Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Lambdasonde in einem Abgaskanal einer

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Bei Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere mit einem Otto-Motor, sind heute Drei-Wege-Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung Standard. Dabei werden die Verbrennungsmotoren anhand von Lambdasonden alternierend um ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis geregelt, damit solche Drei-Wege-Katalysatoren ihre maximale Wirksamkeit bezüglich der Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile entfalten können. Dabei kann eine Temperaturmessung im Abgaskanal wichtige Informationen zum Zustand des Abgassystems liefern. So kann beispielsweise durch eine Temperaturmessung im Abgaskanal ein Eingriff in die Motorsteuerung des Verbrennungsmotors erfolgen, um eine Überhitzung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Ferner kann über die Temperaturmessung die Lambdaregelung derart verbessert werden, dass die

Messgenauigkeit der Lambdasonden steigt und somit die Brennkraftmaschine in einem engeren Fenster um ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingeregelt werden kann.

Dadurch sinken die Rohemissionen des Verbrennungsmotors und somit die Gesamtemissionen des Kraftfahrzeuges. Aus dem Stand der Technik sind Temperatursensoren bekannt, welche eine Abgastemperatur messen und diese Information an das Motorsteuergerät des

Verbrennungsmotors senden. Diese Sensoren sind jedoch relativ teuer, sodass in der

Vergangenheit bereits Anstrengungen unternommen wurden, um die Abgastemperatur über den Heizwiderstand einer beheizbaren Lambdasonde zu ermitteln.

Aus der DE 10 2008 01 1 833 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer lambdageregelten Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Abgasanlage wenigstens einen Katalysator und wenigstens ein Heizelement zum Aufheizen der Lambdasonde auf eine Betriebstemperatur aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Leistungsfähigkeit des Heizelementes ermittelt wird und wenigstens ein korrigierter Regelparameter von der Heizelementsteuerung zum geregelten Beheizen des Heizelementes verwendet wird. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren weiter zu verbessern und unter Verwendung bereits am Kraftfahrzeug vorhandener Temperatursensoren eine

verbesserte Aussage über die Temperatur im Abgaskanal zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine gelöst, wobei die Lambdasonde in dem

Abgaskanal stromauf eines Katalysators angeordnet ist, wobei die Lambdasonde ein

Heizelement aufweist, wobei die Betriebstemperatur der Lambdasonde mittels eines

Heizungsreglers des Heizelements eingestellt wird, wobei eine Abgastemperatur der

Brennkraftmaschine durch einen Innenwiderstand der Lambdasonde ermittelt wird, und wobei mittels eines Temperatursensors eine Referenztemperatur ermittelt wird, bei der ermittelten Referenztemperatur ein Innenwiderstand des Heizelements gemessen wird, das Heizelement mit einer definierten Heizspannung beaufschlagt wird, eine Sprungantwort des

Innenwiderstands des Heizelements ausgewertet wird und anhand der Sprungantwort eine Adaption des Heizwiderstands des Heizelements erfolgt. Dadurch ist eine individuelle

Kompensation der Bauteilstreuungen des Heizwiderstandes der Lambdasonden möglich, sodass Lambdasonden-individuell eine Temperatur-Widerstandskurve der Lambdasonde errechnet werden kann und somit eine verbesserte Bestimmung der Temperatur im Abgaskanal anhand des Innenwiderstands der jeweiligen Lambdasonde möglich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Widerstand des Heizelements und zu einem späteren Zeitpunkt ein zweiter Widerstand des Heizelements ausgewertet wird. Durch eine zweifache Auswertung des Innenwiderstands des Heizelements ist eine einfache Erstellung einer Korrekturfunktion der Lambdasonde möglich.

Vorzugsweise erfolgt die Adaption des Widerstands in Abhängigkeit von drei

Widerstandsmessungen des Heizelements, wobei eine erste Widerstandsmessung bei einer durch den Temperatursensor ermittelten Temperatur erfolgt und zwei weitere

Widerstandsmessungen bei unbekannten Temperaturen erfolgen und anhand des gemessenen Innenwiderstand R, ein Lambdasonden-individueller Heizwiderstand R _h für das Heizelement der Lambdasonde errechnet wird. Dadurch existieren drei Temperaturmessungen, eine bei der bekannten Temperatur und zwei weitere bei unbekannten Temperaturen. Es kann ein

Zusammenhang zwischen dem Innenwiderstand R, und dem Heizwiderstand R _h hergestellt werden, um auf die Größe des Lambdasonden-individuellen Heizwiderstands R _h beziehungsweise eine Abweichung von einem Heizwiderstand einer Norm-Lambdasonde zu schließen. Dadurch können Bauteilstreuungen beim Heizwiderstand kompensiert und somit ein verbessertes Modell zur Berechnung der Abgastemperatur bereitgestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass als

Referenztemperatur die Umgebungstemperatur vorgesehen ist. In der Regel ist an

Kraftfahrzeugen ein Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur vorhanden,

beispielsweise um den Fahrzeugführer über ein Display mit dieser Information zu versorgen, die Heizung beziehungsweise Klimaanlage des Fahrzeugs zu regeln oder um den Fahrzeugführer vor Glatteis zu warnen. Durch einen solchen Temperatursensor und eine genaue

Temperaturmessung kann das Abgastemperaturmodell durch einen Sensorwert plausibilisiert werden, was die Modellierung über das gesamte Abgassystem der Brennkraftmaschine verbessert.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein adaptierter

Heizwiderstand R _h in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine abgelegt wird. Somit steht der korrigierte Heizwiderstand für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine zur Verfügung und muss nicht ständig neu ermittelt werden. Zudem kann die Messung zur Korrektur des

Heizwiderstands R _h in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, um eine Alterung der Lambdasonde beziehungsweise eine Veränderung des Heizwiderstands über die Laufzeit der Lambdasonde zu kompensieren.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren vor einem Startvorgang der Brennkraftmaschine gestartet beziehungsweise durchgeführt wird. Vor dem Start der Brennkraftmaschine beziehungsweise nach einem längeren Stillstand der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeuges entspricht die Temperatur der Lambdasonde im Wesentlichen der Umgebungstemperatur. Somit kann der Innenwiderstand R, des Heizwiderstands der Lambdasonde bei einer genau bekannten Temperatur ermittelt werden, wodurch eine stabile Stützstelle für das Modell zur Berechnung der Abgastemperatur gebildet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das

Verfahren durch einen Türkontaktschalter, einen Gurtschloss-Sensor oder einen Sensor zur Erkennung einer Sitzbelegung eines Kraftfahrzeuges gestartet wird. Vor dem Startvorgang eines Kraftfahrzeuges öffnet der Fahrzeugführer in der Regel die Fahrertür, setzt sich auf den Fahrersitz, schließt den Gurt und startet das Fahrzeug und somit die Brennkraftmaschine. Somit sind ein Türkontaktschalter, ein Gurtschloss-Sensor oder eine Sensor zur Erkennung einer Sitzbelegung des Fahrersitzes gut geeignet, um vor dem Start des Verbrennungsmotors ein entsprechendes Verfahren zu starten. Dabei sind in der Regel sowohl für einen nicht geschlossenen Türkontakt oder für einen nicht angelegten Sicherheitsgurt entsprechende Warneinrichtungen vorhanden, deren Signal einfach an das Steuergerät der

Brennkraftmaschine weitergeleitet werden kann, um das Verfahren zu starten.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Korrektur einer Kennlinie einer Lambdasonde in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei in dem Abgaskanal ein Katalysator angeordnet ist, wobei in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine durch den Abgaskanal stromauf des Katalysators die Lambdasonde angeordnet ist, wobei die Betriebstemperatur der Lambdasonde mittels eines Heizungsreglers des Heizelements einstellbar ist, wobei eine Abgastemperatur der Brennkraftmaschine durch einen

Innenwiderstand der Lambdasonde ermittelbar ist, wobei ein Temperatursensor zur Ermittlung einer Referenztemperatur vorgesehen ist, und wobei die Vorrichtung ein Steuergerät aufweist. Durch eine solche Vorrichtung lässt sich auf einfache Weise ein in den vorherstehenden Abschnitten beschriebenes Verfahren durchführen. Mit einer solchen Vorrichtung kann eine verbesserte Berechnung der Temperatur im Abgaskanal anhand des Heizwiderstands der Lambdasonde erfolgen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen

Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb einer

Lambdasonde

Figur 2 ein Ablaufschema zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 32 mit einer Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 32 weist einen Abgaskanal 12 auf, in welchem ein Katalysator 14, vorzugsweise ein Drei-Wege- Katalysator, angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 10 ist über eine in Abgasstromrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine 10 stromauf des Katalysators 14 angeordnete

Lambdasonde 20 durch ein Steuergerät 18 regelbar, wobei die Brennkraftmaschine 10 vorzugsweise alternierend mit geringem Luftüberschuss und geringem Kraftstoffuberschuss um ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Die Lambdasonde 20 ist vorzugsweise als Breitbandsonde ausgebildet und weist ein regelbares Heizelement 22, vorzugsweise einen Heizwiderstand, auf. Zur Regelung des Heizelements 22 ist ein

Heizungsregler 24 vorgesehen, welcher beispielsweise in das Steuergerät 18 des

Verbrennungsmotors 10 integriert sein kann oder als separates Bauteil ausgebildet ist.

An dem Kraftfahrzeug 32 ist ein Temperatursensor 16 angeordnet, mit welchen eine, vorzugsweise im Wesentlichen konstante Temperatur, insbesondere die

Umgebungstemperatur, erfasst werden kann. An dem Kraftfahrzeug 32 sind ferner Sensoren 26, 28, 30 verbaut, welche als Türkontakt-Schalter 26, als Gurtschloss-Sensor 28 oder als Sensor 30 zur Erkennung der Sitzbelegung ausgebildet sind.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird die Lambdasonde 20 sowohl über das heiße Abgas der Brennkraftmaschine als auch über das Heizelement 22 beheizt und auf eine vordefinierte Betriebstemperatur geregelt. Bei heißem Abgas ist grundsätzlich die Heizleistungsanforderung an das elektrische Heizelement 22 gering, weil ein größerer Wärmestrom über das Abgas zur Lambdasonde 20 zugeführt wird. Das elektrische Heizelement 22 basiert auf einem ohmschen Widerstand. Die angelegte Spannung U ist quadratisch proportional zur Heizleistung des Heizelements 22. Der Heizwiderstand R _h des Heizelements 22 bestimmt, wieviel Spannung angelegt werden muss, um die Zieltemperatur einzuregeln. Zielwert dieser Regelung ist der Innenwiderstand R, des Heizelements 22 der Lambdasonde 20.

Der funktionale Zusammenhang lässt sich wie folgt beschreiben:

P _h = U ^* l = U ² / R _h

Wobei P _h die Heizleistung, U die Heizspannung, I der fließende Strom und R _h der

Heizwiderstand sind.

Der Heizwiderstand unterliegt Fertigungstoleranzen, sodass im Betrieb der Lambdasonde 20 unterschiedliche Heizleistungen angefordert werden, um den zielwertigen Innenwiderstand R, zu erreichen. Diese Toleranzen müssen adaptiert werden. Daher ist ein Abgleich zu bestehenden Temperatursensoren 16 hilfreich. Bevorzugt wird dieser bei kalter und stehender Brennkraftmaschine 10 über einen Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur durchgeführt. Das Steuergerät 18 kann beispielsweise über einen Türkontakt-Sensor 26 eine Adaptionsroutine starten, mit der eine definierte Heizspannung U _h an die Lambdasonde 20 gebracht wird und die Sprungantwort des Innenwiderstands R, des Heizelements 22

ausgewertet wird. Der Gradient des Innenwiderstands R, ist bei Lambdasonden 20 mit geringerem Heizwiderstand R _h des Heizelements 22 höher als bei Lambdasonden 20 mit maximal zulässigem Heizwiderstand.

Die Temperatur der Lambdasonde ist proportional zum Innenwiderstand R, des Heizelements 22. Es gilt: T ~ R, , wobei R, der Innenwiderstand des Heizelements 22 und T die Temperatur der Lambdasonde 20 ist.

Der Innenwiderstand R, ist ferner proportional zur eingebrachten Heizleistung P _h. Es gilt: R, ~ P _h . Damit ist die Temperatur an der Lambdasonde 20 invers proportional zum Heizwiderstand R _h . Es gilt:

In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Lambdasonde 20 dargestellt.

In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird die Umgebungstemperatur durch den

Temperatursensor 16 gemessen. In einem zweiten Verfahrensschritt <1 10> erfolgt eine

Messung des Innenwiderstands R, zum Zeitpunkt t ₀ , also bei Umgebungstemperatur und bevor die Lambdasonde 20 beziehungsweise das Heizelement mit einer definierten Heizspannung beaufschlagt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt <120> wird eine definierte

Heizspannung U _h auf das Heizelement 22 bei kalter Lambdasonde 20 gegeben. Zu einem ersten Zeitpunkt t-ι erfolgt in einem Verfahrensschritt <130> ein zweite Messung des

Innenwiderstandes R, des Heizelements 22. Nach Ablauf einer weiteren Verzugszeit erfolgt zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt t ₂ eine erneute Messung des Innenwiderstands R, des Heizelements 22. In einem folgenden Verfahrensschritt <140> wird die Adaptionsroutine beendet und der gelernte, adaptierte Wert der Heizspannung R _h im Steuergerät 18 gespeichert.

Dadurch, dass drei Messungen des Innenwiderstands R,, eine bei bekannter (Umgebungs-) Temperatur und zwei weitere bei unbekannten Temperaturen erfolgen, kann ein Zusammenhang zwischen R, und R _h hergestellt werden, um auf die Größe des adaptierten Heizwiderstands R _h beziehungsweise den Abstand zu einem normierten Heizelement 22 zu schließen.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird die Lambdasonde 20 sowohl mit dem elektrischen Heizelement 22 als auch durch das Abgas der Brennkraftmaschine 10 beheizt. Mit dem bekannten und adaptierten Heizwiderstand R _h des Heizelements 22 und der angelegten Heizspannung U _h kann somit eindeutig und zuverlässig auf die Temperatur des Abgases an der Lambdasonde 20 geschlossen werden. Damit werden die Nachteile eines unadaptierten Heizelements 22 überwunden und somit eine größere Genauigkeit bei der

Temperaturermittlung erreicht. Durch eine genauere Temperaturermittlung über dieses

Verfahren kann das Abgastemperaturmodell einen zusätzlichen Sensorwert zur

Plausibilisierung erlangen, welches die Modellierung über das gesamte Abgassystem verbessert.

Bezugszeichenliste

10 Brennkraftmaschine

12 Abgaskanal

14 Katalysator

16 Temperatursensor

18 Steuergerät

20 Lambdasonde

22 Heizelement

24 Heizungsregler

26 Türkontaktschalter

28 Gurtschloss-Sensor

30 Sensor zur Erkennung der Sitzbelegung

32 Kraftfahrzeug

I Stromstärke

P _h Heizleistung

R _h Heizwiderstand

R, Innenwiderstand

T Temperatur

U Spannung t ₀ Messzeitpunkt vor Aufbringen der Heizspannung t-ι erster Messzeitpunkt

t ₂ zweiter Messzeitpunkt