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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erfassung einer physikalischen Messgröße, insbesondere der Sauerstoffkonzentration, im Abgas einer Brennkraftmaschine, ein Verfahren zur Erfassung der physikalischen Messgröße sowie ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Um eine optimale Verbrennung in Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, zu gewährleisten, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Abgas ermittelt, indem der Restsauerstoffgehalt des Abgases gemessen wird und das Kraftstoff-Zumesssystem das Luft-Kraftstoff-Gemisch für die Verbrennung sehr genau auf den Wert Lambda = 1, also auf eine stöchiometrische Verbrennung, einregelt.
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Zur Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses sind unterschiedliche Konzentrationssonden bekannt, die zur Bestimmung der sogenannten Luftzahl – auch als Lambda bezeichnet – eingesetzt werden. Neben den bekannten Sprungsonden kommen vor allem Breitbandlambdasonden zum Einsatz, die einen weiten Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfassen können.
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Bei den Breitbandlambdasonden ist der Messfühler als Breitbandsensor ausgeführt. Dieser wird von Festelektrolytschichten sowie einer Anzahl von Elektroden gebildet, wie es beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 12 102 A1 hervorgeht. Ein Teil der Elektroden bildet bei diesem Sensor eine sogenannte Sauerstoffpumpzelle, ein anderer Teil eine sogenannte Konzentrationszelle oder Nernstkonzentrationszelle. An die Elektroden der Pumpzelle wird eine Pumpspannung angelegt, mittels der in einem ersten Messgasraum durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter Sauerstoffpartialdruck, das heißt auch eine entsprechende Luftzahl Lambda, eingestellt wird. Dabei wird die Pumpspannung derart geregelt, dass sich an den Elektroden der Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert von 450 mV einstellt. Diese Spannung entspricht einem Wert von Lambda = 1. Über eine elektronische Regelschaltung wird der Pumpzelle immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas zugeführt, dass an ihr der Zustand Lambda = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss im Abgas, im sogenannten Magerbereich, wird demgemäß Sauerstoff abgepumpt, wohingegen bei geringem Restsauerstoffgehalt des Abgases, im sogenannten fetten Bereich, durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt wird. Der jeweilige Pumpstrom Ip, der proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas ist, bildet das Ausgangssignal der Sonde. Die Auswertung der mittels der Breitbandlambdasonde erfassten Pumpstromwerte erfolgt anhand einer Ip-Lambda-Kennlinie.
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Neben dem beschriebenen sogenannten Zweizeller-Prinzip einer Breitbandlambdasonde mit Nernstkonzentrationszelle und Sauerstoffpumpzelle (Typ B) sind auch Lambdasonden mit einer einzigen Sauerstoffkonzentrationszelle nach dem sogenannten Einzeller-Prinzip (Typ A) bekannt. Hierbei wird auf eine Nernstkonzentrationszelle zusätzlich zu der Pumpzelle verzichtet. Statt auf einen konstanten Lambdawert in einem Messgasraum einzuregeln, wird bei Breitbandsonden gemäß dem Einzeller-Prinzip lediglich mit einer konstanten Pumpspannung der eindiffundierende Sauerstoff aus dem Messgasraum herausgepumpt. Es resultiert eine Kennlinie, die durch die Sauerstoffkonzentration bestimmt wird. Breitbandsonden nach dem Zweizeller-Prinzip (Typ B) und nach dem Einzeller-Prinzip (Typ A) unterscheiden sich also vor allem in ihren Ausgangssignalen, sodass unterschiedliche Ip-Lambda-Kennlinien resultieren.
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Es stellt sich das Problem, dass beispielsweise in Kraftfahrzeugen sowohl Breitbandsonden nach dem Zweizeller-Prinzip als auch nach dem Einzeller-Prinzip eingesetzt werden. Durch die zugrundeliegenden unterschiedlichen Prinzipien ist eine Austauschbarkeit der Sonden insbesondere im Hinblick auf eine Wartung oder Reparatur der Kraftfahrzeuge nicht gegeben.
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Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen und eine Austauschbarkeit von Breitbandsonden nach dem Einzeller-Prinzip und nach dem Zweizeller-Prinzip sowie allgemein eine Austauschbarkeit verschiedener Sonden bzw. Sensoren unterschiedlicher Art zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Erfassung einer physikalischen Messgröße im Abgas einer Brennkraftmaschine sowie durch ein entsprechendes Verfahren gelöst, wie es in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben ist. Bevorzugte Ausgestaltungen dieser Schaltungsanordnung und dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur Erfassung einer physikalischen Messgröße, insbesondere einer Gaskomponentenkonzentration, vorzugsweise der Sauerstoffkonzentration, im Abgas einer Brennkraftmaschine. Die Erfassung der physikalischen Messgröße erfolgt mit einem Sensor einer ersten Art oder mit einem Sensor einer zweiten Art, wobei dem Sensor der ersten Art bzw. dem Sensor der zweiten Art wenigstens eine elektronische Schaltung zur Simulierung eines Sensors der jeweils anderen Art zugeordnet ist. Durch diese elektronische Schaltung lässt sich also beispielsweise bei Verwendung eines Sensors einer zweiten Art, der im Zuge einer Reparatur oder Wartung eines Kraftfahrzeugs eingebaut wird, ein Sensor einer ersten Art simulieren, der ursprünglich verbaut gewesen war, sodass bei einer Reparatur oder Wartung eines Kraftfahrzeugs der Sensor der ersten Art durch den Sensor der zweiten Art ersetzt werden kann, ohne dass das Motorsteuergerät ausgetauscht oder neu bedatet werden müsste. Das gleiche gilt auch in umgekehrter Weise, d. h. bei Ersetzung eines Sensors einer zweiten Art durch einen Sensor einer ersten Art, indem jeweils dem ersetzenden bzw. dem neuen Sensor eine elektronische Schaltung in der beschriebenen Weise zugeordnet ist.
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Bei dem Sensor sowohl der ersten Art als auch der zweiten Art kann es sich beispielsweise um eine Sauerstoffsonde, insbesondere um eine Breitbandlambdasonde, um einen Stickoxidsensor, um einen Temperatursensor, einen Drucksensor oder um einen Luftmassensensor bzw. ein Luftmassenmesser handeln. In besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Sensor der ersten Art um eine Breitbandlambdasonde mit einer Nernstkonzentrationszelle und einer Pumpzelle nach dem sogenannten Zweizeller-Prinzip (Typ B) und bei dem Sensor der zweiten Art um eine Breitbandlambdasonde mit einer einzigen Konzentrationszelle nach dem sogenannten Einzeller-Prinzip (Typ A). Darüber hinaus kann es sich bei dem Sensor der ersten Art und bei dem Sensor der zweiten Art auch um Sensoren eines Typs, beispielsweise des Typs B oder des Typs A, handeln, die beispielsweise mit unterschiedlichen Kennlinien oder unterschiedlichen Betriebs- und/oder Signalparametern betrieben werden. Durch die Zuordnung einer elektronischen Schaltung können erfindungsgemäß die verschiedenen Sensoren unterschiedlicher Art gegeneinander ausgetauscht bzw. ersetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dient die wenigstens eine elektronische Schaltung zur Modifikation des Ausgangssignals des neuen Sensors bzw. der Breitbandlambdasonde und/oder zur Modifikation einer Kennlinie bzw. einer Pumpstrom-Lambda-Kennlinie der neuen Breitbandlambdasonde, sodass die zu ersetzende Breitbandlambdasonde bzw. deren Ausgangssignale simuliert werden. Entsprechendes kann beispielsweise auch bei Stickoxidsensoren angewendet werden, die mit unterschiedlicher Betriebsweise oder unterschiedlichen Kennlinien betrieben werden und durch Zuordnung einer elektronischen Schaltung untereinander ausgetauscht werden können. Durch den Einsatz einer elektronischen Schaltung gemäß der Erfindung lässt sich also beispielsweise bei Verwendung einer Typ B-Breitbandlambdasonde, die im Zuge einer Reparatur oder Wartung eines Kraftfahrzeugs eingebaut wird, eine Typ A-Lambdasonde simulieren, die ursprünglich verbaut gewesen war. Hierdurch kann bei einer Reparatur oder Wartung eines Kraftfahrzeugs eine Typ A-Breitbandlambdasonde durch eine Typ B-Breitbandlambdasonde ersetzt werden, ohne dass das Motor- bzw. Fremdmotorsteuergerät ausgetauscht oder neu bedatet werden müsste. Das Gleiche gilt auch in umgekehrter Weise, d. h. bei Ersetzung einer Typ B-Sonde durch eine Typ A-Sonde, indem vorzugsweise jeweils der ersetzenden bzw. der neuen Breitbandlambdasonde eine elektronische Schaltung in der beschriebenen Weise zugeordnet ist. In entsprechender Weise kann eine Art einer Typ A- oder B-Sonde durch eine andere Art einer Typ A- oder B-Sonde ersetzt werden.
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Die elektronische Schaltung ist insbesondere derart realisiert, dass das eigentliche Ausgangssignal des neuen Sensors, beispielsweise die Sondenspannung der neuen Lambdasonde das Eingangssignal der elektronischen Schaltung darstellt und dass das durch die Schaltung modifizierte Signal das Ausgangssignal der neuen Lambdasonde bei deren Beschaltung bildet, welches in ein Steuergerät eingespeist wird, sodass das Ausgangssignal der ursprünglichen Sonde simuliert wird.
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Die elektronische Schaltung kann als Schaltung oder als ein die Schaltung simulierendes Programm, beispielsweise in einem Steuergerät, realisiert sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird zunächst eine Differenzspannung zwischen der Sondenspannung und einer vorgebbaren Spannung gebildet. Die Differenzspannung wird vorzugsweise verstärkt und anschließend mit einem konstanten Faktor multipliziert bzw. umgesetzt. Diese Modifikation des Ausgangssignals der neuen Sonde wird durch entsprechende Schaltungselemente realisiert. Hierdurch kann die Kennlinie der neuen Sonde, die die Beziehung zwischen der Spannung und dem Pumpstrom der Sonde widerspiegelt, an die entsprechende Kennlinie der ausgetauschten Sonde angeglichen werden, sodass der Pumpstrom der neuen Sonde in gewisser Weise in den Pumpstrom der ausgetauschten Sonde „übersetzt” wird. Bei Einspeisung dieser gewissermaßen übersetzten Werte in das Steuergerät der ausgetauschten Sonde kann dieses Steuergerät die Werte der neuen Sonde korrekt umsetzen. Der Faktor, mit dem die verstärkte Differenzspannung umgesetzt wird, hängt von den Charakteristiken der jeweiligen Kennlinien ab. Beispielsweise kann der Faktor ein negatives Vorzeichen umfassen, wenn sich die Steigung der Kennlinie der ausgetauschten Sonde entgegengesetzt zur Steigung der neuen Sonde verhält.
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Zur Realisierung der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung verschiedene elektronische Bauelemente, insbesondere Operationsverstärker, Transistoren und Widerstände, beispielsweise auch einstellbare bzw. trimmbare Widerstände.
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Mit besonderem Vorteil kann zur Angleichung der Kennlinien der verschiedenen Sonden ein Stromabgleich durch die elektronische Schaltung vorgenommen werden, insbesondere durch entsprechend ausgelegte Widerstände. Zum Stromabgleich können weiterhin spannungsgesteuerte Stromquellen verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die elektronische Schaltung in einem Stecker, an einem Stecker, in einem Kabelbaum und/oder an einem Kabelbaum angeordnet. Sie kann z. B. im Universalverbindungssteckergehäuse des nachträglich einzusetzenden Sensors vorgesehen sein. Somit kann der neu einzusetzende Sensor zusammen mit der elektronischen Schaltung gemäß der Erfindung als ein Bauteil bereitgestellt werden, das zur Ersetzung eines Sensors anderen Typs oder des gleichen Typs mit anderer Kennlinie oder anderen Betriebs- und/oder Signalparametern geeignet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die elektronische Schaltung in den Sensor oder die Sonde als solche integriert, beispielsweise indem die elektronische Schaltung in einen Sondenkörper eingebettet ist, um die Sonde quasi unabhängig vom jeweiligen Steuergerät betreiben zu können. Diese Ausführungsform ist insbesondere für solche Sensoren geeignet, die nicht bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine elektronische Schaltung vorgesehen, die sowohl zur Modifikation des Ausgangssignals des Sensors und/oder der Kennlinie als auch zum Betreiben des Sensors vorgesehen ist. Insbesondere umfasst diese elektronische Schaltung zwei Teile, wobei der erste Teil zum eigentlichen Betreiben des Sensors vorgesehen ist und der zweite Teil die Modifikation des Ausgangssignals und/oder der Kennlinie bewirkt. Diese beiden Funktionen sind vorzugsweise in einer einzigen Schaltung ausgeführt. In anderen Ausführungsformen sind zwei oder mehr separate Schaltungen vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere zur Erfassung von Sauerstoffkonzentrationen unter Verwendung von Breitbandlambdasonden geeignet. In anderen Ausführungsformen eignet sich die Schaltungsanordnung auch beispielsweise für die Erfassung von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine, indem entsprechende Stickoxidsensoren eingesetzt werden. Insbesondere können dadurch Stickoxidsensoren mit unterschiedlicher Betriebsweise, beispielsweise Stickoxidsensoren nach dem Reduktionsprinzip und Stickoxidsensoren nach dem Titrationsprinzip, oder mit unterschiedlicher Kennlinie untereinander ausgetauscht werden.
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Insbesondere bei Breitbandlambdasonden kann der Schaltung weiterhin ein Mikroprozessor für die Regelung einer Heizung der Sonde und/oder für eine Kompensation des statischen Druckempfindlichkeitsunterschieds sowie gegebenenfalls ein Atmosphärendrucksensor zugeordnet sein.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Erfassung von physikalischen Messgrößen im Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem Sensor einer ersten Art oder einem Sensor einer zweiten Art. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens eine elektronische Schaltung ein Sensor der jeweils anderen Art simuliert wird, um hierdurch eine Austauschbarkeit von Sensoren unterschiedlicher Art zu ermöglichen. Beispielsweise kann hiermit die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Breitbandsonde, die entweder eine Nernstkonzentrationszelle und eine Pumpzelle gemäß dem sogenannten Zweizeller-Prinzip (Typ B) oder die eine einzige Konzentrationszelle gemäß dem sogenannten Einzeller-Prinzip (Typ A) aufweist, erfasst werden. Die Erfassung der Sauerstoffkonzentration erfolgt beispielsweise mittels Abgleich mit einer Ip-Lambda-Kennlinie. Das Ausgangssignal der Breitbandlambdasonde und/oder die Ip-Lambda-Kennlinie der Breitbandlambdasonde wird durch eine elektronische Schaltung modifiziert, sodass beispielsweise ausgehend von einer Typ B-Breitbandsonde eine Typ A-Breitbandsonde oder eine andere Sonde gleichen Typs simulierbar ist oder umgekehrt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Austauschbarkeit von Typ A-Breitbandsonden mit Typ B-Breitbandsonden und umgekehrt sowie von unterschiedlichen Sonden gleichen Typs. Hierdurch kann beispielsweise eine im Fahrzeug bereits verbaute Typ A-Breitbandsonde durch eine Typ B-Breitbandsonde ersetzt werden, indem der Typ B-Breitbandsonde eine elektronische Schaltung zugeordnet ist, die das Ausgangssignal und/oder die Kennlinie der Breitbandsonde derart modifiziert, dass eine Typ A-Breitbandsonde simuliert wird. Zur Simulation der Ausgangssignalcharakteristik bzw. der Kennlinie als Funktion des Pumpstroms Ip über der Gaskonzentration (steigendes bzw. fallendes Sondensignal) des jeweils anderen Sensors wird vorzugsweise eine Differenzspannung zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und einer vorgebbaren Spannung gebildet. Dieses Signal wird vorzugsweise verstärkt und mit einem konstanten Faktor umgesetzt. Hierdurch kann die Kennlinie bzw. der Pumpstrom des einen Typs in den Pumpstrom des anderen Typs übersetzt werden. Bezüglich weiterer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit entsprechendem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen. Hierbei können die verschiedenen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Breitbandlambdasonde nach dem Einzeller-Prinzip (Typ A) mit einem angeschlossenen Steuergerät;
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2 eine schematische Darstellung einer Breitbandlambdasonde nach dem Zweizeller-Prinzip (Typ B) mit einer zugeordneten elektronischen Schaltung gemäß der Erfindung und einem angeschlossenen Steuergerät,
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3(A) die Kennlinien einer Typ-B-Sonde und einer Typ-A-Sonde;
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3(B) eine beispielhafte elektronische Schaltung gemäß der Erfindung als Blockschaltbild;
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4 eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Realisierung der elektronischen Schaltung aus 3(B);
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5 eine schematische Darstellung einer Breitbandlambdasonde nach dem Zweizeller-Prinzip (Typ B), die als Typ-A-Sonde verwendet wird, mit einem weiteren Beispiel einer zugeordneten elektronischen. Schaltung gemäß der Erfindung und einem angeschlossenen Steuergerät und
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6 eine beispielhafte elektronische Schaltung zur Implementierung der Schaltung aus 5.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt in schematischer Weise eine Breitbandlambdasonde 10 nach dem Einzellerprinzip (Typ A), die in herkömmlicher Weise an eine Steuereinheit 12 bzw. ein Steuergerät angeschlossen ist. Die Breitbandlambdasonde 10 umfasst eine einzige Konzentrationszelle 110, über die mit einer Pumpspannung US eindiffundierender Sauerstoff aus einem Messgasraum gepumpt wird. Es wird ein Stromfluss Ip erfasst, der ein Maß für die Sauerstoffkonzentration darstellt, die anhand einer Ip-Kennlinie ermittelt wird. Die Pumpstrommessung und -auswertung erfolgt in einer Steuereinheit 12, die eine Typ-A-anwendungsspezifische Schaltung (ASIC) 13 und einen Mikroprozessor 14 umfasst. Die Breitbandsonde 10 ist mit einer Heizung 130 ausgestattet, die mit der Batteriespannung U_Batt betrieben und über eine Innenwiderstandsmessung Ri geregelt wird.
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2 zeigt in schematischer Weise als Blockschaltbild, wie eine Breitbandlambdasonde nach dem Einzellerprinzip, wie sie in 1 gezeigt ist, durch eine andere Sonde, insbesondere eine Breitbandlambdasonde 20 nach dem Zweizellerprinzip (Typ B), ersetzt wird, indem das Ausgangssignal UA der Auswerteschaltung 22 der Breitbandlambdasonde 20 über eine elektronische Schaltung 25 so verändert wird, dass das die Schaltung 25 verlassende Signal US bzw. die Spannungscharakteristik an den Klemmen US– und US+ das Ausgangssignal einer Typ-A-Sonde simuliert und dieses simulierte Signal in die Steuereinheit 12 einer Typ-A-Sonde eingespeist werden kann. Die Typ-B-Sonde 20 umfasst eine äußere Pumpelektrode APE und eine innere Pumpelektrode IPN, über die eine Pumpzelle 210 mit Spannung versorgt wird und so in einem Messgasraum eine konstante Zusammensetzung des Messgases, nämlich Lambda = 1 (Sondenspannung = 450 mV), gewährleistet. Die Einstellung des Pumpstroms Ip erfolgt anhand eines Vergleichs mit einer Referenzspannung über die Referenzelektrode RE über die Nernstkonzentrationszelle 220. Der erforderliche Pumpstrom Ip wird als Ausgangssignal ausgewertet. Die Auswertung erfolgt in der Steuereinheit 22 bzw. Auswerteschaltung mit einer Typ-B-spezifischen Schaltung (ASIC) 23 und einem Mikroprozessor 24 der Typ-B-Sonde. Über den Mikroprozessor 24 wird die Heizung 230 der Sonde 20 geregelt.
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Für die Auswertung des Sondensignals werden sowohl bei einer Typ A-Sonde als auch bei einer Typ B-Sonde entsprechende Ip-Lambda-Kennlinien als Funktion des Pumpstroms Ip über der Gaskonzentration herangezogen. Durch die voneinander abweichenden Messprinzipien sind jedoch die Ausgangssignale beider Sondentypen nicht austauschbar. Erfindungsgemäß ist daher eine elektronische Schaltung 25 vorgesehen, die die Ip-Lambda-Kennlinie der Typ B-Sonde 20 und/oder des Ausgangssignals UA der Sonde 20 derart modifiziert, dass das Auswertesignal einer Typ A-Sonde 10 simuliert wird, sodass damit die Typ B-Breitbandlambdasonde 20 die Typ A-Breitbandlambdasonde ersetzen kann, ohne dass die ursprüngliche Steuereinheit 12, insbesondere das Motorsteuergerät, ausgetauscht oder neu bedatet werden müsste.
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Vorzugsweise wird die elektronische Schaltung 25, die eine separate Masse 0 aufweist, dergestalt ausgeführt, dass verschiedene Typen von Austauschsonden betrieben werden können und dass verschiedene Typen von Ip-Lamda-Kennlinien als Ausgangssignal ausgegeben werden, wobei die zugehörigen Parameter durch Programmierung der elektronischen Schaltung eingestellt werden können, sodass keine Hardwareänderung der elektronischen Schaltung 25 notwendig ist. Zur Anpassung an verschiedene Sondentypen bzw. Sensoren können vorzugsweise ein oder mehrere einstellbare Widerstände vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die elektronische Schaltung 25 derart ausgeführt, dass alle relevanten Betriebsparameter der auszutauschenden Sonde 10, wie z. B. der Innenwiderstand Ri, richtig simuliert werden, sodass von den Diagnosefunktionen in der Steuereinheit 12 (Steuergerät), an die die elektronische Schaltung 25 angeschlossen ist, die Austauschsonde 20 mit elektronischer Schaltung 25 nicht als fehlerhaft erkannt wird und die Austauschsonde 20 mit für sie verträglichen Betriebsparametern betrieben wird.
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Um unterschiedliche Leistungsanforderungen der verschiedenen Sensoren auszugleichen, ist es vorgesehen, den Anschluss H– der Heizung 230 der neuen Sonde an den für H– vorgesehenen Eingang des Steuergeräts 12 der ausgetauschten Sonde anzuschließen. Die Heizung der ausgetauschten Sonde kann durch einen entsprechend ausgelegten Widerstand, der einem Innenwiderstand Ri der Heizung entspricht, simuliert werden, der eine ausreichend hohe Temperatur des Sensors vorspiegelt, sodass die Heizung 230 des Sensors 20 nicht von der im Steuergerät 12 vorgesehenen Heizungsschaltung angesteuert wird.
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3(A) zeigt auf der linken Seite eine typische Kennlinie einer Breitbandlambdasonde nach dem Zweizellerprinzip (Typ B), die die Beziehung zwischen dem Sondensignal UA bzw. der Gaskonzentration und dem Pumpstrom Ip wiedergibt. Rechts daneben ist eine typische Kennlinie einer Breitbandlambdasonde nach dem Einzellerprinzip (Typ A) dargestellt. Die elektronische Schaltung gemäß der Erfindung modifiziert das Sondensignal UA einer Typ-B-Sonde in der Weise, dass ein Ausgangssignal US einer Typ-A-Sonde simuliert wird und dieses Ausgangssignal von dem Steuergerät der Typ-A-Sonde so ausgewertet werden kann, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine korrekt erfasst werden kann.
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3(B) zeigt als Blockschaltbild ein Beispiel für eine elektronische Schaltung zur Umwandlung des Sondensignals UA einer Typ-B-Sonde in das Ausgangssignal US einer Typ-A-Sonde. UA repräsentiert das Ausgangssignal der Auswerteschaltung der neuen Sonde. Zwischen der Ausgangsspannung UA und einer vorgebbaren Spannung wird eine Differenz gebildet und über den Differenzverstärker 31 verstärkt. Die in diesem Beispiel gezeigte vorgebbare Spannung von 1,5 V beruht darauf, dass bei einer Spannung von 1,5 V bei Lambda = 1 der Strom Ip = 0 ist, wie es sich aus der in 3(A) gezeigten Kennlinie der Typ-B-Sonde ergibt. Im Weiteren zeigt 3(B) die schematische Realisierung der Umsetzung der verstärkten Differenzspannung mit einem Faktor, beispielsweise dem Faktor – 0,27 zur Simulierung der abweichenden Kennlinie der ursprünglichen Typ-A-Sonde. Durch spannungsgesteuerte Stromquellen 305 und 306 wird hierbei der Strom in die entsprechende Richtung gesteuert. Durch einen hochohmigen Widerstand 307, beispielsweise 1 Megaohm, erfolgt ein Stromabgleich für die Klemme US–, sodass ein geeignetes Signal US–/US+ für das Steuergerät der ausgetauschten Sonde bereitgestellt wird.
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4 zeigt eine beispielhafte Realisierung der Schaltung aus 3(B) zur Simulierung des Sondensignals US–/US+ einer Typ-A-Sonde, ausgehend von der Ausgangsspannung UA der Auswerteschaltung 22 der Typ-B-Sonde 20. Die Verstärkung der Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangssignal UA und einer vorgebbaren Spannung, z. B. 1,5 V, erfolgt über einen Differenzverstärker, der durch drei Operationsverstärker 401, 402, 403 gebildet wird. Das Differenzsignal UAdiff wird über einen weiteren Operationsverstärker 404 und durch zwei Transistoren 405 und 406 abhängig von fettem oder magerem Abgas so verändert, dass das Ausgangssignal einer Typ-A-Sonde US–/US+ bzw. die Spannungscharakteristik einer Typ-A-Sonde simuliert wird. Um den Anschluss US– nicht zu stören, ist diesem Anschluss ein hochohmiger Widerstand R3, beispielsweise 1 Megaohm, vorgeschaltet.
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Der durch die Operationsverstärker 401, 402, 403 gebildete Differenzverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung UA und einer durch einen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R6 und R4 gebildet ist, vorgegebenen Spannung, in diesem Beispiel 1,5 V. Die Spannungsdifferenz liegt an einem zweiten Schaltungsteil mit zwei Transistoren 405 und 406 an, die im Grunde Pumpstromquellen eines fetten Pumpstroms und eines dazu gegenläufigen mageren Pumpstroms simulieren. Die Pumpstromquellen werden durch den Operationsverstärker 404 gefolgt von zwei Transistorschaltungsteilen, die die beiden Transistoren 405 und 406 (NPN-Transistor Q1 und PNP-Transistor Q2) umfassen, gebildet. An dem gemeinsamen Emitter 407 der spannungsgesteuerten Stromquellen 405 und 406 liegt damit bei einem Strom von 0 (Lambda = 1) beispielsweise 1,8 V an, sodass am Ausgang der beiden Klemmen der Sonde US– und US+ eine Spannungscharakteristik entsteht, die der Spannungscharakteristik des ausgetauschten Sensors 10 entspricht.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine elektronische Schaltung 250, die das Ausgangssignal einer weiteren Typ-B-Sonde 200 mit einer Pumpzelle 210 und einer Nernstkonzentrationszelle 220 so modifiziert, dass das Ausgangssignal einer Typ-A-Sonde, die durch die Sonde 200 ersetzt wird, simuliert wird. Hierbei ist die Typ-B-Sonde 200 in gewisser Weise als Typ-A-Sonde, also als Einzeller, geschaltet, indem die äußere Pumpelektrode APE an den Luftkanal angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dieser als Einzeller geschalteten Typ-B-Sonde 200 wird in die elektronische Schaltung 250 eingespeist. Das Signal wird abhängig von fettem oder magerem Abgas über zwei Stromquellen 505 und 506 derart abgeglichen, dass das Sondensignal US–/US+ einer anderen Typ-A-Sonde, die zu ersetzen ist, simuliert wird und in das Steuergerät 12 der anderen Typ-A-Sonde eingespeist werden kann. Im Wesentlichen wird hierbei der Strom reduziert und durch eine Fett- und eine Magerfunktion an den Strom der ursprünglichen Sonde angeglichen. Der Vorteil hierbei ist, dass bei dieser Anordnung gegebenenfalls auf einen Mikroprozessor für den neuen Sensor verzichtet werden kann.
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6 zeigt einen beispielhaften Aufbau der elektronischen Schaltung 250 der 5 mit Operationsverstärkern 601 bis 605 und Transistoren 606 und 607. Bei dieser Schaltung ist im Vergleich zu der in 4 dargestellten Schaltung der den Transistoren vorgeschaltete und als Integrator geschaltete Operationsverstärker durch zwei Operationsverstärker ersetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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