DE19907946C2

DE19907946C2 - Schaltung für einen NOx-Meßaufnehmer

Info

Publication number: DE19907946C2
Application number: DE19907946A
Authority: DE
Inventors: Tim Walde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: DE19907946A1; US6300754B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen NOx- Meßaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Gas, z. B. im Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dickschicht- Meßaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Meßaufnehmer ist bei spielsweise in der Veröffentlichung N. Kato et al., "Thick Film ZrO₂ NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concen tration", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 980170, 1989, oder in N. Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, be schrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen auf und besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Meßkonzept: In einer ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusionsbarriere zuge führt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen- Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zer setzung von NOx an einer Meßelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx- Konzentration ist. Der gesamte Meßaufnehmer wird dabei mit tels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z. B. 750°C, gebracht.

Um den das Maß für die NOx-Konzentration darstellenden drit ten Pumpstrom zu messen, wird dieser üblicherweise über einen Meßwiderstand geführt, und es wird die an diesem Widerstand abfallende Spannung abgegriffen und gemessen. Um die erfor derliche Genauigkeit zu erreichen, muß diese Messung relativ hoch aufgelöst erfolgen. Möchte man die üblicherweise für solche Meßaufgaben verwendeten Mikrocontroller einsetzen, zeigt sich, daß ein Analog/Digital-Wandler mit einer Auflö sung von 8 Bit dafür nicht ausreicht. Die Schwierigkeiten der Strommessung sind also im wesentlichen in der nötigen Auflö sung des Analog/Digital-Wandlers und im Meßfehler des Wand lers (Offset, Gain, etc.)zu sehen. Man muß deshalb teurere Mikrocontroller verwenden, von denen am Markt nur wenige Mo delle zur Verfügung stehen, so daß die Auswahl für die Pro duktion bzw. Auslegung hier eingeschränkt ist.

Aus der DE 198 27 469 A1 ist ein Gaskonzentrationsmessverfah ren und ein vorteilhafterweise bei dieser Messung verwendeter Verbundgassensor bekannt, der eine Pumpzelle, eine NOX- Sensorzelle und eine Sauerstoffsensorzelle aufweist. Die NOX- Sensorzelle ist mit einem ersten Strommessgerät und einer Konstantstromquelle verbunden, um die NOX-Konzentration eines Probengases zu messen. Die Pumpzelle ist mit einem zweiten Strommessgerät einer variablen Stromquelle verbunden, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases zu messen. Die Sauerstoffsensorzelle ist mit einem Spannungsmessgerät ver bunden. Ein Regler stellt die variable Stromquelle ein, so dass das Spannungsmessgerät einen konstanten Wert liefert.

In der EP 0 831 322 A2 ist ein Gassensor zum Bestimmen einer Menge einer bestimmten Komponente in einem Messgas durch Re duzieren oder Abbauen der Komponente mit gebundenem Sauer stoff im Messgas und zum Messen einer Sauerstoffmenge, die während der Reduktion oder des Abbaus erzeugt wird, beschrie ben. Der Gassensor umfasst einen ersten Innenraum zur Her stellung einer Verbindung mit einer Atmosphäre des Messgases über einen ersten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt, eine erste elektrochemische Pumpzelle, die den Trockenelektrolyten zur Ausbildung des ersten Innenraums und ein paar erster Pumpelektroden umfasst die in Kontakt mit diesem sind. Ferner weist der Gassensor einen zweiten Innenraum zur Herstellung einer Verbindung mit der Atmosphäre des Messgases über einen zweiten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt und eine zweite elektrochemische Pumpzelle auf zur Ausbildung des zweiten In nenraums und ein paar zweiter Pumpelektroden, die in Kontakt mit diesem sind. Zusätzlich ist eine dritte elektrochemische Pumpzelle zum Herauspumpen von Sauerstoff der durch die Re duktion oder dem Abbau der Komponente mit gebundenem Sauer stoff im Messgas erzeugt wird, das über einen dritten Diffusionsraten-Bestimmungsabschnitt eingeleitet wird, vor handen. Ein Stromdetektionsmittel detektiert einen Pumpstrom, der entsprechend dem Betrieb der dritten elektrochemischen Pumpzelle fließt.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schal tung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassen den Meßaufnehmer anzugeben, bei der die sich mit der Strom messung ergebenden Schwierigkeiten und Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird auf das Messen des Pumpstroms selbst gänzlich verzichtet. Stattdessen sieht die erfindungsgemäße Schaltung eine spannungsgesteuerte Stromquelle vor, die den fraglichen Pumpstrom treibt. Als Meßsignal wird dann nicht mehr der getriebene Strom, sondern die Stellspannung der spannungsgesteuerten Stromquelle erfaßt. Da diese Stellspan nung von einem Regler, beispielsweise einem Mikrocontroller direkt vorgegeben wird, muß sie nicht mehr gemessen werden, sondern wird vom Mikrocontroller definiert und ist diesem deshalb bekannt.

Die Verwendung der spannungsgesteuerten Stromquelle hat also mehrere Vorteile: so kann die in jeder Schaltkreisanordnung normalerweise erforderliche Messung des Pumpstromes über ei nen Meßwiderstand und geeigneten Spannungsabgriff entfallen.

Normalerweise müßte zur Messung eines jeden Pumpstromes ein Analog/Digital-Port an einem Mikrocontroller verwendet wer den. Weiter müßte dieser Analog/Digital-Port hohe Auflösung haben, um den Strom mit ausreichender Genauigkeit messen zu können. Dadurch, daß die Strommessung entfällt und an ihre Stelle die bekannte Stellspannung tritt, kann ein kostengün stiger, in vielen Modellen verfügbarer 8 Bit-Mikrocontroller verwendet werden.

Weiter entfallen etwaige Meßfehler bei der Bestimmung der Pumpströme.

Vorteilhafterweise werden alle Pumpströme, die zum Betrieb des NOx-Meßaufnehmers getrieben werden müssen, mit einer spannungsgesteuerten Stromquelle erzeugt, deren Stellspannung von einem Regler vorgegeben wird, so daß die Messung aller Ströme entfallen kann.

In einer vorteilhaften Ausbildung wird die Stellspannung mit einem Mikrocontroller aus einem pulsweitenmodulierten Signal erzeugt, das an einen Schalttransistor angelegt wird, welcher eine Referenzschaltung an einen Tiefpaß schaltet, der hieraus aus dem Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals eine proportionale Ausgangsspannung bereitstellt, welche als Stellspannung dient.

Schließlich ist der getriebene Pumpstrom unabhängig von der Impedanz des Pumpstromkreises und wird nur durch beispiels weise das bekannte und genaue Tastverhältnis des pulsweiten modulierten Signals des Mikrocontrollers bestimmt.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, bei der ein NOx-Meßaufnehmer mit erfindungsgemäßer Schaltung Anwendung finden kann,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen NOx- Meßaufnehmer mit schematisch dargestellter Schaltung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Stell spannungserzeugung, und

Fig. 4 einen Schaltplan einer spannungsgesteuerten Stromquel le.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen NOx-Meßaufnehmer 1 schematisch dargestellt. Dieser Meßaufnehmer 1 wird in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung als Meßaufnehmer 24 zur Be stimmung der NOx-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brenn kraftmaschine 20 verwendet. Dazu werden die Meßwerte des NOx- Meßaufnehmers 24 von einer Steuereinheit 23 ausgelesen, die mit dem NOx-Meßaufnehmer 24 verbunden ist, und dem Betriebs steuergerät 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt, das ein Kraftstoffzuführsystem 21 der Brennkraftmaschine 20 so an steuert, daß ein NOx-reduzierender Katalysator 28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Meßaufnehmers 24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftmaschine 20 liegt, optimales Betriebsverhal ten zeigt.

Der Meßaufnehmer 24, 1 ist in Fig. 2 detaillierter darge stellt. Die aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall ZrO₂ bestehende Meßaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusi onsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx- Konzentration bestimmt werden soll. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Meßzelle wird durch Abgriff einer Nernstspannung zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Da bei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 ange ordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt.

Die abgegriffene Nernstspannung wird einem als Regler C0 die nenden 8-Bit Mikrocontroller zugeführt, der auf noch zu er läuternde Weise eine Stellspannung VS0 bereitstellt. Diese steuert eine spannungsgesteuerte Stromquelle UI0 an, die ei nen ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 durch den Festkör perelektrolyten 2 des Meßaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei wird mittels der Stellspannung VS0 vom Regler C0 in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingere gelt. Diese wird über die Nernstspannung zwischen der Elek trode 5 und der Referenzelektrode 11 gemessen, so daß der Re gelkreis des Reglers C0 geschlossen ist.

Als spannungsgesteuerte Stromquelle kann die in Fig. 4 darge stellte Schaltung verwendet werden. Einem Operationsverstär ker 35 ist an den invertierenden Eingang über einen Wider stand 36 die Stellspannung VS0 angelegt. Der invertierende Eingang ist weiter über einen Widerstand 37 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 rückgekoppelt. Der nichtinver tierende Eingang des Operationsverstärkers 35 ist über einen Widerstand 38 mit Erde verbunden und über einen Widerstand 39 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 rückgekoppelt. Zwischen die Verknüpfungsknoten des nichtinvertierenden Rück kopplungszweiges und des invertierenden Rückkopplungszweiges ist ein Widerstand 40 geschaltet. Am Ausgang 33 der span nungsgesteuerten Stromquelle UP0 kann der Strom IP0 abgegrif fen werden. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß der Strom IP0 unabhängig von der Impedanz des Lastwiderstandes, in die sem Fall des Pumpkreises, fest durch die Stellspannung VS0 definiert ist. Die Messung des Stroms IP0 ist nicht erforder lich, da VS0 und IP0 über folgende Gleichung miteinander ver knüpft sind:

IP0 = VS0/R,

wenn R der Wert des Widerstandes 40 ist, und die Widerstände 36 mit 39 alle denselben Widerstandswert haben, der sehr viel größer ist als der Wert des Widerstandes 40.

Vertauscht man die Eingänge des Operationsverstärkers, muß der Wert des Widerstandes 40 sehr viel kleiner sein als der der Widerstände 36 mit 39. Die Widerstände 37 mit 39 haben dann den gleichen Wert und der Wert des Widerstandes 40 ist so groß wie der einer Reihenschaltung aus den Widerständen 36 und 39.

Anstelle der in Fig. 4 dargestellten spannungsgesteuerten Stromquelle für geerdete Verbraucher sind natürlich auch an dere Operationsverstärkerschaltungen oder andersartige, span nungsgesteuerte Stromquellen möglich.

Die beschriebene Schaltkreisanordnung stellt so in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein. Die zweite Meßzelle 8 ist mit der ersten Meßzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusi onsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Meßzelle 4 vor handene Gas in die zweite Meßzelle 8. In der zweiten Meßzelle wird über eine Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoff konzentration eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung abgegriffen und einem Regler C1 zugeführt, der auf noch zu beschreibende Weise eine zweite Stellspannung VS1 bereitstellt, mit der eine zweite spannungsgesteuerte Strom quelle UI1 angesteuert wird. Die Schaltkreisanordnung zum Treiben des Sauerstoffionen-Pumpstroms IP1 aus der zweiten Meßzelle 8 heraus entspricht somit der Schaltkreisanordnung für die erste Meßzelle 4. Dies gilt auch für die dort be schriebene spannungsgesteuerte Stromquelle: die spannungsge steuerte Stromquelle UI1 kann der spannungsgesteuerten Strom quelle UI0 entsprechen, z. B. gemäß Fig. 4 ausgebildet sein.

Die Schaltkreisanordnung treibt den Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 so, daß sich in der zweiten Meßzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt.

Diese Sauerstoffkonzentration wird dabei so gewählt, daß NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbeson dere keine Zersetzung stattfindet. Das NOx wird nun an der Meßelektrode 10, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 von der Meßelek trode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauer stoffgehalt in der Meßzelle 8 ausreichend abgesenkt ist, wird dieser Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen, die aus der Zersetzung von NOx an der Meßelektrode 10 stammen. Der Pumpstrom IP2 ist somit ein Maß für die NOx-Konzentration in der Meßzelle 8 und somit im zu messenden Abgas.

Dieser Pumpstrom IP2 wird wie die vorherigen Pumpströme von einer spannungsgesteuerten Stromquelle UI2 getrieben, deren Stellspannung VS2 von einem Regler C2 vorgegeben wird, der die Nernstspannung zwischen der der Meßelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgreift und durch Vorgabe der Stell spannung VS2 eine vorbestimmte Nernstspannung einregelt. An statt den das Maß für die NOx-Konzentration in der Meßzelle 8 darstellenden Pumpstrom IP2 zu messen, wird die Stellspannung VS2 als Meßsignal verwendet, da die Stellspannung VS2 wie be schrieben mit dem getriebenen Pumpstrom IP2 direkt verknüpft ist. Eine aufwendige Messung des Pumpstroms IP2 über einen Meßwiderstand und geeigneten Spannungsabgriff ist somit unnö tig.

Die in der Schaltung der Fig. 2 verwendeten Regler C0, C1, C2 sind vorzugsweise Mikrocontroller bzw. ein einziger Mikrocon troller. Die Stellspannungen VS0, VS1, VS2 können an Digi tal/Analog-Ports des bzw. der Mikrocontroller ausgegeben wer den. Vorzugsweise wird jedoch die folgende, in Fig. 3 darge stellte, Schaltung verwendet, um mit dem Mikrocontroller die Stellspannung zu erzeugen.

In Fig. 3 ist ein Mikrocontroller 30 dargestellt, der an ei nem Ausgangsport ein pulsweitenmoduliertes Signal PW0 aus gibt. Dieses Signal PW0 wird einer Transistorschaltung 31 zu geführt, der weiter eine Referenzspannung UR angelegt wird. Die Transistorschaltung schaltet die Referenzspannung ent sprechend dem pulsweitenmodulierten Signal PW0 an einen Tief paß 32, der aufgrund seiner Tiefpaßeigenschaften daraus die Stellspannung VS0 erzeugt, deren Höhe proportional zum Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals PW0 ist. Diese Stellspannung VS0 wird zur Ansteuerung der spannungsge steuerten Stromquelle UI0 verwendet, die an ihrem Ausgang 33 den Pumpstrom IP0 zur Verfügung stellt. Dieses Schema zur Erzeugung des Pumpstroms IP0 wird ebenso für die Erzeugung der Pumpströme IP1 und IP2 angewendet, wobei ein einziger Mi krocontroller 30 an drei Ausgangsports die Signale PW0 bzw. PW1 und PW2 bereitstellen kann. Natürlich können auch drei unabhängige Mikrocontroller verwendet werden.

Claims

1. Schaltung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmer (1), der aufweist eine dem zu mes senden Gas ausgesetzte Außenelektrode (6), eine erste Meßzel le (4), eine zweite Meßzelle (8), die mit der ersten Meßzelle (4) verbunden ist und in der eine Meßelektrode (10) angeord net ist, und eine Referenzelektrode (11), die der Umgebungs luft ausgesetzt ist, wobei die Meßzellen (4, 8) in einem Fest körperelektrolyten (2) liegen und alle Elektroden (10, 11) Kontakt zum Festkörperelektrolyten (2) haben, welche Schal tung aufweist:
eine erste Schaltkreisanordnung, die in der ersten Meß zelle (4) eine andere Sauerstoffkonzentration als im zu mes senden Gas einstellt,
eine zweite Schaltkreisanordnung, die in der zweiten Meßzelle (8) eine andere Sauerstoffkonzentration als in der ersten Meßzelle (4) einstellt,
eine dritte Schaltkreisanordnung, die aus NOx gebildete Sauerstoffionen in einen Pump-Strom (IP2) aus der zweiten Meßzelle (8) von der Meßelektrode (10) zur Außenelektrode (6) hin pumpt,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strom (IP2) von einer spannungsgesteuerten Stromquelle (UI2) getrieben wird, deren Stellspannung (VS2) von einem Regler (C2) erzeugt wird, der mit der Meßelektrode (10) und der Referenzelektrode (11) verbunden ist, die Nernstspannung dazwischen abgreift und die Stellspannung (VS2) so regelt, daß sich eine vorbestimmte Nernstspannung einstellt, wobei der Wert der Stellspannung(VS2) das Maß für den Strom (IP2) und mithin für die zu messende NOx-Konzentration ist.

2. Schaltung für einen Meßaufnehmer (1), der in der ersten Meßzelle (4) eine erste Elektrode (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Schaltkreisan ordnung eine spannungsgesteuerte Stromquelle (UI0) einen Pump-Strom (IP0) aus Sauerstoffionen von der ersten Elektrode (5) zur Außenelektrode (6) hin pumpt, daß die Stellspannung (VS0) der spannungsgesteuerten Stromquelle (UI0) von einem Regler (C0) erzeugt wird, der mit der ersten Elektrode (5) und der Referenzelektrode (11) verbunden ist, die Nernstspan nung dazwischen abgreift und die Stellspannung (VS0) so re gelt, daß sich eine vorbestimmte Nernstspannung einstellt, die ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der ersten Meßzelle (4) ist.

3. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche für einen Meßaufnehmer (1), der in der zweiten Meßzelle (8) eine zweite Elektrode (9) aufweist, dadurch gekennzeich net, daß in der zweiten Schaltkreisanordnung eine span nungsgesteuerte Stromquelle (UI1) einen Pump-Strom (IP1) aus Sauerstoffionen von der zweiten Elektrode (9) zur Außenelek trode (6) hin pumpt, daß die Stellspannung (VS1) der span nungsgesteuerten Stromquelle (UI1) von einem Regler (C1) er zeugt wird, der mit der zweiten Elektrode (9) und der Refe renzelektrode (11) verbunden ist, die Nernstspannung dazwi schen abgreift und die Stellspannung (VS1) so regelt, daß sich eine vorbestimmte Nernstspannung einstellt, die ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Meßzelle (8) darstellt, wobei der Regler (C2) die Sauerstoffkonzentration so einstellt, daß im wesentlichen keine Zersetzung von NOx stattfindet.

4. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Regler (C0, C1, C2) ein Mikrocontroller (30) ist, der ein pulsweitenmodu liertes Ausgangssignal (PW0, PW1, PW2) erzeugt, aus dem mit tels einer Referenzspannung (UR) und einer Transistorschal tung (31) mit nachgeschaltetem Tiefpaß (32) die Stellspannung (VS0, VS1, VS2) als dem Tastverhältnis des Ausgangssignales proportionale Gleichspannung erzeugt wird.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß als Regler (C0, C1, C2) ein Mikrocontroller verwendet wird, der die Stell spannung (VS0, VS1, VS2) an einem digital/analog gewandelten Ausgang liefert.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß der Mikrocontrol ler (30) ein 8-Bit Controller ist.

7. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die spannungsge steuerte Stromquelle (410, 411, 412) einen Operationsverstär ker (35) aufweist, dessen nicht-invertierender Eingang ei nerseits über einen Widerstand (38) auf Bezugspotential ge legt ist und andererseits über einen Widerstand (39) gleicher Größe zum Ausgang rückgekoppelt ist, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand (36) mit dem Spannungseingang der spannungsgesteuerten Stromquelle (UI0, UI1, UI2) verbun den ist und andererseits über einen Widerstand (37) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (35) rückgekoppelt ist, wo bei zwischen den Verbindungsknoten der Rückkopplung des in vertierenden Eingangs und des nichtinvertierenden Eingangs ein Widerstand (40) geschaltet ist, so daß er zwischen dem Stromausgang (33) der spannungsgesteuerten Stromquelle (UI0, UI1, UI2) und dem Ausgang des Operationsverstärkers (35) liegt.