CN1685222A - 用于驱动线性废气探测器的电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于驱动线性废气探测器(10a)的电路装置，该废气探测器(10a)包含一个用于通过确定测量单元电压来测量测量室中的气体浓度的测量单元以及一个用于借助加压电流输送气体的加压单元，该电路装置包括：－一个比较开关电路，用于将该测量单元电压与一个测量单元额定电压比较，并用于提供相应的模拟偏差信号(Vin)；和－一个加压电流源(12a)，用于提供加压电流，该加压电流源借助该偏差信号(Vin)通过控制开关电路(16a)来控制，以使测量单元电压(Vs)接近测量单元额定电压。针对可靠的和对工作损害少的限制加压电压，此外根据本发明的电路装置包含：－一个第二比较开关电路(70a)，用于将加压电压与一个预定的阈值电压(Vref1+，Vref1－)比较，并且用于提供相应的二进制开关信号(Lim+，Lim－)，和－一个在加压电流源(12a)的输出端和控制开关电路(16a)之间的负反馈线路，该负反馈线路在超过阈值电压(Vref1+，Vref1－)时被接通。
Description
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于驱动针对内燃机的线性废气探测器的电路装置。
具有越来越低的有害物质发射和越来越少的发动机燃料消耗的汽车的新发展要求比较准确的针对内燃机的混合调节。为了这个目的，采用具有所输送的参考(测量单元)的所谓线性废气探测器是有优点的，因为利用这种探测器也可在废气中相对准确地测量与内燃机的工作状态有关的强烈变化的气体浓度(特别是氧气分压)。
在传统的已知的氧气探测器(λ探测器)中，测量室与外界空气之间布置第一电极对，并且该第一电极对被用于以这种方式测量该测量室中的氧气浓度，即在该测量电极上测量通过气体浓度差引起的能斯脱电压。该测量室与测量电极装置一起构成所谓的测量单元。第二电极对被布置在测量室与废气流之间，并允许在施加相应极性的电气电流时从测量室向外抽出氧气离子或者将氧气离子输送到测量室。为了这个目的，该测量室通过(例如，由锆陶瓷构成的)扩散障碍与废气流建立连接。该扩散障碍与加压电极构成所谓的加压单元(Pumpzelle)。
该已知的探测器工作时，从测量室抽出的和输送到测量室中的由扩散引起的和由加压电流引起的氧气流之间的动态平衡通过相应地调节电气加压电流来调节。同时在测量室中借助测量电极测定的氧气浓度适合作为调节标准。该浓度例如可以被调节到与能斯脱电压(测量单元电压)典型地为450mV时的空气/发动机燃料比λ＝1相对应的值上。在这种情况下流过加压单元的加压电流是在废气中氧气浓度的量度或(在数值转换后)感兴趣的空气/发动机燃料比的量度。
电路装置例如从德国专利文献DE101 01 755 C1中已知，利用该电路装置可以这种方式驱动线性λ探测器。
在调节加压电流时，为了实现测量室中的预定的气体浓度或预定的测量单元额定电压，在实践中得出以下问题：该探测器具有在典型的约500℃至800℃的范围内的一定的额定工作温度。为了在启动内燃机后使该探测器尽可能快地达到其工作温度或也为了有目的地调节该探测器温度，经常在该探测器上布置一个特意为了该目的而装设的加热设备。由典型地用于提供扩散障碍(加压单元)的陶瓷材料的电气电阻的强烈的温度依赖性引起，加压单元在加热期间是高阻。在调节加压电流时，为了达到测量室中的所期望的气体浓度、也即为了使测量单元电压接近预定的测量单元额定电压(例如，450mV)，由加压电流源施加在加压单元上的加压电压是相对高的，以产生相应大的加压电流。依赖于用于加压单元的陶瓷材料，在超过典型地约1.8V至2.5V的加压电压时，首先引起探测器功能的损害并最终引起探测器的不可逆转的损害，更确切地说特别是通过在加压单元中应用的固体电解质的材料上的所谓的“黑化”或裂纹形成。
在现有技术中，找到针对该问题的两种解决方法。
在第一种解决方法中，该加压单元电压永久地由此来限制，即加压电流源一开始被设计为具有输出电压范围，该输出电压范围(例如+/-2.4V)排除探测器的损害。可是在该解决方案中，该界限(控制范围)很难被改变。如果该电路被集成，则这实际上仅仅通过电源电压的变化达到，这可以引起其他电路部分的缺点。依赖于加压电流源的建立、例如借助运算放大器，此外该界限值可以是不准确的并依赖于加压电流。在应用运算放大器的情况中，该界限值依赖于所包含的输出晶体管的饱和电压。此外，在这种情况下，晶体管的恢复时间导致在离开限制状态时不期望的振荡过程。
在第二种解决方法中，该加压单元电压借助一个与加压单元并联的二极管来限制。基于与温度有关的二极管的特性曲线，这种电路拥有强的温度依赖性并因此再次提供一个相对不准确的界限。另一个严重的缺点由以下情况产生：依赖于二极管的特性曲线，或多或少的从(没有界限的)正常工作到具有限制的工作的平缓的过渡、也就是说随着加压电压的增加，沿着加压单元流过限流二极管的电流逐渐增加。由于在限流情况下，由加压电流源提供的电流的一部分流过加压单元而该电流的另一部分流过限流二极管，所以由加压电流源提供的和由分析电路测量的电流不再是针对流过加压单元的电流的量度，以至于该测量被歪曲。
因而本发明的任务是，在开头所述类型的线性废气探测器中，将该加压电压可靠地限制在预定的规模中，并且在这种情况下通过所采取的限流措施尽可能小地损害测量工作。
该任务通过具有权利要求1中所给出的特征的电路装置来解决。从属权利要求涉及本发明的有利的扩展方案。
在根据本发明的电路装置中，装设一个比较开关电路，用于将施加在加压单元上的电压与至少一个预定的阈值电压比较，并用于提供对应于比较结果的二进制开关信号。通过该措施，该限制的值可以灵活地并十分准确地被确定、也即通过预定的阈值电压来确定，加压电压与该阈值电压比较。被提供为该比较的结果的二进制开关信号以简单的方式描述可数字分析的控制信号，该控制信号例如由内燃机的电子电动机控制器可以被有利地继续用于检测限流情况。此外，按照本发明，在加压电流源的输出端和加压电流源的控制开关电路之间装设一个可接通的负反馈线路，该负反馈线路在超越阈值电压的情况(限流情况)下被接通并因此实现被调节的限制加压电压。
有利地为了匹配一定的探测器，可将加压电压以简单的方式限制在特定值上。因此，该电压界限是可个别地和精确调节的。此外，通过该电压界限，流过加压单元的加压电流的测量没有被歪曲并且该界限没有对电路装置的正常工作的反作用。此外，根据本发明的电路装置允许所检验的达到和离开该界限而没有不稳定或自激过程，其中利用电动机控制器的二进制开关信号以简单的方式显示电压界限的作用。在长期持续的限制中，用于保护探测器的措施可以被实施，例如借助电动机控制器关闭该探测器。最终，根据本发明的装置没有有缺点的限制加压电流源的输出电压甚至也行，并具备简单的、适于集成的结构。
为了保证将加压电压限制在预定的、为了驱动探测器允许的电压范围中，在本发明的扩展方案中规定，构造第二比较开关电路，用于将施加在加压单元上的电压与预定的第一阈值电压和预定的第二阈值电压相比，并用于提供两个对应于比较结果的二进制开关信号，其中两个阈值电压定义了针对加压单元上的电压允许的电压范围。当在加压电流源工作时在其输出端上的电压被期待具有不同极性时，第一和第二阈值电压例如涉及正的和负的阈值电压。这些正的和负的电压界限可有利地个别地、特别是以其值相互区分地、被预定。
为了使电路装置个别匹配不同的探测器，至少也可调节地和/或可转换地预定阈值电压之一。
在本发明的另外的实施例中规定，第二比较开关电路针对每次比较具有一个比较器，由该比较器将第一输入端与加压电流源的输出端连接而给第二输入端施加相应的阈值电压，其中该比较器的输出端提供相应的二进制开关信号并与开关元件(例如，开关晶体管)的控制端连接，该开关元件为了提供负反馈线路将加压电流源的输出端与控制开关电路的输入端连接。这种结构以针对集成特别适当的方式实现所力求的限流功能。在这种情况下，控制开关电路的所述的输入端可以通过一个电阻被施加电路装置的参考电势，以至于该输入端或在那控制的电势不仅应用在正常工作中(没有接通的负反馈)而且应用在被限制的工作中以控制加压电流源。
以下根据实施例，参考附图继续说明本发明。其中：
图1按照现有技术与以此驱动的线性λ探测器一起描述电路装置的框图，
图2描述图1中所描述的λ探测器的测量单元的内阻的通用的等效电路图，
图3描述该内阻的与温度有关的曲线图，
图4描述一个框图，该框图针对本发明示出用于驱动线性废气探测器的电路装置的重要部件，
图5描述在略作修改的实施方案中图4、即阈值电压源的细节，
图6描述正常工作(图6a)时的以及具有激活的加压电压界限的工作(图6b)时模拟图4的电路装置的所模拟的信号变化，
图7描述一个框图，该框图说明根据本发明的电路装置的其他实施方案的重要部件，以及
图8描述在激活的加压电压边界的情况下、可是针对利用图7描述的电路装置的对应图6b的所模拟的信号流程。
图1在其上部分中示出一起以10标记的、用于测量内燃机的废气中的氧气浓度或空气系数λ的传统的探测器。
该探测器10包括一个测量单元以及一个加压单元，该测量单元在电路图中由能斯脱电压Vs和测量单元的内阻Ris来表示，该加压单元在电路图中由极化电压Vp和加压单元的内阻Rip来表示。探测器端3和4构成一个探测器10的测量电极对，以通过确定端3和4之间起支配作用的测量单元电压Vs来测量探测器10的测量室中的氧气浓度。在附图中给出的电压值和器件值应被看作只是示例性的。
在探测器10工作时，该测量室中的氧气浓度通过相应地控制加压电流源12按照测量单元电压的预定值(测量单元额定电压)被调节到预定值上，借助该加压电流源产生加压电压和相应的加压电流，该加压电流经过端1或2和端3流过该加压单元并引起氧气进出测量室的迁移(输送)。该加压电流流过布置在探测器10中的校准电阻Ric和外部测量电阻Rc的并联电路。
探测器的端子4与差分放大器14的非反相输入端连接，该差分放大器14的反相输入端由布置在反相输入端与探测器端3之间的电压源施加测量单元额定电压Vref。因此，该差分放大器14将测量单元电压Vs(能斯脱电压)与测量单元额定电压Vref比较，并在其输出端上产生一个模拟的偏差信号Vin。该偏差信号Vin被输入到PID调节器16的反相输入端，PID调节器16的非反相输入端由布置在输入端与电路装置的接地端之间的电压源施加中值电压Vm。因此，在PID调节器16的输出端上从偏差信号Vin中构成针对随后的加压电流源12的控制信号。为此，PID调节器16的输出端通过探测器端1与探测器10的校准电阻Ric以及外部测量电阻Rc的一端连接，该外部测量电阻Rc的另一端与探测器端2和构造为运算放大器的加压电流源12的反相输入端连接。加压电流源12的非反相输入端与PID调节器16的非反相输入端连接并因此同样被施加相对地的中值电压Vm。该PID调节器16因此构成一个针对加压电流源12的控制开关电路，以至于在探测器10工作时该测量单元电压(Vs)被调节到接近测量单元额定电压(Vref)。
该在图1的下部分以30标记的框总共构成针对加压电流的调节电路，该加压电流基于测量单元电压Vs的测量以被调节的方式由加压电流源12来产生。
一个分析放大器18被装设，以测量流过Ric、Rc的并联电路的加压电流，该加压电流作为针对废气流的氧气浓度或空气系数的量度。该加压电流测量通过测量电阻装置Ric、Rc上的电压降以这种方法来完成，即由非反相输入端和反相输入端构成的分析放大器18的输入端与这些电阻并联。该在放大器18的输出端上提供的信号Ipout由未示出的电子电动机控制器(例如微控制器)针对混合物的配制被分析和应用。通过将加压电流源12构造为反相运算放大器来达到，流过电阻Ric、Rc的电流也作为加压电流流过探测器10的加压单元，其中该运算放大器12根据通过加压单元实现的反馈这样调节其输出电压，使得该输入电压差几乎为零。该分析放大器18然后在电阻Ric和Rc的并联电路上检测通过加压电流产生的电压降、放大该电压降并在其输出端最终提供电压形式的加压电流的量度，该电压然后被传送给电动机控制器的A/D转换器以继续处理。
在图1的右边部分的以50标记的框描述一个本身已知的电路以测量探测器10的测量单元的内阻Ris。因为这个内阻Ris实质上由探测器10的温度来影响并且针对不同的目的探测器温度的知识是有用的，所以该电路间接实现探测器温度的测量。利用振荡器Osz产生交流电流信号，该交流电流信号通过电阻Rv和解耦电容Cv被引入探测器10，其中振荡器信号的频率足够不同于探测器有用信号的频率。响应于所引入的信号，依赖于探测器10的内阻Ris获得交流电流信号，该交流电流信号的振幅代表电阻Ris并因此代表探测器温度。该振幅的量度通过由放大器52放大的交流电流信号和随后的由整流器54的整流来获得，因此在该整流器的输出端上提供针对电动机控制器的说明探测器温度的信号Risout。
图2示出针对探测器10的内阻(阻抗)Ris的一个常用的等效电路图。在这种情况下，R1和C1代表在电极和陶瓷材料之间的接触电阻，R2和C2代表陶瓷内核心的核边缘之间的接触电阻而R3代表烧结陶瓷的特征电阻。
图3在半对数图中说明与温度强烈相关的内阻Ris。由此明显的是，电阻相对在实践中相关的多个数量级上的温度范围的变化。一个质量相同的特征针对探测器10的加压单元的内阻Rip得出。
在驱动图1中示出的电路时，得出以下问题。在探测器端2和3之间的加压单元电压与极化电压Vp(例如，-350mV至+450mV)和加压电流与加压单元电阻Rip的乘积相关。在已准备好的探测器中、也就是说当探测器10已达到其例如750℃的工作温度时，内阻Rip例如大约为100欧姆，以至于在典型的6mA的加压电流的情况下，该加压单元电压约为1V，这位于那些加压单元电压下，其中典型地通过黑化开始损害探测器10。
为了在启动后尽可能快地可调节地驱动内燃机，这有助于发射减小，可是不是尽可能地等待，直到探测器10已安全达到其正常的工作温度，而是尝试更早接通探测器10。如果现在在探测器的加热期间闭合上述用于产生加压电流的调节回路，则差分放大器14将产生调节偏差Vin，该调节偏差将PID调节器16转换到相对高的加压电流预定值(在Rc、Ric上的电压)，其中加压电流源12接着尝试，由此与这些预定值相对应，即加压单元上的电压如此长地被提高，直到流过必要的加压电流。在探测器温度为400℃时(对应例如3.5千欧姆的内阻Rip)，为了超过典型的最大允许的加压单元电压，现在已经达到小于1mA的加压电流预定值。为了避免针对探测器10长期损害的情况，必须采取适当的措施。根据本发明规定的措施导致加压电压的可靠限制而且随后按照实施例参考图4至图8来解释。
在随后的实施例的说明中，针对类似的部件或块应用相同的参考数字，分别通过小写字母来补充以区分实施方案。在此，实质上只深入研究对所述一个或多个已经说明的实施例的差别，此外就此详细参阅前述实施例的说明。
图4描述一个根据本发明的用于驱动线性λ探测器10a的电路装置，其中略去一些前面已经说明的电路部件，该电路部件对于本发明的理解是不重要的。鉴于其功能，参考对图1中所描述的电路的解释。
按照图4的电路被如下构造：一个信号源一方面与地连接而另一方面与电阻R1的端子连接，该信号源提供上面已经提及的模拟偏差信号Vin。电阻R1的另一端继续引到电阻R4和电容C1的第一端以及PID放大器16a的反相输入端。该PID放大器16a的非反相输入端与开关元件S1a和S1b(例如，开关晶体管)的第一开关触点以及通过电阻R3与地连接。PID放大器16a的输出端与R4和C1的第二端连接以及通过校准电阻Rc和探测器端2a与探测器10a的加压单元的内阻Rip和构成加压电流源的放大器12a的非反相输入端连接。该放大器12a的非反相输入端与地连接。放大器12a的输出端引到加压单元内阻Rip的另一端(探测器端3a)、第一比较器22a的反相输入端、第二比较器24a的非反相输入端和开关S1a和S1b的第二开关触点。比较器22a的输出端与开关S1a的控制输入端连接，反之比较器24a的输出端与开关S1b的控制输入端连接。比较器22a的非反相输入端与第一阈值电压源Vref1+的正极相连，第一阈值电压源Vref1+的负极一方面与地连接而另一方面继续引到第二阈值电压源Vref1-的正极，第二阈值电压源Vref1-的负极与比较器24a的反相输入端连接。
该电路如下所说明地工作。在图4的上部分中描述的部件PID16a、R1、R4、C1和具有Rc和Rip的加压电流源12a对应于在图1中示出的典型的用于基于调节偏差信号Vin调节加压电流的电路装置。在图4中描述的、提供信号Vin的信号源对应于图1中所描述的差分放大器14的输出端。
在图4中描述的电路的特别之处、也即第二比较开关电路70a从电路图的下部分中是明显的。在加压电流源12a的输出端上的电压(加压电压)借助两个比较器22a、24a与正的参考电压Vref1+和负的参考电压Vref1-比较。这两个参考电压定义一个针对加压电压允许的电压范围以保护加压单元防止电压过高。
当加压电压位于正参考电压和负参考电压之间时，比较器22a、24a的输出端分别提供具有低电平(逻辑电平)的信号，该信号作为显示信号Lim+或Lim-供未示出的电动机控制器支配。
可是如果加压电流源12a的加压电压超过正的参考电压Vref1+，则比较器22a的输出切换到具有高电平的信号，这通过信号Lim+显示给电动机控制器。此外，该信号Lim+的高电平导致，该开关元件Sla闭合并因此完成加压电流源12a的输出端和PID放大器16a的非反相输入端之间的连接。另一方面，如果该加压电压低于负的参考电压Vref1-，则比较器24a的输出切换到具有高电平的信号上而开关元件S1b闭合。这种情况也通过信号Lim-通知给电动机控制器被借助开关元件S1b导致完成加压电流源12a的输出端和PID放大器16a之间的连接。
在电路装置正常工作时、也就是说当该加压电压位于起着阈值电压的作用的参考电压Vref1+、Vref1-之间时，PID放大器16a的非反相输入端通过电阻R3被施加预定的电势(在此为地电势)，反之在超过阈值电压之一时，通过闭合相应的开关元件S1来完成负反馈线路，该负反馈线路给PID放大器16a的非反相输入端施加电压，鉴于加压电压产生该电压抵制预定电压Vin，以至于在通过R1作用在PID放大器16a的反相输入端上的电压和通过负反馈线路作用在PID放大器16a的非反相输入端上的电压之间这样调节稳定的平衡，使得加压电压实际不超过阈值电压。总而言之，加压电流源12a的输出电压以调节的方式被限制在预定的电压范围(Vref1+，Vref1-)上。
图6a和图6b按照针对根据图4的电路的所模拟的信号变化说明实情，其中图6a示出正常工作(没有限制)时的信号而图6b描述限流情况下的这样的信号。为了模拟该限流情况，仅仅将加压单元的内阻Rip从100欧姆提高到1千欧姆并使得预定电压Vin不变。
在图6a和图6b中描述：
a：偏差信号Vin，
b：在PID放大器16a的输出端上的信号，
c：在加压电流源12a的输出端上的信号，
d：在PID放大器16a的非反相输入端上的信号。
从图6a中明显的是，从此处规定为三角信号的偏差信号Vin出发通过PID调节器16a的积分器特性将该信号变换为正弦信号，此外将该信号反相。该加压电压(曲线c)还始终位于由限制阈值所定义的允许的范围内。在PID放大器16a的非反相输入端上的最小的电压是通过开关元件S1a、S1b的非无穷大的电阻引起而且实际上没有意义。
针对根据图6b的限制情况明显的是，现在PID放大器16a(曲线b)的输出信号被强烈限制。相应地，加压电流源12a(曲线c)的输出信号在相应的时间间隔中准确地位于限制阈值上。直到达到限制阈值，PID放大器16(曲线d)的非反相输入端上的信号值是0V。在达到限制阈值后，该信号跟随Vin的变化，直到再次低于限制阈值。然后信号再次下降回0V。
图5在提供阈值电压的范围中说明按照图4的电路装置的更改。利用这种更改可能的是，不仅正参考电压而且负参考电压可转换地预定。为此，分别规定两个正的参考电压Vref1+、Vref2+和两个负的参考电压Vref1-、Vref2-，其中通过相应的控制信号Sel+、Sel-利用切换开关S2或S3可完成转换。
图7示出根据本发明的电路装置的另一个实施方案，与在图1中示出的已知的电路装置的应用情况匹配。
由利用正的电源电势Vcc(5V)供电来自唯一的电压源的所有在图7中描述的电路引起，该PID放大器16b和加压电流源12b的非反相输入端现在涉及从中导出的参考电势Vref(2.25V)。相应地，第二比较开关电路70b的阈值电压偏移，也即偏移到2.25V+2V＝4.25V的正的参考电压和2.25V-2V＝0.25V的负的参考电压上。如在图4中所描述的实施方案那样，此处同样仅仅规定针对允许的加压电压范围的定义的参考电压对。
所模拟的信号变化(类似于图6b)也针对该电路装置在限制情况下被测定并在图8中描述。
总而言之，通过本发明由此引起加压电压的限制，即在超过预定的阈值时抵抗有因果关系的控制参数(Vin)的待限制的电压信号(加压电压)，或为了限制的目的减小其影响。在所描述的实施例中，该电压限制借助比较器来实现，一方面加压电流源的输出端上的电压而另一方面参考电压被输入给该比较器，在其超过该参考电压时随后的开关元件被激活以建立负反馈线路。
Claims (4)
1.用于驱动针对内燃机的线性废气探测器(10)的电路装置，其中该废气探测器具有：一个测量单元，用于通过确定测量单元电压(Vs)测量废气探测器的测量室中的气体浓度；以及一个加压单元，用于通过给加压单元施加加压电流而从测量室抽出气体或向测量室输送气体，
其中，该电路装置包括：
-一个比较开关电路(14)，用于将该测量单元电压(Vs)与一个预定的测量单元额定电压(Vref)比较，并用于提供与该比较结果相对应的模拟偏差信号(Vin)，和
-一个加压电流源(12)，用于提供加压电流，该加压电流源借助该偏差信号(Vin)通过控制开关电路(16)来控制，以使测量单元电压(Vs)接近测量单元额定电压(Vref)，
其特征在于，此外该电路装置包括：
-一个第二比较开关电路(70)，用于将施加在加压单元上的电压与至少一个预定的阈值电压(Vref+，Vref-)比较，并且用于提供与该比较结果相对应的二进制开关信号(Lim+，Lim-)，和
-一个在加压电流源(12)的输出端和加压电流源的控制开关电路(16)之间的可接通的负反馈线路，该负反馈线路在超过阈值电压(Vref+，Vref-)的情况下被接通。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其中第二比较开关电路(70)被构造用于将施加在加压单元上的电压与一个预定的第一阈值电压(Vref+)和一个预定的第二阈值电压(Vref-)比较，并用于提供两个与该比较结果相对应的二进制开关信号(Lim+，Lim-)，其中该两个阈值电压(Vref+，Vref-)定义针对加压单元上的电压允许的电压范围。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其中至少可调节地和/或可转换地预定阈值电压(Vref+，Vref-)之一。
4.根据权利要求1、2或3所述的电路装置，其中第二比较开关电路(70)针对每次比较具有一个比较器(22，24)，由该比较器将第一输入端与加压电流源(12)的输出端连接并给第二输入端施加相应的阈值电压(Vref+，Vref-)，其中该比较器的输出端提供相应的二进制开关信号(Lim+，Lim-)并与一个开关元件(S1a，S1b)的一个控制端连接，该开关元件为了提供负反馈线路而将加压电流源(12)的输出端与控制开关电路(16)的输入端连接。
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