DE19838466A1

DE19838466A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Meßfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE19838466A1
Application number: DE19838466A
Authority: DE
Inventors: Martin Lenfers; Lothar Diehl; Juergen Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-02
Also published as: JP2000065793A; US6301951B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Meßfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von einer Nernst-Meßzelle gelieferte Detektionsspannung von einer Schaltungsanordnung in eine Pumpspannung für eine Pumpzelle transferiert wird, und je nach Sauerstoffgehalt des Gasgemisches ein anodischer oder ein kathodischer Grenzstrom über die Pumpzelle fließt. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß bei stabilem Betrieb des Meßfühlers (10), bei dem über eine wählbare Zeitspanne ein anodischer Grenzstrom fließt, die Pumpzelle (14) und/oder die Nernst-Meßzelle (12) mit wenigstens einem, unabhängig von der gemessenen Detektionsspannung (U¶D¶) beziehungsweise dem sich einstellenden Pumpstrom (I¶p¶), bereitgestellten Spannungspuls derart beaufschlagt wird, daß eine Depolarisierung des Meßfühlers (10) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Meßfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkon zentration in einem Gasgemisch, insbesondere in Abga sen von Verbrennungskraftmaschinen, mit den im Ober begriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Der artige Meßfühler dienen dazu, über die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Verbren nungskraftmaschine die Einstellung eines Kraftstoff- Luft-Gemisches zum Betreiben der Verbrennungskraft maschine vorzugeben. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann im sogenannten fetten Bereich vorliegen, das heißt, der Kraftstoff liegt im stöchiometrischen Überschuß vor, so daß im Abgas nur eine geringe Menge an Sauer stoff gegenüber anderen teilweise unverbrannten Be standteilen vorhanden ist. Im sogenannten mageren Be reich, bei dem der Sauerstoff der Luft in dem Kraft stoff-Luft-Gemisch überwiegt, ist eine Sauerstoffkon zentration in dem Abgas entsprechend hoch.

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas sind sogenannte Lambda-Sonden bekannt, die im mageren Bereich einen Lambdawert < 1, im fetten Bereich < 1 und im stöchiometrischen Bereich einen Lambdawert = 1 detektieren. Eine Nernst-Meßzelle des Meßfühlers lie fert hierbei in bekannter Weise eine Detektions spannung, die einer Schaltungsanordnung zugeführt wird. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung wird die Detektionsspannung in eine Pumpspannung für eine Meß sonde (Pumpzelle) transferiert, die ebenfalls Be standteil des Meßfühlers ist. Die Meßsonde arbeitet dabei als Pumpzelle, bei der je nach vorliegender Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gasge misch Sauerstoffionen von einer ersten zu einer zwei ten Elektrode der Pumpzelle oder umgekehrt gepumpt werden. Je nachdem, ob die Lambda-Sonde einen fetten Bereich, also einen Lambdawert < 1, oder einen mage ren Bereich, also einen Lambdawert < 1, detektiert, wird über die Schaltungsanordnung bestimmt, ob eine mit einem aktiven Eingang der Schaltungsanordnung verbundene Elektrode der Pumpzelle als Katode oder Anode geschaltet ist. Die zweite Elektrode der Pump zelle liegt gegen Masse, so daß sich an der Pumpzelle entweder ein kathodischer Grenzstrom, bei fettem Meßgas, oder ein anodischer Grenzstrom, bei magerem Meßgas, einstellt.

Bei einem bekannten Aufbau des Meßfühlers ist jeweils eine Elektrode der Nernst-Meßzelle und eine Elektrode der Pumpzelle in einem gemeinsamen Hohlraum des Meß fühlers angeordnet, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas beaufschlagbar ist. Liegt das zu über wachende Kraftstoff-Luft-Gemisch über einen längeren Zeitraum im mageren Bereich vor, diffundieren Sauer stoffionen aus dem Abgas durch die Diffusionsbarriere in den gemeinsamen Hohlraum der Nernst-Elektrode der Nernst-Meßzelle und der einen Pumpelektrode der Pump zelle. Entsprechend dem im mageren Bereich überwie genden Sauerstoffanteil wird über die Schaltungsan ordnung die Pumpzelle mit einem anodischen Grenzstrom beaufschlagt. Hierdurch werden zusätzlich Sauerstoff ionen in den gemeinsamen Hohlraum über die Pumpzelle gepumpt. Hierbei ist nachteilig, daß bei einem dauernden Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise über mehrere Stunden, weniger Sauer stoffionen in den gemeinsamen Hohlraum der Nernst- Elektrode und der einen Pumpelektrode über die Pump zelle gepumpt werden, als zur Herstellung von λ = 1 im Hohlraum nötig wäre. Dies liegt an der Verfäl schung der Spannung der Nernst-Meßzelle durch die Beteiligung der Nernstelektrode an der Aufgabe der inneren Pumpelektrode. Dieser Fall liegt vor, wenn die innere Pumpelektrode durch dauernden kathodischen Betrieb oder durch Fertigungsstreuung inaktiv gewor den ist. Die Nernst-Meßzelle schließt jedoch aufgrund der steigenden Konzentration von Sauerstoffionen in dem gemeinsamen Hohlraum auf ein fetter werdendes Kraftstoff-Luft-Gemisch, so daß der Meßfühler einer sogenannten Fettdrift unterliegt, die zu Ungenauig keiten eines Ausgangssignals führen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern eines Meßfühlers bietet demgegenüber den Vorteil, daß eine derartige Fettdrift ausgeglichen werden kann. Da durch, daß nach einer wählbaren Zeitspanne, innerhalb der ausschließlich ein Magerbetrieb des Meßfühlers erfolgt, eine Umpolung der Pumpspannung oder eine Erhöhung der Nernstspannung in wählbaren Intervallen erfolgt, ist vorteilhaft möglich, über die Pumpzelle oder die Nernst-Meßzelle Sauerstoffionen aus dem ge meinsamen Hohlraum der Nernst-Elektrode und der einen Pumpelektrode zu pumpen, so daß eine Fettdrift der Meßsonde ausgeglichen wird. Ferner kann eine Beseiti gung einer CO-Elektrodenbelegung erfolgen. Hierdurch kommt es zu einer Aktivierung der Nernst-Elektrode, so daß ein Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwi schen der Nernst-Elektrode und einer Referenzelek trode wieder dem tatsächlichen Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gasgemisch entspricht. Entsprechend der Wahl einer Frequenz der Impulse und einer Länge der Impulse kann das kurzzeitige Abpumpen von Sauer stoffionen eingestellt werden. Die Frequenz und die Dauer der Impulse läßt sich durch eine Auswerte- und Ansteuerschaltungsanordnung des Meßfühlers in Abhän gigkeit eines detektierten Sauerstoffgehaltes in dem zu messenden Gasgemisch variieren. So wird sicherge stellt, daß tatsächlich nur die Fettdrift des Meßfüh lers ausgeglichen wird und eine entgegengesetzte Signalverfälschung durch Störung der Einstellung von λ = 1 im Hohlraum vermieden wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine Schnittdarstellung durch einen Kopf eines Meßfühlers zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist ein Meßfühler 10 in einer Schnitt darstellung durch einen Meßkopf gezeigt. Der Meßfüh ler 10 ist als planarer Breitband-Meßfühler ausgebil det und besteht aus einer Anzahl einzelner, überein ander angeordneter Schichten, die beispielsweise durch Foliengießen, Stanzen, Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen strukturiert wer den können. Auf die Erzielung des Schichtaufbaus soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden, da dieses bekannt ist.

Der Meßfühler 10 dient der Bestimmung einer Sauer stoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungskraft maschinen, um ein Steuersignal zur Einstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungs kraftmaschine betrieben wird, zu erhalten. Der Meß fühler 10 besitzt eine Nernst-Meßzelle 12 und eine Pumpzelle 14. Die Nernst-Meßzelle 12 besitzt eine er ste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18, zwi schen denen ein Festelektrolyt 20 angeordnet ist. Die Elektrode 16 ist über eine Diffusionsbarriere 22 dem zu messenden Abgas 24 ausgesetzt. Der Meßfühler 10 besitzt eine Meßöffnung 26, die mit dem Abgas 24 be aufschlagbar ist. Am Grund der Meßöffnung 26 er streckt sich die Diffusionsbarriere 22, wobei es zur Ausbildung eines Hohlraumes 28 kommt, innerhalb dem die Elektrode 16 angeordnet ist. Die Elektrode 18 der Nernst-Meßzelle 12 ist in einem Referenzluftkanal 30 angeordnet und einem in dem Referenzluftkanal 30 an liegenden Referenzgas, beispielsweise Luft, ausge setzt. Der Festelektrolyt 20 besteht beispielsweise aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid, während die Elektroden 16 und 18 beispielsweise aus Platin bestehen.

Der Meßfühler 10 ist mit einer hier lediglich ange deuteten Schaltungsanordnung 32 verbunden, die der Auswertung von Signalen des Meßfühlers 10 und der An steuerung des Meßfühlers dient. Die Elektroden 16 und 18 sind hierbei mit Eingängen 34 beziehungsweise 36 verbunden, an denen eine Detektionsspannung U_D der Nernst-Meßzelle 12 anliegt.

Die Pumpzelle 14 besteht aus einer ersten Elektrode 38 sowie einer zweiten Elektrode 40, zwischen denen ein Festelektrolyt 42 angeordnet ist. Der Fest elektrolyt 42 besteht wiederum beispielsweise aus einem yttriumoxidstabilisierten Zirkoniumoxid, wäh rend die Elektroden 38 und 40 wiederum aus Platin bestehen können. Die Elektrode 38 ist ebenfalls in dem Hohlraum 28 angeordnet und somit ebenfalls über die Diffusionsbarriere 22 dem Abgas 24 ausgesetzt. Die Elektrode 40 ist mit einer Schutzschicht 44 abgedeckelt, die porös ist, so daß die Elektrode 40 dem Abgas 24 direkt ausgesetzt ist. Die Elektrode 40 ist mit einem Eingang 46 der Schaltungsanordnung 32 verbunden, während die Elektrode 38 mit der Elektrode 16 verbunden ist und mit dieser gemeinsam am Eingang 34 der Schaltungsanordnung 32 geschaltet ist.

Der Meßfühler 10 umfaßt ferner eine Heizeinrichtung 49, die von einem sogenannten Heizmäander gebildet ist. Die Heizeinrichtung 49 ist mit einer Heiz spannung U_H beaufschlagbar.

Die Funktion des Meßfühlers 10 ist folgende:

Das Abgas 24 liegt über die Meßöffnung 26 und die Diffusionsbarriere 22 in dem Hohlraum 28 und somit an den Elektroden 16 der Nernst-Meßzelle 12 und der Elektrode 38 der Pumpzelle 14 an. Aufgrund der in dem zu messenden Abgas vorhandenen Sauerstoffkonzentra tion stellt sich ein Sauerstoffkonzentrationsunter schied zwischen der Elektrode 16 und der dem Re ferenzgas ausgesetzten Elektrode 18 ein. Über den An schluß 34 ist die Elektrode 16 mit einer Stromquelle der Schaltungsanordnung 32 verbunden, die einen konstanten Strom liefert. Aufgrund eines vorhandenen Sauerstoffkonzentrationsunterschiedes an den Elek troden 16 und 18 stellt sich eine bestimmte Detek tionsspannung U_D ein. Die Nernst-Meßzelle 12 arbeitet hierbei als Lambda-Sonde, die detektiert, ob in dem Abgas 24 eine hohe Sauerstoffkonzentration oder eine niedrige Sauerstoffkonzentration vorhanden ist. An hand der Sauerstoffkonzentration ist klar, ob es sich bei dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, mit dem die Verbren nungskraftmaschine betrieben wird, um ein fettes oder ein mageres Gemisch handelt. Bei einem Wechsel vom fetten in den mageren Bereich oder umgekehrt fällt die Detektionsspannung U_D ab beziehungsweise steigt an.

Mit Hilfe der Schaltungsanordnung 32 wird die Detek tionsspannung U_D zum Ermitteln einer Pumpspannung U_P eingesetzt, mit der die Pumpzelle 14 zwischen ihren Elektroden 38 beziehungsweise 40 beaufschlagt wird. Je nachdem, ob über die Detektionsspannung U_D signa lisiert wird, daß sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch im fetten oder mageren Bereich befindet, ist die Pump spannung U_P negativ oder positiv, so daß die Elek trode 40 entweder als Katode oder Anode geschaltet ist. Entsprechend stellt sich ein Pumpstrom I_P ein, der über eine Meßeinrichtung der Schaltungsanordnung 32 meßbar ist. Mit Hilfe des Pumpstromes I_P werden entweder Sauerstoffionen von der Elektrode 40 zur Elektrode 38 oder umgekehrt gepumpt. Der gemessene Pumpstrom I_P dient zur Ansteuerung einer Einrichtung zur Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird.

Im weiteren wird unterstellt, daß das Kraftstoff- Luft-Gemisch, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, über einen längeren Zeitraum in einem Magerbereich liegt. Hierdurch stellt sich ein ent sprechend hoher Sauerstoffgehalt in dem Abgas 24 ein, der über den Meßfühler 10 detektiert wird. Entspre chend dem hohen Sauerstoffgehalt liegt eine dement sprechende Detektionsspannung U_D über den Zeitraum des Magerbetriebes an. Die Schaltungsanordnung 32 umfaßt ein hier lediglich angedeutetes Zeitglied 50, mit dem die Detektionsspannung U_D abgetastet wird und festgestellt wird, über welchen Zeitraum diese welche Höhe aufweist. Das Zeitglied 50 stellt ein Signal 52 bereit, wenn die Detektionsspannung U_D über eine festlegbare Zeitspanne, die beispielsweise mehrere Minuten, Stunden oder dergleichen betragen kann, innerhalb eines bestimmten Wertebereiches liegt, der einem Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ent spricht. Während des Magerbetriebes der Verbren nungskraftmaschine fließt ein kathodischer Pumpstrom I_P. Durch diesen kathodischen Pumpstrom I_P werden Sauerstoffionen aus dem Hohlraum 28 über die Elek trode 38 gepumpt, so daß über einen längeren Zeitraum über den kathodischen Pumpstrom I_P weniger Sauer stoffionen aus dem Hohlraum 28 gepumpt werden, als durch das Abgas 24 über die Diffusionsbarriere 22 in den Hohlraum 28 gelangen. Durch den sinkenden Pump strom der Pumpzelle detektiert die Nernst-Meßzelle 12 ein fetter werdendes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Der Meßfühler 10 unterliegt somit einer sogenannten Fett drift. Ursache hierfür ist die fehlerhafte Detektion der Sauerstoffkonzentration im Hohlraum. Da sich die Verteilung des Pumpstroms auf die innere Pump- und Nernstelektrode 38, 16 mit der Zeit zu ungunsten der inneren Pumpelektrode verändert, entspricht die detektierte Nernstspannung U_D 16, 18 nicht mehr dem Konzentrationsverhältnis zwischen Hohlraum 28 und Referenz 30, sondern wird durch eine überlagerte Polarisationsspannung verfälscht. Sie wird scheinbar vergrößert. Dadurch regelt das System eine höhere Sauerstoffkonzentration als λ = 1 im Hohlraum ein.

Mittels des vom Zeitglied 50 generierten Signals 52 wird ein Schaltmittel 54 angesteuert, das impulsartig eine Umkehr des Pumpstromes I_P bewirkt. Das Schalt glied 54 schaltet somit den Pumpstrom I_P, obwohl die ser entsprechend der tatsächlichen Messung der Sauer stoffkonzentration im Abgas 24 als anodischer Strom fließt, kurzzeitig impulsmäßig in einen kathodischen Pumpstrom I_P um. Hierdurch werden entsprechend dieser impulsartigen Umschaltung Sauerstoffionen von der Elektrode 38 der Pumpzelle 14 zu der Elektrode 40 und somit aus dem Hohlraum 28 gepumpt. Eine Frequenz und eine Dauer der Impulse, mit der der Pumpstrom I_P kurzfristig umgepolt wird, ist abhängig vom Signal 52, das wiederum abhängig von der Detektionsspannung U_D ist. Somit ist es möglich, bei unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen im Abgas 24 und unter schiedlichem Zeitbereich, innerhalb dem die Detek tionsspannung U_D in einem bestimmten Wertebereich liegt, unterschiedliche Signale 52 bereitzustellen. Demnach kann die Frequenz und/oder die Impulslänge, mit der der Pumpstrom I_P umgekehrt wird, variabel ge staltet werden. Die Frequenz und die Impulslänge sind so abgestimmt, daß lediglich die Fettdrift des Meß fühlers 10 ausgeglichen wird.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, insbesondere bei einer gepumpten Referenz, kann vorgesehen sein, kurzzeitige Spannungsimpulse an die Nernst-Meßzelle 12 zu legen, die über der gemessenen Nernst-Spannung liegen und die gleiche Polarität aufweisen. Ent sprechend der dann der Nernst-Meßzelle aufgeprägten Detektionsspannung U_P stellt sich ein starker Transport von Sauerstoffionen aus dem Hohlraum 28 über die Elektrode 16 in den Referenzluftkanal 30 ein. Hierdurch wird ebenfalls die Polarisation an Elektroden 16 und 38 infolge eines sinkenden Gehalts an Sauerstoffionen in dem Hohlraum 38 während eines andauernden Magerbetriebes beseitigt. Da über die Diffusionsbarriere 22 die Sauerstoffionen im Abgas 24 nicht so schnell nachdiffundieren können, beziehungs weise über die Pumpzelle 14 in den Hohlraum 28 gepumpt werden, wie über die Elektrode 16 abgepumpt werden, kommt es zu einer die sogenannte Fettdrift ausgleichenden Aktivierung der Elektroden 16 bezie hungsweise 38. Der im Magerbetrieb vorliegende Pump zustand der Pumpzelle unterstützt die Aktivierung.

Insgesamt wird durch kurzzeitigen definierten Fett betrieb des Meßfühlers 10 die Fettdrift während eines anhaltenden Magerbetriebes eliminiert.

Claims

1. Verfahren zum Ansteuern eines Meßfühlers zum Be stimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gas gemisch, insbesondere in Abgasen von Verbrennungs kraftmaschinen, wobei eine der Sauerstoffkonzentra tion entsprechende, von einer Nernst-Meßzelle gelie ferte Detektionsspannung von einer Schaltungsanord nung in eine Pumpspannung für eine Pumpzelle trans feriert wird, und je nach Sauerstoffgehalt des Gas gemisches ein anodischer oder ein kathodischer Grenz strom über die Pumpzelle fließt, dadurch gekennzeich net, daß bei stabilem Betrieb des Meßfühlers (10), bei dem über eine wählbare Zeitspanne ein anodischer Grenzstrom fließt, die Pumpzelle (14) und/oder die Nernst-Meßzelle (12) mit wenigstens einem, unabhängig von der gemessenen Detektionsspannung (U_D) bezie hungsweise dem sich einstellenden Pumpstrom (I_P), bereitgestellten Spannungspuls derart beaufschlagt wird, daß eine Depolarisierung des Meßfühlers (10) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpspannung (U_P) impulsartig umgepolt wird, so daß sich kurzfristig ein kathodischer Grenzstrom einstellt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nernst-Meßzelle (12) impulsartig eine gegenüber der Detektionsspannung (U_D) höhere Spannung aufgeprägt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz und/oder eine Dauer der Impulse, mit denen die Pumpspannung (U_P) umgepolt und/oder die Detektionsspannung (U_D) erhöht wird, durch eine Dauer und/oder eine Inten sität des Magerbetriebes des Meßfühlers (10) bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dauer und/oder eine Intensität des Magerbetriebes durch eine Überwachung der Detektionsspannung (U_D), der Nernst-Meßzelle (12) und/oder eine Überwachung des Pumpstromes (I_P) der Pumpzelle (14) ermittelt wird.