DE19926505A1 - Schaltung und Betriebsverfahren für einen NOx-Meßaufnehmer - Google Patents

Abstract

Die Pumpströme (IP0, IP1, IP2) in einem NOx-Meßaufnehmer (1) werden durch spannungsgesteuerte Stromquellen (UI0, UI1, UI2) erzeugt. Anstelle des jeweiligen Pumpstroms (IP0, IP1, IP2) tritt als Rückführungsgröße im jeweiligen Regelkreis die Stellspannung (VS0, VS1, VS2) der spannungsgesteuerten Stromquelle (UI0, UI1, UI2), so daß die Strommessung entfallen kann. Der erste Pumpstrom (IP0) wird abhängig von der Regelabweichung eines Reglers (C1) für den zweiten Pumpstrom (IP1) geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen NOx-Meßauf­ nehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines NOx-Meßaufnehmers, der eine über eine erste Diffusionsbarriere dem zu messenden Gas aus­ gesetzte erste Meßzelle und eine über eine zweite Diffusions­ barriere mit dieser verbundene zweite Meßzelle aufweist.

Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Gas, z. B. im Ab­ gas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dick­ schicht-Meßaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Meßaufnehmer ist beispielsweise in der Veröffentlichung N. Kato et al., "Thick Film ZrO₂ NOx Sensor for the Measurement of how NOx Concentration", Society of Automotive Engineers, Veröffentli­ chung 980170, 1989, oder in N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor an Diesel and Gasoline Engines".

Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen auf und besteht aus einem sauerstoffionenleitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Meßkonzept: In einer ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusi­ onsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sauer­ stoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration ein­ gestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer Meßelektrode in der zweiten Meßzelle führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte NOx- Meßaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z. B. 750°C, gebracht.

Zum Einstellen der Sauerstoffionen-Pumpströme wird in den je­ weiligen Meßzellen eine Nernstspannung abgegriffen. Die in der ersten Meßzelle abgegriffene Nernstspannung wird als Füh­ rungsgröße für einen Regler verwendet, der den ersten Sauer­ stoffionen-Pumpstrom über eine Stellspannung einstellt. Ein ähnlicher Regler ist für die zweite Meßzelle vorhanden, um die zweite Sauerstoffkonzentration mittels eines zweiten Sau­ erstoffionen-Pumpstromes einzustellen. Jeder Regler ist im Falle analoger Schaltungen separat aufzubauen bzw. auszule­ gen. Bei digital mittels eines Microcontrollers verwirklich­ ten Reglern benötigt man für jede Nernstspannung zwei A/D Ports am A/D-Wandler des Microcontrollers, da die Spannung nur gegenüber dem Bezugspotential des Microcontrollers gemes­ sen werden kann.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schal­ tung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassen­ den Meßaufnehmer bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines sol­ chen Meßaufnehmers anzugeben, bei dem weniger Regler erfor­ derlich sind bzw. die Regelung einfacher erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 ge­ kennzeichnete Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird auf die Messung der Nernstspannung in der ersten Meßzelle verzichtet und die Regelung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes mit einem Sauerstoffschlupf als Führungsgröße vorgenommen, der aus der Regelabweichung des zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes in der zweiten Meßzelle bestimmt wird. Dadurch kann der Regler einfacher aufgebaut werden bzw. am Microcontroller A/D Port eingespart werden, da das als Führungsgröße dienende, den Sauerstoffschlupf anzei­ gende Signal direkt beim Einregeln des zweiten Sauerstoffio­ nen-Pumpstroms anfällt.

Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Regler für den Sauerstoffionen-Pumpstrom in der ersten Meßzelle die Sauerstoffkonzentration in der ersten Meßzelle auf ein vorbe­ stimmtes Maß einstellt. Dieses vorbestimmte erste Maß wirkt sich auf den Sauerstoffschlupf in die zweite Meßzelle aus. Somit kann ein diesen Sauerstoffschlupf anzeigendes Signal ebenfalls als Führungsgröße zur Vorgabe bzw. Regelung des er­ sten Sauerstoffionen-Pumpstromes aus der ersten Meßzelle her­ aus verwendet werden. Die Messung der Nernstspannung in der ersten Zelle kann entfallen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäß beschal­ teten NOx-Meßaufnehmers,

Fig. 2 eine Schemadarstellung eines NOx-Meßaufnehmers mit Be­ schaltung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, bei der ein NOx-Meßaufnehmer Anwendung finden kann,

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Stell­ spannungserzeugung für eine in der Beschaltung des Meßaufnehmers nach Fig. 2 verwendeten spannungsgesteu­ erten Stromquelle und

Fig. 5 einen Schaltplan einer spannungsgesteuerten Strom­ quelle.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils in Schnittdarstellung ein NOx-Meßaufnehmer 1 schematisch gezeigt. Fig. 2 zeigt dabei einen Meßaufnehmer mit Beschaltung nach dem Stand der Tech­ nik. Dieser Meßaufnehmer 1 wird in der in Fig. 3 dargestell­ ten Vorrichtung als Meßaufnehmer 24 zur Bestimmung der NOx- Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brennkraftmaschine 20 verwendet. Dazu werden die Meßwerte des NOx-Meßaufnehmers 24 von einer Steuereinheit 23 ausgelesen, die mit dem NOx- Meßaufnehmer 24 verbunden ist, und dem Betriebssteuergerät 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt, das ein Kraftstoffzu­ führsystem 21 der Brennkraftmaschine 20 so ansteuert, daß ein NOx-reduzierender Katalysator 28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Meßaufnehmers 24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftma­ schine 20 liegt, optimales Betriebsverhalten zeigt.

Der aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall ZrO₂ bestehende Meßaufnehmer 1 (vgl. Fig. 2) nimmt über eine Dif­ fusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Kon­ zentration bestimmt werden soll. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4. Der Sauer­ stoffgehalt in dieser Meßzelle wird durch Abgriff einer Nernstspannung V0 zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Da­ bei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 ange­ ordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt. Der gesamte Meßaufnehmer 1 wird durch einen Heizer 13 be­ heizt.

Die Nernstspannung V0 wird von einem Regler abgegriffen, der eine Treiberspannung VP0 stellt, welche einen ersten Sauer­ stoffionen-Pumpstrom IP0 durch den Festkörperelektrolyten 2 des Meßaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei wird in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingeregelt, die über die Nernstspannung V1 zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen wird. Die zur Regelung nötige Messung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms erfolgt über einen Meßwiderstand ROM und ein Voltmeter VOM. Diese werden meist über einen A/D-Wandler mit einem Innenwiderstand reali­ siert.

Diese erste Schaltkreisanordnung stellt so in der ersten Meß­ zelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Die zweite Meßzelle 8 ist mit der ersten Meßzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusi­ onsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Meßzelle 4 vor­ handene Gas in die zweite Meßzelle 8. In der zweiten Meßzelle wird über eine zweite Schaltkreisanordnung eine zweite Sauer­ stoffkonzentration eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung V1 abgegriffen und einem Regler zugeführt, der eine zweite Treiberspannung VP1 bereitstellt, mit der ein Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 aus der zweiten Meßzelle 8 her­ aus getrieben wird. Auch hier wird für die Regelung der zwei­ te Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 über einen Meßwiderstand R1M und ein Voltmeter V1M erfaßt.

Diese zweite Schaltkreisanordnung treibt den Sauerstoffionen- Pumpstrom IP1 so, daß sich in der zweiten Meßzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt.

Diese Sauerstoffkonzentration wird dabei so gewählt, daß NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbeson­ dere keine Zersetzung stattfindet. Das NOx wird nun an einer Meßelektrode 10 in der zweiten Meßzelle 8, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen- Pumpstrom IP2 von der Meßelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Meßzelle 8 ausreichend abgesenkt ist, wird dieser Sauerstoffionen- Pumpstrom IP2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getra­ gen, die aus der Zersetzung von NOx an der Meßelektrode 10 stammen. Der Pumpstrom IP2 ist somit ein Maß für die NOx- Konzentration in der Meßzelle 8 und somit im zu messenden Ab­ gas. Er wird über einen Meßwiderstand R2M und ein Voltmeter V2M ermittelt und wie die vorherigen Pumpströme von einer Treiberspannung VP2 getrieben, die von einem Regler vorgege­ ben wird, der eine Nernstspannung V2 zwischen der der Meße­ lektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift.

Die Beschaltung des NOx-Meßaufnehmers 1 ist soweit bekannt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird stattdessen auf das Erfassen der ersten Nernstspannung V0 verzichtet und die in Fig. 1 dargestellte Beschaltung verwendet. Dabei werden alle Pumpströme IP0, IP1 und IP2 von spannungsgesteuerten Stromquellen UI0, UI1 und UI2 getrieben. Natürlich sind dem Fachmann auch andere Beschaltungen bekannt.

Für jede spannungsgesteuerte Stromquelle kann die in Fig. 5 dargestellte Schaltung verwendet werden. Fig. 5 zeigt bei­ spielhaft die erste Stromquelle UI0. Einem Operationsverstär­ ker 35 ist an den invertierenden Eingang über einen Wider­ stand 36 die Stellspannung VS0 angelegt. Der invertierende Eingang ist weiter über einen Widerstand 37 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 rückgekoppelt. Der nichtinver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers 35 ist über einen Widerstand 38 mit Erde verbunden und über einen Widerstand 39 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 rückgekoppelt. Zwischen die Verknüpfungsknoten des nichtinvertierenden Rück­ kopplungszweiges und des invertierenden Rückkopplungszweiges ist ein Widerstand 40 geschaltet. Am Ausgang 33 der span­ nungsgesteuerten Stromquelle UP0 kann der Strom IP0 abgegrif­ fen werden. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß der Strom IP0 unabhängig von der Impedanz des Lastwiderstandes, in die­ sem Fall des Pumpkreises, fest durch die Stellspannung VS0 definiert ist. Die Messung des Stroms IP0 ist nicht erforder­ lich, da VS0 und IP0 über folgende Gleichung miteinander ver­ knüpft sind:

IP0 = VS0/R,

wenn R der Wert des Widerstandes 40 ist, und die Widerstände 36 mit 39 alle denselben Widerstandswert haben, der sehr viel größer ist als der Wert des Widerstandes 40.

Vertauscht man die Eingänge des Operationsverstärkers, muß der Wert des Widerstandes 40 sehr viel kleiner sein als der der Widerstände 36 mit 39. Die Widerstände 37 mit 39 haben dann den gleichen Wert, und der Wert des Widerstandes 40 ist so groß zu wählen wie der einer Reihenschaltung aus den Wi­ derständen 36 und 39.

Durch die Verwendung von spannungsgesteuerten Stromquellen kann die Messung der Pumpströme IP0, IP1 und IP2 entfallen, da deren Stellspannung VS0, VS1 und VS2 wie beschrieben mit dem Pumpstrom direkt verknüpft ist. Die im Stand der Technik verwendeten Meßwiderstände ROM, R1M und R2M sowie die dazuge­ hörigen Voltmeter V0M, V1M und V2M sind somit unnötig.

Weiter entfällt auch die Messung der Nernstspannung V0. Als Ersatz für diese Regelung wird die Stellspannung VS0 der er­ sten spannungsgesteuerten Stromquelle UI0 für den ersten Sau­ erstoffionen-Pumpstrom IP0 aus einem Signal des Reglers C1 gewonnen, der den zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 in der zweiten Meßzelle 8 einregelt. Dabei wird als Signal die Regelabweichung IP_D des Reglers C1 auf noch zu beschreibende Art und Weise verwendet.

Die in der Schaltung der Fig. 1 verwendeten Regler C1, C2 sind vorzugsweise Mikrocontroller bzw. ein einziger Mikrocon­ troller. Die Stellspannungen VS0, VS1, VS2 können an Digi­ tal/Analog-Ports des bzw. der Mikrocontroller ausgegeben wer­ den. Vorzugsweise wird jedoch die folgende, in Fig. 4 darge­ stellte, Schaltung verwendet, um mit dem Mikrocontroller eine der Stellspannungen VS0, VS1, VS2 zu erzeugen.

In Fig. 4 ist ein Mikrocontroller 30 dargestellt, der an ei­ nem Ausgangsport ein pulsweitenmoduliertes Signal PW0 aus­ gibt. Dieses Signal PW0 wird einer Transistorschaltung 31 zu­ geführt, der weiter eine Referenzspannungsquelle UR aufge­ schaltet ist. Die Transistorschaltung schaltet die Referenz­ spannungsquelle UR entsprechend dem pulsweitenmodulierten Si­ gnal PW0 an einen Tiefpaß 32, der aufgrund seiner Tiefpaßei­ genschaften daraus die analoge Stellspannung VS0 erzeugt, de­ ren Höhe proportional zum Tastverhältnis des pulsweitenmodu­ lierten Signals PW0 ist. Diese Stellspannung VS0 wird zur An­ steuerung der spannungsgesteuerten Stromquelle UI0 verwendet, die an ihrem Ausgang 33 den Pumpstrom IP0 zur Verfügung stellt. Dieses Schema zur Erzeugung des Pumpstroms IP0 wird ebenso für die Erzeugung der Pumpströme IP1 und IP2 angewen­ det, wobei ein einziger Mikrocontroller 30 an drei Ausgangs­ ports die Signale PW0 bzw. PW1 und PW2 bereitstellen kann. Natürlich können auch drei unabhängige Mikrocontroller ver­ wendet werden.

Die Stellspannung VS0 wird vom Regler C1 des ersten Sauer­ stoffionen-Pumpstromes IP1 folgendermaßen bestimmt. Für IP1 ist ein Sollwert IP1_S vorgegeben. Dieser Sauerstoffionen- Pumpstrom soll diejenigen O2-Moleküle, die aus der ersten Meßzelle 4 über die Diffusionsbarriere 5 in die zweite Meß­ zelle 8 gelangten aus dieser entfernen. Die Vorgabe des Soll­ wertes IP1_S entspricht somit einem vorgegebenen Sauerstoff­ schlupf von der ersten Meßzelle 4 in die zweite Meßzelle 8. Aus der Differenz zwischen dem Sollwert IP1_S und dem aktuel­ len Wert des ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes IP1, der aus der Stellspannung VS1 über den oben erwähnten Zusammenhang zwischen Stellspannung und Sauerstoffionen-Pumpstrom bekannt ist, wird die Regelabweichung IP1_D ermittelt. Die Stellspan­ nung VS0 für die erste spannungsgesteuerte Stromquelle UI0 wird nun so gewählt, daß IP1_D verschwindet. Die vorbekannte Regelung auf einen bestimmten Wert für die Nernstspannung V0 in der ersten Meßzelle 4 wird nun durch eine Regelung auf ei­ nen Sollwert IP1_S des zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes IP1 ersetzt. Dadurch kann zum einen die Erfassung der Nernstspannung V0 selbst entfallen, wodurch A/D Wandlerports bei Verwendung von Microcontrollern 30 entfallen. Zum anderen ist die Regelung einfacher darstellbar, da kein separater Re­ gelkreis mit eigenständigem Regler für den ersten Sauerstoff­ ionen-Pumpstrom IP0 aufgebaut werden muß.

Claims (8)

1. Schaltung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmer (1) mit einer dem zu messenden Gas ausgesetzten Außenelektrode (6), einer ersten Meßzelle (4), einer zweiten Meßzelle (8), die mit der ersten Meßzelle (4) verbunden ist, und einer Referenzelektrode (11), die Umge­ bungsluft ausgesetzt ist, welche Schaltung aufweist:

• - eine erste Schaltkreisanordnung, die in der ersten Meßzelle (4) mit einem ersten Pumpstrom (IP0) eine andere Sauerstoff­ konzentration als im zu messenden Gas einstellt, und
• - eine zweite Schaltkreisanordnung, die in der zweiten Meß­ zelle (8) mit einem zweiten Pumpstrom (IP1) eine andere Sau­ erstoffkonzentration als in der ersten Meßzelle (4) einre­ gelt,

gekennzeichnet durch

• - ein Differenzglied (C1), das eine Regelabweichung (IP1_D) zwischen dem Istwert des zweiten Pumpstroms (IP1) in der zweiten Schaltkreisanordnung und einem Sollwert (IP1_S) für diesen zweiten Pumpstrom (IP1) bestimmt, und
• - ein Stellglied (UI0), das abhängig von der Regelabweichung (IP1_D) den ersten Pumpstrom (IP0) einstellt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine erste spannungsgesteuerte Stromquelle (UI0) in der ersten Schaltkreisanordnung ist, die den Pumpstrom (IP0) von einer ersten Elektrode (5) zu einer Außenelektrode (6) hin treibt und deren Stellspannung (VS0) von einem das Differenzglied darstellenden ersten Regler (C1) erzeugt wird, der den zweiten Pumpstrom (IP1) regelt.

3. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zwei­ ten Schaltkreisanordnung eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle (UI1) einen Pumpstrom (IP1) aus Sauerstoffionen von einer zweiten Elektrode (9) zur Außenelektrode (6) hin treibt, daß ein Regler (C1) die Stellspannung (VS1) der zwei­ ten spannungsgesteuerten Stromquelle (UI1) erzeugt, mit der zweiten Elektrode (9) und der Referenzelektrode (11) verbun­ den ist, eine Nernstspannung (V1) dazwischen abgreift und die Stellspannung (VS1) der zweiten spannungsgesteuerten Strom­ quelle (UI1) so stellt, daß sich eine vorbestimmte Nernstspannung ergibt, die ein Maß für die Sauerstoffkonzen­ tration in der zweiten Meßzelle (8) darstellt.

4. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine dritte spannungsgesteuerte Stromquelle (IP2), die in der zweiten Meßzelle (8) einen dritten Pumpstrom (IP2) von einer Meßelektrode (10) zur Außenelektro­ de (6) hin treibt, und einen zweiten Regler (C2), der die Stellspannung der dritten spannungsgesteuerten Stromquelle (IP2) erzeugt, mit der Meßelektrode (10) und der Referenze­ lektrode (11) verbunden ist, eine Nernstspannung (V2) dazwi­ schen abgreift und die Stellspannung (UI2) so stellt, daß sich eine vorbestimmte Nernstspannung (V2) ergibt, wobei der Wert der Stellspannung (UI2) ein Maß für den Strom (IP2) und mithin für die zu messende NOx-Konzentration ist.

5. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle Regler (C1, C2) durch einen Microcon­ troller (30) gebildet sind, der ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal (PW1, PW2) erzeugt, aus dem eine Referenzspan­ nungsquelle (UR) und eine Transistorschaltung (31) mit nach­ geschaltetem Tiefpaß (32) die Stellspannung (VS1, VS2) als dem Tastverhältnis des Ausgangssignals (PW1, PS2) proportio­ nale Gleichspannung erzeugen.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen analogen Regler zur Regelung des ersten Pumpstro­ mes (IP0).

7. Verfahren zum Betreiben eines eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmers, der eine über eine erste Diffusionsbarriere dem zu messenden Gas ausgesetzte erste Meßzelle und eine über eine zweite Diffusionsbarriere mit dieser verbundene zweite Meßzelle aufweist, bei welchem Ver­ fahren eine vom Sauerstoffschlupf aus der ersten in die zwei­ te Meßzelle abhängiges Signal erzeugt wird, und ein Pumpstrom, mit dem in der ersten Meßzelle eine andere Sauer­ stoffkonzentration als im zu messenden Gas eingestellt wird, so gestellt wird, daß sich ein vorbestimmter Sauerstoff­ schlupf ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Meßzelle mit einem zweiten Pumpstrom eine andere Sauerstoffkonzentration als in der ersten Meßzelle eingere­ gelt wird und aus der Regelabweichung zwischen dem Istwert des zweiten Pumpstroms und dessen Sollwert das vom Sauer­ stoffschlupf abhängige Signal gewonnen wird.