DE102005003813A1

DE102005003813A1 - Anschlussschaltung für Lambda-Sprungsonde

Info

Publication number: DE102005003813A1
Application number: DE200510003813
Authority: DE
Inventors: Thomas Wahl; Lothar Diehl; Dirk Rady; Michael Daetz; Oliver Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für den Anschluss einer Lambda-Sprungsonde an eine Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) und ein zugehöriges Messverfahren. Die Schaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Sondenelement (S) über eine erste Anschlussleitung (L1) und eine zweite Anschlussleitung (L2) mit der SASV verbunden ist, und das Heizelement (H) über eine der beiden Anschlussleitungen (L1) oder (L2) und die Masseverbindung (M). Das Messverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Messsignal getaktet ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für den Anschluss einer Lambda-Sprungsonde an eine Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein zugehöriges Messverfahren.
Zur Bestimmung einer Gaskonzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgasgemisch, ist die Verwendung von Lambdasonden bekannt. Eine mögliche Ausführungsform einer Lambdasonde ist die sogenannte Lambda-Sprungsonde. Hierbei handelt es sich um eine Sonde, die als Messfühler für die Bestimmung der Abgaszusammensetzung verwendet wird. Bei stöchiometrischem Gemisch (Lambda = 1) liefert sie einen Spannungssprung und somit eine Aussage darüber, ob das Gemisch fetter oder magerer als Lambda = 1 ist.
Solche Sonden sind bei verschiedenartigsten Verbrennungsanlagen, insbesondere für Brennkraftmaschinen, wie Kfz-, Flugzeug- oder Schiffsmotoren, Biogasanlagen und dergleichen mehr nutzbar.
Da die Sonde eine bestimmte Betriebstemperatur benötigt, um ein brauchbares Signal liefern zu können, wird die als Nernstzelle ausgebildete Gassonde mit einem elektrischen Heizer versehen und entsprechend temperiert.
Aufgrund der kleinen Baumaße und der niedrigen Sondenspannung von 0 V bis – 800 mV der Lambda-Sprungsonde ist das vom Sondenelement, also der Nernstzelle gelieferte Messsignal sehr störanfällig. Störungen können beispielsweise durch den Betrieb des Heizers auftreten, sie können aber auch aufgrund hoher Übergangswiderstände in der Leitungsführung hervorgerufen werden.

Eine Schaltung für die Spannungs- und Signalversorgung einer Abgassonde ist aus der DE 198 35 766 A1 bekannt. Darin wird mittels zwei Anschlussleitungen und einer Masseleitung sowohl der Heizer als auch das Sensorelement betrieben. Zur Reduzierung der Störeinflüsse durch den Heizer wird dabei vorgeschlagen, den Sensor in Bezug auf den Heizer in umgekehrter Polung über die Masse anzuschließen. Diese Maßnahme verbessert zwar das Sondensignal, dennoch sind Störeinwirkungen am Signal unvermeidbar. Dies insbesondere durch die hohen Übergangswiderstände an der Masseverbindung.

Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung von Störeinflüssen auf das Messsignal wird in der DE 199 60 954 B4 beschrieben. Um eine möglichst rasche und gleichmäßige Wärmeverteilung und Abschirmung zu erreichen, wird die Anordnung von metallischen Ausgleichselementen zwischen Heizer und Sonde vorgeschlagen. Das Messsignal der Nernstzelle wird über zwei Anschlussleitungen an eine Auswerteeinheit übertragen. Neben der internen Abschirmung ist also eine Verbesserung gegenüber der DE 198 35 766 A1 dahingehend erzielt, dass das Messsignal nicht durch einen zusätzlichen, relativ hochohmigen Übergangswiderstand an der Masseverbindung gestört oder geschwächt wird. Der Heizer wird über eine eigene Anschlussleitung und die Masse betrieben, so dass bei dieser Beschattung eine zusätzliche Anschlussleitung für die Versorgung der Lambdasonde erforderlich ist.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, die Betriebsstabilität von Lambda-Sprungsonden bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungskosten zu verbessern.

Gelöst wird die Aufgabe durch die technische Lehre der Ansprüche 1 und 5.

Aus den Unteransprüchen gehen vorteilhafte Weiterbildungen und zusätzliche Merkmale der Erfindung hervor.

Die Erfindung betrifft demnach eine Schaltung für den Anschluss einer Lambda-Sprungsonde an eine Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit nach Anspruch 1 sowie ein Messverfahren nach Anspruch 5.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Sondenelement S über eine erste Anschlussleitung L1 und eine zweite Anschlussleitung L2 mit der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) verbunden ist, und das Heizelement H über eine der beiden Anschlussleitungen L1 oder L2 und die Masseverbindung M.

Diese Ausführungsform gewährleistet eine geringe Störung des Messsignals aufgrund der niedrigen Übergangswiderstände durch die beiden Anschlussleitungen L1 und L2 und eine Reduzierung der Material- und Herstellungskosten durch die Spannungsversorgung des Heizers mittels einer physikalisch bereits vorhandenen Anschlussleitung L1 oder L2 und die Rückleitung über die ohnehin vorhandene Masseverbindung M.

Durch den Spannungsabfall an der Masseverbindung ergibt sich zwar eine reduzierte Leistung des Heizers, sie ist aber von keiner großen Bedeutung, da die um diesen Spannungsabfall reduzierte Leistung des Heizers durch entsprechende Maßnahmen ausgeglichen werden kann, wie beispielsweise eine längere Einschaltdauer oder eine höhere Heizleistung des Heizers.

In einer ersten Ausführungsform der Schaltung ist dabei der Widerstand RH des Heizelementes H im Stromkreis des Sondenelementes S mit dessen Innenwiderstand RI in Reihe geschaltet. Aufgrund des relativ geringen Widerstandes des Heizers mit beispielsweise 3–8 Ω, verglichen mit einem Innenwiderstand RI von etwa 300 Ω bis 400 Ω der Nernstzelle, spielt die daran abfallende Spannung nahezu keine Rolle bei der Auswertung des Messsignals.

Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der Schaltung ist so aufgebaut, dass der Widerstand RH des Heizelementes H außerhalb des Stromkreises des Sensorelementes S angeordnet ist. Dadurch kann eine noch genauere Messsignalauswertung erreicht werden.

Um die Lambda-Sprungsonde (LSS) in verschiedenen Betriebsmodi betreiben zu können, können in der Schaltung, insbesondere in der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) Schalter vorgesehen sein, um ein selektives Schließen bzw. Öffnen der einzelnen Lambda-Sprungsonden-Schaltkreise zu ermöglichen. Solche Schalter können beispielsweise elektronische Schalter sein, die ihrerseits softwaregesteuert angesprochen werden.

Der Hauptbetriebsmodus der LSS ist der bereits beschriebene Sensormodus, bei dem die an den beiden Anschlussleitungen L1, L2 anstehende Nernstspannung über einen Operationsverstärker abgegriffen und ausgewertet wird. Ein weiterer Betriebsmodus besteht darin, dass der Innenwiderstand RI der Nernstzelle ermittelt wird, um über seinen aktuellen Wert einen Rückschluss auf die Betriebstemperatur der Lambda-Sprungsonde zu erhalten.

Ein nächster Betriebsmodus ist der sogenannte Pumpbetrieb für die gepumpte Referenz der LSS. Dazu wird der Nernstzelle ein bestimmter Strom aufgeprägt, so dass diese aus einem Messgas enthaltenden Gasraum Sauerstoffionen durch den Festelektrolytkörper in den Referenzgasraum pumpt.

Neben der erfindungsgemäßen Schaltung für den Anschluss einer Lambda-Sprungsonde wird auch ein Messverfahren für eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, deren Kern darin liegt, dass das Messsignal des Sondenelementes S in getakteten Intervallen ausgewertet wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nur jener Teil des Messsignals des Sondenelementes S bei der Auswertung berücksichtigt wird, welchen dieses in der Ausschaltphase des Heizelementes H liefert. Die durch den Betrieb des Heizelementes H auftretenden Störungen werden somit nicht erfasst.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit das Messsignal des Sondenelementes S zeitlich getrennt von den übrigen Signalen der Lambda-Sprungsonde erfasst. Dadurch können weitere Störeinflüsse reduziert oder sogar vollständig vermieden werden.

Für die Ermittlung des Innenwiderstandes RI des Sondenelementes kann die SASV ein Wechselspannungssignal an das Sondenelement S senden, um dessen Antwortsignal zur Ermittlung eines aktuellen Innenwiderstandswertes RI zu erfassen. Ein solches Wechselspannungssignal kann beispielsweise ein 4 kHz-Signal sein, das durch einen Kondensator C in die Schaltung eingekoppelt wird.

Zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft der gepumpten Referenz kann die SASV in einer Einschaltphase des Heizelementes eine Spannung an den Sensor S anlegen, um dessen elektrochemischen Prozess zwecks Versorgung einer Referenzelektrode mit Referenzgas in Umkehrrichtung zu betreiben. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den bereits beschriebenen Sauerstoffionentransport aus dem Gasraum für das Messgas in den Gasraum für das Referenzgas durch die Aufprägung eines Pumpstromes auf die Nernstzelle.

Ein solcher Betriebsmodus ist insbesondere zum Ende der Einschaltphase des Heizelementes hin vorteilhaft, da dann die Referenz neu aufgefrischt ist, und die durch den Pumpvorgang auftretenden Polarisierungen, also Konzentrationsverschiebungen im Referenzgas und in der Nernstelektrode, bereits abgeklungen sind, wenn das an der Nernstzelle anliegende Messsignal im nachfolgenden Zeitintervall zur Ermittlung des Lambdawertes erfasst wird.

In einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform kann es aber auch vorgesehen sein, dass der Pumpstrom permanent an das Sondenelement S angelegt wird. In einem solchen Betriebsmodus kann mit einem relativ geringen, der Nernstzelle aufgeprägten Strom für eine ausreichende Sauerstoffkonzentration im Referenzgasraum gesorgt werden. Dadurch gegebenenfalls verursachte Signalstörungen können vorherberechnet und dementsprechend aus dem Messergebnis ausgeblendet werden.

Zeichnungen:
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Schaltung für den Anschluss einer Lambda-Sprungsonde an eine Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit und
2 eine gegenüber der Schaltung in 1 abgewandelte Ausführungsform.
1 zeigt eine Lambda-Sprungsonde LSS und eine für deren betriebsmäßige Versorgung vorgesehene Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit SASV in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit zwei Anschlussleitungen L1, L2 und einer Masseverbindung M. Die Lambda-Sprungsonde LSS umfasst die Spannungsquelle UN, die mit ihrem Innenwiderstand RI in Reihe geschaltet ist, sowie einen elektrischen Heizer H mit seinem Heizwiderstand RH, der ebenfalls im Stromkreis der Nernstzelle mit dieser in Reihe geschaltet ist. Der kontakt- und materialbedingte Übergangswiderstand RÜ für die Masseverbindung M ist außerhalb der Lambda-Sprungsonde LSS dargestellt, da er im Wesentlichen auch außerhalb dieser auftritt.
Am anderen Ende der beiden Anschlussleitungen L1, L2 ist eine Innenbeschaltung der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit SASV gezeigt. Für die Auswertung des Messsignals der Nernstzelle ist ein Differenzverstärker VD mit den beiden Anschlussleitungen L1, L2 verbunden. An seinem Ausgang ist ein Schalter S1 vorgesehen, der das Ausgangssignal durchschaltet bzw. unterbrechen kann. Symbolisch ist die Ansteuerung aller Schalter S1–S4 durch einen Prozessor P mittels gestrichelter Linien dargestellt.
Somit steuert der Prozessor P beispielhaft auch den Schalter S2 für die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Heizstromkreises für den Heizwiderstand RH.
Für den nächsten Betriebsmodus, die Erfassung des Innenwiderstandes RI, kann ebenfalls eine Ansteuerung des Schalters S3 durch den Prozessor P vorgesehen sein. Zur Einkopplung eines Wechselspannungssignals, beispielsweise eines 4 kHz-Signals, ist der Kondensator C in der Schaltung angeordnet. Da der Kondensator grundsätzlich eine Leitungsunterbrechung für einen Gleichstromkreis darstellt, ist ein Betrieb ohne den Schalter S3 auch möglich, so dass dieser lediglich beispielhaft in der Schaltungsanordnung vorgesehen ist.
Der vierte Betriebsmodus, das Pumpen für die gepumpte Referenz, kann über den Anschluss mit dem Widerstand RP und dem Schalter S4 realisiert werden. Je nach Art des Betriebsmodus für das Pumpen, getaktet oder permanent, ist der Schalter S4 erforderlich bzw. kann er sogar entfallen.
Die übrigen Teilschaltungen in der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit SASV sind für das Verständnis der erfindungsgemäßen Schaltung nicht erforderlich und demgemäß auch nicht dargestellt.
2 zeigt eine gegenüber der 1 abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung. Die Elemente sind die gleichen und weisen daher auch die gleichen Bezeichnungen auf. Der Unterschied in der Beschaltung besteht darin, dass sich der Widerstand des Heizers RH, im Gegensatz zur Schaltung in der 1, außerhalb des Schaltkreises der Nernstzelle befindet. Beispielhaft ist in beiden Schaltungen am Widerstand des Heizers RH die Masse auf Minus gelegt. Dies ist durch H^– bzw. H⁺ an den jeweiligen Kontaktseiten des Heizerwiderstandes RH symbolisiert. Diese Polung ist aber nicht zwingend erforderlich, sie kann selbstverständlich auch umgekehrt werden.

Claims

Schaltung für den Anschluss einer Lambda-Sprungsonde (LSS), umfassend ein Sondenelement (S) und ein elektrisches Heizelement (H), an eine Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV), wobei die Lambda-Sprungsonde (LSS) zur Bestimmung einer Gaskonzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch vorgesehen ist, insbesondere in einem Abgasgemisch, wobei die Lambda-Sprungsonde (LSS) mit der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) über Anschlussleitungen (L) und eine Masseverbindung (M) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Sondenelement (S) über eine erste Anschlussleitung (L1) und eine zweite Anschlussleitung (L2) mit der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) verbunden ist, und das Heizelement (H) über eine der beiden Anschlussleitungen (L1) oder (L2) und die Masseverbindung (M).
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (RH) des Heizelementes (H) im Stromkreis des Sondenelementes (S) mit dessen Innenwiderstand (RI) in Reihe geschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (RH) des Heizelementes (H) außerhalb des Stromkreises des Sondenelementes (S) angeordnet ist.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) Schalter zum selektiven Schließen bzw. öffnen der einzelnen Lambda-Sprungsonden-Schaltkreise vorhanden sind.
Messverfahren für eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal des Sondenelementes (S) in getakteten Intervallen ausgewertet wird.
Messverfahren für eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jener Teil des Messsignals des Sondenelementes (S) ausgewertet wird, welchen das Sondenelement (S) in der Ausschaltphase des Heizelementes (H) liefert.
Messverfahren für eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) das Messsignal des Sondenelementes (S) zeitlich getrennt von den übrigen Signalen der Lambda-Sprungsonde (LSS) erfasst.
Messverfahren für eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) ein Wechselspannungssignal an das Sondenelement (S) sendet, und dessen Antwortsignal zur Ermittlung seines aktuellen Innenwiderstandes (RI) erfasst.
Messverfahren für eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) in einer Einschaltphase des Heizelementes eine Spannung an das Sondenelement (S) anlegt, um deren elektrochemischen Prozess zwecks Versorgung einer Referenzelektrode mit Referenzgas in Umkehrrichtung zu betreiben.
Messverfahren für eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerte- und/oder Spannungsversorgungseinheit (SASV) permanent eine Spannung an das Sondenelement (S) anlegt, um deren elektrochemischen Prozess zwecks Versorgung einer Referenzelektrode mit Referenzgas in Umkehrrichtung zu betreiben.