DE19836127A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines Sondensystems, bestehend aus einer Abgassonde und einer Regelschaltung für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines Sondensystems, bestehend aus einer Abgassonde und einer Regelschaltung für ein Kraftfahrzeug

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Abstract

Die Regelschaltung (52) einer Abgassonde weist einen Microcontroller (20) in Verbindung mit analogen Beschaltungen (21) auf. Unter vorgegebenen Prüfbedingungen in einer Testkammer (56) aufgenommene Meßwerte werden in Kennfeldern in einem programmierbaren Festwertspeicher (39) gespeichert. Diese Werte dienen dann als Referenz für eine nachfolgende Nachkalibrierung des Sondensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Sondensystems, bestehend aus einer Abgas­ sonde und einer Regelschaltung für ein Kraftfahrzeug.
Im Zuge eines steigenden Umweltbewußtseins und daraus resul­ tierender, immer strengerer Abgasverordnungen erlangt die Schadstoffverringerung in Abgasen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eine immer größere Bedeutung. Für die Einhal­ tung der heute gültigen Emissionsgrenzwerte für Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx)und Kohlenwasserstof­ fe (HC) ist einerseits eine gezielte Motorsteuerung und ande­ rerseits eine katalytische Nachbehandlung der Abgase notwen­ dig. Für beide Maßnahmen werden Meßwerte von Abgassonden - z. B. Lambdasonden oder NOx-Sonden - benötigt. Mit dem Begriff Sonde sei im folgenden stets eine Einheit aus Sensor, Sensor­ leitung und Sensorstecker bezeichnet.
Zur Messung der Schadstoffkonzentration im Abgas einer Brenn­ kraftmaschine ist es bekannt, Dickschicht-Sensoren zu verwen­ den. Ein solcher Sensor ist am Beispiel eines NOx-Sensors in der Druckschrift N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx-Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Auto­ motive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser NOx-Sensor weist zwei Meßzellen und drei Sauerstoff­ pumpzellen auf und verwirklicht folgendes Meßkonzept: In ei­ ner ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffu­ sionsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sau­ erstoff-Ionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfindet. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten Meßzelle verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoff-Ionen-Pumpstroms weiter ab­ gesenkt und NOx an einer Meßelektrode zersetzt. Der so er­ zeugte Sauerstoff wird als Maß für die NOx-Konzentration er­ faßt. Der gesamte NOx-Sensor wird dabei mittels eines elek­ trischen Heizelements auf eine erhöhte Temperatur, z. B 700°C, gebracht.
Bei der Herstellung derartiger Sensoren treten technologiebe­ dingt große Fertigungstoleranzen auf. Zudem verändern sich die Sensoreigenschaften, wie z. B. die Impedanz der Pumpzel­ len, mit der Zeit. Da die Signalströme von Abgassonden mit derartigen Sensoren meist nur im nA-Bereich liegen, beeinflu­ ßen auch Bauteiltoleranzen der Regelschaltung die Meßgenauig­ keit in erheblichem Maße. Eine für den Serieneinsatz in einem Kraftfahrzeug ausreichende Meßgenauigkeit kann somit einer­ seits nur mit einer individuellen Kalibrierung des Sonden- Regelschaltung-Systems - im folgenden kurz als Sondensystem bezeichnet - sichergestellt werden, andererseits muß eine Nachkalibrierung während der Lebensdauer der Sonde möglich sein.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Ver­ fahren zu entwickeln, das es ermöglicht, Abgassonden am Ende des Herstellungsprozesses und im Laufe ihrer Lebensdauer zu­ sammen mit der zugehörigen Regelschaltung individuell zu ka­ librieren und Bauteiltoleranzen der Regelschaltung zu kompen­ sieren.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Wird zum Regeln der Pumpströme ein Mikrocontroller in Verbin­ dung mit einer analogen Beschaltung verwendet, so bietet sich die Möglichkeit, applikationsspezifische Daten des Sondensy­ stems zu speichern. Die unter vorgegebenen Prüfbedingungen aufgenommenen Meßwerte werden in einem vorzugsweise in den Mikrocontroller integrierten, programmierbaren Festwertspei­ cher, z. B. einem EPROM, als Korrektur- oder Prüfwerte abge­ legt. Die Prüfwerte dienen dann als Referenz für eine selb­ ständige Nachkalibrierung des Sondensystems während der Le­ benszeit. Die Korrekturwerte dienen zur Kompensation weiterer Bauteiltoleranzen, wie z. B. Offsetspannungen von Operations­ verstärkern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden für einen NOx-Sensor anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines NOx Sensors,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Re­ geln eines Pumpstroms und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ka­ librierung eines Sondensystems
Dickfilm-NOx-Sensoren bestehen aus einem mehrlagigen, gesin­ terten Keramiksubstrat. Beim Herstellungsprozeß werden auf die einzelnen Keramikträger mehrere Elektroden aufgebracht. Diese Elektroden bilden die für die Realisierung eines NOx Sensors erforderlichen Pump- und Meßzellen. Während des Sin­ terprozesses und im Laufe der Zeit verändern sich die elek­ trischen Eigenschaften der eingebrachten Elektroden und des Keramiksubstrats.
Ein aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall Zir­ kondioxid, bestehender NOx-Sensor 1 (Fig. 1) nimmt über eine erste Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf. Das Ab­ gas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Meßzelle wird mit­ tels einer ersten Nernstspannung VN0 zwischen einer ersten Pumpelektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referen­ zelektrode 6 gemessen. Dabei ist die Referenzelektrode 6 in einem Luftkanal 7 angeordnet, in den über eine Öffnung 8 Um­ gebungsluft gelangt. Beide Elektroden 5, 6 sind herkömmliche Platinelektroden.
Im herkömmlichen Verfahren wird der Meßwert der ersten Nernstspannung VN0 dazu verwendet, eine erste Stellspannung Vp0 einzustellen. Die Stellspannung Vp0 treibt einen ersten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip0 durch den Festkörperelektroly­ ten 2 des NOx-Sensors 1 zwischen der ersten Pumpelektrode 5 und einer Außenelektrode 9 - die Pumpelektrode 5 und die Au­ ßenelektrode 9 bilden eine erste Pumpzelle. Dabei wird die Stellspannung Vp0 von einem Regler so eingestellt, daß in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration vorliegt.
Die erste Meßzelle 4 ist mit einer zweiten Meßzelle 10 über eine zweite Diffusionsbarriere 11 verbunden. Durch diese Dif­ fusionsbarriere 11 diffundiert das in der Meßzelle 4 vorhan­ dene Gas in die zweite Meßzelle 10. Die zweite Sauerstoffkon­ zentration in der zweiten Meßzelle 10 wird über eine zweite Nernstspannung VN1 zwischen einer zweiten Pumpelektrode 12, die ebenfalls eine Platinelektrode ist, und der Referenzelek­ trode 6 gemessen und von einem Regler zur Vorgabe einer zwei­ ten Stellspannung Vp1 verwendet, die einen zweiten Sauer­ stoff-Ionen-Pumpstrom Ip1 treibt. Der zweite Sauerstoff- Ionen-Pumpstrom Ip1 aus der zweiten Meßzelle 10 fließt von der zweiten Pumpelektrode 12 durch den Festkörperelektrolyten 2 zur Außenelektrode 9 (zweite Pumpzelle). Mit seiner Hilfe wird in der zweiten Meßzelle 10 eine vorbestimmte Sauer­ stoffkonzentration eingestellt.
Die von den bisherigen Vorgängen in den Meßzellen 4 und 10 nicht betroffene NOx-Konzentration wird nun an einer Meßelek­ trode 13, die katalytisch wirksam ausgestaltet ist, bestimmt. Dazu wird eine dritte Sauerstoffkonzentration über eine drit­ te Nernstspannung VN2 zwischen der Meßelektrode 13 und der Referenzelektrode 6 gemessen und von einem Regler zur Vorgabe einer dritten Stellspannung Vp2 verwendet. Unter Anlegen die­ ser Stellspannung Vp2 zwischen der Meßelektrode 13 und der Außenelektrode 9 (dritte Pumpzelle) wird das NOx zersetzt und der freigewordene Sauerstoff wird durch den Festkörperelek­ trolyten 2 in einem dritten Sauerstoff-Ionen-Pumpstrom Ip2 zur Außenelektrode 9 hin gepumpt. Der dritte Sauerstoff- Ionen-Pumpstrom Ip2 wird bei ausreichend geringem Rest sauer­ stoffgehalt in der Meßzelle 10 nur von Sauerstoffionen getra­ gen, die aus der Zersetzung von NOx stammen. Er ist somit ein Maß für die NOx-Konzentration in der Meßzelle 10 und somit im zu messenden Abgas. Da derartige NOx-Sensoren eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen, sorgt ein Heizelement 14 dafür, daß die Sondentemperatur zur Einhaltung der notwendi­ gen Meßgenaugkeit stets in einem vorgegebenen Temperaturbe­ reich gehalten wird.
Zum Regeln der Pumpströme wird ein Mikrocontroller 20 in Ver­ bindung mit einer analogen Beschaltung 21 verwendet. Die Schaltungsanordnung eines einzelnen Pumpstromregelkreises ist in Fig. 2 detailliert dargestellt. Die Regelschaltung des gesamten NOx-Sensors weist für jede zu steuernde Pumpzelle eine derartige Schaltungsanordnung auf. Dabei können die er­ forderlichen digitalen Schaltungsanteile innerhalb eines ein­ zigen Mikrocontrollers 20 realisiert werden. Eine PWM-Einheit 22 im Mikrocontroller 20 erzeugt ein pulsweitenmoduliertes Signal, das mit Hilfe einer analogen Filterschaltung 23 in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Diese Spannung wird je nach Anforderung an die benötigte Stromstärke entweder direkt oder über einen Impedanzwandler 24 auf einen Meßwiderstand 25 gegeben, der in Serie zur zu steuernden Pumpzelle 27 des NOx Sensors 1 liegt. Die Pumpzelle ist in Fig. 2 in Form einer Ersatzschaltung der zugehörigen Impedanz dargestellt.
Mit Hilfe eines ersten A/D-Wandlers 30 im Mikrocontroller 20 werden über einen Multiplexer 31 abwechselnd die Spannungspo­ tentiale vor und nach dem Meßwiderstand 25 eingelesen. Da der Eingang des NOx-Sensors 1 meist sehr hochohmig ist, kann ein Impedanzwandler 32, z. B. ein Bufferverstärker, in die Meßlei­ tung, die zur Messung des Potentialwerts nach dem Meßwider­ stand 25 dient, geschaltet werden.
Die zum Regeln des Pumpstroms benötigten Nernstspannungen werden ebenfalls im Mikrocontroller 20 berechnet. Dazu wird sowohl das Nernstpotential VNernst als auch das Referenzpoten­ tial VRef der entsprechenden Neßzelle 33 des NOx-Sensors 1 von einem zweiten A/D-Wandler 34 im Mikrocontroller 20 eingele­ sen. Die Meßzelle 33 entspricht dabei entweder der ersten Meßzelle 4 oder der zweiten Meßzelle 10 aus Fig. 1 und ist schematisch als Gleichspannungsquelle dargestellt. Aufgrund der hohen Ausgangsimpedanz des NOx-Sensors 1 sind auch hier zwei Impedanzwandler 35 und 36, z. B. in Form von Bufferver­ stärkern vorgesehen.
In einer Auswerteschaltung 37 wird innerhalb des Mikrocon­ trollers 20 aus den eingelesenen Potentialwerten eine Pump­ stromdifferenz ΔIp berechnet, die einem Regler 38, z. B. ei­ nem PID-Regler, zugeführt wird, der die PWM-Einheit 22 steu­ ert. Ein vorzugsweise in den Mikrocontroller integrierter programmierbarer Festwertspeicher 39, z. B. ein EPROM, dient zur Speicherung der an den A/D-Wandlern 30 und 34 eingelese­ nen Potentiale.
Ein Sondensystem 50, bestehend aus einer NOx-Sonde 51 und der zugehörigen Regelschaltung 52, wird mit der Anordnung nach Fig. 3 kalibriert. Die NOx-Sonde 51 setzt sich dabei aus dem NOx-Sensor 1, einer Sensorleitung 53 und einem Sensorstecker 54 zusammen. Durch Anordnung der Regelschaltung 52 im Gehäuse des Sensorsteckers 54 ergeben sich sehr kurze Verbindungslei­ tungen. Auf diese Weise kann trotz auftretender Leitungsver­ luste eine ausreichend genaue Übertragung der meist nur im nA-Bereich liegenden Signalströme sichergestellt werden.
Durch einen Testkontrollrechner 55 werden die Prüfparameter, z. B. NOx-Konzentration und Gastemperatur, in einer Testkammer 56 eingestellt und überwacht. Der NOx-Sensor 1 nimmt die ent­ sprechenden Meßwerte auf und leitet sie über die Sensorlei­ tung 51 an die Regelschaltung 52 weiter. In der Regelschal­ tung 52 werden die an den A/D-Wandlern des Mikrocontrollers 20 anstehenden Meßwerte entweder unmittelbar oder nach einer internen Auswertung, z. B. durch Vergleich mit vorgeggebenen Sollwerten, in eigens dafür zur Verfügung gestellten Kennfel­ dern im programmierbaren Festwertspeicher 39, gespeichert. Die zur Steuerung der Regelschaltung 52 notwendige Kommunika­ tion mit dem Testkontrollrechner 55 erfolgt über eine in die Regelschaltung integrierte serielle Schnittstelle 57 und eine Datenleitung 58.
Um technologiebedingte Fertigungstoleranzen und Bauteiltole­ ranzen innerhalb der Regelschaltung kompensieren zu können, müssen nach Fertigstellung des Sondensystems, also nach dem Verbinden der NOx-Sonde mit der zugehörigen Regelschaltung, die einzelnen Pumpstromregelkreise unter verschiedenen, cha­ rakteristischen Betriebsbedingungen vermessen werden. Um Offsetspannungen kompensieren zu können, wird das Sondensy­ stem zunächst unter elektrisch neutralen Prüfbedingungen ge­ testet. Hierzu wird das Heizelement abgeschaltet und ein Tastverhätnis des pulweitenmodulierten Signals von 0% einge­ stellt, so daß kein Pumpstrom mehr fließt. Die nun von den A/D-Wandlern eingelesenen Werte entsprechen genau den anlie­ genden Offsetspannungen. Diese können als Korrekturwerte im programmierbaren Festwertspeicher 39 abgelegt und zur Koorek­ tur der jeweiligen Pumpströme verwendet werden. Diese Kompen­ sation kann auch nach Einbau des Regelsystems in ein Kraft­ fahrzeug wiederholt werden, z. B. auf Anforderung der zentra­ len Motorsteuerung oder im Zuge einer Inspektion in einer Werkstätte. Anschließend wird jeder Pumpstromregelkreis des Sondensystems nacheinander unter verschiedenen Prüfbedingun­ gen getestet. Die dabei ermittelten Pumpströme - d. h. die am ersten A/D-Wandler 30 anliegenden Meßwerte - werden im Fest­ wertspeicher 39 gespeichert und dienen anschließend als Refe­ renz für eine regelmäßige, selbständige Nachkalibrierung des Systems im Laufe seiner Lebensdauer. Zusätzlich können auch die am zweiten A/D-Wandler 34 anstehenden Nernst- und Refe­ renzpotentiale im Festwertspeicher 39 gespeichert werden.
Durch den Einsatz eines Mikrocontrollers mit integrierten A/D-Wandlern lassen sich verschiedene applikationsspezifische Daten des Sondensystems einlesen und speichern. Auf diese Weise kann jedes Sondensystem am Ende des Herstellungsprozes­ ses mit Hilfe einer Prüfeinrichtung individuell und voll au­ tomatisiert kalibriert werden. Ein aufwendiger und kostenin­ tensiver Abgleich von elektronischen Bauelementen, wie er bei einer rein analogen Regelschaltung notwendig wäre, kann da­ durch vermieden werden. Durch die Möglichkeit der selbständi­ gen Nachkalibrierung des Sondensystems wird das Schaltungsde­ sign der Regelschaltung weitgehend unabhängig von Bauteilto­ leranzen.
Die Erfindung wurde beispielhaft für einen NOx-Sensor be­ schrieben, entsprechende Verfahren und Vorrichtungen sind auch für andere nach dem Prinzip der galvanischen Sauer­ stoffkonzentrationszelle mit Festelektrolyt arbeitende Abgas­ sonden, z. B. lineare Sauerstoffsonden, geeignet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Kalibrieren eines Sondensystems, bestehend aus einer nach dem Prinzip der galvanischen Sauerstoffkonzen­ trationszelle mit Festelektrolyt arbeitenden Abgassonde (51) und einer Regelschaltung (52), wobei zum Regeln der Pumpströ­ me ein Mikrocontroller (20) in Verbindung mit einer analogen Beschaltung (21) verwendet wird, bei dem
  • - unter vorgegebenen Prüfbedingungen Meßwerte von der Abgas­ sonde (51) aufgenommen werden,
  • - die Meßwerte in den Mikrocontroller (20) eingelesen werden und
  • - die eingelesenen Meßwerte in einem programmierbaren Fest­ wertspeicher (39) in der Regelschaltung (52) als Korrektur- oder Prüfwerte gespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelesenen Meßwerte im Microcontroller (20) ausgewertet werden und die ausgewerteten Meßwerte im programmierbaren Festwertspeicher (39) in der Regelschaltung (52) als Korrek­ tur- oder Prüfwerte gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur- und Prüfwerte in Kennfeldern im program­ mierbaren Festwertspeicher (39) gespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der programmierbare Festwertspeicher (39) in den Mikrocontroller (20) integriert ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unter elektrisch neutralen Bedingun­ gen aufgenommenen Meßwerte der Abgassonde (1) im programmier­ baren Festwertspeicher (39) als Korrekturwerte gespeichert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturwerte zur Korrektur der Pumpströme verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Prüfwerte als Referenz für eine spätere Nachkalibrierung des Sensorsystems verwendet werden.
8. Vorrichtung zum Kalibrieren eines Sensorsystems (50), be­ stehend aus einer Abgassonde (51) und einer Regelschaltung (52) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die aufweist
  • - eine Testkammer (56), die ein Prüfgas mit veränderlichen Prüfparametern enthält,
  • - einen Testkontrollrechner (55), durch den die Prüfparameter in der Testkammer (56) eingestellt und überwacht werden, und
  • - eine Datenleitung (58) über die die Regelschaltung (52) und der Testkontrollrechner (55) miteinander kommunizieren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (52) eine serielle Schnittstelle (57) auf­ weist, über die die Datenleitung (58) an die Regelschaltung (52) angeschlossen ist.
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