WO2015082197A1 - Control unit for operating a broadband lambda probe - Google Patents

Control unit for operating a broadband lambda probe Download PDF

Info

Publication number
WO2015082197A1
WO2015082197A1 PCT/EP2014/074674 EP2014074674W WO2015082197A1 WO 2015082197 A1 WO2015082197 A1 WO 2015082197A1 EP 2014074674 W EP2014074674 W EP 2014074674W WO 2015082197 A1 WO2015082197 A1 WO 2015082197A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
control unit
current
pumping
unit according
lambda probe
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/074674
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernhard Ledermann
Claudius Bevot
Anne-Katrin MITTASCH
Ruediger Fehrmann
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
Publication of WO2015082197A1 publication Critical patent/WO2015082197A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • Control unit for operating a broadband lambda probe
  • the invention relates to a control unit for operating in particular a single-cell broadband lambda probe of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a lambda control in conjunction with a catalytic converter, is today the most effective emission control method for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle. Only in combination with today available ignition and injection systems can be achieved very low exhaust emissions.
  • the lambda value indicates how far the actual air-fuel mixture deviates from the theoretically necessary mass ratio of 14.7 kg or 14.5 kg of air to 1 kg of fuel for complete combustion. The value of 14.7 kg applies to petrol and the value of 14.5 kg for diesel fuel.
  • Lambda is the quotient of the supplied air mass and the theoretical air requirement.
  • a broadband lambda probe and a control unit for operating such a lambda probe are disclosed in DE 10 2008 001 697 A1.
  • the operation comprises, in particular, the control of the lambda probe as well as the evaluation of the signals or data supplied by the lambda probe.
  • the control unit comprises a signal conditioning unit, an A / D converter, a pump current regulator, a digital interface, a controller, an inner pump electrode connection, an outer pump electrode connection and a reference Conference electrode terminal.
  • the signal conditioning unit is provided for determining an actual value for the pump current regulator and for determining further information about the operating state of the broadband lambda probe. The information can be output via the digital interface.
  • a pump voltage Up is applied to the pumping cell of the lambda probe, which voltage is adjusted as a function of a Nernst voltage corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas taken off at the Nernst cell with the aid of a pumping current controller.
  • the pumping current Ip is adjusted or tracked so that the pumping voltage Up can be predetermined within
  • a corresponding control unit in the form of an integrated circuit (IC) for controlling broadband lambda probes suitable for diesel and gasoline engines is marketed by the applicant under the name "CJ135.” This control unit will be described below with reference to FIG.
  • a broadband lambda probe can be operated and monitored with the aid of a single ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • This ASIC serves, in particular, for providing a regulated pump current (Ip) and its detection, for detecting the internal sensor resistance (Ri) for temperature monitoring of the sensor and for monitoring and possibly protecting all sensor lines.
  • Ip regulated pump current
  • Ri internal sensor resistance
  • DE 101 56 248 A1 discloses a broadband lambda probe which has only a single pumping cell, that is to say has a unicellular construction, and which can be operated according to the limiting current principle.
  • the probe has two electrodes arranged on a solid electrolyte, wherein the first electrode (outer pumping electrode) extends into a reference gas via a reference or exhaust air channel and the second electrode (inner pumping electrode) extends into the measurement gas or exhaust gas via a diffusion barrier ,
  • a voltage is applied to the electrodes, whereby in the case of lean exhaust gas, oxygen ions are moved from the anode to the cathode, that is from the inner electrode to the outer pumping electrode. Since the subsequent flow of oxygen molecules from the exhaust gas into the cavity surrounding the inner electrode is impeded by a diffusion barrier, the pumping current reaches above one Pump voltage threshold, a current saturation, the so-called limiting current. This limiting current is proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas. Conversely, when the exhaust gas is rich, oxygen is pumped from the exhaust duct into the measuring space.
  • the invention is based on the finding that, in particular, for operating a single-cell, wide-band lambda probe, e.g. a said single-cell limit current probe, which has only two sensor lines, a said pumping current regulator is not required. Therefore, a broadband lambda probe of this type can be evaluated or monitored without a pumping current controller.
  • the invention enables a relatively simple design and thus cost-realizable circuit arrangement for pumping current measurement and pumping voltage tracking
  • the lambda probe is kept in the limit current operation, This means that the total oxygen diffusing through the diffusion barrier to the inner electrode or the inner pumping electrode is pumped to the outer electrode or exhaust air electrode eg water decomposition effects result, whereby the measuring signal, namely the pumping current, is falsified.
  • a circuit arrangement according to the invention or a control unit having such a circuit arrangement comprises a measuring resistor with which the value of the pumping current and thus the lambda value can be determined.
  • Pumping current is largely determined by the connected to the inner and outer pump electrode lambda probe.
  • the pump current required for the operation of the lambda probe can not be made available by a microcontroller or a voltage generator arranged in the microcontroller which supplies a pulse width modulated (PWM) voltage signal, which is usually required.
  • PWM pulse width modulated
  • the pumping current is thus not regulated, as in the prior art, but determined by means of the aforementioned measuring resistor. Based on the measured value determined in this way, the pump voltage is tracked using a uniform pump voltage generated by pulse width modulation and a downstream low-pass filter. This DC voltage is used in particular to keep the lambda probe in said limit current operating mode. Preferably, therefore, a characteristic curve is stored in a microcontroller which assigns the associated voltage value to a pump current value.
  • a "virtual ground” arranged behind the measuring resistor can be provided.
  • the virtual ground can serve as a current source and / or as a current sink and provide a constant voltage.
  • the lambda probe In the normal operation of a self-igniting internal combustion engine (diesel engine), the lambda probe is mainly exposed to lean exhaust gas, however, the exhaust gas must be temporarily enriched, for example in the event of regeneration of the catalytic converter, in which case the pumping current flows in the other direction.
  • a measuring current pulse is applied to the evaluation circuit and thus also to the probe, and with the aid of the pump voltage, the internal resistance of the lambda probe and thus the probe temperature can be determined. This can also be used to diagnose fault conditions on electrical lines of the lambda probe.
  • control unit according to the invention which is suitable in particular for a single-cell broadband probe, does not require a pumping current regulator and, moreover, can be constructed from discrete components, in particular the manufacturing costs of the control unit can be considerably reduced.
  • a control unit according to the invention has a considerably greater electrical or electromagnetic robustness, since it does not cause any vibration. has sensitive to the control loop and therefore less susceptible to vibration.
  • circuit arrangement or control unit according to the invention can be used with the advantages described herein in an engine control unit of a self-igniting internal combustion engine for the operation and monitoring of a single-cell lambda probe in the case of a broader field of application of said broadband lambda probes, the invention will certainly be applicable in other areas ,
  • FIG. 1 shows a block diagram of a control unit known from the prior art for operating a broadband lambda probe.
  • Figure 2 shows schematically a known in the art limit current probe.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a control unit according to the invention for operating a single-cell, wide-band lambda probe.
  • the control unit 10 which is known per se in terms of its structure (initially referred to as the IC "CJ135"), corresponds in its function to an evaluation module for a broadband lambda probe, and the control unit is therefore equipped with a broadband lambda probe 15. or data technology prevented.
  • an external microcontroller
  • the control unit 10 comprises an analog / digital (A / D) converter 25, a filter 30 and an SPI (Serial Peripheral Interface) shift register 40.
  • a / D converter 25 those supplied by the lambda probe 15 digitized analog measurement data for digital processing.
  • the filter 30, preferably a low-pass filter, the signal noise of the measurement signal supplied by the sensor is reduced. The thus filtered digital data is transmitted to the microcontroller 20.
  • the control unit 10 further comprises a switching matrix 33, which is operated by means of a control module 34 and is fed by a current generator 35.
  • a switching matrix 33 By means of the switching matrix 33, the inputs of the control unit and the type of evaluation of the measurement signals can be flexibly adapted or changed.
  • the aforementioned lambda controller is in this case in the microcontroller 20, the pumping current regulator is implemented in the control unit 10 (i.e., in the present case in CJ135).
  • FIG. 2 shows a limiting current probe described in DE 10 2006 030 437 A1 for determining the concentration of gas components in a gas mixture, the so-called measuring gas 100.
  • the limiting current probe comprises a heater 160 in a lower region and a measuring chamber 130 in a central region a first electrode 140 and in an upper region a second electrode 150.
  • the first electrode in the present case the inner pumping electrode 140, and the second electrode, in the present case the outer pumping electrode 150, extends a solid electrolyte, which together with the two electrodes forms a pumping cell
  • the outer pump electrode 150 facing the gas mixture or sample gas 100 is protected from the sample gas 100 by a protective layer 110. Furthermore, the pumping cell 120 has an opening 105 in a central area, through which the measuring gas 100 passes via a diffusion barrier 135 into the measuring space 130 and thus to the inner pumping electrode 140. The outer pump electrode 150 is exposed to reference air.
  • a heating voltage (UH) 165 By applying a heating voltage (UH) 165, the gas sensor and in particular the pumping cell 120 are brought to an operating temperature at which the solid-state electrolyte has a sufficiently high oxygen-ion conductivity.
  • a pump voltage (Up) 170 is applied to both electrodes 140 and 150. If lean exhaust gas passes through the diffusion barrier 135 into the measuring space 130, the oxygen molecules of the exhaust gas are reduced to oxygen ions by means of the pumping voltage 170 at the inner pumping electrode 140, which acts as an anode, transported through the solid electrolyte to the outer pumping electrode 150, which acts as a cathode and released there as free oxygen again.
  • the pumping voltage 170 is adjusted so that the oxygen entering through the diffusion barrier 135 is completely pumped to the outer electrode or exhaust air electrode 150, which acts as a cathode.
  • a high pump voltage Up is not permanently set, however, in the context of a so-called "pump voltage tracking", the pump voltage (Up) 170 is adapted to the respective pump current (Ip) 175.
  • the resulting pump current 175 is approximately proportional to the residual oxygen content in the exhaust gas, whereby such single cell sensors are also referred to as "proportional sensors".
  • the pumping cell 120 can therefore be used in a relatively wide range for determining the air ratio lambda.
  • unicellular sensors usually only have a clear characteristic curve with relatively lean exhaust gas (lambda> 1) and are therefore preferably used in self-igniting internal combustion engines.
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement according to the invention or a control unit according to the invention which has such a circuit arrangement and is preferably shown for operating a previously described single-cell limit current probe.
  • a limit current probe 330 (not shown here) shown in FIG. 2 is connected to the circuit arrangement via a named IPE connection 343 (inner pumping electrode) and a named ALE connection 342 (outer pumping electrode or exhaust air electrode).
  • the limit current probe 330 serves to generate a pumping current 304 mentioned above.
  • a pumping current Ip flows from the exhaust air electrode (ALE) 342 to the inner pumping electrode (IPE) 343 of the limit current probe. If, on the other hand, the mixture is relatively rich (lambda ⁇ 1), then a pumping current Ip flows in the opposite direction.
  • a voltage generator 315 is used with the aid of a filter, in particular a low-pass filter 305, to generate the pump voltage (Up) 303, the value of the pump voltage 303 being dependent on the respective pumping current (Ip) 304 in a manner known per se by means of a pulse width-modulated (
  • the pumping current (Ip) 304 is provided in the present embodiment by a pumping current generator 405, which can be separated via a fourth switch (T4) 400 from the subsequent part of the circuit.
  • such a pumping current generator 405 and the switch T4 (400) are not absolutely necessary, since the pumping current 304 can in principle also be provided by the microcontroller 310.
  • the PWM signal 307 is supplied by a voltage generator 315 and in the present embodiment is in the frequency range of about 20 to 30 kHz. It should be noted, however, that the present invention or its application is not limited to this frequency range.
  • the generator 315 is arranged in an internal or external microcontroller ( ⁇ ) 310.
  • the pump voltage 303 thus set can also be smoothed via a first low-pass filter 305.
  • the pumping voltage 303 is read back into the microcontroller 310 via a second low-pass filter 306 and an analog-to-digital converter (ADC) 320.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the pumping current (Ip) 304 is determined by means of a measuring resistor 345. If necessary, for example for reasons of accuracy, the voltage drop across the measuring resistor can be amplified, eg by means of a differential amplifier (not shown) or by means of the ADC 320 already present in the microcontroller 310. By means of a characteristic 325 stored in the microcontroller 310 is generated from the pumping current 304, with an adjustable time delay, the pump voltage (Up) 303 to be generated.
  • a "virtual ground” (VM) 355 is arranged behind the measuring resistor 345.
  • the virtual ground 355 serves both as current source and as current sink in the present exemplary embodiment and supplies a fixed or constant voltage value behind the measuring resistor 345. If necessary, this voltage value can be read back, for example for reasons of accuracy, via an additionally arranged third low-pass filter 370. As indicated by the dashed line 375, the readback of the VM value is only preferred However, in order for the current to flow from the IPE 343 to the ALE 342, the voltage value at the ALE 342 must be lower than the voltage at the IPE 343. Because only in this case is this reverse current flow In the present embodiment, the value of the constant voltage is possible For example, 2.0 V, but may also be different, since it does not depend on the exact voltage value present.
  • a first switch (T1) 360 which is likewise driven by the microcontroller 310, is additionally arranged. With the help of this switch, a current pulse is applied to the circuit or the probe.
  • a measuring current generator 385 By voltage evaluation on the ALE 342 by means of the low-pass filter 306, the internal resistance of the probe (Ri) and thus the probe temperature can be determined.
  • the measuring current required for this purpose is provided by a measuring current generator 385 in the present exemplary embodiment.
  • This circuit arrangement or a corresponding control unit can also diagnose fault conditions on the probe lines. For example, present short circuits can be detected with the aid of the described evaluation of the voltage potential applied downstream of the low pass 306 and of the voltage drop present at the measuring resistor 345, or a combination of both.
  • a suitable position of the first switch (T1) 360 and a likewise driven by the microcontroller 310 second switch (T2) 365 can be a diagnosis of cable breaks by means of
  • the described circuit arrangement can be implemented in the form of an ASIC-based control unit or also constructed from discrete components in a control unit of an internal combustion engine.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

The invention relates to a control unit for operating a particularly unicellular broadband lambda probe of an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine, the broadband lambda probe being maintained in a limiting current operation by means of a pump voltage (303), thereby producing a pump current (304) which is proportional to the remaining oxygen in the exhaust gas, and the pump voltage (303) being adjusted depending on the pump current (304) produced.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Steuereinheit zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde  Control unit for operating a broadband lambda probe
Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Betrieb insbesondere einer einzelligen Breitband-Lambdasonde einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . The invention relates to a control unit for operating in particular a single-cell broadband lambda probe of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Stand der Technik State of the art
Eine Lambdaregelung ist, in Verbindung mit einem Katalysator, heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Erst im Zusammenspiel mit heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Die heute verwendeten Katalysatortypen haben die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Koh- lenmonoxid und Stickoxide zu mehr als 98% abzubauen, falls die Brennkraftmaschine in einem Bereich von etwa 1 % um das stöchiometrische Luft- Kraftstoff- Verhältnis mit Lambda = 1 betrieben wird. Dabei gibt der Lambda-Wert an, wie weit das tatsächlich vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg bzw. 14,5 kg Luft zu 1 kg Kraftstoff abweicht. Der Wert von 14,7 kg gilt für Ottokraftstoff und der Wert von 14,5 kg für Dieselkraftstoff. Lambda ist hierbei der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf. A lambda control, in conjunction with a catalytic converter, is today the most effective emission control method for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle. Only in combination with today available ignition and injection systems can be achieved very low exhaust emissions. The catalyst types used today have the property of reducing hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides by more than 98% if the internal combustion engine is operated in a range of about 1% by the stoichiometric air-fuel ratio with lambda = 1. The lambda value indicates how far the actual air-fuel mixture deviates from the theoretically necessary mass ratio of 14.7 kg or 14.5 kg of air to 1 kg of fuel for complete combustion. The value of 14.7 kg applies to petrol and the value of 14.5 kg for diesel fuel. Lambda is the quotient of the supplied air mass and the theoretical air requirement.
Eine Breitband-Lambdasonde sowie eine Steuereinheit zum Betrieb einer solchen Lambdasonde gehen aus der DE 10 2008 001 697 A1 hervor. Der Betrieb umfasst insbesondere die Steuerung der Lambdasonde sowie die Auswertung der von der Lambdasonde gelieferten Signale bzw. Daten. Die Steuereinheit umfasst eine Signalaufbereitungseinheit, einen A/D-(Analog-Digital-) Wandler, einen Pumpstromregler, eine Digitalschnittstelle, eine Steuerung, einen inneren Pump- elektrodenanschluss, einen äußeren Pumpelektrodenanschluss und einen Refe- renzelektrodenanschluss. Die Signalaufbereitungseinheit ist zur Ermittlung eines Ist-Wertes für den Pumpstromregler und zur Ermittlung von weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde vorgesehen. Die Informationen sind über die Digitalschnittstelle ausgebbar. A broadband lambda probe and a control unit for operating such a lambda probe are disclosed in DE 10 2008 001 697 A1. The operation comprises, in particular, the control of the lambda probe as well as the evaluation of the signals or data supplied by the lambda probe. The control unit comprises a signal conditioning unit, an A / D converter, a pump current regulator, a digital interface, a controller, an inner pump electrode connection, an outer pump electrode connection and a reference Conference electrode terminal. The signal conditioning unit is provided for determining an actual value for the pump current regulator and for determining further information about the operating state of the broadband lambda probe. The information can be output via the digital interface.
An die Pumpzelle der Lambdasonde wird eine Pumpspannung Up angelegt, die abhängig von einer der Sauerstoffkonzentration im Abgas entsprechenden, an der Nernstzelle abgenommenen Nernstspannung mit Hilfe eines Pumpstromreglers eingestellt wird. Mittels des Pumpstromreglers wird der Pumpstrom Ip so eingeregelt bzw. nachgeführt, dass die Pumpspannung Up innerhalb vorgebbarerA pump voltage Up is applied to the pumping cell of the lambda probe, which voltage is adjusted as a function of a Nernst voltage corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas taken off at the Nernst cell with the aid of a pumping current controller. By means of the pumping current regulator, the pumping current Ip is adjusted or tracked so that the pumping voltage Up can be predetermined within
Grenzen liegt. Borders lies.
Eine entsprechende Steuereinheit in Gestalt einer integrierten Schaltung (IC) zur Steuerung von für Diesel- und Ottomotoren geeigneten Breitband- Lambdasonden wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung„CJ135" vertrieben. Diese Steuereinheit wird nachfolgend anhand der Figur 1 beschrieben. A corresponding control unit in the form of an integrated circuit (IC) for controlling broadband lambda probes suitable for diesel and gasoline engines is marketed by the applicant under the name "CJ135." This control unit will be described below with reference to FIG.
Mittels einer genannten Steuereinheit lässt sich eine Breitband-Lambdasonde mit Hilfe eines einzelnen ASICs (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) be- treiben und überwachen. Dieser ASIC dient insbesondere zur Bereitstellung eines geregelten Pumpstroms (Ip) und dessen Erfassung, zur Erfassung des Sensorinnenwiderstandes (Ri) zur Temperaturüberwachung des Sensors sowie zur Überwachung und ggf. den Schutz sämtlicher Sensorleitungen. Aus der DE 101 56 248 A1 geht eine Breitband-Lambdasonde hervor, welche nur eine einzelne Pumpzelle aufweist, d.h. einzellig aufgebaut ist, und welche nach dem Grenzstromprinzip betrieben werden kann. Die Sonde weist zwei auf einem Festkörperelektrolyten angeordnete Elektroden auf, wobei die erste Elektrode (äußere Pumpelektrode) über einem Referenz- bzw. Abluftkanal in ein Referenz- gas reicht und die zweite Elektrode (innere Pumpelektrode) über eine Diffusionsbarriere in das Messgas bzw. Abgas reicht. Zum Betreiben der Sonde wird an den Elektroden eine Spannung angelegt, wodurch im Falle von magerem Abgas Sauerstoffionen von der Anode zur Kathode, also von der Innenelektrode zur äußeren Pumpelektrode bewegt werden. Da das Nachfließen von Sauerstoffmole- külen aus dem Abgas in den die Innenelektrode umgebenden Hohlraum durch eine Diffusionsbarriere behindert ist, erreicht der Pumpstrom oberhalb eines Pumpspannungs-Schwellenwerts eine Stromsättigung, den sogenannten Grenzstrom. Dieser Grenzstrom ist der Sauerstoffkonzentration im Abgas proportional. Umgekehrt wird bei fettem Abgas Sauerstoff aus dem Abluftkanal in den Messraum gepumpt. By means of a control unit mentioned, a broadband lambda probe can be operated and monitored with the aid of a single ASIC (Application Specific Integrated Circuit). This ASIC serves, in particular, for providing a regulated pump current (Ip) and its detection, for detecting the internal sensor resistance (Ri) for temperature monitoring of the sensor and for monitoring and possibly protecting all sensor lines. DE 101 56 248 A1 discloses a broadband lambda probe which has only a single pumping cell, that is to say has a unicellular construction, and which can be operated according to the limiting current principle. The probe has two electrodes arranged on a solid electrolyte, wherein the first electrode (outer pumping electrode) extends into a reference gas via a reference or exhaust air channel and the second electrode (inner pumping electrode) extends into the measurement gas or exhaust gas via a diffusion barrier , To operate the probe, a voltage is applied to the electrodes, whereby in the case of lean exhaust gas, oxygen ions are moved from the anode to the cathode, that is from the inner electrode to the outer pumping electrode. Since the subsequent flow of oxygen molecules from the exhaust gas into the cavity surrounding the inner electrode is impeded by a diffusion barrier, the pumping current reaches above one Pump voltage threshold, a current saturation, the so-called limiting current. This limiting current is proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas. Conversely, when the exhaust gas is rich, oxygen is pumped from the exhaust duct into the measuring space.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Betreiben insbesondere einer einzelligen Breitband-Lambdasonde, z.B. einer genannten einzelligen Grenzstromsonde, welche lediglich über zwei Sensorleitungen verfügt, ein genannter Pumpstromregler nicht erforderlich ist. Deshalb kann eine Breitband- Lambdasonde dieses Bautyps ohne einen Pumpstromregler ausgewertet bzw. überwacht werden. Im Gegensatz zum im Stand der Technik bekannten„CJ135" ASIC, welcher einen Pumpstomregler beinhaltet, ermöglicht die Erfindung eine relativ einfach aufgebaute und damit kostengünstig realisierbare Schaltungsanordnung zur Pumpstrommessung und zur Pumpspannungsnachführung Durch ausreichend hohe Voreinstellung der Pumpspannung wird die Lambdasonde im Grenzstrom- betrieb gehalten, d.h. der gesamte durch die Diffusionsbarriere zur Innenelektrode bzw. zur inneren Pumpelektrode hin diffundierende Sauerstoff wird zur Außenelektrode bzw. Abluftelektrode gepumpt. Dieser Grenzstrom ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die Pumpspannung wird jedoch auch nach oben hin begrenzt, da eine zu hohe Pumpspannung z.B. Wasserzerset- zungseffekte zur Folge hat, wodurch das Messsignal, nämlich der Pumpstrom, verfälscht wird. The invention is based on the finding that, in particular, for operating a single-cell, wide-band lambda probe, e.g. a said single-cell limit current probe, which has only two sensor lines, a said pumping current regulator is not required. Therefore, a broadband lambda probe of this type can be evaluated or monitored without a pumping current controller. In contrast to the known in the prior art "CJ135" ASIC, which includes a pumping regulator, the invention enables a relatively simple design and thus cost-realizable circuit arrangement for pumping current measurement and pumping voltage tracking By sufficiently high presetting of the pumping voltage, the lambda probe is kept in the limit current operation, This means that the total oxygen diffusing through the diffusion barrier to the inner electrode or the inner pumping electrode is pumped to the outer electrode or exhaust air electrode eg water decomposition effects result, whereby the measuring signal, namely the pumping current, is falsified.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. eine solche Schaltungsanordnung aufweisende Steuereinheit umfasst einen Messwiderstand, mit dem der Wert des Pumpstroms und damit der Lambdawert bestimmt werden kann. DerA circuit arrangement according to the invention or a control unit having such a circuit arrangement comprises a measuring resistor with which the value of the pumping current and thus the lambda value can be determined. Of the
Pumpstrom wird maßgeblich durch die an die innere und äußere Pumpelektrode angeschlossene Lambdasonde bestimmt. Kann der für den Betrieb der Lambdasonde notwendige Pumpstrom z.B. durch einen MikroController bzw. einen im MikroController angeordneten Spannungsgenerator, welcher ein üblicherweise pulsweitenmoduliertes (PWM) Spannungssignal liefert, nicht zur Verfügung ge- stellt werden, kann dieser durch einen zusätzlichen Schaltungsteil, z.B. eine geeignete Operationverstärkerschaltung, generiert bzw. bereitgestellt werden. Pumping current is largely determined by the connected to the inner and outer pump electrode lambda probe. For example, the pump current required for the operation of the lambda probe can not be made available by a microcontroller or a voltage generator arranged in the microcontroller which supplies a pulse width modulated (PWM) voltage signal, which is usually required. can be generated by an additional circuit part, such as a suitable operation amplifier circuit, generated or provided.
Der Pumpstrom wird somit nicht, wie im Stand der Technik, geregelt sondern mit- tels des genannten Messwiderstandes ermittelt. Ausgehend von dem so ermittelten Messwert wird die Pumpspannung anhand einer durch Pulsweitenmodulation und nachgeschalteten Tiefpass erzeugten, gleichförmigen Pumpspannung nachgeführt. Diese Gleichspannung dient insbesondere dazu, die Lambdasonde in dem genannten Grenzstrombetriebsmodus zu halten. Bevorzugt in einem Mikro- Controller ist daher eine Kennlinie hinterlegt, welche einem Pumpstromwert den zugehörigen Spannungswert zuordnet. The pumping current is thus not regulated, as in the prior art, but determined by means of the aforementioned measuring resistor. Based on the measured value determined in this way, the pump voltage is tracked using a uniform pump voltage generated by pulse width modulation and a downstream low-pass filter. This DC voltage is used in particular to keep the lambda probe in said limit current operating mode. Preferably, therefore, a characteristic curve is stored in a microcontroller which assigns the associated voltage value to a pump current value.
Um einen Stromfluss des Pumpstroms in beide Stromrichtungen zu ermöglichen, kann eine hinter dem Messwiderstand angeordnete„virtuelle Masse" vorgesehen sein. Die virtuelle Masse kann als Stromquelle und/oder als Stromsenke dienen und eine konstante Spannung bereitstellen. Bezüglich der genannten beiden Stromrichtungen ist anzumerken, dass die Lambdasonde im Normalbetrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (Dieselmotor) hauptsächlich magerem Abgas ausgesetzt ist. Allerdings muss das Abgas zeitweilig angefettet werden, z.B. im Falle einer Regeneration des Katalysators. Dabei fließt der Pumpstrom in die jeweils andere Richtung. In order to enable a current flow of the pumping current in both current directions, a "virtual ground" arranged behind the measuring resistor can be provided.The virtual ground can serve as a current source and / or as a current sink and provide a constant voltage. In the normal operation of a self-igniting internal combustion engine (diesel engine), the lambda probe is mainly exposed to lean exhaust gas, however, the exhaust gas must be temporarily enriched, for example in the event of regeneration of the catalytic converter, in which case the pumping current flows in the other direction.
Ein Messstrompuls wird auf die Auswerteschaltung und damit auch auf die Sonde gegeben und mit Hilfe der Pumpspannung können der Innenwiderstand der Lambdasonde und damit die Sondentemperatur bestimmt werden. Auch können dadurch Fehlerzustände an elektrischen Leitungen der Lambdasonde diagnostiziert werden. A measuring current pulse is applied to the evaluation circuit and thus also to the probe, and with the aid of the pump voltage, the internal resistance of the lambda probe and thus the probe temperature can be determined. This can also be used to diagnose fault conditions on electrical lines of the lambda probe.
Da die erfindungsmäße, insbesondere für eine einzellige Breitbandsonde geeignete Steuereinheit ohne einen genannten Pumpstromregler auskommt und darüber hinaus aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein kann, können insbesondere die Herstellungskosten der Steuereinheit erheblich reduziert werden. Since the control unit according to the invention, which is suitable in particular for a single-cell broadband probe, does not require a pumping current regulator and, moreover, can be constructed from discrete components, in particular the manufacturing costs of the control unit can be considerably reduced.
Darüber hinaus weist eine erfindungsgemäße Steuereinheit eine erheblich größere elektrische bzw. elektromagnetische Robustheit auf, da sie keinen schwin- gungsempfindlichen Regelkreis aufweist und daher weniger schwingungsanfällig ist. Moreover, a control unit according to the invention has a considerably greater electrical or electromagnetic robustness, since it does not cause any vibration. has sensitive to the control loop and therefore less susceptible to vibration.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. Steuereinheit kann mit den hierin beschriebenen Vorteilen in einem Motorsteuergerät einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zum Betrieb und zur Überwachung einer Einzeller- Lambdasonde eingesetzt werden im Falle eines zukünftig weitergehenden Anwendungsfeldes der genannten Breitband-Lambdasonden wird die Erfindung durchaus auch in anderen Bereichen anwendbar sein. The circuit arrangement or control unit according to the invention can be used with the advantages described herein in an engine control unit of a self-igniting internal combustion engine for the operation and monitoring of a single-cell lambda probe in the case of a broader field of application of said broadband lambda probes, the invention will certainly be applicable in other areas ,
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer im Stand der Technik bekannten Steuereinheit zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde. FIG. 1 shows a block diagram of a control unit known from the prior art for operating a broadband lambda probe.
Figur 2 zeigt schematisch eine im Stand der Technik bekannte Grenzstromsonde. Figure 2 shows schematically a known in the art limit current probe.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zum Betrieb einer einzelligen Breitband-Lambdasonde. FIG. 3 shows a block diagram of a control unit according to the invention for operating a single-cell, wide-band lambda probe.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Description of exemplary embodiments
Die in der Figur 1 gezeigte, in ihrem Aufbau an sich bekannte Steuereinheit 10 (eingangs genannter IC mit der Bezeichnung„CJ135") entspricht in ihrer Funktion einem Auswertebaustein für eine Breitband-Lambdasonde. Die Steuereinheit ist daher mit einer Breitband-Lambdasonde 15 Signal- bzw. datentechnisch ver- bunden. Zusätzlich besteht eine Signalverbindung mit einem externen Mikrocon- troller (μθ) 20. The control unit 10, which is known per se in terms of its structure (initially referred to as the IC "CJ135"), corresponds in its function to an evaluation module for a broadband lambda probe, and the control unit is therefore equipped with a broadband lambda probe 15. or data technology prevented. In addition, there is a signal connection with an external microcontroller (μθ) 20.
Die Steuereinheit 10 umfasst einen Analog/Digital-(A/D-)Wandler 25, einen Filter 30 sowie ein SPI-Schieberegister (SPI = Serial Peripheral Interface) 40. Mittels des A/D-Wandlers 25 werden die von der Lambdasonde 15 gelieferten analogen Messdaten für die digitale Weiterverarbeitung digitalisiert. Mittels des Filters 30, bevorzugt ein Tiefpassfilter, wird das Signalrauschen des vom Sensor gelieferten Messsignals verringert. Die so gefilterten digitalen Daten werden an den Mikro- controller 20 übertragen. The control unit 10 comprises an analog / digital (A / D) converter 25, a filter 30 and an SPI (Serial Peripheral Interface) shift register 40. By means of the A / D converter 25, those supplied by the lambda probe 15 digitized analog measurement data for digital processing. By means of the filter 30, preferably a low-pass filter, the signal noise of the measurement signal supplied by the sensor is reduced. The thus filtered digital data is transmitted to the microcontroller 20.
Die Steuereinheit 10 umfasst ferner eine Schaltmatrix 33, welche mittels eines Steuermoduls 34 betrieben wird und von einem Stromgenerator 35 gespeist wird. Mittels der Schaltmatrix 33 lassen sich die Eingänge der Steuereinheit sowie die Art der Auswertung der Messsignale flexibel anpassen bzw. verändern. The control unit 10 further comprises a switching matrix 33, which is operated by means of a control module 34 and is fed by a current generator 35. By means of the switching matrix 33, the inputs of the control unit and the type of evaluation of the measurement signals can be flexibly adapted or changed.
Der eingangs genannte Lambda-Regler befindet sich in diesem Fall im Mikrocon- troller 20, der Pumpstromregler ist in der Steuereinheit 10 (d.h. vorliegend im CJ135) implementiert. The aforementioned lambda controller is in this case in the microcontroller 20, the pumping current regulator is implemented in the control unit 10 (i.e., in the present case in CJ135).
Die Figur 2 zeigt eine in der DE 10 2006 030 437 A1 beschriebene Grenzstromsonde zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, dem sog. Messgas 100. Die Grenzstromsonde umfasst in einem unteren Bereich eine Heizung 160, in einem mittleren Bereich einen Messraum 130 mit einer ersten Elektrode 140 und in einem oberen Bereich eine zweite Elektrode 150. FIG. 2 shows a limiting current probe described in DE 10 2006 030 437 A1 for determining the concentration of gas components in a gas mixture, the so-called measuring gas 100. The limiting current probe comprises a heater 160 in a lower region and a measuring chamber 130 in a central region a first electrode 140 and in an upper region a second electrode 150.
Zwischen der ersten Elektrode, vorliegend der Innenpumpelektrode 140, und der zweiten Elektrode, vorliegend der Außenpumpelektrode 150, erstreckt sich ein Festkörperelektrolyt, der zusammen mit den beiden Elektroden eine PumpzelleBetween the first electrode, in the present case the inner pumping electrode 140, and the second electrode, in the present case the outer pumping electrode 150, extends a solid electrolyte, which together with the two electrodes forms a pumping cell
120 bildet. Die dem Gasgemisch bzw. Messgas 100 zugewandte Außenpumpelektrode 150 ist durch eine Schutzschicht 1 10 gegenüber dem Messgas 100 geschützt. Ferner weist die Pumpzelle 120 in einem zentralen Bereich eine Öffnung 105 auf, durch die das Messgas 100 über eine Diffusionsbarriere 135 in den Messraum 130 und somit zur Innenpumpelektrode 140 gelangt. Die Außenpumpelektrode 150 wird einer Referenzluft ausgesetzt. Durch Anlegen einer Heizspannung (UH) 165 werden der Gassensor und insbesondere die Pumpzelle 120 auf eine Betriebstemperatur gebracht, bei der der Festkörperelektrolyt eine ausreichend hohe Sauerstoffionen-Leitfähigkeit auf- weist. 120 forms. The outer pump electrode 150 facing the gas mixture or sample gas 100 is protected from the sample gas 100 by a protective layer 110. Furthermore, the pumping cell 120 has an opening 105 in a central area, through which the measuring gas 100 passes via a diffusion barrier 135 into the measuring space 130 and thus to the inner pumping electrode 140. The outer pump electrode 150 is exposed to reference air. By applying a heating voltage (UH) 165, the gas sensor and in particular the pumping cell 120 are brought to an operating temperature at which the solid-state electrolyte has a sufficiently high oxygen-ion conductivity.
An beiden Elektroden 140 und 150 wird eine Pumpspannung (Up) 170 angelegt. Tritt mageres Abgas durch die Diffusionsbarriere 135 hindurch in den Messraum 130 ein, so werden mit Hilfe der Pumpspannung 170 an der Innenpumpelektrode 140, welche elektrochemisch als Anode wirkt, die Sauerstoffmoleküle des Abgases zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festkörperelektrolyten zur als Kathode wirksamen Außenpumpelektrode 150 transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Pumpspannung 170 wird dabei so eingestellt, dass der durch die Diffusionsbarriere 135 eintretende Sauerstoff vollständig zur als Kathode wirkenden Außenelektrode bzw. Abluftelektrode 150 gepumpt wird. A pump voltage (Up) 170 is applied to both electrodes 140 and 150. If lean exhaust gas passes through the diffusion barrier 135 into the measuring space 130, the oxygen molecules of the exhaust gas are reduced to oxygen ions by means of the pumping voltage 170 at the inner pumping electrode 140, which acts as an anode, transported through the solid electrolyte to the outer pumping electrode 150, which acts as a cathode and released there as free oxygen again. The pumping voltage 170 is adjusted so that the oxygen entering through the diffusion barrier 135 is completely pumped to the outer electrode or exhaust air electrode 150, which acts as a cathode.
Zur Vermeidung von Wasserzersetzungseffekten, welche die Messung verfälschen würden, wird nicht dauerhaft eine hohe Pumpspannung Up eingestellt, jedoch im Rahmen einer sogenannten„Pumpspannungs-Nachführung" die Pump- Spannung (Up) 170 dem jeweiligen Pumpstrom (Ip) 175 angepasst. Der resultierende Pumpstrom 175 ist annähernd proportional zum Restsauerstoffgehalt im Abgas, wodurch solche Einzeller-Sensoren auch als„Proportionalsensoren" bezeichnet werden. Die Pumpzelle 120 kann daher in einem relativ weiten Bereich zur Bestimmung der Luftzahl Lambda eingesetzt werden. Allerdings weisen sol- che Einzeller-Sensoren meist nur bei relativ magerem Abgas (Lambda > 1 ) eine eindeutige Kennlinie auf und werden daher bevorzugt in selbstzündenden Brennkraftmaschinen eingesetzt. In order to avoid water decomposition effects which would falsify the measurement, a high pump voltage Up is not permanently set, however, in the context of a so-called "pump voltage tracking", the pump voltage (Up) 170 is adapted to the respective pump current (Ip) 175. The resulting pump current 175 is approximately proportional to the residual oxygen content in the exhaust gas, whereby such single cell sensors are also referred to as "proportional sensors". The pumping cell 120 can therefore be used in a relatively wide range for determining the air ratio lambda. However, such unicellular sensors usually only have a clear characteristic curve with relatively lean exhaust gas (lambda> 1) and are therefore preferably used in self-igniting internal combustion engines.
In der Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. eine solche Schaltungsanordnung aufweisende erfindungsgemäße Steuereinheit zum Betrieb bevorzugt einer vorbeschriebenen einzelligen Grenzstromsonde dargestellt. Eine in der Figur 2 gezeigte (hier nicht dargestellte) Grenzstromsonde 330 wird über einen genannten IPE-Anschluss 343 (innere Pumpelektrode) und einen genannten ALE-Anschluss 342 (äußere Pumpelektrode bzw. Abluftelektrode) mit der Schaltungsanordnung verbunden. Die Grenzstromsonde 330 dient zur Erzeugung eines genannten Pumpstroms 304. Der durch die Grenzstromsonde 330 bestimmte Pumpstrom 304 ist, wie oben beschrieben, ein Maß für den Restsauerstoffgehalt im Abgas. Im Fall von Ip = 0 ist Lambda = 1 . Ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch relativ mager (Lambda > 1 ), so fließt ein Pumpstrom Ip von der Abluftelektrode (ALE) 342 zur inneren Pumpelektrode (IPE) 343 der Grenzstromsonde. Ist das Gemisch hingegen relativ fett (Lambda < 1 ), dann fließt ein Pumpstrom Ip in entgegengesetzter Richtung. FIG. 3 shows a circuit arrangement according to the invention or a control unit according to the invention which has such a circuit arrangement and is preferably shown for operating a previously described single-cell limit current probe. A limit current probe 330 (not shown here) shown in FIG. 2 is connected to the circuit arrangement via a named IPE connection 343 (inner pumping electrode) and a named ALE connection 342 (outer pumping electrode or exhaust air electrode). The limit current probe 330 serves to generate a pumping current 304 mentioned above. The pumping current 304 determined by the limit current probe 330 is, as described above, a measure of the residual oxygen content in the exhaust gas. In the case of Ip = 0, lambda = 1. If the air-fuel mixture is relatively lean (lambda> 1), a pumping current Ip flows from the exhaust air electrode (ALE) 342 to the inner pumping electrode (IPE) 343 of the limit current probe. If, on the other hand, the mixture is relatively rich (lambda <1), then a pumping current Ip flows in the opposite direction.
Ein Spannungsgenerator 315 dient mit Hilfe eines Filters, insbesondere eines Tiefpasses 305, zur Generierung der Pumpspannung (Up) 303, wobei der Wert der Pumpspannung 303, abhängig vom jeweiligen Pumpstrom (Ip) 304, in an sich bekannter Weise mittels eines pulsweiten-modulierten (PWM-)Signals 307 einstellbar ist („Up-Nachführung"). Der Pumpstrom (Ip) 304 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Pumpstromgeber 405 bereitgestellt, der über einen vierten Schalter (T4) 400 vom nachfolgenden Teil der Schaltung getrennt werden kann. A voltage generator 315 is used with the aid of a filter, in particular a low-pass filter 305, to generate the pump voltage (Up) 303, the value of the pump voltage 303 being dependent on the respective pumping current (Ip) 304 in a manner known per se by means of a pulse width-modulated ( The pumping current (Ip) 304 is provided in the present embodiment by a pumping current generator 405, which can be separated via a fourth switch (T4) 400 from the subsequent part of the circuit.
Wie durch die gestrichelte Linie 380 angedeutet, sind ein solcher Pumpstromgeber 405 und der Schalter T4 (400) nicht zwingend erforderlich, da der Pumpstrom 304 prinzipiell auch von dem MikroController 310 bereitgestellt werden kann. As indicated by the dashed line 380, such a pumping current generator 405 and the switch T4 (400) are not absolutely necessary, since the pumping current 304 can in principle also be provided by the microcontroller 310.
Das PWM-Signal 307 wird von einem Spannungsgenerator 315 geliefert und liegt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Frequenzbereich von etwa 20 bis 30 kHz. Es ist allerdings anzumerken, dass die vorliegende Erfindung bzw. ihre Anwendung nicht auf diesen Frequenzbereich beschränkt ist. Der Generator 315 ist in einem internen oder externen MikroController (μθ) 310 angeordnet. Die so eingestellte Pumpspannung 303 kann zudem über einen ersten Tiefpass 305 geglättet werden. Die Pumpspannung 303 wird über einen zweiten Tiefpass 306 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 320 wieder in den MikroController 310 zurückgelesen. The PWM signal 307 is supplied by a voltage generator 315 and in the present embodiment is in the frequency range of about 20 to 30 kHz. It should be noted, however, that the present invention or its application is not limited to this frequency range. The generator 315 is arranged in an internal or external microcontroller (μθ) 310. The pump voltage 303 thus set can also be smoothed via a first low-pass filter 305. The pumping voltage 303 is read back into the microcontroller 310 via a second low-pass filter 306 and an analog-to-digital converter (ADC) 320.
Der Pumpstrom (Ip) 304 wird mittels eines Messwiderstandes 345 bestimmt. Bei Bedarf, z.B. aus Genauigkeitsgründen, kann der an dem Messwiderstand abfallende Spannungswert verstärkt werden, z.B. mittels eines (nicht gezeigten) Differenzverstärkers oder mittels des im MikroController 310 bereits vorhandenen ADCs 320. Mittels einer in dem MikroController 310 abgelegten Kennlinie 325 wird aus dem Pumpstrom 304, mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung, die zu erzeugende Pumpspannung (Up) 303 generiert. The pumping current (Ip) 304 is determined by means of a measuring resistor 345. If necessary, for example for reasons of accuracy, the voltage drop across the measuring resistor can be amplified, eg by means of a differential amplifier (not shown) or by means of the ADC 320 already present in the microcontroller 310. By means of a characteristic 325 stored in the microcontroller 310 is generated from the pumping current 304, with an adjustable time delay, the pump voltage (Up) 303 to be generated.
Damit der Pumpstrom (Ip) 304 in den genannten beiden Stromrichtungen 395 fließen kann, ist hinter dem Messwiderstand 345 eine„virtuelle Masse" (VM) 355 angeordnet. Die virtuelle Masse 355 dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke und liefert einen festen bzw. konstanten Spannungswert hinter dem Messwiderstand 345. Dieser Spannungswert kann bei Bedarf, z. B. aus Genauigkeitsgründen über einen zusätzlich angeordneten dritten Tiefpass 370 zurückgelesen werden. Wie durch die gestrichelte Linie 375 angedeutet, ist die Rücklesung des VM-Wertes nur bevorzugt, jedoch für die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nicht notwendig. Damit der Strom auch von der IPE 343 zur ALE 342 fließen kann, muss der Spannungswert an der ALE 342 kleiner als der Spannungswert an der IPE 343 sein. Denn nur in diesem Fall ist dieser umgekehrte Stromfluss bei fettem Abgas möglich. Der Wert der konstanten Spannung beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 2,0 V, kann jedoch auch verschieden sein, da es auf den genauen Spannungswert vorliegend nicht ankommt. In order for the pumping current (Ip) 304 to be able to flow in the two current directions 395, a "virtual ground" (VM) 355 is arranged behind the measuring resistor 345. The virtual ground 355 serves both as current source and as current sink in the present exemplary embodiment and supplies a fixed or constant voltage value behind the measuring resistor 345. If necessary, this voltage value can be read back, for example for reasons of accuracy, via an additionally arranged third low-pass filter 370. As indicated by the dashed line 375, the readback of the VM value is only preferred However, in order for the current to flow from the IPE 343 to the ALE 342, the voltage value at the ALE 342 must be lower than the voltage at the IPE 343. Because only in this case is this reverse current flow In the present embodiment, the value of the constant voltage is possible For example, 2.0 V, but may also be different, since it does not depend on the exact voltage value present.
Im oberen Schaltungsteil ist zusätzlich ein ebenfalls von dem MikroController 310 getriebener erster Schalter (T1 ) 360 angeordnet. Mit Hilfe dieses Schalters wird ein Strompuls auf die Schaltung bzw. die Sonde gegeben. Durch Spannungsauswertung an der ALE 342 mittels des Tiefpasses 306 kann der Innenwiderstand der Sonde (Ri) und damit die Sondentemperatur bestimmt werden. Der dafür notwendige Messstrom wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Messstromgeber 385 bereitgestellt. In the upper part of the circuit, a first switch (T1) 360, which is likewise driven by the microcontroller 310, is additionally arranged. With the help of this switch, a current pulse is applied to the circuit or the probe. By voltage evaluation on the ALE 342 by means of the low-pass filter 306, the internal resistance of the probe (Ri) and thus the probe temperature can be determined. The measuring current required for this purpose is provided by a measuring current generator 385 in the present exemplary embodiment.
Mit dieser Schaltungsanordnung bzw. einer entsprechenden Steuereinheit können auch Fehlerzustände an den Sondenleitungen diagnostiziert werden. So können etwa vorliegende Kurzschlüsse mit Hilfe der beschriebenen Auswertung des hinter dem Tiefpass 306 anliegenden Spannungspotentials sowie des am Messwiderstand 345 vorliegenden Spannungsabfalls, oder einer Kombination aus beiden, erkannt werden. Durch geeignete Stellung des ersten Schalters (T1 ) 360 sowie eines ebenfalls von dem MikroController 310 getriebenen zweiten Schalters (T2) 365 kann eine Diagnose von Kabelbrüchen mittels This circuit arrangement or a corresponding control unit can also diagnose fault conditions on the probe lines. For example, present short circuits can be detected with the aid of the described evaluation of the voltage potential applied downstream of the low pass 306 and of the voltage drop present at the measuring resistor 345, or a combination of both. By a suitable position of the first switch (T1) 360 and a likewise driven by the microcontroller 310 second switch (T2) 365 can be a diagnosis of cable breaks by means of
Plausibilisierung durchgeführt werden. Mittels des zweiten Schalters (T2) 365 und eines weiteren dritten Schalters (T3) 390 kann im Fehlerfall eine Ersatzreaktion erzeugt werden. So können die beiden Schalter 365, 390 geöffnet werden, wodurch die Sondenleitungen 330 hochohmig geschaltet werden. Plausibility be carried out. By means of the second switch (T2) 365 and a further third switch (T3) 390, a replacement reaction can be generated in the event of an error. Thus, the two switches 365, 390 can be opened, whereby the probe lines 330 are switched to high impedance.
Darüber hinaus können mit Hilfe der genannten Schalter 360, 365 sowie einer geeigneten Programmierung des MikroControllers (μθ) 310 weitere Zusatzfunktionen realisiert werden, z.B. eine Funktion zur Depolarisierung der Sonde. In addition, with the aid of the aforementioned switches 360, 365 and a suitable programming of the microcontroller (μθ) 310, additional additional functions can be realized, e.g. a function for depolarizing the probe.
Die beschriebene Schaltungsanordnung kann in Form einer ASIC-basierten Steuereinheit oder auch aus diskreten Bauelementen aufgebaut in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine realisiert werden. The described circuit arrangement can be implemented in the form of an ASIC-based control unit or also constructed from discrete components in a control unit of an internal combustion engine.

Claims

Ansprüche claims
1 . Steuereinheit zum Betrieb insbesondere einer einzelligen Breitband- Lambdasonde eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, wobei die Breitband-Lambdasonde mittels einer Pumpspannung1 . Control unit for operating in particular a single-celled broadband lambda probe of an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine, wherein the broadband lambda probe by means of a pumping voltage
(303) im Grenzstrombetrieb gehalten wird, wodurch sich ein dem Restsauerstoff im Abgas proportionaler Pumpstrom (304) einstellt, und wobei die Pumpspannung (303), abhängig von dem sich einstellenden Pumpstrom(303) is maintained in the limit current operation, whereby a residual oxygen in the exhaust gas proportional pumping current (304) sets, and wherein the pumping voltage (303), depending on the self-adjusting pumping current
(304) , nachgeführt wird. (304).
2. Steuereinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung (303) mittels einer hinterlegten Kennlinie (325) aus dem Pumpstrom (304) bestimmt wird. 2. Control unit according to claim 1, characterized in that the pumping voltage (303) by means of a stored characteristic (325) from the pumping current (304) is determined.
3. Steuereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrom (304) mittels eines Messwiderstandes (345) ermittelt wird. 3. Control unit according to claim 1 or 2, characterized in that the pumping current (304) by means of a measuring resistor (345) is determined.
4. Steuereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung (303) anhand des ermittelten Pumpstroms (304) und mittels Pulsweitenmodulation (307) sowie der Pulsweitenmodulation (307) nachgeschaltetem Tiefpassfilter (305) nachgeführt wird. 4. Control unit according to claim 3, characterized in that the pumping voltage (303) is tracked on the basis of the determined pumping current (304) and by means of pulse width modulation (307) and the pulse width modulation (307) downstream low-pass filter (305).
5. Steuereinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (345) mit einer virtuellen Masse (355) verbunden ist. 5. Control unit according to claim 3 or 4, characterized in that the measuring resistor (345) is connected to a virtual ground (355).
6. Steuereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Masse (355) als Stromquelle und/oder Stromsenke dient. 6. Control unit according to claim 5, characterized in that the virtual mass (355) serves as a current source and / or current sink.
7. Steuereinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Masse (355) eine konstante Spannung bereitstellt. 7. Control unit according to claim 5 or 6, characterized in that the virtual mass (355) provides a constant voltage.
8. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufprägen eines Messtroms und unter Berücksichtigung der Pumpspannung (303) der Innenwiderstand der Lambdasonde (330) und damit die Sondentemperatur bestimmbar ist. 8. Control unit according to one of the preceding claims, characterized in that by impressing a measuring current and taking into account the pumping voltage (303), the internal resistance of the lambda probe (330) and thus the probe temperature can be determined.
9. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Beschaltung (360, 365, 390) Fehlerzustände an elektrischen Leitungen der Lambdasonde (330) diagnostizierbar sind. 9. Control unit according to one of the preceding claims, characterized in that by suitable wiring (360, 365, 390) fault conditions on electrical lines of the lambda probe (330) are diagnosable.
10. Steuereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung zur Ausführung der Funktionen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche aus diskreten elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen aufgebaut ist. 10. Control unit according to one of the preceding claims, characterized by a circuit arrangement for carrying out the functions according to one of the preceding claims, which is constructed of discrete electrical or electronic components.
1 1 . Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine in einem ASIC angeordnete Schaltungsanordnung zur Ausführung der Funktionen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9. 1 1. Control unit according to one of Claims 1 to 9, characterized by a circuit arrangement arranged in an ASIC for carrying out the functions according to one of Claims 1 to 9.
12. Integrierte Schaltung, insbesondere ASIC, zum Betrieb und/oder zur Überwachung einer insbesondere einzelligen Breitband-Lambdasonde mittels einer Schaltungsanordnung zur Ausführung der Funktionen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9. 12. Integrated circuit, in particular ASIC, for the operation and / or monitoring of a particular unicellular broadband lambda probe by means of a circuit arrangement for carrying out the functions according to one of claims 1 to 9.
PCT/EP2014/074674 2013-12-04 2014-11-14 Control unit for operating a broadband lambda probe WO2015082197A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013224811.3 2013-12-04
DE102013224811.3A DE102013224811A1 (en) 2013-12-04 2013-12-04 Control unit for operating a broadband lambda probe

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015082197A1 true WO2015082197A1 (en) 2015-06-11

Family

ID=51947330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/074674 WO2015082197A1 (en) 2013-12-04 2014-11-14 Control unit for operating a broadband lambda probe

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013224811A1 (en)
WO (1) WO2015082197A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016220649A1 (en) 2016-10-20 2018-04-26 Robert Bosch Gmbh Control unit for operating a lambda probe
DE102017220976A1 (en) 2017-11-23 2019-05-23 Robert Bosch Gmbh Method and circuit arrangement for determining the internal electrical resistance of a broadband lambda probe
DE102017223843A1 (en) * 2017-12-28 2019-07-04 Robert Bosch Gmbh Control unit for operating a single-cell broadband lambda probe and a jumping probe
DE102019216881A1 (en) * 2019-10-31 2021-05-06 Robert Bosch Gmbh Electronic control unit for operating a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6478940B1 (en) * 1998-09-04 2002-11-12 Denso Corporation Gas concentration sensing apparatus capable of suppressing sensor voltage oscillation
DE10156248C1 (en) 2001-11-15 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Gas sensor for measuring concentration of component in gas mixture e.g. oxygen in exhaust gas of internal combustion engine, comprises solid electrolyte, diffusion barrier and electrodes
DE102006030437A1 (en) 2006-06-29 2008-01-03 Robert Bosch Gmbh Device for operation of limiting current probe, has current measuring device whose internal resistance is smaller than two hundred ohms
DE102006061565A1 (en) * 2006-12-27 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Circuit arrangement for controlling air-fuel mixture of internal combustion engine, has measuring resistor detecting limiting current, and pump voltage adjusting unit adjusting pump voltage depending on supply voltage
DE102008001697A1 (en) 2008-05-09 2009-11-12 Robert Bosch Gmbh Evaluation and control unit for a broadband lambda probe
US20110147211A1 (en) * 2009-12-22 2011-06-23 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Sensor control apparatus

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6478940B1 (en) * 1998-09-04 2002-11-12 Denso Corporation Gas concentration sensing apparatus capable of suppressing sensor voltage oscillation
DE10156248C1 (en) 2001-11-15 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Gas sensor for measuring concentration of component in gas mixture e.g. oxygen in exhaust gas of internal combustion engine, comprises solid electrolyte, diffusion barrier and electrodes
DE102006030437A1 (en) 2006-06-29 2008-01-03 Robert Bosch Gmbh Device for operation of limiting current probe, has current measuring device whose internal resistance is smaller than two hundred ohms
DE102006061565A1 (en) * 2006-12-27 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Circuit arrangement for controlling air-fuel mixture of internal combustion engine, has measuring resistor detecting limiting current, and pump voltage adjusting unit adjusting pump voltage depending on supply voltage
DE102008001697A1 (en) 2008-05-09 2009-11-12 Robert Bosch Gmbh Evaluation and control unit for a broadband lambda probe
US20110147211A1 (en) * 2009-12-22 2011-06-23 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Sensor control apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013224811A1 (en) 2015-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2277035B1 (en) Evaluation and control unit for a broadband lambda probe
DE3606045C2 (en)
DE10352064B4 (en) Gas concentration meter with high resolution
DE19818050B4 (en) Method for controlling a heating device contained in a gas concentration sensor
WO2008080735A1 (en) Sensor element with additional fat gas regulation
EP1105719B1 (en) Circuit for controlling a pump current of an exhaust probe in a motor vehicle
DE10342270B4 (en) Gas concentration detector
WO2000010002A1 (en) Method and device for calibrating a probe system comprised of an exhaust probe and of a control circuit for a motor vehicle
WO2015082197A1 (en) Control unit for operating a broadband lambda probe
WO2007074021A1 (en) Broadband lambda probe
EP3191828A1 (en) Method and device for detecting at least a portion of the measurement gas component having bound oxygen in a gas mixture
DE102009001672A1 (en) Gas sensor control system to ensure increased measurement accuracy
DE102019203704A1 (en) Method for determining a fault in an exhaust gas sensor of an internal combustion engine
DE19912469A1 (en) Detecting element resistance of a gas resistance sensor, used e.g. for detecting oxygen concentration in internal combustion engine exhaust gas
DE10145804B4 (en) Nitrogen oxide sensor with suppressed oxygen dependence of the NO ↓ X ↓ signal
DE10138806C1 (en) Temperature determination method for automobile exhaust gas sensor uses measurement of internal resistance of electrochemical cell
DE10309422A1 (en) Calibrating nitrogen oxide sensor in engine exhaust system, shuts off engine for interval during which decay of nitrogen oxide signal is observed and evaluated
DE102013202260A1 (en) Method for monitoring steady lambda signal of multi-cellular exhaust-gas sensor, involves determining pump voltage and nernst voltage with respect to lambda value of exhaust gas from constant lambda signal
DE19907947B4 (en) Circuit for a NOx sensor
DE102019203749A1 (en) Method for determining an error in an exhaust gas sensor of an internal combustion engine
EP3818366B1 (en) Method for operating a sensor for detecting at least a portion of a measurement gas component having bound oxygen in a measurement gas
DE10161901A1 (en) Compensating engine exhaust gas sensor linear characteristic offset involves allowing offset compensation value determination only if reference sensor signal in tolerance field for defined time
DE10056320A1 (en) Process for diagnosing the end stage of a heating device of a gas sensor comprises using a prescribed diagnosis value as a sensor condition signal and/or a prescribed diagnosis value of a heating voltage parameter signal
DE19907946C2 (en) Circuit for a NOx sensor
DE102006062055A1 (en) Gas mixture&#39;s i.e. exhaust gas, air ratio measuring method, involves measuring pumping current flowing between two electrodes, where air ratio of gas mixture is enclosed from pumping current

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14802376

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14802376

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1