Pumpspannung (Vp), welche bei dem negativen Pumpstrom an der Lambdasonde anliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend Beaufschlagen der Lambdasonde mit der negativen Pumpspannung (Vp), welche eine vorgegebene negative Spannungshöhe aufweist, und Messen des negativen Pumpstroms (Ip), welche bei der negativen Pumpspannung durch die Lambdasonde fließt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Gleichstromwiderstandes (Ri) ferner unter Berücksichtigung eines Pumpstromwertes von Null und eines Pumpspannungswertes von Null durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bestimmen des Gleichstromwiderstandes (Ri) in einer Schubphase einer Brennkraftmaschine eines Motors eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bestimmen des Gleichstromwiderstandes (Ri) in einer Startphase einer Brennkraftmaschine eines Motors eines Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend Aufheizen der Lambdasonde, wobei das Aufheizen vor dem Bestimmen des Gleichstromwiderstandes (Ri) durchgeführt wird.
Verfahren zum Regeln des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses eines Abgases einer Brennkraftmaschine, das Verfahren aufweisend Betreiben der Brennkraftmaschine, Durchführen des Verfahrens zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Lambdasonde gemäß einer der vorangehenden Ansprüche, Messen des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses des Abgases mittels der Lambdasonde, und Einstellen des Luft-zu-Kraftstoff Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff Gemisches basierend auf einem Ausgabewert der Lambdasonde.
Vorrichtung zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Lambdasonde, insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Einzellen-Lambdasonde, die Vorrichtung aufweisend eine Einrichtung zum Bestimmen eines Gleichstromwiderstandes (Ri) der Lambdasonde basierend auf – dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden negativen Pumpstroms und einem entsprechenden Wert einer an der Lambdasonde abfallenden negativen Pumpspannung (Vp), – dem Wert eines durch die Lambdasonde fließenden weiteren negativen Pumpstroms (Ip) und eines entsprechenden Wertes einer an der Lambdasonde abfallenden weiteren negativen Pumpspannung (Vp) und eine Einrichtung zum Kompensieren der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lambdasonde basierend auf dem bestimmten Gleichstromwiderstand (Ri).
Computerprogramm zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Lambdasonde, insbesondere zum Kompensieren einer Strom-Spannungs-Kennlinie (102, 104, 106, 108, 110) einer Einzellen-Lambdasonde, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.