WO2012136715A1 - Method for operating a wideband lambda probe - Google Patents

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WO2012136715A1
WO2012136715A1 PCT/EP2012/056189 EP2012056189W WO2012136715A1 WO 2012136715 A1 WO2012136715 A1 WO 2012136715A1 EP 2012056189 W EP2012056189 W EP 2012056189W WO 2012136715 A1 WO2012136715 A1 WO 2012136715A1
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WO
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pumping
voltage
pump
current
cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/056189
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German (de)
French (fr)
Inventor
Claudius Bevot
Bertrand Eric MELI
Thomas Schulz
Jens Wagner
Original Assignee
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
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a broadband lambda probe according to the preamble of claim 1.
  • the subject matter of the present invention is also a computer program and a computer program product which are suitable for carrying out the method.
  • Lambda sensors with two cells as they emerge for example from DE 10 2007 057 707 A1. These probes are used to measure the concentration of a gas component in the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • Broadband lambda probes basically consist of a combination of a conventional concentration probe (Nernst probe), which acts as a galvanic cell, and a limiting current or "pumping cell.”
  • Exhaust gas becomes oxygen by reversing the pumping voltage fed.
  • the respective pumping current forms the output signal.
  • the output signal line of such broadband lambda probes is connected to the engine control unit.
  • the setpoint of the Nernst voltage is regulated by the pumping current. It should be noted that the pump voltage does not exceed a certain threshold, otherwise the probe will be destroyed. If the pumping voltage is too high, blackening of the probe may occur.
  • the pumping voltage regulated by the above-described pumping current regulator is monitored and limited in probes of today's design.
  • the polarization of the probe is crucial.This polarization can be advantageously determined by the applied pumping voltage, while no pumping current flows. This state is referred to below as “de-energized pumping voltage”.
  • the polarization of the probe is in other words by the unpowered
  • the invention is based on the object of providing a method for operating a broadband lambda probe, which enables protection of a regulated broadband lambda probe from excessively high pumping voltage.
  • Lambda probe solved with the features of claim 1.
  • the basic idea of the invention is to base the unthrottled pumping voltage on the protective function of the broadband lambda probe described in more detail below.
  • One way to measure the de-energized pumping voltage is to use the
  • the pump voltage is compared with a predetermined maximum threshold value.
  • the pump current regulator for the control to its nominal value, the so-called Nernst voltage, and a separate monitoring of the pump voltage, the probe can be operated up to the maximum permitted unpowered pumping voltage.
  • the pumping current regulator When the threshold value is exceeded, the pumping current regulator is deactivated and either the pumping current is switched off or the pumping current is regulated by means of a separate regulator, also referred to below as “blackening protection regulator", so that the pumping voltage lies within specifiable limits Wide-band lambda probe within the predetermined allowable limits for the de-energized pump voltage continue to operate.
  • the pump voltage is adjusted by the pump current controller so that it is between a minimum and a maximum pump voltage limit.
  • the minimum and maximum pump voltage limit values are preferably determined separately for rich and lean operating ranges, taking into account a hysteresis, and predefined.
  • the threshold values are therefore separately adjustable for the two operating ranges “rich” and “lean” and are provided with an adjustable hysteresis.
  • the threshold values or the hysteresis depend on the probe type. They are freely adjustable via a data register within the evaluation range of an analog-to-digital converter with a specific resolution.
  • a particularly preferred embodiment provides that when the pump voltage falls below the maximum predetermined threshold again, a control by means of the pump current regulator is made again. Thus, if the pump voltage threshold which is dangerous for the probe has again fallen below, the control takes place in a manner known per se, the pump current regulator being configured such that the control starts immediately.
  • Measurement of the pumping voltage can be done, for example, that the Pumping current is turned off for a predetermined time and in this current pause the voltage between the outer pumping electrode and the inner pumping electrode is measured.
  • the above-described method steps can be designed purely in principle as a computer program which runs in a control unit program, for example as a subroutine.
  • the program code is advantageously stored on a computer program code, for example a DVD, a CD-ROM, an external drive, a flash memory or the like, and in this way it is readily possible to retrofit the method into existing control devices without additional hardware expenditure.
  • the separate controller ie the blackening protection controller, can be implemented as a computer program.
  • Fig. 2 shows schematically an equivalent circuit diagram of the broadband lambda probe for explaining the method according to the invention
  • Fig. 3 the pump voltage over time to explain the method according to the invention.
  • Gas sensors of different types are used to determine the gas composition in the exhaust gas of internal combustion engines, in particular of internal combustion engines in motor vehicles.
  • jump probes or lambda probes so-called broadband lambda probes are used, in particular for the further lean range.
  • These consist essentially of a combination of conventional, acting as a galvanic cell concentration probe, a so-called Nernst probe, as well as a limiting current or "pump" cell.
  • the method according to the invention will be described below with reference to such a broadband lambda probe.
  • Fig. 1 the structure of such a broadband lambda probe is shown schematically.
  • This comprises a Nernst concentration probe 110 and an oxygen pumping cell 120, wherein the oxygen pumping cell 120 is formed by an outer pumping electrode (APE) 131 and an inner pumping electrode (IPE) 132.
  • the outer pumping electrode 131 is exposed to the exhaust gas A and the inner, annular pumping electrode 132 is arranged in a cavity 133, which is connected to the exhaust gas A via a channel 134 and a diffusion gap in which a diffusion barrier 130 is arranged.
  • the Nernst cell 110 is formed by the inner pumping electrode 132 and a reference electrode (RE) 141 arranged in an inner reference air channel 140.
  • the probe is brought to operating temperature by a heater 150, at which a heating voltage U H is applied.
  • a control circuit 160 formed for example by an operational amplifier, at the noninverting input of a reference voltage Uref of 450 mV particular applies and applied to the inverting input, the output signal of the reference electrode 141, generates a pumping current l P , with which the outer pumping electrode 131 is acted upon.
  • the inner pumping electrode 132 is connected to ground.
  • the pumping current I P can be tapped by means of connection terminals 161, 162. It forms a measure of the oxygen concentration, as briefly described below.
  • To the pumping cell 120 a voltage is applied.
  • the pumping current which can be tapped off via terminals 161, 162, forms the output signal and represents a measure of the oxygen concentration and thus of the lambda value
  • the pump voltage U P is regulated to the Nernst voltage U n , which corresponds to the reference voltage, by means of this pump current regulator
  • the equivalent circuit diagram of the broadband lambda probe is shown schematically in FIG Internal resistance R ie 220 and a fictitious voltage source 221 which provides the Nernst voltage U n o
  • the pumping cell is formed by a fictitious voltage source 231 providing the pumping voltage Upo and an internal resistance R ia 230.
  • the pumping voltage U P is dropped, and the inner pumping electrode IPE is denoted by the reference numeral 132 in Fig. 1.
  • the outer pumping electrode APE and the inner pumping electrode IPE and the reference electrode RE are connected to a circuit unit 270 via corresponding terminals.
  • the broadband probe is controlled by means of the pump current regulator to its nominal value, the Nernst voltage U n .
  • the pumping current required for this purpose generates a pumping voltage U P which must be within two predefined threshold values, which will be discussed below, so as not to destroy the probe by an excessive pumping voltage.
  • the method according to the invention for protecting the regulated broadband probe against excessively high pumping voltage now starts from the unpowered pumping voltage U P0 and uses this de-energized pumping voltage as a decision variable. Non-energized means that no pumping current flows.
  • One way of measuring the no-current pumping voltage Upo is to switch off the pumping current for a certain time, which can happen, for example, during a pulse-width-modulated (PWM) current signal during a pause in the current.
  • PWM pulse-width-modulated
  • the threshold values are determined and specified empirically; in concrete terms, values are written into a register 270 by the software of the controller 271. Separate threshold values can be set for the two operating ranges "rich” and "lean”. These are also provided with an adjustable hysteresis. In Fig. 3, this is schematically illustrated by the lean region.
  • FIG. 3 shows the lean operating range. Shown are the lean threshold 305 and the adjustable hysteresis 306. This hysteresis 306 causes the lean threshold to vary between the value 305 and a value 307 shown in phantom in FIG. The fat area is not shown.
  • the rich area represents, in principle, the reflection of the lean area on the t-axis in the fourth quadrant shown in FIG. 3, that is, the rich threshold is in the negative pump voltage range, as well as the hysteresis adjustable in the rich range. In other words, if the maximum allowable pumping voltage, ie the
  • Threshold 305 has been exceeded, which can be determined in such a measurement, the pump current regulator is deactivated and it is either the pumping power off or
  • the pumping current is controlled such that the probe is operated within the permitted limits for the currentless pumping voltage U P0 .
  • This is achieved with its own, adjustable characteristic regulator, the blackening protection regulator.
  • Fig. 3 of the reference numeral 340 pump voltage waveform Such a controller can be implemented digitally or analogously. It can also be implemented as a computer program in the control unit.
  • the pumping current regulator which could also be referred to as Nernstwoodsregler.
  • the pumping current controller is configured during its deactivation in such a way that a trouble-free re-entry into the pumping current regulation is possible.
  • the method described above can be implemented very advantageously as a computer program on a computing device, in particular the control unit 271, and run there.
  • the program code may be stored on a machine-readable medium, such as a CD-ROM, a DVD-ROM, a memory stick, an external flash memory, an external drive, or the like, which the controller 270 may read. But it is also possible to realize the controller analog, so as a circuit structure.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a wideband lambda probe which is used to determine the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine that is operated with an air-fuel mix, said wideband lambda probe having a Nernst cell and a pump cell, a pump voltage being applied to said pump cell, said voltage being set with the aid of a pump current regulator, depending on a Nernst voltage that corresponds to the oxygen concentration in the exhaust gas and is tapped at said Nernst cell. The method is characterised by the following steps: the pump voltage is measured when the pump current is temporarily switched off and is compared to a predetermined maximum threshold value, when this threshold value is exceeded, the pump current regulator is deactivated and either the pump current is turned off or the pump current is regulated by a separate regulator such that the pump voltage lies within predeterminable limits.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.  Method for operating a broadband lambda probe The invention relates to a method for operating a broadband lambda probe according to the preamble of claim 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeig- net sind. The subject matter of the present invention is also a computer program and a computer program product which are suitable for carrying out the method.
Stand der Technik State of the art
In Fahrzeugen heutiger Bauart kommen die unterschiedlichsten Sonden zum Einsatz. Neben Sprungsonden existieren auch sogenannte Breitband-In vehicles of today's design a variety of probes are used. In addition to jump probes, so-called broadband
Lambdasonden mit zwei Zellen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2007 057 707 A1 hervorgehen. Diese Sonden dienen der Messung der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas der Brennkraftmaschine. Breitbandlambdasonden bestehen im Wesentlichen aus einer Kombination von herkömmlicher, als galvani- sehe Zelle wirkender Konzentrationssonde (Nernst-Sonde) sowie einer Grenzstrom- oder„Pump"zelle. An der Pumpzelle, die von gleicher Art ist wie eine übliche Konzentrationszelle, wird von außen eine Spannung, die sogenannte Pumpspannung, angelegt. Ist die Pumpspannung groß genug, stellt sich ein sogenannter Grenzstrom ein, der proportional dem Unterschied der Sauerstoffkonzentrati- on auf beiden Seiten der Sonde ist. Aufgrund dieses Stroms werden - polaritätsabhängig - Sauerstoffatome transportiert. Eine elektronische Regelschaltung bewirkt, dass der Konzentrationssonde von der Pumpzelle über einen sehr engen Diffusionsspalt immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas zugeführt wird, dass an ihr der Zustand λ = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss im Abgas (Ma- gerbereich) wird Sauerstoff abgepumpt. Bei geringem Restsauerstoffgehalt desLambda sensors with two cells, as they emerge for example from DE 10 2007 057 707 A1. These probes are used to measure the concentration of a gas component in the exhaust gas of the internal combustion engine. Broadband lambda probes basically consist of a combination of a conventional concentration probe (Nernst probe), which acts as a galvanic cell, and a limiting current or "pumping cell." The pump cell, which is of the same type as a conventional concentration cell, becomes externally a If the pumping voltage is high enough, a so-called limiting current is established, which is proportional to the difference in the oxygen concentration on both sides of the probe in that the concentration probe is always supplied with the same amount of oxygen from the exhaust gas via the pumping cell via a very narrow diffusion gap that the condition λ = 1. In the case of excess air in the exhaust gas (oxygen zone), oxygen is pumped off
Abgases (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt. Der jeweilige Pumpstrom bildet das Ausgangssignal. Die Ausgangssignalleitung derartiger Breitband-Lambdasonden ist mit dem Motorsteuergerät verbunden. Bei einer solchen Breitbandsonde wird demnach der Sollwert der Nernstspannung durch den Pumpstrom geregelt. Dabei muss beachtet werden, dass die Pumpspannung einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, da sonst die Sonde zerstört wird. Bei einer zu großen Pumpspannung kann es zur sogenannten Schwarzfärbung (blackening) der Sonde kommen. Die durch den vorbeschriebenen Pumpstromregler geregelte Pumpspannung wird bei Sonden heutiger Bauart überwacht und begrenzt. Dabei wird die Pumpspannung erfasst, während der Pumpstrom fließt, Dies wird im Folgenden als„bestromte Pumpspannung" bezeichnet. Für die Schädigung der Sonde ist die Polarisierung der Sonde ausschlaggebend. Diese Polarisierung kann vorteilhafterweise durch die anliegende Pumpspannung bestimmt werden, während kein Pumpstrom fließt. Dieser Zustand wird im Folgenden als„unbestromte Pumpspannung" bezeichnet. Die Polarisierung der Sonde wird mit anderen Worten durch die unbestromteExhaust gas (fat area) becomes oxygen by reversing the pumping voltage fed. The respective pumping current forms the output signal. The output signal line of such broadband lambda probes is connected to the engine control unit. In such a broadband probe, therefore, the setpoint of the Nernst voltage is regulated by the pumping current. It should be noted that the pump voltage does not exceed a certain threshold, otherwise the probe will be destroyed. If the pumping voltage is too high, blackening of the probe may occur. The pumping voltage regulated by the above-described pumping current regulator is monitored and limited in probes of today's design. This is referred to below as the "current pumping voltage." For the damage to the probe, the polarization of the probe is crucial.This polarization can be advantageously determined by the applied pumping voltage, while no pumping current flows. This state is referred to below as "de-energized pumping voltage". The polarization of the probe is in other words by the unpowered
Pumpspannung charakterisiert. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde zu vermitteln, welches einen Schutz einer geregelten Breitband-Lambdasonde vor zu hoher Pumpspannung ermöglicht. Pump voltage characterized. The invention is based on the object of providing a method for operating a broadband lambda probe, which enables protection of a regulated broadband lambda probe from excessively high pumping voltage.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-DISCLOSURE OF THE INVENTION Advantages of the Invention The object is achieved by a method for operating a broadband
Lambdasonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Grundidee der Erfindung ist es, die unbestromte Pumpspannung für die nachfolgend näher beschriebene Schutzfunktion der Breitband-Lambdasonde zugrunde zu legen. Eine Möglichkeit, die unbestromte Pumpspannung zu messen, besteht darin, denLambda probe solved with the features of claim 1. The basic idea of the invention is to base the unthrottled pumping voltage on the protective function of the broadband lambda probe described in more detail below. One way to measure the de-energized pumping voltage is to use the
Pumpstrom für eine gewisse Zeit abzuschalten. Beispielsweise wird bei einem PWM-Stromsignal (PWM = Pulsweitenmodulation) in der Strompause die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode der Breitband-Lambdasonde gemessen. Auf diese Weise fällt der Anteil der Span- nung weg, der über den Innenwiderstand oder den Zuleitungs- und Kontaktwiderständen abfällt. Erfindungsgemäß wird die Pumpspannung mit einem vorgegebenen maximalen Schwellenwert verglichen. Durch die Verwendung des Pumpstromreglers für die Regelung auf ihren Sollwert, die sogenannte Nernstspannung, und einer davon getrennten Überwachung der Pumpspannung kann die Sonde bis zur maximal erlaubten unbestromten Pumpspannung betrieben werden. Bei Überschreiten des Schwellenwertes wird der Pumpstromregler deaktiviert und es wird entweder der Pumpstrom abgestellt oder der Pumpstrom wird mittels eines separaten Reglers, nachfolgend auch als„Blackening-Schutzregler" bezeichnet, so geregelt, dass die Pumpspannung innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt. Auf diese Weise kann die Breitband-Lambdasonde innerhalb der vorgegebenen erlaubten Grenzen für die unbestromte Pumpspannung weiter betrieben werden. Turn off pumping power for a while. For example, in the case of a PWM current signal (PWM = pulse width modulation) in the current pause, the voltage between the outer pumping electrode and the inner pumping electrode of the broadband lambda probe is measured. In this way, the portion of the voltage that drops above the internal resistance or the lead and contact resistance drops away. According to the invention, the pump voltage is compared with a predetermined maximum threshold value. By using the pump current regulator for the control to its nominal value, the so-called Nernst voltage, and a separate monitoring of the pump voltage, the probe can be operated up to the maximum permitted unpowered pumping voltage. When the threshold value is exceeded, the pumping current regulator is deactivated and either the pumping current is switched off or the pumping current is regulated by means of a separate regulator, also referred to below as "blackening protection regulator", so that the pumping voltage lies within specifiable limits Wide-band lambda probe within the predetermined allowable limits for the de-energized pump voltage continue to operate.
Durch die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maß- nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. So ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Pumpspannung durch den Pumpstromregler so eingeregelt wird, dass sie zwischen einem minimalen und einem maximalen Pumpspannungsgrenzwert liegt. Advantageous developments and improvements of the method specified in the independent claim 1 are possible by the measures listed in the claims dependent on claim 1. Thus, it is advantageously provided that the pump voltage is adjusted by the pump current controller so that it is between a minimum and a maximum pump voltage limit.
Bevorzugt werden der minimale und der maximale Pumpspannungsgrenzwert jeweils für fette und magere Betriebsbereiche getrennt unter Berücksichtigung einer Hysterese bestimmt und vorgegeben. Die Schwellenwerte sind also für die beiden Betriebsbereiche„fett" bzw.„mager" getrennt einstellbar und werden mit einer einstellbaren Hysterese versehen. Die Schwellenwerte bzw. die Hysterese sind abhängig vom Sondentyp. Sie sind innerhalb des Auswertebereichs eines Analog-Digital-Wandlers mit einer bestimmten Auflösung frei über ein Datenregister einstellbar. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass dann, wenn die Pumpspannung den maximal vorgegebenen Schwellenwert wieder unterschreitet, erneut eine Regelung mittels des Pumpstromreglers vorgenommen wird. Wenn also die für die Sonde gefährliche Pumpspannungsschwelle wieder unterschritten wurde, erfolgt die Regelung auf an sich bekannte Weise, wobei der Pumpstrom- regier so konfiguriert ist, dass die Regelung unmittelbar einsetzt. Die temporäreThe minimum and maximum pump voltage limit values are preferably determined separately for rich and lean operating ranges, taking into account a hysteresis, and predefined. The threshold values are therefore separately adjustable for the two operating ranges "rich" and "lean" and are provided with an adjustable hysteresis. The threshold values or the hysteresis depend on the probe type. They are freely adjustable via a data register within the evaluation range of an analog-to-digital converter with a specific resolution. A particularly preferred embodiment provides that when the pump voltage falls below the maximum predetermined threshold again, a control by means of the pump current regulator is made again. Thus, if the pump voltage threshold which is dangerous for the probe has again fallen below, the control takes place in a manner known per se, the pump current regulator being configured such that the control starts immediately. The temporary
Messung der Pumpspannung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Pumpstrom für eine vorgebbare Zeit abgeschaltet wird und in dieser Strompause die Spannung zwischen äußerer Pumpelektrode und innerer Pumpelektrode gemessen wird. Measurement of the pumping voltage can be done, for example, that the Pumping current is turned off for a predetermined time and in this current pause the voltage between the outer pumping electrode and the inner pumping electrode is measured.
Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte können rein prinzipiell als Computerprogramm ausgestaltet sein, welches in einem Steuergeräteprogramm, beispielsweise als Unterprogramm, abläuft. Der Programmcode ist vorteilhafterweise auf einem Computerprogrammcode, beispielsweise einer DVD, einer CD- ROM, einem externen Laufwerk, einem Flash-Speicher oder dergleichen gespeichert und auf diese Weise ist ein Nachrüsten des Verfahrens in bestehende Steuergeräte ohne Weiteres ohne zusätzlichen Hardwareaufwand möglich. Insbesondere kann der separate Regler, also der Blackening-Schutzregler, als Computerprogramm implementiert sein. The above-described method steps can be designed purely in principle as a computer program which runs in a control unit program, for example as a subroutine. The program code is advantageously stored on a computer program code, for example a DVD, a CD-ROM, an external drive, a flash memory or the like, and in this way it is readily possible to retrofit the method into existing control devices without additional hardware expenditure. In particular, the separate controller, ie the blackening protection controller, can be implemented as a computer program.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Breitband- Lambdasonde zur Erläuterung ihres Funktionsprinzips, 1 shows schematically a known from the prior art broadband lambda probe to explain its operating principle,
Fig. 2 schematisch ein Ersatzschaltbild der Breitband-Lambdasonde zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und  Fig. 2 shows schematically an equivalent circuit diagram of the broadband lambda probe for explaining the method according to the invention and
Fig. 3 die Pumpspannung über der Zeit zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.  Fig. 3, the pump voltage over time to explain the method according to the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Zur Bestimmung der Gaszusammensetzung im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, werden Gassensoren unterschiedlicher Art eingesetzt. Neben Sauerstoffkonzentrationssensoren, sogenannten Sprungsonden oder Lambdasonden, kommen insbesondere für den weiteren Magerbereich sogenannte Breitband-Lambdasonden zum Einsatz. Diese bestehen im Wesentlichen aus einer Kombination von herkömmlicher, als galvanische Zelle wirkender Konzentrationssonde, einer sogenannten Nernst- Sonde, sowie einer Grenzstrom- oder„Pump"zelle. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer solchen Breit- band-Lambdasonde beschrieben. In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer solchen Breitband-Lambdasonde dargestellt. Diese weist eine Nernst-Konzentrationssonde 110 und eine Sauerstoffpumpzelle 120 auf, wobei die Sauerstoffpumpzelle 120 durch eine äußere Pumpelektrode (APE) 131 und eine innere Pumpelektrode (IPE) 132 gebildet wird. Die äußere Pumpelektrode 131 ist dem Abgas A ausgesetzt und die innere, ringförmige Pumpelektrode 132 ist in einem Hohlraum 133 angeordnet, der über einen Kanal 134 und einen Diffusionsspalt, in dem eine Diffusionsbarriere 130 angeordnet ist, mit dem Abgas A verbunden ist. Die Nernstzelle 1 10 wird durch die innere Pumpelektrode 132 und eine Referenzelektrode (RE) 141 , die in einem inneren Referenzluftkanal 140 angeordnet ist, gebildet. Die Sonde wird durch eine Heizung 150, an der eine Heizspannung UH anliegt, auf Betriebstemperatur gebracht. Eine Regelschaltung 160, gebildet beispielsweise durch einen Operationsverstärker, an dessen nichtinvertierendem Eingang eine Referenzspannung Uref von insbesondere 450 mV anliegt und an dessen invertierendem Eingang das Ausgangssignal der Referenzelektrode 141 anliegt, erzeugt einen Pumpstrom lP, mit dem die äußere Pumpelektrode 131 beaufschlagt wird. Die innere Pumpelektrode 132 ist mit Masse verbunden. Der Pumpstrom lP kann mittels Anschlussklemmen 161 , 162 abgegriffen werden. Er bildet ein Maß für die Sauerstoffkonzentration, wie nachfolgend kurz beschrieben wird. An die Pumpzelle 120 wird eine Spannung angelegt. Ist die Spannung groß genug, stellt sich ein„Grenzstrom" ein, der proportional dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Sonde ist. Mit dem Strom werden - polaritätsabhängig - Sauerstoffatome transportiert. Die Regelschaltung 160 bewirkt, dass der Konzentrationssonde 1 10 von der Pumpzelle 120 über den engen Diffusionsspalt und die Diffusionsbarriere 130 immer genau so viel Sauerstoff aus dem Abgas A zugeführt wird, dass an ihr der Zustand λ = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss im Abgas (Magerbereich) wird Sauerstoff abgepumpt. Bei geringem Restsauerstoffgehalt des Abgases (fetter Bereich) wird durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt. Der Pumpstrom, der über die Klemmen 161 , 162 abgreifbar ist, bildet das Ausgangssignal. Er stellt ein Maß der Sauerstoffkonzentration und damit des Lambdawertes dar. Diese Pumpstromregelung wird nachfolgend kurz als„Pumpstromregler" bezeichnet. Mittels dieses Pumpstromreglers wird die Pumpspannung UP auf die Nernstspannung Un, die der Referenzspannung entspricht, eingeregelt. In Fig. 2 ist schematisch das Ersatzschaltbild der Breitband-Lambdasonde dargestellt. Die Breitband-Lambdasonde umfasst den Innenwiderstand Rie 220 und eine fiktive Spannungsquelle 221 , die die Nernstspannung Uno bereitstellt. Die Pumpzelle wird durch eine fiktive Spannungsquelle 231 , die die Pumpspannung Upo bereitstellt, und einen Innenwiderstand Ria 230 gebildet. Zwischen der äuße- ren Pumpelektrode APE, in Fig. 1 mit Bezugszeichen 131 versehen, und der inneren Pumpelektrode IPE, in Fig. 1 mit Bezugszeichen 132 versehen, fällt die Pumpspannung UP ab. Zwischen der inneren Pumpelektrode IPE und der Referenzelektrode RE, in Fig. 1 mit Bezugszeichen 141 versehen, fällt die Gas sensors of different types are used to determine the gas composition in the exhaust gas of internal combustion engines, in particular of internal combustion engines in motor vehicles. In addition to oxygen concentration sensors, so-called jump probes or lambda probes, so-called broadband lambda probes are used, in particular for the further lean range. These consist essentially of a combination of conventional, acting as a galvanic cell concentration probe, a so-called Nernst probe, as well as a limiting current or "pump" cell. The method according to the invention will be described below with reference to such a broadband lambda probe. In Fig. 1, the structure of such a broadband lambda probe is shown schematically. This comprises a Nernst concentration probe 110 and an oxygen pumping cell 120, wherein the oxygen pumping cell 120 is formed by an outer pumping electrode (APE) 131 and an inner pumping electrode (IPE) 132. The outer pumping electrode 131 is exposed to the exhaust gas A and the inner, annular pumping electrode 132 is arranged in a cavity 133, which is connected to the exhaust gas A via a channel 134 and a diffusion gap in which a diffusion barrier 130 is arranged. The Nernst cell 110 is formed by the inner pumping electrode 132 and a reference electrode (RE) 141 arranged in an inner reference air channel 140. The probe is brought to operating temperature by a heater 150, at which a heating voltage U H is applied. A control circuit 160, formed for example by an operational amplifier, at the noninverting input of a reference voltage Uref of 450 mV particular applies and applied to the inverting input, the output signal of the reference electrode 141, generates a pumping current l P , with which the outer pumping electrode 131 is acted upon. The inner pumping electrode 132 is connected to ground. The pumping current I P can be tapped by means of connection terminals 161, 162. It forms a measure of the oxygen concentration, as briefly described below. To the pumping cell 120, a voltage is applied. If the voltage is high enough, a "limiting current" is established, which is proportional to the difference in the oxygen concentration on both sides of the probe, and the current is used to transport oxygen atoms, depending on the polarity.The control circuit 160 causes the concentration probe 1 10 from the pumping cell 120 is always supplied via the narrow diffusion gap and the diffusion barrier 130 just as much oxygen from the exhaust gas A, that prevails at the state λ = 1. With excess air in the exhaust gas (lean area) oxygen is pumped off The pumping current, which can be tapped off via terminals 161, 162, forms the output signal and represents a measure of the oxygen concentration and thus of the lambda value The pump voltage U P is regulated to the Nernst voltage U n , which corresponds to the reference voltage, by means of this pump current regulator The equivalent circuit diagram of the broadband lambda probe is shown schematically in FIG Internal resistance R ie 220 and a fictitious voltage source 221 which provides the Nernst voltage U n o The pumping cell is formed by a fictitious voltage source 231 providing the pumping voltage Upo and an internal resistance R ia 230. Between the outer pumping electrode APE, in 1, the pumping voltage U P is dropped, and the inner pumping electrode IPE is denoted by the reference numeral 132 in Fig. 1. The inner pumping electrode IPE and the reference electrode RE, indicated by reference numeral 141 in Fig. 1, are dropped the
Nernstspannung Un ab. Über entsprechende Klemmen sind die äußere Pump- elektrode APE und die innere Pumpelektrode IPE und die Referenzelektrode RE mit einer Schaltungseinheit 270 verbunden. Nernst voltage U n from. The outer pumping electrode APE and the inner pumping electrode IPE and the reference electrode RE are connected to a circuit unit 270 via corresponding terminals.
Die Breitbandsonde wird mittels des Pumpstromreglers auf ihren Sollwert, die Nernstspannung Un, geregelt. Der hierfür notwendige Pumpstrom erzeugt eine Pumpspannung UP, die innerhalb zweier vorgegebener Schwellenwerte, auf die weiter unten noch eingegangen wird, liegen muss, um die Sonde nicht durch eine zu große Pumpspannung zu zerstören. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schutz der geregelten Breitbandsonde vor zu hoher Pumpspannung geht nun von der unbestromten Pumpspannung UP0 aus und legt diese unbestromte Pumpspannung als Entscheidungsgröße zugrunde. Unbestromt bedeutet dabei, dass kein Pumpstrom fließt. Eine Möglichkeit, die unbestromte Pumpspannung Upo zu messen, ist, den Pumpstrom für eine gewisse Zeit abzuschalten, was beispielsweise bei einem pulsweitenmodulierten (PWM-)Stromsignal während einer Strompause geschehen kann. Hierzu wird die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der inneren Pumpelektrode IPE gemessen. Hierdurch fällt der Anteil der Spannung weg, der über den Innenwiderstand oder den Zulei- tungs- und Kontaktwiderstand abfällt. Die Schwellenwerte werden empirisch bestimmt und vorgegeben, konkret werden Werte durch die Software des Steuergeräts 271 in ein Register 270 geschrieben. Dabei sind für die beiden Betriebsbe- reiche„fett" bzw.„mager" getrennte Schwellenwerte einstellbar. Diese sind darüber hinaus mit einer einstellbaren Hysterese versehen. In Fig. 3 ist dies schematisch anhand des mageren Bereiches dargestellt. In Figur 3 ist die in Fig. 2 dargestellte Spannung UP0 über der Zeit aufgetragen. In einem Bereich 310, 311 ist der Pumpstromregler aktiv, wohingegen in einem Be- reich 340 der sogenannte Blackening-Schutzregler aktiv ist, jedoch der Pumpstromregler inaktiv ist. Figur 3 zeigt den mageren Betriebsbereich. Dargestellt sind der magere Schwellenwert 305 und die einstellbare Hysterese 306. Diese Hysterese 306 führt dazu, dass der magere Schwellenwert zwischen dem Wert 305 und einem Wert 307, der in Figur 3 gestrichelt dargestellt ist, variieren kann. Der fette Bereich ist nicht dargestellt. Der fette Bereich stellt im Prinzip die Spiegelung des in Figur 3 dargestellten mageren Bereichs an der t-Achse in den vierten Quadranten dar, das heißt, der fette Schwellenwert liegt im negativen Pumpspannungsbereich, genauso wie die im fetten Bereich einstellbare Hysterese. Wenn mit anderen Worten die maximal erlaubte Pumpspannung, also derThe broadband probe is controlled by means of the pump current regulator to its nominal value, the Nernst voltage U n . The pumping current required for this purpose generates a pumping voltage U P which must be within two predefined threshold values, which will be discussed below, so as not to destroy the probe by an excessive pumping voltage. The method according to the invention for protecting the regulated broadband probe against excessively high pumping voltage now starts from the unpowered pumping voltage U P0 and uses this de-energized pumping voltage as a decision variable. Non-energized means that no pumping current flows. One way of measuring the no-current pumping voltage Upo is to switch off the pumping current for a certain time, which can happen, for example, during a pulse-width-modulated (PWM) current signal during a pause in the current. For this purpose, the voltage between the outer pumping electrode APE and the inner pumping electrode IPE is measured. This eliminates the portion of the voltage that drops across the internal resistance or the supply and contact resistance. The threshold values are determined and specified empirically; in concrete terms, values are written into a register 270 by the software of the controller 271. Separate threshold values can be set for the two operating ranges "rich" and "lean". These are also provided with an adjustable hysteresis. In Fig. 3, this is schematically illustrated by the lean region. In FIG. 3, the voltage U P0 shown in FIG. 2 is plotted against time. In a region 310, 311, the pump current regulator is active, whereas in a region 340 the so-called blackening protection regulator is active, but the pump current regulator is inactive. FIG. 3 shows the lean operating range. Shown are the lean threshold 305 and the adjustable hysteresis 306. This hysteresis 306 causes the lean threshold to vary between the value 305 and a value 307 shown in phantom in FIG. The fat area is not shown. The rich area represents, in principle, the reflection of the lean area on the t-axis in the fourth quadrant shown in FIG. 3, that is, the rich threshold is in the negative pump voltage range, as well as the hysteresis adjustable in the rich range. In other words, if the maximum allowable pumping voltage, ie the
Schwellenwert 305 überschritten wurde, was bei einer derartigen Messung festgestellt werden kann, so wird der Pumpstromregler deaktiviert und es wird entweder der Pumpstrom abgestellt oder Threshold 305 has been exceeded, which can be determined in such a measurement, the pump current regulator is deactivated and it is either the pumping power off or
der Pumpstrom derart geregelt, dass die Sonde innerhalb der erlaubten Grenzen für die unbestromte Pumpspannung UP0 weiterbetrieben wird. Dies wird mit einem eigenen, hinsichtlich seiner Charakteristik einstellbaren Regler, dem Blackening-Schutzregler, erreicht. Dies ist in Fig. 3 der mit Bezugszeichen 340 versehene Pumpspannungsverlauf. Ein solcher Regler ist digital oder analog realisierbar. Er kann auch als Computerprogramm im Steuergerät implementiert sein. the pumping current is controlled such that the probe is operated within the permitted limits for the currentless pumping voltage U P0 . This is achieved with its own, adjustable characteristic regulator, the blackening protection regulator. This is shown in Fig. 3 of the reference numeral 340 pump voltage waveform. Such a controller can be implemented digitally or analogously. It can also be implemented as a computer program in the control unit.
Wenn nun die maximal erlaubte Pumpspannung wieder unterschritten wird, wobei hier die Hysterese 306 zu beachten ist, erfolgt wiederum eine Regelung über den Pumpstromregler, der auch als Nernstspannungsregler bezeichnet werden könnte. Dies ist der in Fig. 3 mit Bezugszeichen 31 1 versehene Pumpspannungsverlauf. Hierzu wird der Pumpstromregler während seiner Deaktivierung so konfiguriert, dass ein störungsfreier Wiedereintritt in die Pumpstromregelung möglich ist. Das vorstehend beschriebene Verfahren kann sehr vorteilhaft als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät 271 , implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, beispielsweise einer CD-ROM, einer DVD-ROM, einem Speicherstick, einem externen Flash-Speicher, einem externen Laufwerk oder dergleichen, den das Steuergerät 270 einlesen kann. Möglich ist es aber auch, den Regler analog zu realisieren, also als Schaltungsaufbau. Now, if the maximum allowable pumping voltage is fallen below again, in which case the hysteresis 306 is to be observed, again takes place a regulation via the pumping current regulator, which could also be referred to as Nernstspannungsregler. This is the pump voltage curve provided with reference number 31 1 in FIG. 3. For this purpose, the pumping current controller is configured during its deactivation in such a way that a trouble-free re-entry into the pumping current regulation is possible. The method described above can be implemented very advantageously as a computer program on a computing device, in particular the control unit 271, and run there. The program code may be stored on a machine-readable medium, such as a CD-ROM, a DVD-ROM, a memory stick, an external flash memory, an external drive, or the like, which the controller 270 may read. But it is also possible to realize the controller analog, so as a circuit structure.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luftgemisch betriebenen Brennkraftmaschine, wobei die Breitband-Lambdasonde eine Nernstzelle (1 10) und eine Pumpzelle (120) aufweist und wobei an die Pumpzelle (120) eine Pumpspannung (UP) angelegt wird, die abhängig von einer der Sauerstoffkonzentration im Abgas entsprechenden, an der Nernstzelle (1 10) abgenommenen Nernstspannung (Un) mit Hilfe eines Pumpstromreglers eingestellt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:A method for operating a broadband lambda probe for the determination of the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine operated with a fuel-air mixture, wherein the broadband lambda probe has a Nernst cell (1 10) and a pumping cell (120) and wherein the pumping cell (120) a Pump voltage (U P ) is applied, which is dependent on one of the oxygen concentration in the exhaust corresponding, on the Nernst cell (1 10) removed Nernst voltage (U n ) is set by means of a pumping current regulator, characterized by the following steps:
- die Pumpspannung (UP0) wird bei temporär abgeschaltetem Pumpstrom (lp) gemessen und mit einem vorgegebenen maximalen Schwellenwert (305) verglichen, the pump voltage (U P0 ) is measured when the pump current (lp) is temporarily switched off and compared with a predefined maximum threshold value (305),
- bei Überschreiten des Schwellenwertes (305) wird der Pumpstromregler deaktiviert und es wird  - When the threshold value (305) is exceeded, the pumping current controller is deactivated and it is
- entweder der Pumpstrom (lP) abgestellt - either the pumping current (l P ) turned off
- oder der Pumpstrom (lP) mittels eines separaten Reglers so geregelt, dass die Pumpspannung (UP0) innerhalb vorgebbarer Grenzen liegt. - or the pumping current (l P ) regulated by means of a separate controller so that the pumping voltage (U P0 ) is within predeterminable limits.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung (Upo) durch den separaten Regler so eingeregelt wird, dass sie zwischen einem minimalen und einem maximalen Pumpspannungsgrenzwert liegt. A method according to claim 1, characterized in that the pumping voltage (Upo) is adjusted by the separate controller so that it is between a minimum and a maximum pump voltage limit.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Regler ein Blackening-Schutzregler ist. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the separate controller is a blackening protection regulator.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale und der maximale Pumpspannungsgrenzwert (305) jeweils für fette und magere Betriebsbereiche getrennt unter Berücksichtigung einer einstellbaren Hysterese (306) bestimmt und vorgegeben werden. Method according to Claim 2 or 3, characterized in that the minimum and maximum pump voltage limit values (305) are determined and specified separately for rich and lean operating ranges taking into account an adjustable hysteresis (306).
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Pumpspannung (UP0) den maximalen vorgegebenen Schwellenwert (305) wieder unterschreitet, wieder eine Regelung mittels des Pumpstromreglers vorgenommen wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when the pumping voltage (U P0 ) falls below the maximum predetermined threshold (305) again, a control by means of the pumping current regulator is made again.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstromregler während des Zeitraums, in dem die Regelung des Pumpstroms (lp) mittels des separaten Reglers vorgenommen wird, konfiguriert wird, derart, dass eine Regelung bei Unterschreiten des maximalen Schwellenwertes der Pumpspannung (UP0) unmittelbar erfolgt. 6. The method according to claim 5, characterized in that the pumping current controller during the period in which the regulation of the pumping current (l p ) is carried out by means of the separate controller, is configured such that a control falls below the maximum threshold value of the pumping voltage ( U P0 ) takes place immediately.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung (Upo) bei temporär abgeschaltetem Pumpstrom (lP) in einer Strompause eines PWM-Stromsignals gemessen wird. 7. The method according to claim 1, characterized in that the pump voltage (Upo) is measured at temporarily switched off pumping current (l P ) in a current interval of a PWM current signal.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrößen des separaten Reglers einstellbar sind. 8. The method according to claim 1, characterized in that the controlled variables of the separate controller are adjustable.
9. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft. 9. Computer program, which executes all the steps of a method according to one of claims 1 to 8, when it runs on a computing device, in particular the control unit of an internal combustion engine.
10. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird. A computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, when the program is executed on a computer or a control device of a vehicle.
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