DE4344961A1

DE4344961A1 - Auswertevorrichtung für das Signal einer Sauerstoffsonde

Info

Publication number: DE4344961A1
Application number: DE4344961A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Chem Hoetzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-12-30
Filing date: 1993-12-30
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2013-12-31
Also published as: FR2714729A1; US5524472A; JPH07209245A; GB2285314B; JP3639626B2; DE4344961B4; GB9425832D0; FR2714729B1; GB2285314A

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswertevorrichtung für das Sondensignal einer amperometrischen Sauerstoffsonde, die in der Strömung des Abgases aus einem Verbrennungsmotor ange ordnet ist.

Stand der Technik

Die Funktion einer Grenzstrom-Sauerstoffsonde, im folgenden der Kürze halber als Sauerstoffsonde bezeichnet, sei über sichtsmäßig anhand der beigefügten Fig. 5 für die Messung des Sauerstoffgehalts magerer Gemische erläutert. Es ist der Pumpstrom ip über der Pumpspannung Up bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur aufgetragen. Diese Betriebstemperatur kann z. B. 850°C sein, bei einem Ohmschen Innenwiderstand der Sonde von 100 Ω. Sobald die Pumpspannung an die Sonde ange legt ist, werden O₂-Moleküle, die sich in dem in einen Diffusionsraum der Zelle eingedrungenen Abgas befinden, zu O^2--Ionen reduziert, die durch das an das Sondenmaterial angelegte elektrische Feld durch dieses hindurch aus dem Diffusionsraum herausgepumpt werden. Bei kleinen Pumpspan nungen ist der Strom nur durch den Ohmschen Widerstand begrenzt, weswegen die ip-Up-Charakteristik zunächst linear verläuft. Wenn sich jedoch im Abgas nur sehr wenig O₂-Mole küle befinden, tritt schon bei relativ geringen Pumpspannun gen eine Sättigung des Pumpstroms ein. Dieser Fall ist in Fig. 5 durch die am tiefsten liegende durchgezogene Linie angedeutet. Je höher das Sättigungsniveau liegt, desto mage rer ist das Gemisch.

Beim tatsächlichen Einsatz einer solchen Sonde im Strom des Abgases aus einem Verbrennungsmotor wird die Pumpspannung typischerweise fest mit einem so großen Wert vorgegeben, daß sich der Pumpstrom im Sättigungsbereich befindet. Dadurch ist dieser Strom ein unmittelbares Maß für den Sauerstoff gehalt des in den Diffusionsraum der Sonde eindringenden Abgases. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, daß auch Meßverfahren existieren, die die Pumpspannung abhängig vom Sauerstoffgehalt variieren, nämlich eine um so kleinere Pumpspannung verwenden, je weniger Sauerstoff vorhanden ist. Aus Fig. 5 ist unmittelbar erkennbar, daß tatsächlich für kleinere Sauerstoffgehalte kleinere Pumpspannungen verwendet werden können, aber immer noch die Bedingung erfüllt ist, daß im Sättigungsbereich der Charakteristik gemessen wird. Für die Erfindung ist es unerheblich, ob die Pumpspannung konstant gehalten oder abhängig vom Sauerstoffgehalt vari iert wird, weswegen diesbezüglich auf keine Details einge gangen wird.

Die in Fig. 5 mit durchgezogenen Linien dargestellten Cha rakteristiken mögen für eine Sonde im Neuzustand gelten. Mit zunehmender Alterung einer Sonde erhöht sich jedoch deren Innenwiderstand. Für eine übersichtliche Darstellung in Fig. 5 ist angenommen, daß der Innenwiderstand nach langer Be triebsdauer nur noch die Hälfte des Anfangsinnenwiderstands sei, jeweils bei derselben Temperatur. Wie in Fig. 5 gestri chelt eingezeichnet, wird dann der Pumpstrom sehr stark vom Ohmschen Widerstand begrenzt, und er erreicht bei sehr mage rem Gemisch bei der in der praktischen Anwendung angelegten Pumpspannung, die in Fig. 5 durch eine vertikale Linie gekennzeichnet ist, noch nicht seinen Sättigungswert. Es wird also nicht der durch die aktuelle Sauerstoffkonzentra tion bestimmte Grenzstrom gemessen, sondern ein niedrigerer Strom, was bedeutet, daß die Sauerstoffkonzentration falsch gemessen wird. Um dies zu verhindern, wird die Sonde auf konstanten Innenwiderstand der elektrochemischen Zelle gere gelt. Dadurch bleibt die Steigung der beschriebenen Charak teristik auch bei Alterung der Sonde erhalten, jedoch steigt die Sondentemperatur mit zunehmendem Sondenalter an.

Außer vom Innenwiderstand hängt die Größe des Ausgangssi gnals einer Sonde aber noch stark von der Temperatur ab, da sich die Diffusionsverhältnisse stark mit der Temperatur ändern. Um temperaturbedingte Meßfehler auszuschließen, ist es bekannt (siehe z. B. das US-Patent 4,708,777), über eine Messung des Innenwiderstands des Heizers der Sonde auf konstante Sondentemperatur zu regeln oder die Sondentempera tur zu messen und das die Sauerstoffkonzentration anzeigende Meßsignal der Sonde mit Hilfe der gemessenen Temperatur zu korrigieren (siehe hierzu z. B. das Dokument DE-C- 38 40 248).

Das bisher Gesagte trifft im wesentlichen auch für Zwei zellen-Sauerstoffsonden zu, bei denen über eine Pumpzelle O^2--Ionen aus einem Diffusionsraum heraus oder in diesen hineingepumpt werden, um mageres bzw. fettes Gemisch messen zu können. Das Pumpen erfolgt so, daß eine zweite Zelle, die Sensorzelle, stets eine vorgegebene konstante Spannung zeigt. Auch eine solche Sonde zeigt bei Alterung eine Erhö hung des Innenwiderstands mit der Gefahr, daß die zur Verfü gung stehende Pumpspannung nicht mehr dazu ausreicht, den gesamten eigentlich erforderlichen O^2--Transport durchzu führen. Bei Regelung auf konstanten Innenwiderstand läßt sich diese Schwierigkeit umgehen, jedoch entsteht dann auch hier das oben genannte Problem der Fehlmessung durch Tempe raturerhöhung.

Zu amperometrischen Sauerstoffsonden, auf die die Anmeldung gerichtet ist, gehören Einzellen- und Zweizellen-Sauerstoff sonden mit den vorstehend beschriebenen Funktionen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Auswertevor richtung für das Sondensignal einer beheizten amperometri schen Sauerstoffsonde, die in der Strömung des Abgases aus einem Verbrennungsmotor angeordnet ist, anzugeben, die alterungsbedingte Meßfehler des Sondensignals kompensieren kann, damit auch eine gealterte Sonde noch weiterverwendet werden kann, ohne daß es zu einer Erhöhung des Schadgasaus stoßes kommt.

Die erfindungsgemäße Auswertevorrichtung ist durch die Lehre von Anspruch 1 gegeben. Sie zeichnet sich insbesondere da durch aus, daß sie immer wieder Neukalibriermessungen bei einem vorgegebenen Betriebszustand des Verbrennungsmotors ausführt, um alterungsbedingte Änderungen des Sondensignals mit Hilfe eines Korrekturwertes kompensieren zu können. Be sonders wichtig hierbei ist, daß immer auf einen konstanten Innenwiderstand der Sonde (nicht des Heizers) geregelt wird und die Heizerspannung, die hierfür beim genannten, vorgege benen Betriebszustand erforderlich ist, als Maß für den Alterungszustand der Sonde verwendet wird. Diese Vorgehens weise führt dazu, daß mit zunehmender Alterung der Sonde dieselbe immer stärker beheizt wird, um nämlich ihren Innen widerstand konstant halten zu können, was einerseits zur Folge hat, daß das Meßsignal nicht durch eine Änderung des Innenwiderstands verfälscht wird, jedoch andererseits die Folge hat, daß das Meßsignal einen temperaturbedingten Feh ler erleidet. Jedoch ist der temperaturbedingte Fehler sehr genau aus der Änderung der Heizerspannung ableitbar, so daß dieser Fehler sehr einfach kompensiert werden kann, ohne daß hierzu ein Temperatursensor erforderlich wäre.

Zeichnung

Fig. 1: Blockfunktionsbild einer Auswertevorrichtung mit Alterungskompensation für das Sondensignal einer beheizten Grenzstrom-Sauerstoffsonde; Fig. 2: Flußdiagramm zum Erläu tern des von der Auswertevorrichtung gemäß Fig. 1 ausgeführ ten Vorgangs zur Ermittlung einer den Neuzustand einer Sonde anzeigenden Werts; Fig. 3: Flußdiagramm zum Erläutern eines den Alterungszustand einer Sonde erfassenden Vorgangs; Fig. 4: Flußdiagramm zum Erläutern eines Vorgangs zum Korrigieren des Meßsignals einer Sonde unter Verwendung der mit den Ab läufen gemäß den Fig. 2 und 3 erfaßten Werte; und Fig. 5: bekanntes Pumpstrom/Pumpspannungs-Diagramm für eine Grenz strom-Sauerstoffsonde.

Fig. 1 zeigt eine Auswertevorrichtung 10 für das Sondensi gnal einer beheizten Grenzstrom-Sauerstoffsonde 11, die im Abgasrohr 12 eines Verbrennungsmotors 13 angeordnet ist. Im Saugrohr 14 des Motors befindet sich eine Drosselklappe 15, an der durch eine Lastsignal-Erfassungseinrichtung 16 ein Lastsignal L abgegriffen wird. Ein Drehzahlsensor 17 am Mo tor liefert ein Drehzahlsignal n.

Die Sonde 11 ist nur schematisch dargestellt, mit einer Heizereinrichtung 18 sowie zwei Meßelektroden 19.1 und 19.2, an die die oben genannte Pumpspannung Up angelegt wird und über die der Pumpstrom ip fließt. Das von der Sonde 11 aus gegebene, nicht alterungskorrigierte Sondensignal ist mit S_N bezeichnet.

Die Auswerteschaltung 10 gemäß Fig. 1 verfügt über eine In nenwiderstand-Meßeinrichtung 20, eine Heizerspannung-Rege lungseinrichtung 21, eine Kompensationseinrichtung 22 und eine Korrektureinrichtung 23 in Form eines Multiplizierers. Die Kompensationseinrichtung 22 ihrerseits ist aus einem Neuzustandswert-Speicher 24, einem Subtrahierer 25, einer Kennlinie 26 und einem Korrekturwert-Speicher 27 aufgebaut.

Die Innenwiderstand-Meßeinrichtung 20 mißt den Innenwider stand Rs der Sonde 11 dadurch, daß sie eine Wechselspannung im Bereich von z. B. 1 bis 5 kHz an die Sondenelektroden 19.1 und 19.2 legt. Den gemessenen Widerstandswert gibt sie an die Heizerspannung-Regelungseinrichtung 21 aus, wo dieser Wert als Istwert mit einem Sollwert für den Sondeninnen widerstand von z. B. 100 Ω verglichen wird. Die Heizerspan nung-Regelungseinrichtung gibt eine solche Heizerspannung Uh aus, daß der gemessene Sondeninnenwiderstand möglichst genau auf dem Sollwert gehalten wird.

Da sich der Sondeninnenwiderstand Rs mit zunehmendem Sonden alter bei einer bestimmten Temperatur von z. B. 850°C immer mehr erhöht, er sich aber andererseits mit zunehmender Tem peratur erniedrigt, bedeutet das Konstanthalten des Sonden innenwiderstands mit Hilfe der Heizerspannung-Regelungsein richtung 21, daß die Sondentemperatur immer mehr ansteigt, je älter die Sonde wird. Mit zunehmender Sondentemperatur wird jedoch das nicht korrigierte Sondensignal S_N zunehmend verfälscht. Diese Verfälschung muß kompensiert werden, wozu die Heizerspannung Uh verwendet wird, wie sie in einem be stimmten Betriebszustand des Motors angelegt werden muß, damit sich der Soll-Innenwiderstand der Sonde einstellt. Diese Kompensation wird von der Kompensationseinrichtung 22 auf die nun beschriebene Weise ausgeführt.

Nach der ersten Inbetriebnahme eines Fahrzeugs wird eine Alterungskalibrierung ausgeführt, sobald sich ein vorgegebe ner Kalibrier-Betriebszustand des Motors eingestellt, z. B. Leerlauf oder Schubbetrieb. Es muß sich um einen Betriebszu stand handeln, bei dem die Sonde 11 bei ausgeschalteter Sondenheizung eine Temperatur in einem sehr engen Tempera turbereich einnimmt, z. B. 700°C mit einer Abweichung von nur wenigen Grad. Dann ist nämlich die Heizerspannung Uh, wie sie eingestellt werden muß, um einen vorgegebenen Innen widerstand der Sonde zu erzielen, ein Maß für den Alterungs zustand derselben. Beim Neuzustand der Sonde betrage diese Spannung z. B. 9 V, und es werde eine Temperatur von 850°C erzielt, um den vorgegebenen Innenwiderstand von z. B. 100 Ω zu erreichen. Diese Spannung Uh_O wird als Neuzustandswert im Speicher 24 abgelegt.

Beim späteren tatsächlichen Betrieb des Fahrzeugs erfolgt der Kalibriervorgang immer dann erneut, wenn der Motor in den Kalibrier-Betriebszustand gelangt. Je älter die Sonde wird, eine um so höhere Temperatur ist erforderlich, um noch den vorgegebenen Sondeninnenwiderstand von 100 Ω zu erzie len. Da der Motor im Kalibrier-Betriebszustand immer diesel be Wärmemenge liefert, muß die zum Erzielen der höheren Tem peratur erforderliche Wärmemenge ganz von der Heizereinrich tung 18 durch Anlegen einer höheren Heizerspannung Uh aufge bracht werden.

Die bei einem aktuellen Kalibriervorgang gemessene Heizer spannung Uh_M ist ein Wert, der den Momentanzustand der Sonde anzeigt. Von dieser Spannung wird der im Speicher 24 abgespeicherte Neuzustandswert Uh_O abgezogen, und mit Hilfe dieser Differenz wird aus der Kennlinie 26 ein Korrekturfak tor KF_M ausgelesen, mit dem das nicht korrigierte Sonden signal S_N im Multiplizierer 23 multipliziert wird, um ein korrigiertes Sondensignal S_K zu erhalten. Der momentane Wert KF_M des Korrekturfaktors KF ist immer kleiner als Eins, das der Korrekturfaktor KF_O beim Neuzustand ist, da mit zunehmender Alterung der Sonde die Sondenspannung zu erhöhen ist, um den vorgegebenen Innenwiderstand aufrecht zuerhalten, und da mit ansteigender Sondenspannung und damit ansteigender Sondentemperatur der Wert des Sondensignals bei konstanter Sauerstoffkonzentration ansteigt. Das nicht kor rigierte Sondensignal ist daher durch den Korrekturfaktor zu verkleinern.

Die vorstehend beschriebenen Abläufe werden nun ergänzend, gestützt auf die Fig. 2 bis 4, erläutert.

Gemäß Fig. 2 wird nach der ersten Inbetriebnahme eines Fahrzeugs in einem Schritt s2.1 dauernd überprüft, ob der Motor erstmals im Kalibrier-Betriebszustand betrieben wird. Sobald dies der Fall ist, wird in einem Schritt s2.2 der Neuzustandswert Uh_O gemessen, bei dem sich der vorgegebene Sondeninnenwiderstand einstellt. Dieser Wert wird in einem Schritt s2.3 abgespeichert. Im Korrekturfaktor-Speicher 27 ist bereits der Wert Eins für den Korrektorfaktor K_F abge legt.

Beim späteren Betrieb des Kraftfahrzeugs wird in einem Schritt s3.1 dauernd überprüft, ob der Motor in den Kali brier-Betriebszustand gelangt ist. Dies wird dadurch festge gestellt, daß die aktuellen Werte des Lastsignals L und der Drehzahl n mit vorgegebenen Wertebereichen verglichen wer den, wenn die aktuellen Werte beide in den jeweils zugehöri gen Wertebereichen liegen, ist dies das Zeichen dafür, daß der Kalibrier-Betriebszustand vorliegt. Sobald dies der Fall ist, wird in einem Schritt s3.2 die Heizerspannung Uh_M ge messen. Die Heizerspannung-Regelungseinrichtung 21 läuft dabei unverändert wie im Nicht-Kalibrierbetrieb weiter, näm lich immer so, daß der vorgegebene Sondeninnenwiderstand eingehalten wird. In einem Schritt s3.3 wird der Neuzu standswert Uh_O vom Momentanzustandswert Uh_M abgezogen, und in einem Schritt 53.4 wird der zu dieser Differenz zugehöri ge Korrekturfaktor KF aus der Kennlinie 26 ausgelesen und im Speicher 27 abgelegt.

Beim Betrieb des Motors in anderen Betriebszuständen als dem Kalibrier-Betriebszustand wird in einem Schritt s4.1 das nicht korrigierte Sondensignale S_N beim vorgegebenen Son deninnenwiderstand erfaßt. In einem Schritt s4.2 wird der Korrekturfaktor KF aus dem Korrekturfaktor-Speicher 27 aus gelesen und im Multiplizierer 23 mit dem nicht korrigierten Sondensignal multipliziert. Dadurch steht das korrigierte Sondensignal S_K zur Verfügung.

Der vorstehend beschriebene Aufbau ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der Änderung der Heizerspannung und der Änderung des Sondensignals bei konstanter Sauerstoffkonzentration besteht. Ist dieser Zusammenhang dagegen nicht linear, kann es vorteilhafter sein, in einer modifizierten Kennlinie Kor rektorfaktoren nicht über der Differenzmomentanzustandswert minus Neuzustandswert aufzutragen, sondern über den Prozen tenmomentanzustandswert/Neuzustandswert. In diesem Fall liegt statt des Subtrahierers 25 ein Dividierer 25 vor. Auch ist es möglich, eine Kennlinie statt am Ausgang eines Subtrahierers oder Dividierers bereits auf der Eingangsseite des Neuzustandswert-Speichers 24 zu verwenden. Diese Kenn linie enthält dann Kompensationsfaktoren, aufgetragen nicht über einer Spannungsdifferenz oder einem Spannungsquotien ten, sondern unmittelbar über der Heizerspannung. Aus dieser Kennlinie wird schon für den Neuzustand ein Kompensations faktor ausgelesen und abgespeichert. Bei einem späteren Kalibrierzustand wird ein neuer Kompensationsfaktor ausgele sen, der durch den Neuzustandswert-Kompensationsfaktor ge teilt wird, um so den Korrekturfaktor KF zu erstellen. Unab hängig davon, wie der Korrekturfaktor konkret bestimmt wird, ist nur wichtig, daß er diejenige Änderung des nicht korri gierten Sondensignals korrigiert, die durch eine Temperatur erhöhung hervorgerufen wird, die ihrerseits durch eine Erhö hung der Heizerspannung bedingt ist, die wiederum erforder lich ist, um die alterungsbedingte Erhöhung des Sondeninnen widerstands zu kompensieren.

Beim Ausführungsbeispiel wird ein Korrekturfaktor bestimmt, also ein Korrekturwert, der multiplikativ mit dem nicht kor rigierten Sondensignal S_N verknüpft wird. Es ist jedoch auch möglich, einen Korrektursummanden zu ermitteln, der dann zum Sondensignal addiert wird. Auf welche Weise der Korrekturwert jeweils bestimmt wird und auf welche Weise er mathematisch mit dem nicht korrigierten Meßsignal verknüpft wird, hängt in der Praxis stark von den Eigenschaften der Sonde und des gesamten Wärmesystems ab. Wesentlich ist nur, daß der Sondeninnenwiderstand dauernd konstant gehalten wird, und Temperaturfehler, die durch diese Maßnahme erzeugt werden, dadurch kompensiert werden, daß die Heizerspannungs änderungen erfaßt werden, die erforderlich sind, um den In nenwiderstand trotz der Alterung der Sonde konstant zu hal ten.

Die erfindungsgemäße Auswertevorrichtung ermöglicht es, eine Grenzstrom-Sauerstoffsonde trotz Alterung wesentlich länger als bisher zu verwenden, ohne daß es zu erhöhtem Schadgas ausstoß kommt. Jedoch läßt sich auch in diesem Fall eine Sonde nicht unbegrenzt lange einsetzen. Um den Zeitpunkt zu erkennen, zu dem die Sonde ausgetauscht werden sollte, kann es zweckmäßig sein, den Korrekturfaktor mit einem Schwellen wert zu vergleichen. Sobald der Korrekturfaktor den Schwel lenwert überschreitet, wird angezeigt, daß ein Austausch er folgen sollte.

Claims

1. Auswertevorrichtung (10) für das Sondensignal einer be heizten amperometrischen Sauerstoffsonde (11), die in der Strömung des Abgases aus einem Verbrennungsmotor (13) ange ordnet ist, mit

- einer Sondensignal-Meßeinrichtung (11), die so ausgebildet ist, daß sie eine vorgegebene Spannung an die Sonde legt und eine Größe als unkorrigiertes Meßsignal (S_N) ermittelt, die den durch die Sonde fließenden Strom wiedergibt, der ein Maß für die Sauerstoffkonzentration ist;

gekennzeichnet durch

- eine Widerstandsmeßeinrichtung (20), die so ausgebildet ist, daß sie durch Anlegen einer Wechselspannung an die Son de den Innenwiderstand derselben ermittelt,
- eine Regelungseinrichtung (21), die so ausgebildet ist, daß sie die Heizereinrichtung (18) der Sonde so ansteuert, daß der Innenwiderstand derselben im wesentlichen konstant bleibt;
- eine Kompensationseinrichtung (22), die folgendes umfaßt:
- eine Neuzustandswert-Bestimmungseinrichtung, die so aus gebildet ist, daß sie einen Neuzustandswert (Uh_O) bestimmt und abspeichert, der ein Maß für diejenige Heizerspannung ist, wie sie im Neuzustand der Sonde erforderlich ist, um bei einem vorgegebenen Kalibrier-Betriebszustand des Motors den genannten Innenwiderstand zu erzielen;
- eine Momentanzustandswert-Bestimmungseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie einen Momentanzustandswert (Uh_M) bestimmt, der ein Maß für diejenige Heizerspannung ist, wie sie im Momentanzustand der Sonde erforderlich ist, um beim Kalibrier-Betriebszustand des Motors den genannten Innenwi derstand zu erzielen; und
- eine Korrekturwert-Bestimmungseinrichtung (25, 26), die so ausgebildet ist, daß sie aus der Änderung des Momentan zustandswertes gegenüber dem Neuzustandswert einen Korrek turwert (KF) zum Korrigieren des Meßsignals bestimmt; und
- einer Korrektureinrichtung (23), die so ausgebildet ist, daß sie das unkorrigierte Meßsignal durch mathematisches Verknüpfen mit dem Korrekturwert zu einem korrigierten Meß signal (S_K) korrigiert.

2. Auswertevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

- die Kompensationswert-Bestimmungseinrichtung (22) so aus gebildet ist, daß sie einen Korrekturfaktor (KF) bildet; und
- die Korrektureinrichtung eine Multipliziereinrichtung (23) ist, die das nicht korrigierte Meßsignal (S_N) mit dem Kor rekturfaktor multipliziert.