DE2528914C2

DE2528914C2 - Einrichtung zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in Abgasen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2528914C2
Application number: DE2528914A
Authority: DE
Inventors: Lawrence R. Birmingham Mich. Foote
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1981-10-15
Also published as: JPS5125189A; DE2528914A1; GB1511032A; CA1035970A; JPS566504B2; GB1511031A; US3946198A

Description

a) eine elektronische Schalteinrichtung (54) zum Verbinden bzw. Trennen der Heizwicklung (52) mit bzw. von einer elektrischen Spannungsquelle (44),

b) einen elektronischer. Vergleicher (68) zum Vergleich des temperaturabhängige») Spannut .gsabfalls an der Heizwicklung (52) mit einer Be^ugsspannung und zum Ein- bzw. Abschalten der Schalteinrichtung (54) bei zu hoher bzw. zu niedriger Temperatur der Heizwicklung (52) und damit des Fühlers (24) und

c) einen elektronischen Zeitgeber (80, 82, 84, 86, 88, 90, 92) zum erneuten Ansteuern der elektronischen Schalteinrichtung (54) nach einem bestimmten Zeitintervall.

2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet ciaß die Heizwicklung (52) mit einem einstellbaren Widerstand i64) in Reihe geschaltet ist und das Potential an der Verbindungsstelle zwischen der Heizwicklung (52) und dem einstellbaren Widerstand (64) der einei. Eingangsklemme des elektronischen Vergleichers (68) zuführbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Heizwicklung (52) und dem einstellbaren Widerstand (64) ein aus zwei Ohmschen Widerständen (58, 60) bestehender Spannungsteiler geschaltet ist, der an der Verbindungsstelle (62) zwischen den Ohmschen Widerständen (58, 60) die Bezugsspannung als zweite Eingangsspannung für den elektronischen Vergleicher (68) liefert.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Zeitgeber ein RC-GYied (88, 90). einen Spannungsteiler (82, 84, 86) sowie einen Oszillatorverstärker (80) aufweist, der an seinen beiden Eingängen die Abgriffspannung des Spannungsteilers mit der Verbindungsspannung des /?C-Gliedes (88,90) vergleicht.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in Abgasen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit vom Sauer* stoffgehait ändernden Fühler aus keramischem Mate rial, einer mit diesem thermisch Verbundenen elektrischen Heizwicklung sowie Schallungsmitteln zur Konstanthaltung der Temperatur des Fühlers mit Hilfe der Heizwicklung.

Keramische Fühler, die elektrisch auf den Partialdruck des Sauerstoffgehalts in den beispielsweise von einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgasen ansprechen, sind bekannt. Derartige Fühler reagieren auf Änderungen im Partialdruck des Sauerstoffs in der Umgebung des Fühlers mit Änderungen des elektrischen Widerstands von beispielsweise keramischem Titan (Titandioxid). Derartige Fühler arbeiten bei erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von beispielsweise 600—900° C. Es sind auch andere keramische Fühlermaterialien mit sich in Aühängigkeit vom Sauerstoffgehalt ändernden elektrischen Widerstand bekannt. Da der Widerstand der keramischen Materialien außerdem von deren Temperatur abhängig ist, besteht die Notwendigkeit einer genauen Konstanthaltung der Fühlenemperatur, wenn mit Hilfe eines solchen Fühlers eine genaue Bestimmung des Sauerstoffgehalts vorgenommen werden soll.

Eine bekannte Einrichtung der eingangs genannten Art (DE-OS 22 54 465) benutzt eine Heizwicklung, die in das keramische Material eingebettet ist, sowie ein darin eingebettetes Thermoelement, das einen Steuerkreis zur Aufrechterhaltung eines ununterbrochenen elektrischen Stromflusses unterschiedlicher Größe durch die Heizwicklung dergestalt beeinflußt, daß die Temperatur

_·. des keramischen Materials konstant gehalten wird. Wenn diese Konstanthaltung beispielsweise bei einer Temperatur von 700° C mit einer Abweichung von ±2° C erfolgt. :-:ann der elektrische Widerstand des keramischen Fühlers unmittelbar für die Messung des

in Partialdrucks des Sauerstoffs in den Abgasen herangezogen werden, und es kann dadurch eine genaue Bestimmung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in dem die Abgase erzeugenden Gemisch erfolgen.

Die bekannte Einrichtung hat jedoch zwei wesentli-

r> ehe Nachteile: zum einen ist das eingebettete Thermoelement, wenn von ihm ein genaues Arbeiten innerhalb der geforderten Toleranzgrenzen verlangt wird, ein teures Element. Zum anderen erfordert die fortlaufende Regelung der Stromstärke in der Heizwicklung teure

•in elektronische und elekiromechnische Bauteile und ist mit einer fortgesetzten Vergeudung von elektrischer Energie behaftet, die in Regelwiderständen fern vom Fühler verbraucht wird und eine derartige Regelung unwirtschaftlich macht.

ί> Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sie ohne Thermoelement auskommt und keine größeren Mengen an elektrischer Energie fern vom keramischen Fühler, d h. also in anderen Komponenten als der Heizwicklung, vergeudet.

F.rfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch folgende Schaltungsmitlei:

a) durch eine elektronische Schalteinrichtung zum ή Verbinden bzw. Trennen der Heizwicklung mn bzw. von einer elektrischen Spannungsquelle.

b) einen elektronischen Vergleicher zum Vergleich des temperaturabhängigen Spannungsabfalls an der Heizwicklung mit einer Bezugsspannung und zum Ein- bzw Abschalten der Schalteinrichtung bei zu hoher bzw zu niedriger Temperatur der Heizwicklung Und damit des Fühlers und

c) einen elektronischen Zeitgeber zum erneuten Ansteuern der elektronischen Schalteinrichtung nach einem bestimmten Zeitintervall.

Die bei der Erfindung zur Anwendung gelangende impülsbreiten'Regelung ist als solche bekannt (»Halb-

leiter-Schallbeispiele« der Siemens Aktiengesellschaft, Ausgabe April 1969, Seite 50). Bei einem Gasdetektor zum Feststellen geringer Konzentrationen eines in einer Atmosphäre unerwünscht anwesenden Gases ist es ferner bereits bekannt (DE-OS 23 33 270), einen auf das Gas mit seinem Widerstandswert ansprechenden Katalysator als eines der vier Glieder einer Ohmschen Brückenschaltung zu verwenden und mit der Ungleichgewichtsspannung der Bnickenschaltung einen Rechenverstärker zu steuern, der die Betriebsspannung der Brückenschaltung regelt.

Die Erfindung verbindet demgebenüber die bekannte Impulsbreiten-Regelung mit der Messung des Widerstandes der Heizwicklung als Maßstab für deren Temperatur dergestalt, daß die Pulszeit durch die Zeitspanne bis zum Erreichen der gewünschten Meßtemperatur bestimmt wird, während die Pausenzeit mit Hilfe eines besonderen elektronischen Zeitgebers konstant gehalten wird. Durch entsprechende Bemessung der Pausenzeit läßt sich die Temperatur des keramischen Fühlers auf diesem Wege praktisch konstant halten und ohne nennenswerte Vergeudung von Energie in Vorwiderständen der Heizwicklung eine äußerst genaue Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den betroffenen Abgasen erzielen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. I in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einer durch Rückkopplung das Brennstoffluftgemisch in Abhängigkeit von den Abgasen steuernden Regeleinrichtung.

F i g. 2 in einem Blockschaltbild das hierzu ausgebildete Abgasüberwachungssystem.

F i g. 3 die elektronische Schaltung der Temperaturregelung für die Heizwicklung des Abgasfühlers.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Brennkraftmaschine bezeichnet Die Brennkraftmaschine 10 hat einen Ansaugkrümmer 12 und einen Abgaskrümmer 14. an den eine Abgasleitung 16 anschließt. Eine Brennstoffzumeßeinrichtung 18. die beispielsweise ein Einspritzsystem oder ein Vergaser sein kann, ist schematisch am Eintrittsende des Ansaugkrümmers 12 eingezeichnet. Die Brem stoffzunießeinnchtung 14, trägt einen Luftfilter 20 dergestalt, daß die von der Brennkraftmaschine 10 durch den Ansaugkrümmer 12 aus der Atmosphäre angesaugte Luft durch den Luftfilter 20 und durch wenigstens einen Teil ii:;r Brennstoffzumeßeinrichtung 18 strömt. Die Brennstoffzumeßeinrichtung 18 ist ferner mit einem Gemischregler 22 ausgerüstet. Der Gemischregler 22 kann beispielsweise im Fall eines elektronischen Brennstoffeinspritzsystems ein veränderlicher Widerstand sein, der so ausgebildet ist. daß er die Einspritzmenge an Brennstoff im Verhältnis zu einer gegebenen Luftmenge steuert, oder im Fall eines Vergasers eine veränderlich einstellbare Zumeßdüse sein, die so angeordnet ist. daß sie die der Maschine zugelührte Brennstoffmenge im Verhältnis zu einer gegebenen Luftmenge steuert. Der Gemischregler 22 kann alternativ auch so angeöfdnet sein, daß er ein veränderlich einstellbares Luftventil so steuert, daß die Menge an von der Maschine angesaugter Luft im Verhältnis zu einer bestimmten Brennstoffmenge durch die Brennstoffzumeßeinrichlung 18 moduliert wird.

Die Abgasleitung 16',mhält einen Abgasfühler 24, der

so in der Leitung 16 angeordnet ist, daß er ein auf die Zusammensetzung der Abgase innerhalb der Leitung 16 anspricht. Das gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiel einer solchen Einrichtung ist die ei.ies keramischen Abgasfühlers mit veränderlichem elektrischen Widerstand, der beispielsweise aus Titandioxid oder Kobaltmonoxid besteht. Eine elektronische Steuereinrichtung 26 steht mit dem Abgasfühler 24 über mehrere Meßleitungen 28, 30, 34 und eine Energiezufuhrleitung 32 für die Heizleistung in Verbindung. Die elektronische Steuereinrichtung 26 ist ferner über eine Leitung 36 an den Gemischregler 22 angeschlosser. Wie nachstehend beschrieben, spricht die elektronische Steuereinrichtung 26 auf Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Abgase an, wie sie von dem Abgasfühler 24 festgestellt werden und liefert ein Steuersignal für den Gemischregler 22, das entweder den Brennstoffgehalt oder den Luftgehalt des Brennstoffluftgemischs für die Brennkraftmaschine 10 zur Aufrechterhaltung der gewünschten Abgaszusammensetzung moduliert.

In F i g. 2 ist di^ elektronische Suaereinrichtung 26 in einem Blockschaltbild wiedergegebei.. Die elektronische Steuereinrichtung 26 besteht aus einem Fühlertemperaturregler 38, einem Fühlersignalerzeuger 40 und einem Modulatorsteuersignalerzeuger 42. Diese Einrichtungen werden von einer elektrischen Spannungsquelle versorgt, die beispielsweise die Fahrzeugbatterie 44 oder eine sonstige Spannungsquelle sein kann. Wie hier dargestellt, ist die Batterie 44 derart angeschlossen, daß ihre negative Klemme an Masse liegt, wie dies bei Kraftfahrzeugen derart üblich ist, indem das Chassis bzw. die Karosserie des Fahrzeugs die gemeinsame negative Masse bildet. Der Fühlertemperaturregler 38 ist mit dem Abgasfühler 24 über die Leitungen 28,30,32 verbunden, während der Fühlersignalerzeuger 40 mit dem Fühler 24 über die Leitung 34 in Verbindung steht. Das Signal vom Fühlersignalerzeuger 40 wird dem Modulatorstei'ersignalerzeuger 42 über eine Leitung 46 zugeführt.

Wie in F i g. 2 gezeigt, ist der Abgasfühler 24 mit einer Pl'tte 48 aus keramischem Fühlermaterial ausgestattet, die dem in der Abgasleitung 16 fließenden Abgasstrom unterworfen ist. Der Fühlertemperaturregler 38, der Fühlersignalerzeuger 40 und der Modulotorsteuersignalerzeuger 42 werden mit positiver Spannung von der Batterie 44 über eine positive Sammelleitung 50 versorgt.

In Fig 3 ist der Fühlertemperaturregler 38 in seinem elektronischen Aufbau wiedergegeben. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß widerstandsbehaftete keramische Abgasfühler einen Widerstandswert haben, der sich sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur als auch in Abhängigkeit vom Partialdruck des Sauerstoffgehalts innerhalb des den Fühler umgebenden Gases ändert, ist es erforderlich, den Fühler auf im wesentlichen konstanter Temperatur zu halten, so daß die Änderungen seines Widerstands nur den Partialdruck des Sauerstoffgehalts innerhalb der Abgase und somit die vollstfndige Zusammensetzung der Abgase anzeigen. Zu diesem Zweck ist in gewohnter Weise ein Heizelement in Form einer Heizwicklung in Unmittelbarer Nähe des Fühlerelements als solchem angeordnet, um ein bestimmtes Temperaturniveau zu schaffen und aufrechtzuerhalten, Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Heizwicklung 52 aus Widerstäridsdraht gezeigt. Der Schaltung nach F i g. 3 wird elektrische Energie Von der Sammelleitung 50 über einen Schalttransistor 54

zugeführt. Der Schalllfansislor 54 ist als PNP-Transistor dargestellt, dessen Emitter an die positive Leitung 56 angeschlossen sind. Von der gemeinsamen Leitung 56 geht ein erstir Spannungsteiler aus, der aus zwei Widerständen 58 und 60 mit einer gemeinsamen Verbindungsstelle 62 besteht. An die gemeinsame Leitung 56 ist außerdem ein zweiter Spannungsteiler angeschlossen, der aus einem veränderlichen Widerstand 64 und der Heizwicklung 52 besteht. Zwischen dem veränderlichen Widerstand 64 und der Heizwicklung 52 ist eine Verbindungsstelle 66 gebildet. Die Verbindungsstelle 62 ist an die negative Eingangsklemme eines Verstärkers oder Vergleichers 68 über einen Widerstand 70 angeschlossen Die Verbindungsstelle 66 ist an die positive Klemme des Verstärkers oder Vergleichers 68 über ein Paar fest eingestellter Trimmwiderstände 72, 74 und einen einstellbaren Trimmwiderstand 76 angeschlossen. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 68 ist mit der Basis des Schalttransistors 54 Ober eine üiodenschaltung 78 verbunden.

An die Diodenschaltung 78 ist ferner ein Oszillatorverstärker 80 mit seinem Ausgang angeschlossen. Die negative Eingangsklemme des Verstärkers 80 ist mit der Verbindungsstelle 83 eines Spannungsteilers verbunden, der aus den in Reihe liegenden Widerständen 82,84 und einem zwischen der Verbindungsstelle 83 und der gemeinsamen Leitung 56 liegenden Widerstand 86 besteht. Die positive Eingangsklemme des Verstärkers 80 ist an einen Belag eines Kondensators 88 und über einen Widerstand 90 an die gemeinsame Leitung 56 angeschlossen.

Weiterhin zeigt die Schaltung nach F i g. 3 verschiedene elektronische Schaltungskomponenten wie eine Zenerdiode 92 mit der Aufgabe, den Schalttransistor 54 einzuschalten, um Spannungsspitzen hindurchzulassen, und einen Kondensator 94 in Reihe mit einer Meldelampe 96, die zwischen der gemeinsamen Leitung 56 und Masse geschaltet sind, wobei die Meldelampe die Aufgabe hat anzuzeigen, daß die Schaltung in Betrieb ist. Daneben sind noch, ohne bezeichnet zu sein, andere Komponenten gezeigt, die sicherstellen, daß die Schaltung richtig ein- und ausgeschaltet wird und verschiedene Spannungsniveaus innerhalb der Schaltung keine solche Höhe erreichen, daß die empfindlichen elektronischen Bauteile der Schaltung beschädigt wurden.

Die Schaltung nach Fig. 3 sorgt für eine Regelung der Temperatur der Heizwicklung 5Z Die Heizwicklung, die beispielsweise aus Platindraht bestehen kann, hat einen hohen Temperaturkoeffizienten für den elektrischen Widerstand, der die temperaturabhängige Widerstandsänderung zu einer brauchbaren Regelgröße macht. Bei eingeschaltetem Schalttransistor 54 gelangt die volle Sammelleitungsspannung an die Reihenschaltung des einstellbaren Widerstandes 64 und der Heizwicklung 52. Der Schalttransistor 54 wird in seinem leitenden Zustand durch den Vergleicher 68 gehalten, der Strom durch die Basisleitung 546 des Transistors 54 abzieht Wenn der Stromfluß durch die Wicklung 52 anhält, steigt der Widerstand der Wicklung 52 mit zunehmender Temperatur und veranlaßt die Spannung an der Verbindungsstelle 66, gegenüber Masse anzusteigen. Wenn der Heizwicklungswiderstand auf einen Wert steigt, der dem eingestellten Wert entspricht, nämlich dem Wert, bei dem die Spannung an der 'Verbindungsstelle 66 gleich derjenigen an der Verbindungsstelle 62 ist, wird die Spannung an der positiven Eingangsklemme des Vergleichers 68 gleich der Spannung an dessen negativer Eingangsklemme, und die Spannung an der Ausgangsklemme des Verglcichers 68 steigt auf einen hohen Wert von angenähert der Größe der Spannung an der Sammelleitung 50. Dadurch kann kein Basisstrorh mehr von der Basisklcmme des Transistors 54 abfließen, und die Spannung an der gemeinsamen Leitung 56 wird auf den Masse^ oder Nullwert absinken. Die vom Spannungstei-

. ler 98, 100 erzeugte Spannung, die über die Diode 102 wirksam ist, wird die Vorspannung der positiven Eingahgsklemme des Vergleichers 68 ausreichend hoch halten, so daß der Schalttransistor 54 im nichtleitenden Zustand verbleibt.

Die Widerstände 82, 84 und 86 bilden einen Spannungsteiler für die negative Eingangsklemme des Oszillator-Verstärkers 80. Die abgegriffene Spannung im Punkt 83 kann beispielsweise 8 Volt betragen, 12VoIt zwischen der Sammelleitung 50 und Masse

.ι. anstehen und die gemeinsame Leitung 5ö über den Schalttransistor 54 ebenfalls auf einem Spannungsniveau von 12VoIt liegt. Wenn umgekehrt die gemeinsame Leitung 56 gegen Massepotential geht, wird die Spannung an der negativen Eingangsklemme

ι des Verstärkers 80 auf angenähert 4 Volt unter denselben Bedingungen absinken. Der Kondensator 88 in Verbindung mit den Widerständen 90 und 104 bildet ein RC-G\\cd derart, daß die positive Eingangsklemme des Verstärkers 80 auf einem Wert von etwa 10 Volt

: ι gehalten wird, der auf angenähert 4 Volt absinkt, wenn der Kondensator 88 über den Widerstand 90 geladen wird. Der Ausgang des Verstärkers 80 wird während dieses Zeitabschnitts hoch bleiben und erst dann auf einen niedrigen Wert umschalten, wenn die Spannung

8> an der positiven Eingangsklemme unter die 4 Volt absinkt, die an der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 80 anstehen. Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 80 auf den niedrigen Wert umgeschaltet ist. wird Basisstrom von der Basis 54b des Schalttransistors

4n 54 abgezogen, und der Schalttransistor 54 wird erneut wieder eingeschaltet. In diesem Zeitpunkt wird Strom von neuem durch den ersten und den zweiten Spannungsteiler fließen, und der Verstärker 68 wird die Spannung an der Verbindungsstelle mit der Spannung

i*, an der gemeinsamen Stelle 62 vergleichen. Unter der Voraussetzung, daß die Temperatur der Heizwicklung 52 von dem festgesetzten Wert abgefallen ist, wird der Vergleicher 68 ein niedriges Spannungssignal an seiner Ausgangsklemme führen, welches den Schalttransistor 54 in eingeschaltetem Zustand bis zu dem Zeitpunkt hält, in welchem die Temperatur auf den festgesetzten Wert wieder angestiegen ist.

Der Widerstand 64 ist hier als ein einstellbarer Widerstand gezeigt, da es erwünscht ist, das Größenverhältnis zwischen dem Widerstand 64 und der Heizwicklung 52 genau an das Größenverhältnis zwischen den Widerständen 58 und 60 zur Schaffung einer genauen Steuerung anzupassen. In einer Ausgestaltungsform kann der veränderliche Widerstand 64 ein Stück Mangandraht sein oder ein anderer Widerstand mit sehr geringem Temperaturkoeffizienten für seinen Widerstandswert Der Draht kann in einer elektrischen Isolierhülse eingebettet sein und gegenständlich als Teil des Kabels ausgebildet sein, das sich vom Fühlertemperaturregler 38 zum Abgasfühler 24 erstreckt Die Umgebungstemperatur der Heizwicklung 52 kann auf

•den gewünschten Wert eingestellt werden, und der Abgriff des veränderlichen Widerstands 64 kann unter

Verwendung eines Messingbeschlags verstellt werden. Die Größe des veränderlichen Widerstandes 64 kann eingestellt werden, während die Heizwicklung von einer geeigneten Spar.nungsquelle mit Energie versorgt wird. Die beiden Meldeleitungen 28, 30, die Von der Heizwicklung ausgehen, ermöglichen es der Steuereinrichtung, nur mit vernachlässigbafef Ternperaturabweichufig in Abhängigkeit vom Widerstandswert der Verschiedenen, sich zu der Heizwicklung 52 erstreckenden Leitungen anzusprechen; Dies is·* wichtig, da die Wicklungsleitungen einen Widerstandswert haben können, der in derselben Größenordnung wie der Widerstand der Heizwicklung selbst liegt. Der Spannungsabfall der Heizwicklung gegen Masse wird durch die Meldeleitung 28 eliminiert, die den Spannungsabfall

dieser Leitung aus der Brückenschaltung bringt. Der Spannungsabfall Zur Heizwicklung selbst wird durch den aus den Widerständen 72, 74 und 76 gebildeten Spannungsteiler kompensiert.

Es läßt sich somit erkennen, daß das Ausführungsbeispiel die ihm zugrundeliegenden Aufgaben ohne weiteres löst. Durch intermittierenden Betrieb der Heizwicklung 52 und durch Veränderung der Einschaltzeit der Wicklung im Verhältnis zu einer vorbestimmten festen Ausschaltzeit kann die Temperatur der Wicklung laufend geregelt werden. Ferner kann die volle Erregerspannung der Heizwicklung 52 dieser jederzeit zugeführt werden, wenn ein Erwärmen der Wicklung notwendig ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Bestimmen des Sauerstoffgehalis in Abgasen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt ändernden Fühler aus keramischem Material, einer mit diesem thermisch verbundenen elektrischen Heizwicklung sowie Schaltungsmitteln zur Konstanthaltung der Temperatur des Fühlers mit Hilfe der Heizwicklung, gekennzeichnet durch folgende Schaltungsmittel: