EP0123064A1 - Regeleinrichtung für die Gemischzusammensetzung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Regeleinrichtung für die Gemischzusammensetzung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0123064A1
EP0123064A1 EP84102110A EP84102110A EP0123064A1 EP 0123064 A1 EP0123064 A1 EP 0123064A1 EP 84102110 A EP84102110 A EP 84102110A EP 84102110 A EP84102110 A EP 84102110A EP 0123064 A1 EP0123064 A1 EP 0123064A1
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EP
European Patent Office
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probe
operational amplifier
offset voltage
compensation
variable
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EP84102110A
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Ferdinand Dipl.-Ing. Grob
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02D41/28—Interface circuits

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating the air-fuel ratio of an internal combustion engine with a probe sensitive to this ratio, in particular an oxygen probe (lambda probe) and a circuit arrangement for evaluating the output variable of this probe.
  • a probe sensitive to this ratio in particular an oxygen probe (lambda probe)
  • a circuit arrangement for evaluating the output variable of this probe is known for example from DE-OS 20 10 793, in which the exhaust gases of an internal combustion engine are continuously analyzed with a probe for the air / fuel ratio and this ratio is corrected by regulating the fuel or air supply in accordance with the result of the analysis becomes.
  • the probe for analyzing the exhaust gas is sensitive to the oxygen content of the exhaust gas and has its most favorable operating range at a temperature between 400 and 500 ° C.
  • Such probes which are sensitive to the oxygen content of the exhaust gas, including the profile of the probe output voltage as a function of lambda, are disclosed, for example, in DE-OS 29 19 220.
  • the probe consists of a solid electrolyte, for example zirconium dioxide, which is contacted on both sides.
  • FIG. 1a shows the output signal of an oxygen probe as a function of lambda
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of the control device
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the control device
  • FIG. 5 shows the temperature response of the input offset voltage experimentally determined for the device according to the invention with the input voltage as parameters.
  • the output signal of an oxygen probe is plotted in FIG. 1a via Lamdba.
  • the output voltage has high values in the range of 1000 mV.
  • FIG. 2 serves to illustrate the sizes used in the further.
  • 10 denotes an operational amplifier, the positive input of which is supplied with a voltage U 2 via a resistor 11 and with a compensation voltage U K via a resistor 12.
  • the minus input of the operational amplifier 10 is connected via a resistor 13 to the input voltage U 1 , a voltage source labeled U Off being connected between the resistor 13 and the minus input, which is symbolically shown for all offset voltage influences. From the connection point of this voltage source UOff and the resistor 13, a feedback resistor 14 leads to the output of the operational amplifier 10, at which the output voltage U A is to be taken off.
  • the connection of the voltage source U 2 via a switch 15 can be connected to the resistor 11 to interrupt, while a complementary operable switch 16, the p Eigangss oltage U 1 can also be placed on the positive input.
  • the value of the compensation voltage U K can be determined by a suitable actuation of the switches 15 and 16.
  • short-term compensation phases are periodically inserted, in which the switch 15 is opened, for example, for 1 ms and the switch 16, which is to be operated in a complementary manner, is closed for the same period of time.
  • the input voltage difference U 2 -U 1 0, so that it is possible with a control device to be described later to change the compensation voltage U K in such a way that the output voltage U A also assumes the value 0.
  • This value of the compensation voltage U K which in the general case, even if the requirement of equal resistance ratios V, V 'is dropped, the value assumes is in holding links to analog or digital. Type saved until the next compensation phase.
  • the output voltage of the balanced amplifier results in so that after an adjustment the influence of the offset voltage is eliminated.
  • the value of the output voltage when the resistance ratios V, V 'are not exactly the same deviates only very slightly from the ideal value, so that the resulting inaccuracy can generally be neglected. If, for example, a resistance ratio V, V 'of 100 is desired and the resistors R12, R11 used have a tolerance of + -2%, there is a deviation from the ideal value of less than 1 per mille.
  • the exemplary embodiment in FIG. 3 serves on the one hand to represent the described compensation method in a digital version and on the other hand to explain a further method for suppressing the influence of the offset voltages. Since the two compensation methods do not differ much from the complexity of the circuitry, a switch 19 was introduced in FIG. 3, with the aid of which the respective compensation method can be selected.
  • the subtraction stage already described in FIG. 2 is designated by 20, the reference numerals of the two figures corresponding.
  • the output voltage of an oxygen probe denoted by 21, which is represented in the equivalent circuit diagram by the series connection of a voltage source U S and an internal resistor 22, is supplied to the subtracting stage 20 as an input voltage difference U 2 -U 1 . In the present case, the oxygen probe is connected to ground on one side, so that U 1 0.
  • the output voltage U A of the subtraction stage is via an analog-digital converter 25 connected, which is connected on the output side to the resistor 12 in the case of the switch position 2 of the switch 19.
  • the microcomputer 24 generates the clock frequency for actuating the switches 15 and 16, the switch 15 being controlled via an inverter 26, so that there is a complementary switching behavior for both switches. Actuators and other devices for signal processing are acted upon via the outputs of the microcomputer 24 indicated by arrows. These output variables can be corrected by other parameters characterizing the state of the internal combustion engine, such as temperature, power output or pressure.
  • the connection between the digital-to-analog converter 25 and the resistor 12 is interrupted by means of the switch 19 and the resistor 12 is connected to ground in switch position 1.
  • the arrangement works starting from switch position 2 of switch 19 as follows: starting from normal control operation, for which switch 15 is closed and switch 16 is open, the output voltage of operational amplifier 10 is digitized, supplied to microcomputer 24, corrected as a function of other operating parameters, processed and fed to the actuators. To compensate, the microcomputer actuates switches 15 and 16 so that the input voltage of operational amplifier 10 assumes the value zero. The output voltage u A D which is then still present at the output of the operational amplifier 10 and which can be attributed solely to the influence of the offset voltage is converted in the microcomputer 24 in accordance with the derived relationships and via the digital-analog converter 25 as compensation tion voltage U K fed to the resistor 12.
  • this voltage value remains stored in the microcomputer 24 until the next compensation phase. Due to the unlimited storage time of digital storage, it is not necessary to repeat the compensation process too often or periodically. For example, it is possible to carry out the compensation during periods in which lambda control or lambda lean control is not necessary or cannot be carried out, such as in the heating-up time of the probe or in the case of full-load operation or overrun operation of the internal combustion engine.
  • the resistor 12 is connected to a constant potential, the ground potential, and the digital-to-analog converter 25 is omitted (switch 19 in position 1).
  • the switches 15 and 16 are actuated accordingly for compensation, so that the voltage occurring at the output of the operational amplifier 10 is solely due to the effects of offset.
  • the input offset voltage is not compared by switching a compensation voltage, but the output offset voltage is stored digitally in the microcomputer 2h via the analog-digital converter 23 and after the compensation phase has ended and the switches 15 and 16 are actuated again by the respective ones Output voltage values subtracted.
  • the compensation can be repeated periodically or carried out in periods in which no lambda control is necessary or possible.
  • This method is based on the fact that it does not compensate the input offset voltage itself, but rather measures its influence at the amplifier output and subtracts this value from the output variable that occurs in normal control operation.
  • FIG. 4 shows an analog version for storing and compensating the input offset voltage.
  • the output voltage of the operational amplifier 10 connected as in FIG. 3, block 20 passes via a switch 30, which is controlled with the same signals as switch 16, to a resistor 31 connected to the negative input of an operational amplifier 32.
  • the negative input of the operational amplifier 32 is via the Series connection of a resistor 33 and a capacitor 34 connected to the output of the operational amplifier 32 and to the resistor 12.
  • the output signals of the operational amplifier 10 also pass via a switch 35 to an operational amplifier 36 connected as a voltage follower, the output signal of which, based on a reference voltage value given by the voltage divider ratio of the voltage divider consisting of the resistors 47 and 48, represents an exact measure of the probe output voltage.
  • the positive input of the operational amplifier 36 is connected to the reference voltage via a capacitor 46.
  • This reference voltage derived from the on-board voltage is also applied to the positive input of the operational amplifier 32.
  • the activation of the switches 15, 16, 30, 35 for switching from control operation to compensation operation takes place on the basis of a voltage pulse with a pulse duration of approx. 1 s.
  • This pulse controls via a differentiating element consisting of the resistor 39 'and the capacitor 38' and an inverter 37 'the switch 15 for about 1 ms in the open state, passes through an inverter 37 to the switches 16 and 30 and moves them for the same time in the closed state.
  • the 1s pulse is shortened to approximately 20 ms via a further differentiating element, consisting of the capacitor 38 and the resistor 39, is inverted by an inverter 40 and the switch 35 is pulled leads, so that this switch opens with switch 15 but only closes after a period of about 20 ms, which is determined by the time constant of the high pass.
  • the switch 15 is opened and at the same time the switch 16 and the switch 37 are closed.
  • the output voltage of the operational amplifier 10, which is dependent only on the input offset voltage, passes via the closed switch 30 to the negative input of the operational amplifier 32, which is connected as a PI controller of the operational amplifier 32 in such a way that the voltage at the output of the operational amplifier 10 assumes the value zero and the arrangement is thus balanced.
  • the charge corresponding to this compensation voltage at the output of the operational amplifier 32 remains stored in the capacitor 34 for a period of time given the very high input resistance of the FET operational amplifier 32 and the capacitance value of the capacitor 34.
  • the switch 35 is closed with a delay of approximately 20 ms in order to bridge the settling time of the circuit device caused by the input filter (not shown). During this period, it is favorable to use the last measured lambda value as the current lambda value.
  • the capacitor 46 at the plus is used for this gear of the operational amplifier 36, which stores the last current value of the output voltage of the operational amplifier 10 during each compensation phase. After a compensation phase has ended, the capacitor 46 is immediately recharged to the new value.
  • the output voltage of the impedance converter 36 is sent to further control and regulating units for further processing.
  • FIG. 5 shows the experimentally determined temperature response of the input offset voltage of an exemplary embodiment corresponding to that of FIG. 4 with the input voltage U E in the range between 10 and 40 mV as a parameter. Regardless of the special curve, all the curves have in common that the input offset voltage varies by less than + -50 ⁇ V over a temperature range of approx. 100 °.
  • These measurement curves impressively confirm the performance of the device according to the invention, which makes it possible to determine the actual lambda value with high accuracy even for lean control with extreme lambda values up to ⁇ ⁇ 1.80.
  • Such lean regulations of the combustion process in the range ⁇ > 1.50 are particularly important for heating systems.

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Abstract

Es wird eine Einrichtung zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einer auf dieses Verhältnis empfindlichen Sonde, insbesondere einer Sauerstoffsonde und eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Ausgangsgröße der Sonde vorgeschlagen, bei der in der Schaltungsanordnung Mittel zur Kompensation des Offsetspannungseinflusses vorgesehen sind, die eine präzise Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einem Lambda-Wertbereich erlauben, in dem die Sondenausgangsgröße eine nur schwach ausgeprägte Abhängigkeit von der Sondeneingangsgröße aufweist. Hierzu wird der Einfluß der Offset-Spannung der verwendeten Regelverstäker periodisch oder in unregelmäßigen Intervallen gemessen und analog oder digital abgespeichert. Diese gespeicherte Größe kann einerseits dazu verwendet werden, um den Eingängen der Regelverstärker eine zur EingangsoffsetSpannung entgegengesetzte Kompensationssspannung zu unterlagern oder aber um von der Ausgangsgröße des Operationsverstärkers den auf Offset-Spannungen beruhenden Anteil zu subtrahieren.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine mit einer auf dieses Verhältnis empfindlichen Sonde, insbesondere einer Sauerstoffsonde (Lambda-Sonde) und einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der Ausgangsgröße dieser Sonde. Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 20 10 793 bekannt, bei der die Abgase einer Brennkraftmaschine kontinuierlich mit einer Sonde auf das Verhältnis Luft/Brennstoff analysiert werden und dieses Verhältnis durch Regelung der Brennstoff- bzw. Luftzufuhr entsprechend dem Ergebnis der Analyse korrigiert wird. Die Sonde zur Analyse des Abgases ist empfindlich auf den Sauerstoffgehalt des Abgases und besitzt ihren günstigsten Wirkungsbereich bei einer Temperatur zwischen 400 und 500°C.
  • Derartige, auf den Sauerstoffgehalt des Abgases empfindliche Sonden (Lambda-Sonden) einschließlich des Verlaufs der Sondenausgangsspannung in Abhängigkeit von Lambda sind beispielsweise in der DE-OS 29 19 220 offenbart. Die Sonde besteht aus einem Festelektrolyten, beispielsweise Zirkondioxid, der beiderseitig kontaktiert ist. Infolge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz zwischen beiden Oberflächen des Festelektrolyten ergibt sich an den Kontaktierungen eine Potentialdifferenz, die sich bei einer Luftzahl Lambda = 1 sprungartig ändert. Dieser Spannungssprung der Lambda-Sonde bei Lamdba-Werten λ=1 wird üblicherweise zu Steuer- und Regelzwecken ausgenutzt, da der Spannungssprung relativ unabhängig von anderen Parametern wie beispielsweise der Temperatur ist und über Schwellwertschalter sicher erfaßt werden kann.
  • Des weiteren sind Maßnahmen und Vorrichtungen bekannt, die zur Kompensation von Offset-Spannungseinflüssen bei Operationsverstärker dienen. In dem Buch "Circuits for electronics engineers, S. Weber, Mc Graw-Hill Inc., New York 1977" wird auf Seite 243 eine aus zwei hintereinander geschalteten Operationsverstärkern bestehende Anordnung beschrieben, bei der sich die Einflüsse der Offsetspannung und Offsetspannungsdriften gegenseitig kompensieren. Diese Methode ist jedoch nur dann erfolgversprechend, wenn Exemplarstreuungen zwischen den beiden Operationsverstärkern vernachlässigt werden.
  • Die oben beschriebene, dem Stand der Technik entsprechende Regeleinrichtung mit einer Sauerstoffsonde zur Erfassung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses arbeitet solange zufriedenstellend, solange der Knick in der Sondenausgangsspannung bei dem Wert A =1 zur Regelung benutzt wird.
  • In verschiedenen Fällen kann es sich jedoch als günstig erweisen, zur Erzielung optimaler Gas- und Verbrauchswerte das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen auf Werte im Bereich 1,05 ≤ λ ≤ 1,4 einzuregeln. Unter Verwendung der bekannten Lambda-Sonden ergeben sich für diesen Lambda-Wertebereich Sondenausgangsspannungen im Bereich 50 mV ≥ U ≥ 10mV. Aufgrund der in diesem Lambda-Wertebereich sehr geringen Steigung der Sondenkennlinie ergeben sich schon durch geringe Driften der das Sondenausgangssignal weiterverarbeitenden Regelverstärker große Fehler in der Bestimmung des Lambda-Istwertes. Nimmt man beispielsweise den Lambda-Istwert zu A =1,20 an, so entspricht dies einer Sondenausgangsspannung von ca. 20 mV. Vergleicht man diesen Sondenausgangsspannungswert mit den Offsetwerten der in der Kfz-Elektronik verwendeten Standard-Operationsverstärker, wie z.B. dem LM 2902, dem LM 224A, dem SE 535 oder dem CA 3240, so zeigt sich, daß die Gesamtdrift als Summe der Offsetspannung und der Offsetspannungsdrift über den Temperaturbereich von -40°C bis +850C zwischen 2 mV und 10 mV, also bis zu 50% des benutzten Signals beträgt. Es ist klar, daß mit einer derartigen Anordnung nur unbefriedigende Ergebnisse hinsichtlich Abgas- und Verbrauchswerten zu erzielen sind. Der Verwendung von hochpräzisen Meßverstärkern, wie z.B. Chöpper-Verstärkern steht neben den hohen Kosten eine ungenügende Robustheit im rauhen Kfz-Betrieb sowie eine Inkompatibilität hinsichtlich der Versorgungsspannungen (häufig bipolar) entgegen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Regelung insbesondere des Luft-Brennstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt man dagegen mit einfachen, kostengünstigen Schaltungsmitteln eine hochpräzise Erfassung und Auswertung der Sondenausgangsspannung und eine sehr genaue Bestimmung des Lambda-Istwertes. Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, daß der die Sondenausgangsspannung erfassende Operationsverstärker als Subtrahierverstärker beschaltet ist und somit der Fehler durch Potentialdifferenzen zwischen den Masseanschlüssen der Lambda-Sonde und der Auswerteschaltung, die einige Millivolt betragen können, unterdrückt wird.
  • Weitere Vorteile der Erfindung und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Beschreibungsteil näher erläutert. Es zeigen Figur 1a das Ausgangssignal einer Sauerstoffsonde in Abhängigkeit von Lambda, Figur 1b die ausschnittsweise Vergrößerung der Sondenkennlinie für Lambda-Werte in der Umgebung von A =1,20 und die Änderung der Sondenkennlinie mit der Temperatur T der Sauerstoffsonde als Parameter, Figur 2 einen als Subtrahierverstärker beschalteten Operationsverstärker zur Erläuterung des Einflusses der Offsetspannung, Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Regeleinrichtung, Figur ein zweites Ausführungsbeispiel der Regeleinrichtung sowie Figur 5 den für die erfindungsgemäße Einrichtung experimentiell bestimmten Temperaturgang der Eingangsoffsetspannung mit der Eingangsspannung als Parameter.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 1a ist das Ausgangssignal einer Sauerstoffsonde über Lamdba aufgetragen. Für Lambdawerte λ<1,0 weist die Ausgangsspannung hohe Werte im Bereich 1000 mV auf. Für A =1 tritt ein Spannungssprung in der Sondenkennlinie auf, so daß für Lambdawerte λ >1,0 die Sondenausgangsspannung Werte Us<50 mV annimmt. Bekannte Regelanordnungen nutzen den Potentialsprung für Ä =1 zur Regelung des Luft-Kraftstoffverhältnisses aus. Dazu wird beispielsweise ein Schwellwert auf ca. 500 mV festgelegt und mit Hilfe einer Zweipunkt-Regelung auf den Wert λ =1 geregelt.
  • Die Verhältnisse ändern sich beträchtlich, wenn in einer Magerregelung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis beispielsweise auf den Wert A =1,20 eingeregelt wird. Aus Figur 1b, einer Ausschnittsvergrößerung der Figur 1a ist ersichtlich, daß zum Wert A =1,20 eine Sondenausgangsspannung von ca. 21 mV gehört. Die Steigung der Sondenkennlinie ist hier derart gering, daß ein Fehler in der Bestimmung der Sondenausgangsspannung von ΔUs = 1 mV eine Ungenauigkeit in Lambda von Δλ =.01 hervorruft. Des weiteren ist aus der Figur 1b die Temperaturabhängigkeit der Sondenkennlinie ersichtlich. Eine Änderung der Betriebstemperatur TS der beheizten Sonde, die unter wechselnden Lastbedingungen aufgrund der verschiedenen Abgastemperaturen auftritt, im Bereich von T5=400°C bis TS=6500C macht sich hinsichtlich des Fehlers in der Bestimmung von Lambda in der gleichen Weise bemerkbar, wie ein Fehler in der Sondenausgangsbestimmung von 1 mV. Verzichtet man auf eine Kompensation der temperaturbedingten Driften der Sondenkennlinie und soll die elektronische Schaltungsanordnung zu keiner wesentlichen Erhöhung des Gesamtfehlers führen, so ergibt sich die Forderung nach einer Kompensation der Eingangsoffsetspannung auf Werte unter ca. 0,1 mV.
  • Figur 2 dient zur Verdeutlichung der im weiteren verwendeten Größen. Mit 10 ist ein Operationsverstärker bezeichnet, dessen Pluseingang über einen Widerstand 11 mit einer Spannung U2 sowie über einen Widerstand 12 mit einer Kompensationsspannung UK beaufschlagt wird. Der Minuseingang des Operationsverstärkers 10 ist über einen Widerstand 13 mit der Eingangsspannung U1 verbunden, wobei zwischen dem Widerstand 13 und dem Minuseingang eine mit UOff bezeichnete Spannungsquelle geschaltet ist, die symbolisch für alle Offsetspannungseinflüsse eingezeichnet ist. Vom Verbindungspunkt dieser Spannungsquelle UOff und dem Widerstand 13 führt ein Rückkoppelwiderstand 14 zum Ausgang des Operationsverstärkers 10, an dem die Ausgangsspannung UA abzunehmen ist. Über einen Schalter 15 läßt sich die Verbindung der Spannungsquelle U2 mit dem Widerstand 11 unterbrechen, während mit einem komplementär zu betätigenden Schalter 16 die Eigangsspannung U1 auch auf den Pluseingang gelegt werden kann.
  • Unter Verwendung der Größe V = R14/R13 und V' = R12/R11 ergibt sich die Ausgangsspannung UA der Schaltungsanordnung zu:
    Figure imgb0001
  • Im Idealfall, wenn die Offsetspannung sowie die Kompensationsspannung UK identisch 0 und das Widerstandsverhältnis V = V' ist, reduziert sich diese Gleichung auf
    Figure imgb0002
    d.h., daß die Ausgangsspannung Werte proportional zur Eingangsspannungsdifferenz mit dem durch das Widerstandsverhältnis V gegebenen Proportionalitätsfaktor annimmt. Läßt man die Bedingung Uoff=0 fallen, so ergibt sich der für den idealen Operationsverstärker erhaltene Wert der Ausgangsspannung nur dann, wenn eine Kompensationsspannung UK mit
    Figure imgb0003
    über den Widerstand 12 am Pluseingang des Operationsverstärkers 10 unterlagert wird.
  • Die Bestimmung des Wertes der Kompensationsspannung UK laßt sich durch eine geeignete Betätigung der Schalter 15 und 16 durchführen. Während des normalen Meßbetrie- bes werden periodisch kurzzeitige Kompensationsphasen eingeschoben, in denen der Schalter 15 beispielsweise für 1 ms geöffnet und der komplementär zu betätigende Schalter 16 für den gleichen Zeitraum geschlossen wird. Für diesen Zeitraum ist die Eingangsspannungsdifferenz U2-U1 = 0, so daß es mit einer noch zu beschreibenden Regeleinrichtung möglich ist, die Kompensationsspannung UK in der Weise zu verändern, daß auch die Ausgangsspannung UA den Wert 0 annimmt. Dieser Wert der Kompensationsspannung UK, der im Allgemeinfall, wenn auch die Voraussetzung gleicher Widerstandsverhältnisse V, V' fallengelassen wird, den Wert
    Figure imgb0004
    annimmt, wird in Haltegliedern auf analoge oder digitale. Art bis zur nächsten Kompensationsphase gespeichert.
  • Die Augangsspannung des abgeglichenen Verstärkers ergibt sich zu
    Figure imgb0005
    so daß nach einem Abgleich der Einfluß der Offsetspannung eliminiert ist. Der Wert der Ausgangsspannung bei nicht exakt gleichen Widerstandsverhältnissen V, V' weicht vom Idealwert nur sehr geringfügig ab, so daß die daraus resultierende Ungenauigkeit im Regelfall zu vernachlässigen ist. Wird beispielsweise ein Widerstandsverhältnis V, V' von 100 angestrebt und besitzen die verwendeten Widerstände R12, R11 eine Toleranz von +-2%, so ergibt sich eine Abweichung vom Idealwert von weniger als 1 Promille.
  • Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 dient zum einen der Darstellung des beschriebenen Kompensationsverfahrens in digitaler Version und zum anderen der Erläuterung einer weiteren Methode zur Unterdrückung des Einflusses der Offset-Spannungen. Da sich die beiden Kompensationsmethoden vom schaltungstechnischen Aufwand nicht sonderlich unterscheiden, wurde in Figur 3 ein Schalter 19 eingeführt, mit dessen Hilfe die jeweilige Kompensationsmethode anwählbar ist. Mit 20 ist die schon in Figur 2 beschriebene Subtrahierstufe bezeichnet, wobei die Bezugszeichen beider Figuren übereinstimmen. Die Ausgangsspannung einer mit 21 bezeichneten Sauerstoffsonde, die im Ersatzschaltbild durch die Serienschaltung einer Spannungsquelle US und eines Innenwiderstandes 22 wiedergegeben ist, wird der Subtrahierstufe 20 als Eingangsspannungsdifferenz U2-U1 zugeführt. Im vorliegenden Fall ist die Sauerstoffsonde einseitig mit Masse verbunden, so daß U1=0 ist. Die Ausgangsspannung UA der Subtrahierstufe wird über einen Analog-Digital-Wandler 25 angeschlossen, der im Falle der Schaltstellung 2 des Schalters 19 ausgangsseitig mit dem Widerstand 12 verbunden ist. Andererseits erzeugt der Mikrocomputer 24 die Taktfrequenz zur Betätigung der Schalter 15 und 16, wobei der Schalter 15 über einen Inverter 26 angesteuert wird, so daß sich für beide Schalter ein komplementäres Schaltverhalten ergibt. Über die durch Pfeile angedeuteten Ausgänge des Mikrocomputers 24 werden Stellglieder und andere Einrichtungen zur Signalweiterverarbeitung beaufschlagt. Diese Ausgangsgrößen können durch andere den Zustand der Brennkraftmaschine charakterisierende Parameter, wie z.B. Temperatur, Leistungsabgabe oder Druck korrigiert werden. Zur Durchführung der zweiten Kompensationsmethode wird die Verbindung zwischen dem Digital-Analog-Wandler 25 und dem Widerstand 12 mittels des Schalters 19 unterbrochen und der Widerstand 12 in Schaltstellung 1 mit Masse verbunden.
  • Die Anordnung funktioniert ausgehend von der Schalterstellung 2 des Schalters 19 wie folgt: Ausgehend vom normalen Regelbetrieb, für den Schalter 15 geschlossen und Schalter 16 geöffnet ist, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 digitalisiert, dem Mikrocomputer 24 zugeführt, in Abhängigkeit von anderen Betriebsparameter korrigiert, weiterverarbeitet und den Stellgliedern zugeführt. Zur Kompensation betätigt der Mikrocomputer die Schalter 15 und 16, so daß die Eingangsspannung des Operationsverstärkers 10 den Wert Null annimmt. Die dann noch am Ausgang des Operationsverstärkers 10 vorhandene Ausgangsspannung uAD die alleine auf dem Einfluß der Offsetspannung zurückzuführen ist, wird im Mikrocomputer 24 entsprechend den hergeleiteten Zusammenhängen umgeformt und über den Digital-Analog-Wandler 25 als Kompensationsspannung UK dem Widerstand 12 zugeführt. Nach dem Wiederöffnen von Schalter 16 und -schließen von Schalter 15 bleibt dieser Spannungswert im Mikrocomputer 24 bis zur nächsten Kompensationsphase gespeichert. Durch die unbegrenzte Speicherzeit einer digitalen Speicherung ist es nicht notwendig, den Kompensationsvorgang allzu häufig bzw. periodisch zu wiederholen. So ist es z.B. möglich, die Kompensation während solcher Zeiträume durchzuführen, in denen eine Lambda-Regelung bzw. eine Lambda-Magerregelung nicht notwendig oder nicht durchführbar ist, wie in der Aufheizzeit der Sonde oder bei Vollastbetrieb bzw. Schubbetrieb der Brennkraftmaschine.
  • Zur Durchführung der zweiten Kompensationsmethode ist der Widerstand 12 mit einem konstanten Potential, dem Massepotential verbunden und der Digital-Analog-Wandler 25 entfällt (Schalter 19 in Position 1). Zur Kompensation werden wie im ersten Fall die Schalter 15 und 16 entsprechend betätigt, so daß die am Ausgang des Operationsverstärkers 10 auftretende Spannung alleine auf Offseteinflüssen zurückzuführen ist. Im Gegensatz zur ersten Methode wird hier jedoch nicht die Eingangsoffsetspannung durch Entgegenschalten einer Kompensationsspannung abgeglichen, sondern die Ausgangsoffsetspannung über den Analog-Digital-Wandler 23 im Mikrocomputer 2h digital gespeichert und nach Beendigung der Kompensations phase und erneuter Betätigung der Schalter 15 und 16 von den jeweiligen Ausgangsspannungswerten subtrahiert. Auch in diesem Fall kann die Kompensation periodisch wiederholt werden oder in Zeiträumen durchgeführt werden, in denen keine Lambda-Regelung notwendig oder möglich ist. Diese Methode beruht also auf der Tatsache, nicht die Eingangsoffsetspannung an sich zu kompensieren, sondern deren Einfluß am Verstärkerausgang zu messen und diesen Wert von der im normalen Regelbetrieb auftretenden Ausgangsgröße abzuziehen.
  • In Figur 4 ist eine analoge Version zur Speicherung und Kompensation der Eingangsoffsetspannung dargestellt. Die Ausgangsspannung des wie in Figur 3, Block 20 beschalteten Operationsverstärkers 10 gelangt über einen Schalter 30, der mit den gleichen Signalen wie Schalter 16 angesteuert wird, an einem mit dem Minuseingang eines Operationsverstärkers 32 verbundenen Widerstand 31. Der Minuseingang des Operationsverstärkers 32 ist über die Serienschaltung eines Widerstandes 33 und eines Kondensators 34 mit dem Ausgang vom Operationsverstärker 32 sowie mit dem Widerstand 12 verbunden. Die Ausgangssignale des Operationsverstärkers 10 gelangen weiterhin über einen Schalter 35 an einen als Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärker 36, dessen Ausgangssignal bezogen auf einen durch das Spannungsteilerverhältnis des Spannungsteilers bestehend aus den Widerständen 47 und 48 gegebenen Referenzspannungswert ein genaues Maß für die Sondenausgangsspannung darstellt. Der Pluseingang des Operationsverstärkers 36 ist über einen Kondensator 46 mit der Referenzspannung verbunden. Mit dieser von der Bordspannung abgeleiteten Referenzspannung wird ebenfalls der Pluseingang des Operationsverstärkers 32 beaufschlagt. Die Ansteuerung der Schalter 15, 16, 30, 35 zur Umschaltung von Regelbetrieb auf Kompensationsbetrieb erfolgt ausgehend von einem Spannungspuls mit einer Pulsdauer von ca. 1s. Dieser Puls steuert über ein Differenzierglied bestehend aus dem Widerstand 39' und dem Kondensator 38' und einen Inverter 37' den Schalter 15 für ca. 1 ms in den Offenzustand, gelangt über einen Inverter 37 zu den Schaltern 16 und 30 und versetzt diese für die gleiche Zeit in den Schließzustand. Über ein weiteres Differenzierglied, bestehend aus dem Kondensator 38 und dem Widerstand 39 wird der 1s-Impuls auf ca. 20 ms verkürzt, durch einen Inverter 40 invertiert und dem Schalter 35 zugeführt, so daß dieser Schalter mit Schalter 15 gleichzeitig öffnet aber erst nach einer Zeitdauer von ca. 20 ms, die durch die Zeitkonstante des Hochpasses bestimmt wird, schließt.
  • Zur Kompensation des Eingangs-Ruhestromes wird der Schalter 15 geöffnet und gleichzeitig der Schalter 16 und der Schalter 37 geschlossen. Die von der Eingangsoffsetspannung allein abhängige Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 gelangt über den geschlossenen Schalter 30 zu dem Minuseingang des als PI-Regler beschalteten Operationsverstärkers 32. Durch die Rückkopplung des Ausgangs dieses Operationsverstärkers 32 über den Widerstand 12 auf den Pluseingang des Operationsverstärkers 10 stellt sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 in der Weise ein, daß die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 10 den Wert Null annimmt und die Anordnung somit abgeglichen ist. Nach dem Öffnen des Schalters 30 bleibt die dieser Kompensationsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers 32 entsprechende Ladung im Kondensator 34 für eine aus dem sehr hohen Eingangswiderstand des FET-Operationsverstärkers 32 und dem Kapazitätswert des Kondensators 34 gegebener Zeitdauer gespeichert. Durch diese, wenn auch geringfügige Entladung des Kondensators 34 über den Eingang des Operationsverstärkers 32 ist in dieser analogen Version der Speichervorrichtung eine häufigere Durchführung der Kompensation notwendig. Der Schalter 35 wird mit einer Verzögerung von ca. 20 ms geschlossen, um die durch nicht dargestellte Eingangsfilter bedingte Einschwingzeit der Schaltungseinrichtung zu überbrücken. Während dieser Zeitdauer ist es günstig, den jeweils zuletzt gemessenen Lambda-Wert als aktuellen Lambda-Wert zu verwenden. Dazu dient der Kondensator 46 am Pluseingang des Operationsverstärkers 36, der während jeder Kompensationsphase den letzten aktuellen Wert der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 speichert. Nach Beendigung einer Kompensationssphase wird der Kondensator 46 sofort auf den neuen Wert umgeladen. Die Ausgangsspannung des Impedanzwandlers 36 gelangt zur Weiterverarbeitung an weitere Steuer- und Regeleinheiten.
  • In Figur 5 ist der experimentiell bestimmte Temperaturgang der Eingangsoffsetspannung eines Ausführungsbeispiels entsprechend dem der Figur 4 mit der Eingangsspannung UE im Bereich zwischen 10 und 40 mV als Parameter aufgetragen. Allen Kurven ist unabhängig vom speziellen Verlauf gemeinsam, daß die Eingangsoffsetspannung über einen Temperaturbereich von ca. 100° um weniger als +-50µV variiert. Diese Meßkurven bestätigen eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung, die es erlaubt, selbst für Magerregelungen bei extremen Lambda-Werten bis zu λ~1,80 den Lambda-Istwert mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Derartige Magerregelungen des Verbrennungsvorganges im Bereich λ> 1,50 erlangen insbesondere für Heizungsanlagen besondere Bedeutung.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einer auf dieses Verhältnis empfindlichen Sonde, insbesondere einer Sauerstoffsonde (Lamdba-Sonde) und einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der Ausgangsgröße der Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Schaltungsanordnung Mittel zur Kompensation des Offsetspannungseinflusses vorgesehen sind, die eine präzise Regelung des Luft-Brenstoff-Verhältnisses in einem Lambda-Wertbereich erlauben, in dem die Sondenausgangsgröße eine nur schwach ausgeprägte Abhängigkeit von der Sondeneingangsgröße aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung Operationsverstärker umfaßt und die Mittel zur präzisen Regelung in Schaltungsmaßnahmen zur Kompensation des Offset-Spannungseinflusses der Operationsverstärker bestehen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Offset-Spannungseinflusses einem Eingang eines Operationsverstärkers eine Eingangsgröße zugeführt wird, so daß die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers für Eingangsspannungen U-0 den Wert Null annimmt und daß der Wert dieser Eingangsgröße gespeichert wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Offset-Spannungseinflusses der Wert der Ausgangsgröße des Operationsverstärkers für UE=0 gespeichert und von den Ausgangsgrößen des Operationsverstärkers für UE fO subtrahiert wird.
5. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation des Offset- Spannungseinflusses mit einer vorwählbaren Wiederholfrequenz durchgeführt und die Kompensationsspannung gespeichert wird.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation des Offset- Spannungseinflusses in unregelmäßiger Folge, insbesondere dann durchgeführt wird, wenn eine Bestimmung des LambdaWertes nicht notwendig oder nicht durchführbar ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsgröße zur Kompensation des Offset-Einflusses analog gespeichert wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsgröße nach einer A/D-Wandlung beispielsweise in einem Mikrocomputer digital gespeichert und über eine D/A-Wandlung auf eine analoge Größe zurückgeführt wird.
9. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Auswertung der Ausgangsgröße der Sonde einen als Subtrahierverstärker geschalteten Operationsverstärker umfaßt, dessen Eingänge mit dem Ausgangssignal der Sonde beaufschlagt werden.
10. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Kompensation des Offset-Spannungseinflusses derart dimensioniert sind, daß eine Mager- und/oder Fettregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in der Umgebung von λ~1.2 baw λ~0.8 mit einer im Promillebereich liegenden, relativen Genauigkeit ermöglichen.
11. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Luft- Brennstoff-Verhältnisses ein stetiges Regelverhalten aufweist.
12. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung auch für extreme Magerregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bis zu Werten von Lambda ungefähr 1.8, die insbesondere bei Heizungsanlagen üblich und erwünscht sind, eingesetzt werden kann.
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