DE19636226B4

DE19636226B4 - Lambdasondeninnenwiderstandsbestimmung

Info

Publication number: DE19636226B4
Application number: DE19636226A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schnaibel; Erich Junginger; Lothar Raff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-09-07
Also published as: US6073083A; SE9703199L; JPH1090218A; GB2317017A; JP4242935B2; GB2317017B; GB9717632D0; SE9703199D0; DE19636226A1; SE523016C2

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes (3) einer Lambdasonde (1) mit einem Pluspol,
– einem Rechner, der wenigstens einen Rechnerport (9) mit veränderbarem Schaltzustand sowie einen Signaleingang besitzt und der aus den variablen, an seinem Signaleingang anliegenden Werten und weiteren, fest vorgegebenen Werten den Innenwiderstand (3) der Lambdasonde (1) berechnet,
– mit einer Spannungsquelle, deren Pluspol über dem Rechnerport (9) und einem Belastungswiderstand (8) mit dem Pluspol der Lambdasonde (1) verbunden ist,
– und mit einer direkten elektrischen Verbindung des Pluspols der Lambdasonde (1) mit einem dem Signaleingang des Rechners vorgeschalteten Analog/Digital-Wandler (6),
– bei der der Schaltzustand des Rechnerports (9) in einem vorgegebenen Zeitraster periodisch verändert wird, sodass der Pluspol der Spannungsquelle periodisch mit dem Pluspol der Lambdasonde (1) verbunden wird und
– bei der der Lambdasonde (1) eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle (4) und einem Widerstand (5) parallel geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands von Lambdasonden vom Nernsttyp.
Der Innenwiderstand einer Lambdasonde wird wesentlich von ihrer Temperatur beeinflusst und kann daher auch als Ersatzgröße für die Sondentemperatur herangezogen werden. Die Kenntnis der Sondentemperatur ist in mehrfacher Hinsicht zweckmäßig. Unter anderem erlaubt die Kenntnis der Sondentemperatur eine Diagnose der Sondenheizung, wie sie beispielsweise von der amerikanischen Umweltbehörde CARB gefordert wird.
Es sind bereits verschiedene Methoden der Innenwiderstandsbestimmung bekannt geworden. Eine erste bekannte Methode beruht darauf, der Lambdasonde ein Wechselstromsignal einzuprägen, das sich in der Frequenz vom Sondensignal unterscheidet, sodass beide Signalanteile durch Frequenzfilterung trennbar sind. Die Amplitude des nach der Filterung erhaltenen Wechselstromsignals ist von der Temperatur der Lambdasonde und damit von deren Innenwiderstand abhängig und als Temperaturersatzgröße geeignet.

Bei einer aus der EP-A 377 600 B1 bekannten Vorgehensweise zur Innenwiderstandsbestimmung einer Lambdasonde wird der Pluspol der Lambdasonde zeitlich getaktet über einen Messwiderstand an Schaltungsmasse gelegt. Das Signal der Lambdasonde wird in beiden Taktphasen über einen Vorverstärker an einem Rechner übergeben, der aus dem Signal und aus den bekannten Werten der Schaltung den Innenwiderstand der Lambdasonde berechnet.

In der DE-OS 44 08 021 A1 ist eine Lambdasonde mit einer gepumpten Referenz beschrieben. Die Lambdasonde enthält eine Messelektrode, einen Festelektrolyten und eine Referenzelektrode. Die Messelektrode steht mit dem zu messenden Gas in Verbindung. Die in einem Referenzgasvolumen angeordnete Referenzelektrode ist von der Messelektrode mit dem Festelektrolyten getrennt, durch den ein Teilchenaustausch stattfinden kann. Vorgesehen ist eine Stromquelle, die derart zwischen die Referenz- und Messelektrode geschaltet ist, dass im Festelektrolyten Sauerstoffionen von der Mess elektrode zur Referenzelektrode und somit in das Referenzgasvolumen transportiert werden. Durch dieses Pumpen von Sauerstoff in die Referenzgasatmosphäre wird ein für die Messung benötigter ausreichender Sauerstoffgehalt im Referenzgasvolumen aufrechterhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Lambdasonde anzugeben, die mit einfachen Mitteln realisierbar sind.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Im anzustrebenden Idealfall, für den die Strom-, Spannungs- und Widerstandswerte der Schaltung auszulegen sind, kann eine taktweise Verbindung des Pluspols der Lambdasonde mit dem Pluspol einer Versorgungsspannungsquelle direkt über einen Rechnerport ohne Zwischenschaltung eines Schalttransistors erfolgen.

Die zur Innenwiderstandsbestimmung erforderliche Zusatzhardware beschränkt sich in diesem Fall auf einen Messwiderstand, was Vorteile hinsichtlich der Kosten der Schaltung eröffnet.

Von besonderem Vorteil ist es, den Pluspol der Lambdasonde nicht getaktet auf Masse, sondern auf den Pluspol einer Versorgungsspannungsquelle zu schalten. Der Pluspol der Lambdasonde wird durch die dem Referenzgas zugewandte Elektrode gebildet, während der Minuspol durch die dem Abgas zugewandte Messelektrode realisiert wird. Bei Lambdasonden mit gepumpter Referenz muss das Referenzgas gewissermaßen innerhalb der Lambdasonde durch Zupumpen von Sauerstoff bereitgestellt werden. Dadurch, dass der Pluspol der Lambdasonde für die Innenwiderstandsbestimmung an dem Pluspol der Versorgungsspannung gelegt wird, dient der zur Innenwiderstandsbestimmung fließende Strom gleichzeitig als Pumpstrom zur Aufrechterhaltung der gepumpten Referenzgasatmosphäre. Der Strom wird innerhalb des Festelektrolyten der Lambdasonde von negativen Sauerstoffionen getragen, die zum Pluspol, also vom Messgas zur Referenzgasatmosphäre gepumpt werden.

Eine für Lambdasonden mit herkömmlicher Luftreferenz entwickelte Diagnose kann nur durch eine geringfügige Änderung der Software bei der Ansteuerung des Rechnerports derart geändert werden, dass sie bei den vorliegenden Lambdasonden mit gepumpter Referenz eingesetzt werden kann. Die zur Lambdasonde parallelgeschaltete Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand dient zur Einstellung des Arbeitspunkts der Lambdasonde.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, 2 veranschaulicht ein Zeitraster einer Ansteuerung eines Rechnerports, 3 und 4 zeigen zeitlich korrelierte Diagramme von Messstrom- und Pumpstromimpulsen und der dazu jeweils korrespondierenden Spannung einer Lambdasonde und 5 zeigt eine Lambdasonde mit gepumpter Referenz, bei der die Erfindung besonders vorteilhaft zur Geltung kommt.

Die 1 in der 1 symbolisiert das Ersatzschaltbild einer Abgassonde mit einer die Nernstspannung US liefernden Urspannungsquelle 2 und dem Innenwiderstand Ri mit der Ziffer 3. Der Sonde parallel geschaltet ist eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle 4, die etwa die halbe Nernstspannung der Sonde, d.h. etwa 450 mV liefert und einem widerstand 5, der etwa dem Wert des Sondeninnenwiderstandes beim Einsetzen der Betriebsbereitschaft infolge zunehmender Erwärmung der Sonde entspricht. Der Pluspol der Sonde ist über einen Analog/Digital-Wandler 6 auf einen Rechnereingang 7 geführt. weiterhin ist der Pluspol über einen Meß- oder Belastungswiderstand RBEL 8 und einen Rechnerport 9 mit einer Versorgungsspannungsquelle von bspw. 5 Volt geführt. Der Rechnerport öffnet oder schließt die genannte Verbindung durch das rechnerinterne Signal Bripuv, dessen zeitlicher Verlauf in 2 als Beispiel dargestellt. ist. Danach wird die Verbindung über den Port bspw. periodisch alle 5 Sekunden für eine Dauer von 10 ms geschlossen.

Dieses Zeitraster beruht auf folgendem Hintergrund: Die Erfassung des Sondensignals findet in einem Zeitraster von 10 ms statt. Demzufolge ist es zweckmäßig, alle 3 bis 5 s eine Belastungsmessung vorzunehmen, indem der Rechnerport die genannte Verbindung für ca. 10 ms schließt. Bei diesem Zeitraster wirkt sich die Zahl der Ausfälle regulärer Messungen nicht negativ aus.

Bild 3 zeigt den Spannungsverlauf der resultierenden Sondenspannung (Kurve 1), die dem ADC zugeführt wird, zusammen mit dem Verlauf des Meß-, Belastungs- oder Pumpimpulses (Kurve 2) und einer Kurve 3, aus der sich der Meßzeitpunkt ablesen läßt. Die Werte sind für eine neue Sonde bei einem Innenwiderstand von 240 Ohm aufgenommen worden. Kurve 1 zeigt bei der Belastung durch den Meßimpuls zunächst ein ohmsches Verhalten in Form eines Spannungssprungs und danach ein mit einer e-Funktion ansteigendes, kapazitives Verhalten. Hieraus ergibt sich, daß der Meßzeitpunkt einen erheblichen Einfluß auf die Ri-Aussage hat, je nachdem, ob der Sondenspannungswert gegen Anfang oder Ende des Meßimpulses eingelesen wird. Es ist daher im Interesse einer genauen Messung vorteilhaft, den Abtastzeitpunkt 3a, zu dem der Sondenspannungswert eingelesen wird, mit einer engen Toleranz festzulegen. Als bester Zeitpunkt hat sich bei Versuchen ein Meßzeitpunkt von etwa 3 ms nach Beginn des Prüfimpulses herausgestellt.

Idealerweise wäre nur die Höhe des proportionalen Sprunges zu messen. Dieses Vorgehen ist im praktischen Betrieb jedoch nicht möglich, da das Sondensignal ggf. zur Unterdrückung elektromagnetischer Störeinstreuungen vorgefiltert wird, so daß die Einschwingzeit dieser Filterung abzuwarten ist, bevor der Meßwert aufgenommen wird.

Bild 4 zeigt die Verläufe aus der 3 für einen deutlich höheren Innenwiderstand (2,4kOhm), also für eine kältere Sonde.

Aus beiden Sondenspannungskurven ersichtlich ist eine Erholungszeit, die Sonde nach dem Abschalten des Meßimpulses benötigt, um ihr vorheriges Potential wieder zu erreichen. Vor dem Hintergrund dieses Wiedererholungseffektes kann es sinnvoll sein, ca. 30 ms lang keine Sondenspannungsmessungen vorzunehmen oder diese ggf. zu korrigieren.

Der zu ermittelnde Innenwiderstand ist proportional zu dem Produkt aus dem Widerstand RBEL mit dem Quotienten der Differenz der belasteten und der unbelasteten Sondenspannung im Zähler und der Differenz der Versorgungsspannung (bspw. 5 Volt) und der belasteten Sondenspannung.

5 zeigt eine Sonde mit gepumpter Referenz als Beispiel einer besonders vorteilhaften Anwendung der Erfindung.

5 zeigt im Schnitt eine Abgassonde 5.2 in einem Abgasrohr, von dem eine Wand 5.1 dargestellt ist. Diese wand trennt das Abgas einer Brennkraftmaschine (links) von der Umgebungsluft (rechts). Die Abgassonde weist in ihrem abgasseitigen Teil einen Festelektrolyten 5.3 zwischen einer dem Abgas ausgesetzten Meßelektrode 5.4 und einer Referenzelektrode 5.5 auf. Ein mit der Meßelektrode 5.5 in Verbindung stehendes Referenzgasvolumen 5.6 steht weder mit dem Abgas noch mit der Umgebungsluft in direktem Kontakt. Ein sich evtl. aufbauender Überdruck im Referenzgasvolumen wird über eine indirekte Verbindung zur Umgebungsluft, bspw. durch eine porös ausgeführte Meßzuleitung 5.10, abgebaut.

Für die Aufrechterhaltung einer stabilen Referenzgasatmosphäre ist es wesentlich, daß im zeitlichen Mittel die Zufuhr von Sauerstoff durch den Pumpstrom Ip die auftretenden Verluste an Sauerstoff übertrifft. Solche Verluste treten durch die Messung der Spannung US=Un zwangsweise dann auf, wenn die Spannungsmessung auf eine Strommessung über einen Meßwiderstand zurückgeführt wird. Im Bereich der Messung von Spannungen in der Größenordnung einer Ausgangsspannung Un einer Abgassonde von einem Volt werden typischerweise Meflwiderstände im Megaohm-Bereich verwendet. Als Folge fließt ein Meflstrom im Mikroampere-Bereich. Im Elektrolyten wird dieser Strom von Sauerstoffionen aus dem Referenzgasvolumen getragen, so daß sich die Sauerstoffkonzentration im Referenzgasvolumen durch die Messung verringert.

Der Meßimpuls kann bezüglich seiner Höhe und zeitlichen Ausdehnung so bemessen werden, daß er im zeitlichen Mittel den erforderlichen Pumpstrom liefert.

Ein alle 200ms erfolgender Meßimpuls von 1 mA für 10 ms bewirkt einen zeitlich gemittelten Pumpstrom von 25 MikroA, wie er für typische Kfz-Anwendungen ausreichend ist.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes (3) einer Lambdasonde (1) mit einem Pluspol, – einem Rechner, der wenigstens einen Rechnerport (9) mit veränderbarem Schaltzustand sowie einen Signaleingang besitzt und der aus den variablen, an seinem Signaleingang anliegenden Werten und weiteren, fest vorgegebenen Werten den Innenwiderstand (3) der Lambdasonde (1) berechnet, – mit einer Spannungsquelle, deren Pluspol über dem Rechnerport (9) und einem Belastungswiderstand (8) mit dem Pluspol der Lambdasonde (1) verbunden ist, – und mit einer direkten elektrischen Verbindung des Pluspols der Lambdasonde (1) mit einem dem Signaleingang des Rechners vorgeschalteten Analog/Digital-Wandler (6), – bei der der Schaltzustand des Rechnerports (9) in einem vorgegebenen Zeitraster periodisch verändert wird, sodass der Pluspol der Spannungsquelle periodisch mit dem Pluspol der Lambdasonde (1) verbunden wird und – bei der der Lambdasonde (1) eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle (4) und einem Widerstand (5) parallel geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (4) eine Quellenspannung von etwa der halben Nernstspannung (450 mV) der Lambdasonde (1) und der Widerstand (5) etwa dem halben Wert des Innenwiderstands (3) der betriebswarmen Lambdasonde (1) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung der Spannungsquelle und der Belastungswiderstand (8) so gewählt sind, dass sich eine die Leistungsfähigkeit des Rechnerports (9) berücksichtigende Messstromstärke von 0,5 bis 1 mA ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechnerport (9) alle 3 bis 5 Sekunden für eine Zeitdauer von etwa 5 bis 20 Millisekunden geschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechnerport (9) bei Lambdasonden (1) mit gepumpter Referenz so gesteuert wird, dass die Dauer des Belastungsimpulses für die getaktete Nachlieferung von Sauerstoff zur Referenzgasatmosphäre ausreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechnerport (9) so geöffnet und geschlossen wird, dass sich im zeitlichen Mittel ein Pumpstrom von 10 bis 50 MikroA einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechnerport (9) etwa alle 200 Millisekunden für eine Zeitdauer von 5 bis 20 Millisekunden geschlossen wird.
Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes (3) einer Lambdasonde (1) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu ermittelnde Innenwiderstand (3) als proportional zu dem Produkt aus dem Belastungswiderstand (8) mit dem Quotienten der Differenz der belasteten und der unbelasteten Sondenspannung im Zähler und der Differenz der Versorgungsspannung und der belasteten Sondenspannung errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die belastete Sondenspannung in einem Abtastzeitpunkt (3a) eingelesen wird, wobei der Abgaszeitpunkt (3a) etwa 1 bis 5 Millisekunden nach Beginn eines Prüfimpulses liegt.