WO2019101393A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur bestimmung des elektrischen innenwiderstandes einer breitband-lambdasonde - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur bestimmung des elektrischen innenwiderstandes einer breitband-lambdasonde Download PDF

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WO2019101393A1
WO2019101393A1 PCT/EP2018/075662 EP2018075662W WO2019101393A1 WO 2019101393 A1 WO2019101393 A1 WO 2019101393A1 EP 2018075662 W EP2018075662 W EP 2018075662W WO 2019101393 A1 WO2019101393 A1 WO 2019101393A1
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pumping
current
pulse
internal resistance
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PCT/EP2018/075662
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Tobias-Gerhard Zobel
Claudius Bevot
Anne-Katrin MITTASCH
Max Adler
Sebastian Knoedler
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a method and a circuit arrangement for
  • Computer program a machine-readable data carrier for storing the computer program and an electronic control unit, by means of which the method according to the invention can be carried out.
  • the electrode assembly comprises a Nernst or
  • Measuring electrode and a reference electrode which form an electrochemical Nernst cell with the solid electrolyte.
  • the reference electrode is in one with a reference gas, e.g. Air, acted upon reference gas channel arranged.
  • a control unit for operating a broadband lambda probe has become known from DE 10 2013 224 811 A1.
  • the control unit in particular comprises a measuring resistor with which the value of the pump current Ip and thus the lambda value can be determined as a result.
  • the pumping current is largely determined by the connected to the inner and outer pump electrode lambda probe. The prerequisite for this, however, is that a sufficiently high voltage Up is applied to the pump cell (so-called.
  • Oxygen molecules from the exhaust gas is hindered in the surrounding the inner electrode cavity through the diffusion barrier, the pumping current above a pump voltage threshold reaches a current saturation, the so-called limiting current.
  • This limiting current is proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas.
  • oxygen is pumped from the exhaust duct into the measuring space.
  • the invention is based on the idea to carry out an internal resistance measurement of a broadband lambda probe by means of a voltage pulse. On the basis of the internal resistance of the probe (Ri) can be determined in particular the current probe temperature.
  • a voltage pulse mentioned can in a conventional manner by an already existing power supply of the probe or a
  • PCM Pulse Count Modulation
  • Noise Shaping filter-based influence on the signal noise formed by digital quantization
  • Exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine wherein the broadband lambda probe is maintained in a limiting current operation by means of a pump current adjustable by a pumping current, whereby a pumping current proportional to the residual oxygen in the exhaust gas sets, the pumping voltage by means of a high-frequency, adjustable by a duty cycle, e.g. Pulse width modulated signal is generated and wherein the pump voltage, depending on the self-adjusting pumping current, is tracked, is provided in particular that the determination of the internal resistance by means of a change, in particular by short-term change of the duty cycle of the example pulse-width modulated signal generated electrical voltage pulse is performed.
  • a pump current adjustable by a pumping current whereby a pumping current proportional to the residual oxygen in the exhaust gas sets, the pumping voltage by means of a high-frequency, adjustable by a duty cycle, e.g. Pulse width modulated signal is generated and wherein the pump voltage, depending on the self-adjusting pumping current, is tracked, is provided in particular that
  • Pulse width modulation are here also the known per se technique of pulse count modulation (PCM) or similar modulation techniques applicable.
  • the pump voltage Up or a corresponding, smoothed input signal, to a supply voltage between 0 V and
  • Supply voltage (or ⁇ supply voltage) are preset.
  • the duty cycle of the high-frequency signal can be increased or decreased by a value in the range of up to 5% for a first time interval in the range of, for example, 50-150 ps according to an embodiment of the method according to the invention.
  • other values may also be considered as long as a sufficiently large time interval is predetermined for the duty cycle of the modulated signal in order to generate a sufficiently large signal deviation.
  • the duty cycle is again changed with opposite signs, the time interval preferably the first
  • a pump DC voltage which can be set as a function of an initially mentioned pumping current Ip can be generated by means of a high-frequency PWM or PCM signal and a low-pass filter following in the signal path.
  • a predefinable input voltage of a said evaluation circuit can be set, e.g. between 0 V and the supply voltage.
  • the duty cycle is increased or decreased for a relatively short period of time.
  • the internal resistance (Ri) of the probe can be determined when the change values AUp and Alp are sufficiently large, preferably greater than the measurement accuracy of the measuring unit and as the signal noise.
  • a smoothing low pass are dimensioned so that after the duty cycle change is measured safely in the non-steady state.
  • Ohm's law calculates the internal resistance (Ri) as follows:
  • the proposed method and the circuit arrangement make it possible to implement a "depolarization function", in particular an adaptive depolarization function in the case of a charging of the sensor capacitance by the internal resistance measurement.
  • the measurement of the internal resistance Ri takes place both before the generation of the voltage pulse (measuring pulse) and during or after the generation of the voltage pulse. After the measuring pulse (resp.
  • a depolarization pulse takes place, which can have the same pulse length as the measuring pulse and whose (suitable) pulse height can be empirically predetermined or taught.
  • the present pulse height value is then used as a learned value or stored for later operation.
  • the proposed circuit arrangement or control unit can be used with the advantages described herein in an engine control unit of a self-igniting internal combustion engine for operating and monitoring in particular a single-cell lambda probe.
  • an engine control unit of a self-igniting internal combustion engine for operating and monitoring in particular a single-cell lambda probe.
  • the application of the broadband lambda probes can also be used in other areas.
  • the proposed voltage pulse can be generated simply by a preferably short-term change in the duty cycle of a PWM or PCM signal generator already present in a control unit affected here.
  • the proposed method and the circuit arrangement can be used in a control unit for controlling a broadband lambda probe of a
  • Evaluation circuit can also be used for operation in particular of lambda probes with a single oxygen concentration cell, which operate on the so-called single cell principle. This is on a
  • Oxygen concentration is determined.
  • the computer program according to the invention is set up to carry out each step of the method, in particular if it runs on a computing device or a control device. It allows the implementation of the
  • the machine-readable data carrier is provided, on which the inventive Computer program is stored.
  • Figure 1 shows a block diagram of one known in the art
  • Control unit for operating a broadband lambda probe.
  • FIG. 2 shows schematically a known in the art
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention for determining the internal resistance of a broadband lambda probe on the basis of a flow chart.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a discrete evaluation circuit for
  • FIGS. 5a, b show an excitation according to the invention
  • the control unit 10 which is known per se in its construction, corresponds in its function to an evaluation module for a broadband lambda probe.
  • the control unit is therefore connected to a broadband lambda probe 15 signal or data technology.
  • 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 filtered digital data will be sent to the
  • 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 above-mentioned lambda controller is located in this case in
  • Microcontroller 20 the pumping current regulator is in the control unit 10
  • FIG. 2 shows a device described in DE 10 2006 030 437 A1
  • Limit current probe as an example of a broadband lambda probe, for determining the concentration of gas components in a gas mixture or measuring gas 100.
  • the limit current probe comprises a heater 160 in a lower region, in a central region a measuring chamber 130 with a first electrode 140 and in an upper Area a second electrode 150th
  • the first electrode in the present case the inner pumping electrode 140
  • the second electrode in the present case the outer pumping electrode 150
  • a solid electrolyte which forms a pumping cell 120 together with the two electrodes.
  • External pumping electrode 150 is protected by a protective layer 110 Sample gas 100 protected. Furthermore, the pumping cell 120 has an opening 105 in a central region, through which the measuring gas 100 flows via a
  • the outer pump electrode 150 is exposed to reference air.
  • 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 pumping 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.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention for determining the internal resistance of a broadband lambda probe.
  • step 200 measurements of the current one are made as described below
  • step 205 the duty cycle ("duty cycle") of a high-frequency PWM or PCM signal described below is increased, preferably only briefly, by up to 5%. This is followed by a renewed simultaneous measurement 210 of the both sizes Ip and Up. In step 215, after a preferably relatively short time, for example after 50-100 ps, a lowering of the duty cycle ("duty cycle") of a high-frequency PWM or PCM signal described below is increased, preferably only briefly, by up to 5%. This is followed by a renewed simultaneous measurement 210 of the both sizes Ip and Up. In step 215, after a preferably relatively short time, for example after 50-100 ps, a lowering of the duty cycle ("duty cycle") of a high-frequency PWM or PCM signal described below is increased, preferably only briefly, by up to 5%. This is followed by a renewed simultaneous measurement 210 of the both sizes Ip and Up. In step 215, after a preferably relatively short time, for example after 50-100 ps, a lowering of the
  • a calculation of the internal resistance (Ri) of the broadband lambda probe is carried out in step 230 as described below.
  • the probe temperature T probe can now be calculated 235 in a manner known per se, as indicated by the two subsequent steps 235 and 240. Again, the operating point can be determined on the basis of the resulting temperature value the probe can be adjusted 240 or tracked.
  • FIG. 4 shows a circuit arrangement according to the invention or a control unit according to the invention having the circuit arrangement for operating preferably a previously described unicellular limit current probe on the basis of the method just described.
  • 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 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 the pumping voltage 303, depending on the respective pumping current (Ip) 304, in a conventional manner by means of a high-frequency signal 307 is adjustable ("up-tracking").
  • the pumping current (Ip) 304 is used in the present
  • Embodiment in the present case, lean exhaust gas
  • the pumping current generator 405 may also be designed as a current sink in the case of rich exhaust gas.
  • the PWM or PCM signal 307 is supplied by a voltage generator 315 and, in the present embodiment, is in the usual frequency ranges of MHz or kHz. It should be noted, however, that the present invention or its application is not limited to these frequency ranges.
  • the generator 315 is in an internal or external
  • the pump voltage 303 thus set can also be smoothed via a first low-pass filter 305.
  • Pump voltage 303 is read back into microcontroller 310 via a first differential low pass 306.
  • the pumping current (Ip) 304 is determined by means of a measuring resistor 345. If necessary, e.g. for accuracy reasons, the voltage drop across the sense resistor 345 may be amplified, e.g. by means of a (not shown) further differential amplifier. By means of a characteristic curve 325 stored in the microcontroller 310, the pump voltage (Up) 303 to be generated is generated from the pumping current 304 with an adjustable time delay.
  • a "virtual ground” (VM) 355 is arranged behind the measuring resistor 345.
  • the virtual ground 355 is used in the present
  • Embodiment both as a current source and as a current sink and supplies a fixed or constant voltage value behind the measuring resistor 345.
  • the voltage value at the ALE 342 must be lower than the voltage value at the IPE 343 his. Because only in this case, this reverse current flow with rich exhaust gas is possible.
  • the value of the constant voltage is 2.0 V in the present embodiment, but may be different, since the exact voltage value is not important here.
  • the internal resistance of the probe (Ri) and thus the probe temperature can be determined.
  • Limit current probe 330 in particular a single cell limit current probe, by means of a voltage pulse, instead of by means of a measuring current.
  • the voltage pulse is generated in the embodiment shown by means of the already existing high-frequency signal 307.
  • the pumping voltage Up 303 which can be set as a function of the pumping current 304, is generated in the present case by means of a high-frequency PWM or PCM signal 307 and a low-pass filter 305 following the signal.
  • the pump voltage Up can be preset, e.g. to a voltage value between 0 V and the supply voltage.
  • the duty cycle (D.C.) for a time interval of e.g. 100 ps increased or decreased to produce said voltage pulse. Because this time interval is sufficiently small and the smoothing filter 305 comparatively large, it can be assumed that the limit current probe 330 is not yet polarized during the voltage pulse, since it is measured in the not yet steady state.
  • the generation of the voltage pulse for the Ri measurement can most easily be implemented by the duty cycle of the PWM signal 307 being e.g. set to 100%. However, to protect the limiting current probe 330 from an overvoltage that occurs in this case, it is also possible to specify a smaller duty cycle.
  • the evaluation circuit can be considerably simplified by the described internal resistance measurement principle, by saving space and components.
  • the probe flow or pumping current (Ip) 304 which is dependent on the exhaust gas or dependent on the gas composition (corresponding to the value "lambda") and takes place in the two flow directions 395, is either generated (or "swollen") by 305 in the case of a lean exhaust gas. and lowered by the virtual mass 355. In the case of a rich exhaust gas, this applies vice versa.
  • the virtual mass 355 can be designed to be variable. So that the means of
  • Measuring resistor 345 determined probe current (Ip) 304 is also a measure of the residual oxygen content in the exhaust gas, the pumping voltage must be tracked. Depending on the measured probe current (Ip) 304 is the
  • Voltage drop (Up) 303 is set above the probe 330. Therefore, the voltage drop across the sense resistor 345 and across the probe 330 must be measured, in the present embodiment by means of the two differential A / D converters ("SigmaDelta ADCs") 320, 323 shown.
  • the duty ratio (D.C.) of the high-frequency input signal 307 smoothed by the low-pass filter 305 is measured depending on
  • bidirectional probe current 395 set (for the purpose of said pump voltage tracking). If the duty cycle is changed, e.g. increases, this change in the probe voltage also causes a change in the
  • the probe internal resistance can be calculated as follows, wherein the times t1 and t2 are defined in FIG. 5a: The polarized probe 330 (ie possibly charged probe capacitance due to the measurement pulse) is triggered by a subsequent t2
  • the height of the discharge pulse is selected so that the voltage measured at the end of the Ri measurement (including the Depolarisationspulses) across the probe 330, the values according to the above equation or meets.
  • This temporal pulse progression can be realized in a manner known per se by means of a programmable controller ("SW controller").
  • the probe voltage 303 results from the input voltage 307 minus the virtual ground 355 minus the voltage drops above it
  • Measuring resistor 345 and the line switches 365 and 390 The maximum voltage that can be set on the probe is therefore u.a. depending on the probe current. Since small sensor internal resistances at short-term
  • the duty cycle (DC) of an input signal controllable by means of PWM (or PCM) in the range of 0 and 100% over time is plotted in the unit [ps].
  • a positive voltage pulse 500 is generated by a preferably short-term increase of the duty cycle, starting from a present value 510 to the value 500, and at time t2 the duty cycle is lowered from the value 500 back to the initial value 510.
  • the time interval between t1 and t2 is in this
  • Embodiment about 50-150 ps.
  • a depolarization pulse can also be started during the measurement, with a negative voltage pulse initially taking place.
  • either the duration of the pulse 505 or the amplitude of the pulse 505, or both variables simultaneously, may be changed.
  • the 505 pulse does not need to be timed directly after the 500 pulse. During the depolarization, however, it should be noted that the probe voltage present after the pulse 505 corresponds as closely as possible to the voltage 510.
  • the described method can be illustrated by means of an oscilloscope measurement, which is shown in FIG. 5b. Shown is a generated in the manner described output signal 610, namely the differential voltage or the voltage drop across the probe.
  • the method described can also be realized in the form of a control program for an electronic control unit for controlling an internal combustion engine or in the form of one or more corresponding electronic control units (ECUs).
  • 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.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des elektrischen Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde insbesondere eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, wobei die Breitband-Lambdasonde mittels einer abhängig von einem Pumpstrom (304) einstellbaren Pumpspannung (303) in einem Grenzstrombetrieb gehalten wird, wodurch sich ein dem Restsauerstoff im Abgas proportionaler Pumpstrom (304) einstellt, wobei die Pumpspannung (303) insbesondere mittels eines hochfrequenten, durch ein Tastverhältnis einstellbaren, beispielsweise pulsweitenmodulierten Signals (307) erzeugt wird, wobei die Pumpspannung (303), abhängig von dem sich einstellenden Pumpstrom (304), nachgeführt wird, und wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Bestimmung des Innenwiderstandes mittels eines durch kurzzeitige Änderung des Tastverhältnisses des pulsweitenmodulierten Signals (307) erzeugten elektrischen Spannungspulses (500) durchgeführt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Schaltunqsanordnunq zur Bestimmung des elektrischen
Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum
Bestimmen des elektrischen Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde, insbesondere einer einzelligen Breitband-Lambdasonde einer
Brennkraftmaschine, gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein
Computerprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Breitband-Lambdasonden zur Bestimmung der Konzentration von
Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine sind vielfach bekannt geworden und weisen einen aus Festelektrolytschichten zusammengesetzten, keramischen Sondenkörper auf, in dessen dem Messgas ausgesetzten
Körperendabschnitt gassensitive Elektroden sowie ein(e) unterhalb der Elektrodenanordnung liegende elektrische Widerstandsheizung bzw. -heizer angeordnet sind. Die Elektrodenanordnung umfasst eine Nernst- oder
Messelektrode und eine Referenzelektrode, die mit dem Festelektrolyten eine elektrochemische Nernstzelle bilden. Die Referenzelektrode ist in einem mit einem Referenzgas, z.B. Luft, beaufschlagten Referenzgaskanal angeordnet.
Eine Steuereinheit zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde ist aus der DE 10 2013 224 811 A1 bekannt geworden, Die Steuereinheit umfasst insbesondere einen Messwiderstand, mit dem der Wert des Pumpstroms Ip und damit im Ergebnis der Lambdawert bestimmt werden kann. Der Pumpstrom wird maßgeblich durch die an die innere und äußere Pumpelektrode angeschlossene Lambdasonde bestimmt. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass eine ausreichend hohe Spannung Up an die Pumpzelle angelegt wird (sog.
„Grenzstromprinzip). Aus der DE 101 56 248 A1 geht eine einzellige Breitband-Lambdasonde hervor, welche nur eine einzige Pumpzelle aufweist und welche nach dem
Grenzstromprinzip betrieben wird. Von zwei auf einem Festkörperelektrolyten angeordneten Elektroden reicht eine äußere Pumpelektrode über einem
Referenz- bzw. Abluftkanal in ein Referenzgas hinein und eine innere
Pumpelektrode über eine Diffusionsbarriere in das Messgas bzw. Abgas. Beim Anlegen einer Spannung an diese Elektroden werden im Falle von magerem Abgas Sauerstoffionen von der Anode zur Kathode, also von der Innenelektrode zur äußeren Pumpelektrode bewegt. Da das Nachfließen von
Sauerstoffmolekülen aus dem Abgas in den die Innenelektrode umgebenden Hohlraum durch die Diffusionsbarriere behindert ist, erreicht der Pumpstrom oberhalb eines Pumpspannungs-Schwellenwertes 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.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Innenwiderstandsmessung einer Breitbandlambdasonde mittels eines Spannungspulses durchzuführen. Anhand des Innenwiderstandes der Sonde (Ri) kann insbesondere die momentane Sondentemperatur ermittelt werden.
Im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik gemäß DE 10 2013 224 811 A1 erfolgt die Innenwiderstandsmessung bei einer hier betroffenen Breitband-Lambdasonde, insbesondere einer sogenannten Einzellersonde, demnach nicht mittels eines dort beschriebenen, zusätzlich bereitzustellenden Messstroms. Dadurch lässt sich z.B. eine diskret aufgebaute
Lambdaauswerteschaltung in ihrem Aufbau erheblich vereinfachen, und zwar durch Einsparung sowohl von Bauraum als auch von Bauteilen.
Ein genannter Spannungspuls kann in an sich bekannter Weise durch eine bereits vorhandene Spannungsversorgung der Sonde bzw. einer
Eingangsspannung einer entsprechenden Auswerteschaltung, z.B. mittels eines etwa bereits vorhandenen PWM-Eingangssignals (PWM = Pulse Width
Modulation), eines bereits vorhandenen PCM-Eingangssignals (PCM = Pulse Count Modulation) oder mittels der bekannten Methode des sogenannten„Noise Shapings“ (= filterbasierte Einflussnahme auf das durch digitale Quantisierung gebildete Signalrauschen) generiert werden. Der Spannungspuls wird
insbesondere durch eine relativ kleine Änderung des Tastverhältnisses eines genannten Eingangssignals erzeugt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Bestimmen des elektrischen
Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde insbesondere eines
Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, wobei die Breitband- Lambdasonde mittels einer abhängig von einem Pumpstrom einstellbaren Pumpspannung in einem Grenzstrombetrieb gehalten wird, wodurch sich ein dem Restsauerstoff im Abgas proportionaler Pumpstrom einstellt, wobei die Pumpspannung mittels eines hochfrequenten, durch ein Tastverhältnis einstellbaren, z.B. pulsweitenmodulierten Signals erzeugt wird und wobei die Pumpspannung, abhängig von dem sich einstellenden Pumpstrom, nachgeführt wird, ist insbesondere vorgesehen, dass die Bestimmung des Innenwiderstandes mittels eines durch Änderung, insbesondere durch kurzzeitige Änderung des Tastverhältnisses des beispielsweise pulsweitenmodulierten Signals erzeugten elektrischen Spannungspulses durchgeführt wird. Alternativ zur
Pulsweitenmodulation (PWM) sind hier auch die an sich bekannte Technik der Pulszählmodulation (PCM) oder ähnliche Modulationstechniken anwendbar.
Dabei kann die Pumpspannung Up, bzw. ein entsprechendes, geglättetes Eingangssignal, auf eine Versorgungsspannung zwischen 0 V und
Versorgungsspannung (bzw. ±Versorgungsspannung) voreingestellt werden. Das Tastverhältnis des hochfrequenten Signals kann gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein erstes Zeitintervall im Bereich von beispielsweise 50 - 150 ps um einen Wert im Bereich von bis zu 5 % erhöht oder abgesenkt werden. Es können aber auch andere Werte in Betracht kommen, solange für das Tastverhältnis des modulierten Signals ein ausreichend großes Zeitintervall vorgegeben wird, um einen ausreichend großen Signalhub zu erzeugen.
Zudem kann vorgesehen sein, dass nach einer genannten, insbesondere kurzzeitigen Änderung des Tastverhältnisses des beispielsweise
pulsweitenmodulierten Signals das Tastverhältnis wieder mit entgegengesetztem Vorzeichen geändert wird, wobei das Zeitintervall bevorzugt dem ersten
Zeitintervall entspricht. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann eine, abhängig von einem eingangs genannten Pumpstrom Ip einstellbare Pumpgleichspannung mittels eines hochfrequenten PWM- oder PCM-Signals und einem im Signalweg nachfolgenden Tiefpassfilter erzeugt werden. Durch Veränderung des
Tastverhältnisses („Duty Cycle“) des PWM- oder PCM-Signals kann eine vorgebbare Eingangsspannung einer genannten Auswerteschaltung eingestellt werden, z.B. zwischen 0 V und der Versorgungsspannung. Für die
Innenwiderstandmessung wird das Tastverhältnis für einen relativ kurzen Zeitraum vergrößert oder verkleinert.
Durch möglichst zeitgleiche Messung der Pumpspannung Up und des
Pumpstroms Ip kann der Innenwiderstand (Ri) der Sonde ermittelt werden, wenn die Änderungswerte AUp und Alp ausreichend groß sind, und zwar bevorzugt größer als die Messgenauigkeit der Messeinheit und als das Signalrauschen. Um eine Polarisation der Sonde zu verhindern, kann z.B. ein Glättungstiefpass so dimensioniert werden, dass nach der Tastverhältnisänderung sicher im nicht eingeschwungenen Zustand gemessen wird. Anhand des Ohmschen Gesetzes erfolgt die Berechnung des Innenwiderstandes (Ri) wie folgt:
Ri = (Up2 - Upi) / (lp2 - Ipi).
Das vorgeschlagene Verfahren und die Schaltungsanordnung ermöglichen die Implementierung einer„Depolarisationsfunktion“, insbesondere einer lernfähigen Depolarisationsfunktion im Falle einer Aufladung der Sensorkapazität durch die Innenwiderstandsmessung. Dabei erfolgt die Messung des Innenwiderstandes Ri (durch Messung des Pumpstroms Ip und der Pumpspannung Up) sowohl vor der Erzeugung des Spannungspulses (Messpulses) als auch während oder nach der Erzeugung des Spannungspulses. Im Anschluss an den Messpuls (bzw.
Polarisationspuls) erfolgt dabei ein Depolarisationspuls, der die gleiche Pulslänge wie der Messpuls haben kann und dessen (geeignete) Pulshöhe empirisch vorgegeben oder eingelernt werden kann.
Zum Einlernen geeigneter Pulshöhenwerte des Depolarisationspulses kann vorgesehen sein, die Pulshöhe des Depolarisationspulses so lange zu verändern, bis die nach erfolgtem Depolarisationspuls gemessene
Pumpspannung Up der vor der Innenwiderstandsmessung vorliegenden Pumpspannung Up entspricht. Der dabei vorliegende Pulshöhenwert wird dann als gelernter Wert benutzt bzw. für den späteren Betrieb abgespeichert.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung bzw. Steuereinheit kann mit den hierin beschriebenen Vorteilen in einem Motorsteuergerät einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zum Betrieb und zur Überwachung insbesondere einer Einzeller-Lambdasonde eingesetzt werden. Im Falle eines zukünftig
weitergehenden Anwendungsfeldes der genannten Breitband-Lambdasonden kann die Erfindung jedoch auch in anderen Bereichen anwendbar sein.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, z.B. der eingangs genannten Druckschrift DE 10 2013 224 811 A1 , wird bei dem vorgeschlagenen Ansatz keine zusätzliche Stromquelle benötigt, die einen Strompuls erzeugt. Denn der hier
vorgeschlagene Spannungspuls kann einfach durch eine bevorzugt kurzzeitige Veränderung des Tastverhältnisses eines in einer hier betroffenen Steuereinheit bereits vorliegenden, PWM- oder PCM-Signalgenerators erzeugt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die Schaltungsanordnung können in einem Steuergerät zur Steuerung einer Breitband-Lambdasonde eines
Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs zur Anwendung kommen. Die ebenfalls vorgeschlagene
Auswerteschaltung kann zudem zum Betrieb insbesondere von Lambdasonden mit einer einzigen Sauerstoffkonzentrationszelle, welche nach dem sogenannten Einzeller-Prinzip arbeiten, eingesetzt werden. Hierbei wird auf eine
Nernstkonzentrationszelle zusätzlich zu der Pumpzelle verzichtet. Statt auf einen konstanten Lambdawert in einem Messgasraum einzuregeln, wird bei
Breitbandsonden gemäß dem Einzeller-Prinzip lediglich mit einer konstanten Pumpspannung der eindiffundierende Sauerstoff aus dem Messgasraum herausgepumpt. Es resultiert eine Kennlinie, die durch die
Sauerstoffkonzentration bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das
erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene Lambdasonde eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu betreiben.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer im Stand der Technik bekannten
Steuereinheit zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde.
Figur 2 zeigt schematisch eine im Stand der Technik bekannte
Grenzstromsonde.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde anhand eines Flussdiagramms.
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild einer diskreten Auswerteschaltung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde bei einer einzelligen Breitband-Lambdasonde.
Figuren 5a, b zeigen eine erfindungsgemäße Anregung bzw.
Tastverhältnisänderung zur Innenwiderstandsmessung (Fig. 5a) sowie einen typischen, sich experimentell ergebenden Spannungsverlauf bei einer solchen Innenwiderstandsmessung (differentielle Messung) mit einem Mess- und Depolarisationspuls. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die in der Figur 1 gezeigte, in ihrem Aufbau an sich bekannte Steuereinheit 10 entspricht in ihrer Funktion einem Auswertebaustein für eine Breitband- Lambdasonde. Die Steuereinheit ist daher mit einer Breitband-Lambdasonde 15 Signal- bzw. datentechnisch verbunden. Zusätzlich besteht eine
Signalverbindung mit einem externen Mikrocontroller (pC) 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
Mikrocontroller 20 übertragen.
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.
Der eingangs genannte Lambda-Regler befindet sich in diesem Fall im
Mikrocontroller 20, der Pumpstromregler ist in der Steuereinheit 10
implementiert.
Die Figur 2 zeigt eine in der DE 10 2006 030 437 A1 beschriebene
Grenzstromsonde, als Beispiel einer Breitband-Lambdasonde, zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch bzw. 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.
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 Pumpzelle 120 bildet. Die dem Gasgemisch bzw. Messgas 100 zugewandte
Außenpumpelektrode 150 ist durch eine Schutzschicht 110 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 aufweist.
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.
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 Pumpspannung (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.
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde. In Schritt 200 erfolgen wie nachfolgend beschrieben Messungen des momentanen
Pumpstroms (Ip) sowie der momentanen Pumpspannung (Up). In Schritt 205 wird das Tastverhältnis („Duty Cycle“) eines nachfolgend beschriebenen, hochfrequenten PWM oder PCM-Signals, bevorzugt nur kurzzeitig um bis zu 5 % erhöht. Danach folgt eine erneute möglichst gleichzeitige Messung 210 der beiden Größen Ip und Up. In Schritt 215 erfolgt nach einer bevorzugt relativ kurzen Zeit, z.B. nach 50 - 100 ps, wieder eine Absenkung des
Tastverhältnisses auf den ursprünglichen Wert oder eine entsprechende
Absenkung des Depolarisationspulses.
Auf der Grundlage der bei den beiden Messungen 200 und 210 sich ergebenden Werte von Ip und Up, wie durch die Linien 220, 225 angedeutet, erfolgt in Schritt 230 eine wie nachfolgend beschriebene Berechnung des Innenwiderstandes (Ri) der Breitband-Lambdasonde.
Aus dem bei der Berechnung 230 sich ergebenden Wert Ri kann nun, wie durch Strichelung der beiden nachfolgenden Schritte 235 und 240 angedeutet, zunächst die Sondentemperatur Tsonde in an sich bekannter Weise berechnet werden 235. Auf der Grundlage des sich dabei ergebenden Temperaturwertes kann wiederum der Betriebspunkt der Sonde eingestellt 240 bzw. nachgeführt werden.
In der Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. eine die Schaltungsanordnung aufweisende erfindungsgemäße Steuereinheit zum Betrieb bevorzugt einer vorbeschriebenen einzelligen Grenzstromsonde anhand des eben beschriebenen Verfahrens 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 (stöchiometrisch). Ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager (Lambda > 1 ), so fließt ein Pumpstrom Ip von der Abluftelektrode (ALE) 342 zur inneren Pumpelektrode (I PE) 343 der Grenzstromsonde. Ist das Gemisch hingegen fett (Lambda < 1 ), dann fließt ein Pumpstrom Ip in entgegengesetzter Richtung.
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 hochfrequenten Signals 307 einstellbar ist („Up-Nachführung“). Der Pumpstrom (Ip) 304 wird in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel (bei vorliegend angenommenem, magerem Abgas) von einem Pumpstromgeber 405 bereitgestellt. Es ist allerdings anzumerken, dass der Pumpstromgeber 405 im Falle von fettem Abgas auch als eine Stromsenke ausgebildet sein kann.
Das PWM oder PCM-Signal 307 wird von einem Spannungsgenerator 315 geliefert und liegt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in den üblichen Frequenzbereichen von MHz oder kHz. Es ist allerdings anzumerken, dass die vorliegende Erfindung bzw. ihre Anwendung nicht auf diese Frequenzbereiche beschränkt ist. Der Generator 315 ist in einem internen oder externen
Mikrocontroller (pC) 310 angeordnet. Die so eingestellte Pumpspannung 303 kann zudem über einen ersten Tiefpass 305 geglättet werden. Die
Pumpspannung 303 wird über einen ersten differentiellen Tiefpass 306 in den Mikrocontroller 310 zurückgelesen.
Der Pumpstrom (Ip) 304 wird mittels eines Messwiderstandes 345 bestimmt. Bei Bedarf, z.B. aus Genauigkeitsgründen, kann der an dem Messwiderstand 345 abfallende Spannungswert verstärkt werden, z.B. mittels eines (nicht gezeigten) weiteren Differenzverstärkers. 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.
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. 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. Durch differentielle Spannungsauswertung zwischen ALE 342 und IPE mittels des Tiefpasses 306 und des mittels des Spannungsabfalls über dem
Messwiderstand können der Innenwiderstand der Sonde (Ri) und damit auch die Sondentemperatur bestimmt werden.
Zur Vereinfachung einer vorliegend diskret aufgebauten
Lambdaauswerteschaltung erfolgt die Innenwiderstandsmessung der
Grenzstromsonde 330, insbesondere einer Einzellen-Grenzstromsonde, mittels eines genannten Spannungspulses, anstatt mittels eines Messstroms. Der Spannungspuls wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels des bereits vorhandenen hochfrequenten Signals 307 generiert.
Die abhängig von dem Pumpstrom 304 einstellbare Pumpgleichspannung Up 303 wird vorliegend mittels eines hochfrequenten PWM oder PCM-Signals 307 und einem signaltechnisch nachfolgenden Tiefpassfilter 305 erzeugt. Durch Variation des Duty Cycles (D.C.) bzw. Tastverhältnisses des hochfrequenten Signals 307 kann die Pumpspannung Up voreingestellt werden, z.B. auf einen Spannungswert zwischen 0 V und der Versorgungsspannung. Zur
Innenwiderstandmessung wird das Tastverhältnis (D.C.) für ein Zeitintervall von z.B. 100 ps, zur Erzeugung des genannten Spannungspulses erhöht oder abgesenkt. Denn ist dieses Zeitintervall ausreichend klein und der Glättungsfilter 305 vergleichsweise groß, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Grenzstromsonde 330 während des Spannungspulses noch nicht polarisiert, da im noch nicht eingeschwungenen Zustand gemessen wird.
Die Erzeugung des Spannungspulses für die Ri-Messung kann am einfachsten dadurch umgesetzt werden, dass der Duty Cycle des PWM-Signals 307 z.B. auf 100 % gesetzt. Zum Schutz der Grenzstromsonde 330 gegenüber einer dabei etwa auftretenden Überspannung kann jedoch auch ein kleineres Tastverhältnis vorgegeben werden.
Durch Messung des Sonden- bzw. Pumpstroms Ip mit Hilfe des
Messwiderstandes 345 und der zwischen den Sondenleitungen 342 und 343 anliegenden Spannung unmittelbar vor dem Aufprägen (Zeitpunkt ,t1‘ in Figur 5a) und kurz vor dem bzw. exakt im Moment des Abstellens (Zeitpunkt ,t2‘ in Figur 5a) des Spannungspulses kann der Innenwiderstand (Ri) der Sonde 330 anhand der folgenden, sich aus dem Ohmschen Gesetz ergebenden Gleichung berechnet werden:
R = DIIr/DIr = [UP(t2) - UP(t1 )] / [Ip(t2) - Ip(t1 )] = (Up2 - Upi) / (lp2 - Ipi).
Hierbei ist anzumerken, dass der genaue Zeitpunkt t2 frei wählbar ist. Damit der Innenwiderstand Ri überhaupt gemessen werden kann, müssen die
Änderungswerte DIr und DIIr größer sein als die Messgenauigkeit der
Messeinheit und größer als das Signalrauschen.
Wie bereits erwähnt, kann die Auswerteschaltung durch das beschriebene Innenwiderstandsmessprinzip erheblich vereinfacht werden, und zwar durch Einsparung von Bauraum und Bauteilen.
Der vom Abgas abhängige bzw. von der Gaszusammensetzung (entsprechend dem Wert„Lambda“) abhängige, in den beiden Stromrichtungen 395 erfolgende Sondenstrom bzw. Pumpstrom (Ip) 304 wird im Falle eines mageren Abgases entweder durch 305 generiert (bzw.„gequellt“) und durch die virtuelle Masse 355 gesenkt. Im Falle eines fetten Abgases gilt dies umgekehrt. Die virtuelle Masse 355 kann dabei variabel ausgebildet sein. Damit der mittels des
Messwiderstandes 345 ermittelte Sondenstrom (Ip) 304 auch ein Maß für den Restsauerstoffgehalt im Abgas darstellt, muss die Pumpspannung nachgeführt werden. Abhängig vom gemessenen Sondenstrom (Ip) 304 wird der
Spannungsabfall (Up) 303 über der Sonde 330 eingestellt. Deshalb muss der Spannungsabfall über dem Messwiderstand 345 und über der Sonde 330 gemessen werden, und zwar in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels der gezeigten zwei differentiellen A/D-Wandler („SigmaDelta-ADCs“) 320, 323.
Das Tastverhältnis (D.C.) des mittels des Tiefpassfilters 305 geglätteten hochfrequenten Eingangssignals 307 wird abhängig vom gemessen
bidirektionalen Sondenstrom 395 eingestellt (zum Zwecke der genannten Pumpspannungsnachführung). Wird das Tastverhältnis geändert, z.B. erhöht, so bewirkt diese Änderung der Sondenspannung auch eine Änderung des
Sondenstroms. In diesem Falle kann der Sondeninnenwiderstand wie folgt berechnet werden, wobei die Zeitpunkte t1 und t2 in Figur 5a definiert sind: Die polarisierte Sonde 330 (d.h. aufgrund des Messpulses ggf. aufgeladene Sondenkapazität) wird durch einen im Anschluss an t2 erfolgenden
Spannungspuls in die entgegengesetzte Spannungsrichtung wieder entladen. Entspricht die zeitliche Dauer dieses Entladungspulses der Dauer des
Messpulses, dann wird die Höhe des Entladungspulses so gewählt, dass die am Ende der Ri-Messung (einschließlich des Depolarisationspulses) gemessene Spannung über der Sonde 330 den Werten gemäß der obigen Gleichung genügt bzw. entspricht. Dieser zeitliche Pulsverlauf kann in an sich bekannter Weise mittels eines programmierbaren Reglers („SW-Reglers“) realisiert werden.
Wird die Sonde nicht depolarisiert, hat dies verfälschte Messungen (Strom und Spannung) zur Folge. Erst wenn sich die Potentiale an den Sondenleitungen wieder so eingestellt haben wie vor dem Spannungsmesspuls, kann wieder regulär weitergemessen werden. Dementsprechend ist während einer
Innenwiderstandmessung keine reguläre Sondenstrommessung (zur Ermittlung des Wertes„Lambda“) möglich.
Die Höhe des Spannungspulses ist durch den Schaltungsaufbau begrenzt: So ergibt sich die Sondenspannung 303 aus der Eingangsspannung 307 abzüglich der virtuellen Masse 355 und abzüglich der Spannungsabfälle über dem
Messwiderstand 345 und den Leitungsschaltern 365 und 390. Die maximale Spannung, die an der Sonde eingestellt werden kann, ist somit u.a. abhängig vom Sondenstrom. Da kleine Sensorinnenwiderstände bei kurzzeitigen
Spannungsänderungen (es gilt näherungsweise das Ohmsche Gesetz) große Stromänderungen zu Folge haben, wird die maximal mögliche Höhe des Spannungspulses maßgeblich durch den kleinst möglichen
Sensorinnenwiderstand bestimmt.
In einem vorliegend angenommenen Betriebspunkt mit Ri_Betriebspunkt > Ri_min führt die Höhe des Spannungspulses auch zu einer kleineren
Stromänderung. Der Spannungs- bzw. Strombedarf der Auswerteschaltung wird nicht mehr ganz ausgereizt, jedoch wird dabei auch die Messgenauigkeit reduziert, da ein kleinerer Strom auch zu einem kleineren Spannungsabfall über dem Messwiderstand führt. Wird die Innenwiderstandsmessung oft genug durchgeführt, so kann die Höhe des Messpulses abhängig vom gemessenen Sensorinnenwiderstand variiert werden. In der Figur 5a ist das Tastverhältnis (D.C.) eines mittels PWM (oder PCM) im Bereich von 0 und 100% steuerbaren Eingangssignals über der Zeit in der Einheit [ps] aufgetragen. Zu dem gezeigten Zeitpunkt t1 wird durch ein bevorzugt kurzzeitiges Erhöhen des Tastverhältnisses, ausgehend von einem vorliegenden Wert 510 auf den Wert 500, ein positiver Spannungspuls 500 erzeugt und zum Zeitpunkt t2 das Tastverhältnis von dem Wert 500 wieder auf den Ausgangswert 510 abgesenkt. Das Zeitintervall zwischen t1 und t2 beträgt in diesem
Ausführungsbeispiel etwa 50 - 150 ps. Der Ausgangswert 510 des
Tastverhältnisses ergibt sich bekanntermaßen durch die beschriebene
Nachführung der Pumpspannung mittels einer entsprechenden Up- Nachführungskennlinie. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt bei t2 eine weitere kurzzeitige Absenkung des Tastverhältnisses auf einen Wert 505, wodurch an der Sonde ein negativer Depolarisationspuls zu dem bereits beschriebenen Zweck erzeugt wird.
Es ist hierbei anzumerken, dass bei der Messung alternativ auch mit einem Depolarisationspuls begonnen werden kann, wobei zunächst ein negativer Spannungspuls erfolgt. Auch können zur vollständigen Depolarisation entweder die Dauer des Pulses 505 oder die Amplitude des Pulses 505, oder beide Größen gleichzeitig, geändert werden. Der Puls 505 muss nicht zeitlich direkt im Anschluss an den Puls 500 erfolgen. Bei der Depolarisation ist allerdings zu beachten, dass die nach dem Puls 505 vorliegende Sondenspannung der Spannung 510 möglichst entspricht.
Das beschriebene Verfahren kann mit Hilfe einer Oszilloskop-Messung illustriert werden, was in der Figur 5b gezeigt ist. Gezeigt ist ein in der beschriebenen Weise erzeugtes Ausgangssignal 610, und zwar die differentielle Spannung bzw. der Spannungsabfall über der Sonde.
Das beschriebene Verfahren kann zudem in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden. Die beschriebene Schaltungsanordnung kann in Form einer ASIC-basierten Steuereinheit oder auch aus diskreten Bauelementen aufgebaut in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine realisiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen des elektrischen Innenwiderstandes einer
Breitband-Lambdasonde insbesondere eines
Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine, wobei die Breitband-Lambdasonde mittels einer abhängig von einem Pumpstrom (304) einstellbaren Pumpspannung (303) in einem 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 (304), nach geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Innenwiderstandes mittels eines Spannungspulses (500) der Pumpspannung (303) durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Pumpspannung (303) mittels eines hochfrequenten, durch ein Tastverhältnis einstellbaren, modulierten Signals (307) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Innenwiderstandes durch eine Änderung des Tastverhältnisses des modulierten Signals (307) erzeugten elektrischen Spannungspulses (500) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
geglättetes Eingangssignal (303) auf eine Spannung zwischen 0 V und einer Versorgungsspannung oder zwischen -Versorgungsspannung und
+Versorgungsspannung voreingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass für das Tastverhältnis des modulierten Signals (307) ein ausreichend großes Zeitintervall vorgegeben wird, um einen ausreichend großen Signalhub zu erzeugen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Tastverhältnis des modulierten Signals (307) für ein Zeitintervall im Bereich von 50 - 150 ps um einen Wert im Bereich von bis zu 5 % erhöht oder abgesenkt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Pumpstrom (304) und die Pumpspannung (303) im Wesentlichen zeitgleich gemessen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Depolarisation der Sonde durchgeführt wird, wobei die Bestimmung des Innenwiderstandes vor der Erzeugung des Spannungspulses und während bzw. nach der Erzeugung des Spannungspulses erfolgt, und wobei nach der Erzeugung des Spannungspulses ein Depolarisationspuls erzeugt wird, welcher im wesentlichen die gleiche Pulslänge wie der vorher erzeugte Spannungspuls hat und welcher eine empirisch vorgebbare oder einlernbare Pulshöhe aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einlernen der Pulshöhe des Depolarisationspulses die Pulshöhe des erzeugten Spannungspulses so lange verändert wird, bis eine nach erfolgtem
Depolarisationspuls gemessene Pumpspannung (303) einer vor der Bestimmung des Innenwiderstandes vorliegenden Pumpspannung (303) entspricht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der momentane Pumpstrom Ipi (304) und die momentane Pumpspannung Upi (303) kurz vor dem Erzeugen des
Spannungspulses (500, 205) gemessen werden (200), dass der momentane Pumpstrom lp2 (304) und die momentane Pumpspannung Up2 (303) im Wesentlichen zeitgleich gemessen werden (210), und dass der
Innenwiderstand der Breitband-Lambdasonde anhand des Ohmschen Gesetzes wie folgt berechnet wird:
Ri = (Up2 - Upi) / (lp2 - Ipi).
10. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des elektrischen Innenwiderstandes einer Breitband-Lambdasonde insbesondere eines
Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch erste Schaltungsmittel zur Erzeugung einer Änderung des
Tastverhältnisses des modulierten Signals (307), durch zweite
Schaltungsmittel zur Messung der Pumpspannung (303) und des Pumpstroms (304) vor und nach der Änderung des Tastverhältnisses des modulierten Signals (307), und durch Rechenmittel zur Berechnung des Innenwiderstandes aus den gemessenen Werten der Pumpspannung (303) und des Pumpstroms (304).
1 1. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung (303) mittels einer hinterlegten Kennlinie (325) aus dem Pumpstrom (304) bestimmt wird.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrom (304) mittels eines Messwiderstandes (345) ermittelt wird.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (345) mit einer virtuellen Masse (355) verbunden ist, welche als Stromquelle und/oder Stromsenke dient.
14. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
15. Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm
gemäß Anspruch 14 gespeichert ist.
16. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, eine Breitband- Lambdasonde insbesondere eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zu betreiben.
PCT/EP2018/075662 2017-11-23 2018-09-21 Verfahren und schaltungsanordnung zur bestimmung des elektrischen innenwiderstandes einer breitband-lambdasonde WO2019101393A1 (de)

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