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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Abgassonde, bei dem die Temperatur der Abgassonde durch Messung
des Innenwiderstandes Ri der Abgassonde
bestimmt wird.
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Stand der Technik
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Zur
Reinigung der Abgase von Verbrennungsmaschinen werden heute in der
Regel Katalysatoren eingesetzt. Für eine optimale Funktion
der Katalysatoren sind bestimmte Verhältnisse der Komponenten
im Abgas erforderlich. Um diese Verhältnisse entsprechend
einstellen zu können, werden Abgassonden eingesetzt, die
zur Messung der Konzentration einer bestimmten Komponente im Abgas vorgesehen
sind. Insbesondere werden hierfür Sauerstoffsonden, sogenannte
Lambdasonden, eingesetzt.
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Im
Prinzip weisen Sauerstoffsonden einen zwischen zwei Elektroden liegenden
ionenleitenden Festelektrolyten auf. Die beiden Elektroden sind
mit einer Messspannung beaufschlagbar. Je nach Sauerstoffgehalt
und dem zu messenden Gas stellt sich ein Grenzstrom bzw. eine Nernstspannung
ein, die von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration an den
Elektroden abhängig ist.
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Um
die notwendige Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten
zu erreichen, ist eine bestimmte Betriebstemperatur der Abgassonde
erforderlich. Zudem hängt die Messgenauigkeit von der Temperatur der
Sonde ab. Daher ist es im Allgemeinen erforderlich, die Sonde zu
beheizen und die Temperatur zu kontrollieren und gegebenenfalls
zu regeln. Zur Messung der Temperatur wird in der Regel auf ein
separates Thermoelement verzichtet. Stattdessen kann auf den stark
temperaturabhängigen Innenwiderstand Ri der
Abgassonde zurückgegriffen werden, um ein Messsignal für
die Sensortemperatur zu erhalten.
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Bei
einer reinen Zweipunktsonde wird herkömmlicherweise eine
gepulste Ri-Messung eingesetzt. Hierfür
wird zu Diagnosezwecken in einem niederfrequenten Bereich, zum Beispiel
kleiner als 1 Hz, ein Stromimpuls von 0,5 mA bis 1 mA für
die Dauer von 1–10 ms als Belastung auf die Sonde aufgeschaltet.
Cirka 1 ms nach Einschalten des Stroms wird die Spannungserhöhung
gemessen. Der so gemessene Innenwiderstandswert ist ausreichend
stabil und genau, um eine Aussage über die Temperatur der
Sonde zu erlauben. Allerdings hat dieses Verfahren den Nachteil,
dass durch jede Beaufschlagung der Sonde mit einem Stromimpuls zu
Diagnosezwecken eine Polarisation der Sonde hervorgerufen wird. Diese
Polarisation muss sich erst abbauen, bevor die Sonde wieder für
eine Messung der Nernstspannung als Abgasmessung zur Verfügung
steht. Insbesondere bei gealterten und ausgekühlten Sonden
sind daher relativ lange Erholphasen erforderlich, bevor die Sonde
für die Abgasmessung wieder zur Verfügung steht.
Insbesondere kann diese Erholphase 20–30 ms erfordern.
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Bei
stetigen Lambdasonden, insbesondere bei Breitband-Lambdasonden,
wird die Nernstspannung konstant eingeregelt. Die Regelgröße
dieser Regelung, der Pumpstrom, ist das Ausgangssignal der Abgassonde
und wird als kontinuierlicher Messwert für die Luftzahl
Lambda herangezogen. Auch die Temperatur der Sonde wird meist auf
einen Sollwert eingeregelt, da die Sonde in einem engen Temperaturbereich
betrieben werden muss, um die Funktionsweise und Charakteristik
der Sonde zu gewährleisten. Zur Einregelung der Temperatur
ist eine Temperaturmessung erforderlich. Wie eingangs beschrieben,
wird hierfür in der Regel der stark temperaturabhängige
Innenwiderstand Ri der Sonde herangezogen.
Da bei einer stetigen Lambdasonde die Temperatur sehr schnell und
genau um den Sollwert einzuregeln ist, muss eine Temperaturmessung
mit hoher Frequenz, insbesondere mit einer Wiederholrate von mindestens
10 Hz, durchgeführt werden. Der Einsatz eines gepulsten
Messverfahrens schränkt die kontinuierliche Messung der
Lambdasonde erheblich ein, da während der mit den Messpulsen
einhergehenden Polarisation der Sonde eine Regelung der Nernstspannung
nicht möglich ist und daher kein Messwert für
O2 erfasst werden kann.
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Um
diesen Nachteil zu vermeiden, wird herkömmlicherweise die
Innenwiderstandsmessung der Sonde durch eine Beaufschlagung der
Nernstzelle mit einem Wechselstrom vorgenommen, indem die sich hierbei
einstellende Spannung entsprechend ausgewertet wird. Die erforderliche
Gleichstromfreiheit wird beispielsweise durch eine kapazitive Entkopplung
gewährleistet, indem der Wechselstrom über einen
Kondensator auf die Nernstzelle aufgeprägt wird. Bei Sonden
mit gepumpter Referenz wird zusätzlich die Nernstzelle
mit einem Gleichstrom beaufschlagt, der über eine eigenständige
Stromquelle erzeugt wird. Der Wechselstrom weist eine eigene Frequenz
auf, zum Beispiel 3 KHz, die außerhalb des Frequenzbandes
liegt, in dem die Nernstspannung geregelt wird. Daher kann man dieses
Wechselstromsignal aus der Regelgröße, die zur
Messung von O
2 bzw. zur Ermittlung der Luftzahl
Lambda ausgewertet wird, herausfiltern. Die Herausfilterung der durch
den angelegten Wechselstrom induzierten Störung, insbesondere
diese hochfrequente Störung, ist jedoch nur eingeschränkt
möglich und erfordert einen verhältnismäßig
hohen technischen Aufwand. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 100 29 795 A1 beschreibt
beispielsweise eine Vorrichtung zum Messen des Innenwiderstandes
einer linearen Lambdasonde, die einen Spannungsverstärker
und einen Synchrondemodulator aufweist. Die Spannungsverstärkung
ist mit der Frequenz der am Innenwiderstand abfallenden Wechselspannung
zwischen zwei vorgegebenen Werten umschaltbar und das Ausgangssignal
wird mittels eines Filters geglättet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe,
ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Temperatur einer Abgassonde
durch Messung des Innenwiderstandes Ri der
Abgassonde beim Betreiben der Abgassonde bestimmt werden kann. Mit
dem Verfahren sollen aufwendige Lösungen zur Temperaturmessung
vermieden und gleichzeitig möglichst wenig Störimpulse
im System erzeugt werden, um eine nahezu kontinuierliche Messung
von O2 zu ermöglichen. Es soll
also ohne besonderen technischen Aufwand die Einregelung der Temperatur
durch eine ausreichend hohe Frequenz der Innenwiderstandsmessung
ermöglicht werden, wobei die Störung des Ausgangssignals
der Abgassonde minimal gehalten werden soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen dieses
Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
einer Abgassonde, insbesondere einer Lambdasonde, weist die Abgassonde
wenigstens ein Heizelement zum Erreichen der Betriebstemperatur der
Abgassonde auf. Die Bestimmung der Temperatur der Sonde wird durch
Messung des Innenwiderstandes Ri vorgenommen.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des
Innenwiderstandes Ri durch Anlegen bzw.
Aufprägen von diskreten bipolaren Messimpulsen erfolgt.
Die bipolaren Messimpulse umfassen insbesondere Puls und Gegenpuls.
Als Reaktion auf die Messimpulse ändert sich in Abhängigkeit
von dem temperaturabhängigen Innenwiderstand Ri die
Nernstspannung UN und kann als Maß für
die Sondentemperatur ausgewertet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren vermeidet nahezu vollständig
die Nachteile von herkömmlichen Verfahren zur gepulsten
Innenwiderstandsmessung. Das aus dem Stand der Technik bekannte
Anlegen von Stromimpulsen zur Erfassung von temperaturabhängigen
Spannungsänderungen, das heißt also zur Innenwiderstandsmessung,
bewirkt eine Polarisation der Sonde, die zunächst abgebaut
werden muss, bevor die Verwendung der Nernstspannung als Eingangssignal
für die Regelung des Pumpstroms zur Erfassung von O2-Messwerten fortgesetzt werden kann. Erfindungsgemäß ist
es demgegenüber vorgesehen, dass jeder Messimpuls bipolar
angelegt wird, das heißt, dass jedem Puls ein Gegenpuls
mit entgegengesetztem Vorzeichen folgt. Beispielsweise folgt einem
ersten positiven Puls ein negativer Puls. Hierdurch wird eine Polarisation
der Sondenelektroden durch den angelegten bipolaren Messimpuls weitgehend
vermieden. Die im Stand der Technik durch den angelegten Diagnosestrom
induzierte Polarisation, die die O2-Messung,
das heißt die Einregelung des Pumpstroms, stört,
ist sehr gering. Der verbleibende Messfehler der Nernstspannung
ist vernachlässigbar. Das erfindungsgemäße
gepulste Messverfahren zur Innenwiderstandsmessung ist im Vergleich
mit Wechselströmen zu Diagnosezwecken mit sehr geringem
Aufwand realisierbar, so dass es mit großem Vorteil einsetzbar
ist.
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Die
bipolaren Messimpulse im erfindungsgemäßen Verfahren
können aus wenigstens einem positiven Puls gefolgt von
wenigstens einem negativen Gegenpuls bestehen. In anderen Ausführungsformen
kann zunächst wenigstens ein negativer Puls gefolgt von
wenigstens einem positiven Gegenpuls angelegt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die bipolaren Messimpulse
sehr kurz, beispielsweise 0,1 ms bis 5 ms. Besonders bevorzugt sind
bipolare Messimpulse, die für eine Zeitdauer von cirka
0,5 ms bis 1 ms pro Puls bzw. Gegenpuls angelegt werden. Durch die
Kürze der Messimpulse zu Diagnosezwecken wird der Einfluss
auf die Nernstspannung und damit auf die Einregelung des Pumpstroms
zur Messung von O2 vernachlässigbar
gering. Die kurzen Messimpulse sind dennoch ausreichend, um die Spannungsänderung
als Maß für den Innenwiderstand Ri der
Sonde zu erfassen. Im Gegensatz zu im Stand der Technik angelegten
Wechselströmen zur Messung des Innenwiderstandes haben
die diskreten bipolaren Messimpulse der vorliegenden Erfindung den
Vorteil, dass ein Herausfiltern von bestimmten Frequenzen nicht
erforderlich ist.
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Bei
einer diskreten Abtastung der Nernstspannung können die
Pulsdauern der bipolaren Messimpulse mit Vorteil in entsprechender
Größenordnung wie die Auswertezeiten der Nernstspannung angelegt
werden. Beispielsweise kann bei einer Auswertezeit der Nernstspannung,
insbesondere einer Analog-Digital-Wandlung (ADC), von 1 ms der erste Puls
des bipolaren Messimpulses für eine Zeitdauer von ebenfalls
cirka 1 ms und der Gegenpuls für 1 ms oder weniger angelegt
werden. Hierdurch wird die der Nernstspannung aufgeprägte
Störung so klein bzw. vernachlässigbar, dass eine
Ausblendung der Nernstspannung für zum Beispiel 1 ms bis
2 ms die Regelung der Nernstspannung auf beispielsweise 450 mV nicht
beeinträchtigt
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Heizelement der Abgassonde getaktet angesteuert, beispielsweise
durch eine übliche Pulsweitenmodulation (PWM) der Endstufe
des Sondenheizers, und die bipolaren Messimpulse werden mit der
Taktfrequenz der Ansteuerung des Heizelements im Wesentlichen synchronisiert.
Bei einer Pulsweitenmodulation (PWM) wird zwischen zwei Werten einer
technischen Größe gewechselt und das Tastverhältnis bei
konstanter Frequenz moduliert. Hierdurch kann die Heizspannung so
gesteuert werden, dass starke Schwankun gen der Temperatur vermieden
und die Temperatur präzise eingestellt wird. Die erforderliche Heizleistung
bzw. Heizspannung wird vorzugsweise in einem Steuergerät
berechnet und über eine entsprechende Pulsweitenmodulations-Endstufe
an den Heizer ausgegeben. Vorzugsweise fließt in die Steuerung
des Heizelements die erfindungsgemäß bestimmte
Temperatur bzw. entsprechende Werte, die die Temperatur charakterisieren,
ein. Diese Werte können beispielsweise über einen
digitalen Regelalgorithmus einfließen.
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Mit
Vorteil werden die bipolaren Messimpulse während der Einschalt-
und/oder Ausschaltphase des Heizelements, insbesondere während
der Einschalt- und/oder Ausschaltphase der Endstufe des Heizers,
angelegt. Vorzugsweise liegen die Messimpulse komplett in der Einschalt-
und/oder Ausschaltphase des Heizelements. Durch eine Synchronisation
der Wiederholfrequenz der Messimpulse mit der PWM-Taktfrequenz des
Heizelements kann vermieden werden, dass die Messimpulse während
des Wechsels zwischen Ein- und Ausschalten des Heizelements, also
während der Heizerflanke angelegt werden. Während
der Heizerflanke kann es zu einem Übersprechen der verschiedenen
Stromimpulse kommen, die die Innenwiderstandsmessung stören würden.
Insbesondere in dieser Ausführungsform stört daher
eine Kopplung der Heizung mit den Stromimpulsen, die zur Messung
des Innenwiderstands angelegt werden, die Innenwiderstandsmessung nicht.
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Die
Synchronisation mit der Taktfrequenz des Heizelements wird beispielsweise
dadurch realisiert, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren
Länge der Einschaltdauer des Heizelements bzw. der Heizerendstufe
der bipolare Messimpuls zur Messung des Innenwiderstands mit dem
Einschalten des Heizers gestartet wird. Bei einer PWM-Taktfrequenz von
beispielsweise 100 Hz kann die vorgebbare Länge der Einschaltdauer
beispielsweise 2 ms betragen. Sobald die Einschaltdauer eine gewisse
vorgebbare Länge, beispielsweise 3 ms, unterschreitet,
wird der bipolare Messimpuls mit dem Ausschalten der Heizerendstufe
des Heizers gestartet. Sobald die Einschaltdauer eine weitere gewisse
vorgebbare Länge, beispielsweise 7 ms, überschreitet,
wird der bipolare Messimpuls wieder mit dem Einschalten des Heizers gestartet.
Vorzugsweise erfolgt jeweils nur ein Messimpuls pro Einschalt- bzw.
Ausschaltphase. In besonders vorteilhafter Weise werden beide Schwellen möglichst
weit entfernt voneinander gelegt, so dass die Lage des Messimpulses
verhältnismäßig selten geändert
werden muss. In einer anderen Ausführungsform kann die
Synchronisation dadurch erfolgen, dass der bipolare Messimpuls bzw.
die Messimpulsfolge bei Unterschreiten einer vorgebbaren Länge
der Einschaltdauer oder der Ausschaltdauer, beispielsweise 7 ms,
um diese entsprechende Länge verzögert wird. Dieses
Vorgehen ist mit weniger Aufwand umsetzbar, wobei eine Synchronisation
in vergleichbarer Weise erreicht wird.
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Ein
weiterer Vorteil der Synchronisation der Frequenz der diskreten
bipolaren Messimpulse mit der Heizertaktfrequenz ist, dass die Temperaturmessung
an die thermische Trägheit der Sonde angepasst wird. In
der Regel ist eine Frequenz der Messimpulse von cirka 100 Hz ausreichend,
um eine Regelung der Heizung in ausreichender Dynamik zu ermöglichen.
In Abhängigkeit von den thermischen Eigenschaften der Abgassonde
können höhere oder niedrigere Frequenzen für
die bipolaren Messimpulse eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist
es vorgesehen, dass die Nernstspannung sowohl zur Ermittlung des
Innenwiderstandes Ri als Maß für
die Temperatur als auch als Eingangssignal für die Pumpstromregelung der
Lambdasonde erfasst wird. Mit besonderem Vorteil wird hierbei die
Nernstspannung über wenigstens eine Sample/Hold-Schaltung
erfasst, vorzugsweise über nur eine Sample/Hold-Schaltung.
Mit besonderem Vorteil ist es vorgesehen, dass die Pumpstromregelung
der Lambdasonde und/oder die Regelung des Heizelements über
einen digitalen Regelalgorithmus erfolgen, wobei die beispielsweise über
eine Sample/Hold-Schaltung erfasste Nernstspannung als Eingangsgröße
in den digitalen Regelalgorithmus einfließt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Verwendung der Nernstspannung als Eingangssignal
für die Pumpstromregelung der Abgassonde während
der Messung des Innenwiderstandes Ri bzw.
während des Anlegens der diskreten bipolaren Messimpulse ausgesetzt.
Da die bipolaren Messimpulse nur für verhältnismäßig
kurze Zeitdauern angelegt werden, ist der Einfluss der aufgeprägten
Störung auf die Nernstspannung verhältnismäßig
gering. Durch ein Aussetzen bzw. eine Ausblendung der Nernstspannung
für diesen Zeitraum wird die Regelung des Pumpstroms nicht
wesentlich beeinträchtigt. Dieses Aussetzen und ein Halten
bzw. „Einfrieren” der Werte ist sehr einfach und
ohne Aufwand zu realisieren. Der Verlust an Regelzeit liegt hierbei
im Bereich von beispielsweise 5% bis 10% und beeinflusst die Genauigkeit
und Zuver lässigkeit der Erfassung der Nernstspannung bzw.
der Regelung des Pumpstroms zur Erfassung von Werten für
O2 nicht wesentlich.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es vorgesehen, dass während der Messung
des Innenwiderstandes Ri bzw. während
des Zeitraums, in dem die bipolaren Messimpulse angelegt werden,
für die Erfassung der Nernstspannung theoretische Messwerte
ergänzt werden, indem beispielsweise für die Regelung
des Pumpstroms entsprechende theoretische Werte eingespeist werden,
die den Effekt der Messimpulse auf die Nernstspannung kompensieren,
so dass es nicht zu einer Aussetzung der Regelung des Pumpstroms und
damit zu keiner Aussetzung der Erfassung von Messwerten für
O2 während des Anlegens der bipolaren
Messimpulse und der Reaktion des Systems kommt. Mit besonderem Vorteil
kann der Einfluss der bipolaren Messimpulse auf die Nernstspannung
bzw. auf die Regelung des Pumpstroms rechnerisch kompensiert werden.
Eine rechnerische Kompensation im Hinblick auf die durch die aufgeprägten
Messimpulse beeinflusste Nernstspannung ist insbesondere dadurch
möglich, dass aufgrund der thermischen Trägheit
der Sondenkeramik sich der Innenwiderstandswert nur sehr langsam ändert
und daher davon ausgegangen werden kann, dass sich der Innenwiderstandswert
gegenüber einem Wert aus einer vorangegangenen Messung
nur unwesentlich ändert. Als Näherung kann daher
der Messwert aus der vorangegangenen Messung des Innenwiderstands
für die rechnerische Kompensation des Effekts der Messimpulse
bei der Regelung des Pumpstroms herangezogen werden. Bei sich stetig ändernden
Werten für den Innenwiderstand kann dies entsprechend bei der
rechnerischen Kompensation berücksichtigt werden, indem
Verläufe des Innenwiderstandes der rechnerischen Kompensation
zugrunde gelegt werden. Eine rechnerische Kompensation ist insbesondere
bei einer digitalen Verarbeitung der Messwerte zu realisieren. Der
besondere Vorteil hierbei besteht darin, dass der durch die bipolaren
Messimpulse verursachte Verlust an Regelzeit für die Nernstspannung
ausgeblendet werden kann. Die durch die theoretischen Werte bzw.
die rechnerische Kompensation bedingten Ungenauigkeiten sind vernachlässigbar, da
die jeweiligen Verlustzeiten nur sehr kurz sind.
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In
besonders bevorzugter Weise erfolgt die Auswertung der Innenwiderstandsmessung,
also der geänderten Nernstspannung in Folge der aufgeprägten
bipolaren Messimpulse, nach Sample/Hold des Signals der Nernstspannung.
Die Steuerung der Pumpstromquelle kann dabei entweder kontinuierlich auf
der Basis des Signals für die Nernstspannung erfolgen,
auch vor Sample/Hold, oder digital nach Wandlung des Signals für
die Nernstspannung, also nach Sample/Hold. Erfolgt die Steuerung
der Pumpstromquelle auf Basis eines diskret gewandelten Signals,
so wird vorteilhafterweise dafür die gleiche Sample/Hold-Schaltung
wie für die Erfassung der Temperatur verwendet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
es, allein durch Erfassung der Nernstspannung und insbesondere durch
Digitalisierung der entsprechenden Werte und deren digitale Bearbeitung,
sowohl Messwerte für O2 als auch
Messwerte zum Innenwiderstand und damit für eine Temperaturmessung
bereitzustellen. In besonders bevorzugter Weise wird eine Abtastung
der entsprechenden Messwerte mit wenigstens zwei Zeitkonstanten
bzw. entsprechenden Filtern vorgenommen. Eine erste Zeitkonstante
wird für eine schnelle Abtastung der Nernstspannung zur
Erfassung der Innenwiderstandswerte als Reaktion des Systems auf
die angelegten diskreten bipolaren Messimpulse eingesetzt. Eine
weitere Zeitkonstante ist für eine langsamere Abtastung
für die Messwerterzeugung bei der Pumpstromregelung zur
Messung von O2 vorgesehen. Da hier die gleiche
physikalische Größe über unterschiedliche
Messkanäle ausgewertet wird, ist dies auch für
Diagnosezwecke vorteilhaft.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Anlegen der bipolaren Messimpulse dafür
genutzt, durch entsprechende Auslegung von Puls und Gegenpuls einen
vorgebbaren effektiven Sondengleichstrom in die Sonde, insbesondere
in die Nernstzelle, anzulegen, bzw. einen aus Puls und Gegenpuls
resultierenden Sondengleichstrom in der Nernstzelle definiert zu
steuern. Bei einer symmetrischen Ausprägung von Puls und
Gegenpuls heben sich Puls und Gegenpuls gegenseitig auf, so dass
im Ergebnis kein Gleichstrom fließt. Beispielsweise eine
Verkürzung des Gegenpulses bewirkt im Ergebnis einen positiven
bzw. effektiven Strom. Dieser Strom kann beispielsweise als Referenzpumpstrom
in definierter Form gesteuert werden und beispielsweise bei Abgassonden
mit gepumpter Referenz mit Vorteil genutzt werden. Durch entsprechende
Auslegung von Puls und Gegenpuls kann beispielsweise ein Strom im
Bereich von zwischen 0 μA bis cirka 100 μA, insbesondere
cirka 0 μA bis cirka 50 μA, eingestellt werden.
Dies lässt sich beispielsweise bei einer Frequenz der bipolaren Messimpulse
von 100 Hz bei einer Pulsdauer von 0,5 ms bis 1 ms und bei einer
Pulshöhe von 0,5 mA bis 1 mA durch die Länge des
Gegenpulses realisieren.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung, die derart hergerichtet
ist, dass sie für die Durchführung eines Verfahrens
in der oben beschriebenen Weise geeignet ist. Insbesondere umfasst
diese Vorrichtung eine über wenigstens ein Heizelement beheizbare
Lambdasonde. Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit einer
Schaltungsanordnung versehen, die ein Aufprägen von diskreten
bipolaren Messimpulsen aus Puls und Gegenpuls und eine Erfassung
der Nernstspannung UN zur Messung des Innenwiderstandes
Ri als Maß für die Temperatur
der Sonde ermöglicht. Bezüglich weiterer Merkmale
dieser Vorrichtung wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm, das alle Schritte
des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem
Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer
Brennkraftmaschine abläuft. Schließlich umfasst
die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der
auf maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm
auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt
wird. Dieses Computerprogramm bzw. das Computerprogrammprodukt ist
in besonders vorteilhafter Weise dazu geeignet, eine Temperaturmessung
einer Abgassonde über Messung des Innenwiderstandes Ri zu ermöglichen, ohne wesentlich
die Verwendung der Nernstspannung für die Regelung des
Pumpstroms als Maß für die Zusammensetzung des
Abgases zu beeinflussen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Figuren im Zusammenhang mit den Unteransprüchen
und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Breitband-Lambdasonde mit einer
Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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2 eine
Breitband-Lambdasonde mit einer weiteren Schaltungsanordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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3 schematische
Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen
Verfahrens durch den zeitlichen Verlauf der Heizerspannung, der
Messimpulse und der Nernstspannung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In
der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte
Breitband-Lambdasonde 10 dargestellt. Die Lambdasonde ist
zur Messung des Restsauerstoffgehalts im Abgas vorgesehen, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch
für die Verbrennung im Verbrennungsmotor auf den Wert Lambda
= 1, das heißt für ein stöchiometrisches
Verhältnis von Luft und Kraftstoff, einregeln zu können.
Das für die Sonde 10 verwendete Keramikmaterial
hat bei höheren Temperaturen eine elektrische Leitfähigkeit,
so dass sich an den Anschlüssen der Sonde eine für
den Sauerstoffgehalt charakteristische galvanische Spannung einstellt.
Die für einen weiten Magerbereich einsetzbare Breitband-Lambdasonde 10 besteht
im Wesentlichen aus einer Kombination von einer als galvanische
Zelle wirkenden Konzentrationszelle bzw. Nernstzelle 11 und
einer Grenzstrom- bzw. Sauerstoffpumpzelle 12. Die Nernstzelle 11 steht
mit dem Messgas in einem Hohlraum 14, der beispielsweise
ringförmig ausgebildet ist und über einen Diffusionskanal 20 und
eine Diffusionsbarriere 21 mit dem Abgas in Verbindung steht,
und mit einem Referenzgas in einem Referenzluftkanal 15 in
Kontakt. Das Messgas im Hohlraum 14 wird neben dem Abgas
auch durch einen Pumpstrom beeinflusst, der in der Sauerstoffpumpzelle 12 induziert
wird und den Sauerstoff in oder aus dem Hohlraum 14 pumpt.
Hierfür wird an die Pumpzelle 12 von außen über
die Außenpumpelektrode 13 eine Spannung angelegt.
Der sich einstellende sogenannte Pumpstrom hängt vom Unterschied
der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Sonde und der eingestellten
Spannung ab. Mit dem Pumpstrom werden Sauerstoffmoleküle
transportiert. Der Pumpstrom wird durch einen Komparator bzw. eine Regelschal tung 16 so
eingestellt, dass der Sauerstoffstrom durch den elektrischen Strom
der Pumpzelle 12 den Sauerstoffstrom durch den Diffusionskanal 20 genau
ausgleicht, so dass im Messgasraum 14 der Zustand Lambda
= 1 herrscht. Der jeweilige Pumpstrom IP bildet
das Ausgangssignal der Lambdasonde 10 und ist als Pump-
oder Sondenspannung US über einem
Widerstand 17 abgreifbar.
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Die
Lambdasonde 10 umfasst weiterhin einen Heizer bzw. wenigstens
ein Heizelement 18 zur Beheizung der Sonde. Der Heizer 18 wird über
eine Heizerendstufe 19 angesteuert und mit der Heizspannung
UH beaufschlagt. Die Ansteuerung der Heizerendstufe 19 erfolgt
vorzugsweise in geregelter Weise über eine Pulsweitenmodulation
(PWM) 22.
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Die
Bestimmung der Temperatur wird durch eine Messung des Innenwiderstandes
Ri der Abgassonde vorgenommen. Hierfür
werden erfindungsgemäß diskrete bipolare Messimpulse
IRi aus Puls und Gegenpuls der Nernstzelle 11 durch
eine Puls/Gegenpuls-Erzeugung 23 bzw. einen Impulsgenerator aufgeprägt
und die Spannungsänderung im System, insbesondere die geänderte
Nernstspannung UN, als Reaktion hierauf
erfasst. Da der Innenwiderstand Ri sehr
stark temperaturabhängig ist, kann aus der gemessenen Spannungsänderung
auf die Temperatur der Abgassonde 10 geschlossen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Erfassung der durch die angelegten Messimpulse
induzierten Spannungsänderungen durch ein Abgreifen der Änderung
der Nernstspannung an einer Sample/Hold-Schaltung (S/H) 24.
Der über die Innenwiderstandsmessung erfasste Wert für die
Temperatur der Abgassonde geht vorzugsweise als Eingangssignal in
die Steuerung des Heizelements 18 über die Pulsweitenmodulation 22 ein.
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Erfindungsgemäß werden
die Messimpulse als Puls und Gegenpuls in entgegengerichteter Polarität
angelegt. Hierdurch wird erreicht, dass eine Polarisation der Abgassonde
durch den angelegten Messimpuls weitgehend vermieden wird. Die bei
herkömmlichen gepulsten Innenwiderstandsmessverfahren eintretende
Polarisation der Sonde hat den Nachteil, dass insbesondere gealterte
und ausgekühlte Sonden nach jeder Beaufschlagung mit Messimpulsen
eine relativ lange Erholphase zum Abbau der induzierten Polarisation
benötigen, bevor die Nernstspannung wieder störungsfrei
erfasst werden kann. Dieser Nachteil wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren behoben, da eine Polarisation der Sonde durch die Messimpulse
weitgehend vermieden wird.
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Mit
besonderem Vorteil wird der Zeitpunkt der Generierung der Messimpulse über
den Impulsgenerator 23, also von Puls und Gegenpuls, sowie die
Auswertung der Innenwiderstandsmessung über die Sample/Hold-Schaltung
(S/H) 24 aus dem PWM-Signal zur Heizerregelung generiert
bzw. mit der PWM-Steuerung synchronisiert.
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2 zeigt
eine Breitband-Lambdasonde 30 mit einer weiteren Schaltungsanordnung
zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Verschiedene
Elemente der Breitband-Lambdasonde in dieser Ausführungsform
entsprechen den Elementen der in 1 gezeigten
Lambdasonde 10 und sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten
Ausführungsform wird bei dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens die Nernstspannung,
die über die Sample/Hold-Schaltung 24 erfasst
wird, sowohl zur Ermittlung des Innenwiderstandes Ri als
Maß für die Temperatur als auch als Eingangssignal
für die Pumpstromregelung benutzt. Hierfür wird
die mittels der Sample/Hold-Schaltung 24 erfasste Nernstspannung
UN als Eingangssignal in einen digitalen
Regelalgorithmus 25 eingespeist. In dem digitalen Regelalgorithmus 25 wird
der notwendige Pumpstrom ermittelt und durch eine regelbare Strom-
bzw. Spannungsquelle 26 so eingestellt, dass der Sauerstoffstrom
durch die Pumpzelle 12 den Sauerstoffstrom durch den Diffusionskanal 20 genau
ausgleicht, so dass im Messgasraum 14 der Zustand Lambda
= 1 herrscht. Vorzugsweise wird auch die Pulsweitenmodulation 22 mit
Signalen aus dem digitalen Regelalgorithmus 25 angesteuert.
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In
anderen Ausführungsformen kann der über die Sample/Hold-Schaltung 24 ermittelte
Wert für die Nernstspannung als Maß für
die Temperatur unmittelbar als Eingangssignal für die Pulsweitenmodulation
verwendet werden.
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Die
in 3 gezeigten zeitlichen Verläufe der Heizspannung
UH, der Nernstspannung UN und der
Messimpulse IRi illustrieren die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Synchronisation
der bipolaren Messimpulse mit der Taktfrequenz der Ansteuerung des
Heizelements einer Breitbandsonde. UH gibt
die an das Heizelement angelegte Spannung wieder, die als Pulsweitenmodulation
(PWM) an die Heizerendstufe ausgegeben wird. Die Heizleistung wird über
die Einschaltdauer tH eingestellt. Die erfor derliche
Einschaltdauer wird aus einem digitalen Regelalgorithmus über
den Stellfaktor prh bestimmt: tH =
prh
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Die
Pulsweite wird hierbei mit einer Frequenz von 100 Hz durchgeführt.
Die Nernstspannung UN als Maß für
O2 bzw. für die Luftzahl Lambda
wird mit einer Frequenz von 1 ms ausgewertet. Die Kreise geben diese
Auswertezeiten im Abstand von TA = 1 ms wieder.
Zu jeder Auswertung werden die analogen Messwerte in digitale Werte
umgewandelt (ADC) und weiterverarbeitet. Die Nernstspannung UN ist das Eingangssignal für einen
digital realisierten Regelalgorithmus des Pumpstroms einer Breitbandsonde. Die
diskreten bipolaren Messimpulse aus Puls 101 und Gegenpuls 102 werden
komplett während der Einschaltphase des Heizelements durchgeführt
und der Nernstzelle aufgeprägt.
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Der
Takt für die Heizfrequenz TH beträgt
ein Vielfaches, insbesondere das Zehnfache, des Taktes für
die Auswertung der Nernstspannung: TH =
10 TA.
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Bei
einer längeren Einschaltdauer des Heizers, insbesondere
bei einem Überschreiten einer Schwelle von 7 ms wird ein
bipolarer Messimpulse IRi zur Messung des
Innenwiderstands Ri beim Einschalten des
Heizers gestartet. Unterschreitet die Einschaltdauer 3 ms wird ein
bipolarer Messimpuls beim Ausschalten des Heizers gestartet.
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Da
die Abtastung der Nernstspannung und die Ansteuerung des Heizers
nicht synchronisiert sind, kann sich die Lage des bipolaren Messpulses um
tV = pTA < 1 ms verschieben.
Da die dem bipolaren Messimpuls folgende Heizerflanke frühestens nach
3 ms erfolgt, liegt der bipolare Messimpuls nach der ersten ADC-Wandlung
der Nernstspannung zuverlässig außerhalb der Heizerflanke.
So wird vermieden, dass eine Heizerflanke während der Messimpulse
auftritt und die Ri-Messung stört.
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Der
erste Puls
101 des bipolaren Messimpulses wird als positive
Flanke für eine Zeitdauer von 1 ms, die dem Auswertetakt
T
A entspricht, angelegt:
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Die
Zeitdauer der negativen Flanke als Gegenpuls
102 des bipolaren
Messimpulses ist um einen konstanten Faktor k verkürzt:
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Die
erfasste Nernstspannung UN spiegelt die temperaturabhängige
Spannungsänderung als Reaktion des Systems auf den angelegten
Messimpuls IRi leicht zeitversetzt wider
und kann als Messgröße für die Temperaturmessung
herangezogen werden.
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Durch
die Verkürzung des Gegenpulses ergibt sich im Ergebnis
ein effektiver Sondengleichstrom in der Nernstzelle. Über
den Faktor k lässt sich dieser Sondengleichstrom beispielsweise
als Referenzpumpstrom steuern. Bei der beispielhaft gewählten
Auslegung der Frequenz der Messimpulse von 100 Hz und einer Pulsdauer
0,5 ms bis 1 ms bei einer Pulshöhe von 0,5 mA bis 1 mA
ist der resultierende Sondengleichstrom in einem Bereich von etwa
0 μA bis etwa 50 μA einstellbar.
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Die
Synchronisation mit der angelegten Heizspannung UH erfolgt
bevorzugt über den Logik-Pegel, der die Heizerendstufe
ansteuert. Eine Synchronisation über das Spannungsniveau
am Heizerelement ist ebenso möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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