Titel

VERFAHREN ZUM BESTIMMEN VON GRENZWERTEN FÜR EINEN OFFSET EINER SPANNUNGS-LAMBDA-KENNLINIE EINER LAMBDASONDE

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem

Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines

Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des

Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.

Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren auf der Basis von keramischen Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise

Zirkoniumdioxid (Zr0 ₂ ), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotierr.es Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an

Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ) und/oder Siliziumoxid (Si0 ₂ ) enthalten können. Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit

Breitbandlambdasonden, insbesondere mit planaren Breitbandlambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-/Kraftstoffverhältnis. Zur Optimierung des Schadstoffausstoßes und der Abgasnachbehandlung werden bei modernen Brennkraftmaschinen Lambdasonden zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases und zur Steuerung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Lambdasonden bestimmen den Sauerstoffgehalt des Abgases, was zur Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-/Kraftstoffgemischs und somit des Abgaslambdas vor einem Katalysator verwendet wird. Dabei wird über einen Lambdaregelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung der

Brennkraftmaschine derart geregelt, dass eine für die Abgasnachbehandlung durch in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehene Katalysatoren optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht wird. Bei Ottomotoren wird in der Regel auf ein Lambda von 1, also ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, geregelt. Die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine kann so minimiert werden.

Es sind verschiedene Formen von Lambdasonden im Einsatz. Eine

Breitbandlambdasonde, 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.

Durch eine Linearisierung der Sondenkennlinie ist auch mit einer

kostengünstigeren Zweipunktlambdasonde eine stetige Lambdaregelung vor Katalysator möglich, wenn auch in einem eingeschränkten Lambdabereich. Bei einer derartigen Zweipunktlambdasonde, auch als Sprungsonde oder

Nernstsonde bezeichnet, weist die Spannungs-Lambda-Kennlinie bei λ = 1 einen sprungartigen Abfall auf. Sie erlaubt daher im Wesentlichen die Unterscheidung zwischen fettem Abgas (λ < 1) bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit

Kraftstoffüberschuss und magerem Abgas (λ > 1) bei Betrieb mit Luftüberschuss und ermöglicht eine Regelung des Abgases auf ein Lambda von 1.

Voraussetzung für die stetige Lambdaregelung ist, dass zwischen der

Sondenspannung der Lambdasonde und Lambda ein eindeutiger

Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang muss über die gesamte Lebensdauer der Lambdasonde vorliegen, da andernfalls die Genauigkeit der Regelung nicht ausreichend ist und unzulässig hohe Emissionen auftreten können. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und von Alterungseffekten der Lambdasonde ist diese Voraussetzung nicht erfüllt. Stattdessen kann die tatsächliche Sondenkennlinie durch mehrere überlagerte Effekte gegenüber der Referenzsondenkennlinie verschoben sein.

In einem großen Anteil der Fahrzeuge mit Ottomotor ist der Abgaskanal mit einer Breitbandlambdasonde vor oder stromaufwärts eines Katalysators, dem

Katalysator und einer Sprungsonde nach oder stromabwärts des Katalysators ausgerüstet. Zur Optimierung der Emissionen wird das Gemisch möglichst genau stöchiometrisch eingestellt. In einem ersten Schritt wird dazu die

Breitbandlambdasonde vor dem Katalysator zur Regelung verwendet. Eine noch genauere Einstellung wird mit einer Führungsregelung basierend auf einem Signal der Sprungsonde nach dem Katalysator möglich.

Für die Reglung der Beitbandlambdasonde vor dem Katalysator wird somit ein Offset basierend auf dem Signal der Sprungsonde nach dem Katalysator bestimmt. Ein betragsmäßig großer Offset wird durch die sogenannte On-Board- Diagnose als Offsetfehler der Breitbandlambdasonde vor dem Katalysator erkannt, aber auch ein kleiner Offset muss bekannt sein, um durch die erste Regelung ein möglichst stöchiometrisches Gemisch einzustellen und damit geringe Emissionen sicherstellen zu können.

Die Schwierigkeit bei der Offsetbestimmung ist durch den dazwischen lieg Katalysator begründet und dadurch, dass die Sprungsonde nach dem

Katalysator nur in einem schmalem Bereich um Lambda=l eine genaue Information über das Gemisch zur Verfügung stellt. Zur Offsetbestimmung wird bei passenden Bedingungen und nach Ablauf einer Entprellzeit nach Störungen der gemittelte Stelleingriff der Führungsregelung als Offset der vorderen

Regelung bzw. der vorderen Sonde gefiltert adaptiert. Als Entprellung und zur Filterung sind Abgasmassenstromintegrale und Zeitbedingungen bekannt. Zu Diagnosezwecken ist es bekannt, bei einer andauernden starken Abweichung des Signals der Sprungsonde nach dem Katalysator trotz großem Stelleingriff der Führungsregelung schnelle Schritte in der Offsetadaption vorzunehmen, um schnell einen fehlerhaften Offset zu erkennen. Auch hier sind

Abgasmassenstromintegrale und Zeitbedingungen zur Erkennung der andauernden Abweichung bekannt.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Erkennung eines Spannungsoffsets beinhalten diese noch

Verbesserungspotential.

So kann bei den bekannten Verfahren die Möglichkeit der Offsetbestimmung nicht in jedem Fall genutzt werden bzw. diese kann nicht ermittelt werden oder der Offset kann fälschlicherweise adaptiert werden.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zum Bestimmen von Grenzen einer Bestimmung eines Offsets zumindest in einem Bereich einer Spannungs-Lambda-Kennlinie einer in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten ersten

Lambdasonde gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie vorgeschlagen, mit dem ein Kriterium zur Verfügung gestellt wird, mit dem die Möglichkeit der Offsetbestimmung berechnet werden kann.

Die Erfindung umfasst insbesondere die nicht abschließend aufgeführten

Aspekte:

1. Verfahren zum Bestimmen von Grenzen einer Bestimmung eines Offsets zumindest in einem Bereich einer Spannungs-Lambda-Kennlinie einer in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten ersten Lambdasonde gegenüber einer Referenz-Spannungs-Lambda-Kennlinie, wobei für die Bestimmung ein erstes Messsignal der ersten Lambdasonde, ein zweites Messignal einer zweiten Lambdasonde und eine Sauerstoffbilanz eines Katalysators zwischen der ersten Lambdasonde und der zweiten Lambdasonde verwendet wird, wobei die Sauerstoffbilanz einen

Sauerstoffeintrag in den Katalysator, einen Sauerstoffaustrag aus dem Katalysator und einen Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied des

Katalysators umfasst, wobei eine obere Grenze basierend auf einer ersten Annahme, aus der ein erster Wert für eine Summe aus Sauerstoffaustrag und Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied resultiert, und eine untere Grenze basierend auf einer zweiten Annahme, aus der ein zweiter Wert für eine Summe aus Sauerstoffaustrag und Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied resultiert, bestirnt wird, wobei der erste Wert größer als der zweite Wert ist.

Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei eine erste

Sauerstoffmenge stromaufwärts des Katalysators basierend auf einem Lambdamesswert der ersten Lambdasonde und einem Abgasmassenstrom ermittelt wird, wobei eine zweite Sauerstoffmenge stromabwärts des

Katalysators basierend auf einem Lambdamesswert der zweiten

Lambdasonde ermittelt wird.

Verfahren nach dem vorherigen Aspekt, wobei für die erste Annahme und die zweite Annahme eine obere Grenze und eine untere Grenze einer Lambda- Spannungs-Kennlinie der zweiten Lambdasonde festgelegt wird.

Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Aspekte, wobei für die erste Annahme und die zweite Annahme eine obere Grenze und eine untere Grenze für den Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied des Katalysators festgelegt wird.

Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei als obere Grenze für den Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied des Katalysators eine maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators festgelegt wird und als untere Grenze für den Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied des Katalysators die negative maximale Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Aspekte, wobei die erste Sauerstoffmenge und die zweite Sauerstoffmenge basierend auf einer ersten Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Katalysators, einer zweiten Sauerstoffkonzentration stromabwärts des Katalysators und einer Integration des Abgasmassenstroms über eine vorbestimmte Zeit ermittelt werden.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die vorbestimmte Zeit so gewählt wird, dass ein Schwellwert für eine Ungenauigkeit des

Lambdamesswerts der zweiten Sonde unterschritten wird.

8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Aspekte durchzuführen.

9. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorherigen Aspekt gespeichert ist.

10. Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorherigen Aspekt umfasst.

Dieses Kriterium wird als obere und untere Grenze für den Offset angegeben. Damit kann der Offset sowohl schnellst möglich bestimmt werden, als auch eine zu große Verstellung bzw. Verlernen verhindert werden. Der

Applikationsaufwand zu Festlegung der Entprellung und Filterung wird verkleinert.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die rechnerische Bestimmung der durch die Messsignale der Lambdasonden vor dem und nach dem

Katalysator bestimmbaren Grenzen des Offsets der Breitbandlambdasonde vor dem Katalysator.

Kurze Beschreibung der Zeich Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind.

Es zeigt:

Figur 1 eine Brennkraftmaschine. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist beispielsweise ein Ottormotor. Die Brennkraftmaschine 10 weist einen

Abgaskanal 12 auf. In dem Abgaskanal 12 ist eine erste Lambdasonde 14, ein Katalysator 16 und eine zweite Lambdasonde 18 angeordnet. Das bei einer Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine entstehende Abgas durchströmt in einer Strömungsrichtung 20 gesehen zuerst die erste

Lambdasonde 14, dann den Katalysator 16 und schließlich die zweite

Lambdasonde 18. Entsprechend ist die erste Lambdasonde 14 stromaufwärts des Katalysators 16 oder vor dem Katalysator 16 angeordnet und die zweite Lambdasonde 18 ist stromabwärts des Katalysators 16 oder nach dem

Katalysator 16 angeordnet, wobei sich die Angaben„stromaufwärts",

„stromabwärts" bzw.„vor" und„nach" auf Orientierungen bezüglich der

Strömungsrichtung 20 beziehen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Lambdasonde 14 eine Breitbandlambdasonde 22. Alternativ ist die erste Lambdasonde 14 eine Spungsonde. Die zweite Lambdasonde 18 ist eine Spungsonde 24. Der grundsätzliche Aufbau der Breitbandlambdasonde 22 und der Sprungsonde 24 sowie deren Funktionsweisen sind aus dem eingangs genannten Stand der Technik und insbesondere aus Konrad Reif (Hrsg.):

Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt, so dass eine ausführliche Beschreibung derselben entfällt und stattdessen auf diesen Stand der Technik bezüglich des Aufbaus und Funktion verwiesen wird.

Zu Diagnosezwecken und zur Optimierung der Emissionen wird das der

Brennkraftmaschine 10 zugeführte Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft möglichst genau stöchiometrisch eingestellt. In einem ersten Schritt wird dazu die Breitbandlambdasonde 22 vor dem Katalysator 16 zur Regelung verwendet. Eine noch genauere Einstellung wird mit einer Führungsregelung basierend auf einem Signal der Sprungsonde 24 nach dem Katalysator 16 möglich.

Voraussetzung für eine präzise Lambdaregelung einer Lambdasonde ist, dass zwischen der Sondenspannung der Lambdasonde und Lambda ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Dieser Zusammenhang muss über die gesamte Lebensdauer der Lambdasonde vorliegen, da andernfalls die Genauigkeit der Regelung nicht ausreichend ist und unzulässig hohe Emissionen auftreten können. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und von Alterungseffekten der Lambdasonde ist diese Voraussetzung nicht erfüllt. Stattdessen kann die tatsächliche Sondenkennlinie durch mehrere überlagerte Effekte gegenüber der Referenzsondenkennlinie verschoben sein. Diese Verschiebung wird auch als Offset bezeichnet.

Für die Reglung der Beitbandlambdasonde 22 vor dem Katalysator 16 wird somit ein Offset basierend auf dem Signal der Sprungsonde 24 nach dem Katalysator 16 bestimmt. Ein betragsmäßig großer Offset wird durch die sogenannte On- Board-Diagnose als Offsetfehler der Breitbandlambdasonde 22 vor dem

Katalysator 16 erkannt, aber auch ein kleiner Offset muss bekannt sein, um durch die erste Regelung ein möglichst stöchiometrisches Gemisch einzustellen und damit geringe Emissionen sicherstellen zu können.

Die Erfindung nutzt die Grundannahme, dass der Offset sich aus der folgenden Bilanzgleichung zum Sauerstoffspeicher des Katalysators 16 berechnen lässt:

0= Sauerstoffeintrag - Sauerstoffaustrag +

Sauerstoffspeicherfüllstandsunterschied.

Der Sauerstoff anteil im Abgas kann aus den Signalen der Breitbandlambdasonde 22 und der Sprungsonde 24 berechnet werden. Mit dem Abgasmassenstrom kann daraus ein Sauerstoffstrom berechnet werden der in der Bilanz integriert wird, so dass sich ergibt: 0 = \ cOvk *ms dt - JcOnk*ms dt + AOS, wobei cOvk die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor dem Katalysator 16 ist, cOnk die Sauerstoffkonzentration im Abgas nach dem Katalysator 16 ist, ms der Abgasmassenstrom ist und

AOS der Unterschied im Sauerstoffspeicherfüllstand des Katalysators 16 ist.

Die Sauerstoffkonzentrationen können aus den Signalen der

Breitbandlambdasonde 22 vor dem Katalysator 16 und der Sprungsonde 24 nach dem Katalysator bestimmt werden: dt + AOS, wobei λ _ν1( s der durch ein Offset verfälschte Lambdamesswert der

Breitbandlambdasonde 22 vor dem Katalysator 16 ist,

A _vk der Offset der Breitbandlambdasonde 22 vor dem Katalysator 16 ist, λη der Lambdamesswert der Sprungsonde 24 nach dem Katalysator 16 ist und

A _nk eine Ungenauigkeit der Bestimmung des Lambdamesswerr.es der

Sprungsonde 24 nach dem Katalysator 16 ist.

Es ist dabei zu beachten, dass A _vk ein tatsächlicher, über die Betriebsbereiche konstanter Offset ist, während die Sonden hinter dem Katalysator als Referenz und damit offsetfrei angenommen wird. A _nk ist im Gegensatz dazu kein solcher Offset, sondern die Ungenauigkeit in der Erfassung des Lambdawertes bei unterschiedlichen Betriebspunkten durch nicht systematische Abweichungen. Die Berechnung von A _vk aus der zuletzt genannten Gleichung wird möglich, indem für AOS und A _nk Annahmen getroffen werden. Die Annahmen umfassen mindestens eine erste Annahme, die zu einem großen Wert für die Summe aus

Sauerstoffaustrag und Füllstandsunterschied führt, und eine zweite Annahme, die zu einem kleinen Wert für die Summe aus Sauerstoffaustrag und

Füllstandsunterschied führt. Die Sauerstoffkonzentration cOnk nach dem

Katalysator 16 wird anhand der Lambda-Spannungs-Kennlinie der Sprungsonde 24 nach dem Katalysator 16 basierend auf dem von der Sprungsonde 24 gelieferten Spannungssignal berechnet. Für der Berechnung des Minimalwerts und des Maximalwertwerts für die Summe aus Sauerstoffaustrag und Füllstandsunterschied wird eine obere Grenze und untere Grenze der Lambda- Spannungs-Kennlinie festgelegt. Zur Festlegung der oberen Grenze und der unteren Grenze kann beispielsweise eine feste Spannungsunsicherheit, wie beispielsweise +/- 20 mV, und eine Temperaturvarianz, wie beispielsweise +/- 30 K, verwendet werden.

Als Grenzen für den Füllstandsunterschied kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC angenommen werden. Maximal kann dabei +OSC und minimal -OSC angenommen werden. In bestimmten Zuständen gibt es zusätzliche

Informationen über den Sauerstofffüllstand und die Werte für AOS können eingeschränkt werden: So ist beispielsweise nach einer langen Schubphase der Katalysator 16 vollständig mit Sauerstoff gefüllt. Beginnt die Integration anschließend, ist der Bereich für AOS [0... -OSC]. Es kann sowohl ein fester Wert für die maximale OSC angenommen werden oder ein von

Betriebsbedingungen wie Katalysatortemperatur oder Abgasmassenstrom abhängiger. Der Integrationszeitraum kann beliebig festgelegt werden. Er wird günstigerweise so gewählt, dass die obere Grenze und die untere Grenze möglichst kleine bzw. große Werte ergeben. Dies ergibt sich für lange

Integrationszeiten, in denen keine Werte mit großem A _nk enthalten sind. Als Kriterium für den Integrationsbeginn kann beispielsweise | _nk min - _max l < Schwellwert angenommen werden und der Wert für A _nk fortlaufend bewertet werden.

Die obige Gleichung kann näherungsweise nach A _vk aufgelöst werden, wenn der Term für die Sauerstoffkonzentration cOvk vor dem Katalysator 16 um einen Lambdamesswert λ _ν1( s der Breitbandlambdasonde 22 vor dem Katalysator 16 in Form von X _vk _ _s = 1 entwickelt wird, so dass sich folgende Gleichung ergibt:

A _vk = (Kl - J/ftvk _s))*ms dt - Kl - l/ _nk -A _nk ))*ms + AOS)/Jms.

Die obere Grenze A _{vk max} und die untere Grenze A _vk _ _min für den Offset A _vk ergibt sich aus der Verwendung der oberen Grenze und der unteren Grenze für die Lambda-Spannungs-Kennlinie der Sprungsonde 24 nach dem Katalysator 16 ( _nk -A _nk ) und AOS. Aus mehreren Intergrationszeiträumen können sich unterschiedliche Werte ergeben. Verwendet werden der kleinste Wert für die obere Grenze und der größte Wert für die untere Grenze.

Wenn die so berechnete obere Grenze A _{vk max} den bisher angenommenen Wert des Offsets A _vk unterschreitet oder die so berechnete untere Grenze A _{vk min} den bisher angenommenen Wert des Offsets A _vk überschreitet, wird die Annahme für den Offset A _vk korrigiert. Wenn die bisherige Annahme zwischen A _{vk max} und A _vk min liegt, wird der Wert des Offsets A _vk nicht oder nur sehr langsam verändert. Sobald A _{vk max} unterhalb des Diagnosegrenzwertes für den Offset A _vk liegt kann eine In-Ordnung-Prüfung für den maximalen Offset A _{vk max} gemeldet werden. Sobald A _vk _ _min oberhalb des Diagnosegrenzwertes für den Offset A _vk liegt kann eine In-Ordnung-Prüfung für den minimalen Offset A _{vk min} gemeldet werden. Sobald sich aus A _{vk max} oder A _vk _ _min eine Überschreitung des

Diagnosegrenzwertes ergibt, kann eine Nicht-In-Ordnung-Prüfung für den Offset A _vk gemeldet werden.