DE102010000663A1

DE102010000663A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung und Auswertung eines Abgassensors

Info

Publication number: DE102010000663A1
Application number: DE201010000663
Authority: DE
Inventors: Rolf 70499 Reischl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2011-07-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde, wobei die Breitband-Lambdasonde als Anschlüsse einen Referenzelektrodenanschluß RE, einen inneren Pumpelektrodenanschluß IPE, einen äußeren Pumpelektrodenanschluß APE und einen Meßanschluß MES aufweist, wobei die Vorrichtung mit den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde sowie einem Erdungswiderstand RGND und einem Kalibrierwiderstand Rcal verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine erste Schaltmatrix zur gegenseitigen Verbindung einer Pumpstromquelle SQ und einer Referenzstromquelle SQr mit den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde, dem Erdungswiderstand RGND, dem Kalibrierwiderstand Rcal und einer Referenzspannungsquelle VM aufweist, wobei die Vorrichtung eine zweite Schaltmatrix (12) zur gegenseitigen Verbindung der Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde, des Erdungswiderstands RGND und des Kalibrierwiderstands Rcal sowie der Pumpstromquelle SQ und der Referenzstromquelle SQr mit einem digitalen Mess-System DMS aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren. Verfahren und Vorrichtung ermöglichen eine Diagnose von Kabelverbindungen zwischen der Elektronik zur Steuerung und Auswertung der Signale der Breitband-Lambdasonde auf Unterbrechung und Kurzschluss. Weiterhin können die Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde, des Erdungswiderstands RGND und des Kalibrierwiderstands Rcal so mit der Elektronik verbunden werden, dass die zu einem dauerhaft stabilen Betrieb der Breitband-Lambdasonde erforderlichen Einstellungen und Messungen durchführbar sind. Die Pumpstromquelle ist so ausgelegt, dass sie eine Spannung bis zu 7 V bereitstellen kann und so in allen Betriebsfällen einen ausreichenden Strom durch die Breitband-Lambdasonde und den Erdungswiderstand RGND treiben kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde, wobei die Breitband-Lambdasonde als Anschlüsse einen Referenzelektrodenanschluß RE, einen inneren Pumpelektrodenanschluß IPE, einen äußeren Pumpelektrodenanschluß APE und einen Meßanschluß MES aufweist, wobei die Vorrichtung mit den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde sowie einem Erdungswiderstand R_GND und einem Kalibrierwiderstand R_cal verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine erste Schaltmatrix zur gegenseitigen Verbindung einer Pumpstromquelle SQ und einer Referenzstromquelle SQr mit den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde, dem Erdungswiderstand R_GND dem Kalibrierwiderstand R_cal und einer Referenzspannungsquelle VM aufweist, wobei die Vorrichtung eine zweite Schaltmatrix zur gegenseitigen Verbindung der Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde, des Erdungswiderstands R_GND und des Kalibrierwiderstands R_cal sowie der Pumpstromquelle SQ und der Referenzstromquelle SQr mit einem digitalen Mess-System DMS aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde, wobei die Breitband-Lambdasonde als Anschlüsse einen Referenzelektrodenanschluß RE, einen inneren Pumpelektrodenanschluß IPE, einen äußeren Pumpelektrodenanschluß APE und einen Meßanschluß MES aufweist, wobei die Breitband-Lambdasonde mittels einer Pumpstromquelle SQ und einer Referenzstromquelle SQr mit elektrischem Strom beaufschlagt werden kann und wobei mit einem digitalen Mess-System DMS ein Spannungsabfall über einem Erdungswiderstand R_GND bestimmt wird.
Stand der Technik
Gesetzliche Regelungen schreiben die Überwachung der Zusammensetzung des Abgases von Brennkraftmaschinen auf Einhaltung von Grenzwerten vor. Dazu werden im Abgas mittels geregelter Dreiwege-Katalysatoren unerwünschte Stoffe wie Stickoxide und Kohlenmonoxid in als unkritisch anzusehende Stoffe wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff umgewandelt. Diese Umwandlung setzt voraus, dass das der Brennkaftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem bestimmten Zusammensetzungsbereich um eine stöchiometrische Zusammensetzung liegt. Diese wird mit dem Parameter Lambda = 1 bezeichnet. Die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird mit im Abgaskanal der Brennkraftmaschinen vorgesehenen Abgassensoren, beispielsweise in Form von Breitband-Lambda-Sonden überwacht, die den Sauerstoff-Partialdruck bestimmen. Die korrekte Funktion der Abgassensoren und insbesondere auch deren Alterungsbeständigkeit hängen stark von deren elektronischer Beschaltung ab. Die Funktionsblöcke einer solchen Beschaltung sind beispielhaft in der Schrift DE 10 2006 061 565 A1 beschrieben.
In der Schrift DE 10 2008 001 697 A1 der Anmelderin wird eine verbesserte Beschaltung beschrieben, die es erlaubt, zusätzlich zu dem Betrieb des Abgassensors Informationen über den Betriebszustand der dort als Abgassensor verwendeten Breitband-Lambdasonde zu erfassen, zu speichern und über eine Digitalschnittstelle an eine übergeordnete Motorsteuerung weiterzugeben. Diese Anordnung ermöglicht eine Diagnose der Kabelverbindungen zwischen der Beschaltung und der Breitband-Lambdasonde auf Kurzschluß und Unterbrechung sowie auf Einhaltung der an den Anschlüssen zulässigen Spannungen. Die Betriebsbereitschaft der Abgassonde kann detektiert werden und deren Elektrodenpolarisation und die Alterung können kontinuierlich überwacht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber der in der Schrift DE 10 2008 001 697 A1 beschriebenen weiter verbesserte Anordnung bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die erste Schaltmatrix folgende Schalt-Verbindungen vorsieht:

– Z_Off	: keine Schaltverbindung
– Z_G0	: R_GND mit SQ
– Z_GE	: R_GND mit SQ und RE mit SQ
– Z_Gi	: R_GND mit SQ und IPE mit SQ
– Z_Ga	: R_GND mit SQ und APE mit SQ
– Z_Gi_ai	: R_GND mit SQ, IPE mit SQ und APE mit SQr
– Z_Gi_ei	: R_GND mit SQ, IPE mit SQ und RE mit SQr
– Z_K	: R_GND mit MES und APE mit SQ
– Z_Ria	: APE mit SQr und IPE mit VM
– Z_Rie	: RE mit SQr und APE mit VM
– Z_0	: IPE mit VM
– Z_Cal	: R_cal mit SQr
– Z_1	: R_GND mit IPE und APE mit SQ
– Z_2	: R_GND mit APE und IPE mit SQ.

Die Ausbildung der Schaltmatrix ermöglicht eine Diagnose von Kabelverbindungen zwischen der Elektronik zur Steuerung und Auswertung der Signale der Breitband-Lambdasonde auf Unterbrechung und Kurzschluss. Weiterhin können die Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde, des Erdungswiderstands R_GND und des Kalibrierwiderstands R_cal so mit der Elektronik verbunden werden, dass die zu einem dauerhaft stabilen Betrieb der Breitband-Lambdasonde erforderlichen Einstellungen und Messungen durchführbar sind. Die Pumpstromquelle ist so ausgelegt, dass sie eine Spannung bis zu 7 V bereitstellen kann und so in allen Betriebsfällen einen ausreichenden Strom durch die Breitband-Lambdasonde und den Erdungswiderstand R_GND treiben kann.
Ist zu einer Fehlerstrom-Messung die erste Schaltmatrix in einer Schaltfolge Z_G0, Z_Ge, Z_Gi und Z_Ga verbunden, und ist über die zweite Schaltmatrix der Erdungswiderstand R_GND mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden, kann in der Schaltstellung Z_G0, in der die Anschlüsse zur Breitband-Lambdasonde abgetrennt sind, der Spannungsabfall durch den Strom aus der Pumpstromquelle SQ am Erdungswiderstand R_GND bestimmt werden. In den weiteren Schaltstellungen ist nacheinander jeweils ein Anschluß der Breitband-Lambdasonde dazugeschaltet, so dass aus der dann auftretenden Änderung des Spannungsabfalls ein gegebenenfalls vorliegender Nebenschluß oder eine Einkopplung von der Beheizung der Breitband-Lambdasonde bestimmt werden können. Die so bestimmten Werte können auch zu einer Diagnose einer Unterbrechung oder eines Kurzschlusses einer Zuleitung verwendet werden.
Ist zu einer Durchgangsmessung RE-IPE die erste Schaltmatrix in einer Schaltfolge Z_Gi, Z_Gi_ei und Z_Gi_ai verbunden und ist über die zweite Schaltmatrix R_GND mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden, kann in der ersten Schaltstellung eine Bestimmung des Fehlerstroms am Anschluß IPE erfolgen. In der zweiten Schaltstellung ist zusätzlich zur Pumpstromquelle SQ die Referenzstromquelle SQr an den Anschluß IPE geschaltet. Hierdurch kann eine Unterbrechung an den Anschlüssen RE und IPE von einer noch nicht betriebswarmen Sonde unterschieden werden. In der dritten Schaltstellung ist die Referenzstromquelle SQr an den Anschluß APE geschaltet, so dass insgesamt auch eine Überprüfung der Sondenheizfunktion bei halber Sonden-Betriebstemperatur und eine Unterscheidung einer Unterbrechung zum Anschluß RE von einer Unterbrechung zum Anschluß IPE möglich ist.
Ist zu einer Durchgangsmessung APE-IPE die erste Schaltmatrix in einer Schaltfolge Z_Gi, Z_Gi_ei und Z_Gi_ai verbunden und ist über die zweite Schaltmatrix R_GND mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden, ist nach der Fehlerstrommessung in der Schaltstellung Z_Gi_ai die Referenzstromquelle mit dem Anschluß APE verbunden, so dass eine Unterbrechung an den Anschlüssen APE und IPE von einer noch nicht betriebswarmen Sonde unterschieden werden kann. Weiterhin kann eine Überprüfung der Sondenheizfunktion bei halber Sonden-Betriebstemperatur erfolgen.
Ist zu einer Kalibrierung einer Umladekorrektur der Breitband-Lambdasonde die erste Schaltmatrix in einer Schaltfolge Z_1 und Z_2 verbunden und ist über die zweite Schaltmatrix R_GND mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden, kann ein Umladestrom von Entstörkapazitäten an den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde bestimmt werden und bei der Bestimmung der aus den Sondensignalen abgeleitenen Meßwerte berücksichtigt werden.
Ist zu einer Messung eines Pumpzelleninnenwiderstands der Breitband-Lambdasonde die erste Schaltmatrix in einer Schaltfolge Z_Ria, Z_0, Z_Rie und Z_Cal verbunden und ist über die zweite Schaltmatrix RE, IPE sowie APE und in der letzten Schaltstellung R_cal mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden, kann zusätzlich zum Innenwiderstand der Referenzzelle der Breitband-Lambdasonde in einer Pulspause der Pumpstromquelle SQ der Innenwiderstand der Pumpzelle bestimmt werden.
Ist die erste Schaltmatrix in die Schalt-Verbindung Z_Off geschaltet, sind über die zweite Schaltmatrix in einer Schaltstellung Z_MUXON die Anschlüsse RE, APE und IPE mit einer Spannung 3,3 V verbunden und ist der Eingang des digitalen Mess-System DMS überbrückt und mit Spannung 3,3 V verbunden, sind die Sondenanschlüsse miteinander und mit einem vorgegebenenen Potential verbunden, so dass ohne Schaden für die Breitband-Lambdasonde ein definierter Betriebszustand zur Inbetriebnahme der Vorrichtung eingenommen wird. Diese Schaltstellung kann auch nach einem Fehlerfall eingenommen werden.
Ist die erste Schaltmatrix in die Schalt-Verbindung Z_Off geschaltet, sind über die zweite Schaltmatrix in einer Schaltstellung Z_MK1 die Anschlüsse RE und IPE oder in einer Schaltstellung Z_MK2 die Anschlüsse APE und IPE mit Spannung 3,3 V verbunden und ist der Eingang des digitalen Mess-System DMS überbrückt und mit Spannung 3,3 V verbunden, sind die jeweiligen Sondenanschlüsse miteinander und mit einem vorgegebenenen Potential verbunden, so dass ohne Schaden für die Breitband-Lambdasonde ein definierter Betriebszustand der Vorrichtung eingenommen wird.
In der Schaltstellung Z_IDLE sind die Anschlüsse RE, IPE und APE jeweils über zwei in Reihe geschaltete Schalter verbunden, so dass die Reihenschaltung der geschlossenen Schalter mit ihrem jeweiligen Widerstand im Bereich von 1 kOhm bis 4 kOhm möglicherweise durch Restströme abgeschalteter Anschlüsse der Vorrichtung auftretende Spannungen an den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde dahingehend begrenzt, das die Spannungen unterhalb von Werten liegen, die zu einer Schädigung der Breitband-Lambdasonde durch Polarisation, so genanntes Blackening, führen können.
Ist in der Steuereinheit ein Programmablauf Switch-ON vorgesehen, in dem nacheinander die Schalterstellung Z_MUXON, die Fehlerstrom-Messung, die Messung des Pumpzelleninnenwiderstands, eine Kalibriermessung des digitalen Mess-System DMS und eine Kalibriermessung eines Sondenabgleichwiderstands vorgesehen sind, können zur Inbetriebnahme beim Einschalten oder nach einem Fehlerfall eine Überprüfung auf Nebenschlüsse und Kurzschlüsse, eine Innenwiderstandsmessung zur Einschätzung der Temperatur der Abgassonde, eine Kalibriermessung des digitalen Mess-Systems DMS und eine Kalibriermessung des Sondenabgleichwiderstands durchgeführt werden.
Ist in der Steuereinheit ein Programmablauf Warmlauf vorgesehen, in dem nacheinander die Schaltstellung Z_G0, die Fehlerstrom-Messung, die Durchgangsmessung RE-IPE, die Durchgangsmessung APE-IPE sowie die Schaltstellungen Z_0, Z_Rie und Z_Ria vorgesehen sind und dass in Zeiträumen ohne Messung die Breitband-Lambdasonde in den Schaltstellungen Z_MK1, Z_MK2 oder zumindest zwischen zweien der Anschlüsse RE, IPE und APE über Schalter verbunden ist, können bei niedriger Temperatur der Breitband-Lambdasonde, wenn der Pumpstrom noch nicht eingestellt werden kann, vorbereitende Messungen zur Inbetriebnahme durchgeführt werden. In den Zeiträumen ohne Messung können die Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde in den Schaltstellungen Z_MK1 und Z_MK2 in vorgebbarer Auswahl mit Versorgungsspannung 3,3 V verbunden werden um unerwünschte Polarisationseffekte zu vermeiden. In diesem Modus kann die Breitband-Lambdasonde ab etwa 300°C als Zweipunktsonde betrieben werden.
Ist in der Steuereinheit ein Programmablauf Normal vorgesehen, in dem die Breitband-Lambdasonde mit der Pumpstromquelle SQ verbunden ist und nacheinander die Schaltstellungen Z_1 und Z_2, die Kalibriermessung des digitalen Mess-System DMS, die Schaltstellung Z_Cal vorgesehen sind, kann bei ausreichender Temperatur der Breitband-Lambdasonde der Pumpstrom eingestellt werden. Bei Überschreitung einer vorwählbaren Blackening-Schwelle wird die Ausgangsspannung der Pumpstromquelle auf einen zulässigen Wert begrenzt. In Impulspausen der Pumpstromquelle SQ sind nacheinander die Schaltstellungen Z_G0, Z_0 und Z_Rie oder Z_Ria vorgesehen. Die für die Pumpstromregelung erforderlichen Meßwerte werden vom digitalen Mess-System DMS bestimmt, indem über die zweite Schaltmatrix an R_GND in den Schaltstellungen Z_1 und Z_2 die Werte für die dort anliegende Spannung Ugi (Spannung an IPE) und Uga (Spannung an APE) bestimmt werden.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zu einer Kalibrierung einer Umladekorrektur der Spannungsabfall über dem Erdungswiderstand R_GND über einen vorbestimmten Zeitraum nach Beginn eines positiven und eines negativen Strompulses der Pumpstromquelle SQ integrierend bestimmt wird und dass aus der Differenz der Spannungsabfälle eine Umladekorrekturkennlinie bestimmt wird, dass die Spannungsdifferenz zwischen IPE und APE in einer Pulspause bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und dass bei Überschreiten des Grenzwerts die Führungsgröße des Pumpstromreglers auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wird, dass ein Tastverhältnis des Strompulses der Pumpstromquelle SQ vorgegeben werden kann und das die Amplitude des Strompulses der Pumpstromquelle SQ und die Amplitude des Strompulses der Referenzstromquelle SQr vorgegeben werden können. Insbesondere bei großen Kapazitätswerten von an den Anschlüssen der Lambdasonde verwendeten Entstörkondensatoren vermindert die beschriebene Bestimmung der Umladekorrekturkennlinie Meßfehler, die bei Verwendung einer fest vorgegebenen Umladekorrekturkennlinie entstehen können. Die für die Umladekorrektur benötigten Meßwerte werden durch zeitliche Integration der Spannung an _RIND für beispielhaft 70 μs nach einer Schaltflanke des Pumpstroms bestimmt. Hierbei ist über die zweite Schaltmatrix R_GND in den Schaltstellungen Z_1 und Z_2 mit den Anschüssen IPE und APE verbunden.
Das Tastverhältnis des Strompulses der Pumpstromquelle wird bei Verwendung einer Breitband-Lambdasonde durch einen Digitalregler geführt und von der unbelasteten Nernstspannung eingestellt. Eine Vorgabe des Tastverhältnises für einen gesteuerten Betrieb mit einem eingeprägten Pumpstrom-Mittelwert ist bei Verwendung zweizelliger Sonden in Dieselanwendungen für ein Fettpumpen beim Magerdauerbetrieb erforderlich. Bei Verwendung einzelliger Sonden ist eine Phase mit eingeprägtem Pumpstrom-Mittelwert bei einer Referenzgasgeneration an der Außenpumpelektrode APE erforderlich. Die Funktion kann auch zur Bestimmung von Sprungantworten und damit zur Charakterisierung der Regelstrecke des Pumpstrom-Regelkeises verwendet werden.
Die Vorgebbarkeit der Amplitude des Strompulses der Pumpstromquelle SQ und der Amplitude des Strompulses der Referenzstromquelle ermöglicht es, unterschiedliche Typen von Lambdasonden zu verwenden. Weiterhin können Toleranzen der Stromreferenz und der Stromquellen durch gegenseitigen Vergleich des Spannungsabfalls an R_GND ausgeglichen werden. Hiermit kann ein definierter Störabstand der Anschlüsse der Lamdasonde zur Substratdiode und zum Aussteuerbereich der Stromquellen eingestellt werden. In Betriebsfällen wie der Einzelzylindererkennung beim Regeln auf Lambda = 1 kann die Amplitude der Strompulse des Pumpstroms verringert werden um damit eine erhöhte Auflösung des Lambdasignals zu erreichen. Weiterhin kann durch eine Anpassung der Amplitude der Strompulse der Referenzstromquelle bei der Bestimmung des Innenwiderstands während der Aufheizung der Lambdasonde die Spannung an R_GND dem Aussteuerbereich des digitalen Mess-Systems DMS angepasst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Steuereinheit mit einer angeschlossenen Breitband-Lambdasonde und einer ersten Schaltmatrix,
2 eine Steuereinheit mit einer angeschlossenen Breitband-Lambdasonde und einer zweiten Schaltmatrix,
3 mögliche Schaltstellungen der ersten Schaltmatrix,
4 mögliche Schaltstellungen der zweiten Schaltmatrix.
1 zeigt eine Steuereinheit 10 mit einer angeschlossenen Breitband-Lambdasonde 60 und einer ersten Schaltmatrix 11. Die dargestellten Komponenten und Anschlüsse sind dabei auf die für die Erklärung der Funktion der ersten Schaltmatrix 11 notwendigen Komponenten und Anschlüsse reduziert. Der Grundgedanke, der Aufbau und die Grundfunktion der Steuereinheit 10 entspricht im Wesentlichen der in der Schrift DE 10 2008 001 697 A1 der Anmelderin dargestellten Auswerte- und Steuereinheit für eine Breitband-Lambdasonde. Dabei ist die Steuereinheit 10 in Form eines ASIC ausgeführt.
Die Steuereinheit 10 enthält eine Pumpstromquelle SQ 20 und eine Referenzstromquelle SQr 21 zum Betrieb der Breitband-Lambdasonde 60. Weiterhin sind ein Spannungsstabilisator 22 und eine Referenzspannungsquelle U_ref 23 vorgesehen.
Die Spannungsversorgung erfolgt über einen Anschluss UB 81 (Batteriespannung), U_cc3 82 (3 V Spannungsversorgung) und U_cc5 83 (5 V Spannungsversorgung), ein Anschluss VS 80 ist über einen nicht dargestellten Kondensator auf Masse gelegt.
Die Steuereinheit 10 ist über den Anschluss RE 30, den Anschluss IPE 31, den Anschluss APE 32 und den Anschluss MES 33 mit den zugehörigen Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde 60 verbunden. Dabei ist RE der Anschluss der Referenz-Elektrode, IPE der Anschluss der inneren Pumpelektrode und APE der Anschluss der äußeren Pumpelektrode der Breitband-Lambdasonde 60. Weiterhin ist die Steuereinheit 10 über eine Anschluss RG 34 mit einem Widerstand R_GND 64 und über einen Anschluss CAL 35 mit einem Kalibrierwiderstand R_CAL 65 verbunden. Der Widerstand R_GND 64 und der Kalibrierwiderstand R_CAL 65 sind mit Masse verbunden.
Die Breitband-Lambdasonde 60 ist in bekannter Form aus einer Nernst-Zelle 61 und einer Pumpzelle 62 aufgebaut. In dem dargestellten Ersatzschaltbild sind der Innenwiderstand R_ire 61.1 der Nernstzelle 61 und der Innenwiderstand R_iape 62.1 der Pumpzelle 62 gezeigt. Ein Widerstand R_code 63 ist in einem nicht dargestellten Sondenstecker der Breitband-Lambdasonde 60 vorgesehen. Die Breitband-Lambdasonde 60 ist über eine äußere Beschaltung mit der Steuereinheit 10 verbunden. Dabei sind parallel zur Nernstzelle 60 ein Kondensator C1 70, parallel zur Pumpzelle 62 ein Kondensator C2 71 und parallel zum Widerstand R_code 63 ein Kondensator C3 72 und ein Widerstand R_mes 76 vorgesehen. Weiterhin sind der Anschluss IPE 31 über einen Kondensator C4 73, der Anschluss APE 32 über einen Kondensator C5 74 und der Anschluss MES 33 über einen Kondensator C6 75 mit Erde verbunden.
Die Anschlüsse 30, 31, 32, 33, 34, 35 der Steuereinheit 10, die Pumpstromquelle SQ 20, die Referenzstromquelle SQr 21, der Anschluss U_cc3 82 und die Referenzspannungsquelle U_ref 23 sind über Signalleitungen der ersten Schaltmatrix 11 verbunden. Dabei können die Signalleitungen über die Schalter I_sqRG 40, I_sqA 41, I_sql 42, I_sqre 43, I_sqrA 44, I_sqrC 45, S_PM 50, S_PA 51, S_PI 52, S_PE 53, S_GM 54, S_GA 55, S_GI 56, S_GE 57, S_VM 58, angesteuert von einer nicht dargestellte Steuerung, geschaltet werden.
Durch geeignete Stellung der Schalter I_sqRG 40, I_sqA 41, I_sql 42, I_sqre 43, I_sqrA 44, I_sqrC 45, S_PM 50, S_PA 51, S_PI 52, S_PE 53, S_GM 54, S_GA 55, S_GI 56, S_GE 57, S_VM 58 kann die Breitband-Lambdasonde 60 mit verschiedenen Signalen der Pumpstromquelle SQ 20, der Referenzstromquelle SQr 21 und der Referenzspannungsquelle U_ref 23 beaufschlagt werden. Aus den sich dabei an den Anschlüssen RE 30, IPE 31, APE 32, MES 33, RG 34 und CAL 35 einstellenden Spannungen und Spannungsverläufen können Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 60 abgeleitet werden.
2 zeigt die Steuereinheit 10 mit der angeschlossenen Breitband-Lambdasonde 60 und einer zweiten Schaltmatrix 12, die zusätzlich zu der in 1 dargestellten Schaltmatrix 11 in der Steuereinheit 10 enthalten ist. Bereits in 1 eingeführte Komponenten sind gleich bezeichnet.
Die Signalleitungen der zweiten Schaltmatrix 12 sind durch Schalter S_P0 110, S_P1 111, S_P2 112, S_P3 113, S_P4 114, S_P5 115, S_P6 116, S_P7 117, S_P8 118, S_M0 120, S_M1 121, S_M2 122, S_M3 123, S_FR0 130, S_FR1 131 und S_FR2 132 geschaltet. Neben den bereits in 1 eingeführten Anschlüssen RE 30, IPE 31, APE 32, MES 33, RG 34 und CAL 35 werden für die Darstellung der Funktion der zweiten Schaltmatrix 12 die Anschlüsse MUM 100, MUP 101, UMP 102, UMM 103 und GNDS 104 benötigt, welche mit einer äußeren Beschaltung beschaltet sind. Die äußere Beschattung enthält einen Kondensator C7 140 zwischen den Anschlüssen UMP 102 und UMM 103, jeweils einen Kondensator C8 141 und C9 142, welche die Anschlüsse UMP 102 und UMM 103 mit Masse 145 verbinden, einen Widerstand R1 143 zwischen den Anschlüssen UMP 102 und MUP 101 und einen Widerstand R2 144 zwischen den Anschlüssen UMM 103 und MUM 100. Der Anschluss GNDS 104 ist direkt mit Masse 145 verbunden.
Die Steuereinheit 10 enthält weiterhin einen Differenzverstärker 151 mit einem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 152.
Die Schalter S_P0 110, S_P1 111, S_P2 112, S_P3 113, S_P4 114, S_P5 115, S_P6 116, S_P7 117, S_P8 118, S_M0 120, S_M1 121, S_M2 122, S_M3 123, S_FR0 130, S_FR1 131 und S_FR2 132 der zweiten Schaltmatrix 12 können wie die Schalter der ersten Schaltmatrix 11 von der nicht dargestellten Steuerung geschaltet werden. Dadurch können bei den verschiedenen Schalterstellungen der ersten Schaltmatrix 11 durch die zweite Schaltmatrix 12 Verbindungen zwischen den Anschlüssen RE 30, IPE 31, APE 32, MES 33, RG 34 und CAL 35 zu dem Differenzverstärker 151 hergestellt werden. Die zweite Schaltmatrix 12 ermöglicht weiterhin Verbindungen zu den Anschlüssen der Spannungsversorgung und zu der äußeren Beschaltung.
Die Steuereinheit 10 ermöglicht somit folgendes Vorgehen: Durch die erste Schaltmatrix 11 wird die Breitband-Lambdasonde 60 mit Signalen der Pumpstromquelle SQ 20, der Referenzstromquelle SQr 21 und/oder der Referenzspannungsquelle U_ref 23 in einer vorgebbaren Reihenfolge beaufschlagt, welche gewünschte Messungen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 60 ermöglicht. Zur Bestimmung des Betriebszustands der Breitband-Lambdasonde 60 werden die sich dabei einstellenden Spannungen und Spannungsverläufe an den jeweiligen Anschlüssen RE 30, IPE 31, APE 32, MES 33, RG 34 und CAL 35 durch die zweite Schaltmatrix 12 ebenfalls in einer vorgebbaren Reihenfolge an den Differenzverstärker 151 geleitet, dort verstärkt und anschließend durch den nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 152 digitalisiert. Die digitalisierten Messsignale können dann über eine nicht dargestellte Digitalschnittstelle der Steuerung oder einem übergeordneten μ-Controller zur Auswertung zugeführt werden.
Die Messung der zusätzlichen Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 60 erfolgt dabei abhängig von der Messaufgabe in Impulspausen, in denen die Pumpzelle 62 der Breitband-Lambdasonde 60 nicht zur Messung des Sauerstoffgehalts in dem Abgas der Brennkraftmaschine von der Pumpstromquelle SQ 20 angesteuert ist, oder während des Stromimpulses der Pumpstromquelle SQ 20.
Vorteilhaft gegenüber der in der Schrift DE 10 2008 001 697 der Anmelderin dargestellten Ausführungsform ist die Spannungsversorgung der Pumpstromquelle SQ 20 und der Referenzstromquelle SQr 21 über den Spannungsstabilisator 22 direkt mit der Batteriespannung über den Anschluss UB 81. Dies ermöglicht einen Konstantstrombereich der Pumpstromquelle SQ 20 und der Referenzstromquelle SQr 21 in einem erweiterten Spannungsbereich, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen 0 V und 7 V liegt. Dadurch ist es möglich, auf den in der Schrift DE 10 2008 001 697 gezeigten Strompfad GND zu Masse zu verzichten, was zwei weitere Funktionen ermöglicht. Zum einen kann die Lambda-Kennlinien-Kalibrierung im Sondenwarmlauf durchgeführt werden, zum anderen kann eine Kalibrierung der Umladekorrektur erfolgen. Die erhöhte Versorgungsspannung ermöglicht weiterhin einen durch EMV-Anforderungen vorgegebenen höheren Störabstand.
3 zeigt mögliche Schaltstellungen der ersten Schaltmatrix 11, zusammengefasst in einer ersten Tabelle 160. Dabei sind in der ersten Spalte die Bezeichnungen für die jeweilige Schaltstellung genannt, in der ersten Zeile sind die Namen der einzelnen, in 1 eingeführten Schalter I_sqRG 40, I_sqA 41, I_sql 42, I_sqre 43, I_sqrA 44, I_sqrC 45, S_PM 50, S_PA 51, S_PI 52, S_PE 53, S_GM 54, S_GA 55, S_GI 56, S_GE 57, S_VM 58 aufgeführt. Die Schalterstellungen der Schalter S_PM 50 und S_GM 54, S_PA 51 und S_GA 55 sowie S_PE 53 und S_GE 57 sind für die gezeigten Schaltstellungen jeweils gleich und daher jeweils in einer Spalte zusammengefasst. Eine einem Schalter I_sqRG 40, I_sqA 41, I_sql 42, I_sqre 43, I_sqrA 44, I_sqrC 45, S_PM 50, S_PA 51, S_PI 52, S_PE 53, S_GM 54, S_GA 55, S_GI 56, S_GE 57, S_VM 58 zugeordnete null bedeutet, dass der Schalter geöffnet ist, eine eins kennzeichnet einen geschlossenen Schalter.
4 zeigt mögliche Schaltstellungen der zweiten Schaltmatrix 12, zusammengefasst in einer zweiten Tabelle 170. Auch hier sind in der ersten Spalte Bezeichnungen für die jeweiligen Schaltstellungen und in der ersten Zeile die Namen der jeweiligen in 2 eingeführten Schalter S_P0 110, S_P1 111, S_P2 112, S_P3 113, S_P4 114, S_P5 115, S_P6 116, S_P7 117, S_P8 118, S_M0 120, S_M1 121, S_M2 122, S_M3 123, S_FR0 130, S_FR1 131 und S_FR2 132 genannt, wobei eine zugeordnete null einen geöffneten Schalter und eine eins einen geschlossenen Schalter kennzeichnet.
Zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 60 werden aufeinander folgende Schaltstellungen der ersten Schaltmatrix 11 und der zweiten Schaltmatrix 12 geschaltet, wobei die über die zweite Schaltmatrix 12 zu dem Differenzverstärker 151 geleiteten Signal ausgewertet werden. Der Ablauf wird im Folgenden zur Bestimmung von verschiedenen Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde 60 gezeigt. Dabei beziehen sich die in 3 und 4 beschriebenen Schaltstellungen auf die in 1 dargestellte erste Schaltmatrix 11 und die in 2 dargestellte zweite Schaltmatrix 12.
Zur Durchführung einer Fehlerstrom-Messung wird zunächst in einer in 3 gezeigten Schaltstellung Z_G0 der Pumpstrom I_SQ der Pumpstromquelle SQ 20 zu dem Widerstand R_GND 64 geleitet. Dabei ist die zweite Schaltmatrix 12 so geschaltet, dass der Spannungsabfall U_G0 über den Widerstand R_GND 64 (U_G0 = I_SQ × R_GND) dem Differenzverstärker 151 zugeführt ist. Der Spannungsabfall U_G0 wird gemessen, digitalisiert und gespeichert. In einer nächsten Schaltstellung Z_Ge wird der Stromausgang der Pumpstromquelle SQ 20 zusätzlich mit dem Anschluss RE 30 und somit der Nernstzelle 61 der Breitband-Lambdasonde 60 verbunden und der Spannungsabfall U_{G0_e} über R_GND 64 gemessen. Entsprechend wird in nachfolgenden Schaltstellungen Z_Ga und Z_Gi der Stromausgang der Pumpstromquelle SQ 20 parallel zu dem Widerstand R_GND 64 mit den Anschlüssen APE 32 und IPE 31 verbunden und jeweils der Spannungsabfall U_{G0_a} und U_{G0_i} über R_GND 64 bestimmt, digitalisiert und gespeichert. Die Spannungswerte U_G0, U_{G0_e}, U_{G0_a} und U_{G0_i} werden über eine nicht dargestellte digitale Schnittstelle zu einem μ-Controller übertragen. Dort werden aus U_{G0_e}, U_{G0_a} und U_{G0_i} nach einer Messwertaufbereitung (Verstärker- und Offsetkorrektur) die Ströme über R_GND 64 berechnet und die Differenz zu dem aus U_G0 berechneten Strom gebildet. Die so erhaltenen Stromdifferenzen beschreiben den jeweiligen Fehlerstrom, der an die jeweiligen Anschlüsse RE 30, IPE 31 und APE 32 abgeflossen ist. Im Rahmen der Messauflösung und von ASIC-Reststromtoleranzen kann damit die Diagnose von hochohmigen Nebenschlüssen und von statischen Heizereinkopplungen erfolgen. Weiterhin kann eine Abgrenzung von Kurzschluss und Kabelabfall getroffen werden. Daraufhin können angemessene Systemreaktionen aktiviert werden.
Eine Durchgangsmessung RE-IPE erfolgt über eine Abfolge der Schaltstellungen Z_Gi und Z_Gi_ei. In einer ersten Messung wird eine Fehlerstrommessung an IPE durchgeführt. Während der Schaltstellung Z_Gi ist die Pumpstromquelle SQ 20 dazu zunächst mit dem Anschluss IPE 31 und über den Anschluss RG 34 mit dem Widerstand R_GND 64 verbunden. Der sich einstellende Spannungsabfall U_g0i = I_SQ × R_GND über den Widerstand R_GND 64 wird gemessen, digitalisiert und gespeichert. In der nachfolgenden Schaltstellung Z_Gi_ei ist zusätzlich der Referenzstrom I_SQR der Referenzstromquelle SQr 21 auf IPE geschaltet. Der Spannungsabfall über R_GND 64 berechnet sich zu U_{g0i_ei} = (I_SQ + I_SQR) × R_GND und wird ebenfalls gemessen, digitalisiert und gespeichert. U_g0i und U_{g0i_ei} werden über die nicht dargestellte digitale Schnittstelle zu dem ebenfalls nicht dargestellten μ-Controller übertragen. Dort wird nach einer Messwertaufbereitung (Verstärker- und Offsetkorrektur) die Stromdifferenz dI_iso = (U_{g0i_ei} – U_g0i)/R_GND berechnet. Dieser Wert kann im Rahmen der Messauflösung und ASIC-Reststromtoleranzen zur Unterscheidung Kabelabfall RE oder IPE und nicht betriebswarme Breitband-Lambdasonde 60, zur Überprüfung der Sondenheizfunktion bei halber Sonden-Betriebstemperatur und, zusammen mit der unten beschriebenen Durchgangsmessung APE-IPE, zur Unterscheidung Kabelabfall RE von Kabelabfall IPE verwendet werden.
Eine Durchgangsmessung APE-IPE erfolgt analog zur Durchgangsmessung RE-IPE in einer Abfolge der Schaltstellungen Z_Gi und Z_Gi_ai. Während der Schaltstellung Z_Gi wird U_g0i wie oben beschrieben bestimmt. In einer nachfolgenden Fehlerstrommessung wird entsprechend der Schaltstellung Z_Gi_ai der Referenzstrom I_SQR der Referenzstromquelle SQr 21 auf APE geschaltet, so dass sich über R_GND 64 der Spannungsabfall U_{g0i_ai} = (I_SQ + I_SQR) × R_GND einstellt. Nach der beschriebenen Digitalisierung und der Messwertaufbereitung wird aus U_g0i und U_{g0i_ai} in dem μ-Controller die Stromdifferenz dI_iso = (U_{g0i_ai} – U_g0i)/R_GND berechnet. Die Stromdifferenz dI_iso kann zur Unterscheidung Kabelabfall APE oder IPE und nicht betriebswarme Breitband-Lambdasonde 60 oder zur Überprüfung der Sondenheizfunktion bei halber Sonden-Betriebstemperatur verwendet werden.
Zur Dämpfung von Hochfrequenzstörungen und Hochspannungseinträgen sind zwischen den Signalleitungen der Breitband-Lambdasonde 60 und Erde die Kondensatoren C4 73, C5 74 und C6 75 vorgesehen. Diese müssen beim Pulsbetrieb der Breitband-Lambdasonde 60 ständig umgeladen werden. Der Umladestrom fließt zum Teil über die Pumpzelle 62 der Breitband-Lambdasonde 60, erhöht beziehungsweise verringert den Pumpstrom und muss bei der Kennlinienkalibrierung berücksichtigt werden. Die Schaltstellungen Z_1 und Z_2 bewirken durch einen periodischen Wechsel zwischen den Schaltstellungen Z_1 und Z_2, dass am inneren Pumpelektrodenanschluss IPE und am äußeren Pumpelektrodenanschluss APE der Breitband-Lambdasonde 60 ein impulsförmiger Pumpstrom I_SQ anliegt. Die Schaltstellungen Z_1 und Z_2 ermöglichen dabei eine flankengetriggerte Messung des Spannungsabfalls U_GND über dem Widerstand R_GND 64 zur Kalibrierung der Umladekorrektur. Im Timing-Modus Puls-Gegenpuls wird in beiden Stromrichtungen jeweils der Spannungsabfall an dem Widerstand R_GND 64, getriggert von der Einschaltflanke, für einen vorgegebenen Zeitraum integrierend gemessen und in einen Digitalwert gewandelt. Der Umladevorgang der Kondensatoren C4 73, C5 74 und C6 75 bildet sich auf den Stromfluss über den Widerstand R_GND 64 ab. Die über dem Widerstand R_GND 64 abfallenden Spannungen U_gua für die Schaltstellung Z_1 und U_gui für die Schaltstellung Z_2 enthalten daher die Umladeinformationen. Der Umladestrom ist der wichtigste Anteil zur Kalibrierung der Umladekorrektur und errechnet sich zu dI_um = F_um × (U_gui – U_gua)/R_GNDs mit Fum = T_sd/T_p. Dabei ist T_sd die Dauer der Messwertwandlung (Integrationszeit), T_p die Dauer der Taktperiode des Pulsbetriebs und R_GNDs der Sollwert des Widerstands R_GND 64. Die Kalibrierung der Umladekorrekturkennlinie erfolgt auf Basis der gemessenen, digitalisierten und gespeicherten Spannungen über R_GND in dem nicht dargestellten μ-Controller.
Bei Kurzschlüssen und Unterbrechungen der Leitungen zwischen der Breitband-Lambdasonde 60 und der Steuereinheit 10 wird die Breitband-Lambdasonde 60 durch die dargestellten elektronischen Schalter von der Betriebselektronik getrennt. Über die Breitband-Lambdasonde 60 fließen dann noch die Restströme der abgeschalteten Anschlüsse der als ASIC ausgeführten Steuereinheit 10. Diese Restströme können bei bestimmten Abgaszuständen zur Polarisation der Elektroden der Breitband-Lambdasonde 60 führen, die bei der Überschreitung einer Spannungsgrenze (Blackeningspannung) zur Schädigung der Elektroden führen können. Um die Reststrom-Anforderungen an den ASIC in machbaren Grenzen zu halten, wird entsprechend der Schaltstellung Z_IDLE die Polarisation während der Abschaltung durch eine Widerstandsklammerung der Elektroden der Breitband-Lambdasonde 60 sichergestellt. Die Anschlüsse APE 32 und IPE 31 sind über die geschlossenen Schalter S_P0 110 und S_P1 111, die Anschlüsse RE 30 und IPE 31 über die Schalter S_P1 111 und S_P2 112 verbunden. Die in dem ASIC in Form eines Multiplexers ausgeführten Schalter der zweiten Schaltmatrix 12 zeigen einen Innenwiderstand von 1000 bis 4000 Ohm, entsprechend sind die Anschlüsse APE 32 und IPE 31 sowie RE 30 und IPE 31 jeweils über einen Widerstand von 2000 bis 8000 Ohm verbunden. Damit kann statt dem für Breitband-Lambdasonden 60 geforderten Reststrom von 2 μA ein Reststrom von 20 μA zugelassen werden.
Zur Messung des Innenwiderstandes R_iape 62.1 der Pumpzelle 62 wird während einer Schalterstellung Z_Ria die Referenzstromquelle SQr 21 in der Pulspause auf den Anschluss APE 32 geschaltet und über eine entsprechende Beschaltung der zweiten Schaltmatrix 12 der Spannungsabfall U_Ria zwischen dem Anschluss APE 32 und dem Anschluss IPE 31 gemessen. In einer weiteren Messung wird in der Schalterstellung Z_0 der Spannungsabfall U_p0 der unbestromten Pumpzelle 62 zwischen dem Anschluss APE 32 und dem Anschluss IPE 31 bestimmt. In einer dritten Schalterstellung Z_Cal wird der Strom I_SQR der Referenzstromquelle 21 über den Kalibrierwiderstand R_CAL 65 geleitet und der Spannungsabfall U_cal über dem Kalibrierwiderstand R_CAL 65 bestimmt. Über R_CAL = R_CAL·I_SQR wird der Referenzpumpstrom I_SQR kalibriert. Der Innenwiderstand R_iape 62.1 der Pumpzelle 62 ergibt sich aus R_iape = R_calsoll·(U_Ria – U_p0)/U_cal. Aus R_iape lässt sich auch bei niedrigen Temperaturen der Breitband-Lambdasonde 60 eine Information über die Temperatur der Breitband-Lambdasonde 60 gewinnen.
Durch eine Abfolge von verschiedenen Schaltstellungen der ersten Schaltmatrix 11 und der zweiten Schaltmatrix 12 können verschiedene Betriebsmodi der Steuereinheit 10 vorgegeben werden, welche im Folgenden an Hand von drei Ausführungsbeispielen erläutert werden.
In einem Betriebsmodus IDLE ist eine in 4 gezeigte Schaltstellung Z_IDLE gewählt. Der Modus IDLE wird nach dem Einschalten oder im Fehlerfall eingestellt. Die Pumpstromquelle SQ 20 und die Referenzstromquelle SQr 21 sind abgetrennt, es erfolgt keine Messung, die Stromschalter der ersten Schaltmatrix 11 und der zweiten Schaltmatrix 12 sind offen. Die Anschlüsse APE und IPE sind über die geschlossenen Schalter S_P0 110 und S_P1 111, die Anschlüsse RE und IPE über die Schalter S_P1 111 und S_P2 112 wie oben beschrieben verbunden.
Ein Betriebsmodus Switch-On ist nach dem Einschalten oder nach einem Fehlerfall zur Inbetriebnahme der Steuereinheit 10 und der Breitband-Lambdasonde 60 vorgesehen. In einer Schaltstellung Z_MUXON wird die Breitband-Lambdasonde 60 zunächst über die Tiefpasswiderstände des Messfilters auf Ucc3 gezogen. Im Anschluss folgen vorbereitende Messungen zur Inbetriebnahme:

– Fehlstrommessung zur Erkennung von Nebenschlüssen und Kurzschlüssen zu den Leitungen zu der Breitband-Lambdasonde 60
– Innenwiderstandsmessung zur Einschätzung der Sondentemperatur
– Kalibriermessung der Spannungserfassung (Offset und Verstärkung)
– Kalibriermessung des Sondenabgleichwiderstandes

Ein Betriebsmodus Warmlauf ist vorgesehen, wenn die Temperatur der Breitband-Lambdasonde 60 so niedrig ist, dass der Pumpstrom noch nicht eingestellt werden kann oder wenn nach Fehlermeldungen Kurzschlüsse von Kabelunterbrechungen unterschieden werden sollen. Im Betriebsmodus Warmlauf ist folgender Ablauf vorgesehen:

– Messung von U_g0 (Spannungsabfall über R_GND) (Schaltstellung Z_G0)
– Fehlerstrommessung (Schaltstellungen Z_G0, Z_Ge, Z_Ga, Z_Gi)
– Durchgangsmessung (Schaltstellungen Z_Gi, Z_Gi_ei, Z_Gi_ai)
– Messung Un0 (Schaltstellung Z_0)
– Messung Up0 (Schaltstellung Z_0)
– Rie-Messung (Schaltstellung Z_Rie)
– Ria-Messung (Schaltstellung Z_Ria)

In den Zeiträumen ohne Messung können die Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde 60, wie bereits oben beschrieben, mit Hilfe der Schalter der zweiten Schaltmatrix 12 zur Verhinderung von Polarisation verbunden werden (Schaltstellung Z_IDLE, Z_MK1, Z_MK2). In dem Betriebsmodus Warmlauf kann die Breitband-Lambdasonde 60 ab 300°C als Zweipunktsonde betrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006061565 A1 [0003]
DE 102008001697 A1 [0004, 0005, 0027]
DE 102008001697 [0040, 0040]

Claims

Vorrichtung zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde (60) im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde, wobei die Breitband-Lambdasonde (60) als Anschlüsse einen Referenzelektrodenanschluß RE (30), einen inneren Pumpelektrodenanschluß IPE (31), einen äußeren Pumpelektrodenanschluß APE (32) und einen Meßanschluß MES (33) aufweist, wobei die Vorrichtung mit den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde (60) sowie einem Erdungswiderstand R_GND (64) und einem Kalibrierwiderstand R_cal (65) verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine erste Schaltmatrix (11) zur gegenseitigen Verbindung einer Pumpstromquelle SQ (20) und einer Referenzstromquelle SQr (21) mit den Anschlüssen der Breitband-Lambdasonde, dem Erdungswiderstand R_GND (64), dem Kalibierwiderstand R_cal (65) und einer Referenzspannungsquelle VM (23) aufweist, wobei die Vorrichtung eine zweite Schaltmatrix (12) zur gegenseitigen Verbindung der Anschlüsse der Breitband-Lambdasonde (60), des Erdungswiderstands R_GND (64) und des Kalibrierwiderstands R_cal (65) sowie der Pumpstromquelle SQ (20) und der Referenzstromquelle SQr (21) mit einem digitalen Mess-System DMS aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltmatrix (11) folgende Schalt-Verbindungen vorsieht: – Z_Off : keine Schaltverbindung – Z_G0 : R_GND mit SQ – Z_GE : R_GND mit SQ und RE mit SQ – Z_Gi : R_GND mit SQ und IPE mit SQ – Z_Ga : R_GND mit SQ und APE mit SQ – Z_Gi_ai : R_GND mit SQ, IPE mit SQ und APE mit SQr – Z_Gi_ei : R_GND mit SQ, IPE mit SQ und RE mit SQr – Z_K : R_GND mit MES und APE mit SQ – Z_Ria : APE mit SQr und IPE mit VM – Z_Rie : RE mit SQr und APE mit VM – Z_0 : IPE mit VM – Z_Cal : R_cal mit SQr – Z_1 : R_GND mit IPE und APE mit SQ – Z_2 : R_GND mit APE und IPE mit SQ.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zu einer Fehlerstrom-Messung die erste Schaltmatrix (11) in einer Schaltfolge Z_G0, Z_Ge, Z_Gi und Z_Ga verbunden ist und dass über die zweite Schaltmatix (12) R_GND (64) mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden ist, – zu einer Durchgangsmessung RE-IPE die erste Schaltmatrix (11) in einer Schaltfolge Z_Gi, Z_Gi_ei und Z_Gi_ai verbunden ist und dass über die zweite Schaltmatrix (12) R_GND (64) mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden ist, – zu einer Durchgangsmessung APE-IPE die erste Schaltmatrix (11) in einer Schaltfolge Z_Gi, Z_Gi_ei und Z_Gi_ai verbunden ist und dass über die zweite Schaltmatrix (12) R_GND (64) mit dem digitalen Messsystem DMS verbunden ist, – zu einer Kalibrierung einer Umladekorrektur der Breitband-Lambdasonde (60) die erste Schaltmatrix (11) in einer Schaltfolge Z_1 und Z_2 verbunden ist und dass über die zweite Schaltmatrix (12) R_GND (64) mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden ist, – zu einer Messung eines Pumpzelleninnenwiderstands der die erste Schaltmatrix (11) in einer Schaltfolge Z_Ria, Z_0, Z_Rie und Z_Cal verbunden ist und dass über die zweite Schaltmatrix (12) die Anschlüsse RE (30), IPE (31) sowie APE (32) und in der letzten Schaltstellung R_cal mit dem digitalen Mess-System DMS verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltmatrix (11) in die Schalt-Verbindung Z_Off geschaltet ist, dass die zweite Schaltmatrix (12) folgende Verbindungen vorsieht: – Z_MUXON: RE (30), APE (32) und IPE (31) mit Spannung 3,3 V, Eingang von DMS überbrückt und mit Spannung 3,3 V verbunden – Z_MK1: RE (30) und IPE (31) mit Spannung 3,3 V, Eingang von DMS überbrückt und mit Spannung 3,3 V verbunden – Z_MK2: APE (32) und IPE (31) mit Spannung 3,3 V, Eingang von DMS überbrückt und mit Spannung 3,3 V verbunden – Z_IDLE: RE (30), IPE (31) und APE (32) jeweils über zwei in Reihe geschaltete Schalter verbunden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) ein Programmablauf Switch-ON vorgesehen ist, in dem nacheinander die Schalterstellung Z_MUXON, die Fehlerstrom-Messung, die Messung des Pumpzelleninnenwiderstands, eine Kalibriermessung des digitalen Mess-System DMS und eine Kalibriermessung eines Sondenabgleichwiderstands vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) ein Programmablauf Warmlauf vorgesehen ist, in dem nacheinander die Schaltstellung Z_G0, die Fehlerstrom-Messung, die Durchgangsmessung RE-IPE, die Durchgangsmessung APE-IPE sowie die Schaltstellungen Z_0, Z_Rie und Z_Ria vorgesehen sind und dass in Zeiträumen ohne Messung die Breitband-Lambdasonde (60) in den Schaltstellungen Z_MK1, Z_MK2 oder zumindest zwischen zweien der Anschlüsse RE (30), IPE (31) und APE (32) über Schalter verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (10) ein Programmablauf Normal vorgesehen ist, in dem die Breitband-Lambdasonde (60) mit der Pumpstromquelle SQ (20) verbunden ist und nacheinander die Schaltstellungen Z_1 und Z_2, die Kalibriermessung des digitalen Mess-System DMS, die Schaltstellung Z_Cal vorgesehen sind. In Impulspausen der Pumpstromquelle SQ (20) sind nacheinander die Schaltstellungen Z_G0, Z_0 und Z_Rie oder Z_Ria vorgesehen.
Verfahren zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde (60) im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde (60), wobei die Breitband-Lambdasonde (60) als Anschlüsse einen Referenzelektrodenanschluß RE (30), einen inneren Pumpelektrodenanschluß IPE (31), einen äußeren Pumpelektrodenanschluß APE (32) und einen Meßanschluß MES (33) aufweist, wobei die Breitband-Lambdasonde (60) mittels einer Pumpstromquelle SQ (20) und einer Referenzstromquelle SQr (21) mit elektrischem Strom beaufschlagt werden kann und wobei mit einem digitalen Mess-System DMS ein Spannungsabfall über einem Erdungswiderstand R_GND (64) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Kalibrierung einer Umladekorrektur der Spannungsabfall über dem Erdungswiderstand R_GND (64) über einen vorbestimmten Zeitraum nach Beginn eines positiven und eines negativen Strompulses der Pumpstromquelle SQ (20) integrierend bestimmt wird und dass aus der Differenz der Spannungsabfälle eine Umladekorrekturkennlinie bestimmt wird, dass die Spannungsdifferenz zwischen IPE (31) und APE (32) in einer Pulspause bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und dass bei Überschreiten des Grenzwerts die Führungsgröße des Pumpstromreglers auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wird, dass ein Tastverhältnis des Strompulses der Pumpstromquelle SQ (20) vorgegeben werden kann und das die Amplitude des Strompulses der Pumpstromquelle SQ (20) und die Amplitude des Strompulses der Referenzstromquelle SQr (21) vorgegeben werden können.