Titel

Steuereinheit zum Betrieb einer Lambdasonde Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Betrieb einer Lambdasonde mit einer elektrochemischen Zelle.

Stand der Technik Aus der DE 10 2013 224 811 AI ist bereits eine Steuereinheit zum Betrieb einer einzelligen Breitband-Lambdasonde eines Abgasnachbehandlungssystems einer Brennkraftmaschine bekannt, die mittels einer Pumpspannung im Grenzstrombetrieb gehalten wird, wodurch sich ein dem Restsauerstoff im Abgas proportionaler Pumpstrom einstellt, und wobei die Pumpspannung, abhängig von dem sich ein- stellenden Pumpstrom, nachgeführt wird.

Hierbei wird die Pumpspannung mittels einer hinterlegten Kennlinie aus dem Pumpstrom bestimmt, der Pumpstrom wird mittels eines Messwiderstandes ermittelt, der mit einer virtuellen Masse verbunden ist, die als Stromquelle und/oder Stromsenke dient und eine konstante Spannung bereitstellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit die Betriebssicherheit und die Kompatibilität mit vorgegebenen Lambdasonden der vorbekannten Steuereinheit zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei geht der Erfindung zunächst die Erkenntnis voraus, dass zum Betreiben einer Lambdasonde mit einer elektrochemischen Zelle im Grenzstrombetrieb hinsichtlich der an ihr anliegenden Pumpspannung miteinander in Konflikt kommende Randbedingungen gegeben sind. So ist das Potential der virtuellen Masse (nachfolgend auch: die virtuelle Masse) einerseits so niedrig wie möglich zu wählen, um das durch eine zur Verfügung stehende Versorgungsspannung gegebene Spannungsbudget nicht so sehr zu belasten, dass eine ausreichende Nachführung des Eingangspotentials bei großen Pumpströmen nicht mehr vollständig möglich wäre. Anderseits muss das Potential der virtuellen Masse auch im Fettbetrieb stets größer sein als der Spannungsabfall des maximal zu erwartenden Pumpstroms über dem Messwiderstand.

Dieser Konflikt wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch aufgelöst, dass das Potential der virtuellen Masse in Abhängigkeit von dem Eingangspotential verändert wird.

Insbesondere wird das Potential der virtuellen Masse erhöht, wenn sich das Eingangspotential erniedrigt und das Potential der virtuellen Masse wird erniedrigt, wenn sich das Eingangspotential erhöht.

Das Potential der virtuellen Masse ist dann insbesondere im Magerbetrieb, wenn beispielsweise relativ große Pumpströme und damit verbundene Spannungsabfälle an dem Messwiderstand auftreten, relativ niedrig, sodass ein Grenzstrombetrieb aufrechterhalten werden kann.

Das Potential der virtuellen Masse ist dann andererseits insbesondere im Fettbetrieb relativ hoch und vermag den Spannungsabfall des Pumpstroms über dem Messwiderstand zu übertreffen.

Nach allem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Messwiderstand mit einem relativ hohen Widerstand Verwendung finden (zum Beispiel mindestens 20 - 600 Ohm).

Es ist beispielsweise möglich und vorteilhaft, dass das Potential der virtuellen Masse in Abhängigkeit von dem Eingangspotential so verändert wird, dass es sich beispielsweise um einen Wert Δφ erhöht, wenn sich das Eingangspotential um diesen Wert vermindert. Ebenfalls möglich ist, dass das Potential der virtuellen Masse in Abhängigkeit von dem Eingangspotential so verändert wird, dass es sich beispielsweise um einen Wert Δφ erhöht, wenn sich das Eingangspotential um einen Wert vermindert, der zwischen 1/3 Δφ und 3 Δφ liegt. Das Potential der virtuellen Masse kann in Abhängigkeit von dem Eingangspotential schnell und zuverlässig durch eine analoge oder digitale Schaltung verändert werden, beispielsweise indem die virtuelle Masse durch eine Schaltung mit mindestens einem Operationsverstärker ausgeführt ist, dessen invertierender

Eingang und dessen Ausgang über einen ersten elektrischen Widerstand miteinander verbunden sind und dessen invertierender Eingang ferner über einen zweiten elektrischen Widerstand mit dem Eingangspotential verbunden ist. In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein konstantes Potential angelegt wird, sodass das Potential der virtuellen Masse den Wert VM = UB- (UA-UB) * R1/R2 annimmt, wobei VM das Potential der virtuellen Masse ist, UB das an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegte konstante Potential ist, UA das Eingangspotential ist, Rl der ohmsche Widerstand des ersten elektrische

Widerstands ist und R2 der ohmsche Widerstand des zweiten elektrischen Widerstands ist.

Es ist dann bevorzugt: 1/3 Rl < R2 < 3 Rl, insbesondere Rl = R2.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinheit Figur 2 zeigt eine analoge Schaltung zur Veränderung des Potentials der virtuellen Masse VM in Abhängigkeit von dem Eingangspotential UA

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bzw. eine solche Schaltungsanordnung aufweisende erfindungsgemäße Steuereinheit zum Betrieb bevorzugt einer vorbeschriebenen einzelligen Grenzstromsonde 330 dargestellt. Eine an sich bekannte Grenzstromsonde 330 wird über einen IPE-Anschluss 343 (innere Pumpelektrode, zweite Elektrode) und einen genannten ALE-Anschluss

342 (äußere Pumpelektrode bzw. Abluftelektrode, erste Elektrode) mit der Schaltungsanordnung verbunden. Die Grenzstromsonde 330 dient zur Erzeugung eines Pumpstroms (Ip) 304. Der durch die Grenzstromsonde 330 bestimmte Pumpstrom 304 ist, wie an sich bekannt, 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 elektrischer Pumpstrom 304 im Inneren der Sonde von der Abluftelektrode (ALE) 342 zur inneren Pumpelektrode (IPE) 343 der Grenzstromsonde 330. Ist das Gemisch hingegen relativ fett (Lambda < 1), dann fließt ein Pumpstrom 304 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 304, in an sich bekannter Weise mittels eines pulsweiten-modulierten (PWM-)Signals 307 einstellbar ist („Up-Nachführung"). Der Pumpstrom 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 vierte Schalter 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 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) Diffe- renzverstärkers 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 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 stellt ein elektrisches Potential hinter dem Messwiderstand 345 zur Verfügung, es liefert somit ein elektrisches Potential, das nicht unmittelbar von dem Pumpstrom 355 abhängig ist und insofern fest bzw. konstant ist. 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 im Inneren der Sonde auch von der zweiten Elektrode 343 zur ersten Elektrode 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, also das Potential der virtuellen Masse 355, ist erfindungsgemäß von dem Eingangspotential UA abhängig: es erhöht sich, wenn sich das Eingangspotential UA erniedrigt und umgekehrt.

Da erfindungsgemäß das Eingangspotential UA abhängig von dem sich einstellenden Pumpstrom 304 nachgeführt wird, kommt es auch zu einer mittelbaren Beeinflussung des Potentials der virtuellen Masse 355 vom Pumpstrom 355. Diese ist aber lediglich mittelbar und ändert das Wesen der virtuellen Masse nicht: Die virtuelle Masse ist ein festes Potential, das nicht unmittelbar von dem

Pumpstrom Ip abhängig und insofern fest bzw. konstant ist.

Die Abhängigkeit des Potentials der virtuellen Masse 355 von der Eingangsspannung UA kann durch die in der Figur 2 gezeigte analoge Schaltung realisiert werden. Alternativ kann eine digitale Schaltung realisiert werden.

Sowohl der Pumpstromgeber 405 als auch die virtuelle Masse 355 sind in die- sem Beispiel als Operationsverstärker-Schaltungen realisiert.

Dabei ist der virtuellen Masse 355 ein Operationsverstärker OP1 zugeordnet, dessen invertierender Eingang OP1- und dessen Ausgang OP1A über einen ersten elektrischen Widerstand Rl miteinander verbunden sind und dessen invertierender Eingang OP1- ferner über einen zweiten elektrischen Widerstand R2 mit dem Eingangspotential UA verbunden ist. In dem Beispiel wird das Eingangspotential UA durch das durch den Tiefpass 305 geglättete PWM-Eingangssignal 307 gegeben. U B ist ein an den nichtinvertierenden Eingang OP+ des Operationsverstärkers OP1 angelegtes konstantes Potential. Es kann von einer separaten Spannungsquelle bereit gestellt sein oder durch einen Spannungsteiler von einer anderen, bereits erwähnten Spannungsversorgung abgeleitet sein. Es hat dann das Potential der virtuellen Masse 355 den Wert VM mit

VM = UB- (UA-UB) * R1/R2.

Im speziellen Beispiel ist Rl = R2, es ist also VM= 2UB-UA.

Der Messwiderstand kann einen ohmschen Widerstand von 20 -600 Ohm aufweisen.

Durch die Wahl der Widerstände Rl und R2 ist sowohl eine symmetrische als auch eine unsymmetrische Ansteuerung der elektrochemischen Zelle 401 möglich. Insbesondere kann erreicht werden, dass die Änderung der virtuellen Masse 355 nur in einem Teilbereich der Ansteuerung durch die Eingangsspannung UA erfolgt und die virtuelle Masse im Übrigen einen konstanten, also von der Eingangsspannung unabhängigen Wert annimmt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann selbstverständlich sowohl mit diskreten Komponente aufgebaut als auch in einem ASIC (application-specific in- tegrated circuit) integriert sein.