Stand
der Technik
Die
Erfindung betrifft eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung
der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere
im Abgas einer Brennkraftmaschine, die eine Pumpzelle mit einer
Außenpumpelektrode und
einer Innenpumpelektrode aufweist, die weiterhin eine Nernstzelle
mit einer Nernstelektrode und einer Referenzelektrode aufweist,
und die einen Heizer mit einem ersten Heizeranschluss und einem
zweiten Heizeranschluss zum Heizen der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde
aufweist.
Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde
zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch,
insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, die eine kombinierte
Pump-/Nernstzelle mit einer Außenpump-/Referenzelektrode
und einer Innenpump-/Nernstelektrode aufweist und die einen Heizer
mit einem ersten Heizeranschluss und einem zweiten Heizeranschluss
zum Heizen der Einzellen-Breitband-Lambdasonde
aufweist.
Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde, welche als
Einzellen-Breitband-Lambdasonde oder als Zweizellen-Breitband-Lambdasonde
ausgebildet ist, zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente
in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine,
wobei die Breitband-Lambdasonde einen Heizer aufweist.
Lambdasonden
werden im Abgasstrang von Brennkraftmaschinen zur Messung des Sauerstoffgehalts
des Abgases eingesetzt, um die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs
der Brennkraftmaschine zu steuern. Lambdasonden auf Basis von Zirkondioxid-Keramik
nutzen den Effekt, dass Zirkondioxid ab einer Temperatur von ca.
300°C für Sauerstoffionen
durchlässig
ist und eine Spannungsdifferenz, die so genannte Nernstspannung,
entsteht, wenn auf zwei Seiten der Keramik eine unterschiedliche
Sauerstoffkonzentration herrscht. Wird ein solches Keramikbauteil
(Messzelle) auf einer Seite dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzt
und auf der anderen Seite der Umgebungsluft, beträgt bei einem
der Brennkraftmaschine zugeführten
stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch
(Lambda = 1) die Spannungsdifferenz ca. 0,45V. Bei einem kraftstoffarmen und
damit sauerstoffreichen Gemisch ist die Spannungsdifferenz geringer,
bei einem kraftstoffreichen, sauerstoffarmen Gemisch erhöht sich
die Spannungsdifferenz auf bis zu ca. 0,9V. Die Spannung ändert sich
dabei sprunghaft im Bereich des stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemischs,
so dass eine Messung des Sauerstoffgehalts außerhalb eines Bereiches von
Lambda = 0,995 bis Lambda = 1,005 nicht möglich ist.
Für den sparsamen
und schadstoffarmen Betrieb von Brennkraftmaschinen ist es erforderlich, auch
Kraftstoff-Luft-Gemische außerhalb
von Lambda = 1 zu benutzen und zu überwachen. Hierzu dienen Breitband-Lambdasonden.
Die der Umgebungsluft abgewandte Seite der Messzelle ist von einem Hohlraum
mit steuerbarem Sauerstoffgehalt gebildet. Neben dem Einfluss von
durch eine Diffusionsbarriere in den Hohlraum eintretenden Abgas
wird der steuerbare Sauerstoffgehalt auf dieser Seite der Messzelle
mit einem weiteren Bauteil aus Zirkondioxid-Keramik (Pumpzelle)
erzeugt. An dieses wird eine Spannung angelegt, wodurch ein Strom
fließt,
der Sauerstoffionen in eine wählbare
Richtung transportiert. Im Bereich zwischen beiden Keramikbauteilen
kann so die Sauerstoffkonzentration erhöht und erniedrigt werden, so
dass die Messzelle in einem Bereich betrieben werden kann, der den
Verhältnissen
nahe Lambda = 1 entspricht. Der erforderliche Pumpstrom durch die
Pumpzelle ist in einem weiten Bereich ein Maß für die Sauerstoffkonzentration
im Abgas.
Für einen
ausreichend schnellen Transport der Sauerstoffionen wird eine Breitband-Lambdasonde bei einer
Temperatur von etwa 750°C
betrieben. Um eine schnelle Betriebsbereitschaft zu gewährleisten
wird die Breitband-Lambdasonde zusätzlich zur Erwärmung durch
das Abgas elektrisch beheizt. Hierbei wird sie zum schnellen Aufheizen
zunächst
mit hoher Leistung beheizt und im stationären Betrieb mit einer getakteten
Betriebsspannung mit niedrigerer mittlerer Leistung betrieben. Um
eine Beeinflussung von Nernstzelle und Pumpzelle durch die Heizung
zu verhindern, sind die Anschlüsse
der Heizung gemäß dem Stand
der Technik getrennt von den Anschlüssen von Nernst- und Pumpzelle
aus der Breitband-Lambdasonde
herausgeführt.
Anderenfalls könnte
der Spannungsabfall an einem Über gangswiderstand
in der Zuleitung der Heizung die Messung verfälschen. Unter Praxisbedingungen
kann ein solcher Spannungsabfall durchaus 1V betragen und damit
die zu messende Nernstspannung von 0,45V übersteigen. Eine Zusammenlegung
von Anschlüssen
wäre andererseits
aus Kostengründen
wünschenswert.
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die
eine Zusammenfassung von Verbindungsleitungen an einer Breitband-Lambdasonde
gestatten, ohne deren Messgenauigkeit negativ zu beeinflussen.
Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, dafür ein Verfahren bereit zu stellen.
Offenbarung der Erfindung
Für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde
wird die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung dadurch
gelöst,
dass der erste Heizeranschluss oder der zweite Heizeranschluss der
Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit einem der Anschlüsse der
Pumpzelle oder der Nernstzelle verbunden ist und dass ein Steuergerät für einen
getakteten Betrieb des Heizers und für eine Signalauswertung vorgesehen
ist.
Für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde wird
die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass
der erste Heizeranschluss oder der zweite Heizeranschluss der Einzellen-Breitband-Lambdasonde
mit einem der Anschlüsse
der kombinierten Pump-/Nernstzelle
verbunden ist und dass ein Steuergerät für einen getakteten Betrieb
des Heizers und für
eine Signalauswertung vorgesehen ist.
Durch
den getakteten Betrieb von Heizer und Signalauswertung kann erreicht
werden, dass die Signale der Nernstzelle oder, im Falle der Einzellen-Breitband-Lambdasonde,
der kurzzeitig als Nernstzelle betriebenen kombinierten Pump-/Nernstzelle
nur dann ausgewertet werden, wenn der Heizer nicht betrieben wird.
Da bei einem stromlosen Heizer kein Spannungsabfall an möglichen Übergangswiderständen auftritt,
können
diese die Messung nicht stören
und Anschlüsse
von Heizer und Nernstzelle oder Pumpzelle oder von Heizer und einer
kombinierten Pump-/Nernstzelle können
an der Breitband-Lambdasonde zusammengefasst werden. Hierdurch können Verbindungskabel
und Steckkontakte eingespart werden, wodurch Kosten eingespart werden
können.
Für eine
Breitbandsonde, die gemäß dem Stand
der Technik einen fünfpoligen
Stecker erfordert, kann beispielsweise durch die erfindungsgemäße Verbesserung
ein kostengünstiger
vierpoliger Standardstecker eingesetzt werden.
Ist
bei einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss
mit der Außenpumpelektrode
der Pumpzelle und beide mit einer Batteriespannung verbunden, kann
die Heizung mit einem low-side-FET an Batterie-Masse geschaltet
und damit getaktet betrieben werden. Der Pumpstrom der Pumpzelle
kann sowohl in der Ein- wie in der Ausschaltphase des Heizers bereitgestellt
werden, um eine ausreichende Pumpleistung zu erreichen.
Ist
bei der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss
mit der Außenpumpelektrode
der Pumpzelle und beide mit einer Batterie-Masse verbunden, kann
die Heizung mit einem high-side-FET an Batteriespannung geschaltet
und damit getaktet betrieben werden, so dass in den Ausschaltphasen
des Heizers eine ungestörte
Messung der Nernstspannung erfolgen kann, obwohl die Elektroden
der Breitband-Lambdasonde mit dem Heizer verbunden sind. Auch hier
kann der Pumpstrom der Pumpzelle sowohl in der Ein- wie in der Ausschaltphase
des Heizers bereitgestellt werden.
Ist
bei einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss
mit der Außenpumpelektrode
der Pumpzelle und beide mit einer Batterie-Masse verbunden und ist
eine Masseverbindung über
das Gehäuse
der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde und leitfähige Teile der Brennkraftmaschine oder
von deren Abgasstrang hergestellt, so kann die Masseverbindung der
Zweizellen-Breitband-Lambdasonde über eine Steckverbindung entfallen,
was eine zusätzliche
Kosteneinsparung ermöglicht.
Eine
weitere Ausführungsform
einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde, bei der eine Steckverbindung
gegenüber
dem Stand der Technik eingespart werden kann, sieht vor, dass der
erste Heizeranschluss mit der Innenpumpelektrode und beide mit der
Batterie-Masse verbunden sind. Auch in dieser Ausführung kann
durch den abwechselnden Betrieb von Heizung und Messung eine störungsarme
Signalauswertung erfolgen.
Ist
bei einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde der erste Heizeranschluss
mit der Innenpump-/Nernstelektrode der kombinierten Pump-/Nernstzelle
an einer Verbindungsstelle ver bunden, wobei in einer Betriebsweise
die Verbindungsstelle mit einer Batterie-Masse verbunden ist und
dann der Heizer die Einzellen-Breitband-Lambdasonde beheizt und
die kombinierte Pump-/Nernstzelle als Pumpzelle arbeitet, und ist
in einer anderen Betriebsweise der Heizer nicht betrieben und ist
die kombiniere Pump-/Nernstzelle, zumindest zeitweise, als Nernstzelle
betrieben, kann auch bei einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde ein
Anschluss an einem Steckverbinder und die zugehörige Zuleitung eingespart werden.
Hierbei kann auch vorgesehen sein, dass in der Zeit, in der der
Heizer nicht betrieben wird, die kombinierte Pump-/Nernstzelle nur
kurzzeitig als Nernstzelle betrieben wird und für die übrige Zeit auch in dieser Phase
als Pumpzelle arbeitet.
In
einer anderen Ausführungsform
der Einzellen-Breitband-Lambdasonde ist der erste Heizeranschluss
mit der Innenpump-/Nernstelektrode der kombinierten Pump-/Nernstzelle
an einer Verbindungsstelle verbunden, wobei in einer Betriebsweise die
Verbindungsstelle mit einer Batteriespannung verbunden ist und dann
der Heizer die Einzellen-Breitband-Lambdasonde beheizt und die kombinierte
Pump-/Nernstzelle als Pumpzelle arbeitet, und in einer anderen Betriebsweise
der Heizer nicht betrieben ist und die kombinierte Pump-/Nernstzelle, zumindest
zeitweise, als Nernstzelle betrieben ist.
Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass
der Heizer während
der Messung der Nernstspannung der Breitband-Lambdasonde nicht betrieben
wird. Dadurch kann sich ein Übergangswiderstand
an einer Verbindung zum Heizer und der daran bei einem betriebenen
Heizer folgende Spannungsabfall nicht nachteilig auf die Messgenauigkeit
der Nernstzelle oder den Pumpstrom durch die Pumpzelle auswirken,
auch wenn diese mit dem Heizer eine gemeinsame Verbindung zum Steuergerät nutzt.
Wird
beim Betrieb der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde während einer
Phase, in der der Heizer betrieben wird, ein Strom durch die Pumpzelle durch
eine Sample-and-Hold-Schaltung
oder eine als Tiefpass wirkende Schaltungsanordnung aufrecht erhalten,
kann die Abschaltphase des Heizers und damit die Messphase der Nernstzelle
kurz gewählt
werden und trotzdem der mittels der Nernstzelle bestimmte Strom
durch die Pumpzelle kontinuierlich aufrecht erhalten werden. Eine
kurze Abschaltphase des Heizers ist auch vorteilhaft, da dadurch
eine niedrige Versorgungsspannung des Heizers benutzt werden kann
und trotzdem eine ausreichende mittlere Heizleistung zur Verfügung gestellt
werden kann.
Zeichnung
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
1a eine
Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit gemeinsamer Verbindung von
Heizer und Pumpzelle an Batteriespannung,
1b die
Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit einer modifizierten Pumpstromversorgung,
2 die
Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit gemeinsamer Verbindung von
Heizer und Pumpzelle an Batterie-Masse,
3 eine
Einzellen-Breitband-Lambdasonde mit low-side-FET,
4 ein
Blockschaltbild für
eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde mit high-side-FET,
5 ein
Schaltungsschema einer Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit reduzierter
Kabelanzahl.
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
1a zeigt
ein Blockschaltbild für
eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mit einer Pumpzelle 10,
einer Nernstzelle 11 und einer Heizung 12, die über einen
Steckverbinder 20 an ein Steuergerät 30 angeschlossen
sind. Die Pumpzelle 10, die Nernstzelle 11 und
die Heizung 12 sind gemäß dem Stand
der Technik in einer Baueinheit zusammengefasst und ragen in einen
Abgaskanal einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine hinein. Die
Pumpzelle 10 weist eine Außenpumpelektrode 10.1 und
eine Innenpumpelektrode 10.2 sowie einen Pumpzellen-Innenwiderstand 15 auf.
Der Pumpzellen-Innenwiderstand 15 ist hier schematisch
als separates Bauteil eingezeichnet und ist der Widerstand des Keramikbauteils
bei Betriebstemperatur. Die Innenpumpelektrode 10.2 ist
mit einer Nernstelektrode 11.1 der Nernstzelle 11 elektrisch
verbunden. Die andere Elektrode der Nernstzelle 11 wird
von einer Referenzelektrode 11.2 gebildet. Die Nernstzelle 11 hat einen
Nernstzellen-Innenwiderstand 14, der schematisch als separates
Bauteil eingezeichnet ist. Die Außenpumpelektrode 10.1 und
ein erster Heizeranschluss 12.1 des Heizers 12 sind über eine
erste Verbindungsstelle 21 des Steckverbinders 20 mit
einer Batteriespannung 40 verbunden. Ein zweiter Heizeranschluss 12.2 des
Heizers 12 ist über
eine vierte Verbindungsstelle 24 des Steckverbinders 20 mit
einem low-side-FET 51 verbunden, der wiederum mit einer
Batterie-Masse 44 verbunden ist. Der low-side-FET 51 ist
ein Feldeffekt-Transistor, der zwischen dem mit dem niedrigen Potenzial
des Heizers 12 verbundenen zweiten Heizeranschluss 12.2 und
der Batterie-Masse 44 angeordnet ist. Mittels einer Innenwiderstandsregelung 53 wird
der low-side-FET 51 durchgeschaltet und der Heizer 12 temperaturgeregelt
aktiviert. Die Nernstelektrode 11.1 und die Referenzelektrode 11.2 der
Nernstzelle 11 sind mit dem Steuergerät 30 über eine
zweite und eine dritte Verbindungsstelle 22, 23 des
Steckverbinders 20 verbunden. In dem Steuergerät 30 wird
die Spannung der Nernstzelle 11 zumindest teilweise von
einer Referenzspannungsquelle 31 kompensiert, die eine Spannung
von 0,45V abgibt und auf den nicht-invertierenden Eingang eines
Differenzverstärkers 34 wirkt.
Die Referenzelektrode 11.2 ist mit dem invertierenden Eingang
des Differenzverstärkers 34 verbunden.
Der Differenzverstärker 34 wird
mit einer Betriebsspannung 42 versorgt, die mindestens
2,5V höher
als die Batteriespannung 40 ist um auch bei hoher Nernstspannung
und trotz eines Spannungsabfalls an dem Pumpzellen-Innenwiderstand 15 eine ausreichende
Pumpspannung zu Verfügung
stellen zu können,
die den erforderlichen Pumpstrom bewirkt. In einer typischen Anwendung
muss mit einer Batteriespannung 40 von 13V gerechnet werden,
so dass die Betriebsspannung 42 mindestens 15,5V betragen
muss. Der Ausgang des Differenzverstärkers 34 ist über einen
Widerstand 32 mit der Batteriespannung 40 und
der Außenpumpelektrode 10.1 verbunden.
Ein Lambdasignal 43 des Differenzverstärkers 34 bewirkt einen
Strom durch den Widerstand 32 und bewirkt so einen Spannungsabfall
zwischen den Eingängen
eines zweiten Differenzverstärkers 33,
der ein Ausgangssignal 41 der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 erzeugt.
Das Lambdasignal 43 wird weiterhin einem Inverter 35 zugeführt, dessen nicht-invertierender
Eingang mit der Batteriespannung 40 verbunden ist. Der
Ausgang des Inverters 35 wirkt auf eine steuerbare Spannungsquelle 37,
die über
einen Lastwiderstand 36 mit der negativen Seite der Referenzspannungsquelle 31 verbunden
ist.
Im
Betrieb der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 liegt die
Außenpumpelektrode 10.1 auf der
direkt dem Abgas zugewandten Seite, während die Innenpumpelektrode 10.2 und
die Nernstelektrode 11.1 in einem Hohlraum liegen, der über eine
Diffusionsbarriere dem Abgas ausgesetzt ist und dessen Sauerstoffkonzentration
mittels der Pumpzelle 10 gesteuert werden kann. Die Referenzelektrode 11.2 ist
der Außenluft
oder einem gleichartigen Gasgemisch zu gewendet. Wird die Anordnung
Abgas mit einem Lambda von 1 ausgesetzt, erzeugt die Nernstzelle 11 eine
Ausgangsspannung, die der Spannung der Referenz 31 entspricht.
Der Differenzverstärker 34 erzeugt
ein Lambdasignal 43 in Höhe der Batteriespannung 40,
wodurch die Spannungsdifferenz am Widerstand 32 Null ist
und der zweite Differenzverstärker 33 das
Ausgangssignal 41 für
Lambda = 1 abgibt. Am Inverter 35 liegen beide Eingänge auf
der gleichen Spannung, so dass er ein mittleres Ausgangssignal abgibt,
das die Spannungsquelle 37 so einstellt, dass ihre Ausgangsspannung
der Batteriespannung 40 entspricht und zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und
der Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10 keine
Spannungsdifferenz besteht.
Erreicht
mageres und damit sauerstoffreiches Abgas die Anordnung, sinkt die
Spannung an der Nernstzelle 11 unter den Spannungswert
der Referenzspannungsquelle 31, so dass das Lambdasignal 43 am
Ausgang des Differenzverstärkers 34 ansteigt
und ein positives Ausgangssignal 41 am zweiten Differenzverstärker 33 erzeugt
wird. Der Invertierer 35 wandelt das positive Lambdasignal 43 in
ein Ausgangssignal, das die Spannungsquelle 37 auf eine
niedrigere Spannung als die Batteriespannung 40 einstellt.
Es besteht daher eine Spannungsdifferenz zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und der
Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10, die über den
Lastwiderstand 36 einen Pumpstrom nach Batterie-Masse 44 bewirkt.
Der Pumpstrom transportiert Sauerstoff aus dem Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und
der Innenpumpelektrode 10.2 und ist gerade so groß, dass
in dem Hohlraum ein Lambda = 1 entsprechendes Gasgemisch erzeugt
wird. Er ist ein Maß für die Abweichung
des Lambda des Abgases von Lambda = 1. Damit ist auch das Ausgangssignal 41 ein
Maß für die Abweichung
des Lambda des Abgases von Lambda = 1.
Erreicht
fettes und damit sauerstoffarmes Abgas die Anordnung, steigt die
Spannung an der Nernstzelle 11 über den Spannungswert der Referenzspannungsquelle 31,
so dass das Lambdasignal 43 am Ausgang des Differenzverstärkers 34 abfällt und
ein, bezogen auf die Batteriespannung 40, negatives Ausgangssignal 41 am
zweiten Differenzverstärker 33 erzeugt
wird. Der Invertierer 35 wandelt das negative Lambdasignal 43 in
ein Ausgangssignal, das die Spannungsquelle 37 auf eine
höhere Spannung
als die Batteriespannung 40 einstellt. Es besteht daher
eine Spannungsdifferenz zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und
der Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10,
die über
den Lastwiderstand 36 einen Pumpstrom bewirkt, der Sauerstoff in
den Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der Innen pumpelektrode 10.2 transportiert.
Der Pumpstrom ist gerade so groß,
dass in dem Hohlraum ein Lambda = 1 entsprechendes Gasgemisch erzeugt
wird. Er ist ein Maß für die Abweichung
des Lambda des Abgases von Lambda = 1. Damit ist auch das Ausgangssignal 41 ein
Maß für die Abweichung
des Lambda des Abgases von Lambda = 1.
Der
Heizer 12 ist mit dem ersten Heizeranschluss 12.1 mit
der Batteriespannung 40 verbunden. Der zweite Heizeranschluss 12.2 ist über die vierte
Verbindungsstelle 24 im Steckverbinder 20 mit dem
low-side-FET 51 verbunden, der von der Innenwiderstandsregelung 53 angesteuert
den zweiten Heizeranschluss 12.2 mit Batterie-Masse 44 verbindet
und so den Heizer 12 aktiviert. Die Innenwiderstandsregelung 53 hat
als Eingangssignal den temperaturabhängigen Innenwiderstand der
Nernstzelle 11 und regelt so die Temperatur der Anordnung
auf eine typische Arbeitstemperatur von 750°C. Synchron mit der Taktung
der Innenwiderstandsregelung 53 wird die Messung der Nernstspannung
der Nernstzelle 11 aktiviert und deaktiviert. Würde der Heizer
nicht getaktet betrieben, würde
ein Spannungsabfall an der mit der ersten Verbindungsstelle 21 verbundenen
Leitung auch die Spannung an der Pumpzelle 10 und der Nernstzelle 11 verändern und so
deren Funktion beziehungsweise die Messung der Nernstspannung stören.
In 1b ist
die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mit einer Pumpstromerzeugung
in einer anderen Ausführungsform
dargestellt. Der Ausgang des Inverters 35 wirkt über einen
Basisvorwiderstand 39 auf einen NPN-Transistor 38,
dessen Kollektor mit der Betriebsspannung 42 verbunden
ist, die mindestens 2,5V höher
als die Batteriespannung 40 ist. Der Emitter des Transistors
ist über einen
zweiten Lastwiderstand 36.1 mit der Batterie-Masse 44 verbunden.
Weiterhin ist der Emitter des Transistors 38 über den
Lastwiderstand 36 mit der negativen Seite der Referenzspannungsquelle 31 verbunden.
Erreicht mageres und damit sauerstoffreiches Abgas die Anordnung,
erzeugt der Inverter 35 ein Ausgangssignal, das niedriger
als die Batteriespannung 40 ist. Der Emitter des Transistors 38 liegt
daher ebenfalls auf einem Potenzial, das niedriger als die Batteriespannung 40 ist.
Dies bewirkt eine Spannungsdifferenz zwischen der Außenpumpelektrode 10.1 und
der Innenpumpelektrode 10.2 an der Pumpzelle 10,
die einen Pumpstrom nach Batterie-Masse 44 bewirkt, der
Sauerstoff aus dem Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und
der Innenpumpelektrode 10.2 transportiert. Bei fettem Abgas öffnet der
Transistor 38 und verbindet die Innenpumpelektrode 10.2 mit
einem Potenzial, das höher
als die Batteriespannung 40 ist. Es wird daher Sauerstoff in
den Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und der Innenpumpelektrode 10.2 transportiert.
In 2 ist
eine Anordnung für
die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 gezeigt, bei der
die gemeinsame Leitung von Außenpumpelektrode 10.1 und
erstem Heizeranschluss 12.1 mit der Batterie-Masse 44 verbunden
ist. Die Betriebsspannung 42 des Differenzverstärkers 34 beträgt mindestens 2,5V.
Eine zweite Betriebsspannung 42.1 des Differenzverstärkers 34 ist
niedriger als –2,5V.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 34 ist über den
Widerstand 32 mit Batterie-Masse 44 verbunden.
Wird
die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 Abgas mit Lambda
= 1 ausgesetzt, besteht am Eingang des Differenzverstärkers 34 keine
Spannungsdifferenz, da die Spannung an der Nernstzelle 11 gerade
so groß wie
die Spannung an der Referenzspannungsquelle 31 ist. Das
Lambdasignal 43 ist dann gleich hoch wie die Batterie-Masse 44 und an
dem Widerstand 32 tritt kein Spannungsabfall auf. Die Eingänge des
Invertierers 35 liegen beide ebenfalls auf dem selben Potenzial
wie die Batterie-Masse 44, so dass dessen Ausgangssignal
die Spannungsquelle 37 so steuert, dass deren Ausgang gleich
hoch wie die Batterie-Masse 44 liegt und kein Pumpstrom durch
die Pumpzelle 10 getrieben wird.
Wird
der Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mageres Abgas zugeführt, erzeugt
der Inverter 35 ein Ausgangssignal, das die Spannungsquelle 37 so
steuert, dass deren Ausgangsspannung niedriger als die Batteriespannung 40 ist
und die Innenpumpelektrode 10.2 somit ebenfalls auf einem
niedrigeren Potenzial als die Außenpumpelektrode 10.1 liegt. Hierdurch
wird Sauerstoff aus dem aus dem Hohlraum mit der Nernstelektrode 11.1 und
der Innenpumpelektrode 10.2 transportiert. Die Pumpstromquelle
kann auch entsprechend der in 1b Ausführungsform
verwirklicht sein.
Zur
Aktivierung der Heizung 12 wird über die vierte Verbindungsstelle 24 im
Steckverbinder 20 der zweite Heizeranschluss 12.2 über einen
high-side-FET 52 mit der Batteriespannung 40 verbunden. Der
high-side-FET 52 ist ein Feldeffekt-Transistor, der zwischen
dem mit dem hohen Potenzial des Heizers 12 verbundenen
zweiten Heizeranschluss 12.2 und der Batteriespannung 40 angeordnet
ist. Der high-side-FET 52 wird mittels der Innenwiderstandsregelung 53 auf
Durchgang geschaltet. Auch hier wird synchron mit der Taktung des
Heizers 12 durch die Innenwiderstandsregelung 53 die
Messung der Nernstspannung der Nernstzelle 11 aktiviert
und deaktiviert um die negative Auswirkung eines möglichen
Spannungsabfall auf der mit der dritten Verbindungsstelle 23 verbundenen
Zuleitung zu umgehen.
3 zeigt
eine Anordnung zum Betrieb einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde 1.
Eine kombinierte Pump-/Nernstzelle 13 mit einer Heizung 12 und
einer der Außenluft
oder einem vergleichbaren Gasgemisch ausgesetzten Außenpump-/Referenzelektrode 13.1 und
einer durch eine Diffusionsbarriere vom Abgas getrennten Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 ist über den
Steckverbinder 20 mit einem digitalen Pumpstromregler 50 in
dem Steuergerät 30 verbunden.
Dabei ist die Außenpump-/Referenzelektrode 13.1 an
der ersten Verbindungsstelle 21 und die Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 an
der zweiten Verbindungsstelle 22 an den Steckverbinder 20 angeschlossen.
Die kombinierte Pump-/Nernstzelle weist einen Innenwiderstand 16 auf,
der hier schematisch als separates Bauteil dargestellt ist. Der
digitalen Pumpstromregler 50 gibt ein digitales Lambdasignal 45 an
eine hier nicht dargestellte Motorsteuerung ab. Der erste Heizeranschluss 12.1 des
Heizers 12 ist gemeinsam mit der Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 über die
zweite Verbindungsstelle 22 mit dem Steuergerät 30 verbunden.
Der Heizer 12 wird an seinem zweiten Heizeranschluss 12.2 über die
dritte Verbindungsstelle 23 und den low-side-FET 51,
gesteuert durch die Innenwiderstandsregelung 53, mit der
Batterie-Masse 44 verbunden. Hier bewirkt die Taktung des
Heizers 12, dass in den Taktpausen die Spannung der kurzzeitig
als Nernstzelle betriebenen kombinierten Pump-/Nernstzelle 13 ohne eine Störung durch
einen an einem Übergangswiderstand
an der zweiten Verbindungsstelle 22 oder der Leitungsführung möglicherweise
auftretenden Spannungsabfall ausgewertet werden kann. In dieser
Phase wird der Sauerstoff-Pumpvorgang kurzzeitig unterbrochen, Abgas
gelangt durch die Diffusionsbarriere in die Zelle und die dadurch
von der Referenzspannung von 0,45V abweichende Nernstspannung wird
gemessen. Die Nernstspannung bestimmt die Polarität der Spannung
des darauf folgenden Pumpvorganges und damit die Richtung des Sauerstofftransportes. Verbindet
die Innenwiderstandsregelung 53 den zweiten Heizeranschluss 12.2 mit
der Batterie-Masse 44, wird die kombinierte Pump-/Nernstzelle 13 als Pumpzelle
betrieben. Durch die gemeinsame Nutzung der zweiten Verbindungsstelle 22 durch
den ersten Heizeranschluss 12.1 und die Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 der
kombinierten Pump-/Nernstzelle 13 kann eine Verbindungsstelle im
Steckverbinder 20 eingespart werden.
4 zeigt
eine Anordnung zum Betrieb einer Einzellen-Breitband-Lambdasonde 1,
bei der der zweite Heizeranschluss 12.2 über den
high-side-FET 52 mit der Batteriespannung 40 verbunden
werden kann. Auch hier ist der erste Heizeranschluss 12.1 des
Heizers 12 gemeinsam mit der Innenpump-/Nernstelektrode 13.2 der
kombinierten Pump-/Nernstzelle 13 über die zweite Verbindungsstelle 22 mit
dem Steuergerät 30 verbunden
und eine Verbindungsstelle wird gegenüber einer getrennten Versorgung
des Heizers 12 eingespart.
5 zeigt
eine Ausführungsform
für die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 mit
einem Betriebsgerät 60,
bei der die Pumpzelle 10, die Nernstzelle 11 und
der Heizer 12 gemeinsam an einem Gehäuse der in das Abgas ragenden
Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 angeschlossen sind.
Die Zweizellen-Breitband-Lambdasonde 2 ist über metallische
Bauteile der Brennkraftmaschine und deren Abgasstrang mit der Batterie-Masse
verbunden. Vorteilhaft ist hier, dass gegenüber den in den 1a, 1b und 2 gezeigten
Ausführungen
eine weitere Verbindung am Steckverbinder 20 eingespart werden
kann. Der Nernstzellen-Innenwiderstand 14 und
der Pumpzellen-Innenwiderstand 15 sind hier schematisch
gezeigt. Ein zwischen den metallischen Bauteilen der Brennkraftmaschine
oder deren Abgasstrang und dem Gehäuse der in das Abgas ragenden
Sonde möglicherweise
auftretender Übergangswiderstand 17 ist
schematisch gezeigt. Die Nernstzelle 11 ist an der zweiten
Verbindungsstelle 22 des Steckverbinders 20 mit
dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 34 verbunden.
Ihre Innenpump-/Nernstelektrode ist über den im Vergleich zum Nernstzellen-Innenwiderstand 14 niederohmigen
Heizer 12 über
die dritte Verbindungsstelle 23 mit der Referenzspannungsquelle 31 verbunden. Die
Niederohmigkeit des Heizers 12 hat den Vorteil, dass bei
dem bei der Messung der Nernstspannung geringen fließenden Strom
der Messfehler sehr gering ist. Die Referenzspannungsquelle 31 ist
mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 34 verbunden,
dessen Ausgangssignal einer Sample-and-Hold-Schaltung 62 zugeführt ist.
Ein Ausgangssignal der Sample-and-Hold-Schaltung 62 ist
einem Pumpstromwandler 61 zugeführt, der über die erste Verbindungsstelle 21 des
Steckverbinders 20 der Pumpzelle 10 einen Pumpstrom
zuführt.
Synchron mit einer Taktung der Sample-and-Hold-Schaltung 62 wird
der mit der Batteriespannung 40 verbundene high-side-FET 52 geöffnet und
aktiviert den Heizer 12; dies ist schematisch durch die
Verbindung der Sample-and-Hold-Schaltung 62 mit dem high-side-FET 52 angedeutet.
In den Taktpausen der Aktivierung des Heizers 12 wird die
Spannung der Nernstzelle 11 relativ zur Referenzspannungsquelle 31 im
Differenzverstärker 34 bewertet
und das Ergebnis mittels der Sample-and- Hold-Schaltung 62 für die übrige Dauer
des Taktzyklus konstant gehalten, so dass der Pumpstromwandler 61 die
Pumpzelle mit dem nötigen
Pumpstrom versorgen kann. Durch die Messung in der Taktpause tritt
im Moment der Messung der Nernstspannung an der Nernstzelle 11 an dem Übergangswiderstand 17 kein
die Messung verfälschender
Spannungsabfall auf, obwohl auch in dieser Anordnung eine Verbindung
zwischen der Sonde und dem Betriebsgerät 60 eingespart wurde, indem
die Anschlüsse
des Heizers 12 nicht beide direkt mit dem Betriebsgerät verbunden
sind.