-
Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gassensor-Regelgerät
zur Regelung des Betriebs eines eine Festelektrolytschicht aufweisenden
und zur Messung einer Gaskonzentration dienenden Gassensors und betrifft
insbesondere ein Regelgerät dieser Art, das zur Gewährleistung
der Messgenauigkeit eines Gassensors ausgestaltet ist.
-
Es
sind bereits Sauerstoffsensoren mit einem sogenannten Grenzstrom-
oder Sättigungsstromverhalten bekannt, die als Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren
zur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O2)
in den Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen
zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einer
Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches dienen.
Ein solcher Sauerstoffsensor umfasst meist ein aus einer Festelektrolytschicht
wie z. B. Zirkondioxid bestehendes Sensorelement und zwei Elektroden,
die an der Festelektrolytschicht angebracht sind. Die Messung der
Sauerstoffkonzentration erfolgt hierbei durch Anlegen einer Spannung
an die Festelektrolytschicht über die Elektroden, wodurch
das Fließen eines elektrischen Stroms über das
Sensorelement als Funktion der Sauerstoffkonzentration herbeigeführt
wird, sodass der elektrische Strom zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses abgetastet
werden kann.
-
Zur
Gewährleistung einer genauen Messung der Sauerstoffkonzentration
ist jedoch eine Regelung der an das Sensorelement anzulegenden Spannung
erforderlich, wobei in Bezug auf diese Klemmenspannungsregelung
des Sensorelements bereits verschiedene Techniken vorgeschlagen
worden sind. So ist z. B. aus der
japanischen
Patent-Offenlegungsschrift 2004-251 891 ein Gaskonzentrationsmessgerät
bekannt, das zur Regelung der an das Sensorelement anzulegenden
Spannung unter Verwendung einer Klemmenspannungscharakteristik in
Form einer Kennlinie erster Ordnung (die nachstehend auch als Klemmenspannungskennlinie
bezeichnet wird) und Messung der Sauerstoffkonzentration in einem
größeren Bereich unter Verwendung eines über
das Sensorelement fließenden elektrischen Stroms (der nachstehend
auch als Sensorstrom bezeichnet wird) ausgestaltet ist. Bei diesem
Gaskonzentrationsmessgerät wird die Klemmenspannungscharakteristik
auf der Basis der Größe bzw. Breite eines Grenzstrombereichs
(d. h. eines flachen Bereichs einer Ausgangsgröße des
Sensorelements) verändert, der jeweils bei vorgegebenen
Werten der Sauerstoffkonzentration in einem Gaskonzentrationsmessbereich
auftritt.
-
Hierbei
erfolgt bei diesem Gaskonzentrationsmessgerät eine Änderung
der Steigung der Klemmenspannungskennlinie, um die an den Sensor
anzulegende Spannung bzw. Klemmenspannung bei den jeweiligen Werten
der Sauerstoffkonzentration in den Grenzstrombereich (d. h. den
flachen Bereich) hinein zu verlagern. Die Größe
bzw. Breite dieser flachen Bereiche der Klemmenspannungskennlinie
können jedoch bei jeweiligen Sensoren unterschiedlich ausfallen,
was sich dann nur durch Vornahme einer Steigungskorrektur der Klemmenspannungskennlinie
gegebenenfalls nicht mehr ausgleichen lässt. Die Regelung
der an das Sensorelement anzulegenden Spannung ist somit weiterhin
verbesserungsfähig.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile des
Standes der Technik zu vermeiden und ein Gassensor-Regelgerät
anzugeben, das eine Regelungskorrektur der an einen Gassensor anzulegenden
Spannung zur Gewährleistung der erforderlichen Messgenauigkeit
des Gassensors ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen
Mitteln gelöst.
-
Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird ein Gassensor-Regelgerät
angegeben, das in Verbindung mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor
zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines
der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zugeführten
Luft-Kraftstoff-Gemisches im Rahmen einer Verbrennungsregelung der
Brennkraftmaschine Verwendung finden kann. Das Gassensor-Regelgerät
ist hierbei zur Regelung des Betriebs eines Gassensors mit einem
Festelektrolytkörper und einer an gegenüberliegenden Oberflächen
des Festelektrolytkörpers jeweils angebrachten ersten und
zweiten Elektrode ausgestaltet und umfasst (a) einen Sensorstrom-Abtastwiderstand,
der mit einem ersten Anschluss in Reihe geschaltet ist, der einen
zu der ersten Elektrode des Gassensors führenden positiven
oder negativen Anschluss bildet, (b) eine erste Spannungszuführungsschaltung,
die über den Sensorstrom-Abtastwiderstand eine auf einer
ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an dem zu dem Gassensor
führenden ersten Anschluss erzeugt, (c) eine zweite Spannungszuführungsschaltung,
die eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung
an einem zweiten Anschluss erzeugt, der den zu der zweiten Elektrode
des Gassensors führenden anderen positiven oder negativen
Anschluss bildet, und (d) einen Regler, der über den Sensorstrom-Abtastwiderstand
einen Sensorstrom, der einen bei Anlegen einer Spannung an den ersten
und zweiten Gassensor-Anschluss durch den Gassensor fließenden
und auf der Erzeugung der ersten und zweiten Spannung an dem ersten
und zweiten Anschluss beruhenden elektrischen Strom darstellt, zur
Erzeugung eines auf dem Sensorstrom basierenden und eine Funktion
der Konzentration eines gegebenen Gases darstellenden Signals abtastet,
wenn eine Messung der Impedanz des Gassensors erforderlich ist,
wobei der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung
verändert und die sich ergebende und die Impedanz des Gassensors
repräsentierende Änderung des Sensorstroms abtastet
und ausgibt.
-
Im
einzelnen wird im Betrieb des Gassensor-Regelgeräts die
auf der Basis der ersten Bezugsspannung erzeugte erste Spannung
dem ersten Anschluss des Gassensors zugeführt, während
die auf der Basis der zweiten Bezugsspannung erzeugte zweite Spannung
dem zweiten Anschluss des Gassensors zugeführt wird. An
dem Gassensor liegt somit eine sich aus der Differenz zwischen der
ersten und zweiten Spannung ergebende Spannung an. Der Regler überwacht
die an den Anschlüssen des Sensorstrom-Abtastwiderstands auftretende
Spannung zur Abtastung des Sensorstroms, der über den Gassensor
in Abhängigkeit von der an ihn angelegten Spannung fließt.
Außerdem verändert der Regler die Ausgangsspannung
der ersten Spannungszuführungsschaltung in Bezug auf die
erste Bezugsspannung, um eine Wechselspannung an den Gassensor zur
Messung von dessen Impedanz anzulegen. Der Impedanzwert kann zur
Regelung der Aktivierung des Gassensors Verwendung finden. So dient
z. B. die ermittelte Impedanz zur Regelung der Temperatur des Gassensors über
eine Heizeinrichtung.
-
Der
bei einem Sensorstrom von 0 (d. h. 0 mA) an den Gassensor angelegte
Spannungswert (d. h. der Nullpunkt) hängt von der ersten
und der zweiten Bezugsspannung ab und kann somit durch Regelung
der ersten und/oder der zweiten Bezugsspannung geändert
oder korrigiert werden. Durch eine solche Korrektur kann die an
den Gassensor anzulegende Spannung genau innerhalb eines gewünschten
Bereiches einer Ausgangscharakteristik des Gassensors festgelegt
werden. Diese Nullpunktkorrektur erfolgt z. B. im Rahmen von Prüfstandtests
bei der Auslieferung des Gassensor-Regelgerätes.
-
Die
Nullpunktkorrektur wird hierbei durch Änderung oder Regelung
der zweiten Bezugsspannung vorgenommen. Die erste Bezugsspannung
stellt nämlich eine Bezugsspannung für sowohl
die Abtastung des Sensorstroms als auch die Bildung der Amplitude
der Wechselspannung zur Messung der Impedanz des Gassensors dar,
sodass eine Änderung der ersten Bezugsspannung zur Nullpunktkorrektur
nachteilige Auswirkungen auf andere Operationen des Gassensor-Regelgeräts
haben kann. So kann z. B. eine Änderung dieser Bezugsspannung
zu Abweichungsfehlern (Offsetfehlern) bei der Abtastung des Sensorstroms
führen. Demgegenüber trägt die zweite
Bezugsspannung nicht direkt zur Abtastung des Sensorstroms oder
zur Impedanzmessung bei, wobei insbesondere die zweite Spannungszuführungsschaltung
unabhängig von dem Sensorstrom-Abtastwiderstand vorgesehen
ist und keine Komponente der die Wechselspannung erzeugenden ersten Spannungszuführungsschaltung
darstellt. Eine Regelung der zweiten Bezugsspannung hat daher keine
Auswirkungen auf die Operationen des Gassensor-Regelgeräts.
-
In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein integrierter Schaltkreis
wie ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) vorgesehen,
in dem die erste Spannungszuführungsschaltung ausgebildet
ist, während die zweite Spannungszuführungsschaltung
eine außerhalb des integrierten Schaltkreises angeordnete
Bezugsspannungsschaltung zur Erzeugung der zweiten Bezugsspannung
umfasst, was die Korrektur der zweiten Bezugsspannung erleichtert
und vereinfacht.
-
Die
zweite Spannungszuführungsschaltung kann hierbei einen
Spannungsteiler umfassen, der einen Widerstand zur Bildung eines
Teilwertes der Ausgangsspannung einer Konstantspannungsquelle zur
Erzeugung der zweiten Bezugsspannung aufweist, sodass die Korrektur
der zweiten Bezugsspannung durch Änderung der Widerstandswerte
der Widerstände erfolgen kann.
-
Außerdem
kann die zweite Spannungszuführungsschaltung eine Brückenschaltung
umfassen, die aus vier Widerständen und einem ersten und
einem zweiten Schalter besteht, die jeweils auf der Seite des hohen und
der Seite des niedrigen Potentials der Brückenschaltung
angeordnet sind, wobei der Regler den ersten und zweiten Schalter
zur Änderung der ersten Spannung in Bezug auf die erste
Bezugsspannung abwechselnd einschaltet und abschaltet. Eine Veränderung der
ersten Bezugsspannung erfordert somit eine Änderung der
Widerstandswerte von sämtlichen Widerständen der
Brückenschaltung. Die Regelung der zweiten Bezugsspannung
zur Nullpunktkorrektur ist daher bei einer solchen Anordnung sehr
zweckmäßig.
-
Wenn
die erste Spannungszuführungsschaltung in der vorstehend
beschriebenen Weise in dem integrierten Schaltkreis ausgebildet
ist, erfordert die Änderung der ersten Bezugsspannung,
dass die Widerstände der Brückenschaltung außerhalb
des integrierten Schaltkreises angeordnet und dass an dem integrierten Schaltkreis
zusätzliche Anschlüsse vorgesehen sind. Diese
Erfordernisse entfallen jedoch, wenn eine Regelung der zweiten Bezugsspannung
zur Nullpunktkorrektur erfolgt.
-
Weiterhin
kann die zweite Spannungszuführungsschaltung zur Verstärkung
des von dem Sensorstrom-Abtastwiderstand erfassten Sensorstroms
zur Steuerung der an dem zweiten Anschluss erzeugten zweiten Spannung
ausgestaltet sein. Die zweite Spannungszuführungsschaltung
kann hierbei z. B. einen invertierenden oder nichtinvertierenden
Verstärker umfassen, wobei die zweite Bezugsspannung in
einen Eingang des Verstärkers und der Sensorstrom in den
anderen Eingang des Verstärkers eingegeben werden. Der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers kann dann durch Änderung des Verhältnisses
eines Eingangswiderstandwertes zu einem Rückkopplungswiderstandswert
geregelt werden. Die Steigung der zur Bestimmung der an den Gassensor
anzulegenden Spannung verwendeten Klemmenspannungskennlinie kann
dann durch Regelung des Verstärkungsfaktors korrigiert
werden.
-
Gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren
zur Regelung einer an einen Gassensor mit einem Festelektrolytkörper
und einer an gegenüberliegenden Oberflächen des
Festelektrolytkörpers jeweils angebrachten ersten und zweiten
Elektrode anzulegenden Spannung mit Hilfe eines Gassensor-Regelgeräts
angegeben, das (a) einen Sensorstrom-Abtastwiderstand, der mit einem
ersten Anschluss in Reihe geschaltet ist, der einen zu der ersten
Elektrode des Gassensors führenden positiven oder negativen Anschluss
bildet, (b) eine erste Spannungszuführungsschaltung, die über
den Sensorstrom-Abtastwiderstand eine auf einer ersten Bezugsspannung
basierende erste Spannung an dem zu dem Gassensor führenden
ersten Anschluss erzeugt, (c) eine zweite Spannungszuführungsschaltung,
die eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung
an einem zweiten Anschluss erzeugt, der den zu der zweiten Elektrode
des Gassensors führenden anderen positiven oder negativen
Anschluss bildet, und (d) einen Regler aufweist, der zur Regelung
der zweiten Spannung eine an den ersten und zweiten Gassensor-Anschluss
anzulegende Klemmenspannung auf der Basis einer gegebenen Klemmenspannungscharakteristik
bzw. Klemmenspannungskennlinie bestimmt und über den Sensorstrom-Abtastwiderstand
einen Sensorstrom, der einen durch den Gassensor auf Grund des Anlegens
der Klemmenspannung fließenden elektrischen Strom darstellt, zur
Erzeugung eines auf dem Sensorstrom basierenden und eine Funktion
der Konzentration eines gegebenen Gases darstellenden Signals abtastet.
Wenn eine Messung der Impedanz des Gassensors erforderlich ist, verändert
der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung
und führt eine Abtastung und Ausgabe der sich ergebenden
und die Impedanz des Gassensors repräsentierenden Änderung
des Sensorstroms durch. Das Verfahren umfasst hierbei eine Abtastung
der Ausgangscharakteristik bzw. Ausgangskennlinie des Gassensors
sowie eine Korrektur der Klemmenspannungscharakteristik bzw. Klemmenspannungskennlinie
auf der Basis der abgetasteten Ausgangscharakteristik bzw. Ausgangskennlinie,
um die an den Gassensor angelegte Klemmenspannung mit einer gewünschten
Spannung in Übereinstimmung zu bringen.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Schaltbild des elektrischen Schaltungsaufbaus eines erfindungsgemäßen
Gassensor-Regelgerätes,
-
2 eine
Querschnittsansicht eines von dem Gassensor-Regelgerät
gemäß 1 zu regelnden Sensorelements,
-
3 ein
Beispiel für ein Klemmenspannungs-Ausgangsstrom-Kennlinienfeld
zur Verwendung bei der Bestimmung einer an das Sensorelement gemäß 2 anzulegenden
Sollspannung,
-
4 den
Verlauf einer an das Sensorelement gemäß 2 zur
Messung von dessen Impedanz angelegten Spannung,
-
5 ein
Schaubild, das die zeitabhängige Veränderung des
Ausgangssignals des Sensorelements gemäß 2 unmittelbar
nach einem Starten einer Brennkraftmaschine veranschaulicht,
-
6(a) ein Schaubild, das eine Ausgangscharakteristik
des Sensorelements gemäß 2 beim Anlegen
einer Spannung an das Sensorelement veranschaulicht,
-
6(b) ein Schaubild, das die Einstellung oder Korrektur
einer zur Bestimmung der an das Sensorelement gemäß 2 anzulegenden
Spannung verwendeten Klemmenspannungskennlinie in Form einer Kennlinie
erster Ordnung veranschaulicht, und
-
7 ein
Schaltbild des elektrischen Schaltungsaufbaus eines Beispiels für
ein bekanntes Gassensor-Regelgerät.
-
In
den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile und
Bauelemente in verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist insbesondere
in 1 ein erfindungsgemäßes Gassensor-Regelgerät
veranschaulicht, das als Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät
zur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O2)
in den Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der
Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches
ausgestaltet ist. Das das Luft-Kraftstoff-Verhältnis angebende
Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerätes
findet bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem
Verwendung, das mit Hilfe eines elektronischen Steuergerätes
in Form einer elektronischen Steuereinheit (ECU) realisiert wird.
Das Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem dient hierbei
zur Durchführung einer stöchiometrischen Verbrennungsregelung,
bei der das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis durch Rückkopplung
auf den Bereich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
eingeregelt wird, oder zur Durchführung einer Magerbetriebsregelung,
bei der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Rückkopplung
auf einen vorgegebenen Magerbereich eingeregelt wird.
-
Das
Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät umfasst im
allgemeinen eine elektronische Motorsteuereinheit 1 (ECU 1)
sowie einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor (A/F-Sensor),
der ein planares Sensorelement 10 mit dem in 2 veranschaulichten
Querschnittsaufbau aufweist (das nachstehend auch als Laminat-Sensorelement
bezeichnet ist).
-
Die
Längsabmessungen des Sensorelements
10 verlaufen
senkrecht zur Zeichenebene gemäß
2,
wobei das Sensorelement
10 in der Praxis in einem mit einer
Schutzkappe versehenen Sensorgehäuse angeordnet ist. Der
Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor ist hierbei im Abgasrohr
einer Brennkraftmaschine angeordnet. Aus der
EPO 987 546 A2 der Anmelderin
sind Aufbau und betriebliche Regelung eines solchen Gassensors im
einzelnen bekannt, worauf im Rahmen der nachstehenden Beschreibung
Bezug genommen wird.
-
Das
Sensorelement 10 besteht aus einer Festelektrolytschicht 11,
einer Diffusionswiderstandsschicht 12, einer Abschirmschicht 13 und
einer Isolierschicht 14, die laminiert oder in Form einer
vertikalen Schichtanordnung aufgebaut sind, wie dies in der Zeichnung
dargestellt ist. Das Sensorelement 10 ist ferner von einer (nicht
dargestellten) Schutzschicht umgeben. Die Festelektrolytschicht 11 besteht
aus einem rechteckigen teilstabilisierten Zirkondioxidblatt bzw.
-plättchen, an dessen gegenüberliegenden Oberflächen
eine obere Elektrode 15 und eine untere Elektrode 16 angebracht
sind. Die Diffusionswiderstandsschicht 12 besteht aus einem porösen
Blatt bzw. Plättchen, das ein Hindurchtreten der Abgase
zu der Elektrode 15 ermöglicht, während
die Abschirmschicht 13 aus einem dichten Blatt bzw. Plättchen
besteht, das ein Hindurchtreten der Abgase verhindert. In der Diffusionswiderstandsschicht 12 ist
hierbei eine Mischkammer 17 ausgebildet, in der die Elektrode 15 freiliegend
angeordnet ist.
-
Die
Diffusionswiderstandsschicht 12 und die Abschirmschicht 13 werden
hierbei jeweils unter Verwendung eines Blattes bzw. Plättchens
aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid oder Zirkondioxid mit
unterschiedlicher mittlerer Porosität oder Gasdurchlässigkeit
ausgebildet.
-
Die
Isolierschicht 14 besteht aus einem Keramikmaterial wie
Aluminiumoxid oder Zirkondioxid und ist mit einem Luftkanal 18 versehen,
in dem die Elektrode 16 freiliegend angeordnet ist. In
die Isolierschicht 14 ist ferner eine Heizeinrichtung 19 eingebettet,
die aus einem Heizdraht besteht, der von einer im Fahrzeug angeordneten
Speicherbatterie zur Erwärmung des gesamten Sensorelements 10 auf
eine gewünschte Aktivierungstemperatur mit Strom versorgt
wird.
-
Die
durch ein das Sensorelement 10 enthaltendes Abgasrohr der
Brennkraftmaschine hindurchströmenden Abgase treten seitlich
durch die Diffusionswiderstandsschicht 12 hindurch und
erreichen die in der Mischkammer 17 befindliche Elektrode 15.
Wenn ein Magerzustand (höherer Sauerstoffanteil) der Abgase
vorliegt, werden die in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffmoleküle
durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 15 und 16 aufgespalten
oder ionisiert, sodass sie über die Festelektrolytschicht 11 und
die Elektrode 16 in den Luftkanal 18 abgeführt
werden. Dies hat zur Folge, dass ein positiver Strom von der Elektrode 16 zu
der Elektrode 15 fließt. Wenn sich dagegen die
Abgase in einem fetten Zustand (geringerer Sauerstoffanteil) befinden,
werden die in der im Luftkanal 18 befindlichen Luft enthaltenen
Sauerstoffmoleküle von der Elektrode 16 ionisiert,
sodass sie über die Festelektrolytschicht 11 und die
Elektrode 15 in das Abgasrohr abgeführt werden.
Die Wirkungsweise des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors
ist im übrigen aus dem Stand der Technik bekannt, sodass
sich eine weitere detaillierte Beschreibung erübrigt.
-
3 zeigt
eine typische Spannungs-Strom-Abhängigkeit (d. h. eine
V-I-Charakteristik) des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors.
Die parallel zu der Abszisse (d. h. der Vp-Achse) verlaufenden gradlinigen
Abschnitte (flachen Bereiche) der dargestellten V-I-Kennlinie bezeichnen
jeweils einen Grenzstrombereich, in dem das Sensorelement 10 einen
elektrischen Strom IL (d. h. einen Grenzstrom,
der nachstehend auch als Sensorstrom bezeichnet wird) als Funktion
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (d. h. eines fetten oder
mageren Zustands) erzeugt. Wenn hierbei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in den mageren Bereich übergeht, steigt der von dem Sensorelement 10 erzeugte
Strom IL an, während bei einem Übergang
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in den fetten Bereich
ein Abfallen des Stroms IL erfolgt. Die
Kennlinie LX stellt hierbei eine Klemmenspannungskennlinie dar (d.
h. ein in Form eines Segments erster Ordnung dargestelltes Klemmenspannungskennfeld),
die eine an das Sensorelement 10 (d. h. die Elektroden 15 und 16)
anzulegende Sollspannung Vp angibt. Die Steigung der Kennlinie LX
entspricht weitgehend der Steigung eines Bereichs der V-I-Kennlinie
mit einer im Vergleich zu dem Grenzstrombereich niedrigeren Spannung,
der einen vom Widerstand des Sensorelements 10 abhängigen
Bereich darstellt.
-
Wie 1 zu
entnehmen ist, umfasst das Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät
eine Sensorregelschaltung 20 der elektronischen Motorsteuereinheit 1 (ECU 1).
Die Sensorregelschaltung 20 umfasst wiederum einen anwendungsspezifischen
integrierten Schaltkreis 2 (ASIC 2).
-
Außerdem
umfasst die Sensorregelschaltung 20 eine mit einem zu der
Elektrode 16 führenden positiven Anschluss (Anschluss
S+) des Sensorelements 10 verbundene Spannungszuführungssteuerschaltung 21, die
ihrerseits eine Bezugsspannungsschaltung 22, einen nichtinvertierenden
Verstärker 23 sowie einen Schwingungssteuerkondensator 24 aufweist.
Die Bezugsspannungsschaltung 22 ist hierbei mit dem einen Operationsverstärker 23a umfassenden
nichtinvertierenden Verstärker 23 verbunden, wobei
der Kondensator 24 zwischen dem invertierenden Eingang
(–Eingang) und dem Ausgang des Operationsverstärkers 23a angeordnet
ist. Der nichtinvertierende Verstärker 23 ist
ferner mit einem Schwingungssteuerungs-Tiefpassfilter (LPF) versehen.
Die Bezugsspannungsschaltung 22 umfasst einen Spannungsteiler,
der aus Widerständen R4 und R5 sowie einem mit einem Verbindungspunkt
der Widerstände R4 und R5 verbundenen Widerstand R3 besteht.
Mit Vcc ist eine Konstantspannungsquelle bezeichnet, die eine Ausgangsspannung
von z. B. 5 V abgibt. Die Bezugsspannungsschaltung 22 kann
hierbei in Form eines auf der rechten Seite von 1 veranschaulichten
Ersatzschaltbilds dargestellt werden, das eine Reihenschaltung aus
einer eine Bezugsspannung Vref2 erzeugenden Spannungsquelle und
einem Widerstand R345 umfasst. Die Bezugsspannungsschaltung 22 und der
Kondensator 24 sind hierbei außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet.
-
Der
ASIC-Schaltkreis 2 umfasst seinerseits eine Wechselspannungszuführungsschaltung 26 und
einen Pufferverstärker 27, die über einen
Stromabtastwiderstand 28 mit einem negativen Anschluss
(d. h. der Elektrode 15) des Sensorelements 10 in
Reihe geschaltet sind. Die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 dient
hierbei zur Erzeugung und Abgabe einer Wechselspannung mit einer
Frequenz von z. B. 10 kHz bis 20 kHz und ist ebenfalls mit einem
Tiefpassfilter versehen, über das die abgegebene Spannung
dem Sensorelement 10 zugeführt wird.
-
Die
Wechselspannungszuführungsschaltung
26 umfasst
hierbei eine Wechselspannungssteuerschaltung
26a, eine
Wechselspannungsbrückenschaltung
26b sowie ein
Tiefpassfilter
26c und dient zur Erzeugung einer Wechselspannung
mit Amplituden, die sich in Bezug auf eine Bezugsspannung Vref1
in positiver und negativer Richtung abwechselnd verändern.
Die Wechselspannungsbrückenschaltung
26b besteht
aus Widerständen R
10, R
11, R
12 und R
13 sowie Schaltern SW1 und SW2, wobei die
Schalter SW1 und SW2 über den ASIC-Schaltkreis
2 abwechselnd
eingeschaltet werden, um die Wechselspannung mit in Bezug auf die
Bezugsspannung Vref1 veränderlichen Amplituden zu erzeugen.
Wenn hierbei der Schalter SW1 eingeschaltet und der Schalter SW2
abgeschaltet werden, führt dies in der in
4 dargestellten
Weise zu einer Änderung oder Ablenkung der Wechselspannung
zur positiven Seite (d. h. zu einem höheren Potential)
um eine Amplitude ΔV
H in Bezug
auf die Bezugsspannung Vref1. Wenn dagegen der Schalter SW1 abgeschaltet
und der Schalter SW2 eingeschaltet werden, führt dies zu
einer Änderung oder Ablenkung der Wechselspannung zur negativen
Seite (d. h. zu einem niedrigeren Potential) um eine Amplitude ΔV
L in Bezug auf die Bezugsspannung Vref1.
Die Amplituden ΔV
H und ΔV
L mit jeweils höherem bzw. niedrigerem
Potential lassen sich durch die nachstehenden Gleichungen ausdrücken:
wobei
R
10//R
12 den gemeinsamen
Widerstand von R
10 und R
12 (d.
h. (R
10 × R
12)/(R
10 + R
12)) angibt,
was auch für R
11//R
13 zutrifft.
-
Der
Sensorstrom-Abtastwiderstand 28 ist zwischen der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 und
dem Sensorelement 10 in eine Leitung geschaltet, über
die der Sensorstrom IL fließt.
Hierbei besitzt der Stromabtastwiderstand 28 den Widerstandswert
R1. Ein aus einem Widerstand und einem Kondensator
bestehendes Tiefpassfilter 29 ist mit einem Verbindungspunkt
A zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und dem Sensorelement 10 (d.
h. dem Anschluss S–) verbunden. Ferner ist das Tiefpassfilter 29 mit
dem nichtinvertierenden Eingang (d. h. dem +Eingang) des Operationsverstärkers 23a des
nichtinvertierenden Verstärkers 23 verbunden.
-
Wenn
im Betrieb die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 dem
Sensorelement 10 die Wechselspannung zur Abtastung der
Impedanz des Sensorelements 10 zuführt, fließt über
das Sensorelement 10 ein elektrischer Strom (d. h. der
Sensorstrom IL), der eine eine Funktion
der Sauerstoffkonzentration des Abgases der Brennkraftmaschine (d.
h. eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) darstellende Komponente
und eine eine Funktion der (nachstehend auch als Sensorimpedanz
bezeichneten) Impedanz des Sensorelements 10 darstellende
Komponente enthält. Hierbei ändert sich der Betrag
der an dem Verbindungspunkt A zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und
dem Sensorelement 10 auftretenden Spannung in Abhängigkeit
von dem Zyklus, in dem sich die Amplitude der an das Sensorelement 10 angelegten
Wechselspannung ändert, d. h. in Abhängigkeit
von der Frequenz der Wechselspannung, wobei diese Spannung dann
dem nichtinvertierenden Verstärker 23 der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 über
das Tiefpassfilter 29 zugeführt wird. Hierbei wird
ein Sensorstromsignal (d. h. die am Verbindungspunkt A auftretende
Spannung) über einen Rückkopplungskreis FB1 der
Spannungszuführungssteuerschaltung 21 zugeführt,
die dann das Sensorstromsignal zur Steuerung der dem Sensorelement 10 auf
diese Weise zuzuführenden Spannung verstärkt.
-
Die
Sensorregelschaltung 20 umfasst außerdem Signalausgabeschaltungen 31 und 32,
denen die an dem Verbindungspunkt A zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und
dem Sensorelement 10 (d. h. dem Anschluss S–)
auftretende Spannung, d. h. ein Teilwert der an den Stromabtastwiderstand 28 und
das Sensorelement 10 eingelegten Spannung, zugeführt
wird. Die Signalausgabeschaltung 31 ist hierbei als Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung
zur Ausgabe eines das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis
für eine Brennkraftmaschine angebenden Luft-Kraftstoffverhältnis-Signals
ausgestaltet, während die Signalausgabeschaltung 32 als
Impedanz-Signalausgabeschaltung zur Ausgabe eines die Impedanz des
Sensorelements 10 angebenden ZAC-Signals ausgestaltet ist.
Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 umfasst
einen nichtinvertierenden Verstärker, dem die am Verbindungspunkt
A anstehende Spannung über das Tiefpassfilter 29 zugeführt
wird. Das Tiefpassfilter 29 dient hierbei zur Unterdrückung
einer eine Funktion der Impedanz des Sensorelements 10 darstellenden
Gleichspannungskomponente der am Verbindungspunkt A anstehenden
Spannung in der erhaltenen Eingangsspannung und ist zur Verringerung
der Anzahl von Anschlüssen (Anschlussstiften) des ASIC-Schaltkreises 2 in
dem Rückkopplungskreis FB1 angeordnet.
-
Das
Luft-Kraftstoffverhältnis-Signal und das ZAC-Signal werden
von den Signalausgabeschaltungen 31 und 32 einem
Mikrocomputer 33 der elektronischen Motorsteuereinheit 1 zugeführt,
der in der üblichen Weise aufgebaut ist und aus einer Zentraleinheit
(CPU), Speichern sowie Analog/Digital-Umsetzern besteht. Der Mikrocomputer 33 tastet
das Luft-Kraftstoffverhältnis-Signal und das ZAC-Signal über
die Analog/Digital-Umsetzer ab und bestimmt die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs
angebende Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie die Impedanz des
Sensorelements 10 (die nachstehend auch als Sensorimpedanz
ZAC bezeichnet wird). Hierbei dient die Sensorimpedanz ZAC z. B.
zur Regelung der Aktivierung des Sensorelements 10 mit
Hilfe der Heizeinrichtung 19.
-
Die
Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 wird
von einem aus einem Tiefpassfilter und einem Operationsverstärker
bestehenden Verstärker gebildet und dient zur Ableitung
der eine Funktion des Momentanwertes des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches
darstellenden Gleichstromkomponente des Sensorstroms aus der am
Verbindungspunkt A anstehenden Spannung zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und
dem Sensorelement 10. Hierbei verstärkt die Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 die
abgeleitete Gleichstromkomponente mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor
und führt sie dem Mikrocomputer 33 zu. Die Impedanz-Signalausgabeschaltung 32 besteht
aus einem Hochpassfilter (HPF) und einer Spitzenwert-Speicherschaltung
(PH) mit einem Verstärker und dient zur Ableitung der eine
Funktion des Momentanwertes der Impedanz des Sensorelements 10 darstellenden
Wechselstromkomponente des Sensorstroms aus der am Verbindungspunkt
A anstehenden Spannung. Die Impedanz-Signalausgabeschaltung 32 tastet
hierbei den Spitzenwert der Wechselstromkomponente ab und führt
ihn in Form des ZAC-Signals dem Mikrocomputer 33 zu. Die
Verstärkungsfaktoren der Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 und
der Impedanz-Signalausgabeschaltung 32 werden hierbei unabhängig
voneinander festgelegt.
-
Üblicherweise
hängen die Ausgangskennlinien des Sensorelements 10 wie
z. B. die in 3 dargestellte V-I-Kennlinie
von Eigenschaften des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors
wie z. B. der Rate, mit der das Sensorelement 10 von einem
kalten in einen erwärmten oder aktivierten Zustand versetzt
wird, und dem Ansprechverhalten bzw. der Empfindlichkeit des Sensorelements 10 ab.
Dies kann zu Unterschieden in dem flachen Bereich der Ausgangskennlinie
des Sensorelements 10 (d. h. der V-I-Kennlinie in dem Kennlinienfeld
gemäß 3) bei jeweiligen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren
führen, sodass eine entsprechende Einstellung bzw. Regelung
der Klemmenspannungskennlinie des Kennlinienfeldes gemäß 3 erforderlich
ist.
-
Wenn
das Sensorelement 10 nach einem Starten der Brennkraftmaschine
vom kalten in den erwärmten Zustand übergeht,
normalisiert sich das Ausgangssignal des Sensorelements 10 in
der in 5 dargestellten Weise nur allmählich
bis zum Übergang auf einen vorgegebenen Wert (kraftstofffetter
Zustand des Abgases in dem dargestellten Beispiel). Während
einer solchen Erwärmung des Sensorelements 10 kann
somit dessen Ausgangssignal in den kraftstofffetten Bereich hinein
abweichen. Dies beruht auf der im Verlauf des Temperaturanstiegs
des Sensorelements 10 nach dem Starten der Brennkraftmaschine
erfolgenden Entfernung von organischen Stoffen wie HC von Partikeloberflächen
der Diffusionswiderstandsschicht 12 und/oder der Innenwand
der Mischkammer 17 des Sensorelements 10. Eine
solche Abweichung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 zur
kraftstofffetten Seite hin tritt insbesondere dann auf, wenn das
Sensorelement 10 zur Verringerung der Abgasemissionen unmittelbar
nach einem Starten der Brennkraftmaschine schnell aktiviert wird.
Diese Ausgangssignalabweichung des Sensorelements 10 kann
zwar durch Vergrößerung der Partikelabmessungen
der Diffusionswiderstandsschicht 12 oder Eliminieren der
Mischkammer 17 vermieden werden, was jedoch den Nachteil
hat, dass sich hierdurch der flache Bereich der Ausgangskennlinie
des Sensorelements 10 (d. h. der V-I-Kennlinie gemäß 3)
verengt.
-
6(a) zeigt eine Ausgangscharakteristik bzw. Ausgangskennlinie
des Sensorelements 10 in Form der V-I-Kennlinie. Ein oberes
gradliniges Segment dieser V-I-Kennlinie bezeichnet hierbei den
Grenzstrombereich (d. h. den flachen Bereich), in dem die Sauerstoffkonzentration
des Abgases einen der Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft
entsprechenden Wert annimmt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases somit einen Wert aufweist, der einem Zustand entspricht,
bei dem eine Abschaltung der Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine
erfolgt, sodass der Brennkraftmaschine nur Luft zugeführt
wird. Der flache Bereich besitzt hierbei die Breite W1 und wird
nachstehend auch als Außenluftverhältnisbereich
bezeichnet. Ein unteres gradliniges Segment bezeichnet hierbei einen
Grenzstrombereich, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches
10:1 beträgt. Der flache Bereich besitzt hierbei die Breite
W2. Die Änderung der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 auf
Grund der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Verhinderung
einer Abweichung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 in
den kraftstofffetten Bereich hinein ist gestrichelt dargestellt,
wobei der gestrichelt dargestellte obere flache Bereich die Breite
W3 und der gestrichelt dargestellte untere flache Bereich die Breite
W4 aufweisen. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur
Verhinderung der Abweichung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 führen
somit zu einer Verengung der flachen Bereiche von dem Wert W1 zu
dem Wert W3 und von dem Wert W2 zu dem Wert W4.
-
Wenn
die Klemmenspannungskennlinie unabhängig von Änderungen
der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 unverändert
beibehalten wird, kann dies dazu führen, dass an das Sensorelement 10 eine außerhalb
des flachen Bereichs liegende Spannung angelegt wird, was dann zu
einer Abnahme der Messgenauigkeit des Sensorelements 10 führt.
Zur Lösung dieses Problems ist daher das Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät
gemäß diesem Ausführungsbeispiel dahingehend
ausgestaltet, zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs
des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors eine nachstehend
näher beschriebene Regelung oder Korrektur von Nullpunkt
und Steigung der Klemmenspannungskennlinie durchzuführen.
-
6(b) veranschaulicht die Einstellung der Klemmenspannungskennlinie
zur Bestimmung und Festlegung der an das Sensorelement 10 anzulegenden
Spannung. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Änderung
der Steigung und des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX1
zu einer Klemmenspannungskennlinie LX2, um eine Anpassung an die
Klemmenspannungskennlinie des verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors
herbeizuführen.
-
Bei
der Schaltungsanordnung gemäß
1 lassen
sich das am Anschluss S+ des Sensorelements
10 auftretende
Potential V
S+ und das am Anschluss S– des
Sensorelements
10 auftretende Potential V
S– durch die
nachstehenden Gleichungen ausdrücken:
VS– = R1IL + Vref1
-
Wenn
angenommen wird, dass Vp = (V
S+) – (V
S–) gilt, wobei mit Vp die an das
Sensorelement
10 anzulegende Spannung bzw. Klemmenspannung
bezeichnet ist, so ist diese Klemmenspannung Vp gegeben durch:
-
Hierbei
bezeichnet der erste Ausdruck "R2/R345·R1"
auf der rechten Seite der Gleichung die Steigung der Klemmenspannungskennlinie
LX, während der zweite Ausdruck "R2/R345·(Vref1 – Vref2)" auf der rechten Seite den Nullpunkt
der Klemmenspannungskennlinie LX bezeichnet (d. h. die an das Sensorelement 10 bei
dem Sensorstrom IL = 0 mA anzulegende Spannung).
-
Der
die Steigung der Klemmenspannungskennlinie LX angebende Widerstandswert
R345 in dem Ausdruck "R2/R345·R1"
bezeichnet hierbei den Widerstandswert der außerhalb des
ASIC-Schaltkreises 2 angeordneten Bezugsspannungsschaltung 22,
der somit unabhängig von dem ASIC-Schaltkreis 2 auf
einfache Weise eingestellt bzw. geregelt werden kann.
-
Der
Verstärkungsfaktor des nichtinvertierenden Verstärkers 23 kann
hierbei durch Änderung des Widerstandswertes R345 eingestellt
bzw. geregelt werden, wodurch die Steigung der Klemmenspannungskennlinie
und damit die Beziehung zwischen dem Sensorstrom IL und
der an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung verändert
wird. Der Stromabtastwiderstand 28 ist ebenfalls außerhalb
des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet, sodass auch der Widerstandswert
des Stromabtastwiderstands 28 auf einfache Weise eingestellt bzw.
geregelt werden kann. Eine Änderung des Widerstandswertes
R1 des Stromabtastwiderstands 28 wirkt sich
jedoch auch auf den Sensorstrom IL aus,
sodass die Verwendung des Stromabtastwiderstands 28 zur
Veränderung der Steigung der Klemmenspannungskennlinie
nicht empfehlenswert ist.
-
Wie
aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist die Bezugsspannungsschaltung 22 (d.
h. die Spannungszuführungssteuerschaltung 21)
somit getrennt von dem Stromabtastwiderstand 28 und der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 angeordnet,
wodurch eine Änderung des Verstärkungsfaktors
des nichtinvertierenden Verstärkers 23 ohne Beeinflussung
des Verhaltens anderer Schaltungselemente ermöglicht wird.
-
Der
Wert des den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX angebenden
Ausdrucks "R
2/R
345·(V
ref1 – V
ref2)"
kann durch Änderung der Bezugsspannung V
ref2 eingestellt
bzw. geregelt werden, die eine der beiden Bezugsspannungen V
ref1 und V
ref2 bildet.
Die Bezugsspannung V
ref2 stellt hierbei
eine Spannung dar, die sich als von den Widerständen R
4 und R
5 gebildeter
Teilwert der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle Vcc ergibt
und sich folgendermaßen ausdrücken lässt:
-
Eine Änderung
der Bezugsspannung Vref2 wird somit durch Änderung
der Widerstandswerte R4 und R5 des
Spannungsteilers erhalten. Wie vorstehend beschrieben, ist die Bezugsspannungsschaltung 22 getrennt von
dem ASIC-Schaltkreis 2 angeordnet, wodurch eine einfache
Veränderung der Bezugsspannung Vref2 ermöglicht
wird.
-
Wie
vorstehend beschrieben, ist somit die Bezugsspannungsschaltung 22 (d.
h. die Spannungszuführungssteuerschaltung 21)
getrennt von dem Stromabtastwiderstand 28 und der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 angeordnet,
wodurch eine Regelung der Bezugsspannung Vref2 zur
Einstellung des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX auf
einen gewünschten Spannungswert ohne Beeinträchtigung des
Verhaltens anderer Schaltungselemente ermöglicht wird.
-
Mit
Hilfe der Sensorregelschaltung 20 kann somit in der vorstehend
beschriebenen Weise die Steigung und/oder der Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie
LX in dem Kennlinienfeld gemäß 3 eingestellt bzw.
geregelt werden, das zur Bestimmung und Festlegung der zur Gewährleistung
eines stabilen Betriebs des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors
und damit zur Gewährleistung der Genauigkeit des dem Mikrocomputer 33 zugeführten
Ausgangssignals erforderlichen und an das Sensorelement 10 anzulegenden
Spannung Verwendung findet. Die Einstellung der Steigung und/oder
des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie kann z. B. im Rahmen
von Prüfstandtests vor der Auslieferung der elektronischen
Motorsteuereinheit 1 erfolgen. Eine solche Einstellung
erfolgt vorzugsweise durch Überprüfung der Ausgangskennlinie
des zu verwendenden Sensorelements 10 und Vornahme einer
auf der bei der Überprüfung erhaltenen Ausgangskennlinie
des Sensorelements 10 basierenden dahingehenden Korrektur
der Klemmenspannungskennlinie LX des in der Sensorregelschaltung 20 gespeicherten
Kennlinienfeldes gemäß 3, dass
die dem Sensorelement 10 zuzuführende Spannung
in einen entsprechenden Bereich der flachen Bereiche (d. h. der
Grenzstrombereiche) fällt.
-
Wenn
eine Änderung des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie
LX erforderlich ist, wird hierbei die Bezugsspannung Vref1 nicht
benötigt, wodurch gewährleistet ist, dass die
Nullpunktänderung ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit
des Sensorstroms IL erfolgt. Eine Änderung
der Bezugsspannung Vref1 führt
nämlich zu einem Abweichungsfehler des Sensorstroms IL und erfordert eine Einstellung der Widerstandswerte
der Wechselspannungsbrückenschaltung 26b, was
wiederum einen unerwünschten Arbeitsaufwand und außerdem
die Anbringung zusätzlicher Anschlüsse an dem
ASIC-Schaltkreis 2 zur Einstellung der Widerstandswerte erfordert.
-
7 zeigt
ein Beispiel für eine bekannte Sensorregelschaltung für
Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsysteme, die im Rahmen eines
Vergleichs mit der Sensorregelschaltung 20 gemäß 1 nachstehend
näher betrachtet wird.
-
Die
Sensorregelschaltung 50 gemäß 7 umfasst
eine Bezugsspannungsschaltung 53, die mit dem Anschluss
S+ des Sensorelements 10 über einen Operationsverstärker 51 und
einen Strommesswiderstand (d. h. einen Nebenschlusswiderstand) 52 verbunden
ist und einen Teilwert der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle
Vcc zur Erzeugung der Bezugsspannung Vref1 bildet.
Eine Wechselspannungszuführungsschaltung 56 ist
mit dem Anschluss S– des Sensorelements 10 über
eine Spannungszuführungssteuerschaltung 55 aus
einem nichtinvertierenden Verstärker verbunden. Ein Tiefpassfilter 57 ist
in einer Ausgangsstufe der Wechselspannungszuführungsschaltung 56 außerhalb
des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet. Die Wechselspannungszuführungsschaltung 56 besteht
aus einer Wechselspannungssteuerschaltung 56a, einer Wechselspannungsbrückenschaltung 56b und
einem Pufferverstärker 56c und dient zur Bildung
einer Wechselspannung mit einer Amplitude, die in Bezug auf die
Bezugsspannung Vref2 zyklisch zur positiven
und negativen Seite hin oszilliert. Die Wechselspannungsbrückenschaltung 56b weist
hierbei den gleichen Aufbau wie die Wechselspannungsbrückenschaltung 26b gemäß 1 auf.
-
Die
an einem zu einem der Endpunkte des Strommesswiderstands 52 führenden
Verbindungspunkt B auftretende Spannung ändert sich in
Abhängigkeit von dem Sensorstrom IL und
wird der Spannungszuführungssteuerschaltung 55 über
einen nichtinvertierenden Verstärker 58 und ein
Tiefpassfilter 59 zugeführt. Mit einem Operationsverstärker 58a des
nichtinvertierenden Verstärkers 58 sind hierbei
Widerstände R2 und R3 verbunden. Die Spannungszuführungssteuerschaltung 55 dient
zur Steuerung der an das Sensorelement 10 anzulegenden
Spannung in Abhängigkeit von der am Verbindungspunkt B
auftretenden Spannung (d. h. einem Sensorstromsignal), wobei dieses
Sensorstromsignal (d. h. die am Verbindungspunkt B auftretende Spannung)
der Spannungszuführungssteuerschaltung 55 über
einen Rückkopplungskreis FB2 zugeführt wird.
-
Bei
der Schaltungsanordnung gemäß
7 lassen
sich das am Anschluss S+ des Sensorelements
10 auftretende
Potential V
S+ und das am Anschluss S– des
Sensorelements
10 auftretende Potential V
S– durch die
nachstehenden Gleichungen ausdrücken:
VS+ = Vref1
-
Wenn
hierbei angenommen wird, das Vp = (V
S+) – (V
S–) gilt, wobei mit Vp die an das
Sensorelement
10 anzulegende Spannung bezeichnet ist, so
ist diese Klemmenspannung Vp gegeben durch:
-
Hierbei
bezeichnet der erste Ausdruck "2·R3/R2·R1" auf
der rechten Seite der Gleichung die Steigung der Klemmenspannungskennlinie
LX, während der zweite Ausdruck "(Vref2 – Vref1)" auf der rechten Seite der Gleichung
den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX bezeichnet (d. h.
die an das Sensorelement 10 bei dem Sensorstrom IL = 0 mA anzulegende Spannung).
-
Die
Einstellung der Steigung (d. h. die Einstellung von 2·R3/R2·R1) der Klemmenspannungskennlinie LX kann
hierbei ermöglicht werden, indem der Widerstand R2, der einen der den nichtinvertierenden
Verstärker 58 bildenden Widerstände R1
und R2 darstellt, außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet
wird.
-
Bei
dieser Schaltungsanordnung ist eine Änderung der Bezugsspannungen
Vref2 und Vref1,
die in dem den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX angebenden
Ausdruck "Vref2 – Vref1"
enthalten sind, mit Schwierigkeiten verbunden, wodurch die Einstellung
des Nullpunkts auf eine gewünschte Position erschwert wird.
Während die Änderung der Bezugsspannung Vref1 zu einem Abweichungsfehler bei dem Sensorstrom
IL führen kann, führt
eine Änderung der Bezugsspannung Vref2 zu
einer Amplitudenänderung der von der Wechselspannungszuführungsschaltung 56 abgegebenen
Spannung. Zur Änderung der Bezugsspannung Vref2 ohne
nachteilige Auswirkungen auf die Amplitude der von der Wechselspannungszuführungsschaltung 56 abzugebenden
Spannung ist es daher erforderlich, die Widerstände der
Brückenschaltung 56b außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 anzuordnen.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 7 ist
somit die gemeinsame Einstellung bzw. Regelung der Steigung und
des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX zur Korrektur der
Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 mit Schwierigkeiten
verbunden.
-
Der
Aufbau des Gassensor-Regelgeräts gemäß 1 bietet
dagegen die nachstehend näher beschriebenen Vorteile.
-
Die
Bezugsspannungsschaltung 22 (d. h. die Spannungszuführungssteuerschaltung 21)
ist unabhängig von dem Stromabtastwiderstand 28 und
der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 angeordnet,
was eine einfache Nullpunktkorrektur der Klemmenspannungskennlinie
LX durch die Bezugsspannung Vref2 ohne nachteilige
Auswirkungen auf andere Operationen des Gassensor-Regelgeräts
ermöglicht. Außerdem kann auch die Steigung der
Klemmenspannungskennlinie LX durch Regelung der Bezugsspannungsschaltung 22 korrigiert
werden. Dies erleichtert die Anpassung der Regelung der an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung
an dessen Betriebseigenschaften (d. h. an dessen Ausgangskennlinie), wodurch
wiederum ermöglicht wird, dass an das Sensorelement 10 in
jedem der Luft-Kraftstoffverhältnis-Messbereiche eine in
dem flachen Bereich (d. h. dem Grenzstrombereich) der Ausgangskennlinie
des Sensorelements 10 liegende Spannung angelegt werden
kann. Hierdurch lässt sich eine genaue Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches
in einem großen Bereich gewährleisten.
-
Bei
einem Sensorelement, bei dem die Partikelabmessungen der Diffusionswiderstandsschicht 12 vergrößert
werden oder die Mischkammer 17 nicht vorgesehen ist, um
auf diese Weise die Aktivierung des Sensorelements zu beschleunigen
oder ein stabiles Ausgangssignal des Sensorelements bei dessen Erwärmung zu
gewährleisten (um die Ausgangssignalabweichung des Sensorelements 10 in
den fetten Bereich hinein zu verhindern), kann in der vorstehend
beschriebenen Weise eine unerwünschte Verengung bzw. Verkleinerung der
flachen Kennlinienbereiche auftreten. Der Aufbau des Gassensor-Regelgeräts
gemäß diesem Ausführungsbeispiel eignet
sich insbesondere für ein Sensorelement dieser Art.
-
Der
ASIC-Schaltkreis 2 umfasst die Wechselspannungszuführungsschaltung 26,
während die Bezugsspannungsschaltung 22 der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 außerhalb
des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet und zur Bildung eines
Teilwertes der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle Vcc
zur Erzeugung der Bezugsspannung Vref2 ausgestaltet
ist, wodurch eine einfache Einstellung der Bezugsspannung Vref2 ermöglicht wird. Dies wiederum
ermöglicht eine einfache Korrektur der Steigung und des
Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX der Ausgangscharakteristik
des Sensorelements 10.
-
Da
eine Korrektur der Bezugsspannung Vref1 nicht
erforderlich ist, müssen somit keine zusätzlichen
Anschlüsse bei dem ASIC-Schaltkreis 2 vorgesehen
werden, was eine Verkleinerung des ASIC-Schaltkreises 2 und
damit eine Verringerung der Kosten des ASIC-Schaltkreises 2 im
Vergleich zu der bekannten Schaltungsanordnung gemäß 7 ermöglicht.
-
Die
Erfindung ist vorstehend zwar in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens beschrieben worden, jedoch
sollte ersichtlich sein, dass die Erfindung auch in anderer Form
ausgeführt werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
Die Erfindung umfasst somit auch sämtliche Ausführungsformen
und Modifikationen des beschriebenen Ausführungsbeispiels,
die ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken im Rahmen der Patentansprüche
möglich sind.
-
Alternativ
kann z. B. die Sensorregelschaltung 20 nur zur Nullpunktkorrektur
der Klemmenspannungskennlinie LX ausgestaltet sein.
-
Bei
der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 ist
zwar nur die Bezugsspannungsschaltung 22 außerhalb
des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet, jedoch können
alternativ auch sämtliche Bauelemente der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 außerhalb
des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet sein. Unter Berücksichtigung
der Herstellungskosten der Sensorregelschaltung 20 ist
es jedoch von Vorteil, möglichst viele Bauelemente der
Spannungszuführungssteuerschaltung 21 im Rahmen
eines integrierten Schaltkreises herzustellen.
-
Die
Wechselspannungszuführungsschaltung 26 gibt zwar
die Wechselspannung ständig ab, kann jedoch alternativ
auch dahingehend ausgestaltet sein, dass die Abgabe der Wechselspannung
nur in einer erforderlichen Weise erfolgt. So kann z. B. die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 die
Wechselspannung auch in einem zur Abtastung der Impedanz ZAC des
Sensorelements 10 vorgegebenen Zeitintervall abgeben.
-
Das
Sensorelement 10 besitzt zwar nur eine einzige Zelle, kann
jedoch alternativ auch dahingehend ausgestaltet sein, dass zwei
Zellen in Form einer Pumpzelle und einer EMK-Zelle vorgesehen sind,
d. h. das Sensorelement 10 kann auch zwei oder drei Festelektrolytschichten
aufweisen. Außerdem kann das Sensorelement 10 in
bekannter Weise becherförmig ausgestaltet sein.
-
In
Bezug auf die Sensorregelschaltung 20 kann anstelle einer
Verwendung in Verbindung mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor
auch eine Verwendung bei einem Gassensor in Betracht gezogen werden,
der zur Messung der Konzentration eines anderen Gases als Sauerstoff
ausgestaltet ist. So kann z. B. ein Kompositsensor Verwendung finden,
der eine erste Zelle (d. h. eine Pumpzelle) und eine zweite Zelle
(d. h. eine Sensorzelle) umfasst, die jeweils aus einem Festelektrolytkörper
bestehen. Die erste Zelle dient hierbei als Pumpzelle zum Hineinpumpen
oder Herauspumpen von Sauerstoffmolekülen in eine oder
aus einer in einem Sensorkörper ausgebildete(n) erste(n)
Gaskammer und Abgabe eines die Konzentration der gepumpten Sauerstoffmoleküle
angebenden Signals. Die zweite Zelle dient als Sensorzelle zur Erzeugung
eines Signals, das die Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils
von aus der ersten Gaskammer in die zweite Gaskammer strömenden
Gasen angibt. Ein solcher Komposit-Gassensor kann z. B. zur Messung
der Konzentration von NOx in den Abgasen
der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Verwendung finden. Ferner
kann der Komposit-Gassensor auch eine als Überwachungszelle
oder zweite Pumpzelle dienende dritte Zelle zur Bildung eines elektrischen
Signals als Funktion der Konzentration von in der zweiten Gaskammer
verbliebenen Sauerstoffmolekülen aufweisen.
-
Alternativ
kann das Gassensor-Regelgerät auch bei einem Gassensor
Verwendung finden, der zur Messung der Konzentration von HC oder
CO in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet
ist. Die Messung der Konzentration von HC oder CO erfolgt hierbei
durch Abpumpen von überschüssigem Sauerstoff (O2) aus der ersten Gaskammer unter Verwendung
der Pumpzelle und Aufspalten von in den in die zweite Gaskammer
eintretenden Gasen enthaltenem HC oder CO unter Verwendung der Sensorzelle
zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das die Konzentration
von HC oder CO angibt.
-
Das
Gassensor-Regelgerät kann im übrigen sowohl bei
Gassensoren für Dieselmotoren als auch für Ottomotoren
Verwendung finden. Darüber hinaus kann das Gassensor-Regelgerät
jedoch auch zur Messung der Konzentration von anderen Gasen als
den Abgasen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet
werden.
-
Bei
dem vorstehend beschriebenen Gassensor-Regelgerät werden
somit über einen Widerstand eine auf einer ersten Bezugsspannung
basierende erste Spannung an einem negativen Anschluss eines Gassensors
und eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung
an einem positiven Anschluss des Gassensors erzeugt, wobei ein Regler über
den Widerstand einen durch die Erzeugung der ersten und zweiten
Spannung entstehenden Sensorstrom zur Messung der Konzentration
eines Gases abtastet. Zur Messung der Impedanz des Gassensors verändert
der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung.
Der bei einem Sensorstrom von Null (d. h. von 0 mA) an den Gassensor
angelegte Spannungswert (d. h. der Nullpunkt) hängt hierbei
von der ersten und zweiten Bezugsspannung ab. Dieser Nullpunkte
wird korrigiert, indem eine Einstellung bzw. Regelung der zweiten
Bezugsspannung zur Herbeiführung einer genauen Anpassung
an eine Klemmenspannungscharakteristik des Gassensors vorgenommen
wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2004-251891 [0003]
- - EP 987546 A2 [0028]