DE10027900B4 - Anordnung zum Bestimmen der Betriebstemperatur einer Abgassonde - Google Patents

Abstract

Anordnung zum Bestimmen der Betriebstemperatur einer Abgassonde in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit einer Auswerteeinheit (56) zum Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur der Abgassonde (10) auf Grundlage eines Temperatursignals (U),- wobei die Auswerteeinheit (56) mit der Abgassonde (10) elektrisch leitend verbunden ist und wobei zwischen der Abgassonde (10) und der Auswerteeinheit (56) eine zur elektronischen Regelung dienende Anordnung (40) zum Erzeugen des von der Auswerteeinheit (56) erfaßten Temperatursignals (U) vorgesehen ist, wobei durch das Temperatursignal (U) die temperaturabhängige Leitfähigkeit der Abgassonde (10) von der Auswerteeinheit (56) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet,- daß die zur elektronischen Regelung dienende Anordnung eine Schaltungsanordnung (60) aufweist und die Schaltungsanordnung (60) an eine Verbindung (62) zwischen der Abgassonde (10) und einer das Meßsignal (U) der Abgassonde (10) auswertenden Regelungseinheit (42) angeschlossen ist,- daß die Schaltungsanordnung (60) die zwischen der Abgassonde (10) und der Regelungseinheit (42) anliegende Spannung (U) abgreift und einen auf Masse schaltbaren Widerstand (66) mit bekanntem Widerstandswert (R) aufweist, und- daß die Schaltungsanordnung (60) einen von der Auswerteeinheit (56) betätigbaren Schalter aufweist, mit dem der Widerstand (66) auf Masse schaltbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen der Betriebstemperatur einer Abgassonde in einer Abgasanlage, insbesondere in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit einer Auswerteeinheit zum Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur der Abgassonde auf Grundlage eines Temperatursignals.
• In Abgasanlagen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, wird zum Erfassen der Konzentration einer der Komponenten des Abgases eine Abgassonde verwendet. So wird beispielsweise mit eine sogenannten Lambda-Sonde der Anteil an Sauerstoffionen im Abgas ermittelt und auf Grundlage der ermittelten Sauerstoffkonzentration im Abgas das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsprozeß bzw. dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Gemisches aus Luft und Kraftstoff nachgeregelt. Des weiteren ist es bekannt, daß die Genauigkeit der von der Abgassonde erzeugten Meßsignale von der Temperatur der Abgassonde abhängt. Insbesondere bei Abgassonden mit Keramikkörpern werden die von der Abgassonde erzeugten Meßsignale erst dann zum Nachregeln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gemisches verwendet, wenn die Betriebstemperatur der Abgassonde bei einem Wert von ca. 600°C liegt. Um dies sicherzustellen, wird die Betriebstemperatur der Abgassonde mit Hilfe einer Auswerteeinheit auf Grundlage eines Temperatursignals bestimmt.
• Herkömmliche Anordnungen zum Bestimmen der Betriebstemperatur einer Abgassonde in einer Abgasanlage, insbesondere in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, sind aus den Druckschriften US 4 609 452 A , US 4 609 453 A , EP 0 258 543 A2 , WO 90 / 04 764 A1 und US 4 419 190 A bekannt.
• Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zum Bestimmen der Betriebstemperatur einer Abgassonde anzugeben, die verglichen mit bekannten derartigen Anordnungen einfach und ohne großen Aufwand zu realisieren ist.
• Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
• Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswerteeinheit mit der Abgassonde elektrisch leitend verbunden, so daß die Auswerteeinheit den Betriebszustand der Abgassonde unmittelbar erfaßt und auf eine separate Temperaturmessung verzichtet werden kann. Um die Betriebstemperatur der Abgassonde bestimmen zu können, ist zwischen der Abgassonde und der Auswerteeinheit die Schaltungsanordnung vorgesehen, die das Temperatursignal erzeugt, mit dem die temperaturabhängige Leitfähigkeit der Abgassonde angegeben wird. Die von der Schaltungsanordnung erfaßte Leitfähigkeit der Abgassonde wird als Temperatursignal an die Auswerteeinheit weitergeleitet, die in einem weiteren Schritt aus dem Temperatursignal die aktuelle Betriebstemperatur der Abgassonde bestimmt. Verglichen mit bekannten Anordnungen ist durch die Verwendung der einfach zu realisierenden Schaltungsanordnung die Betriebstemperatur der Abgassonde mit geringem Aufwand und vergleichsweise hoher Genauigkeit bestimmbar.
• Die Schaltungsanordnung ist an der Verbindung zwischen der Abgassonde und einer das Meßsignal der Abgassonde auswertenden Regelungseinheit angeschlossen. Die Schaltungsanordnung greift die zwischen der Abgassonde und der Regelungseinheit anliegende Spannung ab. Des weiteren weist die Schaltungsanordnung einen auf Masse schaltbaren Widerstand mit bekanntem Widerstandswert auf. Um die Betriebstemperatur der Abgassonde zu ermitteln, wird zunächst die üblicherweise an der Regelungseinheit anliegende Spannung ermittelt, die von der Schaltungsanordnung unverändert an die Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Sobald der Widerstand mit bekanntem Widerstandswert auf Masse geschaltet ist, leitet die Schaltungsanordnung eine Spannung an die Auswerteeinheit weiter, die durch den auf Masse geschalteten Widerstand entsprechend reduziert ist. Durch Vergleich der beiden Spannungen kann die Auswerteeinheit anschließend den inneren Widerstand der Abgassonde und damit deren Betriebstemperatur beispielsweise durch Berechnen ermitteln.
• Zum Schalten des Widerstandes auf Masse weist die Schaltungsanordnung einen von der Auswerteeinheit betätigbaren Schalter, vorzugsweise einen Transistor, auf.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen.
• So ermittelt bei einer bevorzugten Ausführungsform die Auswerteeinheit auf Grundlage des erfaßten Temperatursignals einen inneren Widerstand der Abgassonde. Da der innere Widerstand der Abgassonde temperaturabhängig ist, läßt sich aus dem ermittelten inneren Widerstand der Abgassonde indirekt die Betriebstemperatur der Abgassonde beispielsweise durch Vergleich mit einer Vielzahl abgespeicherter Referenzwerte ermitteln.
• Mittels des auf Masse schaltbaren Widerstandes kann die Auswerteeinheit, beispielsweise nach einem vorgegebenen Zyklus, die Betriebstemperatur der Abgassonde ermitteln.
• Hierzu erzeugt die Auswerteeinheit bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Impulssignal mit vergleichsweise geringer Dauer von beispielsweise 50 µs, damit das Meßsignal der Abgassonde allenfalls für einen äußerst geringen Zeitraum verfälscht ist.
• Damit ein eventuell bestehendes Rauschen des Signals, das beispielsweise im Verbrennungsmotor durch die Zündanlage verursacht wird, die Temperaturmessung möglichst nicht beeinflußt und verfälscht ist, weist die Schaltungsanordnung bei einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich einen Filter, vorzugsweise einen Tiefpaß auf, der zwischen der Abgassonde und der Auswerteeinheit angeordnet ist und mit dem das Temperatursignal entsprechend gefiltert werden kann.
• Insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Kraftfahrzeug kann, da die Betriebstemperatur der Abgassonde zumindest annähernd der Temperatur des Abgases entspricht, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung auf Grundlage der zuvor bestimmten Betriebstemperatur der Abgassonde unmittelbar auch die Temperatur des Abgases bestimmt werden, das sich in der Abgasanlage des Kraftfahrzeuges zwischen dem Auspuffkrümmer und dem Katalysator befindet. Sollte der Abgassensor mit einer Heizeinrichtung ausgestattet sein, muß die Heizeinrichtung zum Bestimmen der Abgastemperatur zuvor einen vorgegebenen Zeitraum deaktiviert worden sein.
• Zum Ermitteln der Abgastemperatur wird die ermittelte Betriebstemperatur der Abgassonde beispielsweise mit einer Vielzahl abgespeicherter Temperaturwerte verglichen und die entsprechende Temperatur des Abgases bestimmt. Auf Grundlage der ermittelten Abgastemperatur kann anschließend analysiert werden, ob die Abgastemperatur zu niedrig ist, so daß der Katalysator nicht ordnungsgemäß arbeiten kann, ob die Abgastemperatur bereits einen so hohen Temperaturwert erreicht hat, daß der Katalysator ordnungsgemäß arbeitet, oder ob die Abgastemperatur gegebenenfalls sogar so hoch ist, daß der Katalysator bei einem weiteren Betrieb zerstört würde.
• Liegt die gemessene Abgastemperatur unter der erforderlichen Mindesttemperatur für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Katalysators, kann durch entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise durch Erhöhen des Luftanteils im Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Abgastemperatur erhöht und damit der Katalysator erwärmt werden. Liegt die Abgastemperatur dagegen über dem zulässigen Maximalwert, so kann beispielsweise durch Anreichern des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit Kraftstoff die Abgastemperatur reduziert werden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Breitbandsonde, die mit Hilfe einer Meßzelle und einer Pumpzelle die Konzentration einer Abgaskomponente erfaßt,
• 2 eine Anordnung zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines einem Verbrennungsmotor zuzuführenden Gemisches und zur Erfassung der Betriebstemperatur der Breitbandsonde, und
• 3 ein Diagramm, in dem der Verlauf eines Stellsignals und der Verlauf der von der Anordnung erfaßten elektrischen Spannungen bezogen auf die Zeit dargestellt ist.
• In 1 ist eine Breitbandsonde 10 gezeigt, die in Kraftfahrzeugen zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Abgas verwendet wird.
• Die Breitbandsonde 10 ist aus einem Festelektrolyt 12 wie beispielsweise Zirkon-Dioxid gebildet, und weist an ihrer dem Abgas zugewandten Stirnseite eine Schutzschicht 14 auf, die den Festelektrolyt 12 vor dem Abgas schützt. In dem Festelektrolyt 12 ist eine Referenzkammer 16 und eine zwischen der Referenzkammer 16 und der mit der Schutzschicht 14 versehenen Stirnseite angeordnete Meßkammer 18 ausgebildet. Die Referenzkammer 16 ist durch einen nicht dargestellten Kanal mit der Umgebung verbunden, so daß Luft aus der Umgebung in die Referenzkammer 16 einströmen kann. Die Meßkammer 18 ist durch einen Kanal 20 mit der nicht dargestellten Abgasanlage des Verbrennungsmotors verbunden, durch den Abgas in die Meßkammer 18 einströmen kann. In der Referenzkammer 16 ist eine aus Platin bestehende Elektrode 22 angeordnet, die an der zwischen der Referenzkammer 16 und der Meßkammer 18 ausgebildeten ersten Elektrolytschicht 24 befestigt ist. In der Meßkammer 18 ist eine gleichfalls aus Platin bestehende Doppelelektrode 26 aufgenommen, die sowohl an der ersten Elektrolytschicht 24 als auch an der zwischen der Meßkammer 18 und der Schutzschicht 14 ausgebildeten zweiten Elektrolytschicht 28 befestigt ist. An der Stirnseite der Breitbandsonde 10 ist schließlich eine Pumpelektrode 30 befestigt, die zur Meßkammer 18 ausgerichtet ist.
• Die Elektrode 22, die erste Elektrolytschicht 24 und die Doppelelektrode 26 bilden eine Meßzelle 32, die auf dem Prinzip einer Nernstschen Konzentrationszelle arbeitet. Die Doppelelektrode 26 bildet gleichzeitig mit der zweiten Elektrolytschicht 28 und der Pumpelektrode 30 eine Pumpzelle 34, deren Arbeitsweise später noch erläutert wird. Des weiteren ist in der Breitbandsonde 10 benachbart zur Referenzkammer 16 eine Heizelektrode 36 in einer Heizkammer 38 aufgenommen, mit der der Festelektrolyt 12 auf seine Betriebstemperatur von etwa 600°C erwärmt werden kann.
• Zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas wird an die Doppelelektrode 26 eine Referenzspannung U_Ref von beispielsweise 2,5 Volt angelegt. Sobald sich der Sauerstoffanteil in der Meßkammer 18 von dem Sauerstoffanteil in der Referenzkammer 16 unterscheidet, entsteht zwischen den beiden Grenzflächen der ersten Elektrolytschicht 24 eine elektrische Spannung U_N , die an der Elektrode 22 abgegriffen werden kann.
• Wurde während des Betriebes des Verbrennungsmotors ein Gemisch in die Zylinder gefördert, dessen Luft-Kraftstoff-Verhältnis einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, d.h., daß die Luftzahl λ gleich 1 ist, ist der Restsauerstoffanteil im Abgas noch so hoch, daß die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N bei etwa 450 mV liegt. Bei einer Verbrennung eines Gemisches mit Kraftstoffüberschuß nimmt dagegen der Sauerstoffanteil im Abgas ab, so daß die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N größer als 450 mV ist. Wird dagegen ein Gemisch mit Luftüberschuß verbrannt, ist der Sauerstoffanteil in der Meßkammer 18 höher als bei einer Luftzahl λ gleich 1, so daß die an der Elektrode 22 anliegende Spannung U_N kleiner als 450 mV ist.
• Bei der Breitbandsonde 10 wird mit Hilfe einer in 2 gezeigten zur elektronischen Regelung dienenden Anordnung 40, deren Aufbau später noch detailliert erläutert wird, mit Hilfe der Pumpzelle 34 der Anteil an Sauerstoffmolekülen in der Meßkammer 18 so eingestellt, daß die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N in etwa diesem vorgegebenen Wert von 450 mV entspricht, bei dem die Luftzahl λ gleich 1 ist.
• Nimmt der Sauerstoffanteil im Abgas ab, nimmt die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N zu, was von der Anordnung 40 erfaßt wird. Daraufhin verändert die Anordnung 40 den an der Pumpelektrode 30 der Pumpzelle 34 anliegenden Strom I_P , so daß Sauerstoffionen in die Meßkammer 18 gefördert bzw. gepumpt werden. Die Konzentration an Sauerstoffionen in der Meßkammer 18 wird so lange erhöht, bis die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N erneut ihrem vorgegebenen Wert von etwa 450 mV entspricht.
• Nimmt dagegen der Sauerstoffgehalt in der Meßkammer 18 zu, wodurch die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N abnimmt, wird die Polarität des in die Pumpelektrode 30 fließenden Stroms I_P umgekehrt, so daß Sauerstoffionen aus der Meßkammer 18 gefördert bzw. gepumpt werden. Der Pumpstrom I_P wird dabei so lange erhöht, bis die an der Elektrode 22 anliegende Spannung U_N wieder ihren vorgegebenen Wert von etwa 450 mV erreicht.
• 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung 40 im Detail, die mit der zuvor beschriebenen Breitbandsonde 10 verwendet wird. Die Anordnung 40 weist eine Regelungseinheit 42 auf, die mit ihrem Eingang 44 an die Elektrode 22 der Meßzelle 32 der Breitbandsonde 10 angeschlossen ist. Des weiteren weist die Regelungseinheit 42 einen ersten Ausgang 46 auf, der an einen Operationsverstärker 48 angeschlossen ist. Der Operationsverstärker 48 ist seinerseits mit der Doppelelektrode 26 der Breitbandsonde 10 verbunden und erzeugt entsprechend einem Signal der Regelungseinheit 42 die Referenzspannung U_Ref , die in der gezeigten Ausführungsform bei 2,5 Volt liegt. Des weiteren weist die Regelungseinheit 42 einen zweiten Ausgang 50 auf, der mit der Pumpelektrode 30 der Pumpzelle 34 der Breitbandsonde 10 verbunden ist und durch den der die Pumpzelle 34 betätigende Pumpstrom I_P fließt. Ein dritte Ausgang 52 der Regelungseinheit 42 ist an einen ersten Analog-Digital-Wandler 54 angeschlossen, der seinerseits mit einer Auswerteeinheit 56 in Verbindung steht. Die Auswerteeinheit 56 ist wiederum über eine Schnittstelle 58 mit der Regelungseinheit 42 verbunden, wobei durch die Schnittstelle 58 zwischen der Regelungseinheit 42 und der Auswerteeinheit 56 entsprechende Steuerungs- und Regelungssignale hin und her geschickt werden.
• Wie zuvor bereits unter Bezugnahme auf 1 ausführlich erläutert wurde, wird mit Hilfe der Regelungseinheit 42 der Anordnung 40 der Pumpstrom IP so eingestellt, daß die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung in etwa einen Wert von 450 mV aufweist. Ändert sich die Sauerstoffkonzentration des in der Meßkammer 18 befindlichen Abgases, wird der Pumpstrom I_P so verändert, daß die sich zuvor geänderte, an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N wieder auf einen Wert von etwa 450 mV einpendelt. Der von der Regelungseinheit 42 eingestellte Pumpstrom IP wird als Signal durch den ersten Analog-Digital-Wandler 54 an die Auswerteeinheit 56 übertragen, die entsprechend dem an der Pumpzelle 34 eingestellten Pumpstrom IP das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Verbrennungsmotor weiter zuzuführenden Gemisches so einstellt, daß die Luftzahl λ in etwa wieder einen Wert von 1 zeigt. Das von der Auswerteeinheit 56 auf Grundlage des Pumpstroms IP eingestellte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird wiederum durch die Schnittstelle 58 an die Regelungseinheit 42 übertragen, die entsprechend den Pumpstrom I_P nachregelt.
• Wie bereits ausführlich erläutert, ist der Festelektrolyt 12 der Breitbandsonde 10 äußerst temperaturanfällig. Liegt beispielsweise die Temperatur des Festelektrolytes 12 unter einem Wert von 350°C, kann die Breitbandsonde 10 nicht ordnungsgemäß arbeiten. Sie muß daher mit Hilfe der Heizelektrode 36 soweit erwärmt werden, bis sie eine Betriebstemperatur von etwa 600°C zeigt. Sobald die Breitbandsonde 10 eine Betriebstemperatur von 600°C aufweist, wird die Heizelektrode 36 wieder abgeschaltet.
• Da jedoch auch bei geringeren Temperaturabweichungen der Breitbandsonde 10 von dem zuvor beschriebenen Temperaturwert von 600°C die Breitbandsonde 10 zwar ordnungsgemäß arbeitet, die an der Elektrode 22 der Meßzelle 32 anliegende Spannung jedoch durch den inneren Widerstand R_N der ersten Elektrolytschicht 24 der Meßzelle 32 beeinflußt ist, würde die Regelungseinheit 42 die Breitbandsonde 10 zwar auf eine Spannung von etwa 450 mV einregeln, allerdings würde dieser an der Meßzelle 32 anliegende Spannungswert von 450 mV nicht den tatsächlichen Konzentrationsbedingungen im Abgas entsprechen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 kontinuierlich zu überwachen und die an der Meßzelle 32 der Breitbandsonde 10 anliegende Spannung bzw. den durch die Pumpzelle 34 fließenden Pumpstrom I_P entsprechend zu korrigieren.
• Zu diesem Zweck weist die Anordnung 40 eine Schaltungsanordnung 60 auf, mit der die Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 auf einfache Weise bestimmt werden kann. Die Schaltungsanordnung 60 ist an der Verbindung 62 zwischen der Meßzelle 32 und der Regelungseinheit 42 angeschlossen. Die Schaltungsanordnung 60 weist einen durch einen Transistor 64 auf Masse schaltbaren Referenzwiderstand 66 auf, der einen bekannten Widerstandswert von beispielsweise 150 Ohm als Referenzwiderstandswert R_Ref besitzt. Die Schaltungsanordnung 60 weist ferner einen von der Verbindung 62 und dem Referenzwiderstand 66 abgehenden Abzweig 68 auf, in dem ein aus einem zweiten Widerstand 70 mit bekanntem Widerstandswert und einem auf Masse geschalteten Kondensator 72 gebildeter Tiefpaß 74 vorgesehen ist. Der Tiefpaß 74 ist seinerseits mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler 76 verbunden, dessen Signale von der Auswerteeinheit 56 erfaßt werden. Die Schaltungsanordnung 60 weist ferner einen Pulsgeber 78 auf, der an die Basis des Transistors 64 angeschlossen ist. Der Pulsgeber 78 erzeugt ein etwa rechteckiges Stellsignal Is, mit dem der Transistor 64 auf Durchlaß geschaltet werden kann, um den Referenzwiderstand 66 auf Masse zu schalten. Der Pulsgeber 78 wird von der Auswerteeinheit 56 betätigt, die entsprechend einem vorgegebenen Zyklus den Pulsgeber 78 aktiviert, damit dieser das Stellsignal IS zum Schalten des Transistors 64 erzeugt.
• Wie 3 zeigt, erfaßt die Regelungseinheit 42 während des normalen Regelungsbetriebes die an der Meßzelle 32 anliegende Spannung U_N , die bezogen auf die Referenzspannung von 2,5 Volt einen Wert von etwa 450 mV aufweist. Während des normalen Regelungsbetriebes der Breitbandsonde 10 erzeugt der Pulsgeber 78 auf Befehl der Auswerteeinheit 56 zum Zeitpunkt t₁ einen Impuls im Stellsignal IS, der nach einer Dauer von beispielsweise 100 µs zum Zeitpunkt t₂ wieder auf Null zurückgesetzt wird. Durch diesen Impuls des Impulssignals IS wird der Transistor 64 auf Durchlaß geschaltet, so daß ein Teil der an der Meßzelle 32 anliegenden Spannung am Referenzwiderstand 66 abfällt. Dieser Spannungsabfall ist in 3 als Kurve A gezeichnet. Sobald der Impuls, mit dem der Transistor 64 auf Durchlaß geschaltet worden ist, wieder auf Null zurückgesetzt wird, nimmt die von der Regelungseinheit 42 erfaßte Spannung U_N wieder zu, wie der Verlauf der Kurve A in 3 zeigt.
• Der Verlauf der Kurve A der von der Schaltungsanordnung 60 an der Meßzelle 32 abgegriffenen Spannung U_N wird durch den Tiefpaß 74 auch an den zweiten Analog-Digital-Wandler 76 übertragen, dessen Signal von der Auswerteeinheit 56 ausgewertet wird. Die Auswerteeinheit 56 erfaßt nun den in 3 gezeigten Signalverlauf, wobei die erfaßte Spannung U_N zu einem Zeitpunkt t₀ unmittelbar vor dem Impuls des Impulssignals IS einen Spannungswert U₁ zeigt, der dem an der Meßzelle 32 anliegenden Spannungswert von etwa 3 Volt entspricht. Sobald nun durch den Pulsgeber 78 der Referenzwiderstand 66 vom Transistor 64 auf Masse geschaltet ist, erfaßt die Auswerteeinheit 56 eine verminderte Spannung U_N mit einem Spannungswert U₂ .
• Auf Grundlage der beiden ermittelten Spannungswerte U₁ und U₂ und dem bekannten Widerstandswert R_Ref des Referenzwiderstandes 66 läßt sich nun der innere Widerstand des Festelektrolytes 12 der Breitbandsonde 10 durch die folgende Formel berechnen: $$R_N=\left(\frac{U_1}{U_2}-1\right)\times R_{Ref}$$

  

  Aus dem so ermittelten inneren Widerstandswert R_N der Breitbandsonde 10 ermittelt die Auswerteeinheit 56 aus einer Vielzahl beispielsweise durch Meßreihen ermittelter Widerstandswerte die für diesen zuvor berechneten inneren Widerstandswert R_N entsprechende Temperatur, die der Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 entspricht.
• Ist die Breitbandsonde 10 sehr heiß, nimmt der innere Widerstandswert R_N der Breitbandsonde 10 ab, so daß die von der Auswerteeinheit erfaßte Spannung U_N nach dem auf Masse Schalten des Referenzwiderstandes 66 einen Verlauf zeigt, wie er durch die Kurve B angegeben ist. Bei diesem Verlauf nimmt die Spannung U_N während des Hinzuschaltens des Referenzwiderstandes 66 verglichen mit dem Verlauf der Kurve A, bei dem die Breitbandsonde 10 ihre optimale Betriebstemperatur von etwa 600°C besitzt, einen höheren Spannungswert an. Liegt dagegen die Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 unter 600°C, zeigt die Spannungskurve einen Verlauf, wie er durch die Kurve C angegeben ist, bei der die Spannung U_N nach dem auf Masse Schalten des Referenzwiderstandes 66 auf einen noch niedrigeren Wert abfällt als bei der Kurve A. Da die Dauer des Impulses maximal bei etwa 150 µs liegt, wird der kurzfristige Spannungsabfall von der Regelungseinheit 42 zwar erfaßt, beeinflußt die Einstellung des Pumpenstroms Ip zum Ermitteln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses jedoch nicht. Die Meßzyklen werden beispielsweise alle 100 ms ausgeführt.
• Nachdem die Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 bestimmt worden ist, kann die Regelungseinheit 42 oder die Auswerteeinheit 56 die Spannungsversorgung der Heizelektrode 36 der Breitbandsonde 10 aktivieren bzw. abschalten, um die Breitbandsonde 10 zu erwärmen bzw. den Heizvorgang abzubrechen. Des weiteren können die von der Regelungseinheit 42 erfaßten Spannungen U_N der Meßzelle 32 entsprechend der ermittelten Betriebstemperaturen korrigiert werden.
• Da die Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 zumindest annähernd der Temperatur des Abgases entspricht, kann mit Hilfe der Anordnung 40 auf Grundlage der zuvor bestimmten Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 unmittelbar auch die Temperatur des Abgases bestimmt werden, das sich in der Abgasanlage des Kraftfahrzeuges zwischen dem Auspuffkrümmer und dem Katalysator befindet. Zu diesem Zweck wird zunächst die Heizelektrode 36 der Breitbandsonde 10 deaktiviert und nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums, in dem die Breitbandsonde 10 zumindest annähernd die Abgastemperatur angenommen hat, die Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 in der zuvor beschriebenen Weise ermittelt.
• Zum Ermitteln der Abgastemperatur vergleicht die Auswerteeinheit 56 anschließend die ermittelte Betriebstemperatur der Breitbandsonde 10 mit einer Vielzahl abgespeicherter Temperaturwerte und bestimmt durch Vergleich die entsprechende Abgastemperatur. Auf Grundlage der ermittelten Abgastemperatur kann anschließend analysiert werden, ob die Abgastemperatur zu niedrig ist, so daß der Katalysator nicht ordnungsgemäß arbeiten kann, ob die Abgastemperatur bereits einen so hohen Temperaturwert erreicht hat, daß der Katalysator ordnungsgemäß arbeitet, oder ob die Abgastemperatur gegebenenfalls sogar so hoch ist, daß der Katalysator bei einem weiteren Betrieb zerstört würde.
• Liegt die gemessene Abgastemperatur unter der erforderlichen Mindesttemperatur für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Katalysators, kann durch entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise durch Erhöhen des Luftanteils im Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Abgastemperatur erhöht und damit der Katalysator erwärmt werden. Liegt die Abgastemperatur dagegen über dem zulässigen Maximalwert, so kann beispielsweise durch Anreichern des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit Kraftstoff die Abgastemperatur reduziert werden.
• Bezugszeichenliste

10

Breitbandsonde

12

Festelektrolyt

14

Schutzschicht

16

Referenzkammer

18

Meßkammer

20

Kanal

22

Elektrode

24

erste Elektrolytschicht

26

Doppelelektrode

28

zweite Elektrolytschicht

30

Pumpelektrode

32

Meßzelle

34

Pumpzelle

36

Heizelektrode

38

Heizkammer

40

Anordnung

42

Regelungseinheit

44

Eingang

U_N

zu messende Spannung

46

erster Ausgang

48

Operationsverstärker

U_Ref

Referenzspannung

50

zweiter Ausgang

I_P

Pumpstrom

52

dritter Ausgang

54

erster Analog-Digital-Wandler

56

Auswerteeinheit

58

Schnittstelle

60

Schaltungsanordnung

62

Verbindung

64

Transistor

66

Referenzwiderstand

R_Ref

Referenzwiderstandswert

68

Abzweigung

70

zweiter Widerstand

72

Kondensator

74

Tiefpaß

76

zweiter Analog-Digital-Wandler

78

Pulsgeber

I_S

Impulssignal

Claims (11)

1. Anordnung zum Bestimmen der Betriebstemperatur einer Abgassonde in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit einer Auswerteeinheit (56) zum Bestimmen der aktuellen Betriebstemperatur der Abgassonde (10) auf Grundlage eines Temperatursignals (U_N), - wobei die Auswerteeinheit (56) mit der Abgassonde (10) elektrisch leitend verbunden ist und wobei zwischen der Abgassonde (10) und der Auswerteeinheit (56) eine zur elektronischen Regelung dienende Anordnung (40) zum Erzeugen des von der Auswerteeinheit (56) erfaßten Temperatursignals (U_N) vorgesehen ist, wobei durch das Temperatursignal (U_N) die temperaturabhängige Leitfähigkeit der Abgassonde (10) von der Auswerteeinheit (56) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, - daß die zur elektronischen Regelung dienende Anordnung eine Schaltungsanordnung (60) aufweist und die Schaltungsanordnung (60) an eine Verbindung (62) zwischen der Abgassonde (10) und einer das Meßsignal (U_N) der Abgassonde (10) auswertenden Regelungseinheit (42) angeschlossen ist, - daß die Schaltungsanordnung (60) die zwischen der Abgassonde (10) und der Regelungseinheit (42) anliegende Spannung (U_N) abgreift und einen auf Masse schaltbaren Widerstand (66) mit bekanntem Widerstandswert (R_Ref) aufweist, und - daß die Schaltungsanordnung (60) einen von der Auswerteeinheit (56) betätigbaren Schalter aufweist, mit dem der Widerstand (66) auf Masse schaltbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (56) auf Grundlage des erfaßten Temperatursignals (U_N) einen inneren Widerstand (R_N) der Abgassonde (10) ermittelt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Transistor (64) ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (56) zum Betätigen des Schalters (64) ein Impulssignal (I_S) erzeugt, wobei die Dauer des einzelnen Impulses des Impulssignals (Is) etwa 50 bis 150 µs beträgt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (60) einen Filter zum Filtern des Temperatursignals (U_N) aufweist, der zwischen der Abgassonde (10) und der Auswerteeinheit (56) angeordnet ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (60) einen Analog-Digital-Wandler (76) zum Umwandeln des analogen Temperatursignals (U_N) in ein digitales Temperatursignal aufweist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde eine Breitbandsonde (10) mit einer Meßzelle (32) und einer Pumpzelle (34) ist, und daß die Regelungseinheit (42) für die Breitbandsonde (10) vorgesehen ist und zum Erzeugen einer Referenzspannung (U_REF), zum Einstellen eines Pumpenstroms (I_P) für die Pumpzelle (34) und zum Auswerten einer von der Meßzelle (32) erzeugten Meßspannung (U_N) dient.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle eine Nernstzelle (32) ist, die als Meßsignal eine durch Konzentrationsunterschiede zwischen dem Abgas und einem Referenzgas verursachte Meßspannung (U_N) ausgibt und die einen kristallinen Elektrolyt (12) aufweist, dessen Leitfähigkeit von der Temperatur abhängt.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde (10) eine Heizeinrichtung (36) aufweist, die von der Auswerteeinheit (56) oder von der mit der Abgassonde (10) verbundenen Regelungseinheit (42) aktivierbar ist, wobei die Heizeinrichtung (36) aktiviert ist, wenn die ermittelte Betriebstemperatur der Abgassonde (10) unter einem vorgegebenen ersten Temperaturwert liegt, und wobei die Heizeinrichtung (36) deaktiviert ist, wenn die ermittelte Betriebstemperatur der Abgassonde (10) über einem vorgegebenen zweiten Temperaturwert liegt.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde (10) in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, und daß die Auswerteeinheit (56) gleichzeitig zur Mengenregelung des dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges zuzuführenden Kraftstoffes dient.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassonde (10) in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, und daß durch die Auswerteeinheit (56) auf Grundlage der Betriebstemperatur der Abgassonde (10) die Temperatur des Abgases in der Abgasanlage bestimmbar ist.

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