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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Abgassensors mit zumindest einer keramischen Sensorzelle für eine Verbrennungskraftmaschine.
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Beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen werden für die Einhaltung von gesetzlich festgelegten Emissionsgrenzwerten Abgassensoren eingesetzt, deren Signal zur Emissionsregelung der Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird. Häufig eingesetzte Abgassensoren sind sog. binäre und lineare Lambdasonden sowie NOx-Sensoren. Diese Typen von Abgassensoren umfassen jeweils einen beheizten Festkörperelektrolyten aus Yttrium-stabilisierter Zirkondioxidkeramik (ZrO2). Um bei Abgassensoren, die aus Zirkondioxid bestehen, die Sauerstoff- oder NOx-Konzentration in Form eines Sauerstoffionenstroms durch den Festkörperelektrolyten messen zu können, ist eine Beheizung der Keramik vorgesehen. Die Zieltemperatur wird entweder auf einen vorgegebenen Wert geregelt oder betriebspunktabhängig vorgesteuert.
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Das Basismaterial Zirkondioxid hat zwei wesentliche Eigenschaften:
- 1. Wenn an einer Elektrode des Abgassensors eine Sauerstoffkonzentration von Lambda = 1 und an einer anderen Elektrode des Abgassensors eine Sauerstoffkonzentration von Lambda = unendlich (gleichbedeutend mit Umgebungsluft) anliegt, so stellt sich zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung von 450 mV ein. Diese Spannung wird als Nernst-Spannung bezeichnet, welche nach dem Physiker Walther Nernst benannt ist.
- 2. Wenn durch das Zirkondioxid des Abgassensors ein elektrischer Strom geführt wird, werden durch das Zirkondioxid Sauerstoffteilchen transportiert.
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Eine weit verbreitete Ausführung von linearen Abgassensoren besteht aus einer Anordnung von zwei miteinander verbundenen Zellen des Grundmaterials Zirkondioxid. In der einen Zelle, der sog. Nernst-Zelle, wird hierbei die oben unter 1. genannte Eigenschaft ausgenutzt. In der anderen, zweiten Zelle, welche als Pump-Zelle bezeichnet wird, wird die oben unter 2. genannte Eigenschaft ausgenutzt. Bei einem solchen linearen Abgassensor befindet sich zwischen den beiden Zellen eine mit dem Abgasstrom durch eine Diffusionsbarriere verbundene abgeschlossene Zelle (die sog. Reference Cavity), in der sich eine Sauerstoffkonzentration von Lambda = 1 einstellen soll. Solange die Sauerstoffkonzentration den Wert Lambda = 1 aufweist, so kann zwischen den Elektroden der Nernst-Zelle eine elektrische Spannung von 450 mV gemessen werden. Sobald jedoch, verursacht durch eine Abweichung von der idealen Sauerstoffkonzentration Lambda = 1 im Abgas, durch die Diffusionsbarriere Sauerstoffteilchen zu- oder abfließen, wird in der abgeschlossenen Zelle die Sauerstoffkonzentration beeinflusst. Hierdurch weicht die elektrische Spannung zwischen den Elektroden der Nernst-Zelle von den zu erzielenden 450 mV ab.
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Eine mit dem Abgassensor verbundene Regelelektronik oder Ansteuervorrichtung hat die Aufgabe, den von den 450 mV abweichenden Spannungswert über der Nernst-Zelle zu messen und eine geeignete Gegenreaktion einzuleiten, um die Spannung von 450 mV wieder zu erzielen. Die Gegenreaktion besteht darin, durch die Pumpzelle des Abgassensors einen elektrischen Strom zu schicken. Hierdurch werden so viele Sauerstoffteilchen in die abgeschlossene Zelle transportiert, dass die Sauerstoffkonzentration wieder zum Lambda = 1 ausgeglichen wird. Der Stromfluss kann hierbei in beide Richtungen erfolgen, da auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas sowohl größer als auch kleiner als Lambda = 1 sein kann.
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Regelungstechnisch stellt der Abgassensor somit eine Regelstrecke dar, die durch die angeschlossene Ansteuervorrichtung im Arbeitspunkt gehalten werden muss.
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Eine andere, verbreitete Ausführung von linearen Abgassensoren umfasst nur eine Zelle des Grundmaterials Zirkondioxid. Diese werden auch als Grenzstromsonden bezeichnet. An die einzige Zelle wird typischerweise eine variable Spannung angelegt. Der Stromfluss durch diese Zelle hängt im Wesentlichen von der Höhe der angelegten Spannung sowie der Sauerstoffkonzentration in dem durch eine Diffusionsbarriere getrennten Abgastrakt ab. Die Charakteristik des Stroms ist dabei derart, dass der Strom in einem Spannungsbereich um 450 mV relativ konstant bleibt, während er sich bei erheblichen Abweichungen von 450 mV stark ändert. Die Höhe des Stroms in diesem „Plateaubereich” ist abhängig von der Sauerstoffkonzentration in der Zelle und kann daher als Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas verwendet werden.
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Sowohl bei den beiden beschriebenen Sensortypen als auch bei binären Lambda-Sonden ist eine präzise Kontrolle der Temperatur des Keramikmaterials erforderlich, da die Messgenauigkeit der Abgassensoren erheblich von der Temperatur abhängig ist.
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Für die Temperaturmessung sind mehrere Verfahren bekannt. Ein gängiges Verfahren besteht in der Verwendung eines Wechselstromsignals, das temporär oder kontinuierlich auf die Sensorzellen geschaltet wird und temporär oder kontinuierlich ausgewertet wird. Hierbei wird der resultierende Wechselspannungsabfall über die Sondenzelle gemessen. Die gewonnene Zellenimpedanz stellt ein indirektes Maß für die Temperatur der entsprechenden Zelle dar.
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Für die Durchführung der Impedanzmessung wird bei linearen Abgassensoren die Regelung der Zellenspannung auf 450 mV in der Regel für eine bestimmte Zeit angehalten, um in dieser Zeitspanne das resultierende Wechselspannungssignal zu ermitteln. Es ist auch bekannt, dem gleichspannungsorientierten Nernst-Zellensignal ein Wechselspannungssignal zu überlagern und durch eine geeignete analoge Filterschaltung das für die Regelung der Nernst-Spannung notwendige Gleichspannungssignal von dem für die Temperaturregelung notwendigen Wechselspannungssignal zu trennen. Nachteilig ist der große Aufwand für die analoge Filterschaltung. Da eine Ansteuerschaltung für den Abgassensor in der Regel in integrierter Weise vorliegt, ist eine analoge Filterschaltung aus Kostengründen nicht mit den hohen Stückzahlen bei Kraftfahrzeugen vereinbar.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Abgassensors anzugeben, welche die insbesondere gleichzeitige Zellenspannungsregelung sowie Temperaturmessung auf einfachere Weise ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patenanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors mit zumindest einer keramischen Sensorzelle für eine Verbrennungskraftmaschine. Bei dem Verfahren wird ein an der Sensorzelle anliegendes Sensorsignal zeitdiskret abgetastet, das sich zusammensetzt aus einem ersten Spannungssignal, das zur Regelung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine dient, und einem durch eine kontinuierliche Impedanzmessung erzeugten zweiten Spannungssignal, mit dem die Sensorzelle gespeist wird zur Bestimmung der Temperatur der zumindest einen Sensorzelle. Es erfolgt ferner eine Verarbeitung der Abtastwerte, mit der das periodisch wiederkehrende zweite Spannungssignal bekannter Frequenz von dem ersten Spannungssignal getrennt wird, durch die ein den Betrag des ersten Spannungssignals repräsentierender erster Wert für die Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird, und ein die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierender zweiter Wert für die Bestimmung der Impedanz der Sensorzelle bestimmt wird.
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Die Erfindung schafft weiter eine Vorrichtung zum Betreiben eines Abgassensors mit zumindest einer keramischen Sensorzelle für eine Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst eine Abtast-Vorrichtung zur zeitdiskreten Abtastung eines an der Sensorzelle anliegenden Sensorsignals, das sich zusammensetzt aus einem ersten Spannungssignal, das zur Regelung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine dient, und einem durch eine kontinuierliche Impedanzmessung erzeugten zweiten Spannungssignal, mit dem die Sensorzelle gespeist wird zur Bestimmung der Temperatur der zumindest einen Sensorzelle. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Verarbeitungs-Vorrichtung zur Verarbeitung der Abtastwerte, mit der das periodisch wiederkehrende zweite Spannungssignal bekannter Frequenz von dem ersten Spannungssignal trennbar ist, wobei die Verarbeitungs-Vorrichtung dazu ausgebildet ist, einem den Betrag des ersten Spannungssignals repräsentierenden ersten Wert für die Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas der Verbrennungskraftmaschine und eine die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierenden zweiten Wert für die Bestimmung der Impedanz der Sensorzelle zu bestimmen.
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Das an der Sensorzelle anliegende Sensorsignal, welches erfindungsgemäß zeitdiskret abgetastet wird, stellt eine sog. Sondenzellenspannung dar.
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Im Gegensatz zu aufwändigen analogen Filterlösungen, ermöglicht die Erfindung eine einfache und speziell für digitale Schaltungen für Abgassensoren geeignete Signaltrennung des für die Impedanzmessung verwendeten Wechselspannungssignals vom Gleichspannungssignal der Sensorzelle. Dabei können beide Signalanteile weitgehend rekonstruiert werden und nachfolgend weiter verarbeitet werden. Die Erfindung macht sich dabei den Umstand zu Nutze, dass bei digitalen Regelungskonzepten eines Abgassensors das Gleichspannungssignal der Sensorzelle ohnehin durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC – Analog Digital Converter) zeitdiskret abgetastet werden muss. Wenn nun dem Gleichspannungssignal ein durch eine kontinuierliche Impedanzmessung verursachtes Wechselspannungssignal überlagert ist, erfolgt erfindungsgemäß eine Nachbearbeitung der Abtastwerte, die das periodisch wiederkehrende Wechselspannungssignal bekannter Frequenz von dem niederfrequenten Gleichspannungssignal trennt.
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Insbesondere ist die Sensorzelle eine Nernst-Zelle und es wird als erstes Spannungssignal eine Nernst-Spannung der Zelle ermittelt. Bei einem ersten Signal handelt es sich damit um ein gleichspannungsähnliches Spannungssignal. Demgegenüber stellt das zweite Spannungssignal ein Wechselspannungssignal dar.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird das für die Impedanzmessung erzeugte zweite Spannungssignal durch eine Ansteuerschaltung des Abgassensors erzeugt, welche die Abtastung des Sensorsignals und die Verarbeitung der abgetasteten Werte durchführt. Aus diesem Grund ist der Ansteuerschaltung die Phasenbeziehung zwischen der Abtastung und dem Sensorsignal bekannt, wodurch auf einfache und unkomplizierte Weise die Signaltrennung des ersten und des zweiten Spannungssignals vorgenommen werden kann.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Abtastrate bei der Abtastung des in der Sensorzelle anliegenden Sensorsignals derart gewählt, dass je Halbperiode des zur Impedanzmessung erzeugten zweiten Spannungssignals eine mehrfache Abtastung des Sensorsignals folgt.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Abtastung des Sensorsignals durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) der Ansteuerschaltung.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante zur Ermittlung des die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierenden Werts wird zumindest ein während einer ersten Halbperiode des Sensorsignals ermittelter Abtastwert zwischengespeichert. Der oder die zwischengespeicherten Abtastwerte werden anschließend von zumindest einem während einer zweiten Halbperiode des Sensorsignals ermittelten Abtastwert subtrahiert zur Ermittlung eines Differenzwerts. Schließlich wird der Differenzwert halbiert. Hierbei kann zur Ermittlung des die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierenden Werts zusätzlich zumindest ein zeitlich vorhergehend ermittelter Differenzwert verarbeitet werden. Insbesondere kann eine Verarbeitung in Form eines gleitenden Mittelwertes, einer Tiefpassfilterung oder einer sog. Ausreißerunterdrückung erfolgen.
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Zur Ermittlung des den Betrag des ersten Spannungssignals repräsentierenden Werts wird der halbierte Differenzwert gespeichert und es wird von dem Differenzwert zumindest ein während der nächsten Halbperiode des Sensorsignals ermittelter Abtastwert subtrahiert oder addiert.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird der die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierende Wert ermittelt durch Subtraktion und Halbierung der jeweils letzten Abtastwerte vor der nächsten (Wechsel-)Spannungsflanke.
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Ferner wird der den Betrag des ersten Spannungssignals repräsentierende Wert ermittelt durch Addition der jeweils korrespondierenden Abtastwerte der jeweiligen Halbperioden des Sensorsignals und anschließende Halbierung der Ergebniswerte.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 das dem Verfahren prinzipiell zu Grunde gelegte Vorgehen,
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2 eine erste schematische Darstellung, welche die Ermittlung eines die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierenden Werts sowie eines den Betrag des ersten Spannungssignals repräsentierenden Werts illustriert, und
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3 eine zweite schematische Darstellung, welche die Ermittlung eines die Amplitude des zweiten Spannungssignals repräsentierenden Werts sowie eines den Betrag des ersten Spannungssignals repräsentierenden Werts illustriert.
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Um bei Abgassensoren, welche aus Zirkondioxid bestehen, die Sauerstoff- oder NOx-Konzentration in Form eines Sauerstoffionenstroms durch den Festkörperelektrolyten messen zu können, ist eine Heizung der Keramik vorgesehen. Die Zieltemperatur wird entweder geregelt oder betriebspunktabhängig vorgesteuert. Zur Temperaturmessung des Abgassensors wird ein Wechselstromsignal verwendet, das kontinuierlich auf den Abgassensor geschaltet und ausgewertet wird. Der resultierende Wechselspannungsabfall über die Sensorzelle wird gemessen, wobei eine gewonnene Zellenimpedanz ein indirektes Maß für die Temperatur der entsprechenden Zellensonden darstellt.
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Um die zur Regelung der Zellenspannung, der sog. Nernst-Spannung, verwendete Regelschleife während der Durchführung der Impedanzmessung nicht anhalten zu müssen, wird dem Gleichspannungs-orientierten Nernst-Zellensignal ein für die Impedanzmessung verwendetes Wechselspannungssignal überlagert und durch eine digitale Filterschaltung das für die Regelung notwendige Gleichspannungs-orientierte Nernst-Signal von dem für die Temperaturregelung notwendigen Wechselspannungssignal getrennt.
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Dieses prinzipielle Vorgehen ist in der schematischen Darstellung der 1 gezeigt. Dargestellt ist hierbei eine Vorrichtung SiSe zur Signaltrennung an dem Abgassensor, welcher ein gemessenes Sensorsignal Sense zugeführt wird. Der Verlauf des gemessenen Sensorsignals Sense ist aufgrund der Überlagerung des Gleichspannungs-orientierten Nernst-Signals und des zur Impedanzmessung überlagerten Wechselspannungssignals sägezahnförmig. Das Sensorsignal Sense ist in einem Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt, wobei über die Hochachse eine Zellenspannung VS aufgetragen ist.
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Der Vorrichtung SiSe zur Signaltrennung wird neben dem Sensorsignal Sense ein Stimulus-Signal RiSt zugeführt, wobei dieses ein Rechtecksignal ist. Dieses kann zur Abtastung des Sensorsignals Sense verwendet werden.
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Nach der Abtastung des an der Sensorzelle anliegenden Sensorsignals Sense und einer Verarbeitung der Abtastwerte kann ein periodisch wiederkehrendes Wechselspannungssignal WS bekannter Frequenz von einem niederfrequenten Nernst-Spannungssignal GS getrennt werden. Dabei macht man sich den Umstand zu Nutze, dass das Impedanzmesssignal durch dieselbe Ansteuerschaltung erzeugt wird, welche auch die Auswertung vornimmt. Der Ansteuerschaltung ist daher die Phasenbeziehung zwischen Abtastung und Messsignal bekannt.
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Unbekannt sind lediglich die Signalform und die Signalamplitude des durch die Sensorzelle verschliffenen Wechselspannungssignals. Es wird daher davon ausgegangen, dass die Messfrequenz niedrig genug ist, um zu gewährleisten, dass kurz vor Erreichen der nächsten Signalflanke die durch die vorhergehende Signalflanke ausgelöste Änderung der Sondenzellenspannung weitgehend eingeschwungen ist.
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Die Abtastrate wird deshalb so hoch gewählt, dass gewährleistet werden kann, dass mehrfach je Halbperiode der eingespeisten Wechselspannung eine Abtastung des Sensorsignals erfolgt. Besonders vorteilhaft für den durch die Ansteuerschaltung ausgeführten Algorithmus ist es, wenn in einer Periode der Wechselspannung eine gerade Anzahl von Abtastwerten passt.
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Aus der schematischen Darstellung der 1 ist gut erkennbar, dass die Nernst-Spannung GS ein Gleichspannungssignal ist, deren Wert nach der Signaltrennung ermittelt werden kann. Das Gleichspannungssignal GS ist in einem Spannungs-Zeit-Diagramm aufgetragen, wobei über der Hochachse die durch die Ansteuerschaltung ermittelte Spannung V'S aufgetragen ist.
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Für die Impedanzmessung ist insbesondere eine Amplitude A(VRi) des Wechselspannungssignals WS von Interesse. Nach der Signaltrennung (vgl. 1) schwankt das Wechselspannungssignal WS, das in einem Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt ist, bei dem über die Hochachse die Spannung VRi aufgetragen ist, um die x-Achse (d. h. VRi = 0V) herum. Nach der Signaltrennung lässt sich ohne Weiteres die relevante Amplitude A(VRi) ermitteln.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, in dem das erfindungsgemäße Verfahren illustriert wird. Dargestellt ist das Sensorsignal Sense mit insgesamt vier Halbperioden. Das an der Sensorzelle anliegende Sensorsignal Sense wird zeitdiskret abgetastet, wobei die Abtastwerte durch einen Punkt auf dem Sensorsignal illustriert sind. Für einen Abtastwert P0, P1, P2, P3 können hierbei, wie dies in der ersten Halbperiode illustriert ist, mehrere Abtastwerte n zu einem einzigen Abtastwert zusammengefasst werden. Dies kann beispielsweise durch Mittelung der Signalwerte der einzelnen abgetasteten Werte erfolgen.
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Die während der ersten Halbperiode abgetasteten Werte P0, P1 werden zunächst in einem Speicher SP behalten. Illustrativ ist jedem Abtastwert P0, P1 ein jeweiliger Speicher SP zugeordnet, wobei in der Praxis ein gemeinsamer Speicher vorgesehen sein kann. Anschließend werden die Abtastwerte P0, P1 von jeweiligen, zeitlich korrespondierenden Abtastwerten P2, P3 der zweiten Halbperiode subtrahiert. Die zweite Halbperiode stellt dabei die auf die erste Halbperiode unmittelbar folgende Halbperiode dar. Die Subtraktion erfolgt schematisch in jeweiligen Subtrahierern SUB. Die durch die Subtrahierer SUB ermittelten Differenzwerte werden durch einen Halbierer DIV halbiert und in einem weiteren Speicher SP2 abgelegt. Die halbierten Werte entsprechen dabei einem die Amplitude des Wechselspannungssignals WS repräsentierenden Wert A(Ri).
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Die in der dritten und vierten Halbperiode ermittelten Abtastwerte P0, P1 (dritte Halbperiode), P2, P3 (vierte Halbperiode) werden von den in dem Speicher SP2 gehaltenen Werten abgezogen (dies gilt für die Abtastwerte der dritten Halbperiode) oder addiert (dies gilt für die Abtastwerte P2, P3 der vierten Halbperiode). Hierzu sind entsprechende Subtrahierer SUB bzw. Addierer ADD vorgesehen. Hierdurch werden korrigierte Abtastwerte P0', P1', P2', P3' gewonnen, welche den Betrag des Gleichspannungs-orientierten Sensorzellensignals (Nennst-Spannung) darstellen.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das das schematische Vorgehen des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert. Bei diesem wird der Wert der Wechselspannungsamplitude A(Ri) separat ermittelt durch Subtraktion und Halbierung der jeweils letzten Abtastwerte vor der nächsten Wechselspannungsflanke voneinander. Hierzu ist somit die Betrachtung der Abtastwerte P1 der Halbperioden mit ungeradem Index und P3 der Halbperioden mit geradem Index von Bedeutung. Die Abtastwerte P1 und P3 werden jeweils einem Subtrahierer SUB zugeführt und durch einen Halbierer Diff halbiert. Hierdurch ergibt sich der Amplitudenwert A(Ri).
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Das Gleichspannungs-orientierte Sensorzellensignal wird rekonstruiert durch die Addition der jeweils korrespondierenden Abtastwerte der jeweiligen Halbperioden (mit geradem bzw. ungeradem Index) sowie anschließende Halbierung der Ergebniswerte. Die Abtastwerte P2, P3 der zweiten Halbperiode werden dazu einem jeweiligen Speicher SP zugeführt. Hierbei ist wiederum einem jeweiligen Abtastwert ein separater Speicher zugeordnet, was in der Praxis nicht erforderlich ist. Die in dem Speicher gehaltenen Werte werden einem jeweiligen Addierer Add zugeführt, welchen als zweiten Summanden die Abtastwerte P0, P1 der darauffolgenden, d. h. der dritten, Halbperiode zugeführt wird. Es erfolgt ebenfalls eine Halbierung der addierten Werte durch einen jeweiligen Halbierer DIV. Hierdurch werden wiederum korrigierte Abtastwerte P0', P1' gewonnen, die den Betrag des Gleichspannungs-orientierten Sensorzellensignals darstellen. Die korrigierten Abtastwerte P2', P3' werden in entsprechender Weise ermittelt.
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Der Vorteil dieser Implementierung liegt in der Einfachheit und der geringen Anzahl an notwendigen Speicherelementen SP.
