DE3836045A1

DE3836045A1 - Verfahren und vorrichtung zur lambdasonden-innenwiderstandsbestimmung und zur heizungsregelung mit hilfe des innenwiderstandes

Info

Publication number: DE3836045A1
Application number: DE3836045A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Schnaibel; Lothar Raff; Michael Dipl Ing Dr Westerdorf; Manfred Dipl Ing Dr Homeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-10-22
Filing date: 1988-10-22
Publication date: 1990-04-26
Also published as: JPH04501170A; JP2901298B2; WO1990004778A1; US5291417A; KR900702376A; AU4325389A; BR8907729A; AU627232B2; EP0439474A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Innenwiderstandes einer Lambdasonde mit Hilfe der von einer Lambdasondenschaltung gelieferten Ausgangsspan nungswerte. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Heizungsregelung mit Hilfe des ermittelten Innenwiderstandes.

Stand der Technik

Aus DE 31 17 790 A1 (US-44 19 190) ist ein Verfahren bekannt, gemäß dem der Innenwiderstand mit Hilfe eines durch die Sonde gesandten Wechselstromes gemessen wird. Der Wechselspannungs anteil wird vom Sondengleichspannungsanteil abgetrennt und aus Wechselstrom und Wechselspannung wird der Innenwiderstand bestimmt. Die verwendete Frequenz beträgt vorzugsweise etwa 5000 Hz. Aus der Differenz zwischen dem gemessenen Innenwi derstand und einem Innenwiderstandssollwert wird eine Regel abweichung gebildet, mit deren Hilfe die Sondenheizung gere gelt wird. Nachteilig am genannten Innenwiderstands-Meßver fahren ist, daß eine gesonderte Wechselstromquelle und eine gesonderte Wechselspannungs-Auswerteschaltung erforderlich sind. Von Vorteil ist, daß die Sondenspannung durch die In nenwiderstandsbestimmung nicht belastet wird, so daß der In nenwiderstand in sehr kurzen Zeitabständen bestimmt werden kann.

Aus EP-02 58 543 A2 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Innen widerstandes einer Lambdasonde bekannt, gemäß dem die Sonde zeitweilig durch Zuschalten eines Lastwiderstandes belastet wird. Aus den im belasteten Zustand und im unbelasteten Zu stand gemessenen Spannungen wird mit Hilfe des Lastwiderstan des der Innenwiderstand berechnet. Durch Vergleich seines Wertes mit einem Schwellwert wird verglichen, ob die Sonde betriebsbereit ist. Dieses Verfahren erfordert minimalen Schaltungsaufwand, da nur der Lastwiderstand und ein Schalter erforderlich sind. Nachteilig ist, daß sich die Sondenspannung nach der Belastung nur relativ langsam erholt, so daß der In nenwiderstand nach diesem Verfahren nicht bestimmt werden kann, wenn sich die Lambdasonde im Regelungsbetrieb befindet. Dann muß nämlich etwa alle 10-15 ms die Sondenspannung ge messen werden. Nach einer Belastung erholt sich diese jedoch nur in einem Zeitraum von etwa 100 ms.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Innenwiderstandes einer Lambdasonde anzugeben, das mit geringem Schaltungsaufwand ausführbar ist und das das übliche Erfassen der Sondenspannung nicht beeinträchtigt. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zum Ausführen eines solchen Verfahrens anzugeben. Weiter hin besteht die Aufgabe, ein Verfahren zum Nutzen des bestimm ten Innenwiderstandes zur Heizungsregelung anzugeben.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ist für das Innenwiderstands-Bestimmungsver fahren durch die Merkmale von Anspruch 1 und für die zugehö rige Vorrichtung durch die Merkmale von Anspruch 4 gegeben. Anspruch 6 beinhaltet die Merkmale des erfindungsgemäßen Hei zungsregelungsverfahrens.

Von besonderem Vorteil für alle Innenwiderstandsbestimmungs verfahren ist die Lehre gemäß Anspruch 5, gemäß der der ermit telte Innenwiderstand unter Berücksichtigung eines vorgegebe nen Zusammenhangs zu mageren und fetten Lambdawerten korri giert wird. Dieser Lehre liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich der Innenwiderstand beim Sprung von fetten zu mageren Lambdawerten und umgekehrt ebenfalls sprunghaft ändert, obwohl sich die Sondentemperatur nicht ändert. Die Lehre kann u. a. dazu genutzt werden, daß die Sondenheizleistung nicht sprung haft geändert wird, wenn sich der Innenwiderstand aufgrund eines Lambdasprunges statt aufgrund einer Temperaturänderung ändert.

Das erfindungsgemäße Innenwiderstands-Bestimmungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß an die Lambdasonde eine getak tete Gleich-Gegenspannung über einen Vorwiderstand gelegt wird. Die Ausgangsspannung der Lambdasondenschaltung wird bei eingeschalteter und ausgeschalteter Gegenspannung gemessen und aus den beiden gemessenen Spannungswerten wird unter Be rücksichtigung bekannter Widerstandswerte der Schaltung der Innenwiderstand berechnet. Dazu benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung als zusätzliche Bauteile gegenüber einer herkömm lichen Vorrichtung nur eine Gleichspannungsquelle mit Vorwi derstand und einen Schalter.

Mit Hilfe des gemessenen Innenwiderstandes wird in bekannter Weise ein lnnenwiderstands-Regelabweichungswert bestimmt. Dieser wird nach dem erfindungsgemäßen Heizungsregelungsver fahren dazu benutzt, das Tastverhältnis einer getakteten Heiz spannungsversorgung zu verändern. Wird der Innenwiderstand mit Hilfe eines Verfahrens bestimmt, das bei sehr mageren Lambdawerten, also insbesondere im Schubbetrieb, nicht ein setzbar ist, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Innenwiderstands-Istwert zwangsweise schrittweise erhöht. So wird dafür gesorgt, daß dann, wenn die Sonde im Schubbetrieb auszukühlen droht, die mittlere Heizleistung erhöht wird, ob wohl der Innenwiderstand gerade nicht bestimmt werden kann.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren ver anschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zum Bestimmen des Innenwiderstandes einer Lambdasonde;

Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Heizungsre gelung; und

Fig. 3 ein Teilflußdiagramm zum Erläutern eines Teilver fahrens, gemäß dem der Sondeninnenwiderstands- Istwert im Schubbetrieb zwangsweise erhöht wird.

Darstellung der Ausführungsbeispiele

Das Schaltbild gemäß Fig. 1 enthält das Ersatzschaltbild einer Sonde 10. Dieses besteht aus einer Sonden-Gleichspannungs quelle 13, die die Sondenspannung U _S ausgibt und dem Sonden innenwiderstand 12 mit dem Widerstandswert R _S. An die Sonde 10 ist eine Gegenspannung vom Wert U _G von einer Gleich-Gegenspan nungsquelle 11 über einen Vorwiderstand 14 vom Wert R _V mit Hilfe eines Schalters 15 legbar. Der Schalter ist vorzugsweise durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere einem Transistor, rea lisiert. Der Schalter wird getaktet geöffnet und geschlossen, was durch einen Impulszug angedeutet ist. Vorzugsweise wird er alle 10 ms für 300 µs geschlossen.

Die zwischen den Sondenanschlüssen abfallende Spannung wird einem Differenzverstärker 16 zugeführt, der seine Ausgangs spannung an einen A/D-Wandler 17 liefert, der Teil eines Mikrocomputers 18 ist.

Solange der Schalter 15 geschlossen ist, fließt im Kreis mit den genannten Widerständen und Spannungsquellen der Strom I. Zwischen den Sondenanschlüssen fällt dann die folgende Meß spannung U _M ab:

U _M = IR _S + U _S (1)

Außerdem gilt der folgende Zusammenhang:

U _G = IR _V + IR _S + U _S (2)

Wird Gleichung (1) nach dem Strom I aufgelöst und dieser Wert in Gleichung (2) eingesetzt, ergibt sich für den Sondeninnen widerstand R _S:

R _S = R _V(U_M - U _S)/(U _G-U _M) (3)

Die Spannung U _M ist dabei die Spannung, wie sie bei geschlos senem Schalter gemessen wird, während die Spannung U _S die Spannung bei geöffnetem Schalter, also stromloser Sonde, ist. Der Wert der Gegenspannung, vorzugsweise +5 V, und der Vor widerstandswert R _V sind bekannt. Somit kann der Innenwider standswert R _S aus Gleichung (3) berechnet werden.

Wegen der Umgebungsbedingungen der Lambdasonde ist es ungün stig, Widerstandswerte größer 1 MOhm ausmessen zu wollen, da z. B. Luftfeuchtigkeit und Schmutz das Meßergebnis zu stark verfälschen würden. Bei Widerständen < 10 Ohm wird der Strom so groß, daß die Eigenerwärmung nicht vernachlässigbar ist. Da Vorwiderstand und Sondeninnenwiderstand in Reihe geschal tet sind und als Spannungsteiler betrachtet und ausgemessen werden, dürfen beide Werte nicht zu weit voneinander abwei chen. Als günstig hat sich erwiesen, wenn der Sondeninnen widerstand höchstens bis zum Faktor oder Quotienten 10 vom Vorwiderstand abweicht. Mit einem Vorwiderstand überdeckt man also einen Bereich von zwei Zehnerpotenzen des Sondeninnen widerstandes. Der angesprochene Widerstandsbereich von 10 Ohm (Sondentemperatur etwa 900°C) bis 1 MOhm (Sondentemperatur etwa 250°C) überdeckt fünf Zehnerpotenzen, weswegen drei ver schiedene Vorwiderstände benötigt werden, z. B. 68 Ohm, 3,3 kOhm und 150 kOhm. Soll nur im üblichen Betriebstempera turbereich von etwa 650-900°C gemessen werden, reicht es aus, den Vorwiderstand mit dem kleinsten Wert zu verwenden.

Das getaktete Anlegen der Gleich-Gegenspannung bedeutet eine Gleichstrombelastung der Lambdasonde 10. Bei den angegebenen Spannungs-Widerstands- und Tastverhältniswerten ist die Be lastung jedoch so gering, daß die Lebensdauer der Sonde da durch nicht beeinträchtigt wird. Als weiterer Nebeneffekt der Gleichspannungsbelastung ist zu beachten, daß sich die Sondenspannung U _S um etwa 50-100 mV gegenüber dem unbela steten Zustand erhöht. Die zusätzliche Spannung baut sich nach dem Einschalten der getakteten Gleichspannung in ungefähr 10 Sekunden auf und beim Ausschalten in ähnlicher Zeit wieder ab. Diese Verschiebung kann, da sie festliegt, bei der Auswertung des Sondensignals berücksichtigt werden.

Die soeben beschriebene Spannungserhöhung rührt unter Umstän den von einem Polarisationseffekt her. Von dieser Spannungs verschiebung ist diejenige zu unterscheiden, wie sie bei der eingangs erläuterten Schaltung zur Innenwiderstandsbestimmung auftritt, bei der die Sonde mit einem Lastwiderstand bela stet wird. Dort sinkt die Sondenspannung mit jedem Belasten stark ab und erholt sich wieder in einem Zeitraum von etwa 100 ms. Dieses letztere Zeitverhalten, das schnell aufeinan derfolgende Messungen verbietet, fehlt bei dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens wurde festgestellt, daß der Sondeninnenwiderstand nicht nur von der Sondentem peratur, sondern auch davon abhängt, ob der Lambdawert mager oder fett ist. Es kommt dabei kaum darauf an, wie stark fett oder wie stark mager der Lambdawert ist. Mit dem Sprung von mager nach fett und umgekehrt mag dieser Sprung auch relativ klein sein, tritt ein Sprung im Innenwiderstandswert auf. Der Differenzwert ist so groß, wie er auch bei einem Tempera tursprung von etwa 5-10°C auftritt. Da der Innenwiderstand in den meisten Anwendungsfällen nur gemessen wird, um mit sei ner Hilfe den Wert einer temperaturabhängigen Größe bestimmen zu können, ist es von Vorteil, den ermittelten Innenwider standswert unter Berücksichtigung des Lambdawertes zu korri gieren. Dies erfolgt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dadurch, daß nach einem Schritt s 1, in dem der Innenwider standswert R _S bestimmt wurde, in einem Schritt s 2 überprüft wird, ob der Lambdawert fett ist. Ist dies der Fall, wird der bestimmte Innenwiderstandswert unverändert weiterverwendet. Ist der Lambdawert dagegen nicht fett, wird der ermittelte Wert in einem Schritt s 3 um eine vorgegebene Differenz Δ R _m erhöht. Erst der erhöhte Wert wird für weitere Maßnahmen verwendet. Der genann te Ablauf gewährleistet, daß der weiterverwendete Widerstands wert trotz des Lambdasprunges als gleichbleibend angezeigt wird, damit nicht, ausgelöst durch den Lambdasprung und damit den eigentlichen Widerstandswertsprung, ein Temperatursprung vorgetäuscht wird.

Die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes wird z. B. zur Heizungsregelung verwendet, wie in der eingangs genannten DE 31 17 790 A1 beschrieben, zum Festlegen des Zeitpunkts der Sondenbereitschaft, wie in der eingangs genannten EP-02 58 543 A2 beschrieben, oder zur temperaturabhängigen Korrektur des Lambda wertes, wie in der nicht vorveröffentlichten DE 37 27 573 A1 angegeben. Anhand des bereits teilweise erläuterten Flußdia gramms von Fig. 2 wird nun erläutert, wie gemessene Innenwi derstandswerte zur Heizungsregelung verwendet werden.

An die bereits genannten Schritte s 2 oder s 3 schließt sich ein Schritt s 4 an, in dem durch Abziehen des ermittelten Sonden innenwiderstandswertes R _S von einem Sollwert R _S0LL ein Regel abweichungswert Δ R _i gebildet wird. In einem Schritt s 5 wird mit Hilfe des Regelabweichungswertes ein Tastverhältnis τ bestimmt, und zwar dahingehend, daß das Tastverhältnis um so kleiner wird, je kleiner der Innenwiderstands-Istwert gegen über dem Sollwert ist. Dadurch wird in einem Schritt s 6 dafür gesorgt, daß eine mit gleichbleibender Frequenz getaktete Heizspannungsversorgung die Sonde um so weniger beheizt, je niedriger der Sondeninnenwiderstand ist, also je mehr die Isttemperatur über der Solltemperatur liegt. An den Schritt s 6 schließt sich wieder der Schritt s 1 an, also ein neues Ermit teln des aktuellen Innenwiderstandswertes.

In Fig. 2 ist vor Schritt s 1 eine Marke A und nach ihm eine Marke B eingezeichnet. Eine Variante des Verfahrensablaufs zwischen den Marken A und B ist in Fig. 3 dargestellt. Der Grund für diese Variante ist der folgende.

Wird zum Bestimmen des Innenwiderstandes das anhand von Fig. 1 erläuterte Verfahren oder dasjenige gemäß DE 31 17 790 A1 verwendet, werden zuverlässige Meßwerte auch im Schubbetrieb erhalten. Bei Verfahren gemäß EP 02 58 543 A2 oder DE 37 27 573 A1 ist dagegen ein zuverlässiges Ermitteln dann nicht mehr möglich, wenn sowohl die Spannung der unbelasteten wie auch die der belasteten Sonde jeweils einen sehr niedrigen Wert von nur wenigen mV einnimmt, wie dies bei stark magerem Betrieb, also insbesondere im Schubbetrieb, der Fall ist. Kann aber kein Innenwiderstand gemessen werden, ist der Sollwert/ Istwert-Vergleich gemäß dem Schritt s 4 nicht möglich. Die Variante gemäß Fig. 3 sieht daher vor, daß in einem Schritt z 1 überprüft wird, ob die Sondenspannung U _S unter eine Minimal spannung U _MIN gefallen ist. Ist dies nicht der Fall, folgt der bereits erläuterte Schritt s 1, wonach die Marke B erreicht wird. Ist dies dagegen der Fall, wird der beim vorigen Ver fahrensdurchlauf ermittelte Sondeninnenwiderstandswert R _S um einen vorgegebenen Differenzwert Δ R _S in einem Schritt z 2 er höht. Danach wird wieder die Marke B erreicht. Die Maßnahme gemäß dem Schritt z 2 gewährleistet, daß ein immer höherer Innenwiderstands-Istwert und damit eine immer niedrigere Sondentemperatur angezeigt wird, obwohl der Istwert gar nicht ermittelt werden kann. Dadurch ist dafür gesorgt, daß die Sondenheizleistung erhöht wird, um der durch den Schubbetrieb hervorgerufenen Auskühlung entgegenzuwirken.

Es wird darauf hingewiesen, daß das oben anhand von Fig. 1 erläuterte Verfahren auch dann anwendbar ist, wenn die Sonden schaltung nicht so einfach ausgeführt ist wie in Fig. 1. Dort liegt der einfachstmögliche Fall vor, nämlich ein Spannungs abgriff direkt an den Sondenanschlüssen. In der Praxis ist es jedoch üblich, zur Sonde dauernd eine Referenzspannung gegen zuschalten. Immer wenn die Sondenspannung eine dicht bei der Referenzspannung liegende, oder mit dieser zusammenfallende Spannung überkreuzt, findet ein Wechsel der Regelungsrichtung statt. Auch bei einer solchen Lambdasondenschaltung kann an die Sonde zusätzlich eine getaktete Gleich-Gegenspannung über einen Vorwiderstand gelegt werden. Die Auswertegleichungen sind dann etwas komplizierter als die oben angegebenen Glei chungen (1)-(3), da in sie noch der Wert der dauernd ange legten Referenzspannung und des Lastwiderstandes eingehen.

Die Gleich-Gegenspannungsquelle 13 wird vorteilhafterweise durch Spannungsteilung einer Spannung gewonnen, wie sie von einer ohnehin vorhandenen Spannungsquelle geliefert wird. Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung einer hochgenauen Referenzspannungsquelle verwendet, wie sie in Motorregelungs vorrichtungen ohnehin vorhanden ist.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Innenwiderstandes einer Lambda sonde mit Hilfe der von einer Lambdasondenschaltung geliefer ten Ausgangsspannungswerte, dadurch gekennzeichnet, daß

- an die Sonde eine getaktete Gleich-Gegenspannung über einen Vorwiderstand gelegt wird und die Ausgangsspannungen bei eingeschalteter und ausgeschalteter Gegenspannung gemessen werden und
- aus den beiden gemessenen Ausgangsspannungswerten, dem Vorwiderstandswert, dem Gegenspannungswert und ggf. weite ren Widerstandswerten der Lambdasondenschaltung der Innen widerstand berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein niedriges Tastverhältnis beim Takten der Ge genspannung verwendet wird, um die Gleichspannungsbelastung der Sonde möglichst gering zu halten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß eine Taktfrequenz von 100 Hz bei einer Einschalt dauer von 300 µs verwendet wird.

4. Vorrichtung zum Bestimmen des Innenwiderstandes einer Lambdasonde mit Hilfe der von einer Lambdasondenschaltung ge lieferten Ausgangsspannungswerte gekennzeichnet durch

- eine Gleichspannungsquelle (11) mit Vorwiderstand (14) und
- einen Schalter (15), der die Spannung der Gleichspannungs quelle getaktet an die Sonde (10) legt.

5. Verfahren zum Bestimmen des Innenwiderstandswertes einer Lambdasonde, insbesondere Verfahren nach einem der Ansprü che 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der er mittelte Innenwiderstandswert unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Zusammenhanges zu mageren und fetten Lambdawer ten korrigiert wird.

6. Verfahren zur Sondenheizungsregelung mit Hilfe einer Re gelabweichung, die aus der Differenz zwischen einem Sonden innenwiderstands-Sollwert und einem jeweiligen Meßwert des Sondeninnenwiderstandes bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannung mit fester Frequenz, aber variablem Tastverhältnis getaktet wird, wobei das Tastverhältnis vom Wert der Regelabweichung abhängt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz 20-100 Hz ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Sondenspannung unter einen minimalen Wert fällt und ein Innenwiderstands- Ermittlungsverfahren verwendet wird, bei dem in diesem Fall der Innenwiderstand nicht ermittelt werden kann, zwangsweise der Innenwiderstands-Istwert schrittweise erhöht wird.