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Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration von Abgasbestandteilen,
insbesondere bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge Stand der Technik Die Erfindung
geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration
von Gasbestandteilen, insbesondere von Sauerstoffanteilen im Abgas einer Brennkraftmaschine,
einer Öl- oder Gasfeuerungsanlage oder dgl. nach der Gattung des Verfahrens-bzw.
Sachanspruchs. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bereits seit langem bekannt
und häufig in der Literatur diskutiert und beschrieben worden. Insbesondere hat
es sich als notwendig erwiesen, die Temperatur derartiger Sonden zur Erzielung einer
optimalen Meßgenauigkeit zu steuern oder zu regeln.
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So wird beispielsweise in der DE-OS 31 17 790 vorgeschlagen, die Temperatur
einer Grenzstromsonde bzw. Sauerstoffsonde mit Hilfe einer der Sonde aufgeprägten
Wechselspannung zu messen. Die Höhe des durch die Sonde fliessenden Wechselstromes
ist ein Maß für deren Innenwiderstand und somit auch für die Temperatur, da diese
beiden
Größen in einer eindeutigen Beziehung zueinander stehen.
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Die von der Zusammensetzung des Gasgemisches abhängige Ausgangsgröße
der Sauerstoffsonde, die im Vergleich zu der aufgeprägten Wechselgröße eine nur
langsam veränderliche Zeitabhängigkeit aufweist, wird über ein Filter von der Wechselgröße
getrennt und entsprechend weiterverarbeitet. Der durch die Sonde fließende Wechselstrom
dient als Istwert für eine Temperaturregelung, bei der über einen externen Heizwiderstand
die Temperatur der Sauerstoffsonde geregelt wird.
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Eine mögliche Art der Regelung ist beispielsweise in der EP-OS 67
437 offenbart, bei der der von der Sauerstoffsonde räumlich getrennte Heizwiderstand
zusammen mit dieser in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist. Als nachteilig
erweist es sich hierbei, daß durch den geringen Wärmekontakt eine unnötig hohe Heizleistung
zur Verfügung gestellt werden muß. Des weiteren ergeben sich durch diese räumliche
Trennung von Heizer und Sonde zeitliche Verzögerungen in der Regelstrecke.
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Eine andere Methode zur Heizung dieser Sauerstoffsonden wird beispielsweise
in der DE-OS 29 28 496 dargestellt.
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Hierbei ist vorgesehen, den Sauerstoffsensor direkt durch eine auf
den Festkörperelektrolyt des Sensors angebrachte Heizwendel zu heizen. Diese Heizwendel
werden durch Aufdrucken, Aufkleben oder Aufdampfen auf den Sondenkörper angebracht.
Neben den beiden Meßelektroden der Sauerstoffsonde fallen somit mindestens zwei
(bei Verwendung von zwei auf jeder Seite der Plättchen-Sauerstoffsonde angebrachten
Heizwendel vier) zusätzliche Elektrodenanschlüsse an. Zum einen ist die erstellung
derartiger Sauerstorfsonden relativ aufwendig, wie dies schon aus den Explosionsdarstellungen
der DE-OS 29 28 496
ersichtlich ist. Zum anderen muß eine sichere
elektrische Verbindung zwischen den Sondenelektroden und der angeschlossenen elektronischen
Regelung und Auswerteschaltung gewährleistet werden. Insbesondere für den Einsatz
derartiger Sonden im rauhen Kraftfahrzeugbetrieb sind aus diesem Grunde sehr aufwendige
und kostspielige Maßnahmen zur Herstellung einwandfreier und langlebigersicherer
Verbindungen notwendig.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Verfahrensanspruchs bzw. des
Sachanspruchs weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, daß die Erfassung
der Konzentration von Gasbestandteilen äußerst sicher, präzise und auf relativ unkomplizierte
Art durchgeführt werden kann.
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Dadurch, daß die elektrische Wechselgröße zur Heizung der. Sauerstoffsonde
direkt an die Meßelektroden der.
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Sonde angelegt und die Sondentemperatur geregelt wird, tritt eine
wesentliche Vereinfachung im Aufbau auf. Es werden die.Anschlüsse für die Sondenheizung
eingespart und der elektrische Bauteile-Aufwand eingeschränkt, so daß sich eine
erhöhte mechanische Stabilität und elektische Betriebssicherheit ergibt. Darüber
hinaus wird natürlich auch die häufig aus Platin hergestellte Heizelektrode an sich
eingespart, was zu einer erheblichen Kostenverringerung bei der Herstellung der
Sonde führt.
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Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß die elektrische
Wechselgröße zur Temperaturbeeinflussung der Sauerstoffsonde gleichzeitig zur Erfassung
des
Innenwiderstandes und damit der Temperatur der Sauerstoffsonde dient. Hierdurch
läßt sich mit geringem Aufwand ein regelkreis zur Temperaturregelung der Sonde realisieren.
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Durch die direkte Beheizung der Sauerstoffsonde über die beiden Meßelektroden
ist eine optimale Nutzung der eingebrachten Heizleistung gewährleistet. Aufgrund
der direkten Umsetzung der Heizleistung in der Sondenkeramik treten nur sehr geringe
Wärmestrahlungsverluste auf und es ist dadurch möglich, den Leistungsteil des Temperaturregelkreises
erheblich kleiner zu dimensionieren.
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Insbesondere durch eine aktive Regelung der Temperatur ergeben sich
weitere wesentliche Vorteile. Dadurch, daß die Sondenkeramik einen Widerstand mit
negativem Temperaturkoeffizienten aufweist, wäre auch an eine Stabilisierung des
durch die Sonde fliessenden Wechselstromes mit Hilfe eines in den Heizkreis geschalteten
Vorwiderstandes zu denken. Durch eine derartige Stabilisierung kann die Heizleistung
jedoch nur begrenzt, aber nicht abgeschaltet werden. Im Falle einer Temperaturregelung
kann der Vorwiderstand entfallen, so daß wesentlich kleiner dimensionierte und damit
kostengünstigere Bauelemente für den Heizkreis verwendet werden können.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen in Verbindung mit
der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 2a ein
zweites
Ausführungsbeispiel und Figur 2b ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Ausführungsbeispieles
der Figur 2a, Figur 3 eine nähere Beschreibung des Regelkreises der Figur 2a und
Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist mit 10 eine Sauerstoffsonde
bezeichnet, bei der der vom Ersatzschaltbild hier allein interessierende Innenwiderstand
der Sonde die Nummer 11 trägt.
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Da es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei der Sauerstoffsonde
10 um.eine Grenzstromsonde handelt, ist eine Gleichspannungsquelle 12 vorgesehen,
die über eine Drossel 13 die Sauerstoffsonde 10 mit einer Vorspannung beaufschlagt.
Der über die Sonde fließende Strom wird mittels eines Meßwiderstandes 14, der die
eine Sondenelektrode 15a mit Massepotential verbindet, gemessen. Dem Widerstand
14 ist ein Kondensator 15 parallel geschaltet.
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Die von der Konzentration der Gasbestandteile abhängige Ausgangsgröße
der Sauerstoffsonde 10 wird von der Elektrode 15a über einen Tiefpaß bestehend aus
einem Widerstand 16 sowie einem Kondensator 17 abgenommen.
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Der Heiz- und Regelkreis zur Temperaturbeeinflussung der Sauerstoffsonde
10 besteht aus einem Transformator 18, dessen Primärwicklung 19 über einen Schalter
20 an eine Gleichspannungsquelle UB angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt 21 der
Drossel 13 mit der Sauerstoffsonde 10 wird über einen Kondensator 22 mit der an
der Sekundärspule 23 des Transformators 18 anliegenden Wechselgröße beaufschlagt.
Über einen Widerstand 24, dem die Serienschaltung aus einer Diode 25 sowie einem
Kondensator 26 parallel liegt, ist die Sekundärspule
23 an Massepotential
angeschlossen. Durch eine weitere Serienschaltung einer Diode 27 und eines Kondensators
28 ist der Verbindungspunkt 21 mit Massepotential verbunden. Die Signale zwischen
der Diode 25 und dem Kondensator 26 sowie zwischen der Diode 27 und dem Kondensator
28 werden an eine Auswerteeinheit 29 weitergeleitet, deren Ausgangsgröße 30 durch
eine Vergleichseinrichtung 31 mit einem vorgegebenen Sollwert 32 verglichen wird.
Die Regelabweichung zwischen der Ausgangs größe 30 und dem Sollwert 32 wird einem
Regler 33 zugeführt, der ausgangsseitig den Schalter 20 in Abhängigkeit von der
Regelabweichung betätigt.
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Die Vorrichtung funktioniert wie folgt: Zwischen den Elektroden der
Sauerstoffsonde 10, die im vorliegenden Fall als Grenzstromsonde ausgebildet wird
und mit einer Vorspannung der Spannungsquelle 12 beaufschlagt wird, fließt ein mit
der an den beiden Elektroden anliegenden Sauerstoffkonzentrationsdifferenz variierender
Strom, wie es beispielsweise in der DE-OS 27 11 880 ausführlich beschrieben ist.
Dieser Strom ist relativ langsam veränderlich im Vergleich zu der elektrischen Wechselgröße,
mit der die Sauerstoffsonde 10 über den Kondensator 22 von der Sekundärspule 23
des Kondensators 18 beaufschlagt wird. Die Frequenz der Wechselgröße liegt im Bereich
10 kHz bis 200 kHz und die Amplitude kann Spannungswerte im Bereich zwischen 10
und 300 Volt annehmen. Der durch die Sauerstoffsonde 10 fließende Strom setzt sich
somit aus einem Quasi-Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil zusammen. Der
demgemäß an dem Widerstand 14 auftretende Wechselspannungsanteil wird über den Kondensator
15 sowie über den Tiefpaß bestehend aus dem Widerstand 16 und dem Kondensator 17
herausgefiltert, so daß am Verbindungspunkt des Widerstandes
16
und des Kondensators 17 alleine der von der Sauerstoffkonzentration abhängige Quasi-Gleichspannungsanteil
der Sauerstoffsonde 10, der zur Gemischregelung verwendet wird, anliegt. Der durch
die Sauerstoffsonde 10 fließende Wechselstrom wird über den Widerstand 24 gemessen
und von der Diode 25 und dem Kondensator 26 gleichgerichtet und geglättet. Die an
der Sonde abfallende Wechselspannung wird am Verbindungspunkt 21 abgegriffen und
entsprechend dem Wechselstrom über die Diode 27 und den Kondensator 28 weiterverarbeitet.
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Die Auswerteeinheit 29, die auf analoger oder digitaler Basis arbeitet,
bildet aus diesen beiden Größen den Wert des Innenwiderstandes 11 der Sauerstoffsonde,
der seinerseits in der Vergleichseinrichtung 31 mit dem vorgegebenen Sollwert 32
verglichen wird. In Abhängigkeit von der Regelabweichung steuert der Regler 33 den
Schalter 20 an. Die Ansteuerung kann entweder mit konstanter Frequenz und variabler
Einschaltdauer bzw.
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mit konstanter Einschaltdauer und variabler Frequenz durchgeführt
werden. Es wird somit in Abhängigkeit vom Innenwiderstand bzw. der Temperatur der
Sauerstoffsonde 10 über den Schalter 20 der Sauerstoffsonde Heizleistung zugeführt,
so daß eine konstante Temperatur der Sondenkeramik gewährleistet ist.
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Im Ausführungsbeispiel der Figur 2a, das sich von dem Ausführungsbeispiel
der Figur 1 durch eine geänderte Istwerterfassung des Innenwiderstandes bzw. der
Temperatur der Sauerstoffsonde 10 unterscheidet, sind äquivalente Teile mit gleichen
Nummern bezeichnet. Zur Istwerterfassung des Innenwiderstandes der Sauerstoffsonde
wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel die an der Sekundärspule 23 des Transformators
18 anliegende Wechselgröße verwendet. Im Gegensatz zur Figur 1 ist die
Sekundärspule
23 in diesem Fall direkt mit dem Massepotential verbunden. Die an der Sekundärspule
anliegende Spannung wird über eine Diode 40 gleichgerichtet und über einen gegen
Massepotential geschalteten Kondensator 41 geglättet. Diese Spannung wird mittels
einer Vergleichseinrichtung 42 mit einem vorgegebenen Sollwert 43 verglichen und
anschließend an einen Regler 44 weitergeleitet, der seinerseits, wie gehabt, den
Schalter 20 ansteuert.
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Die Funktionsweise dieser Anordnung soll mittels des Zeitdiagramms
der-Figur 2b verdeutlicht werden. Es sei angenommen, daß der Schalter 20 mit einer
Schließdauer T geschlossen und während der restlichen Zeit wie in dem obersten Diagramm
angedeutetXgeöffnet sein soll. Demgemäß ergibt sich für den durch die Primärspule
des Transformators 18 fließenden Strom iL der im mittleren Diagramm eingezeichnete
Verlauf. Während der Schließphase des Schalters 20 steigt der Strom durch die Primärspule
19 linear an, wobei der Maximalwert iL, Max zur Zeitdauer T proportionale Werte
annimmt. Nach Öffnen des Schalters 20 fällt der Strom iL entsprechend dem Verlauf
einer e-Funktion ab, wobei die Zeitkonstante durch die Induktivität L der Primärspule
19 sowie den an der Sekundärspule anliegenden Lastwiderstand gegeben wird.
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Im untersten Diagramm ist die Spannung, die an der Sekundärspule 23
des Transformators 18 anliegt aufgetragen.
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Die Spannungsspitzen UMax sind neben anderen Abhängigkeiten ein Maß
für den Innenwiderstand 11 der Sauerstoffsonde 10 und können somit als Istwerterfassung
für die Regelung der Sondentemperatur verwendet werden.
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Eine detailliertere Ausführung des Regelkreises gemäß der Figur 2a
ist in Figur 3 dargestellt. Auch hier sind übereinstimmende Bauelemente wieder mit
gleichen Nummern gekennzeichnet. Die an der Sekundärspule 23 anliegende
Wechselgröße
wird wie beschrieben über die Diode 40 sowie der Kondensator 41 gleichgerichtet
und geglättet.
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Diese elektrische Größe wird einer Vergleichseinrichtung 42 zugeführt,
die dieses Signal mit dem Ausgangssignal eines als gesteuerten Integrator beschalteten
Operationsverstärkers 43 vergleicht. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers 43
ist über einen Kondensator 44, dem ein Schalter 45 parallel liegt, mit dem invertierenden
Eingang verbunden. Der invertierende Eingang wird über einen Widerstand 46 mit einer
im wesentlichen konstanten Spannung Uc beaufschlagt. Der nichtinvertierende Eingang
des Operationsverstärkers 23 ist mit Massepotential verbunden. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung
42 ist an eine Kippschaltung 47 angeschlossen, die des weiteren von einem Rechteckoszillator
48 angesteuert wird. Der Ausgang der Kippschaltung 47 betätigt den Schalter 20 sowie
den Schalter 45. An den Verbindungen der Diode 40 und des Kondensators 41 ist eine
Anlaufvorrichtung 60 angeschlossen, die aus einem zwischen Versorgungsspannung und
Masse geschalteten Spannung aus den Widerständen 61 und 62 besteht. Vom Mittelabgriff
führt eine Diode 63 an den Verbindungspunkt von Diode 40 und Kondensator 41, dem
noch ein Widerstand 64 parallel geschaltet ist.
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Die Regeleinrichtung funktioniert in der Weise, daß eine steigende
Flanke des Rechteckoszillators 48 über die Kippschaltung 47 den Schalter 45 öffent
sowie den Schalter 20 schließt. Damit fließt ein Strom i, L durch die Primärspule
19 des Transformators 18. Gleichzeitig steigt die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers
43 linear an. Über die Verbindungsleitung von der Sekundär spule 23 und die Diode
40 wird die Spannung
UMax auf den einen Eingang der Vergleichseinrichtung
42 gegeben, die diese Spannung UMax mit der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
43 vergleicht.
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Ist Gleichheit erreicht, so ändert die Vergleichseinrichtung 42 ihre
Ausgangs größe und beeinflußt die Kippschaltung 47 in der Weise, daß diese den Schalter
45 schließt sowie den Schalter 20 öffnet. Der ganze Zyklus wird mit einer neuen
ansteigenden Flanke des Rechteckoszillators 48 erneut gestartet.
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In diesem Falle arbeitet der Regelkreis zur Betätigung des Schalters
20 mit einer konstanten Taktfrequenz und veränderlicher Pulsdauer, die ein Maß für
die Öffnungsdauer des Schalters 20 ist. Es wäre ebenso denkbar, beispielsweise über
einen spannungsgesteuerten Oszillator mit konstanter Pulsdauer aber variabler Taktfrequenz
zu arbeiten. Die Anlaufvorrichtung 60 erfüllt die AufgabeJder Vergleichseinrichtung
42 zu Beginn des Einschwingvorganges einen definierten, positiven Schwlnert zuzuführen.
Die Wirkungsweise muß nicht näher erläutert werden, da sie sich direkt aus der Schaltungsanordnung
ergibt.
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In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
als Sauerstoffsonde eine Lambda-Sonde mit dem charakteristischen Sprungverhalten
der Ausgangsgröße bei zu = 1 verwendet wird. In diesem Fall ist der Einsatz einer
Spannungsquelle 12 zur Erzeugung einer Vorspannung nicht notwendig. Auch in dieser
Zeichnung sind gleiche Komponenten mit gleichen Nummern bezeichnet.
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Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen dient in diesem
Falle die Spannung zwischen den beiden Elektroden der Sauerstoffsonde 10 als die
von der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden abhängige Ausgangsgröße. Diese
Quasi-Gleichspannung wird über einen
aus einem Widerstand 50 sowie
einem Kondensator 51 bestehenden Tiefpaß von der überlagerten Wechselspannung, mit
der die Sauerstoffsonde 10 über die Sekundär spule 23 sowie den Kondensator 22 beaufschlagt
wird, befreit. Zur Regelung der Öffnungsdauer des Schalters 20 wird wie im Ausführungsbeispiel
der Figur 2a ein Regler 44 verwendet, der sein Eingangssignal von einer Vergleichseinrichtung
42 erhält, die einen von der Temperatur der Sauerstoffsonde abhängigen Istwert 52
mit dem Sollwert 43 vergleicht. Im vorliegenden Beispiel ist offengelassen, wie
der Istwert 52 gewonnen wird. Es ist aber klar, daß auch im Fall einer Lambda-Sonde
(im Gegensatz zu einer Grenzstromsonde) die gleichen bzw. ähnliche Methoden angewandt
werden können, wie sie in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden.
Dadurch, daß auf eine Stabilisierung (im Gegensatz zur Regelung) der Sondentemperatur
verzichtet wird, kann der dazu notwendige Vorwiderstand entfallen und die auftretende,
nicht zur Sondenheizung verwendete Verlustleistung minimiert werden.
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In verschiedenen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, eine zusätzliche
Heizspirale auf der Sonde oder in der Nähe der Sonde vorzusehen, die als ungeregelte
Grundheizung betrieben wird. Diese Grundheizung kann insbesondere während der Startphase
der Brennkraft-Ischine, wenn die Abgase also eine nur geringe Temperatur aufweisen,
nützlich sein. Des weiteren könnte der Regelbereich der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung
bei Vorhandensein einer derartigen Grundheizung erheblich eingeengt werden.
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Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eine wesentlich
erhöhte Zuverlässigkeit der Sauerstoffsonde
gewährleistet, die Herstellungskosten enorm reduziert und auch die räumliche Ausdehnung
der Sauerstoffsonde wesentlich verringert.