Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen einer Nullpunktadaption einer Lambdasonde eines Verbrennungsmotors

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, die im Abgasstrang zur Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses eine Lambdasonde aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen einer Nullpunktadaption der Lambdasonde.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Verbrennungsmotoren, insbesondere Ottomotoren, im Abgasstrang mit einer Lambdasonde zu versehen, um das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu ermitteln, das zum Zeitpunkt der Verbrennung in den Zylindern vorgelegen hat. Die Lambdasonde misst den Restsauerstoffgehalt in dem Verbrennungsabgas und wird in einer Regelung eingesetzt, die das Verhältnis von Frischluft zu Kraftstoff des den Zylindern zugeführten Luft-/Kraftstoffgemisches auf einen gewünschten Wert regelt, indem die in die Zylinder einzuspritzende Kraftstoffmenge eingestellt wird.

Die üblicherweise verwendeten Lambdasonden unterliegen aufgrund der Alterung und der hohen Temperaturbelastung einer Drift, so dass wiederholt ein Abgleich der Lambdasonde durchgeführt werden muss. Bei diesem Abgleich wird die von der Lambdasonde bereitgestellte elektrische Größe (Spannung) einer bestimmten Sauerstoffkonzentration des an der Lambdasonde vorbei strömenden Gases zugeordnet und es wird ein Korrekturfaktor bestimmt, mit dem die Abhängigkeit zwischen der elektrischen Größe und der Sauerstoffkonzentration kalibriert werden kann. Da es ohne Rückmeldung einer Lambdasonde in der Regel schwierig ist, ein festgelegtes Luft-/Kraftstoffverhältnis in den Zylindern bereitzustellen, wird dafür üblicherweise ein Betriebszustand vorgesehen, bei dem Frischluft an der Lamb- dasonde vorbei geführt wird. Die Sauerstoffkonzentration von Frischluft liegt bei etwa 21 Vol.-% und ist somit bekannt, so dass eine eindeutige Zuordnung dieses Messpunktes der Lambdasonde möglich ist.

In herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt sind, ist in der Regel als Betriebszustand ein Schubbetrieb vorgesehen, bei dem

Frischluft ohne Einspritzen von Kraftstoff durch die Zylinder des Verbrennungsmotors geleitet wird. Der Schubbetrieb tritt auf, wenn ein Fahrer des Kraftfahrzeugs das Fahrpedal loslässt und der Motor durch die Massenträgheit des Fahrzeugs mitgeschleppt wird, ohne dass dieser ein eigenes Drehmoment generiert. Bei unveränderter Funktion der Einlass- und Auslassventile gelangt dann nach wenigen Arbeitsspielen Frischluft an die Lambdasonde, so dass die Nullpunktadaption durchgeführt werden kann.

Bei Verbrennungsmotoren, die in einem so genannten Off-Highway-Betrieb be- trieben werden, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Generatoren, Landmaschinen, Werkzeugmaschinen und dergleichen, ist ein Schubbetrieb nicht vorgesehen, da keine ausreichende bewegliche Masse vorhanden ist, um den Verbrennungsmotor zu schleppen. Somit entfällt der Betriebszustand des Schubbetriebs, in dem die Nullpunktadaption der Lambdasonde durchgeführt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Durchführen einer Nullpunktadaption von Verbrennungsmotoren im Off-Highway-Betrieb sowie ein entsprechendes Motorsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem die Nullpunktadaption der Lambdasonde in einfacher Weise bereitgestellt werden kann.

Offenbarung der Erfindung Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Durchführen einer Nullpunktadaption für eine Lambdasonde eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Durchführen einer Nullpunktadaption einer Lambdasonde in einem Abgasabführungsabschnitt eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei während einer Nachlaufphase nach einem Abschalten des Verbrennungsmotors Frischluft von einem Luftzuführungssystem in den Abgasabführungsabschnitt gepumpt wird, so dass die Lambdasonde von Frischluft umspült wird

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, vorhandene oder zusätzliche Pumpen in einem Motorsystem zu nutzen, um in einer Nachlaufphase, d. h. nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors und vor dem Abschalten des Steuergeräts, dafür zu sorgen, dass die Lambdasonde mit Frischluft umspült wird. Die Nullpunktadaption der Lambdasonde kann dann gemäß bekannten Verfahren durchgeführt werden.

Weiterhin kann sich die Nachlaufphase an einen vollständigen Stillstand des Verbrennungsmotors anschließen. Insbesondere kann die Dauer der Nachlaufphase zeitlich begrenzt sein und mindestens so lange dauern, bis die Lambdasonde von Frischluft umspült ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Nullpunktadaption der Lambdasonde durchgeführt werden, sobald die Lambdasonde von Frischluft umspült ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:

- einen Verbrennungsmotor, dem Frischluft über ein Luftzuführungssystem zuführbar und von dem Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungsabschnitt abführbar ist;

- eine Lambdasonde, die in dem Abgasabführungsabschnitt angeordnet ist; - eine Pumpe, um Frischluft von dem Luftzuführungssystem zu dem Abgasabführungsabschnitt zu pumpen;

- eine Steuereinheit, um während einer Nachlaufphase nach einem Abschalten des Verbrennungsmotors die Pumpe anzusteuern, um Frischluft in den Abgasabführungsabschnitt zu pumpen, so dass die Lambdasonde von Frischluft umspült wird.

Weiterhin kann die Pumpe in einer Leitung angeordnet sein, die das Luftzuführungssystem mit dem Abgasabführungsabschnitt verbindet.

Insbesondere kann die Pumpe einer Abgasrückführungspumpe in einer Abgasrückführungsleitung entsprechen, wobei die Abgasrückführungspumpe ansteuerbar ist, um im Normalbetrieb Verbrennungsabgas in das Luftzuführungssystem, insbesondere in einen Saugrohrabschnitt, zu pumpen, und um in der Nachlauf- phase in einem Umkehrbetrieb betrieben zu werden, bei dem Frischluft in den

Abgasabführungsabschnitt geleitet wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Pumpe in einer Frischluftleitung angeordnet sein, die in einem Bereich vor einem Kompressor eines Turbo- laders von dem Luftzuführungssystem abführt und im Bereich der Lambdasonde oder stromaufwärts davon in den Abgasabführungsabschnitt mündet.

Weiterhin kann die Pumpe einem von dem Verbrennungsmotor unabhängig betreibbaren Kompressor eines Turboladers in dem Luftzuführungssystem entsprechen.

Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um eine Nullpunktadaption der Lambdasonde durchzuführen, wenn die Lambdasonde von Frischluft umspült ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform; Figur 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Durchführen der Nullpunktadaption basierend auf der Ausführungsform der Figur 1 ;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh- rungsform eines Motorsystems zum Durchführen einer

Nullpunktadaption der Lambdasonde; und

Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Motorsystems zum Durchführen einer Nullpunktadaption der Lambdasonde.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, dem Luft über ein Luftzuführungssystem 3 zugeführt und von dem Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungsabschnitt 4 abgeführt wird.

Das Luftzuführungssystem 3 umfasst eine Ansaugöffnung 5, über die Umgebungsluft eingesaugt wird, einen Luftfilter 6, der die eingesaugte Umgebungsluft filtert und von Partikeln reinigt, sowie einen Kompressor 7, um die angesaugte und gefilterte Frischluft zu komprimieren. Der Kompressor 7 ist in der Ausführungsform der Figur 1 Teil eines Abgasturboladers 8. Stromabwärts des Kompressors 7 ist ein Ladeluftkühler 10 vorgesehen, um die komprimierte Frischluft, die sich durch die Kompression erwärmt hat, zu kühlen.

Mithilfe einer Drosselklappe 11 kann die Menge der dem Verbrennungsmotor 2 zugeführten Frischluft eingestellt werden. Im vorliegenden Motorsystem 1 kann Kraftstoff entweder in einem Saugrohrabschnitt 12 des Luftzuführungssystems 3 oder direkt in die Zylinder 13 des Verbrennungsmotors 2 eingespritzt werden, um diesen zu betreiben. Der Abgasabführungsabschnitt 4 leitet die Verbrennungsabgase aus dem Verbrennungsmotor 2 ab, die dieser gemäß einem herkömmlichen Viertaktbetrieb durch Verbrennen des Luft-/Kraftstoffgemischs erzeugt hat. In dem Abgasabführungsabschnitt 4 ist eine Turbine 15 des Abgasturboladers 8 angeordnet, die mit dem Kompressor 7 im Luftzuführungssystem 3 mechanisch gekoppelt ist. Die Abgasturbine 15 nutzt die Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases und setzt diese in eine Kompressorleistung für den Kompressor 7 um.

Zwischen dem Saugrohrabschnitt 12 und dem Teil des Abgasabführungsabschnitts 4, der sich stromaufwärts der Turbine 15 befindet, ist eine Abgasrückführungsleitung 9 vorgesehen, in der ein Abgasrückführungsventil 23 vorgesehen ist, um dem Saugrohrabschnitt 12 Verbrennungsabgas als Inertgas zuzuführen. Dadurch können erweiterte Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors erreicht werden, die der Optimierung von Verbrennungsvorgängen und der Reduzierung von Emissionen dienen.

Weiterhin ist im Abgasabführungsabschnitt 4 stromabwärts der Turbine 15 eine Lambdasonde 16 angeordnet, mit der der Sauerstoffgehalt des Verbrennungsabgases ermittelt werden kann. Weiterhin können stromabwärts der Lambdason- de 16 ein Partikelfilter 17 sowie ein Katalysator 18 angeordnet sein.

Der Betrieb des Verbrennungsmotors 2 wird durch eine Steuereinheit 20 gesteuert. Basierend auf Zustandsgrößen des Motorsystems 1 , die durch geeignete Sensoren, wie z. B. einen Luftmassensensor zum Erfassen eines Luftmassen- Stroms, einen Ladedrucksensor zum Erfassen eines Ladedrucks, eine Lambdasonde zum Erfassen eines Lambdawerts und dergleichen, ermittelt und/oder durch Systemmodelle modelliert werden, werden Aktuatoren, wie z. B. ein Drosselklappensteller zum Stellen der Drosselklappe, Zündzeitpunkte von Zündeinrichtungen in den Zylindern des Verbrennungsmotors 2, der Wrkungsgrad des Turboladers 8 und dergleichen, gesteuert, um den Verbrennungsmotor in der gewünschten Weise, d. h. zum Bereitstellen eines gewünschten Antriebsmoments, anzusteuern.

Die Lambdasonde 16 unterliegt aufgrund von Alterung und Temperatureinflüssen einer erheblichen Drift, so dass regelmäßig eine Nullpunktadaption der Lambdasonde 16 vorgenommen werden muss. Bei der Nullpunktadaption wird die Zu- Ordnung der von der Lambdasonde 16 bereitgestellten elektrischen Größe zu der Sauerstoffkonzentration durch einen Korrekturfaktor korrigiert. In der Regel ermittelt sich dieser Korrekturfaktor durch Bestimmen der von der Lambdasonde 16 bereitgestellten elektrischen Größe bei einer von Frischluft umspülten Lambdasonde 16.

Der Betrieb des Verbrennungsmotors 2 sowie die Nullpunktadaption der Lambdasonde 16 werden in einer Steuereinheit 20 durchgeführt.

Bei Motorsystemen, die nicht in Fahrzeugen, sondern in Generatoren, Landmaschinen, Werkzeugmaschinen und dergleichen eingesetzt werden, ist es in der Regel schwierig, in dem Abgasabführungsabschnitt 4 Frischluft ohne Abgas zu erhalten. Während dies bei in Fahrzeugen eingesetzten Motorsystemen durch einen Schubbetrieb möglich ist, bei dem der Motor ohne Kraftstoffeinspritzung durch die Bewegung des Fahrzeugs mitgeschleppt wird, ist ein solcher Betriebszustand bei dem Off-Highway-Einsatz des Motorsystems nicht vorgesehen.

Um der Lambdasonde für die Nullpunktadaption ein Gas mit vorbekannter Sauerstoffkonzentration zuzuführen, ist es bisher vorgesehen, einen Zustand herzustellen, in dem die Lambdasonde mit Frischluft umspült wird. Da ein Schubbetrieb bei Motoren im Off-Highway-Betrieb nicht vorgesehen ist, wird der Lambdasonde 16 daher in anderer Weise Frischluft zugeführt, um die Nullpunktadaption durchführen zu können.

In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist in dem Bereich des Luftzuführungssystems 3, stromabwärts des Luftfilters 6, eine Abzweigung vorgesehen, durch die Frischluft direkt in den Bereich des Abgasabführungsabschnitts 4 an oder unmittelbar stromaufwärts der Lambdasonde 16 geleitet wird. Die dafür vorgesehene Frischluftleitung 18 ist mit einer Luftpumpe 19 versehen, die aktiviert wird, um Frischluft in den Abgasabführungsabschnitt 4 zu pumpen, so dass die Lambdasonde 16 mit Frischluft umspült wird.

In Figur 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des dafür durchgeführten Verfahrens dargestellt. Zunächst wird in Schritt S1 festgestellt, ob das Motorsystem 1 abgeschaltet wird. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S2 festgestellt, ob der Verbrennungsmotor zum Stillstand gekommen ist, ansonsten (Alternative: Nein) wird die Abfrage des Schritts S1 wiederholt.

Beim Abschalten des Motorsystems 1 wird zunächst die Kraftstoffzufuhr für den Verbrennungsmotor 2 unterbrochen, so dass der Verbrennungsmotor 2 ausläuft.

Wird in Schritt S2 festgestellt, dass der Verbrennungsmotor 2 zum Stillstand gekommen ist und sich nicht mehr bewegt (Alternative: Ja), so wird mit Schritt S3 fortgefahren, ansonsten wird in Schritt S2 gewartet, bis der Stillstand des Verbrennungsmotors 2 erreicht ist.

Die Steuereinheit 20 bleibt auch nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors 2 weiterhin in Betrieb und steuert in einer Nachlaufphase, die mit dem Stillstand des Verbrennungsmotors 2 beginnt, die Luftpumpe 19 an (Schritt S3), um Frischluft in den Abgasabführungsabschnitt 4 einzuleiten, so dass die Lambda- sonde 16 von Frischluft umspült wird. Die Dauer der Nachlaufphase ist so festgelegt, dass sichergestellt ist, dass die Lambdasonde ausreichend von Frischluft umspült wird, um die Nullpunktadaption durchführen zu können.

Anschließend kann in Schritt S4 die Nullpunktadaption der Lambdasonde 16 ba- sierend auf dem Sauerstoffgehalt von Frischluft durchgeführt werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei der Nullpunktadaption wird ein Lambdawert (Spannung an der Lambdasonde) für eine Sauerstoffkonzentration von 21 Vol.-% der Frischluft gemessen und daraus ein Korrekturfaktor und ggf. ein Korrekturoffset für die Zuordnungsfunktion (in der Regel näherungsweise li- near) des Lambdawertes zur tatsächlichen Sauerstoffkonzentration bestimmt.

In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Motorsystems 30 dargestellt. Das Motorsystem 30 der Figur 3 entspricht in weiten Teilen dem Motorsystem der Figur 1. Anstelle der Frischluftleitung 18, der Luftpumpe 19 und des Abgas- turboladers 8 ist ein elektrisch betriebener Turbolader mit einem Turboladerantrieb 21 vorgesehen, der den Kompressor 7 antreibt. Dadurch kann auch nach dem Stillstand des Verbrennungsmotors 2, wenn keine Abgasenthalpie mehr vorhanden ist, Frischluft durch das Luftzuführungssystem 3 gepumpt werden. Die Frischluft kann durch die Rückführungsleitung 9 und ein geöffnetes Abgasrückführungsventil 23 in den Abgasabführungsabschnitt 4 geleitet werden. Da- durch kann die Lambdasonde 16 ebenfalls mit Frischluft umspült werden. Der Turboladerantrieb 21 wird, wie zuvor beschrieben, in der Nachlaufphase des Motorsystems 1 in Betrieb genommen bzw. in Betrieb gehalten, so dass dieser Frischluft komprimiert und diese stromaufwärts des Kompressors 7 bereitstellt. Der Betrieb des Turboladerantriebs 21 wird möglichst so lange aufrecht erhalten, bis die Lambdasonde 16 nun zuverlässig mit Frischluft umspült ist.

Basierend auf der Ausführungsform der Figur 1 zeigt die Ausführungsform der Figur 4 eine weitere Variante eines Motorsystems 40, bei dem ebenfalls auf die Frischluftleitung 18 und die Luftpumpe 19 verzichtet werden kann. Die Ausführungsform der Figur 4 betrifft Motorsysteme, bei denen anstelle eines Abgasrückführungsventils oder zusätzlich zu dem Abgasrückführungsventil eine Abgasrückführungspumpe 25 in der Abgasrückführungsleitung 9 vorgesehen ist. Die Abgasrückführungspumpe 25 dient dazu, im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 2 aktiv Abgas in das Luftzuführungssystem 3 zu pumpen.

Um der Lambdasonde 16 während der Nachlaufphase Frischluft zuzuführen, kann nun vorgesehen sein, dass die Abgasrückführungspumpe 25 im Umkehrbetrieb betrieben werden kann, so dass Frischluft aus dem Luftzuführungssystem 3 in den Abgasabführungsabschnitt 4 gepumpt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, auf die Luftpumpe 19 und die Frischluftleitung 18 zu verzichten und die bereits bestehende Abgasrückführungspumpe 25 zusätzlich für die Nullpunktadaption der Lambdasonde 16 zu verwenden.