DE3326576A1

DE3326576A1 - Method and device for determining the concentration of exhaust gas constituents, in particular in internal combustion engines for motor vehicles

Info

Publication number: DE3326576A1
Application number: DE19833326576
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dipl.-Ing. 7122 Besigheim Grob; Lothar 7148 Remseck Raff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-07-23
Filing date: 1983-07-23
Publication date: 1984-06-20

Abstract

In a method and an apparatus for carrying out the method of determining the concentration of gas constituents, in particular of oxygen components in the exhaust gas of an internal combustion engine, an oil- or gas-fired plant or the like, the measuring electrodes of an exhaust gas probe (10), in particular an oxygen probe, are subjected to an electrical alternating variable and the electrical output variable of the oxygen probe (11) which depends on the gas component, is used to modify the air/fuel mixture to be burnt. The electrical alternating variable modifies the temperature of the exhaust gas probe directly and its temperature is regulated. Furthermore, the temperature of the exhaust gas probe (10) is regulated to a set value by determining its internal resistance (11). To determine the internal resistance (11) of the exhaust gas probe, it is the electrical alternating variable for modifying the temperature of the exhaust gas probe which is used. <IMAGE>

Description

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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.Method and device for recording the concentration of exhaust gas components, in particular in internal combustion engines for motor vehicles. PRIOR ART The invention is based on a method and a device for detecting the concentration of gas components, in particular of oxygen components in the exhaust gas of an internal combustion engine, an oil or gas firing system or the like. According to the type of process or. Material claim. Such methods and devices have been known for a long time and has often been discussed and described in the literature. In particular, has it has been found necessary to adjust the temperature of such probes in order to obtain a to control or regulate optimal measurement accuracy.

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.For example, DE-OS 31 17 790 proposes the temperature a limit current probe or oxygen probe with the help of one of the probes Measure AC voltage. The amount of alternating current flowing through the probe is a measure of their internal resistance and thus also of the temperature, as this both Sizes are clearly related to each other.

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.The output variable depending on the composition of the gas mixture of the oxygen probe, which compared to the imprinted alternating quantity is only one has slowly changing time dependency, a filter is used to determine the changing quantity separately and further processed accordingly. The alternating current flowing through the probe serves as the actual value for a temperature control with an external heating resistor the temperature of the oxygen probe is regulated.

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.One possible type of regulation is, for example, in EP-OS 67 437 discloses in which the heating resistor, which is spatially separated from the oxygen probe is housed together with this in a common housing. As disadvantageous It turns out that the low thermal contact results in an unnecessarily high heating output must be made available. Furthermore, this results in spatial Separation of heater and probe, time delays in the controlled system.

Eine andere Methode zur Heizung dieser Sauerstoffsonden wird beispielsweise in der DE-OS 29 28 496 dargestellt.Another method of heating these oxygen probes is, for example in DE-OS 29 28 496 shown.

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.It is provided that the oxygen sensor is connected directly to a to heat the heating coil attached to the solid electrolyte of the sensor. This heating coil are attached to the probe body by printing, gluing or vapor deposition. In addition to the two measuring electrodes of the oxygen probe, there are thus at least two (when using two attached to each side of the platelet oxygen probe Heating coil four) additional electrode connections. One is the creation such oxygen probes relatively expensive, as shown in the exploded views DE-OS 29 28 496 can be seen. On the other hand, it must be safe electrical connection between the probe electrodes and the connected electronic Control and evaluation circuit are guaranteed. Especially for use Such probes in rough motor vehicle operation are very expensive for this reason and costly measures to make them flawless and more durable Connections necessary.

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.Advantages of the Invention The method according to the invention and the device to carry out the process with the features of the process claim or the Material claim has the advantage over the prior art that the detection the concentration of gas components is extremely safe, precise and relatively uncomplicated Kind can be done.

Dadurch, daß die elektrische Wechselgröße zur Heizung der. Sauerstoffsonde direkt an die Meßelektroden der.The fact that the electrical alternating variable for heating the. Oxygen probe directly to the measuring electrodes of the.

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.If the probe is applied and the probe temperature is regulated, a substantial simplification in structure. The connections for the probe heating saved and the electrical components effort limited, so that a increased mechanical stability and electrical operational safety results. About that In addition, of course, the heating electrode, which is often made of platinum, is per se saved, resulting in a significant reduction in the cost of manufacturing the Probe leads.

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.Furthermore, it proves to be particularly advantageous that the electrical Alternating variable for influencing the temperature of the oxygen probe at the same time as recording of Internal resistance and thus the temperature of the oxygen probe is used. Through this a control loop for regulating the temperature of the probe can be implemented with little effort.

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.Due to the direct heating of the oxygen probe via the two measuring electrodes an optimal use of the introduced heating power is guaranteed. Because of the direct implementation of the heating power in the ceramic probe occurs only very slightly Heat radiation losses and it is thereby possible to use the power section of the temperature control loop to be dimensioned considerably smaller.

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.In particular, an active control of the temperature results other major advantages. Because the probe ceramic has a resistance has a negative temperature coefficient, a stabilization of the alternating current flowing through the probe with the aid of a switched into the heating circuit To think of series resistance. Such a stabilization can increase the heating power but only to a limited extent, but not switched off. In the case of temperature control the series resistor can be omitted, so that much smaller dimensions and thus cheaper components can be used for the heating circuit.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen in Verbindung mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.Further advantages emerge from the drawings in connection with the description of the exemplary embodiments.

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.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing shown and explained in more detail in the following description. It show figure 1 shows a first embodiment of the device according to the invention, FIG. 2a second Exemplary embodiment and FIG. 2b shows a time diagram to explain the exemplary embodiment 2a, FIG. 3 a more detailed description of the control loop of FIG. 2a and FIG Figure 4 shows a third embodiment of the device according to the invention.

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.DESCRIPTION OF THE EXEMPLARY EMBODIMENTS In FIG. 1, 10 is an oxygen probe where the internal resistance that is of interest here from the equivalent circuit diagram the probe is numbered 11.

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.Since in the present exemplary embodiment, the oxygen probe 10 is a limit current probe, a DC voltage source 12 is provided, which acts on the oxygen probe 10 with a bias voltage via a throttle 13. The current flowing through the probe is by means of a measuring resistor 14, which the a probe electrode 15a connects to ground potential, measured. The resistance 14, a capacitor 15 is connected in parallel.

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.The output variable that depends on the concentration of the gas components the oxygen probe 10 is composed of the electrode 15a via a low pass a resistor 16 and a capacitor 17 removed.

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.The heating and control circuit for influencing the temperature of the oxygen probe 10 consists of a transformer 18, the primary winding 19 of which is via a switch 20 is connected to a DC voltage source UB. The connection point 21 of the The throttle 13 with the oxygen probe 10 is connected to the via a capacitor 22 the secondary coil 23 of the transformer 18 applied alternating quantity. Via a resistor 24, which is the series circuit of a diode 25 and a Capacitor 26 is in parallel, is the secondary coil 23 at ground potential connected. By a further series connection of a diode 27 and a capacitor 28, the connection point 21 is connected to ground potential. The signals between the diode 25 and the capacitor 26 and between the diode 27 and the capacitor 28 are forwarded to an evaluation unit 29, the output variable 30 of which is passed through a comparison device 31 is compared with a predetermined nominal value 32. The control deviation between the output size 30 and the target value 32 is a Controller 33 supplied, the output side of the switch 20 depending on the Control deviation actuated.

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.The device works as follows: Between the electrodes of the Oxygen probe 10, which in the present case is designed as a limit current probe and a bias voltage is applied to the voltage source 12, a flows with it the difference in oxygen concentration at the two electrodes varies Electricity, as described in detail in DE-OS 27 11 880, for example. This current changes relatively slowly compared to the electrical alternating quantity, with which the oxygen probe 10 is removed from the secondary coil 23 via the capacitor 22 of the capacitor 18 is applied. The frequency of the alternating quantity is in the range 10 kHz to 200 kHz and the amplitude can be voltage values in the range between 10 and assume 300 volts. The current flowing through the oxygen probe 10 settles thus made up of a quasi-direct current component and an alternating current component. Of the accordingly occurring at the resistor 14 AC voltage component is across the capacitor 15 as well as the low-pass filter consisting of resistor 16 and capacitor 17 filtered out so that at the junction of the resistor 16 and of the capacitor 17 alone the quasi-direct voltage component which is dependent on the oxygen concentration the oxygen probe 10, which is used for mixture control, is present. The through Alternating current flowing through the oxygen probe 10 is measured via the resistor 24 and rectified and smoothed by the diode 25 and the capacitor 26. The on AC voltage dropping from the probe is tapped at connection point 21 and further processed in accordance with the alternating current via the diode 27 and the capacitor 28.

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.The evaluation unit 29, which works on an analog or digital basis, forms the value of the internal resistance 11 of the oxygen probe from these two quantities, which in turn in the comparison device 31 with the predetermined setpoint value 32 is compared. Depending on the system deviation, the controller 33 controls the Switch 20 on. The control can either be with a constant frequency or with a variable frequency Duty cycle or

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.carried out with constant duty cycle and variable frequency will. It is thus dependent on the internal resistance or the temperature of the Oxygen probe 10 is supplied with heating power via switch 20 of the oxygen probe, so that a constant temperature of the probe ceramic is guaranteed.

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.In the embodiment of Figure 2a, which differs from the embodiment of Figure 1 by a changed actual value detection of the internal resistance or the Temperature of the oxygen probe 10 differs, equivalent parts are like Numbers designated. For recording the actual value of the internal resistance of the oxygen probe is in the present embodiment that on the secondary coil 23 of the transformer 18 adjacent alternating size used. In contrast to Figure 1, the Secondary coil 23 connected directly to the ground potential in this case. The one on the secondary coil applied voltage is rectified via a diode 40 and a counter Ground potential switched capacitor 41 smoothed. This tension is by means of a comparison device 42 is compared with a predetermined nominal value 43 and then forwarded to a controller 44, which in turn, as before, the Switch 20 controls.

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.The functioning of this arrangement should be shown by means of the timing diagram Figure 2b are illustrated. It is assumed that the switch 20 with a Closing time T closed and for the rest of the time as in the top diagram indicatedX should be open. Accordingly, it results for the through the primary coil the current iL flowing through the transformer 18 is the one shown in the middle diagram Course. During the closing phase of switch 20, the current through the primary coil increases 19 linearly, with the maximum value iL, Max values proportional to the duration T accepts. After the switch 20 is opened, the current iL falls in accordance with the curve an exponential function, where the time constant is given by the inductance L of the primary coil 19 as well as the load resistance applied to the secondary coil is given.

Im untersten Diagramm ist die Spannung, die an der Sekundärspule 23 des Transformators 18 anliegt aufgetragen.The bottom diagram shows the voltage that is applied to the secondary coil 23 of the transformer 18 is applied.

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.The voltage peaks UMax are a measure, along with other dependencies for the internal resistance 11 of the oxygen probe 10 and can thus be used as an actual value acquisition can be used to control the probe temperature.

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.A more detailed embodiment of the control loop according to FIG. 2a is shown in FIG. Here, too, there are matching components marked with the same numbers. The one lying on the secondary coil 23 Change size is rectified as described via the diode 40 and the capacitor 41 and smoothed.

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.This electrical quantity is fed to a comparison device 42, which wired this signal with the output signal of a controlled integrator Operational amplifier 43 compares. The output of this operational amplifier 43 is connected to the inverting via a capacitor 44 to which a switch 45 is connected in parallel Input connected. The inverting input is via a resistor 46 with a applied essentially constant voltage Uc. The non-inverting input of the operational amplifier 23 is connected to ground potential. The output of the comparison device 42 is connected to a flip-flop circuit 47, which is also connected to a square-wave oscillator 48 is controlled. The output of the flip-flop 47 operates the switch 20 as well the switch 45. At the connections of the diode 40 and the capacitor 41 is a Starting device 60 connected, which consists of a between supply voltage and Voltage switched to ground consists of resistors 61 and 62. From the center tap leads a diode 63 to the junction of diode 40 and capacitor 41, the another resistor 64 is connected in parallel.

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.The control device works in such a way that an increasing Edge of the square-wave oscillator 48 via the flip-flop 47 the switch 45 public and the switch 20 closes. A current i, L thus flows through the primary coil 19 of the transformer 18. At the same time, the voltage at the output of the operational amplifier increases 43 linearly. Via the connecting line from the secondary coil 23 and the diode 40 becomes the tension UMax to one input of the comparison device 42 given that this voltage UMax with the output voltage of the operational amplifier 43 compares.

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.If equality is achieved, the comparison device 42 changes it Output size and influences the flip-flop 47 in such a way that it controls the switch 45 closes and switch 20 opens. The whole cycle starts with a new one rising edge of the square wave oscillator 48 started again.

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.In this case, the control circuit works to operate the switch 20 with a constant clock frequency and variable pulse duration, which is a measure of the opening time of the switch 20 is. It would also be conceivable, for example via a voltage-controlled oscillator with constant pulse duration but variable clock frequency to work. The start-up device 60 fulfills the task of the comparison device 42 to supply a defined, positive Schwinert at the beginning of the transient process. The mode of operation does not have to be explained in more detail, since it is derived directly from the circuit arrangement results.

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.In Figure 4, a further embodiment is shown in which a lambda probe with the characteristic jump behavior as an oxygen probe the output variable is used when zu = 1. In this case, the stake is a Voltage source 12 for generating a bias voltage is not necessary. Also in this one In the drawing, the same components are denoted by the same numbers.

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.In contrast to the previous exemplary embodiments, this is used Fall the voltage between the two electrodes of the oxygen probe 10 as the Output variable dependent on the oxygen concentration at the electrodes. These Quasi-DC voltage is supplied via a from a resistor 50 as well a capacitor 51 existing low-pass filter from the superimposed alternating voltage which acts on the oxygen probe 10 via the secondary coil 23 and the capacitor 22 is freed. To regulate the opening time of the switch 20 is as in the embodiment 2a uses a controller 44, which receives its input signal from a comparison device 42 receives an actual value 52 that is dependent on the temperature of the oxygen probe with the setpoint 43 compares. In the present example it is left open how the actual value 52 is obtained. It is clear, however, that even in the case of a lambda probe (in contrast to a limit current probe) the same or similar methods are used can be, as they have been described in the previous exemplary embodiments. The fact that there is a stabilization (in contrast to regulation) of the probe temperature is omitted, the necessary series resistor can be omitted and the occurring, power loss not used for probe heating can be minimized.

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.In various applications it can be advantageous to have an additional Provide heating coil on the probe or near the probe, acting as an unregulated Basic heating is operated. This basic heating can be used in particular during the start-up phase the internal combustion engine, when the exhaust gases are only at a low temperature, to be useful. Furthermore, the control range of the control device according to the invention could be considerably narrowed in the presence of such a basic heating.

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.Overall, with the method according to the invention and the method according to the invention Device an essential increased reliability of the oxygen probe guaranteed, the manufacturing costs enormously reduced and also the spatial expansion the oxygen probe is significantly reduced.

Claims

Experience claims for the detection of the concentration of gas components, in particular of the oxygen content in the exhaust gas of a .3 internal combustion engine, an oil Or gas firing system or the like, in which a) an exhaust gas probe, in particular a Oxygen probe of the type of the lambda probe or the limit current probe b) via its measuring electrodes charged with an electrical alternating quantity and c) the electrical1 of the gas component dependent output variable of the oxygen probe to influence the one to be burned Air-fuel mixture is used, characterized in that d) the electrical Alternating variable directly influences the temperature of the oxygen probe (10) and e) the Temperature of the flue gas probe is regulated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature control carried out via a detection of the internal resistance (11) of the exhaust gas probe (10) will.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical alternating quantity from a secondary winding (23) of a transformer (18) is removed.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the Value of the internal resistance (11) directly from the measured heating current and on The heating voltage applied to the probe is obtained.

5. The method according to claim 3, characterized in that the value of the internal resistance (11) indirectly from that applied to the secondary coil (23) electrical, on the internal resistance (11) dependent variable is obtained.

6. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the Value of the internal resistance (11) from the electrical resistance applied to the probe (10) Alternating size is obtained.

7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the proportion of the output variable of the probe which is dependent on lambda (10) is obtained by filtering the total output variable.

8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized characterized in that the electrical alternating quantity has amplitudes in the range 30 to 300 Volts and frequencies in the range 20 to 200 kHz.

9. Device for carrying out the method for detecting the concentration of gas components, in particular of oxygen components in the exhaust gas of an internal combustion engine, an oil or gas firing system or the like. According to one of claims 1 to 8 from a) an exhaust gas probe, in particular an oxygen probe b) with one to the Unit connected to the probe electrodes for generating an electrical alternating quantity and c) one of the output variable of the exhaust gas probe that is dependent on the gas content Unit for influencing the air-fuel ratio, characterized in that that d) the amplitude of the electrical alternating quantity is a measure of the temperature increase of the oxygen probe and that e) the internal resistance of the exhaust gas probe as an input variable is used for temperature control.

10. Apparatus according to claim 9, characterized in that the internal resistance (11) the exhaust gas probe, in particular the oxygen probe (10) via the through the exhaust gas probe (10) flowing current as well as the voltage drop occurring at the exhaust gas probe (10) is determined by means of an evaluation unit (29).

11. The device according to at least one of claims 9 or 10, characterized characterized in that the electrical alternating variable for influencing the temperature Exhaust gas probe (10) coupled in via the secondary coil (23) of a transformer (18) will.

12. Device. according to one of claims 9 to 11, characterized in that that the internal resistance (11) of the exhaust gas probe (10) from the on the secondary coil (23) applied electrical quantity is determined.

13. The apparatus according to claim 11, characterized in that the Internal resistance (11) of the exhaust gas probe (10) from that applied to the exhaust gas probe (10) electrical alternating quantity is determined.

14. Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that that the lambda-dependent portion of the output variable of the probe by means of a filter (14, 15, 16, 17; 50, 51) is separated from the overall signal.

15. Device according to one of claims 9 to 14, characterized in that that the electrical alternating variable amplitudes in the range 30 to 300 volts and frequencies in the range of 20 to 200 kHz.