Titel

Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde

Stand der Technik

In Zusammenhang mit an sich bekannten Breitband-Lambdasonden, die eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweisen, und dem an sich bekannten Betrieb, bei dem mit der Pumpzelle eine konstante Nernstspannung eingeregelt wird, wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um zu vermeiden, dass an der Pumpzelle der Lambdasonde unerwünscht hohe und sie somit potentiell schädigende Pumpspannungen angelegt werden. Der zugrundeliegende Schädigungsmechanismus wird auch als „Blackening“ bezeichnet, entsprechend einer Schwarzfärbung, die bei der elektrochemischen Zersetzung einer Zirkondioxidkeramik beobachtbar ist.

In der DE 10 2011 007 068 Al wird ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Breitband-Lambdasonde mit folgenden Schritte vorgeschlagen: Die Pumpspannung wird bei temporär abgeschaltetem Pumpstrom gemessen und mit einem vorgegebenen maximalen Schwellenwert verglichen. Bei Überschreiten des Schwellenwertes wird der Pumpstromregler deaktiviert und es wird entweder der Pumpstrom abgestellt oder der Pumpstrom mittels eines separaten Reglers so geregelt, dass die Pumpspannung innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt.

In der DE 10 2018 201 479 Al wird ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Breitband-Lambdasonde vorgeschlagen, wobei die Breitband-Lambdasonde eine Nernstzelle und eine Pumpzelle aufweist, wobei an die Pumpzelle eine Pumpspannung oder ein Pumpstrom angelegt wird, die abhängig von einer der Sauerstoffkonzentration im Abgas entsprechenden, an der Nernstzelle abgenommenen Nernstspannung mit Hilfe den Pumpstrom regelnden Pumpstromreglers eingestellt wird, und wobei vorgesehen ist, dass momentane Werte der an die Pumpzelle angelegten, bestromten Pumpspannung und des Innenwiderstandes der Pumpzelle ermittelt werden, dass aus den ermittelten Werten der bestromten Pumpspannung und des Innenwiderstandes der Pumpzelle ein Wert der unbestromten Pumpspannung berechnet wird, dass der berechnete Wert der unbestromten Pumpspannung wenigstens mit einem ersten Schwellenwert der unbestromten Pumpspannung für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoff- Luftgemisch und/oder mit einem zweiten Schwellenwert der unbestromten Pumpspannung für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoff-Luftgemisch verglichen wird, und dass beim Überschreiten des ersten Schwellenwertes und/oder beim Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes der unbestromten Pumpspannung eine Schutzfunktion zum Schutz der Breitband- Lambdasonde vor einer zu hohen Pumpspannung aktiviert wird.

Aus der WO20178221 Al ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Breitbandlambdasonde bekannt, wobei die Stellgröße Pumpstrom zum Schutz der Pumpzelle mittels einer weiteren Wirkungsschleife einer Beschränkung durch einen oberen Grenzwert und/oder durch einen unteren Grenzwert unterworfen ist, wobei der obere Grenzwert und/oder der untere Grenzwert jeweils in Abhängigkeit von dem Pumpstrom, von der Pumpspannung und von dem Innenwiderstand der Pumpzelle variabel bestimmt wird.

Nachteilhaft ist an den bekannten Verfahren, dass es insbesondere während eines Aufheizvorganges der Breitbandlambdasonden oder bei hochohmigen Breitbandlambdasonden zu einem ständigen Ab- und Zuschalten („Toggeln“) des Pumpstromes kommen kann, was den Betrieb der Breitbandlambdasonde stört oder sie sogar geschädigten kann.

Vorteile der Erfindung

Eine weitere Lösung der eingangs formulierten Aufgabe stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar. Es sieht vor, dass der Pumpstrom zum Schutz der Pumpzelle durch eine obere Grenze und/oder durch eine untere Grenze aktiv limitiert ist, wobei die obere Grenze und/oder die untere Grenze jeweils variabel festgelegt werden, indem eine die Temperatur der Breitbandlambdasonde repräsentierende Größe ermittelt wird, und die obere Grenze und die untere Grenze als Funktion der die Temperatur der Breitbandlambdasonde repräsentierenden Größe bestimmt wird.

Die aktive Limitierung sieht insbesondere vor, dass zunächst ein nicht limitierter Stromwert bestimmt wird und der diesem Wert entsprechende Pumpstrom nur unter der Bedingung erzeugt und an die Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde ausgegeben wird, dass er größer ist als der untere Grenzwert und kleiner als der obere Grenzwert.

Andernfalls wird der Pumpstrom ausgegeben, der dem unteren Grenzwert entspricht, falls der nicht limitierte Stromwert kleiner ist als der untere Grenzwert und der Pumpstrom ausgegeben, der dem oberen Grenzwert entspricht, falls der nicht limitierte Stromwert größer ist als der obere Grenzwert.

Dabei ist es bevorzugt, dass die die Temperatur der Breitbandlambdasonde repräsentierende Größe der Innenwiderstand der Nernstzelle ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass es den Pumpstrom Ip bereits begrenzt, bevor Pumpspannungswerte auftreten, die zur Schädigung der Pumpzelle führen können, und dass der Pumpstrom insbesondere nur so stark wie nötig begrenzt wird.

Die Stromlimitierung erfolgt insbesondere bei geringerer Temperatur der Breitbandlambdasonde auf einen geringeren Strom. Das hat den Vorteil, dass relativ kalte Sonden, die besonders empfindlich gegen das oben erwähnte Blackening sind, wirksam geschützt werden, während der Betrieb von heißen Sonden, die eine derartige Empfindlichkeit kaum oder nicht aufweisen, weitgehend unbeeinträchtigt erfolgen kann.

Innerhalb eines Intervalls der Temperatur der Breitbandlambdasonde, die der Betriebstemperatur der Breitbandlambdasonde entspricht, z.B. oberhalb 550°C, erfolgt die Stromlimitierung auf einen höheren Wert oder ist optional sogar weitgehend aufgehoben.

Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet Instabilitäten des Regelkreises, da der Eingriff in den Pumpstrom keine Rückwirkung auf die Temperatur der Breitbandlambdasonde hat.

Der Zusammenhang des oberen Grenzwerts und/oder des unteren Grenzwerts kann einerseits analytisch gegeben sein oder über ein Kennfelder hinterlegt sein.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass darüber hinaus auch die Änderungsrate des Pumpstroms einer oberen und/oder unteren Limitierung unterworfen wird. Dies kann beispielsweise mittels einer Signalfilterung implementiert werden. Ein Vorteil dieser Maßnahme besteht insbesondere darin, dass bei sehr schneller Aufheizung der Breitbandlambdasonde eine zu rasche Lockerung der Stromlimitierung vermieden wird. Diese könnte nämlich beispielsweise bei Temperatur-Inhomogenität in der Breitbandlambdasonde potenziell zu Schädigungen führen.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt insbesondere die Existenz einer Breitbandlambdasonde mit einer elektrochemischen Nernstzelle und einer von dieser separaten elektrochemischen Pumpzelle voraus. Eine Alternative besteht darin, dass die Breitbandlambdasonde lediglich eine einzige elektrochemische Zelle aufweist, die, beispielsweise zeitlich intermittierend, sowohl die Funktion einer Pumpzelle, als auch die Funktion einer Nernstzelle hat.

Die Erfindung betrifft neben dem dargestellten Verfahren auch ein entsprechendes Computerprogramm, einen entsprechenden Datenträger und ein entsprechendes Steuergerät.

Zeichnung

Figur 1 zeigt exemplarisch einen Regelkreis zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 2 zeigt exemplarisch das erfindungsgemäße Verfahren als

Flussdiagramm.

Figur 3 zeigt exemplarisch den Verlauf der oberen und der unteren Grenze und des Pumpstroms bei dem Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figur 1 zeigt exemplarisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine an sich bekannte Breitbandlambdasonde 10 (zu Details siehe beispielsweise der eingangs genannte Stand der Technik) ist hier lediglich schematisch gekennzeichnet. Ihr sind als Eingangsgröße der Pumpstrom Ip und als Ausgangsgrößen die Nernstspannung Un und die Pumpspannung Up zugeordnet.

Hinsichtlich der an sich ebenfalls bekannten Funktionalität der Breitbandlambdasonde 10, den Sauerstoffgehalt eines Messgases zu bestimmen, wird ebenfalls auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen.

Ein mit der Breitbandlambdasonde 10 verbundenes Steuergerät 20 ermittelt auf Basis des Innenwiderstands Ri der Nernstzelle der Breitbandlambdasonde 10 im Rechenschritt 21 die Temperatur T der Breitbandlambdasonde 10 und daraus im Rechenschritt 22 den Wert der oberen Grenze IPMax und den Wert der unteren Grenze IPMin.

Das Steuergerät 20 führt in diesem Beispiel das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass ein Differenzbildner 23 des Steuergeräts 20 die Regeldifferenz aus der Nernstspannung Un und einer hinterlegten Sollspannung Unset (zum Beispiel 450 mV) berechnet; dass der Un- Regler 24 auf Basis der ihm eigenen Regelverstärkung, mit beispielsweise differentiellen, proportionalen und integralen Anteilen, einen nicht limitierten Stromwert Ipunl bestimmt. Der diesem Wert entsprechende Pumpstrom Ip wird jedoch nur unter der Bedingung erzeugt und an die Pumpzelle der Breitband- Lambdasonde 10 ausgegeben, dass er größer ist als die untere Grenze IPMin und kleiner als die obere Grenze IPMax.

Wenn das nicht der Fall ist, gibt der Un-Regler 24 folgende Ströme an die Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde aus: die untere Grenze, falls der nicht limitierte Stromwert Ipunl kleiner ist als die untere Grenze; die obere Grenze, falls der nicht limitierte Stromwert Ipunl größer ist als die obere Grenze.

Optional ist es zusätzlich vorgesehen, dass vor Ausgabe des Pumpstroms Ip überprüft wird, ob die zeitliche Änderung des auszugebenden Pumpstroms Ip innerhalb vorgegebener Schranken liegt und, wenn das nicht der Fall ist, nicht der auszugebende Pumpstrom Ip ausgegeben wird, sondern ein entsprechend korrigierter Pumpstrom lp‘ ausgegeben wird, dessen zeitliche Änderung nur so groß ist, wie es gemäß der vorgegebenen Schranken tolerierbar ist.

Die Schritte des beispielhaften Verfahrens sind in dem in der Figur 2 gezeigten Flussdiagramm nochmals zusammengefasst. Dabei ist:

- Schritt VI: Bestimmen des Innenwiderstands Ri der Nernstzelle der Breitbandlambdasonde 10. Beispielsweise kann ein Strompuls durch die Nernstzelle generiert werden und der durch den Strompuls über der Nernstzelle verursachte Spannungspuls ausgewertet werden. - Schritt V2: Ermittlung der Temperatur der Breitbandlambdasonde 10 in einer beliebigen Temperaturskala.

- Schritt V3: Ermittlung der oberen Grenze IPMax und der unteren Grenze IPMin aus der Temperatur der Breitbandlambdasonde 10 auf Basis einer hinterlegten analytischen Funktion oder eines hinterlegte Kennfelds.

- Schritt Vll: Berechnen der Regeldifferenz aus der Nernstspannung Un und einer hinterlegten Sollspannung Unset.

- Schritt V12: Bestimmen eines einen nicht limitierten Stromwert Ipunl gemäß einer Reglercharakteristik.

- Schritt V13: Limitierung des unlimitierten Stromwerts IPuni auf Basis der oberen und der unteren Grenze IPMax, IPMin, sodass sich der Pumpstrom Ip ergibt.

- Schritt V14: Limitierung der Änderung des Pumpstroms auf Basis der oberen und der unteren Schranke sodass sich der korrigierter Pumpstrom lp‘ ergibt.

- Schritt V15: Ausgabe des korrigierten Pumpstroms lp‘ an die Pumpzelle der Breitbandlambdasonde 10.

Das Beispiel ist ferner in der Figur 3 veranschaulicht. Dargestellt ist ein Aufheizprozess der Breitbandlambdasonde 10. Insofern repräsentiert die dargestellte Rechtsachse 30 zugleich die Temperatur T der Breitbandlambdasonde 10, als auch die Zeit t des Aufheizprozesses. Die Hochachse 40 repräsentiert Ströme Ip durch die Pumpzelle.

Im Diagramm stellen die durchgezogenen Linien die obere und die untere Grenze IPMax, IPMin dar. Für Temperaturen T kleiner als T0 wird kein von 0 mA verschiedener Pumpstrom Ip zugelassen. Für zunehmend größere Temperaturen T wird die obere Grenze IPMax zunehmend höher und die untere Grenze IPMin zunehmend niedriger zugeordnet. Für Temperaturen T, die größer als TI sind, nehmen die Grenzen IPMax, IPMin konstante Werte an, die den laut Sensorspezifikationen maximal erlaubten Pumpströmen entsprechen.

Gestrichelt dargestellt ist der tatsächliche Verlauf des an die Pumpzelle ausgegebenen Pumpstroms Ip. Ab dem Zeitpunkt tO, zu dem sich die Breitbandlambdasonde 10 auf die Temperatur T0 aufgeheizt hat, nimmt der Pumpstrom Ip von 0 mA im allgemeinen verschiedene Werte an. Charakteristisch für die vorliegende Erfindung ist es, dass der an die Pumpzelle ausgegebenen Pumpstrom Ip stets innerhalb des durch die obere Grenze IPMax und die untere Grenze IPMin limitierten Intervalls verbleibt. Auf diese Weise wird im Beispiel eine Schädigung der Pumpzelle der

Breitbandlambdasonde 10 sicher ausgeschlossen