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Die Erfindung betrifft eine Schaltung
für einen
NOx-Meßaufnehmer
gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines NOx-Meßaufnehmers,
der eine über eine
erste Diffusionsbarriere dem zu messenden Gas ausgesetzte erste
Meßzelle
und eine über
eine zweite Diffusionsbarriere mit dieser verbundene zweite Meßzelle aufweist.
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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 beispielsweise in der Veröffentlichung
N. Kato er al., "Thick Film
ZrO2 NOx Sensor for the Measurement of how NOx
Concentration",
Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 980170, 1989,
oder in N. Kato et al., "Performance
of Thick Film NOx Sensor an Diesel and Gasoline Engines".
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Society of Automotive Engineers,
Veröffentlichung
970858, 1997, beschrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen
auf und besteht aus einem sauerstoffionenleitenden Zirkoniumoxid.
Er verwirklicht folgendes Meßkonzept:
In einer ersten Meßzelle,
der das zu messende Gas über
eine Diffusionsbarriere zugeführt
wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine
erste Sauerstoftkonzentration 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 Zersetzung
von NOx an einer Meßelektrode
in der zweiten Meßzelle
führt zu
einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration
ist. Der gesamte NOx-Meßaufnehmer
wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur,
z. B. 750°C,
gebracht.
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Zum Einstellen der Sauerstoffionen-Pumpströme wird
in den jeweiligen Meßzellen
eine Nernstspannung abgegriffen. Die in der ersten Meßzelle abgegriffene
Nernstspannung wird als Führungsgröße für einen
Regler verwendet, der den ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom über eine
Stellspannung einstellt. Ein ähnlicher
Regler ist für
die zweite Meßzelle vorhanden,
um die zweite Sauerstoffkonzentration mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes einzustellen.
Jeder Regler ist im Falle analoger Schaltungen separat aufzubauen
bzw. auszulegen. Bei digital mittels eines Microcontrollers verwirklichten
Reglern benötigt
man für
jede Nernstspannung zwei A/D Ports am A/D-Wandler des Microcontrollers,
da die Spannung nur gegenüber
dem Bezugspotential des Microcontrollers gemessen werden kann.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Schaltung für
einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmer
bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Meßaufnehmers
anzugeben, bei dem weniger Regler erforderlich sind bzw. die Regelung
einfacher erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die in den
Ansprüchen
l und 7 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß wird auf die Messung der Nernstspannung
in der ersten Meßzelle
verrichtet und die Regelung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes
mit einem Sauerstoff- schlupf als Führungsgröße vorgenommen, der aus der
Regelabweichung des zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes in der zweiten
Meßzelle
bestimmt wird. Dadurch kann der Regler einfacher aufgebaut werden
bzw. am Microcontroller A/D Port eingespart werden, da das als Führungsgröße dienende,
den Sauerstoffschlupf anzeigende Signal direkt beim Einregeln des
zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms anfällt.
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Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß der
Regler für
den Sauerstoffionen-Pumpstrom in der ersten Meßzelle die Sauerstoffkonzentration
in der ersten Meßzelle
auf ein vorbestimmtes Maß einstellt.
Dieses vorbestimmte erste Maß wirkt
sich auf den Sauerstoffschlupf in die zweite Meßzelle aus. Somit kann ein
diesen Sauerstoffschlupf anzeigendes Signal ebenfalls als Führungsgröße zur Vorgabe
bzw. Regelung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes aus der ersten
Meßzelle heraus
verwendet werden. Die Messung der Nernstspannung in der ersten Zelle
kann entfallen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
Die Zeichnung zeigt:
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1 eine
Schemadarstellung eines erfindungsgemäß beschalteten NOx-Meßaufnehmers,
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2 eine
Schemadarstellung eines NOx-Meßaufnehmers
mit Beschaltung nach dem Stand der Technik,
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3 ein
Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, bei der ein NOx-Meßaufnehmer
Anwendung finden kann,
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4 ein
Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Stellspannungserzeugung
für eine
in der Beschaltung des Meßaufnehmers
nach 2 verwendeten spannungsgesteuerten
Stromquelle und
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5 einen
Schaltplan einer spannungsgesteuerten Stromquelle.
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In den 1 und 2 ist jeweils in Schnittdarstellung
ein NOx-Meßaufnehmer
1 schematisch gezeigt. 2 zeigt
dabei einen Meßaufnehmer
mit Beschaltung nach dem Stand der Technik. Dieser Meßaufnehmer
1 wird in der in 3 dargestellten
Vorrichtung als Meßaufnehmer
24 zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brennkraftmaschine
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 Betriebssteuergerät 25 der Brennkraftmaschine
20 zugeführt,
das ein Kraftstoffzuführsystem
21 der Brennkraftmaschine 20 so ansteuert, daß ein NOx-reduzierender Katalysator
28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Meßaufnehmers
24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftmaschine 20 liegt, optimales Betriebsverhalten
zeigt.
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Der aus einem Festkörperelektrolyten
2, in diesem Fall ZrO2 bestehende Meßaufnehmer
1 (vgl. 2) nimmt über eine
Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Konzentration bestimmt
werden soll. Das Abgas diffundiert durch die Diffusionsbariere 3
in eine erste Meßzelle
4. Der Sauerstoffgehalt in dieser Meßzelle wird durch Abgriff einer
Nernstspannung V0 zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft
ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Dabei ist die Referenzelektrode
11 in einem Luftkanakl 12 angeordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt. Der
gesamte Meßaufnehmer
1 wird durch einen Heizer 13 beheizt.
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Die Nernstspannung V0 wird von einem
Regler abgegriffen, der eine Treiberspannung VP0 stellt, welche
einen ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 durch den Festkörperelektrolyten
2 des Meßaufnehmers
1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt. Dabei
wird in der ersten Meßzelle
4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingeregelt, die über die
Nernstspannung V 1 zwischen der Elektrode 5 und der Referenzelektrode
11 gemessen wird. Die zur Regelung nötige Messung des ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms
erfolgt über einen
Meßwiderstand
ROM und ein Voltmeter VOM. Diese werden meist über einen A/D-Wandler mit einem
Innenwiderstand realisiert.
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Diese erste 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 Diffusionsbarriere
7 diffundiert das in der ersten Meßzelle 4 vorhandene Gas in
die zweite Meßzelle
B. In der zweiten Meßzelle
wird über
eine zweite Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration
eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der
Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung V 1 abgegriffen
und einem Regler zugeführt,
der eine zweite Treiberspannung VP1 bereitstellt, mit der ein Sauerstoffionen-Pumpstrom
IP1 aus der zweiten Meßzelle
8 heraus getrieben wird. Auch hier wird für die Regelung der zweite Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 über einen
Meßwiderstand
R1M und ein Voltmeter V1M erfaßt.
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Diese zweite Schaltkreisanordnung
treibt den Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 so, daß sich in der zweiten Meßzelle 8
eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration einstellt.
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Diese Sauerstoffkonzentration wird
dabei so gewählt,
daß NOx
von den ablaufenden Vorgängen nicht
betroffen ist, insbesondere keine Zersetzung stattfindet. Das NOx
wird nun an einer Meßelektrode 10
in der zweiten Meßzelle
8, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom
IP2 von der Meßelektrode
10 zur Außenelektrode
6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt 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. Er wird über einen Meßwiderstand
R2M und ein Voltmeter V2M ermittelt und wie die vorherigen Pumpströme von einer
Treiberspannung VP2 getrieben, die von einem Regler vorgegeben wird,
der eine Nernstspannung V2 zwischen der der Meßelektrode 10 und der Referenzelektrode
11 abgreift.
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Die Beschallung des NOx-Meßaufnehmers
1 ist soweit bekannt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird
stattdessen auf das Erfassen der ersten Nernstspannung V0 verzichtet
und die in l dargestellte Beschallung
verwendet. Dabei werden alle Pumpströme IP0, IP1 und IP2 von spannungsgesteuerten
Stromquellen UI0, UI1 und UI2 getrieben. Natürlich sind dem Fachmann auch
andere Beschallungen bekannt.
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Für
jede spannungsgesteuerte Stromquelle kann die in 5 dargestellte Schaltung verwendet werden. 5 zeigt beispielhaft die
erste Stromquelle UI0. Einem Operationsverstärker 35 ist an den invertierenden
Eingang über
einen Widerstand 36 die Stellspannung VS0 angelegt. Der invertierende
Eingang ist weiter über
einen Widerstand 37 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35
rückgekoppelt.
Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 35
ist über
einen Widerstand 38 mit Erde verbunden und über einen Widerstand 39 mit
dem Ausgag des Operationsverstärkers
35 rückgekoppelt.
Zwischen die Verknüpfungsknoten
des nichtinvertierenden Rückkopplungszweiges
und des invertierenden Rückkopplungszweiges
ist ein Widerstand 40 geschaltet. Am Ausgang 33 der spannungsgesteuerten
Stromquelle UP0 kann der Strom IP0 abgegriffen werden. Diese Schaltung
hat den Vorteil, daß der
Strom IP0 unabhängig
von der Impedanz des Lastwiderstandes, in diesem Fall des Pumpkreises, fest
durch die Stellspannung VS0 definiert ist. Die Messung des Stroms
IP0 ist nicht erforderlich, da VS0 und IP0 über folgende Gleichung miteinander verknüpft 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.
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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 zu
wählen
wie der einer Reihenschaltung aus den Widerständen 36 und 39.
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Durch die Verwendung von spannungsgesteuerten
Stromquellen kann die Messung der Pumpströme IP0, IP1 und IP2 entfallen,
da deren Stellspannung VS0, VS1 und VS2 wie beschrieben mit dem
Pumpstrom direkt verknüpft
ist. Die im Stand der Technik verwendeten Meßwiderstände ROM, R1M und R2M sowie
die dazugehörigen
Voltmeter VOM, V1M und V2M sind somit unnötig.
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Weiter entfällt auch die Messung der Nernstspannung
V0. Als Ersatz für
diese Regelung wird die Stellspannung VS0 der ersten spannungsgesteuerten
Stromquelle UI0 für
den ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 aus einem Signal des Reglers C1
gewonnen, der den zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 in der zweiten Meßzelle 8
einregelt. Dabei wird als Signal die Regelabweichung IP D des Reglers
C1 auf noch zu beschreibende Art und Weise verwendet.
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Die in der Schaltung der 1 verwendeten Regler C1,
C2 sind vorzugsweise Mikrocontroller bzw. ein einziger Mikrocontroller.
Die Stellspannungen VS0, VS1, VS2 können an Digital/Analog-Ports des
bzw. der Mikrocontroller ausgegeben werden. Vorzugsweise wird jedoch
die folgende, in 4 dargestellte,
Schaltung verwendet, um mit dem Mikrocontroller eine der Stellspannungen
VS0, VS1, VS2 zu erzeugen.
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In 4 ist
ein Mikrocontroller 30 dargestellt, der an einem Ausgangsport ein
pulsweitenmoduliertes Signal PW0 ausgibt. Dieses Signal PW0 wird
einer Transistorschaltung 31 zugeführt, der weiter eine Referenzspannungsquelle
UR aufgeschaltet ist. Die Transistorschaltung schaltet die Referenzspannungsquelle
UR entsprechend dem pulsweitenmodulierten Signal PW0 an einen Tiefpaß 32, der
aufgrund seiner Tiefpaßcigenschaften
daraus die analoge Stellspannung VS0 erzeugt, deren Höhe proportional zum
Tastverhältnis
des pulsweitenmodulierten Signals PW0 ist. Diese Stellspannung VS0
wird zur Ansteuerung der spannungsgesteuerten 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 Mikrocontroller 30 an
drei Ausgangsports die Signale PW0 bzw. PW1 und PW2 bereitstellen
kann. Natürlich
können
auch drei unabhängige
Mikrocontroller verwendet werden.
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Die Stellspannung VS0 wird vom Regler
C1 des ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes IP1 folgendermaßen bestimmt.
Für IP1
ist ein Sollwert IP1 S vorgegeben. Dieser Sauerstoffionen-Pumpstrom soll
diejenigen O2-Moleküle,
die aus der ersten Meßzelle
4 über
die Diffusionsbarriere 5 in die zweite Meßzelle 8 gelangten aus dieser
entfernen. Die Vorgabe des Sollwertes IP1 S entspricht somit einem vorgegebenen
Sauerstoffschlupf von der ersten Meßzelle 4 in die zweite Meßzelle 8.
Aus der Differenz zwischen dem Sollwert IP1_S und dem aktuellen
Wert des ersten Sauerstoffionen-Pumpstromes IP1, der aus der Stellspannung
VS1 über
den oben erwähnten
Zusammenhang zwischen Stellspannung und Sauerstoffionen-Pumpstrom
bekannt ist, wird die Regelabweichung IP1_D ermittelt. Die Stellspannung VS0
für die
erste spannungsgesteuerte Stromquelle UI0 wird nun so gewählt, daß IP1_D
verschwindet. Die vorbekannte Regelung auf einen bestimmten Wert
für die
Nernstspannung V0 in der ersten Meßzelle 4 wird nun durch eine
Regelung auf einen Sollwert IP1_S des zweiten Sauerstoffionen-Pumpstromes IP1 ersetzt.
Dadurch kann zum einen die Er fassung der Nernstspannung V0 selbst
entfallen, wodurch A/D Wandlerports bei Verwendung von Microcontrollern
30 entfallen. Zum anderen ist die Regelung einfacher darstellbar,
da kein separater Regelkreis mit eigenständigem Regler für den ersten
Sauerstoffionen-Pumpstrom IP0 aufgebaut werden muß.