Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer binären Lamb- dasonde, die in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer binären Lambdasonde, die in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zum andern sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu diesem Zweck werden Abgaskatalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe umwandeln. Sowohl das gezielte Beeinflussen des Erzeugens der Schadstoffemissionen während der Verbrennung als auch das Umwandeln der Schadstoffkomponenten mit einem hohen Wirkungsgrad durch den Abgaskatalysator setzen ein sehr präzise eingestelltes Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem jeweiligen Zylinder voraus.

In diesem Zusammenhang werden beispielsweise binäre Lambdasonden eingesetzt. Das Messsignal der binären Lambdasonde weist bei an ihr vorbeiströmenden Abgas, das von einem Gemisch aus Luft und Kraftstoff vor der Verbrennung resultiert, eine hohe betrags- mäßige Steigung auf, wenn das Gemisch in einem sehr engen Bereich um ein stöchiometrisches Gemisch variiert. Bei Abgas, das aus einem Gemisch aus Luft und Kraftstoff vor der Verbrennung resultiert, das außerhalb des engen Fensters um das stochiometrische Gemisch liegt, weist das Messsignal einen sehr flachen Verlauf auf .

Aus der DE 10 2006 014 697 AI ist eine Lambdasonde für

Kraftfahrzeuge bekannt umfassend wenigstens eine in einem Festelektrolyten angeordnete Referenzelektrode und eine dem Abgas ausgesetzte Abgaselektrode, die eine poröse keramische Beschichtung trägt. Ferner ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, durch die zwischen der Referenzelektrode und der Abgaselektrode ein zur Abgaselektrode fließender Sauerstoffstrom erzeugbar ist, dessen Größe an die durch die poröse Beschichtung hindurch diffundierenden Gasströme so angepasst ist, dass eine gezielte Lambdasprung-Verschiebung erfolgt.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die einen Beitrag leistet für einen zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb einer Brennkraftmaschine.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer binären Lambdasonde, die in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die binäre Lambdasonde weist eine abgasseitig angeordnete erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die angrenzend an ein Referenzluftvolumen angeordnet ist. Ferner ist ihr eine Stromguelle zugeordnet, die elektrisch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Eine Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode bildet ein Messsignal der binären Lambdasonde. In einem Messbetrieb der binären Lambdasonde wird die Stromguelle in einem Messbetriebszustand betrieben und es wird das Messsignal bereitgestellt. Das Messsignal kann beispielsweise eingesetzt werden im Rahmen einer Lambdaregelung .

Zum Einstellen einer vorgegebenen SauerStoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen in einem Regenerationsbetrieb der binären Lambdasonde wird die Stromguelle in einem Regenerationsbe- triebszustand betrieben und zwar im Sinne eines Einstellens der vorgegebenen SauerStoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen. Durch das Betreiben der Stromguelle in dem Regenerationsbetriebs zustand erfolgt somit ein Transport von Sauerstoffionen von dem Abgastrakt zu dem Referenzluftvolumen oder umgekehrt und somit ein entsprechendes Beeinflussen der Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen.

Wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wird in einem Betriebs zustand der Brennkraftmaschine des Schubbetriebs, in dem eine Kraftstoffzufuhr unterbunden ist, die Stromguelle in dem Messbetriebszustand betrieben und es wird abhängig von dem Messsignal der binären Lambdasonde ein Stellsignal für die Stromguelle für ihren Regenerationsbetriebs zustand ermittelt zum Einstellen der vorgegebenen SauerStoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen. Auf diese Weise kann einfach die Erkenntnis genutzt werden, dass in dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine des Schubbetriebs die Sauerstoffkonzentration in dem Abgastrakt der SauerStoffkonzentration von Luft und zwar ohne den Einfluss von Abgasen in etwa entspricht. Auf diese Weise ist einfach eine Referenz gegeben für die vorgegebene Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen und abhängig von dem Messsignal der binären Lambdasonde kann so einfach das Stellsignal für die Stromguelle für ihren Regenerationsbe- triebszustand ermittelt werden mit dem Ziel, die vorgegebene Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen einzustellen. Das Stellsignal kann beispielsweise die Stromrichtung des durch die Stromguelle eingeprägten Stroms umfassen und/oder die Dauer des einzuprägenden Stroms durch die Stromguelle zum entsprechenden Sauerstoffionentransport .

Die vorgegebene Bedingung kann beispielsweise jeweils erfüllt sein, nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer. Sie kann grundsätzlich unabhängig von einem aktuellen Vorliegen des Regenerationsbetriebs der Brennkraftmaschine der binären Lambdasonde erfüllt sein. Ist sie auch während des Regenerationsbetriebs erfüllt und liegt dann auch der Betriebszustand des Schubbetriebs vor, so wird der Regenerationsbetriebszustand beendet und die Stromguelle in dem Messbetriebszustand betrieben und anschließend wieder in dem Regenerationsbetriebszustand betrieben, wobei dies dann dementsprechend mehrfach alternierend erfolgen kann.

Durch das Vorgehen kann auf einfache Weise einer so genannten Sondenvergiftung entgegenwirken werden, die sich beispielsweise bei einem längeren Fettbetrieb der binären Lambdasonde ergeben kann. Darüber hinaus kann auch das Referenzvolumen, das regelmäßig mit der Umgebungsluft, beispielsweise über eine entsprechende Zuleitung kommuniziert, durch auf diesem Weg eindringende Verunreinigungen belastet sein, beispielsweise durch Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid.

Es kann so ein Beitrag für einen zuverlässigen Betrieb der binären Lambdasonde geleistet werden und so ein Beitrag geleistet werden, dass in dem Messbetriebszustand das Messsignal sehr präzise das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches vor der Verbrennung repräsentiert, aus dem das an der binären Lambdasonde vorbeiströmende Abgas resultiert.

Insbesondere handelt es sich bei der Stromguelle um eine schaltbare Stromguelle und insbesondere gegebenenfalls auch um eine regelbare Stromguelle.

Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer binären Lambdasonde. Der zweite Aspekt unterscheidet sich von dem ersten Aspekt dadurch, dass statt der Stromguelle eine Spannungsguelle vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine mit einer binären Lambdasonde und

Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben der

Abgassonde .

Eine Brennkraftmaschine weist mehrere Zylinder auf, denen jeweils zumindest ein Gaseinlassventil zugeordnet ist, mittels dessen eine Zufuhr von Luft einstellbar ist. Ferner ist dem jeweiligen Zylinder ein jeweiliges Einspritzventil zugeordnet, mittels dessen einem Brennraum des jeweiligen Zylinders Kraftstoff zuführbar ist. Ferner weist die Brennkraftmaschine einen Abgastrakt 1 (Figur 1) auf, über den Abgase aus den jeweiligen Brennräumen der Zylinder abführbar sind. In diesem Zusammenhang weist die Brennkraftmaschine jeweilige Gasauslassventile auf, über die ein Abführen des Abgases aus den Brennräumen in den Abgastrakt 1 steuerbar ist. In dem Abgastrakt 1 ist eine binäre Lambdasonde 3 angeordnet. Die binäre Lambdasonde 3 weist eine abgasseitig angeordnete erste Elektrode 5 auf und eine zweite Elektrode 7, die angrenzend an ein Referenzluftvolumen 9 angeordnet ist. Zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 7 befindet sich ein Festkörperelektrolyt 11, der beispielsweise Zirkoniumdioxid umfasst. Bei höheren Temperaturen des Festkörperelektrolyten, die beispielsweise bei in etwa 650° liegen, können Sauerstoffionen durch den Festkörperelektrolyten 11 diffundieren und zwar abhängig von den jeweiligen SauerStoffpartialdrücken des in dem Abgastrakt 1 strömenden Abgases und des Gases, das sich in dem Referenzluftvolumen 9 befindet.

Das Referenzluftvolumen 9 kommuniziert mit einer Umgebung der Brennkraftmaschine, bevorzugt mittels einer Zuleitung 13, die beispielsweise einen Schlauch umfassen kann und/oder auch in eine Kabelzuführung der binären Lambdasonde 3 integriert sein kann. Die Zuführleitung 13 ist so ausgebildet, dass über sie Luft in das Referenzluftvolumen 9 gelangen kann, die möglichst frei ist von Verunreinigungen von Abgas oder Kohlenwasserstoffen hervorgerufen durch Kraftstoff oder Öl im Bereich der Brennkraftmaschine und auch Abgasen hervorgerufen durch den Ver- brennungsprozess in der Brennkraftmaschine.

Allerdings können ungewollt dennoch derartige Verunreinigungen in das Referenzluftvolumen gelangen, so beispielsweise durch Undichtigkeiten in der Zuleitung oder auch bei einem sehr langen Fettbetrieb der Brennkraftmaschine. Dies kann grundsätzlich zu einer so genannten Sondenvergiftung führen, bei der dann die Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen 9 insbesondere deutlich von einer vorgegebenen Sauerstoffkonzentration abweicht. Die vorgegebene Sauerstoffkonzentration ist insbesondere die natürliche Sauerstoffkonzentration, in der die Brennkraftmaschine umgebenden Luft und somit derjenigen Luft, die auch von der Brennkraftmaschine für den Verbrennungsprozess angesaugt wird.

Der binären Lambdasonde 3 ist ferner eine Stromguelle 15 zugeordnet, die elektrisch zwischen der ersten und zweiten Elektrode 5, 7 angeordnet ist. Die Stromguelle 15 ist schaltbar und bevorzugt auch regelbar. Ihr jeweiliger Betrieb wird gesteuert mittels eines Stellsignals STS .

Ferner ist elektrisch zwischen der ersten und zweiten Elektrode 5, 7 ein Messsignalgeber 17 angeordnet, der eine Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode 5, 7 abgreift und abhängig davon ein Messsignal der binären Lambdasonde 3 erzeugt .

Ferner ist eine Steuervorrichtung 19 vorgesehen, der ein- gangsseitig das Messsignal MS der binären Lambdasonde 3 zugeführt ist, aber auch grundsätzlich weitere Messsignale anderer Sensoren, die der Brennkraftmaschine zugeordnet sind, zugeführt werden. Die Steuervorrichtung 19 ist dazu ausgebildet, abhängig von dem oder den ihr zugeführten Messsignalen Stellsignale für Stellgeräte der Brennkraftmaschine zu erzeugen, die beispielsweise ein Einspritzventil, eine Drosselklappe, ein Abgasrückführventil oder dergleichen sein können. Ferner ist die Steuervorrichtung 19 auch dazu ausgebildet, das Stellsignal STS für die Stromguelle 15 zu erzeugen.

Die Steuervorrichtung 19 weist einen Daten- und Programmspeicher auf, in dem ein oder mehrere Programme zum Betrieb der

Brennkraftmaschine gespeichert sind, die dann während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet werden können. Zu diesem Zweck weist die Steuervorrichtung 19 auch eine Recheneinheit auf, die unter anderem einen Mikroprozessor und/oder einen Controller umfasst . Darüber hinaus weist die Steuervorrichtung 19 auch eine oder mehrere Endstufen auf.

Zum Betreiben der binären Lambdasonde 3 ist in dem Daten- und Programmspeicher der Steuervorrichtung 19 ein Programm gespeichert, das im Folgenden anhand der Figur 2 näher erläutert ist .

Das Programm wird in einem Schritt Sl gestartet, so beispielsweise zeitnah zu einem Motorstart der Brennkraftmaschine. In dem Schritt Sl können beispielsweise verschiedene Variablen initialisiert werden.

In einem Schritt S3, wird geprüft, ob sich die Brennkraftmaschine in einem geeigneten Betriebs zustand befindet, in dem das Messsignal MS der binären Lambdasonde 3 nicht zwingend für anderweitige Funktionen, wie beispielsweise die Lambdaregelung benötigt wird. Falls sich die Brennkraftmaschine bei der Abarbeitung des Schrittes S3 nicht in dem geeigneten Betriebszustand oder einem der geeigneten Betriebs zustände befindet, wird die Bearbeitung in einem Schritt S5 fortgesetzt.

In dem Schritt S5 wird ein Messbetrieb der binären Lambdasonde 3 eingenommen, in dem die Stromquelle 15 in einem Messbetriebszustand MBZ betrieben wird und das Messsignal MS bereitgestellt wird. Dieses wird dann beispielsweise zum

Durchführen der Lambdaregelung eingesetzt.

In dem Messbetriebszustand MBZ ist insbesondere die Stromquelle 15 deaktiviert, was durch ein entsprechend ausgebildetes Stellsignal STS gesteuert wird. Grundsätzlich kann sie jedoch auch vorgegeben für den Messbetriebszustand MBZ aktiviert sein.

In einem Schritt S6 wird geprüft, ob eine Regeneration der binären Lambdasonde durchzuführen ist. Die Regeneration kann beispielsweise durchzuführen sein nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem letztmaligen Durchführen der Regeneration und/oder abhängig von einer erkannten Sondenvergiftung der binären Lambdasonde 3 und/oder abhängig von einer seit dem letztmaligen Durchführen der Regeneration zurückgelegten vorgegebenen Fahrtstrecke.

Die Regeneration kann alternativ oder zusätzlich auch durchzuführen sein, wenn bei gewünschtem Fettbetrieb der Brennkraftmaschine - ggf. unter Berücksichtigung von Gaslaufzeiten - das bereitgestellte Messsignal der binären Lambadsonde - einen Magerbetrieb signalisiert. Die Regeneration kann alternativ oder zusätzlich auch durchzuführen sein, wenn bei gewünschtem Fettbetrieb der Brennkraftmaschine - ggf. unter Berücksichtigung von Gaslaufzeiten - die Potenzialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode 5, 7 negativ ist.

Wird in dem Schritt S6 erkannt, dass die Regeneration nicht durchzuführen ist, so wird die Bearbeitung in dem Schritt S5 fortgesetzt .

Andernfalls wird in einem Schritt S7 geprüft, ob eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist und ein Betriebs zustand der Brennkraftmaschine des Schubbetriebs vorliegt, in dem die Kraftstoffzufuhr zu den Brennräumen der jeweiligen Zylinder unterbunden ist und somit sich in dem Abgastrakt statt Abgas Luft aus der Umgebung der Brennkraftmaschine befindet.

Die vorgegebene Bedingung kann beispielsweise erfüllt sein, nach einer vorgegebenen weiteren Zeitdauer während des Durchführens der Regeneration. Ist die vorgegebene Bedingung erfüllt und wird der Betriebszustand des Schubbetriebs in dem Schritt S7 eingenommen, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S9 fortgesetzt, in dem die Stromguelle in dem Messbetriebszustand MBZ betrieben wird und abhängig von dem Messsignal MS der binären Lambdasonde 3 ein Stellsignal STS für die Stromguelle für ihren Regenerationsbetriebs zustand ermittelt wird, zum Einstellen der vorgegebenen Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen 9.

In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass während des Schubbetriebs die Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches in dem Abgastrakt im Wesentlichen derjenigen der Umgebungsluft der Brennkraftmaschine entspricht. Auf diese Weise bildet somit das Gasgemisch in dem Abgastrakt 1 in diesem Fall eine Referenz zum Einstellen der vorgegebenen SauerStoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen 9 und kann so geeignet zum Ermitteln des Stellsignals STS für die Stromguelle in ihrem Regenerationsbetriebs zustand eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise eine vorgegebene Stromstärke für den Regene- rationsbetriebszustand ermittelt werden und/oder auch eine Dauer des Einprägens der entsprechenden Stromstärke des Stroms durch die Stromguelle 15 in dem Regenerationsbetriebszustand RGBZ.

Falls die vorgegebene Bedingung des Schrittes S7 nicht erfüllt ist und gegebenenfalls unabhängig davon, ob sich die Brennkraftmaschine in ihrem Betriebszustand des Schubbetriebs befindet, wird die Bearbeitung in einem Schritt Sil fortgesetzt, in dem zum Einstellen der vorgegebenen SauerStoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen 9 die Stromguelle 15 in dem Regenerationsbetriebszustand RGBZ betrieben wird und zwar im Sinne des Einstellens der vorgegebenen SauerStoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen, wobei das Stellsignal STS entsprechend des ermittelten Stellsignals in dem Schritt S9 eingestellt wird. Falls seit dem jeweiligen Erkennen, dass Regeneration durchzuführen ist, der Schritt S9 noch nicht abgearbeitet wurde, kann das Stellsignal STS zunächst einen anderweitig vorgegebenen Wert und/oder Verlauf aufweisen. Im Anschluss an die Bearbeitung des Schrittes Sil wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S3 fortgesetzt .

Spätestens nach einer vorgebbaren Verweildauer in dem jeweiligen Schritt S5, S9 oder Sil wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S3 fortgesetzt.

Das Durchführen der Regeneration kann beispielsweise abgeschlossen sein, wenn in dem Schritt S9 festgestellt wird, dass die vorgegebene Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftvolumen 9 erreicht ist oder in etwa erreicht ist. Die Stromquelle und auch der Messsignalgeber können unabhängig voneinander auch grundsätzlich außerhalb der binären Lambdasonde angeordnet sein, so beispielsweise in der Steuervorrichtung 19. Sie können jedoch auch einzeln oder beide in einer Baueinheit mit der binären Lambdasonde ausgebildet sein.

Der Messbetriebszustand MBZ unterscheidet sich von dem Rege- nerationsbetriebszustand RGBZ, und zwar insbesondere dadurch dass die Stromquelle in dem Messbetriebszustand MBZ deaktiviert oder andersartig aktiviert ist als in dem Regenerationsbe- triebszustand RGBZ, während sie in dem Regenerationsbe- triebszustand RGBZ aktiviert ist.

Alternativ kann statt der Stromquelle 15 auch eine Spannungsquelle vorgesehen sein, die dann einen geeignet elektrisch in Reihe geschalteten Widerstand aufweist. Zum Einprägen des jeweiligen Stroms je nach Betriebszustand der Spannungsquelle. Ansonsten erfolgt dann der Betrieb der Spannungsquelle entsprechend analog zu dem beschriebenen Vorgehen bezüglich der Stromquelle .