Steuereinheit zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Betrieb insbesondere einer einzelligen Breitband-Lambdasonde einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Stand der Technik

Eine Lambdaregelung ist, in Verbindung mit einem Katalysator, heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Erst im Zusammenspiel mit heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Die heute verwendeten Katalysatortypen haben die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Koh- lenmonoxid und Stickoxide zu mehr als 98% abzubauen, falls die Brennkraftmaschine in einem Bereich von etwa 1 % um das stöchiometrische Luft- Kraftstoff- Verhältnis mit Lambda = 1 betrieben wird. Dabei gibt der Lambda-Wert an, wie weit das tatsächlich vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg bzw. 14,5 kg Luft zu 1 kg Kraftstoff abweicht. Der Wert von 14,7 kg gilt für Ottokraftstoff und der Wert von 14,5 kg für Dieselkraftstoff. Lambda ist hierbei der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf.

Eine Breitband-Lambdasonde sowie eine Steuereinheit zum Betrieb einer solchen Lambdasonde gehen aus der DE 10 2008 001 697 A1 hervor. Der Betrieb umfasst insbesondere die Steuerung der Lambdasonde sowie die Auswertung der von der Lambdasonde gelieferten Signale bzw. Daten. Die Steuereinheit umfasst eine Signalaufbereitungseinheit, einen A/D-(Analog-Digital-) Wandler, einen Pumpstromregler, eine Digitalschnittstelle, eine Steuerung, einen inneren Pump- elektrodenanschluss, einen äußeren Pumpelektrodenanschluss und einen Refe- renzelektrodenanschluss. Die Signalaufbereitungseinheit ist zur Ermittlung eines Ist-Wertes für den Pumpstromregler und zur Ermittlung von weiteren Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde vorgesehen. Die Informationen sind über die Digitalschnittstelle ausgebbar.

An die Pumpzelle der Lambdasonde wird eine Pumpspannung Up angelegt, die abhängig von einer der Sauerstoffkonzentration im Abgas entsprechenden, an der Nernstzelle abgenommenen Nernstspannung mit Hilfe eines Pumpstromreglers eingestellt wird. Mittels des Pumpstromreglers wird der Pumpstrom Ip so eingeregelt bzw. nachgeführt, dass die Pumpspannung Up innerhalb vorgebbarer

Grenzen liegt.

Eine entsprechende Steuereinheit in Gestalt einer integrierten Schaltung (IC) zur Steuerung von für Diesel- und Ottomotoren geeigneten Breitband- Lambdasonden wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung„CJ135" vertrieben. Diese Steuereinheit wird nachfolgend anhand der Figur 1 beschrieben.

Mittels einer genannten Steuereinheit lässt sich eine Breitband-Lambdasonde mit Hilfe eines einzelnen ASICs (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) be- treiben und überwachen. Dieser ASIC dient insbesondere zur Bereitstellung eines geregelten Pumpstroms (Ip) und dessen Erfassung, zur Erfassung des Sensorinnenwiderstandes (Ri) zur Temperaturüberwachung des Sensors sowie zur Überwachung und ggf. den Schutz sämtlicher Sensorleitungen. Aus der DE 101 56 248 A1 geht eine Breitband-Lambdasonde hervor, welche nur eine einzelne Pumpzelle aufweist, d.h. einzellig aufgebaut ist, und welche nach dem Grenzstromprinzip betrieben werden kann. Die Sonde weist zwei auf einem Festkörperelektrolyten angeordnete Elektroden auf, wobei die erste Elektrode (äußere Pumpelektrode) über einem Referenz- bzw. Abluftkanal in ein Referenz- gas reicht und die zweite Elektrode (innere Pumpelektrode) über eine Diffusionsbarriere in das Messgas bzw. Abgas reicht. Zum Betreiben der Sonde wird an den Elektroden eine Spannung angelegt, wodurch im Falle von magerem Abgas Sauerstoffionen von der Anode zur Kathode, also von der Innenelektrode zur äußeren Pumpelektrode bewegt werden. Da das Nachfließen von Sauerstoffmole- külen aus dem Abgas in den die Innenelektrode umgebenden Hohlraum durch eine Diffusionsbarriere behindert ist, erreicht der Pumpstrom oberhalb eines Pumpspannungs-Schwellenwerts eine Stromsättigung, den sogenannten Grenzstrom. Dieser Grenzstrom ist der Sauerstoffkonzentration im Abgas proportional. Umgekehrt wird bei fettem Abgas Sauerstoff aus dem Abluftkanal in den Messraum gepumpt.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Betreiben insbesondere einer einzelligen Breitband-Lambdasonde, z.B. einer genannten einzelligen Grenzstromsonde, welche lediglich über zwei Sensorleitungen verfügt, ein genannter Pumpstromregler nicht erforderlich ist. Deshalb kann eine Breitband- Lambdasonde dieses Bautyps ohne einen Pumpstromregler ausgewertet bzw. überwacht werden. Im Gegensatz zum im Stand der Technik bekannten„CJ135" ASIC, welcher einen Pumpstomregler beinhaltet, ermöglicht die Erfindung eine relativ einfach aufgebaute und damit kostengünstig realisierbare Schaltungsanordnung zur Pumpstrommessung und zur Pumpspannungsnachführung Durch ausreichend hohe Voreinstellung der Pumpspannung wird die Lambdasonde im Grenzstrom- betrieb gehalten, d.h. der gesamte durch die Diffusionsbarriere zur Innenelektrode bzw. zur inneren Pumpelektrode hin diffundierende Sauerstoff wird zur Außenelektrode bzw. Abluftelektrode gepumpt. Dieser Grenzstrom ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Die Pumpspannung wird jedoch auch nach oben hin begrenzt, da eine zu hohe Pumpspannung z.B. Wasserzerset- zungseffekte zur Folge hat, wodurch das Messsignal, nämlich der Pumpstrom, verfälscht wird.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. eine solche Schaltungsanordnung aufweisende Steuereinheit umfasst einen Messwiderstand, mit dem der Wert des Pumpstroms und damit der Lambdawert bestimmt werden kann. Der

Pumpstrom wird maßgeblich durch die an die innere und äußere Pumpelektrode angeschlossene Lambdasonde bestimmt. Kann der für den Betrieb der Lambdasonde notwendige Pumpstrom z.B. durch einen MikroController bzw. einen im MikroController angeordneten Spannungsgenerator, welcher ein üblicherweise pulsweitenmoduliertes (PWM) Spannungssignal liefert, nicht zur Verfügung ge- stellt werden, kann dieser durch einen zusätzlichen Schaltungsteil, z.B. eine geeignete Operationverstärkerschaltung, generiert bzw. bereitgestellt werden.

Der Pumpstrom wird somit nicht, wie im Stand der Technik, geregelt sondern mit- tels des genannten Messwiderstandes ermittelt. Ausgehend von dem so ermittelten Messwert wird die Pumpspannung anhand einer durch Pulsweitenmodulation und nachgeschalteten Tiefpass erzeugten, gleichförmigen Pumpspannung nachgeführt. Diese Gleichspannung dient insbesondere dazu, die Lambdasonde in dem genannten Grenzstrombetriebsmodus zu halten. Bevorzugt in einem Mikro- Controller ist daher eine Kennlinie hinterlegt, welche einem Pumpstromwert den zugehörigen Spannungswert zuordnet.

Um einen Stromfluss des Pumpstroms in beide Stromrichtungen zu ermöglichen, kann eine hinter dem Messwiderstand angeordnete„virtuelle Masse" vorgesehen sein. Die virtuelle Masse kann als Stromquelle und/oder als Stromsenke dienen und eine konstante Spannung bereitstellen. Bezüglich der genannten beiden Stromrichtungen ist anzumerken, dass die Lambdasonde im Normalbetrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (Dieselmotor) hauptsächlich magerem Abgas ausgesetzt ist. Allerdings muss das Abgas zeitweilig angefettet werden, z.B. im Falle einer Regeneration des Katalysators. Dabei fließt der Pumpstrom in die jeweils andere Richtung.

Ein Messstrompuls wird auf die Auswerteschaltung und damit auch auf die Sonde gegeben und mit Hilfe der Pumpspannung können der Innenwiderstand der Lambdasonde und damit die Sondentemperatur bestimmt werden. Auch können dadurch Fehlerzustände an elektrischen Leitungen der Lambdasonde diagnostiziert werden.

Da die erfindungsmäße, insbesondere für eine einzellige Breitbandsonde geeignete Steuereinheit ohne einen genannten Pumpstromregler auskommt und darüber hinaus aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein kann, können insbesondere die Herstellungskosten der Steuereinheit erheblich reduziert werden.

Darüber hinaus weist eine erfindungsgemäße Steuereinheit eine erheblich größere elektrische bzw. elektromagnetische Robustheit auf, da sie keinen schwin- gungsempfindlichen Regelkreis aufweist und daher weniger schwingungsanfällig ist.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. Steuereinheit kann mit den hierin beschriebenen Vorteilen in einem Motorsteuergerät einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zum Betrieb und zur Überwachung einer Einzeller- Lambdasonde eingesetzt werden im Falle eines zukünftig weitergehenden Anwendungsfeldes der genannten Breitband-Lambdasonden wird die Erfindung durchaus auch in anderen Bereichen anwendbar sein.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer im Stand der Technik bekannten Steuereinheit zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde.

Figur 2 zeigt schematisch eine im Stand der Technik bekannte Grenzstromsonde.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zum Betrieb einer einzelligen Breitband-Lambdasonde.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die in der Figur 1 gezeigte, in ihrem Aufbau an sich bekannte Steuereinheit 10 (eingangs genannter IC mit der Bezeichnung„CJ135") entspricht in ihrer Funktion einem Auswertebaustein für eine Breitband-Lambdasonde. Die Steuereinheit ist daher mit einer Breitband-Lambdasonde 15 Signal- bzw. datentechnisch ver- bunden. Zusätzlich besteht eine Signalverbindung mit einem externen Mikrocon- troller (μθ) 20.

Die Steuereinheit 10 umfasst einen Analog/Digital-(A/D-)Wandler 25, einen Filter 30 sowie ein SPI-Schieberegister (SPI = Serial Peripheral Interface) 40. Mittels des A/D-Wandlers 25 werden die von der Lambdasonde 15 gelieferten analogen Messdaten für die digitale Weiterverarbeitung digitalisiert. Mittels des Filters 30, bevorzugt ein Tiefpassfilter, wird das Signalrauschen des vom Sensor gelieferten Messsignals verringert. Die so gefilterten digitalen Daten werden an den Mikro- controller 20 übertragen.

Die Steuereinheit 10 umfasst ferner eine Schaltmatrix 33, welche mittels eines Steuermoduls 34 betrieben wird und von einem Stromgenerator 35 gespeist wird. Mittels der Schaltmatrix 33 lassen sich die Eingänge der Steuereinheit sowie die Art der Auswertung der Messsignale flexibel anpassen bzw. verändern.

Der eingangs genannte Lambda-Regler befindet sich in diesem Fall im Mikrocon- troller 20, der Pumpstromregler ist in der Steuereinheit 10 (d.h. vorliegend im CJ135) implementiert.

Die Figur 2 zeigt eine in der DE 10 2006 030 437 A1 beschriebene Grenzstromsonde zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, dem sog. Messgas 100. Die Grenzstromsonde umfasst in einem unteren Bereich eine Heizung 160, in einem mittleren Bereich einen Messraum 130 mit einer ersten Elektrode 140 und in einem oberen Bereich eine zweite Elektrode 150.

Zwischen der ersten Elektrode, vorliegend der Innenpumpelektrode 140, und der zweiten Elektrode, vorliegend der Außenpumpelektrode 150, erstreckt sich ein Festkörperelektrolyt, der zusammen mit den beiden Elektroden eine Pumpzelle

120 bildet. Die dem Gasgemisch bzw. Messgas 100 zugewandte Außenpumpelektrode 150 ist durch eine Schutzschicht 1 10 gegenüber dem Messgas 100 geschützt. Ferner weist die Pumpzelle 120 in einem zentralen Bereich eine Öffnung 105 auf, durch die das Messgas 100 über eine Diffusionsbarriere 135 in den Messraum 130 und somit zur Innenpumpelektrode 140 gelangt. Die Außenpumpelektrode 150 wird einer Referenzluft ausgesetzt. Durch Anlegen einer Heizspannung (UH) 165 werden der Gassensor und insbesondere die Pumpzelle 120 auf eine Betriebstemperatur gebracht, bei der der Festkörperelektrolyt eine ausreichend hohe Sauerstoffionen-Leitfähigkeit auf- weist.

An beiden Elektroden 140 und 150 wird eine Pumpspannung (Up) 170 angelegt. Tritt mageres Abgas durch die Diffusionsbarriere 135 hindurch in den Messraum 130 ein, so werden mit Hilfe der Pumpspannung 170 an der Innenpumpelektrode 140, welche elektrochemisch als Anode wirkt, die Sauerstoffmoleküle des Abgases zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festkörperelektrolyten zur als Kathode wirksamen Außenpumpelektrode 150 transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Pumpspannung 170 wird dabei so eingestellt, dass der durch die Diffusionsbarriere 135 eintretende Sauerstoff vollständig zur als Kathode wirkenden Außenelektrode bzw. Abluftelektrode 150 gepumpt wird.

Zur Vermeidung von Wasserzersetzungseffekten, welche die Messung verfälschen würden, wird nicht dauerhaft eine hohe Pumpspannung Up eingestellt, jedoch im Rahmen einer sogenannten„Pumpspannungs-Nachführung" die Pump- Spannung (Up) 170 dem jeweiligen Pumpstrom (Ip) 175 angepasst. Der resultierende Pumpstrom 175 ist annähernd proportional zum Restsauerstoffgehalt im Abgas, wodurch solche Einzeller-Sensoren auch als„Proportionalsensoren" bezeichnet werden. Die Pumpzelle 120 kann daher in einem relativ weiten Bereich zur Bestimmung der Luftzahl Lambda eingesetzt werden. Allerdings weisen sol- che Einzeller-Sensoren meist nur bei relativ magerem Abgas (Lambda > 1 ) eine eindeutige Kennlinie auf und werden daher bevorzugt in selbstzündenden Brennkraftmaschinen eingesetzt.

In der Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. eine solche Schaltungsanordnung aufweisende erfindungsgemäße Steuereinheit zum Betrieb bevorzugt einer vorbeschriebenen einzelligen Grenzstromsonde dargestellt. Eine in der Figur 2 gezeigte (hier nicht dargestellte) Grenzstromsonde 330 wird über einen genannten IPE-Anschluss 343 (innere Pumpelektrode) und einen genannten ALE-Anschluss 342 (äußere Pumpelektrode bzw. Abluftelektrode) mit der Schaltungsanordnung verbunden. Die Grenzstromsonde 330 dient zur Erzeugung eines genannten Pumpstroms 304. Der durch die Grenzstromsonde 330 bestimmte Pumpstrom 304 ist, wie oben beschrieben, ein Maß für den Restsauerstoffgehalt im Abgas. Im Fall von Ip = 0 ist Lambda = 1 . Ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch relativ mager (Lambda > 1 ), so fließt ein Pumpstrom Ip von der Abluftelektrode (ALE) 342 zur inneren Pumpelektrode (IPE) 343 der Grenzstromsonde. Ist das Gemisch hingegen relativ fett (Lambda < 1 ), dann fließt ein Pumpstrom Ip in entgegengesetzter Richtung.

Ein Spannungsgenerator 315 dient mit Hilfe eines Filters, insbesondere eines Tiefpasses 305, zur Generierung der Pumpspannung (Up) 303, wobei der Wert der Pumpspannung 303, abhängig vom jeweiligen Pumpstrom (Ip) 304, in an sich bekannter Weise mittels eines pulsweiten-modulierten (PWM-)Signals 307 einstellbar ist („Up-Nachführung"). Der Pumpstrom (Ip) 304 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Pumpstromgeber 405 bereitgestellt, der über einen vierten Schalter (T4) 400 vom nachfolgenden Teil der Schaltung getrennt werden kann.

Wie durch die gestrichelte Linie 380 angedeutet, sind ein solcher Pumpstromgeber 405 und der Schalter T4 (400) nicht zwingend erforderlich, da der Pumpstrom 304 prinzipiell auch von dem MikroController 310 bereitgestellt werden kann.

Das PWM-Signal 307 wird von einem Spannungsgenerator 315 geliefert und liegt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Frequenzbereich von etwa 20 bis 30 kHz. Es ist allerdings anzumerken, dass die vorliegende Erfindung bzw. ihre Anwendung nicht auf diesen Frequenzbereich beschränkt ist. Der Generator 315 ist in einem internen oder externen MikroController (μθ) 310 angeordnet. Die so eingestellte Pumpspannung 303 kann zudem über einen ersten Tiefpass 305 geglättet werden. Die Pumpspannung 303 wird über einen zweiten Tiefpass 306 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 320 wieder in den MikroController 310 zurückgelesen.

Der Pumpstrom (Ip) 304 wird mittels eines Messwiderstandes 345 bestimmt. Bei Bedarf, z.B. aus Genauigkeitsgründen, kann der an dem Messwiderstand abfallende Spannungswert verstärkt werden, z.B. mittels eines (nicht gezeigten) Differenzverstärkers oder mittels des im MikroController 310 bereits vorhandenen ADCs 320. Mittels einer in dem MikroController 310 abgelegten Kennlinie 325 wird aus dem Pumpstrom 304, mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung, die zu erzeugende Pumpspannung (Up) 303 generiert.

Damit der Pumpstrom (Ip) 304 in den genannten beiden Stromrichtungen 395 fließen kann, ist hinter dem Messwiderstand 345 eine„virtuelle Masse" (VM) 355 angeordnet. Die virtuelle Masse 355 dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke und liefert einen festen bzw. konstanten Spannungswert hinter dem Messwiderstand 345. Dieser Spannungswert kann bei Bedarf, z. B. aus Genauigkeitsgründen über einen zusätzlich angeordneten dritten Tiefpass 370 zurückgelesen werden. Wie durch die gestrichelte Linie 375 angedeutet, ist die Rücklesung des VM-Wertes nur bevorzugt, jedoch für die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nicht notwendig. Damit der Strom auch von der IPE 343 zur ALE 342 fließen kann, muss der Spannungswert an der ALE 342 kleiner als der Spannungswert an der IPE 343 sein. Denn nur in diesem Fall ist dieser umgekehrte Stromfluss bei fettem Abgas möglich. Der Wert der konstanten Spannung beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 2,0 V, kann jedoch auch verschieden sein, da es auf den genauen Spannungswert vorliegend nicht ankommt.

Im oberen Schaltungsteil ist zusätzlich ein ebenfalls von dem MikroController 310 getriebener erster Schalter (T1 ) 360 angeordnet. Mit Hilfe dieses Schalters wird ein Strompuls auf die Schaltung bzw. die Sonde gegeben. Durch Spannungsauswertung an der ALE 342 mittels des Tiefpasses 306 kann der Innenwiderstand der Sonde (Ri) und damit die Sondentemperatur bestimmt werden. Der dafür notwendige Messstrom wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Messstromgeber 385 bereitgestellt.

Mit dieser Schaltungsanordnung bzw. einer entsprechenden Steuereinheit können auch Fehlerzustände an den Sondenleitungen diagnostiziert werden. So können etwa vorliegende Kurzschlüsse mit Hilfe der beschriebenen Auswertung des hinter dem Tiefpass 306 anliegenden Spannungspotentials sowie des am Messwiderstand 345 vorliegenden Spannungsabfalls, oder einer Kombination aus beiden, erkannt werden. Durch geeignete Stellung des ersten Schalters (T1 ) 360 sowie eines ebenfalls von dem MikroController 310 getriebenen zweiten Schalters (T2) 365 kann eine Diagnose von Kabelbrüchen mittels

Plausibilisierung durchgeführt werden. Mittels des zweiten Schalters (T2) 365 und eines weiteren dritten Schalters (T3) 390 kann im Fehlerfall eine Ersatzreaktion erzeugt werden. So können die beiden Schalter 365, 390 geöffnet werden, wodurch die Sondenleitungen 330 hochohmig geschaltet werden.

Darüber hinaus können mit Hilfe der genannten Schalter 360, 365 sowie einer geeigneten Programmierung des MikroControllers (μθ) 310 weitere Zusatzfunktionen realisiert werden, z.B. eine Funktion zur Depolarisierung der Sonde.

Die beschriebene Schaltungsanordnung kann in Form einer ASIC-basierten Steuereinheit oder auch aus diskreten Bauelementen aufgebaut in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine realisiert werden.