BR102016018959B1

BR102016018959B1 - circuito e método para o controle de um sensor linear de oxigênio de célula única e motor de combustâo interna

Info

Publication number: BR102016018959B1
Application number: BR102016018959-4A
Authority: BR
Inventors: Matteo BOSIO; Piero Carbonaro; Fausto Calcagno
Original assignee: MAGNETI MARELLI S.p.A.
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2021-01-26
Also published as: EP3133391A1; BR102016018959B8; EP3133391B1; CN106468683B; CN106468683A; BR102016018959A2; ITUB20153146A1; US20170052141A1; US10203299B2

Abstract

CIRCUITO E MÉTODO PARA O CONTROLE DE UM SENSOR LINEAR DE OXIGÊNIO DE CÉLULA ÚNICA Circuito de controle (10) para um sensor de oxigênio linear de célula única (1) apresentando um primeiro (11a) e um segundo (11b) terminais elétricos nos quais uma primeira tensão (VS+) e, respectivamente, uma segunda tensão (VS') estão presentes, sendo que um corrente na célula (Ip) entre os primeiro e segundo terminais elétricos é indicativa de uma concentração do oxigênio detectado, e sendo que o circuito de controle gera uma tensão de polarização (¿Vs) entre o primeiro e o segundo terminais elétricos com um padrão pré-definido como uma função da corrente da célula. O circuito prevê: um bloco de transresistência (17), acoplado ao segundo terminal elétrico (11b) para gerar uma tensão processada (Vout) como uma função da corrente na célula e com base no padrão pré-definido; e um estágio somador (16), acoplado ao bloco de transresistência e o segundo terminal elétrico (11b), para realizar uma soma entre a tensão processada (Vout) e a segunda tensão (VS'), para gerar a primeira tensão (VS +) para o primeiro terminal elétrico (11) do sensor de oxigênio linear (1), de modo que a tensão de polarização ((DELTA)Vs) apresente o padrão pré-definido como uma (...).

Description

CIRCUITO E MÉTODO PARA O CONTROLE DE UM SENSOR LINEAR DE OXIGÊNIO DE CÉLULA ÚNICA E MOTOR DE COMBUSTÂO INTERNA

[001] A presente invenção se refere a um circuito e método para o controle de um sensor de oxigênio linear, em particular, de tipo célula única.

[002] Os sensores de oxigênio lineares são conhecidos, os chamados sensores UEGO (Sensor Universal de Oxigênio no Gás de Exaustão), utilizado, por exemplo, em motores de combustão interna para medir a concentração de oxigênio nos gases de descarga e/ou no duto de admissão e, desse modo, obter as informações sobre a proporção de ar/combustível (a/F) na descarga e/ou na admissão.

[003] Estes sensores de oxigênio lineares baseiam-se na utilização de células de detecção eletrolíticas, por exemplo, incluindo o dióxido de zircônio (ZrO2), que são sensíveis aos íons de oxigênio, e que geram sinais elétricos adequados que dependem da quantidade de oxigênio presente, quando entram em contato com os gases.

[004] Em particular, os sensores de oxigênio lineares conhecidos são os que usam duas células eletrolíticas, geralmente definidas como “célula de bombeamento” e “célula de detecção”, e os sensores de oxigênio lineares que prevêem, de outro modo, o uso de uma única célula de detecção eletrolítica.

[005] Por exemplo, o documento EP 1 001 261 A1, em nome do presente requerente, descreve um dispositivo de controle, de um tipo micro-controlador integrado, para uma sonda de oxigênio linear de célula dupla.

[006] Os sensores de oxigênio lineares de célula única, por vezes, podem ser preferidos, por exemplo, para reduzir o custo, tamanho e a complexidade do circuito do dispositivo de controle associado.

[007] Conforme mostrado nas seções esquemáticas das figuras 1a e 1b, um sensor de oxigênio linear, de tipo célula única, indicado em geral por 1, compreende:

− uma camada eletrolítica 2, incluindo, por exemplo, dióxido de zircônio, ZrO2;
− um primeiro e um segundo eletrodo 3a, 3b, em contato com a camada eletrolítica 2, colocados em lados opostos em relação à mesma camada de eletrólito 2, e definindo um primeiro (pólo positivo) e, respectivamente, um segundo (pólo negativo), terminais elétricos do sensor de oxigênio linear 1;
− uma camada de difusão 4, por cima do primeiro eletrodo 3a e em contato, durante a operação, com os gases cuja concentração de oxigênio deseja-se que seja medida, por exemplo, os gases de descarga (o segundo eletrodo 3b sendo colocado em contato com um ambiente contendo um ar de referência).

[008] O sensor de oxigênio linear 1 compreende ainda: um duto de ar de referência 5, que define o ambiente mencionado acima em contato com o segundo eletrodo 3b; e um elemento de aquecimento 6, colocado abaixo do duto de ar de referência 5, e adequadamente acionado pela aplicação de uma grandeza elétrica, para trazer a célula eletrolítica de detecção para uma temperatura adequada (por exemplo, igual a 700°).

[009] Durante a operação, a corrente Ip na célula que flui entre os terminais elétricos do sensor de oxigênio linear 1 (indicada esquematicamente com um gerador de corrente 7 na figura 1b), através do qual uma tensão de polarização ∆V de um valor adequado é configurado (a figura 1b mostra uma gerador de tensão ∆V em série com uma resistência 8), é indicativa da percentagem de oxigênio; esta corrente Ip na célula é, portanto, indicativa da proporção ar/combustível A/F, conforme ilustrado a título de exemplo na figura 2.

[010] Sabe-se que, no campo do controle de sensores de oxigênio lineares, as grandezas elétricas aplicadas (em especial, a tensão de polarização entre os terminais elétricos associados) são necessárias ser dentro de determinados limites (superior e inferior); exceder (acima ou abaixo) estes limites podem de fato causar o chamado fenômeno de “escurecimento” do eletrólito, que é, potencialmente, prejudicial ao sensor ou, em qualquer caso, suficiente para comprometer o seu funcionamento apropriado.

[011] Além disso, no caso do sensor de oxigênio linear de célula única 1 ilustrado anteriormente, a tensão aplicada entre os terminais elétricos correspondentes precisa apresentar uma dada relação com a corrente Ip na célula, com uma variação adequada em correspondência com a variação da corrente Ip na célula em si.

[012] O objetivo da presente invenção é o de fornecer uma solução para o controle de um sensor de oxigênio linear de célula única, com uma configuração simples e de baixo custo, que oferece um bom desempenho elétrico.

[013] De acordo com a presente invenção, são fornecidos um circuito de controle para controlar um sensor de oxigênio linear e um correspondente método de controle, conforme definido nas reivindicações anexas.

[014] Para uma melhor compreensão da presente invenção, uma forma de realização preferida será descrita agora, a título de exemplo, a qual não é limitativa, com referência às figuras anexas, nas quais:

− as figuras 1a-1b são diagramas de seção esquemática, com diferentes níveis de detalhe, de um tipo conhecido de um sensor de oxigênio linear de única célula;
− a figura 2 é um gráfico que relaciona as quantidades de concentração de oxigênio e elétricas no sensor das figuras 1a, 1b;
− a figura 3 é um diagrama de blocos de um circuito de controle para um sensor de oxigênio linear, de acordo com uma forma de realização da presente solução;
− as figuras 4a, 4b são gráficos de grandezas elétricas relacionadas ao circuito de controle da figura 3;
− a figura 5 é um diagrama de circuito mais detalhado do circuito de controle da figura 3;
− a figura 6 é um diagrama de fluxo das operações de controle executadas pelo circuito de controle da figura 3; e
− a figura 7 mostra de forma esquemática uma porção de um motor de combustão interna no qual pode ser empregue o sensor de oxigênio linear e o correspondente circuito de controle.

[015] Conforme mostrado na figura 3, um aspecto da presente solução prevê a implementação de um circuito de controle, nesta forma de realização puramente analógico, indicado como um todo por 10, para a polarização de um sensor de oxigênio linear de única célula, novamente indicado por 1.

[016] O sensor de oxigênio linear 1 pode ser estruturado de um modo semelhante ao que foi descrito previamente, com referência às figuras 1a-1b, e é esquematizado, a partir do ponto de vista do circuito, com o gerador de corrente 7, o qual é conectado entre o primeiro e o segundo terminais elétricos, denotados aqui com 11a e 11b; e a conexão em série da resistência 8 e do capacitor 9, que são conectados entre os mesmos primeiro e segundo terminais elétricos 11a, 11b.

[017] Em particular, o circuito de controle 10 é configurado para gerar uma tensão de polarização apropriada, indicada aqui com ΔVs, entre os terminais elétricos 11a e 11b do sensor de oxigênio linear 1, como uma função do valor da corrente Ip na célula alimentada pelo próprio sensor de oxigênio linear 1 com base na concentração de oxigênio detectado, respeitando o padrão e limites mínimos e máximos previstos pelo projeto, para a operação apropriada do sensor de oxigênio linear 1 em si.

[018] Durante a operação, uma primeira tensão VS+ está presente no primeiro terminal elétrico 11a do sensor de oxigênio linear 1, que é assumida, por exemplo, para ser positiva, enquanto que uma segunda tensão VS- está presente no segundo terminal elétrico 11b do sensor de oxigênio linear 1 (por exemplo, esta também é positiva, e menor em comparação com a primeira tensão); a tensão de polarização ΔVs é dada pela diferença entre a primeira e a segunda tensões VS+, VS- : ΔVs= VS+ - VS-.

[019] Em detalhe, o circuito de controle 10 compreende:

− um estágio de detecção 12, acoplado ao segundo terminal 11b do sensor de oxigênio linear 1, configurado para fornecer um tensão de detecção Vsense, indicativa do valor da corrente Ip na célula, que se refere a uma tensão de referência Vref, que apresenta um valor adequado, por exemplo, igual a 3,8 V; em particular, a tensão de detecção Vsense aumenta ou diminui (de acordo com a direção da corrente Ip na célula) proporcionalmente à própria corrente Ip na célula;
− um estágio buffer
− 13, que apresenta a função de desacoplamento de impedância, conectado ma saída do estágio de detecção 12;
− um estágio amplificador 14, acoplado na saída do estágio de detecção 12 por meio do estágio buffer 13, configurado para processar a tensão de detecção Vsense, por meio da aplicação de um ganho K adequado e tensão de offset Vsum, conforme posteriormente descrito em maior detalhe, gerando uma tensão processada Vout;
− um estágio somador 16, o qual recebe a segunda tensão VS - no segundo terminal elétrico 11b do sensor de oxigênio linear 1, em uma primeira entrada, e a tensão processada Vout, em uma segunda entrada, e realiza uma soma ponderada das mesmas para compensar o ganho k previamente aplicado pelo estágio amplificador 14, gerando, assim, a primeira tensão VS + a ser aplicada no primeiro terminal elétrico 11a do sensor de oxigênio linear 1 em si;
− um estágio de acoplamento seletivo 18, disposto entre a saída do estágio somador 16 e o primeiro terminal elétrico 11a, e configurado para acoplar de modo seletivo a saída do estágio somador 16 ao mesmo primeiro terminal elétrico 11a, de acordo com um sinal de controle SC; em particular, em correspondência com um primeiro valor do sinal de controle SC (por exemplo, alto), a primeira tensão VS + gerada pela estágio somador 16 é fornecida ao primeiro terminal elétrico 11a do sensor de oxigênio linear 1, enquanto que para um segundo valor do mesmo sinal de controle SC (por exemplo, baixo), a saída da estágio somador 16 é trazida para um estado de alta impedância, desacoplada do mesmo primeiro terminal elétrico 11a.

[020] Juntas, o estágio de detecção 12 e o estágio amplificador 14 formam um bloco de transresistência, indicado como um todo com 17, concebido para gerar, como uma função da corrente Ip na célula, um valor adequado da tensão processada Vout (que determina o valor adequado da primeira tensão VS + no primeiro terminal 11a do sensor de oxigênio linear 1, em relação ao segundo terminal 11b).

[021] Em particular, conforme mostrado na figura 4a, a célula de detecção eletrolítica do sensor de oxigênio linear 1 apresenta um padrão desejado, de acordo com o projeto, o qual interliga a variação da corrente Ip na célula à tensão de polarização ΔVs aplicada entre os terminais 11a, 11b.

[022] No exemplo mostrado, conforme a corrente Ip na célula varia, este padrão para a tensão de polarização ΔVs prevê: um limite mínimo de tensão Vmin, no exemplo, próximo a 0 V, para valores de corrente Ip na célula abaixo de um limiar inferior Ipmin; um limite de tensão máxima Vmax, no exemplo, próximo a 1,2 V, para valores de corrente Ip na célula acima de um limiar superior Ipmax; e, entre os limites mínimos e máximos de tensão Vmin, Vmax, um padrão de rampa linear, com uma inclinação predefinida. Além disso, para um valor nulo da corrente Ip na célula é previsto um valor não nulo da tensão de polarização ΔVs, no exemplo, igual a cerca de 0,4 V.

[023] De acordo com um aspecto da presente solução, o ganho K e a tensão de offset Vsum do estágio amplificador 14 são selecionados adequadamente para replicar o padrão desejado mencionado acima (por projeto) da tensão de polarização ΔVs, conforme a corrente Ip na célula varie.

[024] Em particular, para os valores da corrente Ip na célula abaixo do limite inferior Ipmin, ou acima do limite superior Ipmax, o ganho K é tal que o estágio amplificador 14 opera com a tensão de saturação superior ou inferior (chamada “guias de alimentação”); em outras palavras, o estágio amplificador 14 funciona em todas as suas dinâmicas, com a tensão processada Vout que não pode exceder as tensões de saturação superior e inferior.

[025] Um padrão possível da tensão processada Vout é ilustrado na figura 4b: o valor da tensão processada Vout é compreendido entre as tensões de saturação superior e inferior, indicadas aqui com Vsatinf, Vsatsup, e, em adição, um valor não nulo da mesma tensão processada Vout corresponde a um valor nulo da corrente Ip na célula.

[026] Desta forma, o estágio amplificador 14 garante que os limites previstos pelo projeto para a tensão de polarização ΔVs aplicada ao sensor de oxigênio linear 1 sejam respeitados. Alem disso, a compensação do ganho K aplicado pelo estágio amplificador 14, o estágio somador 16, subseqüentemente, permite obter o valor desejado da tensão de polarização ΔVs, a partir da tensão processada Vout fornecida pelo mesmo estágio amplificador 14.

[027] De acordo com outro aspecto da presente solução, o estágio de acoplamento seletivo 18 é operável para desacoplar o sensor de oxigênio linear 1 do circuito de controle 10, em determinadas condições de operação, em particular, quando se pretende medir a temperatura de operação do linear sensor de oxigênio 1 em si.

[028] Para medir esta temperatura de operação, uma corrente de medição Imeas é injetada no sensor de oxigênio linear 1 e a resistência correspondente na passagem da própria corrente de medição Imeas é medida; a medição da resistência é indicativa da temperatura do sensor de oxigênio linear 1.

[029] Em particular, para este fim, um estágio de medição 19 é acoplado ao primeiro e segundo terminais elétricos 11a, 11b do sensor de oxigênio linear 1, sendo configurado para injetar a corrente de medição Imeas, por exemplo, de tipo impulsivo, no primeiro e/ou segundo terminal elétrico 11a, 11b, e determinar a resistência do sensor de oxigênio linear 1 em si (com base na queda da tensão provocada pela própria corrente de medição Imeas entre os terminais elétricos 11a, 11b).

[030] O estágio de medição 19 é configurado, em adição, para gerar o sinal de controle SC para o estágio de acoplamento seletivo 18, adequadamente programado para executar a operação de medição da temperatura. Em particular, o estágio de acoplamento seletivo 18 é operado para desacoplar o sensor de oxigênio linear 1 do circuito de controle 10, por um breve período de tempo, que é suficiente para medir a temperatura, mas de modo a não provocar variações indesejáveis nas condições de polarização do sensor de oxigênio linear 1 em si, conforme determinado pelo circuito de controle 10.

[031] Uma possível forma de realização do circuito de controle 10 será descrita agora em maior detalhe, com referência à figura 5.

[032] O estágio de detecção 12 compreende neste caso: um resistor sensor 20, apresentando a resistência Rsense, conectada entre o segundo terminal elétrico 11b do sensor de oxigênio linear 1 e um primeiro nó interno N1; e um primeiro amplificador buffer 21, que apresenta uma entrada não inversora a qual recebe a tensão de referência Vref, uma entrada inversora conectada à saída (em configuração de seguidor de tensão), e a saída conectada ao primeiro nó interno N1, sobre a qual ele, desse modo, realimenta a mesma tensão de referência Vref.

[033] Durante a operação, a corrente Ip na célula determina uma queda na tensão no resistor sensor 20 igual a Rsense ∙ Ip, de modo que o tensão do sensor Vsense é igual a: Vsense = Rsense ∙ Ip + Vref, e, portanto, proporcional à corrente Ip na célula.

[034] O estágio buffer 13 compreende um segundo amplificador buffer 23, que apresenta uma entrada não inversora conectada ao segundo terminal elétrico 11b do sensor de oxigênio linear 1, uma entrada inversora conectada à saída (em configuração seguidor de tensão), e a saída conectada a um segundo nó interno N2, no qual, desse modo, realimenta a segunda tensão (que coincide com a tensão do sensor Vsense).

[035] O estágio amplificador 14 compreende um amplificador operacional 24, que apresenta: uma entrada não inversora, conectada ao segundo nó interno N2 através de um primeiro resistor de ganho 25, apresentando a resistência R1, e também conectada ao terminal de referência de terra GND através de um segundo resistor de ganho 26, apresentando a resistência R2; uma entrada inversora, conectada através de um terceiro resistor de ganho 27, no exemplo, apresentando a resistência R1, a uma entrada de offset, em que a tensão de offset Vsum está presente, e também conectada à correspondente saída através de um quarto resistor de ganho 28, apresentando a resistência R2; e a saída fornecendo a tensão processada Vout.

[036] De uma maneira não ilustrada, a tensão de offset Vsum pode ser gerada a partir da própria tensão de referência Vref, por exemplo, por um divisor resistivo.

[037] A tensão processada Vout é, desse modo, dada pela expressão a seguir:
Vout = k ∙ (Vsense – Vsum), na qual o ganho K é definido pelos valores das resistências R1 e R2 das resistências de ganho: K = R2/R1.

[038] O amplificador operacional 24, além disso, recebe uma tensão de alimentação VDDS, por exemplo, igual a 5 V, cujo valor determina, de uma forma conhecida, os valores das correspondentes tensões de saturação superior e inferior (guias de alimentação) Vsatinf, Vsatsup.

[039] O estágio somador 16 compreende, por sua vez, um amplificador operacional 30, que apresenta: uma entrada não inversora, conectada ao segundo nó interno N2 através de um quinto resistor de ganho 31, que apresenta a resistência R1, e também conectada à saída do amplificador operacional 24 do estágio amplificador 14 através de um sexto resistor de ganho 32, que apresenta a resistência R2; uma entrada inversora, conectada através de um sétimo resistor de ganho 33, no exemplo, apresentando a resistência R2 para o terminal de terra GND, e, em adição, conectado a um terceiro nó interno N3 através de um oitavo resistor de ganho 34, que apresenta a resistência R1; e uma saída conectada ao terceiro nó interno N3 através de outra resistência 35, para o propósito de proteção em caso de curtocircuito, e fornecendo a primeira tensão VS+, para o primeiro terminal 11a do sensor de oxigênio linear 1.

[040] A entrada não inversora do amplificador operacional 30 também é conectada ao terminal de terra GND através de um capacitor 35’, que apresenta a função de “loop de compensação” para estabilizar o loop de controle.

[041] A primeira tensão VS + é, portanto, dada pela expressão a seguir:
VS+ = 1/k ∙ Vout + VS-

[042] O estágio de acoplamento seletivo 18 compreende: um primeiro e um segundo elemento de comutação 36a, 36b (no exemplo, feito com um respectivo transistor MOSFET), conectado em série entre o terceiro nó interno N3 e o primeiro terminal elétrico 11a do sensor de oxigênio linear 1, e apresentando os terminais de controle conectados um ao outro e a um quarto nó interno N4. O mesmo quarto nó interno N4 é conectado ao terceiro nó interno N3 através de um resistor 37 adicional.

[043] O estágio de acoplamento seletivo 18 compreende ainda um transistor bipolar 38, apresentando um terminal de base conectado a uma entrada de controle, onde ele recebe (a partir do estágio de medição 19), o sinal de controle SC através de um resistor 39, um terminal coletor conectado ao quarto nó interno N4 através de um resistor 40, e um terminal emissor conectado ao terminal de terra GND.

[044] Na forma de realização ilustrada, o estágio de medição 19 mencionado acima compreende: um primeiro gerador corrente bidirecional 41 conectado ao primeiro terminal elétrico 11a do sensor de oxigênio linear 1, que recebe uma tensão de alimentação VBAT (que também alimenta os amplificadores operacionais 21, 23 e 30); e um segundo gerador de corrente bidirecional 42, conectado ao segundo terminal elétrico 11b do mesmo sensor de oxigênio linear 1, que recebe a tensão de alimentação VBAT.

[045] O primeiro e o segundo gerador de corrente 41, 42 são operáveis para injetar a corrente de medição Imeas, no exemplo, de um tipo impulsivo, para o primeira ou o segunda terminal elétrico 11a, 11b do sensor de oxigênio linear 1, a dita corrente sendo fornecida por um par de impulsos consecutivos, com polaridade oposta e uma duração, por exemplo, igual a 0 μs e uma amplitude igual a +/- 2,5 mA.

[046] A corrente de medição Imeas pode ser alimentada alternativamente em ambas as direções, para o respectivo terminal elétrico 11a, 11b, ou a partir do mesmo terminal elétrico 11a, 11b.

[047] Conforme indicado anteriormente, a duração da operação de medição de temperatura é tal que não altera as condições de polarização e, portanto, o estado do eletrólito na camada de eletrólito 2 do sensor de oxigênio linear 1.

[048] O estágio de medição 19 compreende, além disso, uma unidade de controle 44, configurada para acionar o primeiro e segundo geradores de corrente 41, 42 e, além disso, para gerar o sinal de controle SC para o estágio de acoplamento seletivo 18, com base em um mesmo sinal de temporização. De uma maneira não mostrada, a unidade de controle 44 também pode ser operacionalmente acoplada a uma unidade de gestão de alto nível, por exemplo, do motor em que o sensor de oxigênio linear 1 é empregado, a partir da qual pode receber os comandos adequados.

[049] Durante a operação, a unidade de controle 44 é apta para iniciar o procedimento para a medição da temperatura do sensor de oxigênio linear 1 por meio da comutação do sinal de controle SC; subseqüentemente, a mesma unidade de controle 44 aciona os geradores de corrente 41, 42 para fornecer a corrente de medição Imeas por meio do sensor de oxigênio linear 1, determinando o valor da temperatura com base na medição da resistência entre a terminais elétricos 11a, 11b do mesmo sensor de oxigênio linear 1.

[050] Em maior detalhe, e conforme ilustrado na figura 6, o procedimento de medição de temperatura implementado pela unidade de controle 44 do estágio de medição 19, prevê, em um primeiro passo 50, a comutação do primeiro e do segundo elementos comutadores 36a, 36b no estágio de acoplamento seletivo 18 para desacoplar o circuito de controle 10 do sensor de oxigênio linear 1 (em particular, ambos os comutadores 36a, 36b são abertos) e interromper a polarização do próprio sensor de oxigênio linear 1.

[051] Posteriormente, no passo 51, a unidade de controle 44 determina a alimentação da corrente de medição Imeas através do sensor de oxigênio linear 1, acionando o primeiro e/ou o segundo gerador de corrente 41, 42.

[052] A resistência do sensor de oxigênio linear 1 é, a seguir, medida, no passo 52, como uma função da queda na tensão entre os correspondentes terminais elétricos 11a, 11b provocada pela passagem da corrente de medição Imeas.

[053] Desta forma, a unidade de controle 44 determina o valor da temperatura, como uma função da resistência medida, no passo 54.

[054] Em um passo 55 subseqüente, a unidade de controle 44 pode verificar se o valor de temperatura previamente determinado T corresponde, ou não, a uma temperatura de operação desejada Tdes para o sensor de oxigênio linear 1.

[055] Se a verificação for positiva, nenhuma correção será feita, e o circuito de controle 10 pode, subseqüentemente, ser acoplado novamente ao sensor de oxigênio linear 1, para alimentar a tensão de polarização ΔVs e continuar com as operações de monitoração da concentração de oxigênio, passo 56.

[056] Caso contrário, passo 57, a corrente de acionamento alimentada ao elemento de aquecimento 6 do sensor de oxigênio linear 1 pode ser apropriadamente modificada (ver figura 1a), de acordo com a diferença entre a temperatura T e a temperatura de operação desejada Tdes.

[057] É possível retornar do passo 57 para o passo 51, de um modo iterativo, para outra verificação do valor da temperatura T, até que a temperatura T em si atinja o valor desejado.

[058] Em particular, a medição da temperatura T do sensor de oxigênio linear 1, e qualquer correção das quantidades de acionamento alimentadas ao elemento de aquecimento 6, pode ser realizada em uma base contínua, em intervalos periódicos fixos, ou sempre que necessário, em outras palavras, quando for apropriado monitorar e atualizar o valor da temperatura em si.

[059] De uma maneira que não é ilustrada, mas o que é evidente a partir da descrição, o retorno do passo 56 para o passo 50 (para uma nova medição da temperatura T) ocorre, por exemplo, após um ajuste do tempo de espera, ou após a recepção, a partir da unidade de gestão de alto nível acoplada na unidade de controle 44, um comando para monitorar a temperatura.

[060] As vantagens da solução proposta parecem evidentes a partir da descrição anterior.

[061] Em qualquer caso, é novamente ressaltado que permite a polarização eficaz e o controle efetivo de um sensor de oxigênio linear de célula única, mas com complexidade do circuito e custo de implementação reduzidos.

[062] A segurança do circuito de controle 10 é intrinsecamente garantida, uma vez que é impossível que a tensão de polarização assuma valores que sejam superiores ou inferiores aos valores limite toleráveis pelo sensor de oxigênio linear 1 (em particular, graças à dinâmica limitada do amplificador operacional 24 do estágio de processamento 14).

[063] A possibilidade de desacoplamento do circuito do sensor de oxigênio linear 1, quando a relativa temperatura de operação precisa ser medida é particularmente vantajosa.

[064] Vantajosamente, o circuito de controle 10, na forma de realização descrita, sendo de um tipo completamente analógico, é apto para cooperar com as unidades de processamento adicionais (por exemplo, as unidades microprocessadoras), que podem ser operacionalmente acopladas ao mesmo sensor de oxigênio linear 1, por exemplo, para realizar operações de leitura e processamento dos dados adquiridos e/ou operações de diagnosticar a operação do próprio sensor de oxigênio linear 1. Estas unidades de processamento podem ser acopladas na mesma placa de circuito impresso (PCB) em que o circuito de controle 10 é formado.

[065] Conforme mostrado de forma esquemática na figura 7, a solução descrita pode, vantajosamente, ser aplicada, por exemplo, em um motor de combustão interna 60, para controlar um sensor de oxigênio linear 1, situado no interior de um duto de descarga 61, para a medição da concentração de oxigênio nos gases de descarga, e assim, fornecer uma indicação da proporção a/F.

[066] No exemplo ilustrado, o sensor de oxigênio linear 1 é, por exemplo, posicionado antes de um catalisador 63, adequado para a eliminação de substâncias poluentes presentes nos gases de combustão, antes dos próprios gases serem liberados para o meio ambiente; no entanto, de uma maneira não ilustrada, o sensor de oxigênio linear 1 pode igualmente ser colocado a jusante do catalisador 63 (ou posicionado em um duto de admissão do motor de combustão interna 60).

[067] Finalmente, é claro que modificações e variações podem ser feitas ao que é descrito e ilustrado aqui, sem se afastar do escopo da presente invenção, tal como definido nas reivindicações anexas.

[068] Em particular, é evidente que o circuito de controle 10 pode implementar diferentes curvas que descrevem o padrão desejado (de acordo com o projeto), que interliga a variação da corrente Ip na célula à tensão de polarização ΔVs entre os terminais elétricos 11a, 11b do sensor de oxigênio linear 1, por exemplo, em termos de uma inclinação diferente do padrão da rampa linear, e/ou um limite de tensão mínimo Vmin diferente, e/ou um limite de tensão máxima Vmax diferente.

[069] Além disso, ele é novamente salientado que o circuito de controle 10 pode ser empregado para controlar sensores de oxigênio linear de célula única em várias aplicações, também em aplicações que diferem das aplicações em motores de combustão interna mencionadas anteriormente.

Claims

Circuito de controle (10) para um sensor de oxigênio linear de célula única (1) apresentando um primeiro (11a) e um segundo (11b) terminais elétricos nos quais uma primeira tensão (VS+) e, respectivamente, uma segunda tensão (VS-) são concebidas para ser fornecidas, sendo que uma corrente na célula (Ip) entre os ditos primeiro (11a) e o segundo (11b) terminais elétricos é indicativa de uma concentração de oxigênio detectado, o dito circuito de controle (10) sendo configurado para gerar uma tensão de polarização (ΔVs) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos, apresentando um padrão pré-definido como uma função de dita corrente na célula (Ip),
caracterizado por compreender:
- − um bloco de transresistência (17), acoplado ao dito segundo terminal elétrico (11b) e configurado para gerar uma tensão processada (Vout) como uma função de dita corrente na célula (Ip) e de dito padrão pré-definido; e
- − um estágio somador (16), acoplado ao dito bloco de transresistência (17) e ao dito segundo terminal elétrico (11b), e configurado para realizar uma soma entre a dita tensão processada (Vout) e a dita segunda tensão (VS-), para gerar a dita primeira tensão (VS+) no primeiro terminal elétrico (11a) de dito sensor de oxigênio linear (1), de modo que a dita tensão de polarização (ΔVs) apresente o padrão pré-definido como uma função da corrente na célula (Ip).
Circuito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito bloco de transresistência (17) compreender:
- − um estágio de detecção de corrente (12), acoplado ao dito segundo terminal (11b) e configurado para gerar uma tensão de detecção (Vsense) como uma função de dita corrente na célula (Ip); e
- − um estágio de processamento (14), acoplado ao dito estágio de detecção de corrente (12) e configurado para processar a dita tensão de detecção (Vsense) com base no dito padrão pré-definido para gerar a dita tensão processada (Vout).
Circuito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por conforme a corrente na célula (Ip) varie, o dito padrão pré-definido prever:
- − um limite de tensão mínima (Vmin), para valores da corrente na célula (Ip) abaixo de um limiar inferior (Ipmin);
- − um limite de tensão máxima (Vmax), para valores da corrente na célula (Ip) acima de um limiar superior (Ipmax); e
- − entre a tensão mínima (Vmin) e a tensão máxima (Vmax), um padrão de rampa linear, com uma inclinação pré-definida.
Circuito, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dito estágio de processamento (14) compreender um amplificador operacional (24) que apresenta uma tensão de saturação superior (Vsatsup) e uma tensão de saturação inferior (Vsatinf) que depende de uma relativa tensão de alimentação (VDDS); e pelo fato de que o dito amplificador operacional (24) apresenta um ganho (K) que é tal que a tensão processada (Vout) é igual à tensão de saturação superior (Vsatsup) para valores de corrente na célula (Ip) acima de dito limiar superior (Ipmax), e igual à tensão de saturação inferior (Vsatinf) para valores de corrente na célula (Ip) abaixo de dito limiar inferior (Ipmin).
Circuito, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o dito amplificador operacional (24) apresenta uma tensão de offset (Vsum), com um valor que depende de dito padrão pré-definido.
Circuito, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado por o dito estágio somador (16) ser configurado para compensar o ganho (K) aplicado pelo dito estágio de processamento (14) na dita tensão processada (Vout), na soma entre a dita tensão processada (Vout) e a dita segunda tensão (VS-) no segundo terminal elétrico (11b) do sensor de oxigênio linear (1).
Circuito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dito estágio de detecção da corrente (12) compreender um resistor de detecção (20), conectado entre o dito segundo terminal elétrico (11b) de dito sensor de oxigênio linear (1) e um nó (N1) ajustado em uma tensão de referência (Vref).
Circuito, de acordo com qualquer uma dentre as reivindicações 1 a 7, caracterizado por compreender ainda um passo de desacoplamento (18), conectada entre uma saída de soma (N3) de dito estágio somador (16) e o dito primeiro terminal elétrico (11ª) de dito sensor de oxigênio linear (1); o dito estágio de desacoplamento (18) sendo concebido para receber um sinal de controle (SC), e operável com base no dito sinal de controle (SC) para de modo seletivo desacoplar a dita saída de soma (N3) a partir de dito primeiro terminal elétrico (11ª), durante, ao menos, uma condição de operação.
Circuito, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a dita condição de operação ser uma condição de medição para a medição de uma temperatura de operação (T) de dito sensor de oxigênio linear (1), a qual prevê: o envio de uma corrente de medição (Imeas) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos de dito sensor de oxigênio linear (1); e a medição da resistência de dito sensor de oxigênio linear (1) na passagem de dita corrente de medição (Imeas); e pelo fato de que o dito estágio de desacoplamento (18) é configurado para desacoplar a dita saída de soma (N3) de dito primeiro terminal elétrico (11) de um modo limitado no tempo para realização de dita medição da temperatura de operação.
Circuito, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado por o dito estágio de desacoplamento (18) compreender ao menos um elemento de comutação (36a, 36b), operável pelo dito sinal de controle (SC) para trazer a saída de soma (N3) de dito estágio somador (16) para um estado de alta impedância.
Circuito, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender um estágio de medição (19), acoplado aos ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos de dito sensor de oxigênio linear (1) e, configurado para: gerar o dito sinal de controle (SC); fornecer a dita corrente de medição (Imeas) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos de dito sensor de oxigênio linear (1); e medir a resistência de dito sensor de oxigênio linear (1) na passagem de dita corrente de medição (Imeas).
Circuito, de acordo com qualquer uma dentre as reivindicações 1 a 11, caracterizado por ser um tipo puramente analógico.
Motor de combustão interna (60), compreendendo um duto de descarga e/ou admissão (61), e um sensor de oxigênio linear de célula única (1), caracterizado por ser configurado para medir uma concentração de oxigênio nos gases presentes no dito duto de descarga e/ou admissão (61), e um circuito de controla (10) para o sensor de oxigênio linear de célula única (1) conforme descrito na reivindicação 1.
Método de controle de um sensor de oxigênio linear de célula única (1) apresentando um primeiro (11a) e um segundo (11b) terminais elétricos em que uma primeira tensão (VS+) e, respectivamente, uma segunda tensão (VS-) são concebidas para serem fornecidas, sendo que uma corrente na célula (Ip) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos é indicativa de uma concentração de oxigênio detectado, compreendendo o passo de gerar uma tensão de polarização (ΔVs) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos, com um padrão pré-definido como uma função de dita corrente na célula (Ip),
Caracterizado por o passo de geração compreender:
- − a geração de uma tensão processada (Vout) como uma função de dita corrente na célula (Ip) e de dito padrão pré-definido; e
- − a realização de uma soma entre a dita tensão processada (Vout) e a dita segunda tensão (VS-), para gerar a dita primeira tensão (VS+) para o primeiro terminal elétrico (11a) de dito sensor de oxigênio linear (1), de modo que a dita tensão de polarização (ΔVs) apresente o padrão pré-definido como uma função da corrente na célula (Ip).
Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o dito passo de geração compreender:
- − a geração de uma tensão de detecção (Vsense) como uma função de dita corrente na célula (Ip); e
- − o processamento de dita tensão de detecção (Vsense) com base no dito padrão prédefinido para a geração de dita tensão processada (Vout).
Método, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado por o dito passo de geração ser implementado por um circuito de controle (10) acoplado ao sensor de oxigênio linear (1); compreendendo ainda: desacoplar de modo seletivo o dito primeiro terminal elétrico (11a) de dito circuito de controle (10) durante, ao menos, uma condição de operação, sendo que a dita condição de operação é uma condição de medição para a medição de uma temperatura de operação (T) de dito sensor de oxigênio linear (1), a qual prevê: o envio de uma corrente de medição (Imeas) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos de dito sensor de oxigênio linear (1); e a medição da resistência de dito sensor de oxigênio linear (1) na passagem de dita corrente de medição (Imeas); sendo que o dito passo de desacoplamento apresenta uma duração limitada no tempo para a realização de dita medição da temperatura de operação.
Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por compreender ainda, após o dito passo de desacoplamento: o envio de dita corrente de medição (Imeas) entre os ditos primeiro (11a) e segundo (11b) terminais elétricos de dito sensor de oxigênio linear (1); a medição da resistência de dito sensor de oxigênio linear (1) na passagem de dita corrente de medição (Imeas) para determinar a dita temperatura de operação (T) como uma função da resistência medida; e acopla novamente o dito primeiro terminal elétrico (11a) no dito circuito de controle (10) no final de dita medição da temperatura de operação.
Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por um elemento de aquecimento (6) ser acoplado ao sensor de oxigênio linear (1); compreendendo ainda, no caso em que a medição da temperatura de operação (T) seja diferente de um valor predefinido (Tdes), o passo de variar a condição de acionamento de dito elemento de aquecimento (6), antes de dito passo de acoplar novamente o dito primeiro terminal elétrico (11a) ao circuito de controle (10).
Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado por o dito passo de acoplar novamente o dito primeiro terminal elétrico (11) ao circuito de controle (10) ser realizado quando a temperatura de operação (T) apresenta uma relação desejada com um valor pré-ajustado (Tdes).