DE2750478A1

DE2750478A1 - Einrichtung zur verwertung des ausgangssignals einer messonde mit einem ionenleitenden festelektrolyten

Info

Publication number: DE2750478A1
Application number: DE19772750478
Authority: DE
Inventors: Cornelius Dipl Ing Peter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-11-11
Filing date: 1977-11-11
Publication date: 1979-05-17
Also published as: GB1588667A; DE2750478C2; JPS6228860B2; JPS5476290A; FR2408835B1; FR2408835A1

Description

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Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Einrichtung gemäß der Gattung des Hauptanspruchs aus. Es ist bekannt, daß die Ausgangsspannung von Meßsonden mit einem Festelektrolyten und Elektroden aus porösem Platin, soweit diese Sonden zur Erfassung des 02-Gehalts von z.B. Abgasen einer Brennkraftmaschine dienen, bei einer Luftzahl von = 1 einen Potentialsprung aufweist und daß die Ausgangsspannung weiterhin stark temperaturabhängig ist.

Es sind aus diesem Grund verschiedene Einrichtungen vorgeschlagen worden, mit denen diese Ausgangsspannung in der Aufwärmphase der Meßsonde überwacht wird und bei denen erst, wenn ein verwertbares Sondenausgangssignal vorliegt, die Auswertung des Signals als Steuergröße erfolgt. Andere Einrichtungen ermöglichen die Anpassung der Bezugsspannung der Vergleichseinrichtung an das allgemeine Niveau der Sondenausgangsspannung und so die Bildung eines vom Temperaturgang nahezu unverfälschten Steuersignals. Der Anwendungsbereich der genannten Einrichtungen betrifft jedoch im wesentlichen die Erwärmungsphasen der Meßsonde.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die einwandfreie Funktion der Meßsonde auch im betriebswarmen Zustand überwacht werden kann und ein nach längerer Betriebszeit erst auftretendes Fehlverhalten erfaßt werden kann. Es wird auf diese Weise gewährleistet, daß mit Hilfe des erfindungsgemäß kontrollierten Ausgangssignals der Meßsonde eine sehr genaue und auch auf längere Zeit zuverlässige Regelung erzielt werden kann.

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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Sondenausgangsspannung korrigierbar und insbesondere die gesamte Sondenkennlinie verschiebbar ist. Dabei wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Strom in die Meßsonde gegeben oder aus der Meßsonde gezogen. In weiterhin besonders vorteilhafter Weise wird der Strom durch eine Vergleichseinrichtung gesteuert, wobei als Vergleichseinrichtung eine zwischen eine Referenzspannung und der Sondenausgangsspannung geschaltete Diode dient.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 den beispielhaften Verlauf eines Sauerstoffmeßsonden-Ausgangssignals im Neuzustand und nach einiger Betriebszeit, Figur 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und Figur 3 ein zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Erfindung

Zur genauesten Regelung des Verhältnisses von Kraftstoff zu Luft des in die Brennräume einer Brennkraftmaschine eingegebenen Betriebsgemisches wird bekannter Weise eine Sauerstoffmeßsonde verwendet, die in das Abgassystem der Brennkraftmaschine eingesetzt ist und ein Steuersignal für die Kraftstoff-Luftverhältnis-Regeleinrichtung abgibt.

Solche Meßsonden arbeiten nach dem Prinzip der Ionenleitung durch einen Festelektrolyten aufgrund einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz des gemessenen Mediums gegenüber einem Bezugsmedium. Der Festelektrolyt hat dabei die Form eines Röhrchens,

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das mit porösem Platin beschichtet ist, das dem Abgas ausgesetzt ist und als Kontaktierung dient. Beim Übergang von Sauerstoffmangel zu SauerstoffÜberschuß im Abgas, was bei einer Luftzahl von = 1 des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches erfolgt, weist die Sondenausgangsspannung einen Spannungssprung auf. Die Kennlinie des Sondenausgangssignals folgt dabei im wesentlichen Nernst'sehen Gleichung E = RT/K'ln (P1/P2). Dabei ist E die Ausgangsspannung in mV, R eine thermodynamische Konstante, T die absolute Temperatur, K ein Wirksamkeitsfaktor, Pl der Partialdruck des Sauerstoffs des Bezugssystems und P2 der Partialdruck des Sauerstoffs im gemessenen Medium, d.h. im Abgas. Aus dieser Gleichung ist die Temperaturabhängigkeit der Sondenausgangsspannung zu erkennen. Die Ausgangsspannung kann dabei z.B. im betriebswarmen Zustand gemäß dem Kennlinienverlauf nach Figur 1 unter 100 mV bei kraftstoffarmem Gemisch und über 900 mV bei kraftstoffreichem Gemisch liegen.

Im kalten Zustand der Sauerstoffsonde ist der Innenwiderstand extrem groß und es läßt sich für eine Regelung kein ausreichendes Spannungssignal, insbesondere auch kein deutlicher Spannungssprung mehr erzielen. Da zur Einhaltung der Emissionsgrenzen beim Betrieb von Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen es wichtig ist, die Betriebsgemischzusammensetzung in allen Betriebsbereichen in einem Bezug auf die Bildung von Schadstoffen im Abgas optimalen Bereich zu halten, ist das Interesse an einer genauen Regelung, die in allen Betriebsbereichen jederzeit arbeitsfähig ist, sehr groß. Für eine solche Regelung hat sich eine Sauerstoffsonde der beschriebenen bekannten Bauart als am günstigsten erwiesen. Um den Nachteil in der Aufwärmphase der Sauerstoffmeßsonde möglichst gering zu halten und die Sauerstoffsonde möglichst frühzeitig auch vor Erreichen der Betriebstemperatur von Sauerstoffsonden und Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen zu lassen, wurden eine Reihe von überwachungs- und Anpassungseinrichtungen entwikkelt.

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Neben obengenanntem Nachteil unterliegt jedoch das Ausgangssignal der Sauerstoffraeßsonde auch im betriebswarmen Zustand noch verschiedenen Einflüssen, die auf die Alterung der Sonde zurückzuführen sind. Durch eine solche Alterung kann sich z.B. der verwertbare Spannungssprung des Sondenausgangssignals verringern, was unter anderem auf eine Verschmutzung und nachlassende Wirkung der porösen Platinbeschichtung zurückzuführen ist. Es hat sich ferner gezeigt, daß das Ausgangssignal nach einiger Betriebszeit der Sauerstoffmeßsonde einem Drift unterliegt. Bei der beschriebenen Sauerstoffmeßsonde verschiebt sich das gesamte Potential der Sondenkennlinie in Richtung negativer Werte. Dies ist durch die gestrichelte Linie in Figur 1 zu entnehmen.

Da in der Regel der Sondensprung der Sauerstoffmeßsonde bei einer Luftzahl von = 1 durch einen Schwellwertschalter erfaßt wird, dessen Schwellwertspannung im mittleren Bereich des fSpannungssprungs liegt, kann es durch diesen Drift zu einer fehlerhaften Steuersignalbildung am Ausgang des Schwellwertschalters kommen, je nachdem wie stark der Kennliniendrift ist. Auf diese Weise kann die dieses Steuersignal verarbeitende Regelung nicht mehr genau arbeiten oder sogar völlig ausfallen.

In Figur 2 ist vereinfacht ein Schaltungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung einer überwachungseinrichtung der Sondenausgangsspannung dargestellt. Für die Sauerstoffmeßsonde der oben beschriebenen Art ist ein Ersatzschaltbild aus einer Spannungsquelle 1 mit der Spannung U_ und einem Innenwiderstand der Sonde R^ wiedergegeben. Die eine Elektrode der Sauerstoffsonde ist mit der negativen Versorgungsleitung und die andere Elektrode mit dem invertierenden Eingang eines als Schwellwertschalter geschalteten Operationsverstärkers 3 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang erhält über den Spannungsteiler aus den Widerständen 4 und 5 eine stabilisierte Bezugsspannung, die die Schaltschwelle bestimmt. Je nachdem, ob das Sondenausgangssignal ober- oder unterhalb der

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Schaltschwelle liegt, tritt am Ausgang des Operationsverstärkers ein Steuersignal mit niedrigem oder hohem Spannungsniveau auf, das von einer nachgeschalteten Regeleinrichtung 7 zu einem Stellsignal für ein dieser Regeleinrichtung nachgeschaltete Kraftstoff/Luftverhältnis-Steuereinrichtung 8 verarbeitet wird. Dementsprechend wird das der Brennkraftmaschine 11 zugeführte Kraftstoff-Luftgemisch beeinflußt.

An den Ausgang der Sauerstoffmeßsonde ist ferner ein spannungsabhängiger Widerstand in Form einer Diode lH gelegt. Die Anode der Diode 14 liegt an einer Referenzspannungsquelle 15· Es handelt sich dabei ebenfalls um eine stabiliserte Spannung.

Das Niveau der Spannungsquelle 15 ist so ausgelegt, daß unter Berücksichtigung der Durchlaßspannung der Diode lH sich an deren Kathode eine Spannung einstellt, die gleich der niedrigsten zu überwachenden Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde ist. Sinkt die Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde unter dieser niedrigsten Wert infolge eines Kennliniendrifts, so wird über die Diode entsprechend der Abweichung ein Strom in die Sauerstoffsonde eingespeist, was zur Folge hat, daß die Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde wieder auf den ursprünglichen Wert gebracht wird. Das gilt für die gesamte Kennlinie.

Statt der Diode können natürlich auch andere spannungsgeregelte Widerstände oder Halbleiter verwendet werden. Diese Elemente dienen dabei als Vergleichseinrichtungen, die das Absinken der Sondenausgangsspannung erfassen und entsprechend der Abweichung einen Strom in die Sonde geben. Umgekehrt läßt sich ein auf zu hohem Potential liegende Kennlinie durch Entnahme eines Stromes aus der SauerStoffmeßsonde absenken. Dabei ist die Referenzspannungsquelle entsprechend um die Diodendurchlaßspannung tiefer zu halten, als der höchste gewünschte Spannungswert am Sondenausgang. Bei Erhöhung der Ausgangsspannung wird dann z.B. über eine in umgekehrter Richtung gepolte Diode, als wie beim Ausfühungsbeispiel nach Figur 2 ein Strom

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der Sonde entsprechend der Abweichung vom gewünschten Maximal spa nnungs wert entnommen. Dadurch wird die Sondenausgangsspannung bzw. die gesamte Kennlinie wieder auf den gewünschten ursprünglichen Wert gebracht. Mit der beschriebenen Einrichtung läßt sich die Sondenausgangsspannung in idealer Weise überwachen und innerhalb gewünschter Grenzen halten.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 stellt eine weitere Verbesserung der Schaltung dar, wobei die Temperaturabhängigkeit der Diode I¹J kompensiert wird. Auch hier stellt die Spannungsquelle 1 und der Widerstand R. das Ersatzschaltbild für eine Sauerstoffsonde dar, die einerseits an der negativen Versorgungsleitung liegt und andererseits mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden ist. Diesem ist die Regeleinrichtung 7 nachgeschaltet, die Einstellsignale für die Kraftstoff/Luft-Verhältnissteuereinrichtung erzeugt. Von dort aus wird die Zufuhr von Kraftstoff und Luft für die Brennkraftmaschine 11 gesteuert. Der nichtinvertierende Eingang liegt am Mittelabgriff eines Spannungsteilers aus den Widerständen M und 5> der zwischen der negativen und der positiven Versorgungsleitung liegt. Zur Stabilisierung ist parallel dazu eine Zenerdiode 17 geschaltet. Ebenfalls von der damit stabilisierten Spannung wird ein Spannungsteiler aus den Widerständen 18 und 19 gespeist zwischen dessen Mittelabgriff 20 und dem Ausgang der Sauerstoffmeßsonde in Stromflußrichtung zur Sauerstoffmeßsonde die Diode 14 geschaltet ist. Zwischen dem Mittelabgriff 20 und der negativen Versorgungsleitung ist ferner in Stromflußrichtung eine Kompensationsdiode 21 eingesetzt, wodurch gewährleistet wird, daß der Temperaturgang der Diodendurchlaßspannung an der Diode 1Ί ausgeglichen ist.

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Claims

275Ü478

R. 42 2 3

8.11.1977 Bö/Kö

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Ansprüche

1.) Einrichtung zur Verwertung des Ausgangssignals einer Meßsonde mit einem ionenleitenden Festelektrolyten mit Hilfe einer Einrichtung zum Vergleich des Sondenausgangssignals mit einer im wesentlichen konstanten Bezugsspannung und Erzeugung eines dem Vergleichsergebnis entsprechenden Steuersignals, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Überwachung wenigstens einer sich bei längerer Betriebszeit ändernden, für einen Betriebspunkt charakteristischen Spannung des Sondenausgangssignals vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung das Ausgangssignal der betriebswarmen Meßsonde überwacht.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Einrichtung die Abweichung der überwachten Spannung des Sondenausgangssignals korrigierbar ist, insbesondere die Sondenkennlinie verschiebbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Sor^^auseangsspannung durch die Einrichtung ein

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Strom steuerbar ist, der in die Meßsonde eingegeben wird.

5· Einrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Sondenausgangsspannung durch die Einrichtung ein Strom steuerbar ist, der aus der Meßsonde gezogen wird.

6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche H oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Stromes der fehlerhaften Abweichung der überwachten Spannung von der gewünschten einzuhaltenden Spannung entspricht.

7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche ¹J bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Sondenausgangsspannung mit einer festen Referenzspannung aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung ein zwischen der Referenzspannung und der Sondenausgang geschalteter spannungsabhängiger Widerstand (14) ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichseinrichtung eine zwischen Referenzspannung und Sondenausgang geschaltete Diode dient.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung um die Diodendurchlaßspannung von der gewünschten überwachten Spannung abweicht.

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l4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsschaltung für die Temperaturabhängigkeit der Vergleichseinrichtung vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß gleichsinnig zur Durchlaßrichtung der Diode (14) eine Kompensationsdiode (21) zwischen die Referenzspannungsquelle und einer Spannung von mit der gewünschten überwachten Spannung vergleichbarem Spannungsniveau gelegt ist.

13· Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde eine Sauerstoffmeßsonde ist, die den Abgasen einer Brennkraftmaschine ausgesetzt ist.

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