DE4304966A1

DE4304966A1 - Lambdawert-Ermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4304966A1
Application number: DE4304966A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Chem Dr Hoetzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1994-08-25
Also published as: IT1273772B; FR2701767A1; ITMI940271A0; JPH06249031A; US5391284A; ITMI940271A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Spannung, die den Lambdawert, d. h. das Luft/Kraftstoff-Ver hältnis des einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraft stoff-Gemisches anzeigt.

Aus einem Artikel von S. Soejima et al., erschienen in SAE- Papers 1985, 850378, Seiten 53 und 54, unter dem Titel "Mul ti-Layered Zirconia Oxygen Sensor for Lean Burn Engine Application" ist eine zweizellige Sauerstoffsonde mit Pump zelle und Konzentrationszelle beschrieben, bei der die eine der beiden Elektroden der Pumpzelle und die eine der beiden Elektroden der Konzentrationszelle in einem für beide Zellen gemeinsamen Diffusionsraum angeordnet sind, der eine Öffnung aufweist, durch die Gas zwischen dem Raum mit dem zu mes senden Abgas und dem Diffusionsraum ausgetauscht werden kann. Wenn z. B. mageres Abgas in den Diffusionsraum ein dringt, wird dies von der Konzentrationszelle festgestellt, und es wird eine solche Spannung an die Pumpzelle angelegt, daß diese durch Leitung von O₂⁻-Ionen Sauerstoff aus dem Diffusionsraum so lange herauspumpt, bis die Konzentrations zelle den Lambdawert Eins anzeigt. Ist dagegen fettes Abgas in den Diffusionsraum eingedrungen, erfolgen die beschriebe nen Abläufe umgekehrt. Demgemäß weisen die Pumpströme für die beiden Fälle unterschiedliche Polarität auf. Beim Lambdawert Eins fließt der Strom Null. Die Messung des Stromes Null, um z. B. auf den Lambdawert Eins zu regeln, ist jedoch z. B. durch Heizerleckströme, kapazitive Ströme, elektromotorische Kräfte oder Polarisationen gestört.

Stand der Technik

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus DE-C-35 15 588 bekannt. Sie verwendet eine zweizellige Sauerstoffsonde mit einer Konzentrationszelle und einer Pumpzelle, an die eine Pumpspannung derart angelegt wird, daß aufgrund des dann fließenden Pumpstroms bzw. O²⁻-Ionen stroms die Konzentrationszelle stets eine konstante, dem Lambdawert Eins entsprechende Nernstspannung anzeigt. Von dieser zweizelligen Sauerstoffsonde wird wahlweise eine von zwei Spannungen zur Auswertung abgegriffen, nämlich entweder die angelegte Pumpspannung oder eine den Pumpstrom anzeigen de Spannung. Beide Spannungen zeigen den Lambdawert an. Die erste Spannung wird dann von einer Umschaltstufe ausgegeben, wenn auf den Lambdawert Eins geregelt werden soll, d. h. auf stöchiometrisches Luft/ Kraftstoff-Gemisch. Andernfalls wird die zweitgenannte, den Pumpstrom anzeigende Spannung ausge geben.

Das eben diskutierte Dokument führt aus, die Messung der Pumpspannung im Bereich des Lambdawertes Eins sei weniger störanfällig als die Messung der den Pumpstrom anzeigenden Spannung. Jedoch ist keine durchgreifende Besserung zu erwarten, da diese Pumpspannung ebenfalls von den oben ge nannten Störungen beeinflußt wird.

Darstellung der Erfindung

Es bestand demgemäß das Problem, eine Vorrichtung zum Ermit teln einer Spannung, die den Lambdawert des einem Verbren nungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches anzeigt, anzugeben, mit der auch Spannungen zuverlässig erfaßbar sind, die einen Lambdawert nahe bei Eins anzeigen.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß als Spannung für den Be reich um den Lambdawert Eins die Nernstspannung erfaßt und von der Umschaltstufe auf ihren Ausgang geschaltet wird. Diese Nernstspannung hat das von nach dem Nernstprinzip ar beitenden Lambdasonden her bekannte, stark ausgeprägte Sprungverhalten um den Lambdawert Eins. Daher kann mit die ser Spannung sehr genau auf den Lambdawert Eins geregelt werden, da jede kleine Abweichung von diesem Wert sprunghaft zu einer größeren Spannungsabweichung führt. Zudem können die oben genannten Störmöglichkeiten keinen Einfluß nehmen.

Insgesamt verfügt eine zweizellige Sauerstoffsonde über vier Elektroden, jeweils zwei für die Pumpzelle und die Konzen trationszelle. Wenn die Nernstspannung erfaßt wird, muß hierzu zumindest diejenige Elektrode der Konzentrationszelle verwendet werden, die der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Als zweite Elektrode kann jedoch eine beliebige der drei anderen Elektroden verwendet werden. Dabei sollten die dem den bei den Zellen gemeinsamen Diffusionsraum zugewandten Elektroden jeweils im wesentlichen dieselbe Wirkung zeigen, was vor teilhafterweise dazu verwendet wird, dadurch die Funktions fähigkeit der Zelle zu überprüfen, daß abwechselnd die Span nungen zwischen jeweils der Umgebungsluftelektrode und einer der beiden Diffusionsraumzellen gemessen werden und von einer Vergleichseinrichtung verglichen werden, die ein Feh lersignal ausgibt, wenn die gemessenen Spannungen zu stark voneinander abweichen.

Gegen welche der drei genannten Elektroden, also der Abgas raumelektrode und der beiden Diffusionsraumelektroden, die Nernstspannung gegenüber der Umgebungsluftelektrode gemessen wird, und welche Potentialbeziehung dabei zischen der Abgas raumelektrode und den Diffusionsraumelektroden gewählt wird (Kurzschluß oder bestimmte Spannung oder Potentialungebun denheit), kann unter Berücksichtigung der folgenden Ge sichtspunkte frei gewählt werden.

An der Abgasraumelektrode möge Abgas vom Lambdawert Eins auftreten, das jedoch Sauerstoff und ein oxidierbares Gas enthalte. An der genannten Elektrode wird dieses Gas vom Sauerstoff oxidiert, wobei die Reaktion nicht vollständig verläuft, sondern gemäß dem Massenwirkungsgesetz ein be stimmter Restanteil von Sauerstoff verbleibt, was zu einer bestimmten Menge an O²⁻-Ionen führt, die wiederum eine be stimmte Potentialdifferenz der Abgasraumelektrode zur Um gebungsluftelektrode zur Folge haben. Kann die Reaktion an der Elektrode bis zum Gleichgewichtszustand ablaufen, wird gerade die zum Lambdawert Eins gehörende Nernstspannung ge messen. Wird jedoch laufend viel Abgas der genannten Zusam mensetzung geliefert, wird das Gleichgewicht nicht erreicht, so daß ein falscher Lambdawert gemessen wird. Dieser Fehler kann dann vermieden werden, wenn im Diffusionsraum gemessen wird, in den das Abgas eindringen und dann an den dortigen Elektroden zu einer Reaktion bis zum Gleichgewicht kommen kann. Ein weiterer Vorteil der Messung im Diffusionsraum ist der, daß die dortigen Elektroden weniger stark alterungsbe dingten Störungen unterliegen als die Abgasraumelektrode. Da für reagiert die Messung mit Hilfe der letzteren sehr schnell auf Änderungen des Lambdawertes des Abgases.

Wenn die Diffusionsraumelektroden mit der Abgasraumelektrode kurzgeschlossen werden, bildet sich ein mittleres Potential, das etwas genauer ist als das der Abgasraumelektrode allein und etwas schneller als das der Diffusionsraumelektroden al lein. Wenn gegen die Diffusionsraumelektroden gemessen wird und die Abgasraumelektrode potentialungebunden ist, wird die oben genannte hohe Genauigkeit erhalten, wobei es allerdings noch zu Ionenleitung zwischen dem Abgasraum und dem Diffus ionsraum kommen kann, was die Messung leicht verfälscht. Die genaueste Messung wird dann erhalten, wenn an die Pumpzelle eine solche Spannung gelegt wird, die gerade der durch die sauerstoff-Partialdruckdifferenz erzeugten Spannung entgegen gesetzt ist, so daß kein Ionenstrom fließt. In diesem Fall kann mit dem aus dem Abgasraum eingedrungenen Abgas eine voll ständige Gleichgewichtsreaktion erfolgen, die durch keinen Einfluß gestört wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Nernstspannung also nicht mehr nur als Regelspannung für den Pumpstrom ver wendet, sondern für Meß- und Regelvorgänge im Bereich um den Lambawert Eins auch als wenig störanfällige Meßspannung. Da durch, daß zum leztzteren Zweck die Nernstspannung zwischen der Umgebungsluftelektrode und einer beliebigen der anderen Elek troden abgegriffen werden kann, kann die Vorrichtungen optimal an unterschiedliche Verwendungen angepaßt werden und es ist eine Funktionsüberprüfung möglich.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm einer zweizelligen Sauerstoffsonde mit Umschaltstufe zum Ausgeben jeweils einer von zwei Lamb dawertspannungen, abhängig davon, ob der Lambdawert nahe bei Eins liegt oder ob dies nicht der Fall ist; Fig. 2 ein Dia gramm, bei dem die invertierte und um eine vorgegebene Span nung verringerte Nernstspannung der in Fig. 1 enthaltenen Kon zentrationszelle über dem Lambdawert aufgezeichnet ist; und Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Pumpstrom der Pumpzelle inner halb von Fig. 1 über dem Lambdawert aufgetragen ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Ermitteln einer Spannung, die den Lambdawert des einem (nichtdargestellten) Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches an zeigt, besteht aus einer zweizelligen Sauerstoffsonde 10 und einer Umschaltstufe 11. Die Umschaltstufe führt ihr Aus gangssignal einem Steuergerät 12 zu, von dem sie ein Um schaltsignal empfängt. Das Steuergerät verfügt über eine Ver gleichseinrichtung 28.

Die zweizellige Sauerstoffsonde 10 besteht aus einer oben liegenden Pumpzelle 13 und einer untenliegenden Konzentra tionszelle 14, denen ein Diffusionsraum 15 gemeinsam ist. Die Pumpzelle 13 besteht aus einer Zirkonoxidkeramikplatte 16 mit Abgasdurchtrittsöffnung 17. An ihrer Oberseite trägt sie eine erste Elektrode 18.1, und an ihrer Unterseite eine zweite Elektrode 18.2. Die Konzentrationszelle 14 besteht aus einer Zirkonoxidplatte 19, die an ihrer Oberseite eine dritte Elektrode 18.3 und an ihrer Unterseite eine vierte Elektrode 18.4 trägt. Unterhalb dieser vierten Elektrode be findet sich ein Umgebungsluftraum 20. Die gesamte Anordnung wird von einer Heizleitungen 21 enthaltenden Keramikplatte 22 beheizt.

Die Umschalteinrichtung 11 verfügt über einen Differenzver stärker 23, einen Stromregler 24, einen Elektrodenumschalter 25 sowie einen Sondenspannungsumschalter 26.

Es sei zunächst die Funktion der Konzentrationszelle 14 an hand der Fig. 1 und 2 erläutert. Zunächst sei angenommen, daß sich im Diffusionsraum 15 Abgas mit dem Lambdawert Eins befinde. Dann gibt die Konzentrationszelle 14 eine Spannung von typischerweise etwa 450 mV aus. Dieser Spannung ist in der Schaltung von Fig. 1 allerdings die Spannung einer Ge genspannungsquelle 27 entgegengeschaltet, so daß sich am Ausgang des Differenzverstärkers 23 die Spannung Null ein stellt, wie sie in Fig. 2 für den Lambdawert Eins einge zeichnet ist. Schon bei einer Abweichung des Lambdawertes des Abgases im Diffusionsraum 15 von nur etwa 1%o ändert sich die zwischen den Elektroden 18.3 und 18.4 abgegriffene Nernstspannung der Konzentrationszelle 14 erheblich, und zwar auf etwa 800 mV im fetten Bereich und auf etwa 100 mV im mageren Bereich. Da dieser Spannung die Spannung der Ge genspannungsquelle 27 entgegengeschaltet ist, ergibt sich eine Änderung von +350 mV auf -350 mV. Vom Differenzverstär ker 23 wird diese Spannung umgedreht, so daß sich der Ver lauf von Fig. 2 ergibt. Dieser Verlauf führt von etwa -350 mV im fetten Bereich herkommend in einem Bereich von einigen wenigen Promille um den Lambdawert 1 herum sehr steil ansteigend zu einer Spannung von etwa +350 mV im mage ren Bereich. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 23 liegt über die Stromquelle 24 an der oberen Elektrode 18.1 der Pumpzelle 13. Wie vorstehend ausgeführt, ist diese Spannung negativ gegenüber der unteren Elektrode 18.2, wenn im Diffusionsraum 15 fettes Abgas vorliegt. Diese negative Spannung an der oberen Elektrode 18.1 hat zur Folge, daß diese O₂ ^-1-Ionen durch die Zirkonoxidplatte 16 der Pumpzelle 13 nach unten zur unteren Elektrode 18.2 drückt, wo sie zu 02 neutralisiert werden, welcher Sauerstoff in den Diffu sionsraum 15 ausgegeben wird und dadurch das dort vorhandene fette Abgas so lange abmagert, bis der Lambdawert Eins er reicht ist. Dann gibt der Differenzverstärker 23 die Span nung Null aus, was zur Einstellung des sauerstoff-Pumpvor gangs führt.

Wenn im Diffusionsraum 15 mageres Gemisch vorliegt, sind die Spannungsverhältnisse umgekehrt, weswegen auch der Pumpvor gang in umgekehrter Richtung abläuft, d. h., daß Sauerstoff aus dem Diffusionsraum so lange nach oben in das Abgas hin eingepumpt wird, bis sich im Diffusionsraum der Lambdawert Eins einstellt. Wichtig ist im ersten Fall, daß Sauerstoff schneller in den Diffusionsraum eingepumpt werden kann, als er aus diesem durch das Abgaseintrittsloch 17 wieder hinaus diffundiert, und daß im zweiten Fall Sauerstoff schneller aus dem Diffusionsraum ausgepumpt werden kann, als er durch nachströmendes Abgas wieder ersetzt wird.

Um Mißverständnissen vorzubeugen, sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 1 Ströme i in üblicher Weise von Plus nach Minus eingezeichnet sind, also entgegen dem Elektronenstrom. Der Pumpstrom ip im Fall eines fetten Gemisches fließt daher von der oberen Elektrode 18.1 weg. Der Pumpstrom ip wird jeweils durch Abgreifen einer Spannung U_ip gemessen, die beim Bei spiel gemäß Fig. 1 von der Stromquelleneinrichtung 24 ausge geben wird.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Pumpstroms ip vom Lambda wert. Es ist erkennbar, daß dieser Pumpstrom mit nahezu li nearem Verhalten für jeweils positive und negative Werte im mageren bzw. fetten Lambdabereich gemessen werden kann. Es liegt hier für die Lambdawerte um Eins ein viel gröberer Maß stab vor als bei Fig. 2. Betrachtet man den Pumpstrom ip nur in einem Bereich einer Breite von einigen Promille Abweichung um den Lambdawert Eins herum, ist erkennbar, daß dieser Strom für den Lambdawert Eins nicht bei allen Sonden 0 Volt beträgt, sondern daß Streuungen vorliegen, wie sie Abweichungen von einigen Promille des Lambdawertes entsprechen. Daher kann ein Lambdawert um Eins mit Hilfe der aus dem Pumpstrom ip abgelei teten Spannung U_ip nicht zuverlässig gemessen werden. Dies ist jedoch mit Hilfe der Nernstspannung U_N von der Konzentra tionszelle 14 problemlos möglich. Die Umschaltstufe 11 gibt über den Sondenspannungsumschalter 26 entweder die aus dem Pumpstrom abgeleitete Spannung U_ip, für Regelung auf einen Lambdawert ungleich Eins, oder die von der Konzentrationszelle herrührende Nernstspannung U_N, für Regelung auf den Lambda wert Eins, an das Steuergerät 12 aus. Die Umschaltung des Son denspannungsumschalters 26 wird von dem oben genannten, vom Steuergerät 12 ausgegebenen Umschaltsignal bewirkt. Wird ein Kraftfahrzeug z. B. im unteren oder mittleren Lastbereich be trieben, ist mageres Gemisch bevorzugt, so daß das Steuergerät den Sondenspannungsumschalter 26 so umschaltet, daß die Um schaltstufe 11 die Spannung U_ip ausgibt. Liegen dagegen Be triebszustände mit Beschleunigung oder Vollast vor, soll auf den Lambdawert Eins geregelt werden. Dann schaltet das Steuer gerät 12 den Sondenspannungsumschalter 26 so um, daß die Um schaltstufe 11 die Nernstspannung U_N ausgibt.

Der oben erwähnte Elektrodenumschalter 25 muß nicht notwen digerweise vorhanden sein. Jedoch ist der in Fig. 1 einge zeichnete Elektrodenumschalter 25 bei bestimmten Anwendungs fällen von Vorteil. Er legt dann, wenn die Nernstspannung gemessen werden soll, das Potential von der Elektrode 18.1 statt des Potentials von der Elektrode 18.3 auf den Diffe renzverstärker 23. Damit wird die Nernstspannung zwischen der der Umgebungsluft zugewandten Elektrode 18.4 der Konzen trationszelle 14 und der dem Abgas zugewandten Elektrode 18.1 der Pumpzelle 13 gemessen. Die letztgenannte Elektrode 18.1 ist dem Abgas unmittelbar ausgesetzt, so daß Änderungen des Lambdawertes des Abgases sofort mit ihrer Hilfe festge stellt werden können.

Wie eingangs erläutert, kann die Nernstspannung auch anders abgegriffen werden, was jedoch nicht durch Figuren veranschau licht wird.

Die in Fig. 1 eingezeichnete Vergleichseinrichtung kann nicht unmittelbar mit der in dieser Figur dargestellten Umschaltein richtung zusammenwirken, da diese nur eine Nernstspannung er faßt. Ist die Umschalteinrichtung jedoch weiterhin so ausge bildet, daß sie die Eingang erläuterte Funktion des Umschal tens zwischen zwei Nernstspannungen im Fall der Messung von Abgas um den Lambawert Eins vornimmt, arbeitet die Vergleichs einrichtung wie folgt. Es werde zunächst auf die Nernstspan nung zwischen der Umgebungsluftelektrode 18.4 und der unteren Diffusionsraumelektrode 18.3 geschaltet. Diese erste Spannung wird von der Vergleichseinrichtung gespeichert. Dann wird auf die Nernstspannung zur oberen Diffusionsraumelektrode 18.2 um geschaltet. Die dabei gemessene zweite Spannung wird mit der ersten gemessenen verglichen. Ist die Differenz größer als ein vorgegebener Schwellenwert, wird ein Fehlersignal ausgegeben. Es ist auch möglich, mehrere gemessene erste und zweite Span nungen jeweils zu mitteln, bevor der Vergleich ausgeführt wird, um die fälschliche Ausgabe eines Fehlersignals aufgrund einer zufälligen Störung zu vermeiden.

Es sei darauf hingewiesen, daß als zweizellige Sauerstoff sonde eine beliebige Sonde verwendet werden kann, die mit dem oben beschriebenen Prinzip arbeitet, also z. B. eine Sonde, wie sie in den eingangs genannten Dokumenten be schrieben ist, oder eine im Handel befindliche Sonde dieses Typs.

Claims

1. Vorrichtung zum Ermitteln einer Spannung, die den Lambdawert des einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/ Kraftstoff-Gemisches anzeigt, mit

- einer im Motorabgas anzuordnenden zweizelligen Sauerstoff sonde (10) mit Pumpzelle (13) und Konzentrationszelle (14), bei der die eine (18.2) von zwei Elektroden (18.1, 18.2) der Pumpzelle und die eine (18.3) von zwei Elektroden (18.3, 18.4) der Konzentrationszelle in einem für beide Zellen ge meinsamen Diffusionsraum (15) angeordnet sind, der eine Öff nung (17) aufweist, durch die Gas zwischen dem Abgasraum und dem Diffusionsraum ausgetauscht werden kann, und bei der die andere Elektrode (18.1) der Pumpzelle dem Abgasraum, und die andere Elektrode (18.4) der Konzentrationszelle der Umge bungsluft zugewandt ist; und
- einer Umschaltstufe (11) zum Ausgeben einer den elektri schen Pumpstrom (ip) durch die Pumpzelle anzeigenden Span nung (U_ip), wenn auf einen von Eins abweichenden Lambdawert geregelt werden soll, und zum Ausgeben einer anderen Span nung, wenn auf den Lambdawert Eins geregelt werden soll;

dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltstufe so ausgebildet ist, daß sie dann, wenn auf den Lambdawert Eins geregelt werden soll, diejenige Nernstspannung (U_N) auf ihren Aus gang schaltet, die zwischen der der Umgebungsluft zugewand ten Elektrode (18.4) und einer der anderen Elektroden (18.1, 18.2, 18.3) abgegriffen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie dann, wenn auf den Lambdawert Eins geregelt werden soll, die Nernstspannung zwischen der dem Abgas zugewandten Abgasraumelektrode (18.1) der Pumpzelle und der der Umgebungsluft zugewandten Umge bungsluftelektrode (18.4) der Konzentrationszelle abgreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie dann, wenn auf den Lambdawert Eins geregelt werden soll, die Nernstspannung zwischen mindestens einer der dem Diffusionsraum zugewandten Diffusionsraumelektroden (18.2 und/oder 18.3) und der der Umgebungsluft zugewandten Umgebungsluftelektrode (18.4) der Konzentrationszelle abgreift.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie die Abgasraumelektrode (18.1) mit derjenigen der Diffusionsraumelektroden (18.2, 18.3) kurzschließt, gegen die die Nernstspannung gemessen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie die Abgasraumelektrode (18.1) potentialungebunden hält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie die Abgasraumelektrode (18.1) auf ein solches Potential gegenüber derjenigen der Diffusionsraumelektroden (18.2, 18.3) legt, gegen die die Nernstspannung gemessen wird, daß kein Ionenstrom fließt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Umschaltstufe (11) so ausgebildet ist, daß sie ab wechselnd die Nernstspannung zwischen der Umgebungsluftelek trode (18.4) und jeweils einer der drei anderen Elektroden (18.1, 18.3, 18.4) ausgibt; und
- eine Vergleichseinrichtung (28) vorhanden ist, die die ge nannten Spannungen miteinander vergleicht und ein Fehlersi gnal ausgibt, wenn eine der Spannungen um mehr als es einem vorgegebenen Wert entspricht von einer anderen der Spannun gen abweicht.