DE10138806C1 - Ermittlung der Temperatur eines Abgassensors mittels kalibrierter Innenwiderstandsmessung - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Schaltung zur Messung des Innenwiderstandes R1 (10) einer elektrochemischen Zelle (12) zur Ermittlung der Temperatur eines Abgassensors insbesondere eines Kraftfahrzeuges ist zur Erzielung einer möglichst hohen Messgenauigkeit einer Schaltung zur Innenwiderstandsmessung eines Abgassensors, mit dem Ziel, die Regelung auf konstante Temperatur zu verbessern und damit letztlich auch das Verhalten des Abgassensors zu verbessern, vorgesehen, dass dem Innenwiderstand R1 (10) der elektrochemischen Zelle (12) ein Messstrom I_Mess (20) aufgeprägt wird und eine sich ergebende erste Spannung erfasst wird, dass zeitweilig oder in regelmäßigen Zeitabständen auf einen Referenzwiderstand R2 umgeschaltet wird und dass eine bei der Umschaltung auf den Referenzwiderstand R2 sich ergebende zweite Spannung gespeichert und danach als Referenzwert für die Messung des Innenwiderstandes R1 (10) herangezogen wird. Die Umschaltung (18) auf den Referenzwiderstand R2 erfolgt bspw. mittels Force/Sense-Leitungen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Temperaturmessung bei Abgassensoren insbesondere von Kraftfahrzeugen und im Speziellen ein Verfahren und eine Schaltung zur Messung des Innenwiderstandes einer elektrochemischen Zelle zur Ermittlung der Temperatur eines solchen Abgassensors.

Eine Lambda-Regelung in Verbindung mit einem Katalysator ist heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Erst im Zusammenspiel mit derzeit verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz eines Dreiwege- oder Selektiv-Katalysators. Dieser Katalysatortyp hat die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einem Bereich von etwa 1% um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit LAMBDA = 1 betrieben wird. Dabei gibt LAMBDA an, wieweit das tatsächliche vorhandene Luft-Kraftstoff- Gemisch von dem Wert LAMBDA = 1 abweicht, der einem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin entspricht, d. h. LAMBDA ist der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf.

Bei der Lambda-Regelung wird das jeweilige Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend dem Messergebnis mittels bspw. des Einspritzsystems sofort korrigiert. Als Messfühler wird eine Lambda-Sonde verwendet, die exakt bei LAMBDA = 1 einen Spannungssprung aufweist und so ein Signal liefert, das anzeigt, ob das Gemisch fetter oder magerer als LAMBDA = 1 ist. Die Wirkungsweise der Lambda-Sonde beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt.

Als Zweipunktsonden ausgeführte Lambda-Sonden arbeiten bekanntermaßen nach dem Nernst-Prinzip, auf einer Nernst-Zelle basierend. Der Festkörperelektrolyt besteht dabei aus zwei durch eine Keramik getrennte Grenzflächen. Das verwendete Keramikmaterial wird bei etwa 350°C für Sauerstoffionen leitend, so dass dann bei unterschiedlichem Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Keramik zwischen den Grenzflächen die sogenannte Nernstspannung erzeugt wird. Diese elektrische Spannung ist ein Maß für den Unterschied des Sauerstoffanteils zu beiden Seiten der Keramik. Da der Restsauerstoffgehalt im Abgas eines Verbrennungsmotors in starkem Maße vom Luft-Kraftstoff- Verhältnis das dem Motor zugeführten Gemisches abhängig ist, ist es möglich, den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das tatsächlich vorliegende Luft-Kraftstoff- Verhältnis heranzuziehen.

Die Funktion und Messgenauigkeit der Lambda-Sonden ist in sehr hohem Maße von der Temperatur des Messelementes, d. h. vorliegend der Nernst-Zelle, abhängig. Durch wechselnde Abgastemperaturen und Abgasmengen bedingt würde die Sondentemperatur ohne weitere Maßnahmen starken Schwankungen unterliegen. Bekanntermaßen wird daher die Sondentemperatur möglichst konstant gehalten, wobei mit Hilfe eines elektrischen Heizers dieser geregelt Leistung zugeführt wird. Um die jeweils erforderliche Menge an Heizleistung zu ermitteln, wird ein geeignetes die Sensortemperatur angebendes Messsignal benötigt. Als Messsignal wird in der Regel der elektrische Innenwiderstand der elektrochemischen Nernst-Zelle herangezogen. Dazu wird zum Beispiel ein Messstrom auf den Innenwiderstand aufgeprägt und die sich einstellende Spannung mit Hilfe einer Auswerteschaltung ermittelt.

Der Messstrom wird dabei bekanntermaßen durch geeignete Dimensionierung der Auswerteschaltung voreingestellt. Nun führen bei den Bauteilen der Auswerteschaltung meist vorhandene Toleranzen zu Fehlereinflüssen bei der Messung des genannten Innenwiderstandes und beeinträchtigen somit die Regelgenauigkeit der Heizungsregelung.

In der DE 196 36 226 A1 wird die Bestimmung des Innenwiderstandes einer Lambdasonde beschrieben.

Offenbart wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Lambdasonde mit einem Pluspol,

• - einem Rechner, der wenigstens einen Rechnerport mit veränderbarem Schaltzustand und einen Signaleingang besitzt und der aus den variablen, an seinem Signaleingang anliegenden Werten und weiteren fest vorgegebenen Werten den Innenwiderstand der Lambdasonden berechnet,
• - mit einer Spannungsquelle, deren Pluspol über den Rechnerport und einen Meßwiderstand mit dem Pluspol der Lambdasonde verbunden ist,
• - und mit einer direkten elektrischen Verbindung des Pluspols der Lambdasonde mit einem dem Signaleingang des Rechners vorgeschalteten Analog-/Digitalwandler.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine Schaltung anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile vermeiden und eine möglichst hohe Messgenauigkeit einer Schaltung zur Innenwiderstandsmessung eines Abgassensors bereitstellen, mit dem Ziel, die Regelung auf konstante Temperatur zu verbessern und damit letztlich auch das Verhalten des Abgassensors zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schlägt ein besonderes Kalibrierverfahren vor, bei dem - bevorzugt in Kombination mit Force/Sense-Leitungen - zeitweilig oder regelmäßig auf einen Referenzwiderstand umgeschaltet und die sich dann einstellende elektrische Spannung in einen Speicher abgelegt wird. Dieser abgelegte Spannungswert dient fortan als Referenzwert für die Messung des eigentlich gewünschten Wertes des Innenwiderstandes R1.

Durch diese Maßnahmen lässt sich die Messgenauigkeit einer Schaltung zur Innenwiderstandsmessung eines Abgassensors erhöhen. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Schaltung begünstigen dabei insbesondere das Systemverhalten des Verbundes aus Abgassensor (z. B. Lambdasonde) und der eingangs erwähnten Auswerteschaltung.

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der beigefügten Zeichnung, anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung.

Die gezeigte Schaltung dient zur Messung des Innenwiderstandes (R1) 10 und damit indirekt zur Ermittlung der Temperatur einer schematisch dargestellten Nernst-Zelle 12 eines (nicht gezeigten) elektrochemischen Abgassensors. Mit 12 (U1) ist hier die elektrochemische Quellspannung der Nernstzelle bezeichnet. Die Schaltung besteht aus drei Schaltungseinheiten, einer Messstromerzeugungseinheit 14, einer Messsignalauswertungseinheit 16 und einer Umschalteinheit 18.

Mittels des erzeugten Messstromes (I_Mess) 20, welcher der Nernst-Zelle 12 aufgeprägt wird, wird an R1 eine zum Widerstandswert von R1 proportionale Spannung erzeugt. Diese Spannung wird anschließend durch die Messsignalauswertungseinheit 16 verstärkt und so aufbereitet, dass eine optimale Erfassung des Messsignals über einen (nicht gezeigten) Analog- Digital-(A/D)Wandler ermöglicht wird. Mittels des von dem A/D-Wandler gelieferten Signals kann dieses dann vorteilhaft digital weiterverarbeitet werden.

Etwa auftretende Toleranzen und Spannungsdriften sowohl in der Messstromerzeugungseinheit 14 als auch in der Messsignalauswertungseinheit 16 würden ohne besondere Maßnahmen als Fehler in das Ausgangssignal (UA) eingehen. Zur Erreichung einer hohen Genauigkeit des R1-Signals müssten hochpräzise und somit teure Schaltungstechniken verwendet werden.

Die gezeigte Schaltung sowie das Verfahren zu ihrem Betrieb ermöglichen eine Genauigkeitsverbesserung ausschließlich unter Verwendung von elektronischen Standardkomponenten. Zudem wird eine Integration der Schaltung mittels Standard-Halbleiterprozessen ermöglicht.

Dazu dienen zum einen der Kalibrierwiderstand R2 und die mehrere Umschalter (S1-S4) aufweisende Umschalteinheit 18. Mittels der Umschalter S1-S4 wird die Messwerterfassung zeitweilig oder in regelmäßigen Zeitabständen auf den bekannten, präzise definierten Widerstand R2 umgeschaltet. Der Widerstandswert von R2 wird dabei zweckmäßigerweise so gewählt, dass er dem einzustellenden Innenwiderstand R1 - entsprechend dem Regelpunkt der Heizungsregelung - entspricht. Die sich dann am Ausgang der Schaltung einstellende Signalspannung UA wird in einen Speicher eines (nicht gezeigten) Mikrocontrollers abgelegt und dient fortan als Referenzwert für die Messung des Innenwiderstandes R1.

Durch diese Maßnahme können somit schaltungsbedingte Fehler in der Messstromerzeugungseinheit 14 und der Messsignalauswertungseinheit 16 eliminiert werden. Die Genauigkeit des Ausgangssignales UA wird somit nur noch durch die Genauigkeit des Kalibrierwiderstandes R2 bestimmt.

Um des Weiteren Fehler durch die Umschalter S1-S4 selbst zu eliminieren, ist die Umschalteinheit 18 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Force/Sense- Schaltung ausgelegt. Der Messstrom I_Mess 20 wird dabei über Schalter S1 und S2 (Force-Schalter), an die nur geringe Genauigkeitsanforderungen zu stellen sind, auf die Messwiderstände R1 bzw. R2 geschaltet. Lediglich der Gleichlauf sämtlicher Schalter hat minimalen Anforderungen zu genügen, was bei einer Integration der Schaltung bspw. in einen Application Specific Integrated Circuit (ASIC) in der Regel einfach zu erfüllen ist.

Es ist hervorzuheben, dass die Force/Sense-Schaltung nicht zwingend erforderlich ist und auf diese bspw. dann verzichtet werden kann, wenn das Verhältnis des zu messenden Widerstandes zu den Schalterwiderständen ausreichend groß ist, so z. B. bei Verwendung niederohmiger Schalter. Gleiches gilt auch, wenn die Schalter zwar nennenswerte Beiträge zum gemessenen Widerstandswert liefern, es aber nicht auf den Absolutwert des zu messenden Widerstandes ankommt, sondern nur darauf, dem vorliegenden Vergleichswiderstand R2 möglichst nahe zu kommen.

Die Einkopplung des Messsignals in die Messsignalauswertungseinheit 16 geschieht über die beiden Schalter S3 und S4 (Sense-Schalter). Aufgrund des hochohmigen Einganges der Messsignalauswertungseinheit 16 wird das Messsignal nur minimal beeinflusst. Deswegen können für S3 und S4 relativ einfache und kostengünstige (hochohmige) Schalter verwendet werden.

Durch die Schalter S1. . .S4 bedingte Messfehler werden durch die beschriebene Kalibrierung mittels des Widerstandes R2 eliminiert, solange nur S1 und S2 bzw. S3 und S4 vergleichbare Eigenschaften, z. B. einen gleichen oder ähnlichen Durchschaltwiderstand, aufweisen.

Es ist schließlich anzumerken, dass die erfindungsgemäße Auswerteschaltung auch bei zweizelligen Breitband-Lambdasonden vorteilhaft einsetzbar ist, welche aus einer Nernstzelle und einer mit dieser gekoppelten Pumpzelle gebildet sind. Dabei stellen die Lamda-Sonde und die Auswerteschaltung zusammen ein kontinuierliches Lambda-Signal bereit, mittels dessen eine Lambda-Regelung prinzipiell auf jeden beliebigen Arbeitspunkt, d. h. auch LAMBDA ungleich 1, einstellbar ist, und somit eine "stetige Lambda-Regelung" bereitgestellt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung des Innenwiderstandes R1 (10) einer elektrochemischen Zelle (12) zur Ermittlung der Temperatur eines die elektrochemische Zelle aufweisenden Abgassensors insbesondere eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass dem Innenwiderstand R1 (10) der elektrochemischen Zelle (12) ein Messstrom I_Mess (20) aufgeprägt wird und eine sich ergebende erste Spannung erfasst wird, dass zeitweilig oder in regelmäßigen Zeitabständen auf einen Referenzwiderstand R2 umgeschaltet wird und dass eine bei der Umschaltung auf den Referenzwiderstand R2 sich durch den Messstrom ergebende zweite Spannung gespeichert und danach als Referenzwert für die Messung des Innenwiderstandes R1 (10) herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung auf den Referenzwiderstand R2 mittels Force/Sense-Leitungen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Innenwiderstand R1 sich ergebendes Spannungssignal mittels einer Messsignalauswertungseinheit (16) verstärkt und/oder aufbereitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkte und/oder aufbereitete Spannungssignal einem Analog-Digital-Wandler zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrom I_Mess (20) mittels Forceschaltern S1, S2 auf die Messwiderstände R1 und R2 geschaltet wird und dass die Einkopplung der erfassten Messspannung in die Messsignalauswertungseinheit (16) über Senseschalter S3, S4 erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter S1 und S2 sowie die Schalter S3 und S4 einen gleichen oder ähnlichen Durchschaltwiderstand aufweisen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert von R2 so gewählt wird, dass er dem einzustellenden Innenwiderstand R1 im Wesentlichen entspricht.

8. Schaltung zur Messung des Innenwiderstandes R1 (10) einer elektrochemischen Zelle (12) zur Ermittlung der Temperatur eines Abgassensors insbesondere eines Kraftfahrzeuges, gekennzeichnet durch Schaltungsmittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Schaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Referenzwiderstand R2, eine mehrere Umschalter (S1-S4) aufweisende Umschalteinheit (18), wobei mittels der Umschalter (S1-S4) die Messwerterfassung zeitweilig oder regelmäßig auf den Referenzwiderstand R2 umschaltbar ist.

10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Messstromerzeugungseinheit (14) und eine Messsignalauswertungseinheit (16), wobei die Umschaltung des Messstroms I_Mess (20) auf die Messwiderstände R1 und R2 und die Einkopplung einer erfassten Messspannung in die Messsignalauswertungseinheit (16) mittels Force/Sense Leitungen erfolgt.