WO2007074021A1 - Broadband lambda probe - Google Patents

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WO2007074021A1
WO2007074021A1 PCT/EP2006/069159 EP2006069159W WO2007074021A1 WO 2007074021 A1 WO2007074021 A1 WO 2007074021A1 EP 2006069159 W EP2006069159 W EP 2006069159W WO 2007074021 A1 WO2007074021 A1 WO 2007074021A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
heater
lambda probe
nernst
broadband lambda
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/069159
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Wahl
Lothar Diehl
Thorsten Ochs
Helge Schichlein
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a two-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine having a pumping cell with an external pumping electrode and an internal pumping electrode, which further comprises a Nernst cell with a Nernst electrode and a reference electrode, and having a heater with a first heater port and a second heater port for heating the two-cell broadband lambda probe.
  • the invention further relates to a single-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine having a combined pump / Nernst cell with an external pump / reference electrode and an internal pump / Nernst electrode and a heater having a first heater port and a second heater port for heating the single cell broadband lambda probe.
  • the invention also relates to a method for operating a broadband lambda probe, which is designed as a single-cell broadband lambda probe or as a two-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the broadband Lambda probe has a heater.
  • Lambda sensors are used in the exhaust system of internal combustion engines for measuring the oxygen content of the exhaust gas in order to control the preparation of the fuel-air mixture of the internal combustion engine.
  • the voltage difference In a fuel-lean and thus oxygen-rich mixture, the voltage difference is lower, in a fuel-rich, oxygen-poor mixture, the voltage difference increases up to about 0.9V.
  • a broadband lambda probe is operated at a temperature of about 750.degree.
  • the broadband lambda probe is heated electrically in addition to being heated by the exhaust gas. In this case, it is first heated with high power for rapid heating and operated in stationary operation with a pulsed operating voltage with lower average power.
  • the connections of the heating according to the prior art are led out of the broadband lambda probe separately from the connections of the Nernst and pump cells. Otherwise, the voltage drop across a contact resistance in the supply line of the heater could falsify the measurement. Under practical conditions, such a voltage drop may well be IV and thus exceed the measured Nernst voltage of 0.45V.
  • merging ports would be desirable for cost reasons.
  • the object of the invention relating to the device is achieved in that the first heater connection or the second heater connection of the two-cell broadband lambda probe is connected to one of the connections of the pumping cell or the Nernst cell and in that a control device for a clocked Operation of the heater and is intended for signal evaluation.
  • the object of the invention relating to the device is achieved in that the first heater port or the second heater port of the single-cell broadband lambda probe is connected to one of the ports of the combined pump / Nernst cell and a control device for a clocked operation of the heater and is intended for signal evaluation.
  • Lambda probe which is briefly evaluated as a combined Nernst cell combined pump / Nernst cell only when the heater is not operated. Since no voltage drop in possible contact resistances occurs with an electroless heater, these can not disturb the measurement and connections of heater and Nernst cell or pump cell or heater and a combined pump / Nernst cell can be summarized at the broadband lambda probe. As a result, connection cable and plug contacts can be saved, which costs can be saved. For a broadband probe, which requires a five-pin plug according to the prior art, a cost-effective four-pin standard plug can be used, for example, by the improvement according to the invention.
  • the heater can be switched to battery earth with an Iow-side FET and thus be operated in a clocked manner.
  • the pumping current of the pumping cell can be provided both in the on and in the off phase of the heater in order to achieve a sufficient pumping power.
  • the heater with a high-side FET can be switched to battery voltage and thus operated clocked, so that in the off phases of Heater an undisturbed measurement of the Nernst voltage can be made, although the electrodes of the broadband lambda probe are connected to the heater.
  • the pumping current of the pumping cell can be provided both in the on and in the off phase of the heater.
  • the first heater connection is connected to the outer pumping electrode of the pumping cell and both are connected to a battery ground and a ground connection is established via the housing of the two-cell broadband lambda probe and conductive parts of the internal combustion engine or of its exhaust gas line the ground connection of the two-cell broadband Lambda probe via a connector omitted, which allows additional cost savings.
  • a further embodiment of a two-cell broadband lambda probe in which a plug connection can be saved compared to the prior art, provides that the first heater connection is connected to the inner pumping electrode and both are connected to the battery earth. Also in this embodiment can be done by the alternate operation of heating and measurement a low-interference signal evaluation.
  • the first heater port is connected to the inner pump / Nernst electrode of the combined pump / Nernst cell at a junction, in one mode connecting the junction to a battery ground and then the heater is operating the single cell broadband Heated lambda probe and the combined pump / Nernst cell operates as a pumping cell, and is not operated in another mode of operation of the heater and the combined pump / Nernst cell, at least temporarily operated as a Nernst cell, can also in a single-cell broadband lambda probe a connection saved on a connector and the associated supply line.
  • the combined pump / Nernst cell is operated only for a short time as a Nernst cell and works for the rest of time in this phase as a pumping cell.
  • the first heater port is connected to the pump internal / Nernst electrode of the combined pump / Nernst cell at a junction, in one mode connecting the junction to a battery voltage and then the heater is single cell broadband Lambda probe heated and the combined pump / Nernst cell operates as a pumping cell, and is operated in another mode of operation of the heater and the combined pump / Nernst cell, at least temporarily, operated as a Nernst cell.
  • the object of the invention relating to the method is achieved in that the heater is not operated during the measurement of the Nernst voltage of the broadband lambda probe.
  • a contact resistance at a connection to the heater and the voltage drop following it at a powered heater can not adversely affect the measurement accuracy of the Nernst cell or the pumping current through the pump cell, even if it uses a common connection to the control unit with the heater.
  • the shutdown phase of the heater and thus the measurement phase of the Nernst cell be selected short and still maintained by the Nernst cell current through the pumping cell continuously maintained.
  • a short shutdown phase of the heater is also advantageous because it allows a low supply voltage of the heater can be used and still a sufficient average heating power can be provided.
  • FIG. 1a shows a two-cell broadband lambda probe with a common connection of heater and pump cell to battery voltage
  • FIG. 2 shows the two-cell broadband lambda probe with common connection of heater and pump cell to battery mass
  • FIG. 3 shows a single-cell broadband lambda probe with Iow-side FET
  • FIG. 4 shows a block diagram for a single-cell, wide-band lambda probe with high-side FET.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of a two-cell broadband lambda probe with a reduced number of cables.
  • FIG. 1a shows a block diagram for a two-cell broadband lambda probe 2 with a pump cell 10, a Nernst cell 11 and a heater 12, which are connected to a control unit 30 via a plug connector 20.
  • the pump cell 10, the Nernst cell 11 and the heater 12 are summarized in a structural unit according to the prior art and protrude into an exhaust passage of an internal combustion engine, not shown here.
  • the pump cell 10 has an outer pump electrode 10.1 and an inner pump electrode 10.2 and a pump cell internal resistance 15.
  • the pump cell internal resistance 15 is shown here schematically as a separate component and is the resistance of the ceramic component at the operating temperature.
  • the inner pump electrode 10. 2 is electrically connected to a Nernst electrode 11. 1 of the Nernst cell 11.
  • the other electrode of the Nernst cell 11 is formed by a reference electrode 11.2.
  • the Nernst cell 11 has a Nernst cell internal resistance 14, which is shown schematically as a separate component.
  • the outer pumping electrode 10. 1 and a first heater connection 12. 1 of the heater 12 are connected to a battery voltage 40 via a first connection point 21 of the plug connector 20.
  • a second heater port 12.2 of the heater 12 is connected via a fourth connection point 24 of the connector 20 with an Iow-side FET 51, which in turn is connected to a battery ground 44.
  • the Iow-side FET 51 is a field-effect transistor disposed between the second heater terminal 12. 2 connected to the low potential of the heater 12 and the battery ground 44.
  • the Nernst electrode 11.1 and the reference electrode 11.2 of the Nernst cell 11 are connected to the control unit 30 via a second and a third connection point 22, 23 of the connector 20.
  • the voltage of the Nernst cell 11 is at least partially compensated by a reference voltage source 31, which outputs a voltage of 0.45 V and acts on the non-inverting input of a differential amplifier 34.
  • the reference electrode 11.2 is connected to the inverting input of Differential amplifier 34 connected.
  • the differential amplifier 34 is supplied with an operating voltage 42 which is at least 2.5V higher than the battery voltage 40 in order to be able to provide a sufficient pump voltage even at high Nernst voltage and despite a voltage drop across the pump cell internal resistance 15, which causes the required pumping current , In a typical application, a battery voltage 40 of 13V must be expected, so that the operating voltage 42 must be at least 15.5V.
  • the output of the differential amplifier 34 is connected via a resistor 32 to the battery voltage 40 and the external pumping electrode 10.1.
  • a lambda signal 43 of the differential amplifier 34 causes a current through the resistor 32 and thus causes a voltage drop between the inputs of a second differential amplifier 33, which generates an output signal 41 of the two-cell broadband lambda probe 2.
  • the lambda signal 43 is further supplied to an inverter 35 whose non-inverting input is connected to the battery voltage 40.
  • the output of the inverter 35 acts on a controllable voltage source 37, which is connected via a load resistor 36 to the negative side of the reference voltage source 31.
  • the outer pumping electrode is located
  • the Nernst electrode 11.1 lie in a cavity which is exposed to the exhaust gas via a diffusion barrier and whose oxygen concentration can be controlled by means of the pumping cell 10.
  • the reference electrode 11.2 is facing the outside air or a similar gas mixture. If the arrangement is exposed to exhaust gas with a lambda of 1, the Nernst cell 11 generates an output voltage which corresponds to the voltage of the reference 31.
  • both inputs are at the same voltage, so that it emits a mean output signal that sets the voltage source 37 so that its output voltage corresponds to the battery voltage 40 and between the outer pump electrode 10.1 and the inner pumping electrode 10.2 on the pumping cell 10 is no voltage difference. If lean and therefore oxygen-rich exhaust gas reaches the arrangement, the voltage at the Nernst cell 11 drops below the voltage value of the reference voltage source 31, so that the lambda signal 43 at the output of the differential amplifier 34 rises and a positive output signal 41 is generated at the second differential amplifier 33. The inverter 35 converts the positive lambda signal 43 into an output signal which sets the voltage source 37 at a lower voltage than the battery voltage 40.
  • the voltage at Nernstzelle 11 increases above the voltage value of the reference voltage source 31, so that the lambda signal 43 at the output of the differential amplifier 34 drops and, based on the battery voltage 40, negative output signal 41 at the second differential amplifier 33rd is produced.
  • the inverter 35 converts the negative lambda signal 43 into an output signal that sets the voltage source 37 at a higher voltage than the battery voltage 40. There is therefore a voltage difference between the outer pumping electrode 10.1 and the inner pumping electrode 10.2 on the pumping cell 10, which causes a pumping current via the load resistor 36, which transports oxygen into the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pumping electrode 10.2.
  • the heater 12 is connected to the first heater terminal 12. 1 with the battery voltage 40.
  • the second heater terminal 12.2 is connected via the fourth connection point 24 in the connector 20 to the Iow-side FET 51, which depends on the internal resistance.
  • controlled state 53 controls the second heater connection 12.2 connects with battery ground 44 and so the heater 12 is activated.
  • the internal resistance control 53 has as input the temperature-dependent internal resistance of the Nernst- cell 11 and thus regulates the temperature of the assembly to a typical operating temperature of 750 ° C. In synchronism with the timing of the internal resistance control 53, the measurement of the Nernst voltage of the Nernst cell 11 is activated and deactivated. If the heater were not operated clocked, a voltage drop at the line connected to the first connection point 21 would also change the voltage at the pump cell 10 and the Nernst cell 11 and thus disturb their function or the measurement of the Nernst voltage.
  • FIG. 1 b shows the two-cell broadband lambda probe 2 with pumping current generation in another embodiment.
  • the output of the inverter 35 acts via a base resistor 39 on an NPN transistor 38 whose collector is connected to the operating voltage 42, which is at least 2.5V higher than the battery voltage 40.
  • the emitter of the transistor is connected via a second load resistor 36. 1 to the battery ground 44.
  • the emitter of the transistor 38 is connected via the load resistor 36 to the negative side of the reference voltage source 31. If lean and thus oxygen-rich exhaust gas reaches the arrangement, the inverter 35 generates an output signal that is lower than the battery voltage 40.
  • the emitter of the transistor 38 is therefore also at a potential lower than the battery voltage 40. This causes a voltage difference between the outer pumping electrode 10.
  • the transistor 38 opens and connects the inner pumping electrode 10. 2 to a potential which is higher than the battery voltage 40. Therefore, oxygen is transported into the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pumping electrode 10.2.
  • FIG. 2 shows an arrangement for the two-cell broadband lambda probe 2, in which the common line of outer pumping electrode 10.1 and first heater connection 12.1 is connected to the battery ground 44.
  • the operating voltage 42 of the differential amplifier 34 is at least 2.5V.
  • a second operating voltage 42.1 of the differential amplifier 34 is lower than -2.5V.
  • the output of the differential amplifier 34 is connected to the battery ground 44 via the resistor 32.
  • the lambda signal 43 is then the same as the battery mass 44 and no voltage drop occurs at the resistor 32.
  • the inputs of the inverter 35 are both also at the same potential as the battery ground 44, so that its output signal controls the voltage source 37 so that its output is the same high as the battery ground 44 and no pumping current is driven through the pumping cell 10 ,
  • the inverter 35 When the two-wavelength broadband lambda probe 2 is supplied with lean exhaust gas, the inverter 35 generates an output signal which controls the voltage source 37 so that its output voltage is lower than the battery voltage 40 and the internal pumping electrode 10.2 is therefore also at a lower potential than the outside - Pump electrode 10.1 is located. As a result, oxygen is transported out of the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pumping electrode 10.2.
  • the pumping current source can also be realized according to the embodiment shown in FIG.
  • the second heater connection 12.2 is connected to the battery voltage 40 via the fourth connection point 24 in the connector 20 via a high-side FET 52.
  • the high-side FET 52 is a field-effect transistor which is arranged between the second heater terminal 12. 2 connected to the high potential of the heater 12 and the battery voltage 40.
  • the high-side FET 52 is switched to passage by means of the internal resistance control 53. Again, in synchronism with the timing of the heater 12 through the internal resistance control 53, the measurement of the Nernst voltage of the Nernst cell 11 is activated and deactivated to avoid the negative effect of a possible voltage drop on the supply line connected to the third connection point 23.
  • 3 shows an arrangement for operating a single-cell broadband lambda probe 1.
  • / Nernstelektrode 13.2 is connected via the connector 20 to a digital pumping current regulator 50 in the control unit 30.
  • the outer pump / reference electrode 13.1 at the first connection point 21 and the inner pump / Nernst electrode 13.2 at the second connection point 22 are connected to the plug connector 20.
  • the combined pump / Nernst cell has an internal resistance 16, which is shown here schematically as a separate component.
  • the digital pump current regulator 50 outputs a digital lambda signal 45 to a motor control, not shown here.
  • the first heater connection 12.1 of the heater 12 is connected to the control unit 30 via the second connection point 22 together with the internal pump / Nernst electrode 13.2.
  • the heater 12 is connected at its second heater terminal 12.2 via the third connection point 23 and the Iow-side FET 51, controlled by the internal resistance control 53, with the battery ground 44.
  • the timing of the heater 12 causes the voltage of the short-term operated as a Nernst cell combined pump / Nernst cell 13 can be evaluated without interference from a possibly occurring at a contact resistance at the second connection point 22 or the wiring line voltage drop in the clock breaks.
  • the oxygen pumping process is briefly interrupted, exhaust gas passes through the diffusion barrier into the cell and the Nernst voltage deviating from the reference voltage of 0.45V is measured.
  • the Nernst voltage determines the polarity of the voltage of the subsequent pumping process and thus the direction of oxygen transport. If the internal resistance control 53 connects the second heater connection 12.2 to the battery ground 44, the combined pump / Nernst cell 13 is operated as a pump cell.
  • a connection point in the connector 20 can be saved.
  • FIG 4 shows an arrangement for operating a single-cell broadband lambda probe 1, in which the second heater terminal 12. 2 can be connected to the battery voltage 40 via the high-side FET 52. Again, the first heater port 12.1 of the heater 12 is connected together with the réellepump- / Nernstelektrode 13.2 of the combined pump / Nernst cell 13 via the second connection point 22 to the controller 30 and a connection point is saved compared to a separate supply of the heater 12.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the two-cell broadband lambda probe 2 with an operating device 60, in which the pump cell 10, the Nernst cell 11 and the heater 12 are connected in common to a housing of the two-cell broadband lambda probe 2 protruding into the exhaust gas.
  • the two-cell broadband lambda probe 2 is connected to the battery ground via metallic components of the internal combustion engine and its exhaust gas line. It is advantageous here that, compared to the embodiments shown in FIGS. 1 a, 1 b and 2, a further connection can be saved on the plug connector 20.
  • the Nernst cell internal resistance 14 and the pump cell internal resistance 15 are shown schematically here.
  • a contact resistance possibly occurring between the metallic components of the internal combustion engine or its exhaust gas line and the housing of the probe protruding into the exhaust gas is shown schematically.
  • the Nernst cell 11 is connected at the second connection point 22 of the connector 20 to the inverting input of the differential amplifier 34.
  • Your convincedpump- / Nernst electrode is connected via the compared to the Nernst cell internal resistance 14 low-resistance heater 12 via the third connection point 23 with the reference voltage source 31.
  • the low resistance of the heater 12 has the advantage that the measurement error is very low in the case of the low current flowing during the measurement of the Nernst voltage.
  • the reference voltage source 31 is connected to the non-inverting input of the differential amplifier 34, whose output signal is fed to a sample-and-hold circuit 62.
  • An output signal of the sample-and-hold circuit 62 is fed to a pumping current transformer 61 which supplies a pumping current via the first connection point 21 of the connector 20 to the pumping cell 10.
  • the high-side FET 52 connected to the battery voltage 40 is opened and activates the heater 12; this is see- indicated by the connection of the sample-and-hold circuit 62 with the high-side FET 52.
  • the voltage of the Nernst cell 11 is evaluated relative to the reference voltage source 31 in the differential amplifier 34 and kept constant the result by means of the sample-and-hold circuit 62 for the remainder of the clock cycle, so that the pumping current transformer 61 the Pump cell can provide the necessary pumping current.
  • the measurement in the clock break occurs at the moment of measuring the Nernst voltage at the Nernst cell 11 at the contact resistance 17 no falsifying the measurement voltage drop, although in this arrangement, a connection between the probe and the operating device 60 was saved by the connections of the heater 12 are not both connected directly to the control gear.

Abstract

The invention relates to a single-cell or two-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, especially in the exhaust gas of an internal combustion engine. Said probe comprises a pump cell with an outer pump electrode and an inner pump electrode, a Nernst cell with a Nernst electrode and a reference electrode, and a heater with a first heater connection and a second heater connection. If the first heater connection or the second heater connection is connected to one of the connections of the pump cell or of the Nernst cell and if a control device is provided for a clocked operation of the heater and for signal evaluation, or if the first heater connection or the second heater connection of the single-cell broadband lambda probe is connected to one of the connections of the combined pump/Nernst cell and if a control device is provided for a clocked operation of the heater and for signal evaluation, the clocked operation of heater and signal evaluation leads to the signals only being evaluated when the heater is not operated. Sincere there is no voltage drop on possible transition resistances in an idle heater, these resistances cannot disturb measurement and connections of the heater and the Nernst cell or of the pump cell or of the heater and a combined pump/Nernst cell can be combined on the broadband lambda probe. The design according to the invention allows connecting cables and plug contacts being saved, thereby reducing costs.

Description

Breitband-Lambdasonde Broadband lambda probe
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, die eine Pumpzelle mit einer Außenpumpelektrode und einer Innenpumpelektrode aufweist, die weiterhin eine Nernstzelle mit einer Nernst- elektrode und einer Referenzelektrode aufweist, und die einen Heizer mit einem ersten Heizeranschluss und einem zweiten Heizeranschluss zum Heizen der Zweizellen- Breitband-Lambdasonde aufweist.The invention relates to a two-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine having a pumping cell with an external pumping electrode and an internal pumping electrode, which further comprises a Nernst cell with a Nernst electrode and a reference electrode, and having a heater with a first heater port and a second heater port for heating the two-cell broadband lambda probe.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, die eine kombinierte Pump-/Nernstzelle mit einer Außenpump-/Referenzelektrode und einer Innenpump-/Nernstelektrode aufweist und die einen Heizer mit einem ersten Heizeranschluss und einem zweiten Heizeranschluss zum Heizen der Einzellen-Breitband-Lambdasonde aufweist.The invention further relates to a single-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine having a combined pump / Nernst cell with an external pump / reference electrode and an internal pump / Nernst electrode and a heater having a first heater port and a second heater port for heating the single cell broadband lambda probe.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer Breitband- Lambdasonde, welche als Einzellen-Breitband-Lambdasonde oder als Zweizellen- Breitband-Lambdasonde ausgebildet ist, zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Breitband-Lambdasonde einen Heizer aufweist.The invention also relates to a method for operating a broadband lambda probe, which is designed as a single-cell broadband lambda probe or as a two-cell broadband lambda probe for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the broadband Lambda probe has a heater.
Lambdasonden werden im Abgasstrang von Brennkraftmaschinen zur Messung des Sauerstoffgehalts des Abgases eingesetzt, um die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft- Gemischs der Brennkraftmaschine zu steuern. Lambdasonden auf Basis von Zir- kondioxid- Keramik nutzen den Effekt, dass Zirkondioxid ab einer Temperatur von ca. 300°C für Sauerstoffionen durchlässig ist und eine Spannungsdifferenz, die so genannte Nernstspannung, entsteht, wenn auf zwei Seiten der Keramik eine unterschiedliche Sauerstoffkonzentration herrscht. Wird ein solches Keramikbauteil (Messzelle) auf einer Seite dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzt und auf der anderen Seite der Umgebungsluft, beträgt bei einem der Brennkraftmaschine zugeführten stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch (Lambda = 1) die Spannungsdifferenz ca. 0,45V. Bei einem kraftstoffarmen und damit sauerstoffreichen Gemisch ist die Spannungsdifferenz geringer, bei einem kraftstoffreichen, sauerstoffarmen Gemisch erhöht sich die Spannungsdifferenz auf bis zu ca. 0,9V. Die Spannung ändert sich dabei sprunghaft im Bereich des stöchiometrischen Kraftstoff- Luft-Gemischs, so dass eine Messung des Sauerstoffgehalts außerhalb eines Bereiches von Lambda = 0,995 bis Lambda = 1,005 nicht möglich ist.Lambda sensors are used in the exhaust system of internal combustion engines for measuring the oxygen content of the exhaust gas in order to control the preparation of the fuel-air mixture of the internal combustion engine. Lambda probes based on zirconia ceramics use the effect that zirconia can be used from a temperature of approx. 300 ° C is permeable to oxygen ions and a voltage difference, the so-called Nernst voltage, arises when there is a different oxygen concentration on two sides of the ceramic. If such a ceramic component (measuring cell) is exposed on one side to the exhaust gas of the internal combustion engine and on the other side of the ambient air, the stoichiometric fuel-air mixture (lambda = 1) supplied to one of the internal combustion engines amounts to approximately 0.45V. In a fuel-lean and thus oxygen-rich mixture, the voltage difference is lower, in a fuel-rich, oxygen-poor mixture, the voltage difference increases up to about 0.9V. The voltage changes abruptly in the region of the stoichiometric fuel-air mixture, so that a measurement of the oxygen content outside a range of lambda = 0.995 to lambda = 1.005 is not possible.
Für den sparsamen und schadstoffarmen Betrieb von Brennkraftmaschinen ist es erforderlich, auch Kraftstoff-Luft-Gemische außerhalb von Lambda = 1 zu benutzen und zu überwachen. Hierzu dienen Breitband-Lambdasonden. Die der Umgebungsluft abgewandte Seite der Messzelle ist von einem Hohlraum mit steuerbarem Sauerstoffgehalt gebildet. Neben dem Einfluss von durch eine Diffusionsbarriere in den Hohlraum eintretenden Abgas wird der steuerbare Sauerstoffgehalt auf dieser Seite der Messzelle mit einem weiteren Bauteil aus Zirkondioxid- Keramik (Pumpzelle) erzeugt. An dieses wird eine Spannung angelegt, wodurch ein Strom fließt, der Sauerstoffionen in eine wählbare Richtung transportiert. Im Bereich zwischen beiden Keramikbauteilen kann so die Sauerstoffkonzentration erhöht und erniedrigt werden, so dass die Messzelle in einem Bereich betrieben werden kann, der den Verhältnissen nahe Lambda = 1 entspricht. Der erforderliche Pumpstrom durch die Pumpzelle ist in einem weiten Bereich ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas.For the economical and low-emission operation of internal combustion engines, it is necessary to use and monitor fuel-air mixtures outside Lambda = 1. This purpose is served by broadband lambda probes. The side of the measuring cell facing away from the ambient air is formed by a cavity with controllable oxygen content. In addition to the influence of entering through a diffusion barrier into the cavity exhaust gas, the controllable oxygen content is generated on this side of the measuring cell with another component of zirconia ceramic (pump cell). A voltage is applied to this, causing a current to flow that carries oxygen ions in a selectable direction. In the area between the two ceramic components, the oxygen concentration can thus be increased and decreased, so that the measuring cell can be operated in a range which corresponds to the ratios near lambda = 1. The required pumping current through the pumping cell is in a wide range a measure of the oxygen concentration in the exhaust gas.
Für einen ausreichend schnellen Transport der Sauerstoffionen wird eine Breitband- Lambdasonde bei einer Temperatur von etwa 750°C betrieben. Um eine schnelle Betriebsbereitschaft zu gewährleisten wird die Breitband-Lambdasonde zusätzlich zur Erwärmung durch das Abgas elektrisch beheizt. Hierbei wird sie zum schnellen Aufheizen zunächst mit hoher Leistung beheizt und im stationären Betrieb mit einer getakteten Betriebsspannung mit niedrigerer mittlerer Leistung betrieben. Um eine Beeinflussung von Nernstzelle und Pumpzelle durch die Heizung zu verhindern, sind die Anschlüsse der Heizung gemäß dem Stand der Technik getrennt von den Anschlüssen von Nernst- und Pumpzelle aus der Breitband-Lambdasonde herausgeführt. Anderenfalls könnte der Spannungsabfall an einem Übergangswiderstand in der Zuleitung der Heizung die Messung verfälschen. Unter Praxisbedingungen kann ein solcher Spannungsabfall durchaus IV betragen und damit die zu messende Nernstspannung von 0,45V übersteigen. Eine Zusammenlegung von Anschlüssen wäre andererseits aus Kostengründen wünschenswert.For a sufficiently fast transport of the oxygen ions, a broadband lambda probe is operated at a temperature of about 750.degree. In order to ensure fast operational readiness, the broadband lambda probe is heated electrically in addition to being heated by the exhaust gas. In this case, it is first heated with high power for rapid heating and operated in stationary operation with a pulsed operating voltage with lower average power. To one Preventing Nernst cell and pump cell from being affected by the heating, the connections of the heating according to the prior art are led out of the broadband lambda probe separately from the connections of the Nernst and pump cells. Otherwise, the voltage drop across a contact resistance in the supply line of the heater could falsify the measurement. Under practical conditions, such a voltage drop may well be IV and thus exceed the measured Nernst voltage of 0.45V. On the other hand, merging ports would be desirable for cost reasons.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Zusammenfassung von Verbindungsleitungen an einer Breitband-Lambdasonde gestatten, ohne deren Messgenauigkeit negativ zu beeinflussen.It is therefore an object of the invention to provide a device that allow a summary of connecting lines to a broadband lambda probe, without affecting the accuracy of measurement negative.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, dafür ein Verfahren bereit zu stellenIt is a further object of the invention to provide a method therefor
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde wird die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass der erste Heizeranschluss oder der zweite Heizeranschluss der Zweizellen- Breitband-Lambdasonde mit einem der Anschlüsse der Pumpzelle oder der Nernstzelle verbunden ist und dass ein Steuergerät für einen getakteten Betrieb des Heizers und für eine Signalauswertung vorgesehen ist.For a two-cell broadband lambda probe, the object of the invention relating to the device is achieved in that the first heater connection or the second heater connection of the two-cell broadband lambda probe is connected to one of the connections of the pumping cell or the Nernst cell and in that a control device for a clocked Operation of the heater and is intended for signal evaluation.
Für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde wird die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass der erste Heizeranschluss oder der zweite Heizeranschluss der Einzellen-Breitband-Lambdasonde mit einem der Anschlüsse der kombinierten Pump-/Nernstzelle verbunden ist und dass ein Steuergerät für einen getakteten Betrieb des Heizers und für eine Signalauswertung vorgesehen ist.For a single-cell broadband lambda probe, the object of the invention relating to the device is achieved in that the first heater port or the second heater port of the single-cell broadband lambda probe is connected to one of the ports of the combined pump / Nernst cell and a control device for a clocked operation of the heater and is intended for signal evaluation.
Durch den getakteten Betrieb von Heizer und Signalauswertung kann erreicht werden, dass die Signale der Nernstzelle oder, im Falle der Einzellen-Breitband- - A -Due to the clocked operation of the heater and signal evaluation, it is possible to ensure that the signals of the Nernst cell or, in the case of single-cell broadband - A -
Lambdasonde, der kurzzeitig als Nernstzelle betriebenen kombinierten Pump- /Nernstzelle nur dann ausgewertet werden, wenn der Heizer nicht betrieben wird. Da bei einem stromlosen Heizer kein Spannungsabfall an möglichen Übergangswiderständen auftritt, können diese die Messung nicht stören und Anschlüsse von Heizer und Nernstzelle oder Pumpzelle oder von Heizer und einer kombinierten Pump- /Nernstzelle können an der Breitband-Lambdasonde zusammengefasst werden. Hierdurch können Verbindungskabel und Steckkontakte eingespart werden, wodurch Kosten eingespart werden können. Für eine Breitbandsonde, die gemäß dem Stand der Technik einen fünfpoligen Stecker erfordert, kann beispielsweise durch die erfindungsgemäße Verbesserung ein kostengünstiger vierpoliger Standardstecker eingesetzt werden.Lambda probe, which is briefly evaluated as a combined Nernst cell combined pump / Nernst cell only when the heater is not operated. Since no voltage drop in possible contact resistances occurs with an electroless heater, these can not disturb the measurement and connections of heater and Nernst cell or pump cell or heater and a combined pump / Nernst cell can be summarized at the broadband lambda probe. As a result, connection cable and plug contacts can be saved, which costs can be saved. For a broadband probe, which requires a five-pin plug according to the prior art, a cost-effective four-pin standard plug can be used, for example, by the improvement according to the invention.
Ist bei einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss mit der Außenpumpelektrode der Pumpzelle und beide mit einer Batteriespannung verbunden, kann die Heizung mit einem Iow-side-FET an Batterie- Masse geschaltet und damit getaktet betrieben werden. Der Pumpstrom der Pumpzelle kann sowohl in der Ein- wie in der Ausschaltphase des Heizers bereitgestellt werden, um eine ausreichende Pumpleistung zu erreichen.In the case of a two-cell broadband lambda probe, if the first heater connection is connected to the pumping cell's external pumping electrode and both are connected to a battery voltage, the heater can be switched to battery earth with an Iow-side FET and thus be operated in a clocked manner. The pumping current of the pumping cell can be provided both in the on and in the off phase of the heater in order to achieve a sufficient pumping power.
Ist bei der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss mit der Außenpumpelektrode der Pumpzelle und beide mit einer Batterie- Masse verbunden, kann die Heizung mit einem high-side-FET an Batteriespannung geschaltet und damit getaktet betrieben werden, so dass in den Ausschaltphasen des Heizers eine ungestörte Messung der Nernstspannung erfolgen kann, obwohl die Elektroden der Breitband-Lambdasonde mit dem Heizer verbunden sind. Auch hier kann der Pumpstrom der Pumpzelle sowohl in der Ein- wie in der Ausschaltphase des Heizers bereitgestellt werden.In the case of the two-cell broadband lambda probe, the first heater connection to the pumping cell's external pumping electrode and both connected to a battery ground, the heater with a high-side FET can be switched to battery voltage and thus operated clocked, so that in the off phases of Heater an undisturbed measurement of the Nernst voltage can be made, although the electrodes of the broadband lambda probe are connected to the heater. Again, the pumping current of the pumping cell can be provided both in the on and in the off phase of the heater.
Ist bei einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss mit der Außenpumpelektrode der Pumpzelle und beide mit einer Batterie- Masse verbunden und ist eine Masseverbindung über das Gehäuse der Zweizellen-Breitband- Lambdasonde und leitfähige Teile der Brennkraftmaschine oder von deren Abgasstrang hergestellt, so kann die Masseverbindung der Zweizellen- Breitband- Lambdasonde über eine Steckverbindung entfallen, was eine zusätzliche Kosteneinsparung ermöglicht.In the case of a two-cell broadband lambda probe, the first heater connection is connected to the outer pumping electrode of the pumping cell and both are connected to a battery ground and a ground connection is established via the housing of the two-cell broadband lambda probe and conductive parts of the internal combustion engine or of its exhaust gas line the ground connection of the two-cell broadband Lambda probe via a connector omitted, which allows additional cost savings.
Eine weitere Ausführungsform einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde, bei der eine Steckverbindung gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden kann, sieht vor, dass der erste Heizeranschluss mit der Innenpumpelektrode und beide mit der Batterie- Masse verbunden sind. Auch in dieser Ausführung kann durch den abwechselnden Betrieb von Heizung und Messung eine störungsarme Signalauswertung erfolgen.A further embodiment of a two-cell broadband lambda probe, in which a plug connection can be saved compared to the prior art, provides that the first heater connection is connected to the inner pumping electrode and both are connected to the battery earth. Also in this embodiment can be done by the alternate operation of heating and measurement a low-interference signal evaluation.
Ist bei einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss mit der Innenpump-/Nernstelektrode der kombinierten Pump-/Nernstzelle an einer Verbindungsstelle verbunden, wobei in einer Betriebsweise die Verbindungsstelle mit einer Batterie- Masse verbunden ist und dann der Heizer die Einzellen-Breitband- Lambdasonde beheizt und die kombinierte Pump-/Nernstzelle als Pumpzelle arbeitet, und ist in einer anderen Betriebsweise der Heizer nicht betrieben und ist die kombinierte Pump-/Nernstzelle, zumindest zeitweise, als Nernstzelle betrieben, kann auch bei einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde ein Anschluss an einem Steckverbinder und die zugehörige Zuleitung eingespart werden. Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass in der Zeit, in der der Heizer nicht betrieben wird, die kombinierte Pump-/Nernstzelle nur kurzzeitig als Nernstzelle betrieben wird und für die übrige Zeit auch in dieser Phase als Pumpzelle arbeitet.In a single-band broadband lambda probe, the first heater port is connected to the inner pump / Nernst electrode of the combined pump / Nernst cell at a junction, in one mode connecting the junction to a battery ground and then the heater is operating the single cell broadband Heated lambda probe and the combined pump / Nernst cell operates as a pumping cell, and is not operated in another mode of operation of the heater and the combined pump / Nernst cell, at least temporarily operated as a Nernst cell, can also in a single-cell broadband lambda probe a connection saved on a connector and the associated supply line. In this case, it can also be provided that in the time in which the heater is not operated, the combined pump / Nernst cell is operated only for a short time as a Nernst cell and works for the rest of time in this phase as a pumping cell.
In einer anderen Ausführungsform der Einzellen-Breitband-Lambdasonde ist der erste Heizeranschluss mit der Innenpump-/Nernstelektrode der kombinierten Pump- /Nernstzelle an einer Verbindungsstelle verbunden, wobei in einer Betriebsweise die Verbindungsstelle mit einer Batteriespannung verbunden ist und dann der Heizer die Einzellen-Breitband-Lambdasonde beheizt und die kombinierte Pump-/Nernstzelle als Pumpzelle arbeitet, und in einer anderen Betriebsweise der Heizer nicht betrieben ist und die kombinierte Pump-/Nernstzelle, zumindest zeitweise, als Nernstzelle betrieben ist. Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Heizer während der Messung der Nernstspannung der Breitband-Lambdasonde nicht betrieben wird. Dadurch kann sich ein Übergangswiderstand an einer Verbindung zum Heizer und der daran bei einem betriebenen Heizer folgende Spannungsabfall nicht nachteilig auf die Messgenauigkeit der Nernstzelle oder den Pumpstrom durch die Pumpzelle auswirken, auch wenn diese mit dem Heizer eine gemeinsame Verbindung zum Steuergerät nutzt.In another embodiment of the single cell broadband lambda probe, the first heater port is connected to the pump internal / Nernst electrode of the combined pump / Nernst cell at a junction, in one mode connecting the junction to a battery voltage and then the heater is single cell broadband Lambda probe heated and the combined pump / Nernst cell operates as a pumping cell, and is operated in another mode of operation of the heater and the combined pump / Nernst cell, at least temporarily, operated as a Nernst cell. The object of the invention relating to the method is achieved in that the heater is not operated during the measurement of the Nernst voltage of the broadband lambda probe. As a result, a contact resistance at a connection to the heater and the voltage drop following it at a powered heater can not adversely affect the measurement accuracy of the Nernst cell or the pumping current through the pump cell, even if it uses a common connection to the control unit with the heater.
Wird beim Betrieb der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde während einer Phase, in der der Heizer betrieben wird, ein Strom durch die Pumpzelle durch eine Sample- and-Hold-Schaltung oder eine als Tiefpass wirkende Schaltungsanordnung aufrecht erhalten, kann die Abschaltphase des Heizers und damit die Messphase der Nernstzelle kurz gewählt werden und trotzdem der mittels der Nernstzelle bestimmte Strom durch die Pumpzelle kontinuierlich aufrecht erhalten werden. Eine kurze Abschaltphase des Heizers ist auch vorteilhaft, da dadurch eine niedrige Versorgungsspannung des Heizers benutzt werden kann und trotzdem eine ausreichende mittlere Heizleistung zur Verfügung gestellt werden kann.During operation of the two-cell broadband lambda probe during a phase in which the heater is operated, a current through the pump cell by a sample-and-hold circuit or acting as a low-pass circuit maintained, the shutdown phase of the heater and thus the measurement phase of the Nernst cell be selected short and still maintained by the Nernst cell current through the pumping cell continuously maintained. A short shutdown phase of the heater is also advantageous because it allows a low supply voltage of the heater can be used and still a sufficient average heating power can be provided.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
Figur Ia eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit gemeinsamer Verbindung von Heizer und Pumpzelle an Batteriespannung,FIG. 1a shows a two-cell broadband lambda probe with a common connection of heater and pump cell to battery voltage,
Figur Ib die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit einer modifiziertenFigure Ib, the two-cell broadband lambda probe with a modified
Pumpstromversorgung,Pump power supply,
Figur 2 die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit gemeinsamer Verbindung von Heizer und Pumpzelle an Batterie- Masse,FIG. 2 shows the two-cell broadband lambda probe with common connection of heater and pump cell to battery mass,
Figur 3 eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde mit Iow-side-FET,FIG. 3 shows a single-cell broadband lambda probe with Iow-side FET;
Figur 4 ein Blockschaltbild für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde mit high-side-FET, Figur 5 ein Schaltungsschema einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit reduzierter Kabelanzahl.FIG. 4 shows a block diagram for a single-cell, wide-band lambda probe with high-side FET. FIG. 5 shows a circuit diagram of a two-cell broadband lambda probe with a reduced number of cables.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Figur Ia zeigt ein Blockschaltbild für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mit einer Pumpzelle 10, einer Nernstzelle 11 und einer Heizung 12, die über einen Steckverbinder 20 an ein Steuergerät 30 angeschlossen sind. Die Pumpzelle 10, die Nernstzelle 11 und die Heizung 12 sind gemäß dem Stand der Technik in einer Baueinheit zusammengefasst und ragen in einen Abgaskanal einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine hinein. Die Pumpzelle 10 weist eine Außenpumpelektrode 10.1 und eine Innenpumpelektrode 10.2 sowie einen Pumpzellen-Innenwiderstand 15 auf. Der Pumpzellen-Innenwiderstand 15 ist hier schematisch als separates Bauteil eingezeichnet und ist der Widerstand des Keramikbauteils bei Betriebstemperatur. Die Innenpumpelektrode 10.2 ist mit einer Nernstelektrode 11.1 der Nernstzelle 11 elektrisch verbunden. Die andere Elektrode der Nernstzelle 11 wird von einer Referenzelektrode 11.2 gebildet. Die Nernstzelle 11 hat einen Nernstzellen- Innenwiderstand 14, der schematisch als separates Bauteil eingezeichnet ist. Die Außenpumpelektrode 10.1 und ein erster Heizeranschluss 12.1 des Heizers 12 sind über eine erste Verbindungsstelle 21 des Steckverbinders 20 mit einer Batteriespannung 40 verbunden. Ein zweiter Heizeranschluss 12.2 des Heizers 12 ist über eine vierte Verbindungsstelle 24 des Steckverbinders 20 mit einem Iow-side-FET 51 verbunden, der wiederum mit einer Batterie- Masse 44 verbunden ist. Der Iow-side-FET 51 ist ein Feldeffekt-Transistor, der zwischen dem mit dem niedrigen Potenzial des Heizers 12 verbundenen zweiten Heizeranschluss 12.2 und der Batterie- Masse 44 angeordnet ist. Mittels einer Innenwiderstandsregelung 53 wird der Iow-side-FET 51 durchgeschaltet und der Heizer 12 temperaturgeregelt aktiviert. Die Nernstelektrode 11.1 und die Referenzelektrode 11.2 der Nernstzelle 11 sind mit dem Steuergerät 30 über eine zweite und eine dritte Verbindungsstelle 22, 23 des Steckverbinders 20 verbunden. In dem Steuergerät 30 wird die Spannung der Nernstzelle 11 zumindest teilweise von einer Referenzspannungsquelle 31 kompensiert, die eine Spannung von 0,45V abgibt und auf den nicht-invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 34 wirkt. Die Referenzelektrode 11.2 ist mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 34 verbunden. Der Differenzverstärker 34 wird mit einer Betriebsspannung 42 versorgt, die mindestens 2,5V höher als die Batteriespannung 40 ist um auch bei hoher Nernstspannung und trotz eines Spannungsabfalls an dem Pumpzellen-Innenwiderstand 15 eine ausreichende Pumpspannung zu Verfügung stellen zu können, die den erforderlichen Pumpstrom bewirkt. In einer typischen Anwendung muss mit einer Batteriespannung 40 von 13V gerechnet werden, so dass die Betriebsspannung 42 mindestens 15,5V betragen muss. Der Ausgang des Differenzverstärkers 34 ist über einen Widerstand 32 mit der Batteriespannung 40 und der Außenpumpelektrode 10.1 verbunden. Ein Lambdasignal 43 des Differenzverstärkers 34 bewirkt einen Strom durch den Widerstand 32 und bewirkt so einen Spannungsabfall zwischen den Eingängen eines zweiten Differenzverstärkers 33, der ein Ausgangssignal 41 der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 erzeugt. Das Lambdasignal 43 wird weiterhin einem Inverter 35 zugeführt, dessen nicht- invertierender Eingang mit der Batteriespannung 40 verbunden ist. Der Ausgang des Inverters 35 wirkt auf eine steuerbare Spannungsquelle 37, die über einen Lastwiderstand 36 mit der negativen Seite der Referenzspannungsquelle 31 verbunden ist.FIG. 1a shows a block diagram for a two-cell broadband lambda probe 2 with a pump cell 10, a Nernst cell 11 and a heater 12, which are connected to a control unit 30 via a plug connector 20. The pump cell 10, the Nernst cell 11 and the heater 12 are summarized in a structural unit according to the prior art and protrude into an exhaust passage of an internal combustion engine, not shown here. The pump cell 10 has an outer pump electrode 10.1 and an inner pump electrode 10.2 and a pump cell internal resistance 15. The pump cell internal resistance 15 is shown here schematically as a separate component and is the resistance of the ceramic component at the operating temperature. The inner pump electrode 10. 2 is electrically connected to a Nernst electrode 11. 1 of the Nernst cell 11. The other electrode of the Nernst cell 11 is formed by a reference electrode 11.2. The Nernst cell 11 has a Nernst cell internal resistance 14, which is shown schematically as a separate component. The outer pumping electrode 10. 1 and a first heater connection 12. 1 of the heater 12 are connected to a battery voltage 40 via a first connection point 21 of the plug connector 20. A second heater port 12.2 of the heater 12 is connected via a fourth connection point 24 of the connector 20 with an Iow-side FET 51, which in turn is connected to a battery ground 44. The Iow-side FET 51 is a field-effect transistor disposed between the second heater terminal 12. 2 connected to the low potential of the heater 12 and the battery ground 44. By means of an internal resistance control 53 of the Iow-side FET 51 is turned on and the heater 12 is activated temperature controlled. The Nernst electrode 11.1 and the reference electrode 11.2 of the Nernst cell 11 are connected to the control unit 30 via a second and a third connection point 22, 23 of the connector 20. In the control unit 30, the voltage of the Nernst cell 11 is at least partially compensated by a reference voltage source 31, which outputs a voltage of 0.45 V and acts on the non-inverting input of a differential amplifier 34. The reference electrode 11.2 is connected to the inverting input of Differential amplifier 34 connected. The differential amplifier 34 is supplied with an operating voltage 42 which is at least 2.5V higher than the battery voltage 40 in order to be able to provide a sufficient pump voltage even at high Nernst voltage and despite a voltage drop across the pump cell internal resistance 15, which causes the required pumping current , In a typical application, a battery voltage 40 of 13V must be expected, so that the operating voltage 42 must be at least 15.5V. The output of the differential amplifier 34 is connected via a resistor 32 to the battery voltage 40 and the external pumping electrode 10.1. A lambda signal 43 of the differential amplifier 34 causes a current through the resistor 32 and thus causes a voltage drop between the inputs of a second differential amplifier 33, which generates an output signal 41 of the two-cell broadband lambda probe 2. The lambda signal 43 is further supplied to an inverter 35 whose non-inverting input is connected to the battery voltage 40. The output of the inverter 35 acts on a controllable voltage source 37, which is connected via a load resistor 36 to the negative side of the reference voltage source 31.
Im Betrieb der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 liegt die AußenpumpelektrodeDuring operation of the two-cell broadband lambda probe 2, the outer pumping electrode is located
10.1 auf der direkt dem Abgas zugewandten Seite, während die Innenpumpelektrode10.1 on the directly facing the exhaust side, while the inner pumping electrode
10.2 und die Nernstelektrode 11.1 in einem Hohlraum liegen, der über eine Diffusionsbarriere dem Abgas ausgesetzt ist und dessen Sauerstoffkonzentration mittels der Pumpzelle 10 gesteuert werden kann. Die Referenzelektrode 11.2 ist der Außenluft oder einem gleichartigen Gasgemisch zugewendet. Wird die Anordnung Abgas mit einem Lambda von 1 ausgesetzt, erzeugt die Nernstzelle 11 eine Ausgangsspannung, die der Spannung der Referenz 31 entspricht. Der Differenzverstärker 34 erzeugt ein Lambdasignal 43 in Höhe der Batteriespannung 40, wodurch die Spannungsdifferenz am Widerstand 32 Null ist und der zweite Differenzverstärker 33 das Ausgangssignal 41 für Lambda = 1 abgibt. Am Inverter 35 liegen beide Eingänge auf der gleichen Spannung, so dass er ein mittleres Ausgangssignal abgibt, das die Spannungsquelle 37 so einstellt, dass ihre Ausgangsspannung der Batteriespannung 40 entspricht und zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10 keine Spannungsdifferenz besteht. Erreicht mageres und damit sauerstoffreiches Abgas die Anordnung, sinkt die Spannung an der Nernstzelle 11 unter den Spannungswert der Referenzspannungsquelle 31, so dass das Lambdasignal 43 am Ausgang des Differenzverstärkers 34 ansteigt und ein positives Ausgangssignal 41 am zweiten Differenzverstärker 33 erzeugt wird. Der Invertierer 35 wandelt das positive Lambdasignal 43 in ein Ausgangssignal, das die Spannungsquelle 37 auf eine niedrigere Spannung als die Batteriespannung 40 einstellt. Es besteht daher eine Spannungsdifferenz zwischen der Außen- pumpelektrode 10.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10, die ü- ber den Lastwiderstand 36 einen Pumpstrom nach Batterie- Masse 44 bewirkt. Der Pumpstrom transportiert Sauerstoff aus dem Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 und ist gerade so groß, dass in dem Hohlraum ein Lambda = 1 entsprechendes Gasgemisch erzeugt wird. Er ist ein Maß für die Abweichung des Lambda des Abgases von Lambda = 1. Damit ist auch das Ausgangssignal 41 ein Maß für die Abweichung des Lambda des Abgases von Lambda = 1.10.2 and the Nernst electrode 11.1 lie in a cavity which is exposed to the exhaust gas via a diffusion barrier and whose oxygen concentration can be controlled by means of the pumping cell 10. The reference electrode 11.2 is facing the outside air or a similar gas mixture. If the arrangement is exposed to exhaust gas with a lambda of 1, the Nernst cell 11 generates an output voltage which corresponds to the voltage of the reference 31. The differential amplifier 34 generates a lambda signal 43 in the amount of the battery voltage 40, whereby the voltage difference across the resistor 32 is zero and the second differential amplifier 33 outputs the output signal 41 for lambda = 1. At the inverter 35 both inputs are at the same voltage, so that it emits a mean output signal that sets the voltage source 37 so that its output voltage corresponds to the battery voltage 40 and between the outer pump electrode 10.1 and the inner pumping electrode 10.2 on the pumping cell 10 is no voltage difference. If lean and therefore oxygen-rich exhaust gas reaches the arrangement, the voltage at the Nernst cell 11 drops below the voltage value of the reference voltage source 31, so that the lambda signal 43 at the output of the differential amplifier 34 rises and a positive output signal 41 is generated at the second differential amplifier 33. The inverter 35 converts the positive lambda signal 43 into an output signal which sets the voltage source 37 at a lower voltage than the battery voltage 40. There is therefore a voltage difference between the outer pumping electrode 10.1 and the inner pumping electrode 10.2 on the pumping cell 10, which causes a pumping current according to the battery ground 44 via the load resistor 36. The pumping current transports oxygen from the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pump electrode 10.2 and is just so large that a Lambda = 1 corresponding gas mixture is generated in the cavity. It is a measure of the deviation of the lambda of the exhaust gas from lambda = 1. Thus, the output signal 41 is also a measure of the lambda deviation of the exhaust gas from lambda = 1.
Erreicht fettes und damit sauerstoffarmes Abgas die Anordnung, steigt die Spannung an der Nernstzelle 11 über den Spannungswert der Referenzspannungsquelle 31, so dass das Lambdasignal 43 am Ausgang des Differenzverstärkers 34 abfällt und ein, bezogen auf die Batteriespannung 40, negatives Ausgangssignal 41 am zweiten Differenzverstärker 33 erzeugt wird. Der Invertierer 35 wandelt das negative Lambdasignal 43 in ein Ausgangssignal, das die Spannungsquelle 37 auf eine höhere Spannung als die Batteriespannung 40 einstellt. Es besteht daher eine Spannungsdifferenz zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10, die über den Lastwiderstand 36 einen Pumpstrom bewirkt, der Sauerstoff in den Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 transportiert. Der Pumpstrom ist gerade so groß, dass in dem Hohlraum ein Lambda = 1 entsprechendes Gasgemisch erzeugt wird. Er ist ein Maß für die Abweichung des Lambda des Abgases von Lambda = 1. Damit ist auch das Ausgangssignal 41 ein Maß für die Abweichung des Lambda des Abgases von Lambda = 1.Achieved rich and thus oxygen-poor exhaust gas arrangement, the voltage at Nernstzelle 11 increases above the voltage value of the reference voltage source 31, so that the lambda signal 43 at the output of the differential amplifier 34 drops and, based on the battery voltage 40, negative output signal 41 at the second differential amplifier 33rd is produced. The inverter 35 converts the negative lambda signal 43 into an output signal that sets the voltage source 37 at a higher voltage than the battery voltage 40. There is therefore a voltage difference between the outer pumping electrode 10.1 and the inner pumping electrode 10.2 on the pumping cell 10, which causes a pumping current via the load resistor 36, which transports oxygen into the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pumping electrode 10.2. The pumping current is just so great that a Lambda = 1 corresponding gas mixture is generated in the cavity. It is a measure of the deviation of the lambda of the exhaust gas from lambda = 1. Thus, the output signal 41 is also a measure of the lambda deviation of the exhaust gas from lambda = 1.
Der Heizer 12 ist mit dem ersten Heizeranschluss 12.1 mit der Batteriespannung 40 verbunden. Der zweite Heizeranschluss 12.2 ist über die vierte Verbindungsstelle 24 im Steckverbinder 20 mit dem Iow-side-FET 51 verbunden, der von der Innenwider- standsregelung 53 angesteuert den zweiten Heizeranschluss 12.2 mit Batterie- Masse 44 verbindet und so den Heizer 12 aktiviert. Die Innenwiderstandsregelung 53 hat als Eingangssignal den temperaturabhängigen Innenwiderstand der Nernst- zelle 11 und regelt so die Temperatur der Anordnung auf eine typische Arbeitstemperatur von 750°C. Synchron mit der Taktung der Innenwiderstandsregelung 53 wird die Messung der Nernstspannung der Nernstzelle 11 aktiviert und deaktiviert. Würde der Heizer nicht getaktet betrieben, würde ein Spannungsabfall an der mit der ersten Verbindungsstelle 21 verbundenen Leitung auch die Spannung an der Pumpzelle 10 und der Nernstzelle 11 verändern und so deren Funktion beziehungsweise die Messung der Nernstspannung stören.The heater 12 is connected to the first heater terminal 12. 1 with the battery voltage 40. The second heater terminal 12.2 is connected via the fourth connection point 24 in the connector 20 to the Iow-side FET 51, which depends on the internal resistance. controlled state 53 controls the second heater connection 12.2 connects with battery ground 44 and so the heater 12 is activated. The internal resistance control 53 has as input the temperature-dependent internal resistance of the Nernst- cell 11 and thus regulates the temperature of the assembly to a typical operating temperature of 750 ° C. In synchronism with the timing of the internal resistance control 53, the measurement of the Nernst voltage of the Nernst cell 11 is activated and deactivated. If the heater were not operated clocked, a voltage drop at the line connected to the first connection point 21 would also change the voltage at the pump cell 10 and the Nernst cell 11 and thus disturb their function or the measurement of the Nernst voltage.
In Figur Ib ist die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mit einer Pumpstromerzeugung in einer anderen Ausführungsform dargestellt. Der Ausgang des Inverters 35 wirkt über einen Basisvorwiderstand 39 auf einen NPN-Transistor 38, dessen Kollektor mit der Betriebsspannung 42 verbunden ist, die mindestens 2,5V höher als die Batteriespannung 40 ist. Der Emitter des Transistors ist über einen zweiten Lastwiderstand 36.1 mit der Batterie- Masse 44 verbunden. Weiterhin ist der Emitter des Transistors 38 über den Lastwiderstand 36 mit der negativen Seite der Referenzspannungsquelle 31 verbunden. Erreicht mageres und damit sauerstoffreiches Abgas die Anordnung, erzeugt der Inverter 35 ein Ausgangssignal, das niedriger als die Batteriespannung 40 ist. Der Emitter des Transistors 38 liegt daher ebenfalls auf einem Potenzial, das niedriger als die Batteriespannung 40 ist. Dies bewirkt eine Spannungsdifferenz zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und der Innenpump- elektrode 10.2 an der Pumpzelle 10, die einen Pumpstrom nach Batterie- Masse 44 bewirkt, der Sauerstoff aus dem Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der In- nenpumpelektrode 10.2 transportiert. Bei fettem Abgas öffnet der Transistor 38 und verbindet die Innenpumpelektrode 10.2 mit einem Potenzial, das höher als die Batteriespannung 40 ist. Es wird daher Sauerstoff in den Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 transportiert.FIG. 1 b shows the two-cell broadband lambda probe 2 with pumping current generation in another embodiment. The output of the inverter 35 acts via a base resistor 39 on an NPN transistor 38 whose collector is connected to the operating voltage 42, which is at least 2.5V higher than the battery voltage 40. The emitter of the transistor is connected via a second load resistor 36. 1 to the battery ground 44. Furthermore, the emitter of the transistor 38 is connected via the load resistor 36 to the negative side of the reference voltage source 31. If lean and thus oxygen-rich exhaust gas reaches the arrangement, the inverter 35 generates an output signal that is lower than the battery voltage 40. The emitter of the transistor 38 is therefore also at a potential lower than the battery voltage 40. This causes a voltage difference between the outer pumping electrode 10. 1 and the inner pumping electrode 10. 2 on the pumping cell 10, which causes a pumping current according to battery mass 44, which transports oxygen from the cavity with the Nernst electrode 11. 1 and the inner pumping electrode 10. When the exhaust gas is rich, the transistor 38 opens and connects the inner pumping electrode 10. 2 to a potential which is higher than the battery voltage 40. Therefore, oxygen is transported into the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pumping electrode 10.2.
In Figur 2 ist eine Anordnung für die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 gezeigt, bei der die gemeinsame Leitung von Außenpumpelektrode 10.1 und erstem Heizeranschluss 12.1 mit der Batterie- Masse 44 verbunden ist. Die Betriebsspannung 42 des Differenzverstärkers 34 beträgt mindestens 2,5V. Eine zweite Betriebsspannung 42.1 des Differenzverstärkers 34 ist niedriger als -2,5V. Der Ausgang des Differenzverstärkers 34 ist über den Widerstand 32 mit Batterie- Masse 44 verbunden.FIG. 2 shows an arrangement for the two-cell broadband lambda probe 2, in which the common line of outer pumping electrode 10.1 and first heater connection 12.1 is connected to the battery ground 44. The operating voltage 42 of the differential amplifier 34 is at least 2.5V. A second operating voltage 42.1 of the differential amplifier 34 is lower than -2.5V. The output of the differential amplifier 34 is connected to the battery ground 44 via the resistor 32.
Wird die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 Abgas mit Lambda = 1 ausgesetzt, besteht am Eingang des Differenzverstärkers 34 keine Spannungsdifferenz, da die Spannung an der Nernstzelle 11 gerade so groß wie die Spannung an der Referenzspannungsquelle 31 ist. Das Lambdasignal 43 ist dann gleich hoch wie die Batterie- Masse 44 und an dem Widerstand 32 tritt kein Spannungsabfall auf. Die Eingänge des Invertierers 35 liegen beide ebenfalls auf dem selben Potenzial wie die Batterie- Masse 44, so dass dessen Ausgangssignal die Spannungsquelle 37 so steuert, dass deren Ausgang gleich hoch wie die Batterie- Masse 44 liegt und kein Pumpstrom durch die Pumpzelle 10 getrieben wird.If the two-cell broadband lambda probe 2 is exposed to exhaust gas with lambda = 1, there is no voltage difference at the input of the differential amplifier 34, since the voltage at the Nernst cell 11 is just as great as the voltage at the reference voltage source 31. The lambda signal 43 is then the same as the battery mass 44 and no voltage drop occurs at the resistor 32. The inputs of the inverter 35 are both also at the same potential as the battery ground 44, so that its output signal controls the voltage source 37 so that its output is the same high as the battery ground 44 and no pumping current is driven through the pumping cell 10 ,
Wird der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mageres Abgas zugeführt, erzeugt der Inverter 35 ein Ausgangssignal, das die Spannungsquelle 37 so steuert, dass deren Ausgangsspannung niedriger als die Batteriespannung 40 ist und die Innen- pumpelektrode 10.2 somit ebenfalls auf einem niedrigeren Potenzial als die Außen- pumpelektrode 10.1 liegt. Hierdurch wird Sauerstoff aus dem aus dem Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 transportiert. Die Pumpstromquelle kann auch entsprechend der in Figur Ib Ausführungsform verwirklicht sein.When the two-wavelength broadband lambda probe 2 is supplied with lean exhaust gas, the inverter 35 generates an output signal which controls the voltage source 37 so that its output voltage is lower than the battery voltage 40 and the internal pumping electrode 10.2 is therefore also at a lower potential than the outside - Pump electrode 10.1 is located. As a result, oxygen is transported out of the cavity with the Nernst electrode 11.1 and the inner pumping electrode 10.2. The pumping current source can also be realized according to the embodiment shown in FIG.
Zur Aktivierung der Heizung 12 wird über die vierte Verbindungsstelle 24 im Steckverbinder 20 der zweite Heizeranschluss 12.2 über einen high-side-FET 52 mit der Batteriespannung 40 verbunden. Der high-side-FET 52 ist ein Feldeffekt-Transistor, der zwischen dem mit dem hohen Potenzial des Heizers 12 verbundenen zweiten Heizeranschluss 12.2 und der Batteriespannung 40 angeordnet ist. Der high-side- FET 52 wird mittels der Innenwiderstandsregelung 53 auf Durchgang geschaltet. Auch hier wird synchron mit der Taktung des Heizers 12 durch die Innenwiderstandsregelung 53 die Messung der Nernstspannung der Nernstzelle 11 aktiviert und deaktiviert um die negative Auswirkung eines möglichen Spannungsabfall auf der mit der dritten Verbindungsstelle 23 verbundenen Zuleitung zu umgehen. Figur 3 zeigt eine Anordnung zum Betrieb einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde 1. Eine kombinierte Pump-/Nernstzelle 13 mit einer Heizung 12 und einer der Außenluft oder einem vergleichbaren Gasgemisch ausgesetzten Außenpump- /Referenzelektrode 13.1 und einer durch eine Diffusionsbarriere vom Abgas getrennten Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 ist über den Steckverbinder 20 mit einem digitalen Pumpstromregler 50 in dem Steuergerät 30 verbunden. Dabei ist die Außen- pump-/Referenzelektrode 13.1 an der ersten Verbindungsstelle 21 und die Innen- pump-/Nernstelektrode 13.2 an der zweiten Verbindungsstelle 22 an den Steckverbinder 20 angeschlossen. Die kombinierte Pump-/Nernstzelle weist einen Innenwiderstand 16 auf, der hier schematisch als separates Bauteil dargestellt ist. Der digitalen Pumpstromregler 50 gibt ein digitales Lambdasignal 45 an eine hier nicht dargestellte Motorsteuerung ab. Der erste Heizeranschluss 12.1 des Heizers 12 ist gemeinsam mit der Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 über die zweite Verbindungsstelle 22 mit dem Steuergerät 30 verbunden. Der Heizer 12 wird an seinem zweiten Heizeranschluss 12.2 über die dritte Verbindungsstelle 23 und den Iow-side-FET 51, gesteuert durch die Innenwiderstandsregelung 53, mit der Batterie- Masse 44 verbunden. Hier bewirkt die Taktung des Heizers 12, dass in den Taktpausen die Spannung der kurzzeitig als Nernstzelle betriebenen kombinierten Pump-/Nernstzelle 13 ohne eine Störung durch einen an einem Übergangswiderstand an der zweiten Verbindungsstelle 22 oder der Leitungsführung möglicherweise auftretenden Spannungsabfall ausgewertet werden kann. In dieser Phase wird der Sauerstoff-Pumpvorgang kurzzeitig unterbrochen, Abgas gelangt durch die Diffusionsbarriere in die Zelle und die dadurch von der Referenzspannung von 0,45V abweichende Nernstspannung wird gemessen. Die Nernstspannung bestimmt die Polarität der Spannung des darauf folgenden Pumpvorganges und damit die Richtung des Sauerstofftransportes. Verbindet die Innenwiderstandsregelung 53 den zweiten Heizeranschluss 12.2 mit der Batterie- Masse 44, wird die kombinierte Pump-/Nernstzelle 13 als Pumpzelle betrieben. Durch die gemeinsame Nutzung der zweiten Verbindungsstelle 22 durch den ersten Heizeranschluss 12.1 und die Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 der kombinierten Pump-/Nernstzelle 13 kann eine Verbindungsstelle im Steckverbinder 20 eingespart werden. Figur 4 zeigt eine Anordnung zum Betrieb einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde 1, bei der der zweite Heizeranschluss 12.2 über den high-side-FET 52 mit der Batteriespannung 40 verbunden werden kann. Auch hier ist der erste Heizeranschluss 12.1 des Heizers 12 gemeinsam mit der Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 der kombinierten Pump-/Nernstzelle 13 über die zweite Verbindungsstelle 22 mit dem Steuergerät 30 verbunden und eine Verbindungsstelle wird gegenüber einer getrennten Versorgung des Heizers 12 eingespart.To activate the heater 12, the second heater connection 12.2 is connected to the battery voltage 40 via the fourth connection point 24 in the connector 20 via a high-side FET 52. The high-side FET 52 is a field-effect transistor which is arranged between the second heater terminal 12. 2 connected to the high potential of the heater 12 and the battery voltage 40. The high-side FET 52 is switched to passage by means of the internal resistance control 53. Again, in synchronism with the timing of the heater 12 through the internal resistance control 53, the measurement of the Nernst voltage of the Nernst cell 11 is activated and deactivated to avoid the negative effect of a possible voltage drop on the supply line connected to the third connection point 23. 3 shows an arrangement for operating a single-cell broadband lambda probe 1. A combined pump / Nernst cell 13 with a heater 12 and an external pump / reference electrode 13.1 exposed to outside air or a comparable gas mixture and an internal pumping unit separated from the exhaust gas by a diffusion barrier. / Nernstelektrode 13.2 is connected via the connector 20 to a digital pumping current regulator 50 in the control unit 30. The outer pump / reference electrode 13.1 at the first connection point 21 and the inner pump / Nernst electrode 13.2 at the second connection point 22 are connected to the plug connector 20. The combined pump / Nernst cell has an internal resistance 16, which is shown here schematically as a separate component. The digital pump current regulator 50 outputs a digital lambda signal 45 to a motor control, not shown here. The first heater connection 12.1 of the heater 12 is connected to the control unit 30 via the second connection point 22 together with the internal pump / Nernst electrode 13.2. The heater 12 is connected at its second heater terminal 12.2 via the third connection point 23 and the Iow-side FET 51, controlled by the internal resistance control 53, with the battery ground 44. Here, the timing of the heater 12 causes the voltage of the short-term operated as a Nernst cell combined pump / Nernst cell 13 can be evaluated without interference from a possibly occurring at a contact resistance at the second connection point 22 or the wiring line voltage drop in the clock breaks. In this phase, the oxygen pumping process is briefly interrupted, exhaust gas passes through the diffusion barrier into the cell and the Nernst voltage deviating from the reference voltage of 0.45V is measured. The Nernst voltage determines the polarity of the voltage of the subsequent pumping process and thus the direction of oxygen transport. If the internal resistance control 53 connects the second heater connection 12.2 to the battery ground 44, the combined pump / Nernst cell 13 is operated as a pump cell. By sharing the second connection point 22 through the first heater connection 12.1 and the inner pump / Nernstelektrode 13.2 of the combined pump / Nernst cell 13, a connection point in the connector 20 can be saved. FIG. 4 shows an arrangement for operating a single-cell broadband lambda probe 1, in which the second heater terminal 12. 2 can be connected to the battery voltage 40 via the high-side FET 52. Again, the first heater port 12.1 of the heater 12 is connected together with the Innenpump- / Nernstelektrode 13.2 of the combined pump / Nernst cell 13 via the second connection point 22 to the controller 30 and a connection point is saved compared to a separate supply of the heater 12.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform für die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mit einem Betriebsgerät 60, bei der die Pumpzelle 10, die Nernstzelle 11 und der Heizer 12 gemeinsam an einem Gehäuse der in das Abgas ragenden Zweizellen- Breitband- Lambdasonde 2 angeschlossen sind. Die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 ist über metallische Bauteile der Brennkraftmaschine und deren Abgasstrang mit der Batterie- Masse verbunden. Vorteilhaft ist hier, dass gegenüber den in den Figuren Ia, Ib und 2 gezeigten Ausführungen eine weitere Verbindung am Steckverbinder 20 eingespart werden kann. Der Nernstzellen-Innenwiderstand 14 und der Pumpzellen-Innenwiderstand 15 sind hier schematisch gezeigt. Ein zwischen den metallischen Bauteilen der Brennkraftmaschine oder deren Abgasstrang und dem Gehäuse der in das Abgas ragenden Sonde möglicherweise auftretender Übergangswiderstand 17 ist schematisch gezeigt. Die Nernstzelle 11 ist an der zweiten Verbindungsstelle 22 des Steckverbinders 20 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 34 verbunden. Ihre Innenpump-/Nernstelektrode ist über den im Vergleich zum Nernstzellen-Innenwiderstand 14 niederohmigen Heizer 12 über die dritte Verbindungsstelle 23 mit der Referenzspannungsquelle 31 verbunden. Die Niederohmigkeit des Heizers 12 hat den Vorteil, dass bei dem bei der Messung der Nernstspannung geringen fließenden Strom der Messfehler sehr gering ist. Die Referenzspannungsquelle 31 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 34 verbunden, dessen Ausgangssignal einer Sample-and-Hold- Schaltung 62 zugeführt ist. Ein Ausgangssignal der Sample-and-Hold-Schaltung 62 ist einem Pumpstromwandler 61 zugeführt, der über die erste Verbindungsstelle 21 des Steckverbinders 20 der Pumpzelle 10 einen Pumpstrom zuführt. Synchron mit einer Taktung der Sample-and-Hold-Schaltung 62 wird der mit der Batteriespannung 40 verbundene high-side-FET 52 geöffnet und aktiviert den Heizer 12; dies ist sehe- matisch durch die Verbindung der Sample-and-Hold-Schaltung 62 mit dem high- side-FET 52 angedeutet. In den Taktpausen der Aktivierung des Heizers 12 wird die Spannung der Nernstzelle 11 relativ zur Referenzspannungsquelle 31 im Differenzverstärker 34 bewertet und das Ergebnis mittels der Sample-and-Hold-Schaltung 62 für die übrige Dauer des Taktzyklus konstant gehalten, so dass der Pumpstromwandler 61 die Pumpzelle mit dem nötigen Pumpstrom versorgen kann. Durch die Messung in der Taktpause tritt im Moment der Messung der Nernstspannung an der Nernstzelle 11 an dem Übergangswiderstand 17 kein die Messung verfälschender Spannungsabfall auf, obwohl auch in dieser Anordnung eine Verbindung zwischen der Sonde und dem Betriebsgerät 60 eingespart wurde, indem die Anschlüsse des Heizers 12 nicht beide direkt mit dem Betriebsgerät verbunden sind. FIG. 5 shows an embodiment of the two-cell broadband lambda probe 2 with an operating device 60, in which the pump cell 10, the Nernst cell 11 and the heater 12 are connected in common to a housing of the two-cell broadband lambda probe 2 protruding into the exhaust gas. The two-cell broadband lambda probe 2 is connected to the battery ground via metallic components of the internal combustion engine and its exhaust gas line. It is advantageous here that, compared to the embodiments shown in FIGS. 1 a, 1 b and 2, a further connection can be saved on the plug connector 20. The Nernst cell internal resistance 14 and the pump cell internal resistance 15 are shown schematically here. A contact resistance possibly occurring between the metallic components of the internal combustion engine or its exhaust gas line and the housing of the probe protruding into the exhaust gas is shown schematically. The Nernst cell 11 is connected at the second connection point 22 of the connector 20 to the inverting input of the differential amplifier 34. Your Innenpump- / Nernst electrode is connected via the compared to the Nernst cell internal resistance 14 low-resistance heater 12 via the third connection point 23 with the reference voltage source 31. The low resistance of the heater 12 has the advantage that the measurement error is very low in the case of the low current flowing during the measurement of the Nernst voltage. The reference voltage source 31 is connected to the non-inverting input of the differential amplifier 34, whose output signal is fed to a sample-and-hold circuit 62. An output signal of the sample-and-hold circuit 62 is fed to a pumping current transformer 61 which supplies a pumping current via the first connection point 21 of the connector 20 to the pumping cell 10. In synchronism with a clocking of the sample-and-hold circuit 62, the high-side FET 52 connected to the battery voltage 40 is opened and activates the heater 12; this is see- indicated by the connection of the sample-and-hold circuit 62 with the high-side FET 52. In the intervals of the activation of the heater 12, the voltage of the Nernst cell 11 is evaluated relative to the reference voltage source 31 in the differential amplifier 34 and kept constant the result by means of the sample-and-hold circuit 62 for the remainder of the clock cycle, so that the pumping current transformer 61 the Pump cell can provide the necessary pumping current. By the measurement in the clock break occurs at the moment of measuring the Nernst voltage at the Nernst cell 11 at the contact resistance 17 no falsifying the measurement voltage drop, although in this arrangement, a connection between the probe and the operating device 60 was saved by the connections of the heater 12 are not both connected directly to the control gear.

Claims

Ansprüche claims
1. Zweizellen-Breitband-Lambdasonde (2) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, die eine Pumpzelle (10) mit einer Außenpumpelektrode1. two-cell broadband lambda probe (2) for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine having a pump cell (10) with an external pumping electrode
(10.1) und einer Innenpumpelektrode (10.2) aufweist, die weiterhin eine Nernstzelle (11) mit einer Nernstelektrode (11.1) und einer Referenzelektrode(10.1) and an inner pump electrode (10.2), which further comprises a Nernst cell (11) with a Nernst electrode (11.1) and a reference electrode
(11.2) aufweist, und die einen Heizer (12) mit einem ersten Heizeranschluss (12.1) und einem zweiten Heizeranschluss (12.2) zum Heizen der Zweizellen- Breitband-Lambdasonde (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) oder der zweite Heizeranschluss (12.2) der Zweizellen- Breitband-Lambdasonde (2) mit einem der Anschlüsse der Pumpzelle (10) o- der der Nernstzelle (11) verbunden ist und dass ein Steuergerät (30) für einen getakteten Betrieb des Heizers (12) und für eine Signalauswertung vorgesehen ist.(11.2), and having a heater (12) with a first heater port (12.1) and a second heater port (12.2) for heating the two-cell broadband lambda probe (2), characterized in that the first heater port (12.1) or the second heater connection (12.2) of the two-cell broadband lambda probe (2) is connected to one of the connections of the pumping cell (10) or the Nernst cell (11) and in that a control device (30) is provided for clocked operation of the heater (12). and is intended for signal evaluation.
2. Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, die eine kombinierte Pump-/Nernstzelle (13) mit einer kombinierten Außenpump-/Referenzelektrode (13.1) und einer Innenpump- /Nernstelektrode (13.2) aufweist und die einen Heizer (12) mit einem ersten Heizeranschluss (12.1) und einem zweiten Heizeranschluss (12.2) zum Heizen der Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) oder der zweite Heizeranschluss (12.2) der Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) mit einem der Anschlüsse der kombinierten Pump-/Nernstzelle (13) verbunden ist und dass ein Steuergerät (30) für einen getakteten Betrieb des Heizers (12) und für eine Signalauswertung vorgesehen ist. 2. Einzellen broadband lambda probe (1) for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine, a combined pump / Nernst cell (13) with a combined external pumping / reference electrode (13.1) and an internal pump / Nernstelektrode (13.2) and which has a heater (12) with a first heater connection (12.1) and a second heater connection (12.2) for heating the single-cell broadband lambda probe (1), characterized in that the first heater connection (12.1) or the second heater port (12.2) of the single-band broadband lambda probe (1) is connected to one of the ports of the combined pump / Nernst cell (13) and that a control device (30) for clocked operation of the heater (12) and for a Signal evaluation is provided.
3. Zweizellen-Breitband-Lambdasonde (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) mit der Außenpumpelektrode (10.1) der Pumpzelle (10) und beide mit einer Batteriespannung (40) verbunden sind.3. two-cell broadband lambda probe (2) according to claim 1, characterized in that the first heater port (12.1) with the outer pumping electrode (10.1) of the pumping cell (10) and both with a battery voltage (40) are connected.
4. Zweizellen-Breitband-Lambdasonde (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) mit der Außenpumpelektrode4. two-cell broadband lambda probe (2) according to claim 1, characterized in that the first heater port (12.1) with the outer pumping electrode
(10.1) der Pumpzelle (10) und beide mit einer Batterie- Masse (44) verbunden sind.(10.1) of the pumping cell (10) and both connected to a battery ground (44).
5. Zweizellen-Breitband-Lambdasonde (2) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) mit der Außenpumpelektrode (10.1) der Pumpzelle (10) und beide mit einer Batterie- Masse (44) verbunden sind und eine Masseverbindung über das Gehäuse der Zweizellen- Breitband-Lambdasonde (2) und leitfähige Teile der Brennkraftmaschine oder von deren Abgasstrang hergestellt ist.5. two-cell broadband lambda probe (2) according to claim 1 or 4, characterized in that the first heater port (12.1) with the outer pumping electrode (10.1) of the pumping cell (10) and both with a battery mass (44) are connected and a ground connection via the housing of the two-cell broadband lambda probe (2) and conductive parts of the internal combustion engine or of the exhaust system is made.
6. Zweizellen-Breitband-Lambdasonde (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) mit der Innenpumpelektrode6. two-cell broadband lambda probe (2) according to claim 1, characterized in that the first heater port (12.1) with the inner pumping electrode
(10.2) und beide mit der Batterie- Masse (44) verbunden sind.(10.2) and both are connected to the battery ground (44).
7. Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) mit der Innenpump- /Nernstelektrode (13.2) der kombinierten Pump-/Nernstzelle (13) an einer Verbindungsstelle verbunden ist, wobei in einer Betriebsweise die Verbindungsstelle mit einer Batterie- Masse (44) verbunden ist und dann der Heizer (12) die Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) beheizt und die kombinierte Pump- /Nernstzelle (13) als Pumpzelle arbeitet, und in einer anderen Betriebsweise der Heizer (12) nicht betrieben ist und die kombinierte Pump-/Nernstzelle (13), zumindest zeitweise, als Nernstzelle betrieben ist.7. single-wide-band lambda probe (1) according to claim 2, characterized in that the first heater port (12.1) with the inner pumping / Nernstelektrode (13.2) of the combined pump / Nernst cell (13) is connected at a junction, wherein in one mode of operation, the junction is connected to a battery ground (44), and then the heater (12) heats the single wavelength broadband lambda probe (1) and the combined pump / Nernst cell (13) operates as a pumping cell, and in a different mode of operation the heater (12) is not operated and the combined pump / Nernst cell (13), at least temporarily, operated as a Nernst cell.
8. Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizeranschluss (12.1) mit der Innenpump- /Nernstelektrode (13.2) der kombinierten Pump-/Nernstzelle (13) an einer Verbindungsstelle verbunden ist, wobei in einer Betriebsweise die Verbindungs- stelle mit einer Batteriespannung (40) verbunden ist und dann der Heizer (12) die Einzellen-Breitband-Lambdasonde (1) beheizt und die kombinierte Pump- /Nernstzelle (13) als Pumpzelle arbeitet, und in einer anderen Betriebsweise der Heizer (12) nicht betrieben ist und die kombinierte Pump-/Nernstzelle (13), zumindest zeitweise, als Nernstzelle betrieben ist.8. single-wide-band lambda probe (1) according to claim 2, characterized in that the first heater port (12.1) with the Innenpump- / Nernstelektrode (13.2) of the combined pump / Nernst cell (13) is connected at a junction, wherein in one mode of operation the connection connected to a battery voltage (40) and then the heater (12) heats the Einzellen broadband lambda probe (1) and the combined pump / Nernstzelle (13) operates as a pumping cell, and in another mode of operation of the heater (12) is not operated and the combined pump / Nernst cell (13), at least temporarily, operated as a Nernst cell.
9. Verfahren zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde, welche als Einzellen- Breitband-Lambdasonde (1) oder als Zweizellen-Breitband-Lambdasonde (2) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Breitband-Lambdasonde einen Heizer (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (12) während der Messung der Nernstspannung der Breitband-Lambdasonde nicht betrieben wird.9. A method for operating a broadband lambda probe, which is designed as Einzellen- broadband lambda probe (1) or as a two-cell broadband lambda probe (2), for determining the concentration of a gas component in a gas mixture, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine, said the broadband lambda probe has a heater (12), characterized in that the heater (12) is not operated during the measurement of the Nernst voltage of the broadband lambda probe.
10. Verfahren zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Zweizellen- Breitband- Lambdasonde (2) während einer Phase, in der der Heizer (12) betrieben wird, ein Strom durch die Pumpzelle (10) durch eine Sample-and-Hold-Schaltung (62) oder eine als Tiefpass wirkende Schaltungsanordnung aufrecht erhalten wird. 10. A method for operating a broadband lambda probe according to claim 9, characterized in that during operation of the two-cell broadband lambda probe (2) during a phase in which the heater (12) is operated, a current through the pumping cell (10) is maintained by a sample-and-hold circuit (62) or acting as a low-pass circuit.
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