Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben eines beheizbaren Abgassensors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung an zum Betreiben eines beheizbaren Abgassensors.

Stand der Technik

Zum Betreiben von Brennkraftmaschinen werden Abgassensoren wie beispielsweise Lambda- oder NOx-Sensoren eingesetzt, mit deren Sensorsignalen die Brennkraftmaschine gesteuert wird, um beispielsweise geeignete Bedingungen für eine wirkungsvolle Abgasreinigung in einer Abgasreinigungsanlage sicherzustellen.

Insbesondere Abgassensoren, die einen ionenleitenden Festelektrolyten aufweisen, wie beispielsweise Lambda- oder NOx-Sensoren, benötigen eine bestimmte Betriebstemperatur, um die notwendige lonenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erreichen. Zudem hängt die Messgenauigkeit von der Temperatur eines solchen Sensors ab. Daher ist es im Allgemeinen erforderlich, die Sonde zu beheizen und die Temperatur zu kontrollieren und normalerweise zu regeln. Zur Messung der Temperatur wird in der Regel auf ein separates Thermoelement verzichtet. Stattdessen kann beispielsweise auf den stark temperaturabhängigen Innenwiderstand R, der Abgassonde zurückgegriffen werden, um ein Messsignal für die Sensortemperatur zu erhalten. Ein weiteres Messsignal, welches der beheizbare Abgassensor zur Verfügung stellt, ist beispielsweise die Nernst-Spannung, welche eine Aussage darüber zulässt, ob sich ein an den Elektroden befindliches Messgas im thermodynamischen Gleichgewicht befindet.

Aufgrund der vergleichbar hohen Betriebsströme einer Sensorheizung, die normalerweise mit einer impulsbreitenmodulierten Spannung betrieben wird, können von den Impulsflanken verursachte Störungen auftreten, welche das wenigstens eine vom beheizten Abgassensor bereitgestellte Messsignal beeinflussen kann.

In der DE 10 2008 042 268 AI ist eine Vorgehensweise zum Betreiben eines beheiz- baren Abgassensors beschrieben, bei welchem die Erfassung der Messsignale in Abhängigkeit von der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung der Sensorheizung festgelegt ist. Die Erfassung des wenigstens einen Messsignals wird in Abhängigkeit von den Flanken der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung der Sensorheizung derart festgelegt, dass eine bestimmte Wartezeit nach dem Auftreten einer ansteigen- den oder abfallenden Impulsflanke vorgegeben wird, bevor die Erfassung des Messsignals erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen zum Betreiben eines beheizbaren Abgassensors anzugeben, bei denen die Sensor- heizung mit einer impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung betrieben wird und bei denen das wenigstens eine erfasste Messsignal von der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung der Sensorheizung möglichst wenig gestört wird.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen

Merkmale jeweils gelöst.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Betreiben eines beheizten Abgas- sensors geht davon aus, dass der beheizbare Abgassensor wenigstens ein

Messsignal bereitstellt und dass die Sensorheizung mit einer impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung betrieben wird. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, dass die Erfassung des wenigstens einen Messsignals Vorrang vor der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung der Sensorhei- zung hat und dass bei einer vorgesehenen Messsignal- Erfassung während eines

Messfensters die Bereitstellung der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung für die Sensorheizung mit einem Sperrsignal unterdrückt wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen ermöglichen einerseits eine vorgebbare hohe Rate bei der Erfassung des wenigstens einen vom beheizten Abgassensor bereitgestellten Messsignals und ermöglichen andererseits eine hohe Unterdrückung von möglichen Störungen des wenigstens einen Messsignals insbesondere ausgehend von den Schaltflanken der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung der Sensorheizung.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind jeweils Gegenstände von abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sehen entweder nur eine Abgassensorelektronik oder sowohl eine Abgassensorelektronik und ein separates Steuergerät vor.

Sofern nur eine Abgassensorelektronik vorgesehen ist, enthält die Abgassensorelektronik sowohl eine Messsignal-Bewertungsvorrichtung und einen Impulsbreitenmodulator, wobei die Messsignal-Bewertungsvorrichtung das Sperrsignal bereitstellt und dem Impulsbreitenmodulator zur Verfügung stellt.

Sofern eine Abgassensorelektronik und ein separates Steuergerät vorgesehen sind, enthält die Abgassensorelektronik die Messsignal-Bewertungsvorrichtung und das Steuergerät den Impulsbreitenmodulator. Diese Ausgestaltung kommt insbesondere zur Anwendung, wenn die Abgassensorelektronik in der Nähe des beheizbaren Abgassensors, beispielsweise in einem Stecker angeordnet ist.

Gemäß einer ersten Alternative dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Sperrsignal die in der Abgassensorelektronik enthaltene Messsignal- Bewertungsvorrichtung bereitgestellt und dass das Sperrsignal zum Schaltgerät geführt ist, welches den Impulsbreitenmodulator enthält, dem das Sperrsignal zur Verfügung gestellt wird.

Gemäß einer anderen Alternative dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Abgassensorelektronik und das separate Schaltgerät taktsynchron arbeiten, dass das Schaltgerät eine Ablaufsteuerung enthält, welche eine Information über die Messsignal- Erfassung während der Messfenster aufweist, sodass dem Schaltgerät kein Sperrsignal von der Abgassensorelektronik zugeführt werden muss und stattdessen das Sperrsignal von der Ablaufsteuerung dem im Schaltgerät enthaltenen Impulsbreitenmodulator direkt zur Verfügung gestellt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine einfache Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beheizbaren Abgassensor und einer Abgassensorelektronik,

Figur 2a zeigt einen Zeitablauf von Messsignal- Erfassungsvorgängen,

Figur 2b zeigt eine impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung,

Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beheizbaren Abgassensor und sowohl mit einer Abgassensorelektronik als auch einem Schaltgerät,

Figur 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beheizbaren Abgassensor und mit sowohl mit einer Abgassensorelektronik als auch einem Schaltgerät,

Figur 5a zeigt wieder einen Zeitablauf von Mess- Erfassungsvorgängen und

Figur 5b zeigt wieder eine impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine einfache Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Abgassensorelektronik 10, die eine Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 sowie einen Impulsbreitenmodulator 14 enthält., Die Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 stellt dem Impulsbreitenmodulator 14 sowohl ein Temperatursignal 16 als auch ein Sperrsignal 18 zur Verfügung.

Vorgesehen ist weiterhin ein beheizbarer Abgassensor 20, der eine Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 sowie eine Sensorheizung 24 enthält. Die Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 stellt der Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 zumindest ein Messsignal 26 zur Verfügung. Der Impulsbreitenmodulator 14 stellt der Sensorheizung 24 eine impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung 28 zur Verfügung.

Die Funktionsweise der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung wird anhand der in den Figuren 2a und 2b gezeigten Signalverläufen in Abhängigkeit von der Zeit t näher erläutert. Hierbei zeigen Figur 2a einen Zeitablauf von Messsignal- Erfassungsvorgängen und Figur 2b die impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung 28.

Bei dem beheizbaren Abgassensor 20 handelt es sich beispielsweise um einen Lamb- dasensor, einen HC-Sensor, einen NH3-Sensor oder beispielsweise einen NOx- Sensor. Die Sensorheizung 24 sorgt dafür, dass die Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 auf die erforderliche Betriebstemperatur aufgeheizt wird, die in den meisten Fällen oberhalb der Abgastemperatur liegt. Die Betriebstemperatur der Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 kann bis beispielsweise 850 Grad Celsius betragen. Zur Einstellung der Betriebstemperatur wird die Sensorheizung 24 mit der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 beaufschlagt. Bei der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 handelt es sich um ein digitales Signal, dessen Periodendauer und/oder das Tastverhältnis, also das Verhältnis zwischen Einschaltphase und Abschaltphase des digitalen Signals variabel festgelegt sein kann. Durch eine Variation der Periodendauer und insbesondere des Tastverhältnisses wird eine mittlere Betriebsspannung vorgegeben werden, sodass die Heizleistung gesteuert oder geregelt werden kann, um die Betriebstemperatur auf einen vorgegebenen Wert oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu halten.

Rein prinzipiell könnte die Temperatur der Sensorheizung 24 unmittelbar erfasst und dem Impulsbreitenmodulator 14 in der Abgassensorelektronik 10 als Istwert übermittelt werden. Vorliegend wird davon ausgegangen, dass das Messsignal 26 nicht nur ein Maß für die zu erfassende Abgasgröße, sondern auch ein Maß für die Betriebstempe- ratur der Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 widerspiegelt. Beispielsweise können verschiedene Zeitabschnitte vorgesehen sein, wobei in einem ersten Zeitabschnitt die zu erfassende Messgröße und in einem zweiten Zeitabschnitt ein Maß für die Betriebstemperatur vorliegen. Gegebenenfalls kann die Abgassensorelektronik 10 mit einem nicht näher gezeigten Steuersignal in die Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 des beheizbaren Abgassensors 20 eingreifen, um eine Trennung zwischen der zu erfassenden Abgasgröße und dem Maß für die Temperatur sicherzustellen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Abgassensor 20 mehrerer Messsignale getrennt über nicht näher gezeigte unterschiedliche Leitungen zur Messsignal- Bewertungsvorrichtung 12 überträgt.

Die Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 ermittelt aus dem Maß für die Temperatur der Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 das Temperatursignal 16, welches ein Maß für die Isttemperatur der Messwert- Erfassungsvorrichtung 22 widerspiegelt. Mit dem Temperatursignal 16 wird in den Impulsbreitenmodulator 14 zur Festlegung der Periodendauer und/oder des Tastverhältnisses und somit in die Festlegung der mittleren Heizleistung derart eingegriffen, dass die Isttemperatur mit der vorgegebenen Solltemperatur übereinstimmt oder innerhalb des vorgegebenen Soll-Temperaturbereichs liegt.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise sieht einen Vorrang der Messwert- Erfassung gegenüber der Beheizung des beheizbaren Abgassensors 20 vor. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass die Impulsflanken der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 zu Störungen einerseits des wenigstens einen Messsignals 26 und andererseits der Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 führen können.

Der Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 ist bekannt, wann eine Erfassung eines Messwerts und/oder eine Bewertung des Messsignals 26 stattfindet. Ein entsprechender Zeitablauf von Messsignal- Erfassungsvorgängen ist in Figur 2a gezeigt, wobei das in Figur 2a wiedergegebene Signal die Zeitfenster 30, 32 symbolisiert, während denen die Messwert- Erfassung und/oder die Messsignal- Bewertung stattfindet. Gleichzeitig spiegeln die Zeitfenster 30, 32 das Auftreten des Sperrsignals 18 wieder. Das Sperrsignal 18 tritt demnach zum Beginn 36 der Zeitfenster 30, 32 auf und sorgt dafür, dass die impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung 28 unterdrückt wird. Das Sperrsignal 18 wird mit dem Ende 40, 42 der Zeitfenster 30, 32 zurückgenommen.

In Figur 2b, welche die impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung 28 zeigt, ist beim ersten Zeitfenster 30 der Fall gezeigt, dass ein neuer Impuls der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 während des ersten Zeitfensters 30 zu einem ersten Zeitpunkt 44 aufgetreten wäre, wenn es nicht durch das Sperrsignal 18 unterdrückt worden wäre. Ein neuer Impuls der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 kann aufgrund des Sperrsignals 18 jedoch erst nach dem Ende 40 des ersten Zeitfensters 30 auftreten.

Gegebenenfalls ist noch eine Verzögerungszeit 46 vorgesehen, sodass der nächste Impuls der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 zum zweiten Zeitpunkt 48 wieder auftreten kann. Aufgrund der zeitlichen Verzögerung des nächsten Impulses der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 kann gegebenenfalls eine Vergrößerung des Tastverhältnisses bzw. der Impulsdauer zumindest den nächsten Impulses vorgesehen sein, um die mittlere Heizleistung einhalten zu können. Die strichliniert eingetragene Abschaltflanke wäre ohne Eingriff durch das Sperrsignal 18 aufgetreten.

Beim zweiten Zeitfenster 32 ist der Fall eingetragen, dass der Beginn 38 des zweiten Zeitfensters 32 mit der Einschaltflanke eines Impulses der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung zusammenfallen würde. Aufgrund des aufgetretenen Sperrsignals 18 wird der Impuls jedoch nicht bereitgestellt und für die Dauer des zweiten Zeitfensters 32 unterdrückt. Der nächste Impuls tritt erst nach dem Ende 42 des zweiten Zeitfensters 32, gegebenenfalls um die zusätzliche Verzögerungszeit 46 verzögert auf. Auch in diesem Fall kann es erforderlich sein, den nachfolgenden Impuls, der zum vierten Zeitpunkt 52 beginnt, zu verlängern, um das Einhalten der mittleren Heizleistung sicherzustellen. Auch bei diesem Impuls ist strichliniert eine Abschaltflanke eingetragen, die ohne Eingriff durch das Sperrsignal 18 aufgetreten wäre.

Bei der in Figur 3 gezeigten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält eine Abgassensorelektronik 60 nur die Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12. Zusätzlich zur Abgassensorelektronik 60 ist ein separates Schaltgerät 62 vorgesehen, welches zumindest den Impulsbreitenmodulator 14 enthält. Diese Ausgestaltung ist vor- zugsweise vorgesehen, wenn die Abgassensorelektronik 60 näher am beheizbaren Abgassensor 20, beispielsweise in einem Steckergehäuse untergebracht ist. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass der Impulsbreitenmodulator 14 eine Leistungselektronik darstellt, die bis zu 20 Watt elektrische Leistung für die Sensorheizung 24 zur Verfügung stellen können muss, sodass eine Integration in beispielsweise das Gehäuse eines Steckers nicht immer möglich ist. Außerdem würde der Vorteil durch die räumliche Trennung, nämlich die elektrische Entkopplung zwischen der empfindlichen Messsignal-Bewertungsvorrichtung 12 und dem Leistungsteil des Impulsbreitenmodulators 14 nicht erreicht.

Das Temperatursignal 16 und das Sperrsignal 18, welche die Messsignal- Bewertungsvorrichtung 12 bereitstellt, werden über über wenigstens eine Signalleitung zum Schaltgerät 62 geführt. In Figur 3 ist eine Ausgestaltung mit zwei getrennten Leitungen gezeigt. Die impulsbreitenmodulierte Betriebsspannung 28 wird vom Schaltgerät 62 zur Sensorheizung 24 geführt, wobei die Leitung gegebenenfalls durch die Abgassensorelektronik 60 geführt wird, wie in Figur 3 angedeutet.

Die in Figur 3 gezeigte Ausgestaltung arbeitet in der gleichen Weise wie die in Figur 1 gezeigte Ausgestaltung, sodass auf die oben beschriebene Funktionsweise verwiesen wird.

Die in Figur 4 gezeigte alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geht wieder von einer Abgassensorelektronik 70 und einem abgesetzt davon separaten Schaltgerät 72 aus. Bei dieser Anordnung wird davon ausgegangen, dass die Abgassensorelektronik 70 und das Schaltgerät 72 taktsynchron arbeiten, wobei sowohl der Abgassensorelektronik 70 als auch dem Schaltgerät 72 ein gemeinsames Taktsignal 74 zur Verfügung steht. Dadurch ist dem Schaltgerät 72 prinzipiell die zeitliche Position einer Messwert- Erfassung und/oder einer Messsignal-Bewertung während der Zeitfenster 30, 32 genau bekannt. Aufgrund der Synchronisierung des Taktes sind jeweils der Beginn 36, 38 sowie jeweils das Ende 40, 42 der Messfenster 30, 32 sowohl der Messsignal- Bewertungsvorrichtung 12 als auch dem Schaltgerät 72 bekannt.

Das Schaltgerät 72 enthält eine Ablaufsteuerung 76, in welcher die zeitliche Positionen der Messfenster 30, 32 bzw. jeweils der Beginn 36, 38 und jeweils das Ende 40, 42 der Messfenster 30, 32 hinterlegt sind, sodass die Ablaufsteuerung 76 das Sperrsignal 18 selbst bereitstellen kann, welches den Impulsbreitenmodulator 14 zumindest während der Messfenster 30, 32 sperrt.

Der Vorteil der in Figur 4 gezeigten Anordnung gegenüber den in den Figuren 1 und 3 gezeigten Anordnungen liegt darin, dass aufgrund der Kenntnis der zeitlichen Position der Messfenster 30, 32 die Ablaufsteuerung 76 das Sperrsignal 18 zeitlich bereits vor dem Beginn 36, 38 jeweils der Zeitfenster 30, 32 bereitstellen kann und somit in die Bereitstellung der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 bereits vor jeweils dem Beginn 36 , 38 der Messfenster 30, 32 eingreifen kann.

Die entsprechenden Zeitabläufe sind in den Figuren 5a und 5b gezeigt. Während im Bereich des ersten Zeitfensters 30 die zeitlichen Abläufe mit denen in den Figuren 2a und 2b gezeigten zeitlichen Abläufen übereinstimmen, soll beim zweiten Zeitfenster 32 der Fall auftreten, dass in den letzten Impuls der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 bereits vor dem Beginn 38 des zweiten Zeitfensters 32 mittels des Sperrsignals 18 eingegriffen wird. Die strichliniert eingetragene Abschaltflanke der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 des letzten Impulses vor dem zweiten Zeitfenster 32 spiegelt den Fall ohne Eingriff des Sperrsignals 18 wieder. Aufgrund der in der Ablaufsteuerung 76 bekannten zeitlichen Position des zweiten Messfensters 32 kann der letzte Impuls der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 vor dem Auftreten des zweiten Zeitfensters 32 bis maximal zum Beginn 38 des zweiten Zeitfensters 32 verlängert werden. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass einem Absinken der mittleren Heizleistung, die während der Zeitfenster 30, 32 nicht ganz zu vermeiden ist, bereits im Voraus durch die Vergrößerung des Tastverhältnisses, das heißt, einer Verlängerung der Impulsdauer zumindest des letzten Impulses vor einem Zeitfenster 30, 32 entgegengewirkt werden kann.

Selbstverständlich wird aufgrund des vorliegenden Sperrsignals 18 ein möglicher Impuls der impulsbreitenmodulierten Betriebsspannung 28 zu einem fünften Zeitpunkt 80 zumindest bis zum Ende 42 des zweiten Zeitfensters 32 unterdrückt, wobei auch hier wieder gegebenenfalls die Verzögerungszeit 46 vorgesehen ist, sodass der erste Impuls nach dem zweiten Zeitfenster 32 zu einem sechsten Zeitpunkt 82 mit der Einschaltflanke beginnt. Zumindest der erste nachfolgende Impuls nach einem Zeitfenster 30, 32 kann wieder verlängert werden, um einem Absinken der mittleren Heizleistung entgegenzuwirken.