DE69402695T2

DE69402695T2 - Stromvervielfältigungsschaltung und abgassawerstoffmessung

Info

Publication number: DE69402695T2
Application number: DE69402695T
Authority: DE
Inventors: Robert Bennett; David Laude
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2014-01-26
Also published as: DE69402695D1; US5429105A; EP0687357B1; JPH08507376A; WO1994020842A1; ES2100045T3; EP0687357A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltkreise, die zusammen mit Proportionalsensoren für die Sauerstoffionenkonzentration verwendet werden, die sich im Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors befinden und an ein Regelsystem für das Luft/Kraftstoffverhältnis für den Verbrennungsmotor gekoppelt sind. Proportionalsensoren für die Sauerstoffionenkonzentration sind im bisherigen Stand der Technik wohlbekannt. Der Sensor umfaßt ein erstes und zweites Bauteil, die an einer gemeinsamen Wand zusammenlaufen und ein Gehäuse des Sensors bilden. Das Gehäuse legt in seinem Inneren eine Referenzgaskammer fest, die zu einer Quelle für Umgebungsluft hin offen ist, sowie eine Abgaskammer, die über einen Gasdurchtrittsschlitz mit dem Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors verbunden ist.
Gehäuse und Wandbauteile sind aus einem festen Elektrolytmaterial mit Sauerstoffleitfähigkeit hergestellt, das beispielsweise aus Zirkoniumdioxid bestehen kann. An den gegenüberliegenden Seiten einer gemeinsamen Wand sind Elektroden so ausgebildet, daß sie eine Pumpzelle bilden, und an den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuseelementes, um eine Sensorzelle zu bilden. Ein elektrisches Heizelement ist mit einer Oberfläche des Gehäuseelementes verbunden, um die gesamte Konstruktion auf etwa 800ºC zu erwärmen und den gesamten Sauerstoffsensor zu aktivieren.
Unter diesen Umständen ist der Pumpstrom, der bei Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung zwischen den Elektroden der Sensorzelle durch die Zellen fließt, proportional zum Sauerstoffgehalt der benachbarten Gase. Unter Betriebsbedingungen verändert sich der Sauerstoffgehalt der benachbarten Gase mit dem Sauerstoffgehalt der Abgase, die der Verbrennungsmotor erzeugt, und der Strom durch die Pumpzelle wird durch die Steuerelektronik so eingestellt, daß eine konstante Spannung in der Sensorzelle aufrechterhalten wird. Auf diese Weise stellt der resultierende Strom durch die Pumpzelle eine direkte Anzeige des Sauerstoffgehaltes der zu überwachenden Abgase dar.
Abbildung 1 veranschaulicht einen Schaltkreis, der zusammen mit dem oben beschriebenen EGO-Sensor nach dem Stand der Technik eingesetzt wird. Ein Differenzverstärker 10 mit hoher Verstärkung umfaßt einen negativen Eingang 12V einen positiven Eingang 14 und einen Ausgang 16. Der negative Eingang 12 ist mit dem Anschluß c der Sensorzelle 100 im Abgassauerstoffsensor (EGO-Sensor) 100 verbunden. Der positive Eingang 14 des Differenzverstärkers 10 mit hoher Verstärkung ist mit einer Kalibrierspannung VCAL zuzüglich einer Vorspannung von 0.45 Volt verbunden, während der Ausgang 16 über einen elektrischen Leiter mit einem Eingang a der Pumpzelle 101 des EGO-Sensors 100 verbunden ist.
Ein 10-Ohm-Präzisionsserienwiderstand 20 ist am einen Ende mit dem Anschluß b der Pumpzelle 101 und am anderen Ende mit dem Anschluß d der Sensorzelle 112 des EGO-Sensors 100 verbunden. Die beiden Eingänge 32 und 34 eines Differenzverstärkers 30 mit einem Verstärkungsfaktor von 50 sind über den Widerstand 20 miteinander verbunden und ein Ausgang 36 des Differenzverstärkers 30 stellt die Ausgangsspannung "EGO out" dar, die den durch den EGO-Sensor gemessenen Sauerstoffgehalt darstellt. Diese Ausgangsspannung wird dann über einen Analog/Digitalwandler 40 mit dem elektronischen Motorsteuersystem 42 des Fahrzeugs verbunden.
Der Ausgang 16 des Differenzverstärkers 10 mit hoher Verstärkung, der über den Leiter 18 zum Anschluß a der Pumpzelle 101 des EGO-Sensors 100 zurückführt, schließt einen elektrischen Regelkreis von der Sensorzelle 112 zur Pumpzelle 101. Dieser Regelkreis erhält die Spannung in der Sensorzelle, die in diesem Beispiel 0.45 Volt beträgt aufrecht, indem er den Pumpstrom (IP) von Ausgang 16 des Differenzverstärkers 10 mit hoher Verstärkung so einstellt, daß die notwendige Sauerstoffdiffusion in die Sensorzelle 112 stattfindet. Bei Normalbetrieb zwingt der Differenzverstärker 10 mit hoher Verstärkung den jeweils benötigten Pumpstrom durch den Leiter 18, um an den beiden Eingängen 12 und 14 des Differenzverstärkers 10 mit hoher Verstärkung dieselbe Spannung aufrechtzuerhalten, die im Fall der bevorzugten Ausführungsform gleich VCAL + 0.45 Volt ist.
Wäre beispielsweise der Sauerstoffgehalt der Abgase zu hoch&sub1; was einem zu mager betriebenen Verbrennungsmotor entsprechen würde, so würde die Spannung der Sensorzelle 112 am Eingang 12 des Differenzverstärkers 10 absinken. Da der zweite Eingang 14 des Differenzverstärkers 10 auf konstanter Spannung gehalten wird, würde der sinkende Spannungspegel an Eingang 12 zu einer Zunahme der Spannung am Ausgang 16 führen, wodurch der Pumpstrom in Leiter 18 in der positiven Richtung zunehmen würde. Dies würde wiederum dazu führen, daß die Pumpzelle 101 Sauerstoff von der Sensorzelle 112 wegpumpt, was dann die Spannung am Ausgangsanschluß c der Sensorzelle 112 und am Eingang 12 des Differenzverstärkers 10 wieder zurück auf VCAL + 0.45 Volt bringen würde.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die Ausführungsform nach dem Stand der Technik, die in Abbildung 1 veranschaulicht wurde, verläßt der Pumpstrom IP die Pumpzelle 101 an Anschluß b und strömt zurück durch den 10-Ohm- Präzisionsserienwiderstand 20, der am Anschluß d der Sensorzelle 112 endet. Ein Differenzverstärker 30 verstärkt die über den Widerstand 20 abfallende Spannung um einen linearen Faktor von 50. Die EGO-Ausgangsspannung am Ausgang 36 wird dann über den Eingang des Analog/Digitalwandlers 40 und das Motorsteuersystem 42 überwacht.
Ist der Sauerstoffgehalt im Motorabgas niedriger als das eingestellte Niveau, so wird aus der Pumpzelle 101 mehr Sauerstoff in die Sensorzelle 112 gezogen, um die typischen 0.45 Volt Vorspannung des EGO-Sensors 100 aufrechtzuerhalten. Liegt der Sauerstoffgehalt im Motorabgas über dem eingestellten Niveau, so entfernt die Pumpzelle 101 Sauerstoff aus der Sensorzelle 112, um die 0.45 Volt Vorspannung aufrechtzuerhalten. Die Pumprate hängt in positiver wie in negativer Richtung von der Größe des Pumpstromes ab. Außerdem wird auch die Richtung des Sauerstoffpumpvorgangs durch die Richtung des Pumpstromes, der durch Leitung 18 fließt, gesteuert.
In der Ausführungsform, die den Stand der Technik veranschaulicht und die in Abbildung 1 gezeigt ist, beträgt das EGO-Ausgangssignal am Ausgang 36 des Differenzverstärkers 30 bei einem Pumpstrom von null 2.5 Volt, wenn die EGO- Ausgangsspannung am Ausgang 36 des Differenzverstärkers 30 zwischen 0 und 5 Volt variiert und man annimmt, daß die Kalibrierspannung am Anschluß d der Sensorzelle 112 2.5 Volt beträgt. In diesem Beispiel wird angenommen, daß der Widerstand 20 ein 10-Ohm-Widerstand ist und daß die Verstärkung des Differenzverstärkers 30 ungefähr auf 50 eingestellt ist.
Damit der Schaltkreis unter Bedingungen arbeiten kann, die den geringstmöglichen Emissionen des Verbrennungsmotors entsprechen, ist es notwendig, daß der EGO- Sensor, der mit der Ausgangsspannung aus Anschluß b der Pumpzelle 101 (hierin folgend VP- genannt) betrieben wird, ein Potential nahe des Eingangspotentials am Anschluß d der Sensorzelle 112 (hierin folgend VS-) aufweist. Um den Spannungsabfall zwischen VP- und VS- zu minimieren, der unter idealen Bedingungen gleich null ist, sollte der Widerstandswert des Widerstandes 20 auf einen sehr niedrigen Wert reduziert werden. Der Stand der Technik lehrt, daß die Höchstspannung über den Widerstand 20 weniger als 50 Millivolt (0.005 A x 10 Ohm) betragen sollte, doch erfordert dies, daß die sich ergebende, über den Widerstand 20 abfallende kleine Signalspannung um einen Faktor 50 verstärkt wird, um einen ausreichend großen Signalausschlag zu erzeugen, der den gesamten Meßbereich des Analog/Digitalwandlers (ADC) ausfüllt, damit dieser optimal betrieben werden kann. Da der ADC Spannungen nur bis auf minimal fünf bis 10 Millivolt auflösen kann, muß das Signal am Ausgang 36 des Differenzverstärkers 30 so groß wie möglich sein, damit das System kleine Veränderungen im Sauerstoffgehalt der Abgase detektieren kann. Die Verstärkung der über den Sensorwiderstand 20 abfallenden Spannung um einen Faktor so ist anfällig für Rauschen und Fehler, da jedes Rauschen an den Anschlüssen 32 und 34 des Differenzverstärkers 30 zusammen mit allen Offsetspannungen, die an den Eingangsanschlüssen vorhanden sein können, gemeinsam mit den Signalen um einen Faktor 50 verstärkt wird. In einem monolithischen, integrierten Schaltkreis, der die Verstärker 10 und 30 sowie die EGO- Heizregelkreise umfaßt, wäre es unmöglich, das von diesen Schaltkreisen erzeugte Rauschen vollständig von den Eingängen 32 und 34 des Differenzverstärkers 30 zu isolieren. Die durch den Stand der Technik gelehrte Lösung ist ein Kompromiß zwischen dem für den Differenzverstärker 30 tolerierbaren Ausmaß an Rauschen und Fehlern und dem tolerierbaren Fehler, der dadurch entsteht, daß man einen Spannungsabfall über den Sensorwiderstand 20 zuläßt.
Ein weiteres Problem, das zu einer Leistungsminderung des Sensorsystems führt, betrifft die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie (I-C-Kurve) um den Bereich herum, in dem der Pumpstrom nahezu null ist. Dieser Arbeitsbereich ist kritisch, da er auftritt, wenn der Motor bei den geringstmöglichen Abgaswerten gesteuert wird. In der spannungsgetriebenen Konstruktion der Pumpzelle, wie sie nach dem Stand der Technik verwendet wird, stellt der Ausgang 16 des Verstärkers 10 eine gesteuerte Spannungsquelle dar. Durchläuft die Pumpzelle den nichtlinearen Bereich, so ist eine plötzliche Spannungsänderung nötig, um den Pumpstrom auch nur leicht zu verändern. Dies macht erforderlich, daß der Verstärker 10 sehr schnell arbeitet, um den benötigten Spannungssprung an seinem Ausgang 16 zu erzeugen. In Wirklichkeit nimmt diese Spannungsänderung eine beträchtliche Zeitdauer in Anspruch, da die Anstiegszeit der inneren Verzweigungspunkte des Verstärkers in dem Signalpfad, der durch den Verstärker getrieben wird, endlich ist. Während dieser Verzögerung ist der Pumpstrom fehlerhaft und die Leistung des Motors ist gemindert. Würde die Pumpzelle durch einen Verstärker mit Stromausgang betrieben und könnte ein Abbild des Pumpstromes in einem Schaltkreis erzeugt werden, das von den Vollasteffekten der Pump- und Sensorzelle entkoppelt wäre, so könnte eine genauere Verfolgung des Abbildes des Pumpstromes im kritischen Niedrigemissionsbereich der Motorbetriebskurve erreicht werden.
Aus EP-A-121 905 ist auch die Bereitstellung eines Sauerstoffsensors bekannt, der einen Feststoffelektrolyten umfaßt, an dessen einer Oberfläche eine luftdichte Kammer ausgebildet ist, die von dem umgebenden Raum isoliert ist. Dem Feststoffelektrolyten wird ein Pumpstrom zugeführt, um den Sauerstoff so aus der Kammer zu pumpen, daß der Sauerstoff in der Kammer ionisiert wird und dann den Feststoffelektrolyten durchläuft. Sauerstoff aus dem zu untersuchenden Abgas wird in den den Feststoffelektrolyten umgebenden Raum geleitet, wo er ionisiert wird und den Feststoffelektrolyten durchläuft. Die Sauerstoffkonzentration wird auf der Grundlage des Pumpstromes gemessen. Der Pumpstrom wird jedoch dadurch gemessen, daß der Pumpstrom über einen Widerstand geleitet wird und der Spannungsabfall über den Widerstand gemessen und dann die gemessene Spannung verstärkt wird.
Daher ist es ein Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung, das Rauschen und unerwünschte Offsetspannungen des EGO-Ausgabesignals zu verringern, indem die Notwendigkeit beseitigt wird, das Rauschen und die Offsetbestandteile um den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 30 zu verstärken.
Es werden ein Verfahren und ein Schaltkreis bereitgestellt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den Pumpstrom darstellt, der benötigt wird, um die Sauerstoffdichte zwischen der Sensorzelle und der Pumpzelle in einem Proportionalsensor für Sauerstoffionen auszugleichen, der sich im Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors befindet. Das Verfahren umfaßt den Schritt der Erzeugung eines Replikationsstromes, der vom Pumpstrom isoliert, aber für ihn repräsentativ ist, wodurch das unerwünschte Rauschen nicht verstärkt wird und die Offsetbestandteile ausgeschaltet werden. Der Replikationsstrom wird dann über einen Lastwiderstand ausreichender Größe geleitet, um das Ausgangssignal mit der benötigten Größe zu erzeugen.
Der Schaltkreis umfaßt eine Erzeugervorrichtung für ein Kalibriersignal, um eine Referenzspannung zu erzeugen. Ein Differenzverstärker mit Eingängen, die mit dem Ausgang der Sensorzelle und mit der Kalibrierspannung verbunden sind, vergleicht die Ausgangsspannung der Sensorzelle mit der Referenzspannung und reagiert darauf mit der Erzeugung einer Ausgangsspannung, die für den Pumpstrom repräsentativ ist. Der erste Ausgang des Differenzverstärkers ist mit einem Eingang der Pumpzelle verbunden, um Pumpstrom bereitzustellen und die Pumpzelle zu betreiben. Der Ausgang der Pumpzelle ist mit dem Eingang der Sensorzelle und mit der Kalibriervorrichtung verbunden, ohne daß ein Sensorserienwiderstand verwendet wird. Eine Erzeugervorrichtung für den Replikationsstrom ist mit dem Differenzverstärker verbunden, um an einem zu ihr gehörigen Ausgang, der vom ersten Ausgang isoliert ist, einen Replikationsstrom zu erzeugen, der vom Pumpstrom IP isoliert ist. Ein Lastserienwiderstand ist zwischen den Ausgang der Erzeugervorrichtung für den Replikationsstrom und die Erzeugervorrichtung für die Kalibrierspannung geschaltet, damit über ihn ein Ausgangssignal erzeugt wird, das auf den dadurch geleiteten Fluß des Replikationsstromes reagiert, wodurch die Ausgangsspannung über den Lastserienwiderstand den Pumpstrom darstellen wird.
Die Erfindung wird nun auf dem Weg eines Beispiels weiter beschrieben werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
Abbildung 1 ein schematisches Blockschaltbild ist, das die Schaltkreise zeigt, die in Verbindung mit EGO-Sensoren nach dem Stand der Technik verwendet werden.
Abbildung 2 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten bevorzugten Ausfühwngsform der vorliegenden Erfindung ist, das den Einsatz eines Sensorserienwiderstandes zwischen der Pumpzelle und der Sensorzelle beseitigt.
Abbildung 3 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Stromspiegels im Einklang mit der in Abbildung 2 veranschaulichten ersten bevorzugten Ausführungsform ist.
Abbildung 4 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Stromspiegels im Einklang mit den in Abbildung 3 veranschaulichten Schaltkreisen ist.
Abbildung 5 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Kommutatorstromkreises im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist.
Abbildung 6 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Kommutatorstromkreises im Einklang mit dem in Abbildung 5 gezeigten Blockschaltbild ist.
Ein erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Abbildung 2 veranschaulicht, die im allgemeinen dem Blockschaltbild gleicht, das in Abbildung 1 gezeigt ist, mit den folgenden Ausnahmen: Erstens wurde der Sensorserienwiderstand 20 in Abbildung 1 durch einen Leiter 21 ersetzt, so daß keine Sensorserienwiderstände verwendet werden. Dies beseitigt eine größere Fehlerquelle, da VP- nun allgemein gleich VS- ist und durch den Pumpstrom IP, der durch den Serienwiderstand 20 floß, kein Spannungsabfall mehr verursacht wird. Zweitens wurde der Differenzverstärker 10 mit hoher Verstärkung und einem einzigen Ausgang 16 durch den Differenzverstärker mit hoher Verstärkung 110 ersetzt, der einen negativen Eingang 112, der dem negativen Eingang 12 des Verstärkers 10 entspricht, und einen positiven Eingang 114, der dem positiven Eingang 14 des Differenzverstärkers 10 nach dem Stand der Technik entspricht, aufweist. Der Differenzverstärker 110 umfaßt auch einen ersten Ausgang 116, der dem ersten Ausgang 16 des Differenzverstärkers 10 nach dem Stand der Technik entspricht, doch umfaßt der neue Verstärker 110 auch einen zweiten Ausgang 118. Der Ausgangspumpstrom IP aus dem ersten Ausgang 116 entspricht dem Pumpstrom IP aus dem Differenzverstärker 10, der im bisherigen Stand der Technik verwendet wurde, doch wird der Ausgangsstrom aus dem zweiten Ausgang 118, der ein Abbild des ursprünglichen Pumpstromes aus dem ersten Ausgang 116 ist, mit IPREP bezeichnet. Der replizierte Pumpstrom IPREP ist ein getreues Abbild des Pumpstromes, der in der Regelschleife erzeugt wird, die die Pumpzelle 101, die Sensorzelle 112 und den Differenzverstärker 110 mit hoher Verstärkung umfaßt.
Da der zweite Differenzverstärker 30, der in der Ausführungsform nach dem Stand der Technik der Abbildung 1 veranschaulicht wurde, nicht mehr benötigt wird, kann der Replikationsstrom IPREP durch einen Präzisionsserienwiderstand 120 mit einem Widerstandswert von 500 Ohm geleitet werden. Das andere Ende des Serienwiderstandes 120 wird dann mit VCAL verbunden, die etwa 2.5 Volt beträgt. Da der neue Serienwiderstand 120 fünfzigmal größer ist als der Serienwiderstand 20 nach dem Stand der Technik (500 Ohm gegenüber 10 Ohm), erzeugt der replizierte Pumpstrom IPREP direkt die EGO-Ausgangsspannung über den Widerstand 120, ohne daß ein weitere Verstärkung gebraucht würde, wie sie im bisherigen Stand der Technik eingesetzt wurde. Daher werden die durch den Verstärker 30 erzeugten Rausch- und Offsetbestandteile nicht wie in der in Abbildung 1 gezeigten Ausführungsform nach dem bisherigen Stand der Technik verstärkt.
Ist der replizierte Pumpstrom IPREP null, so wird die EGO-Ausgangsspannung an Ausgang 118 des Differenzverstärkers 110 2.5 Volt (gleich VCAL) wie nach dem Stand der Technik, da der Widerstand 120 an VCAL angeschlossen ist. Auf diese Weise können Digital/Analogwandlerschaltkreise und die EGO-Heizregelschaltkreise leichter in einen monolithischen integrierten Schaltkreis eingegliedert werden, da jegliches von diesen Schaltkreisen verursachtes Rauschen nicht wie in den Lösungen nach dem Stand der Technik verstärkt wird. Die Möglichkeit, alle benötigten EGO- Funktionen in einen einzigen monolithischen, integrierten Schaltkreis einzugliedern, ist bei der Minimierung der Kosten dieses relativ teuren Emissionsregelkreises sehr hilfreich.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfordert Präzision bezüglich der wechselseitigen Anpassung des Pumpstromes IP und des replizierten Pumpstromes IPREP. Ein gewisser Grad an Präzision bei der Stromverstärkung ist im Bereich des Betriebs bei magerer Verbrennung erforderlich, worin IP größer als null sein wird. Die stärkste Anforderung tritt nahe des idealen Luftlkraftstoffverhältnisses auf, wenn der Pumpstrom IP nahezu null ist. Diese Präzisionsanforderung verlangt nach einem sehr geringen Offsetstromfehler, der als der Replikationsstrom IPREP definiert ist, der am Ausgang 118 des Differenzverstärkers 110 vorhanden ist, wenn der Pumpstrom IP am ersten Ausgang 116 gleich null ist.
Ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild des Differenzverstärkers 110 der Abbildung 2 ist genauer in Abbildung 3 gezeigt. Der Verstärker umfaßt einen herkömmlichen Operationsverstärker (Op-Amp) 210 mit einem negativen Eingang 114 und einem positiven Eingang 112. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 210 ist mit einem Stromsteuerkreis 220 verbunden, der einen npn-Transistor 221 und einen pnp- Transistor 222 umfaßt. Im Ruhezustand haben die Transistoren 221 und 222 über die Dioden 226 und 227 durch die Stromquellen 231 und 232 eine Vorspannung mit dem Wert VBIAS, so daß eine minimale, aber notwendige Menge an Betriebsvorstrom durch den Stromreplikationskreis 220 fließt, wenn sehr kleine Werte des Pumpstromes IP benötigt werden. Wird der Pumpstrom IP benötigt, um eine Last mit Strom zu versorgen, so fällt der positive Eingang 112 des Operationsverstärkers 210 leicht unter den negativen Eingang 114 ab. Der Operationsverstärker 210 reagiert darauf, indem er den Ausgang 228 in eine negativen Richtung zieht. Der resultierende Spannungsabfall am Ausgang 228 steigert den Stromfluß durch den Kollektor von Transistor 221, der den Source-Stromspiegel 240 versorgt. Ein Stromspiegel, der einen Source-Stromspiegel 240 und einen Senken-Stromspiegel 250 umfaßt, verwendet herkömmliche Präzisionsstromspiegelverfahren.
Der Kollektorstrom des Transistors 221 wird in zwei Sourceströme umgewandelt, den Pumpstrom IP und den replizierten Pumpstrom IPREP. Der Pumpstrom IP, der in der Pumpzelle 101 wirkt, zwingt den positiven Eingang 114 des Op-Amp 210 zurück auf VCAL plus einem Vorspannungsoffset von 0.045 Volt. Wird der Pumpstrom zur Stromsenkung benötigt, so steigt der Kollektorstrom von Transistor 222 an und der Senken-Stromspiegel 250 liefert den Pumpstrom IP und den replizierten Pumpstrom IPREP:
Anders als bei einigen Anwendungen von Stromspiegeln ist es in der vorliegenden Ausführungsform nicht wichtig, wie gut die Ausgangsströme IP oder IPREP dem Eingangsstrom entsprechen, sondern eher, wie gut der replizierte Pumpstrom IPREP dem ursprünglichen Pumpstrom IP folgt. Die vorliegende Ausführungsform gestattet das Auftreten bedeutender Fehlanpassungen zwischen den Stromverstärkungsfaktoren des Source-Stromspiegels 240 und des Senken- Stromspiegels 250, da zu jeder Zeit nur einer der Stromspiegel Strom führen kann, wenn man von dem kleinen Ruhestrom absieht, der fließt, wenn der Pumpstrom im wesentlichen gleich null ist. Es ist jedoch wichtig, daß die Ruheströme von IP und IPREP gut aufeinander abgestimmt sind.
Eine zusätzliche Eigenschaft, die als selektive Spannungsverstärkung bezeichnet wird, kann zusammen mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In Betriebsbereichen nahe des idealen Luft/Kraftstoffverhältnisses ist der Pumpstrom IP sehr klein. Sollte der replizierte Pumpstrom IPREP in diesem Bereich des Interesses eine verstärkte Version des Pumpstromes IP werden, so könnte eine größere Genauigkeit bei der Messung der idealen Luft/Kraftstoffverhältnisse unter Erhalt einer verbesserten Motoremissionsregelung erreicht werden.
Abbildung 4 veranschaulicht ein idealisiertes Blockschaltbild einer digital gesteuerten Ausführungsform mit einigen unterschiedlichen Stromverstärkungsfaktoren zwischen IP und IPREP. Sollen IP und IPREP gleich sein, so wird die Stromsenke ICON 260 durch ein Steuersignal eingeschaltet, das mit dem elektronischen Motorsteuersystem verbunden ist. Ist die Stromsenke ICON 260 eingeschaltet, so fällt eine ausreichende Spannung über den Widerstand 264 ab, damit der Transistor 268 bei jeder realistisch anzunehmenden Vorspannung über den Widerstand 261 und die Diode 265 ausgeschaltet wird. Unter diesen Bedingungen kann eine Fehlanpassung der Schaltung auftreten, die genügend groß ist, so daß IP und IPREP einander bestenfalls innerhalb von wenigen Prozent entsprechen. Ein Kommutationsverfahren zum Ausgleichen dieser Effekte dieser Fehlanpassung wird im folgenden erörtert.
Da die Größen der Widerstände 262, 263 und 264 im Idealfall gleich sind, und da die Transistoren 266, 267 und 268 im Idealfall identisch sind, sind die Kollektorströme der Transistoren 266 (IP) und 267 (IPREP) identisch. Daher wird der Pumpstrom IP dem replizierten Pumpstrom IPREP gleich sein. In dem Fall, in dem der replizierte Pumpstrom IPREP zweimal so groß sein soll wie der Pumpstrom IP, wird die Stromsenke ICON 260 von der digitalen Steuerung abgeschaltet. Nun ist IPREP gleich der Summe der beiden Kollektorströme von den Transistoren 267 und 268, die gleich dem Doppelten des Kollektorstromes von Transistor 266 sind. Für den Fachmann sollte ersichtlich sein, daß Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren oder eine Verbindung beider verwendet werden können, um diese gewünschten Funktionen zu verwirklichen.
Die Betriebsgenauigkeit der Implementierung eines monolithischen, integrierten Schaltkreises der bevorzugten Ausführungsform kann durch Beseitigung der Effekte von Temperaturschwankungen und Fehlanpassung der Bauteile weiter verbessert werden. Diese Genauigkeit kann stark erhöht werden, indem die beiden Stromstärken, IP und IPREP, mit einem festen Tastverhältnis miteinander vertauscht werden, zum Beispiel einer relativen Einschaltdauer von 50% in der bevorzugten Ausführungsform. Dieses Umschalten oder wechselseitige Ersetzen von IP und IPREP hat den Effekt einer Mittelwertbildung der beiden Stromstärken an einem einzigen Ausgang. Dieser Mittelwert des Stromes am Ausgang folgt der Form (wobei t1 die Einschaltdauer für IP1 und t2 die Einschaltdauer für IP2 ist):
IP = (IP1*t1 + IP2*t2)/(t1 + t2)
IPREP = (IP2*t1 + IP1*t2)/(t1 + t2)
Ist bei einer relativen Einschaltdauer von 50% t1 gleich t2, was mit einem langsamen Taktsignal erreicht werden kann, so vereinfachen sich die beiden Ströme zu IP = IPREP = (IP1 + IP2)/2. Diese Vertauschung bewirkt eine bedeutende Verbesserung der Genauigkeit, da Einflüsse von Temperaturschwankungen und Offsetvorspannungen beseitigt werden. Die einzigen verbleibenden Fehler betreffen die Übergänge des Taktgebers und die Stromfehlanpassung in den Schaltern selbst, die vernachlässigbar wären, wenn MOS oder bipolare Darlingtonschalter verwendet würden.
Abbildung 5 veranschaulicht ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild eines Kommutatorkreises im Einklang mit der vorhergehenden Erörterung. Der Ausgang des Transistors 221 in Abbildung 3 wird durch parallel geschaltete Transistoren 310 und 320 und die Diode 302 mit zwei Paaren von kommutierenden Schaltern 311/312 und 321/322 verbunden, die durch den invertierenden Verstärker 301 gesteuert werden. Diese Schalter werden mit einer Taktfrequenz von ungefähr 500 Hz kommutiert, was bewirkt, daß das Ausgangssignal von Transistor 310 (als IP2 gezeigt) zuerst durch Schalter 311 zum IP-Ausgang und dann durch Schalter 312 zum IPREP-Ausgang geschaltet wird. In einer ähnlichen Weise wird der Ausgangsstrom von Transistor 320 (als IP1 gezeigt) durch die Schalter 321 und 322 zwischen IP und IPREP kommutiert.
Eine Ausführungsform mit Bipolartransistoren des in Abbildung 5 veranschaulichten Schemas ist genauer in Abbildung 6 gezeigt. Die pnp-Bipolartransistoren sind als zwei Darlingtonpaare angeordnet, um Ströme zu verringern, die aus dem Kommutator als Basisströme zum Taktgeber entweichen. Falls diese entweichenden Ströme nicht genügend aufeinander angepaßt sind, weist der Kommutator selbst Fehler auf. Durch Verwendung der Darlingtonpaare 360 und 370 werden die entweichenden Ströme klein genug gemacht, so daß selbst bei Auftreten einer Fehlanpassung der Absolutstrom klein ist. In Abbildung 6 treibt die Taktgeberspannung, für die eine relative Einschaltdauer von 50% angenommen wird, den invertierenden Verstärker 301, um zu bewirken, daß das Darlingtonpaar 360 IP1 in einem Teil der Regelschleife zum Ausgang IP leitet, während im anderen Teil der Regelschleife der Strom IP1 durch das Darlingtonpaar 370 zum Ausgang IPREP geleitet wird. Es wird deutlich sein, daß Abbildung 6 einen Sourcestromkommutator veranschaulicht, und daß Senkenstromkommutatoren durch Verwendung von n-Transistoren (z.B. n-Kanal- MOSFETS oder npn-Transistoren) hergestellt werden können.
So, wie er hierin verwendet wurde, soll der Ausdruck "Kommutation" die Ersetzung eines Signals, entweder Spannung oder Strom, durch ein anderes bedeuten, mit einem Tastverhältnis, das das relative Verhältnis der beiden Signale festlegt.

Claims

1. Ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das den Pumpstrom darstellt, der benötigt wird, um die Sauerstoffdiffusion zwischen der Sensorzelle (112) und der Pumpzelle (101) eines Proportionalsensors (100) für die Sauerstoffionenkonzentration auszugleichen der sich im Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors befindet, umfassend die Schritte:

Des Erzeugens einer Referenzspannung mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung,

des Messens einer Fehlerspannung mit Hilfe eines Differenzverstärkers (110) mit Eingängen, die mit den Ausgängen der Sensorzelle (112) und dieser Kalibriervorrichtung verbunden sind, um die Ausgangsspannung aus der Sensorzelle (112) mit dieser Referenzspannung zu vergleichen,

und des Erzeugens eines Pumpstromes an einem Ausgang des Differenzverstärkers (110),

dadurch gekennzeichnet, daß

der Pumpstrom durch eine elektrische Verbindungsvorrichtung (21) geleitet wird, die mit der Sensorzelle (112), der Pumpzelle (101) und dem Differenzverstärker (110) verbunden ist, ohne daß ein Serienwiderstand zur Messung des Pumpstromes verwendet wird,

mit Hilfe einer Stromreplikationsvorrichtung (220), die mit dieser Differenzverstärkervorrichtung verbunden ist, ein Replikationsstrom erzeugt wird, der vom Pumpstrom isoliert, aber für ihn repräsentativ ist und

ein Ausgangssignal über einen Serienwiderstand erzeugt wird, der mit dem Ausgang der Stromreplikationsvorrichtung verbunden ist, so daß das Ausgangssignal auf den Fluß des Replikationsstromes durch den Serienwiderstand reagiert und für den Pumpstrom repräsentativ ist.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Erzeugung eines Replikationsstromes den Schritt der gleichzeitigen Erzeugung des Pumpstromes und dieses Replikationsstromes an voneinander isolierten Ausgängen eines Stromspiegels (220) umfaßt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt der Erzeugung des Pumpstromes und des Replikationsstromes auch den Schritt der Erzeugung eines verstärkten Replikationsstromes umfaßt, der repräsentativ für den Pumpstrom aber in Bezug auf ihn verstärkt ist, wenn die Größe des Pumpstromes unter einen vorgegebenen Mindestpegel fällt, wodurch eine verbesserte Verstärkungssteuerung für das Ausgangssignal bereitgestellt wird, wenn der Pumpstrom unter diesen vorgegebenen Mindestpegel fällt, der für den Betrieb mit wenig Abgasen repräsentativ ist.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin der Replikationsstrom nach Größe und Polarität dem Pumpstrom gleich ist und das Verfahren die Vertauschung des Replikationsstromes mit dem Pumpstrom beim Passieren dieses Lastwiderstandes umfaßt, wodurch alle Fehler bei der Erzeugung dieses Replikationsstromes verringert werden, indem dieser Replikationsstrom periodisch durch diesen Pumpstrom ersetzt wird.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, worin der Schritt des Vertauschens dieses Replikationsstromes mit diesem Pumpstrom den Schritt des Einstellens des Vertauschungszyklus auf eine relative Einschaltdauer von 50% umfaßt.

6. Ein Schaltkreis zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das den Pumpstrom darstellt, der benötigt wird, um die Sauerstoffdiffusion zwischen einer Sensorzelle (112) und einer Pumpzelle (101) eines Proportionalsensors (100) für die Sauerstoffionenkonzentration auszugleichen, der sich im Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors befindet, umfassend:

Eine Kalibriervorrichtung zur Erzeugung einer Referenzspannung,

eine Differenzverstärkervorrichtung (110) mit Eingängen, die mit den Ausgängen der Sensorzelle (112) und dieser Kalibriervorrichtung verbunden sind, um eine Fehlerspannung zu messen, indem die Ausgangsspannung aus der Sensorzelle (112) mit dieser Referenzspannung verglichen wird, und die darauf anspricht, indem sie an einem Ausgang des Differenzverstärkers einen Pumpstrom erzeugt,

dadurch gekennzeichnet, daß er ferner umfaßt:

Eine elektrische Verbindungsvorrichtung (21), die mit der Sensorzelle (112), der Pumpzelle (101) und dieser Differenzverstärkervorrichtung (110) verbunden ist, um den Pumpstrom zu leiten, ohne daß ein Serienwiderstand zur Messung des Pumpstromes verwendet wird,

eine Stromreplikationsvorrichtung (220), die mit dieser Differenzverstärkervorrichtung (110) verbunden ist, um an einem Ausgang davon, der von diesem ersten Ausgang isoliert ist, einen Replikationsstrom zu erzeugen, der vom Pumpstrom isoliert, aber für ihn repräsentativ ist, und

einen Serienwiderstand, der mit diesem Ausgang dieser Stromreplikationsvorrichtung verbunden ist, um über diesen hinweg dieses Ausgangssignal zu erzeugen, das auf den dadurch geleiteten Fluß des Replikationsstromes anspricht, wodurch die Ausgangsspannung über diesen Serienwiderstand repräsentativ für den Pumpstrom ist.

7. Ein Schaltkreis nach Anspruch 6, worin diese Stromreplikationsvorrichtung (220) eine Stromspiegelvorrichtung zur Erzeugung dieses Replikationsstromes in Reaktion auf den Pumpstrom umfaßt.

8. Ein Schaltkreis nach Anspruch 6, worin dieser Replikationsstrom nach Größe und Polarität dem Pumpstrom gleich ist.

9. Ein Schaltkreis nach Anspruch 6, worin diese Stromreplikationsvorrichtung (220) eine Vorrichtung zur Anpassung der Verstärkung dieser Stromreplikationsvorrichtung unter Bedingungen umfaßt, in denen der Pumpstrom sehr klein ist, so daß die Amplitude dieses Replikationsstromes vergrößert wird, um zusätzliche Genauigkeit bei der Messung des Pumpstromes bereitzustellen.

10. Ein Schaltkreis nach Anspruch 6, worin diese Stromreplikationsvorrichtung (220) eine Kommutationsvorrichtung umfaßt, um periodisch diesen Replikationsstrom mit dem Pumpstrom und den Pumpstrom mit diesem Replikationsstrom zu vertauschen, wodurch die Effekte jeglicher Fehler bei der Erzeugung dieses Replikationsstromes ausgelöscht werden.