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Die
Erfindung betrifft allgemein die Abgasnachbehandlung insbesondere
mittels einer Lambda-Regelung
bei brennkraftgetriebenen Kraftfahrzeugen und im Speziellen ein
Verfahren und eine Schaltung zum Betrieb eines in einer solchen
Lambda-Regelung einsetzbaren Stickoxidsensors zur Bestimmung der
Stickoxidkonzentration in einem Abgasgemisch.
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Eine
Lambda-Regelung ist, in Verbindung mit einem Katalysator, heute
das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Erst im Zusammenspiel
mit heute verfügbaren
Zünd- und
Einspritzsystemen können
sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Besonders wirkungsvoll
ist der Einsatz eines Dreiwege- oder Selektiv-Katalysators. Dieser Katalysatortyp
hat die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide
bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einem Bereich
von etwa 1% um das stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
mit LAMBDA = 1 betrieben wird. Dabei gibt LAMBDA an, wieweit das
tatsächliche
vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch
von dem Wert LAMBDA = 1 abweicht, der einem zur vollständigen Verbrennung theoretisch
notwendigen Massenverhältnis
von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin entspricht, d.h. LAMBDA ist der
Quotient aus zugeführter
Luftmasse und theoretischem Luftbedarf.
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Bei
der Lambda-Regelung wird das jeweilige Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge
entsprechend dem Messergebnis mittels bspw. des Einspritzsystems
sofort korrigiert. Als Messfühler wird
eine Lambda-Sonde verwendet, die exakt bei LAMBDA = 1 einen Spannungssprung
aufweist und so ein Signal liefert, das anzeigt, ob das Gemisch
fetter oder magerer als LAMBDA = 1 ist. Die Wirkungsweise der Lambda-Sonde
beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle
mit einem Festkörperelektrolyt.
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Als
Zweipunktsonden ausgeführte
Lambda-Sonden arbeiten bekanntermaßen nach dem Nernst-Prinzip
basierend auf einer Nernst-Zelle. Der Festkörperelektrolyt besteht aus
zwei durch eine Keramik getrennte Grenzflächen. Das verwendete Keramikmaterial
wird bei etwa 350°C
für Sauerstoffionen
leitend, so dass dann bei unterschiedlichem Sauerstoffanteil auf
beiden Seiten der Keramik zwischen den Grenzflächen die sogenannte Nernstspannung erzeugt
wird. Diese elektrische Spannung ist ein Maß für den Unterschied des Sauerstoffanteils
zu beiden Seiten der Keramik. Da der Restsauerstoffgehalt im Abgas
eines Verbrennungsmotors in starkem Maße vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des
dem Motor zugeführten
Gemisches abhängig
ist, ist es möglich,
den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das tatsächlich vorliegende Luft-Kraftstoff-Verhältnis heranzuziehen.
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Bei
den sogenannten Breitbandsonden ist der Messfühler als Breitbandsensor ausgeführt. Dieser
wird von Festelektrolytschichten sowie einer Anzahl von Elektroden
gebildet. Ein solcher Aufbau geht aus der
DE 19 912 102 A1 , insbesondere
den dortigen Seiten 8 und 9 nebst dortiger
1, hervor, auf die in dem vorliegenden
Zusammenhang vollumfänglich
Bezug genommen wird. Diese Elektroden sind in der nachfolgend noch
im Detail beschriebenen
1 schematisch
wiedergegeben. Ein Teil der genannten Elektroden bildet bei diesem
Sensor eine sogenannte Pumpzelle, der andere Teil eine sogenannte
Konzentrationszelle. Ferner wird durch die Festelektrolytschichten
ein sogenannter erster Messgasraum ausgebildet.
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An
die Elektroden der Pumpzelle wird eine Pumpspannung U_APE,IPE angelegt
(1), mittels der im
ersten Messgasraum durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter
Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird. Dabei wird die Pumpspannung
derart geregelt, dass sich an den Elektroden der Konzentrationszelle
ein konstanter Spannungswert von 450 mV einstellt. Diese Spannung
entspricht einem Wert von LAMBDA = 1. Eine in einem zweiten Messgasraum
angeordnete weitere Elektrode wird mit einer der genannten Elektroden
als zweite Pumpzelle betrieben. Dabei wirkt aufgrund des katalytischen
Materials die genannte weitere Elektrode als NOx-sensitive Elektrode,
an der das NOx gemäß der Reaktion
NO → ½ N2 + ½ O2 reduziert
wird. Dabei wirkt die oben genannte Referenzelektrode gleichzeitig
als zweite Pumpelektrode, an der der aus dem zweiten Messgasraum
abgepumpte Sauerstoff in die Luftatmosphäre freigesetzt wird. An der
als weitere Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle stellt sich
somit ein Grenzstrom ein, der als Messsignal aufgenommen die NOx-Konzentration angibt.
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Es
ist anzumerken, dass die in der genannten Offenlegungsschrift
DE 19 912 102 A1 beschriebene
Diffusionsbarriere nicht notwendigerweise enthalten sein muss und
ein Verzicht auf diese Barriere die Gaslaufzeiten sogar maßgeblich
verringert.
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Der
beschriebene Messfühler
kann sowohl als Stickoxid(NOx)-Sensor als auch als Kohlenwasserstoff(HC)-Sensor
verwendet werden. In der Funktion als NOx-Sensor zeigt das NOx-Messignal
eine Abhängigkeit
von dem in der Messzelle jeweils vorliegenden Sauerstoffpartialdruck.
Dieser Einfluss wird hauptsächlich
durch in der Sensorkeramik entstehende elektrische Wechselwirkungen
der Sensorelektroden hervorgerufen. Der Haupteinfluss geht dabei
von der in 1 gezeigten
Hauptpumpstrecke zwischen der äußeren Pumpelektrode
(APE) und der inneren Pumpelektrode (IPE) aus, wobei die elektrische
Stromhöhe
(5 mA ... 10 mA) und damit deren Pumpleistung bei wechselndem Sauerstoffgehalt entsprechend
angepasst werden muss.
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Dieser
O2-Einfluss wird bekanntermaßen mittels
geeigneter Auswerteschaltungen durch elektronische oder rechnerische
Addition oder Subtraktion mit einem IPE-Strom-abhängigen Faktor kompensiert,
wobei die Verstärkung
dieser Kompensation für jeden
einzelnen Sensor spezifisch eingestellt werden muss. Eine solche
Schaltung zur elektronischen Kompensation zeigt die 1 in Blockdarstellung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs
genanntes Verfahren sowie eine Schaltung anzugeben, welche die vorgenannten
Nachteile vermeiden und den genannten Sauerstoffeinfluss des Stickoxidsignals
mit möglichst einfachen
technischen Mitteln und möglichst
kostengünstig
minimieren.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ursache für den Sauerstoffeinfluss
auf das Stickoxidsignal, nämlich
den zwischen der inneren Pumpelektrode (IPE) und der äußeren Pumpelektrode (APE)
vorliegenden Hauptpumpstrom, kurzzeitig zu unterdrücken, so
dass in diesem Zeitraum ein unverfälschtes NOx-Signal erfasst
werden kann.
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Die
Erfindung sieht dabei in einer ersten Variante vor, den (Haupt-)Pumpstrom
I_Pump innerhalb eines Messzeitfensters T_Mess abzuschalten, d.h. auf
den Wert 0 zu setzen. Eine zweite Variante sieht eine IPE-Stromsteuerung vor,
die während
des Messzeitfensters T_Mess den Hauptpumpstrom auf einen konstanten
Wert > 0 einstellt,
so dass der Einfluss des Hauptpumpstroms zwar nicht ganz ausgeschaltet,
jedoch konstant gehalten wird, während
die Pumpleistung weniger stark reduziert und damit die Amplitude
der Sauerstoffkonzentrationsstörungen dennoch
erheblich reduziert wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Messzeitfenster T_Mess
so dimensioniert, dass der zwischen IPE und APE fließende Pumpstrom
innerhalb T_Mess bereits abgeklungen ist und die durch die Stromabschaltung
bzw. -verringerung bedingte Sauerstoffkonzentrationserhöhung innerhalb T_Mess
die NOx-Elektrode noch nicht erreicht.
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Der
vorgenannte Eingriff an dem Pumpstrom kann entweder regelmäßig mit
einer Wiederholfrequenz vorgenommen werden, wobei die Wiederholfrequenz
für die
Stromabschaltung bzw. -verringerung so bemessen ist, dass die Störung der
Sauerstoffkonzentration zu Beginn einer jeweils nachfolgenden IPE-Abschaltung
bzw. -verringerung wieder abgeklungen ist. Alternativ kann der Hauptpumpstrom
I_Pump während
des Betriebs des Stickoxidsensors zeitweilig abgeschaltet oder reduziert und
dabei jeweils eine Kalibrierung durchgeführt werden.
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Das
Messzeitfenster T_Mess liegt gemäß einem
Ausführungsbeispiel
im Bereich von 10–100 μsec, bevorzugt
bei 60 μsec,
und die genannte Wiederholfrequenz im Bereich von 10–100 Hz,
bevorzugt bei 50 Hz.
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Die
Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der beigefügten Zeichnungen,
anhand eines Ausführungsbeispiels
eingehender erläutert,
wobei identische oder funktional gleiche Merkmale durch übereinstimmende
Bezugszeichen referenziert sind. Dabei zeigen
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Hauptpumpstrecke eines NOx-Sensors gemäß dem Stand der
Technik;
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2 eine
Schaltungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik zum Betrieb der in 1 gezeigten
Hauptpumpstrecke;
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3 eine
erfindungsgemäße Auswerteschaltung
zur Kompensation der Sauerstoffabhängigkeit eines NOx-Sensors;
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4 die
in der 3 dargestellten Schaltungsmodifikationen zur IPE-Abschaltung
in einer weiteren Detaillierungsstufe;
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5 gemessene
Verläufe
unkompensierter und mittels einer erfindungsgemäßen IPE-Abschaltung kompensierter NOx-Signale
im Vergleich; und
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6 typische,
bei einer erfindungsgemäßen IPE-Abschaltung erfasste
Signalverläufe
der Pumpspannung U_IPE und des NOx-Signals U_NOx.
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Die 1 zeigt
schematisiert den Aufbau einer Hauptpumpstrecke eines im Stand der
Technik bekannten NOx-Sensors 10. Der Sensor 10 umfasst einen
ersten Messgasraum 12, der mit dem Messgas (hier: Abgas)
in Verbindung steht. In dem Messgasraum 12 sind eine erste
innere Pumpelektrode (IPE) 18 und eine zweite innere Pumpelektrode 20 angeordnet.
An den ersten Messgasraum 12 schließt sich ferner ein zweiter
Messgasraum 14 an, in dem eine dritte Elektrode (ME) 22 und
eine vierte Elektrode (NO) 24 angeordnet sind.
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Unabhängig von
den beiden Messgasräumen 12, 14 ist
ein Referenzgaskanal 26 angeordnet, der an einem Ende aus
dem Körper
des Sensors 10 herausgeführt und mit der Luftatmosphäre in Verbindung
steht. Der Sensor 10 weist ferner eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen 28 auf,
welche das Messgas in den ersten Messgasraum 12 leiten.
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Ferner
befindet sich an der äußeren Fläche einer
(nicht gezeigten) Festelektrolytschicht eine äußere Elektrode (APE) 30,
die dem Messgas unmittelbar ausgesetzt ist. Zudem befindet sich
im Referenzgaskanal 26 eine der Luftatmosphäre ausgesetzte fünfte Elektrode
(LR) 32, welche im Folgenden als Luftreferenzelektrode
bezeichnet wird. Es ist anzumerken, dass die fünfte Elektrode 32 alternativ
dem Messgas ausgesetzt sein kann.
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Beim
Betrieb des in der 1 gezeigten NOx-Sensors werden
die äußere Elektrode 30 und die
erste innere Elektrode 18 als Pumpelektroden einer ersten
Pumpzelle betrieben. Die zweite innere Elektrode 20 ist
mit der als Referenzelektrode wirkenden fünften Elektrode 32 als
Konzentrationszelle geschaltet.
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An
die Elektroden 18, 30 wird eine Pumpspannung U_APE,IPE
angelegt, mittels der im ersten Messgasraum 12 durch ein
Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein kosntanter Sauerstoffpartialdruck
eingestellt wird. Dabei wird die an die Elektroden 18, 30 angelegte
Pumpspannung U_APE,IPE derart geregelt, dass sich an den Elektroden 20, 32 der
Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert von bspw. 450 mV
einstellt. Diese Spannung entspricht einem Wert von LAMBDA = 1.
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Bei
einem mageren Messgas (LAMDA > 1) wird
von der ersten Pumpzelle Sauerstoff aus dem ersten Messgasraum 12 herausgepumpt.
Bei einem fetten Messgas (LAMBDA < 1)
wird vom Messgas Sauerstoff in den ersten Messgasraum 12 hineingepumpt.
Durch die Wahl des Elektrodenmaterials und/oder durch eine entsprechende
Pumpspannung U_APE,IPE wird sichergestellt, dass beim Pumpen des
Sauerstoffs kein NOx an den Elektroden 18, 20 abgepumpt
wird.
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Die
auf einen konstanten Sauerstoffpartialdruck eingestellte Messatmosphäre gelangt über einen
nur schematisch angedeuteten Verbindungskanal 16 in den
zweiten Messgasraum 14. Die sich im zweiten Messgasraum 14 befindende
dritte innere Elektrode (Messelektrode 'ME') 22 wird
mit der fünften
Elektrode 30 als zweite Pumpzelle betrieben. Dabei wirkt
aufgrund des katalytischen Materials die vierte innere Elektrode 24 (hier
Bezeichnung 'NO') als NOx-sensitive
Elektrode, an der das NOx gemäß der Reaktion
NO → ½ N2 + ½ O2 reduziert
wird. Dabei wirkt die mit der Elektrode 20 zusammenwirkende Referenzelektrode
gleichzeitig als zweite Pumpelektrode, an der der aus dem zweiten
Messgasraum 14 abgepumpte Sauerstoff in die Luftatmosphäre freigesetzt
wird. An der als weitere Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle
stellt sich somit ein Grenzstrom ein, der als Messsignal aufgenommen
die NOx-Konzentration angibt.
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Die 1 illustriert
ferner die Funktion der Hauptpumpstrecke des Nox-Sensors 10.
Die gezeigte Anordnung dient dazu, die Sauerstoffkonzentration,
d.h. den Wert von LAMBDA, in dem ersten Messgasraum 12 an
der inneren Pumpelektrode 18 auf einen konstanten Wert,
z.B. LAMBDA = 1, einzustellen. Welcher Wert von LAMBDA im ersten
Messgasraum 12 vorliegt, kann an der zwischen der inneren
Pumpelektrode 18 und der Luftreferenzelektrode 32 auftretenden
Nernstspannung beurteilt werden.
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Wird
nun die innere Pumpelektrode 18 auf Massepotential 34 gelegt,
wird der an der inneren Pumpelektrode 18 auftretende Wert
von LAMBDA durch die elektrische Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode 32 und
Masse 34 repräsentiert.
Dieser Wert 35 bildet den Ist-Wert einer Regelstrecke 36, von
dem der Sollwert U_Lambda_soll 37 mittels eines Summationssglieds 38 abgezogen
wird. Das Differenzsignal wird dem negativen Eingang eines als Differenzverstärker ausgebildeten
Zweipunktreglers 40, im vorliegenden Ausführungsbeispiel
eines Operationsverstärkers
mit einem Verstärkungsfaktor > 10000, zugeführt. Der
Referenzeingang des Zweipunktreglers 40 liegt auf Masse 42.
Der Ausgang 44 des Zweipunktreglers 40 ist mit
der äußeren Pumpelektrode 30 verbunden.
Entsprechend der Größe und dem
Vorzeichen der Differenz aus U_LR 35 und U_Lambda_soll 37 wird
nun Sauerstoff in bzw. aus dem ersten Messgasraum 12 gepumpt.
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Die 2 zeigt
eine schaltungstechnische Realisierung der in der 1 gezeigten
Anordnung. Um die an der Luftreferenzelektrode 32 gemessene Spannung
U_LR 35 nicht durch Stromfluss zu verfälschen, wird die Spannung U_LR 35 über einen
Spannungsfolger (OP3) 50 zum Summationspunkt 38 am negativen
Eingang des Zweipunktreglers (OP5) 40 übertragen. Der Sollwert 37 wird
durch eine negative Spannung gebildet, die über ein Widerstandnetzwerk 52 zum
Istwert addiert wird. Die innere Pumpelektrode 18 ist mittels
eines Guardverstärkers 54 auf
Masse 56 gelegt. Die Ausgangsspannung des Guardverstärkers 54 repräsentiert
den über
einen ohmschen Widerstand (R1) 58 abfließenden,
zwischen der äusseren
Pumpelektrode (APE) 30 und der inneren Pumpelektrode (IPE)
auftretenden Pumpstrom I_IPE, für
den somit gilt: I_IPE = U_IPE/R1.
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Die 3 zeigt
eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung
zur Kompensation der Sauerstoffabhängigkeit eines NOx-Sensors 10.
Aus dieser Darstellung geht hervor, dass die inneren Pumpelektroden
(IPE) 18, 20 kurzgeschlossen sind und, zusammen
mit der äußeren Pumpelektrode
(APE) 30 über Versorgungsleitungen
an Spannungsversorgungsanschlüssen 100, 102 der
gezeigten Schaltung elektrisch verbunden sind. Entsprechende Anschlüsse 104, 106 sind
für die
Messelektrode (ME) 22 und die NOx-sensitive Elektrode (NO) 24 vorgesehen.
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Die
Auswerteschaltung weist ferner einen für den Grundabgleich des Sensors 10 vorgesehenen ersten
Schaltungsteil 108 auf. Ferner ist ein als Additions- bzw. Subtraktionsstufe
geschalteter zweiter Schaltungsteil 110 angeordnet, der
zur vorbeschriebenen Sauerstoffkompensation mittels eines IPE-Stromabhängigen Faktors
dient, der durch eine lineare Anordnung aus Operationsverstärkern 112, 114 und 116 bereitgestellt
wird. Die in der 3 gezeigte Elektronik ist ferner über einen
Anschluss 118 mit der Luftreferenzelektrode 32 elektrisch
verbunden.
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Es
ist anzumerken, dass die in der 3 gezeigte
Auswerteschaltung noch einige im Stand der Technik bereits bekannte
Bauelemente aufweist, insbesondere die aus Operationsverstärkern 112–116 gebildete
Kompensationsstufe zur Kompensation des O2-Einflusses mit einem
IPE-Strom-abhängigen Faktor,
auf die bereits im Zusammenhang mit der 1 eingegangen
wurde. Durch die gestrichelte Darstellung der Bauteile 112–116 soll
angedeutet werden, dass diese Bauteile vorliegend nicht erforderlich
sind.
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Erfindungsgemäß weist
die Auswerteschaltung ein über
Anschlüsse 400, 402 und 102 verbundenes
IPE-Abschaltmodul 404 auf.
Das Abschaltmodul 404 ist ferner über eine Steuerleitung 406 mit
einem NOx-Messwerterfassungsmodul 408 verbunden.
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Das
IPE-Abschaltmodul 404 dient dazu, den Hauptpumpstrom I_Pump
innerhalb eines Messzeitfensters T_Mess abzuschalten, d.h. auf den
Wert 0 zu setzen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das IPE-Abschaltmodul 404 während des
Messzeitfensters T_Mess den Hauptpumpstrom auf einen konstanten
Wert > 0 einstellt,
so dass der Einfluss des Hauptpumpstroms zwar nicht ganz ausgeschaltet,
jedoch konstant gehalten wird, während
die Pumpleistung weniger stark reduziert und damit die Amplitude der
Sauerstoffkonzentrationsstörungen
dennoch erheblich reduziert wird.
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Das
Messzeitfenster T_Mess ist so dimensioniert, dass der zwischen IPE 18, 20 und
APE 30 fließende
Pumpstrom I_Pump innerhalb T_Mess bereits abgeklungen ist und die
durch die Stromabschaltung bzw. -verringerung bedingte Sauerstoffkonzentrationserhöhung innerhalb
T_Mess die NOx-Elektrode 24 noch nicht erreicht.
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Die
genannte Veränderung
des Pumpstroms I_Pump wird in dem Ausführungsbeispiel mit einer Wiederholfrequenz
vorgenommen, wobei die Wiederholfrequenz für die Stromabschaltung bzw.
-verringerung so bemessen ist, dass die Störung der Sauerstoffkonzentration
zu Beginn einer jeweils nachfolgenden IPE-Abschaltung bzw. -verringerung wieder
abgeklungen ist. Das Messzeitfenster T_Mess liegt in dem Ausführungsbeispiel
im Bereich von 10–100 μsec, bevorzugt
bei 60 μsec,
und die genannte Wiederholfrequenz im Bereich von 10–100 Hz,
bevorzugt bei 50 Hz.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass der Hauptpumpstrom I_Pump während des
Betriebs des Stickoxidsensors 10 zeitweilig abgeschaltet
oder reduziert und dabei eine Kalibrierung durchgeführt wird.
Diese Verfahrensweise kann im Zusammenhang mit einer digitalen Signalverarbeitung
erfolgen, mittels der ein entsprechendes Korrekturkennfeld beim
Abgleich oder zeitweilig im Betrieb kalibriert wird. Letztere Vorgehensweise
kann dabei in der Gestalt eines selbstlernenden Systems realisiert
sein.
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Das
gezeigte NOx-Messwerterfassungsmodul 408 dient dazu, die
innerhalb des Messzeitfensters T_Mess erfassten gegenüber Sauerstoff
kompensierten NOx-Werte von den unkompensierten Messwerten unterscheiden
zu können.
Zu diesem Zweck wird das NOx-Messwerterfassungsmodul 408 mittels
der Leitung 406 zeitlich getriggert und gibt die innerhalb
des Messzeitfensters T_Mess erfassten Messdaten über eine eigens dafür vorgesehene
Ausgangsleitung 410 aus.
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In
der 4 sind in der oberen Bildhälfte das vorbeschriebene IPE-Abschaltmodul 404 sowie
in der unteren Bildhälfte
das ebenfalls vorbeschriebene NOx-Messwerterfassungsmodul 408 in
größerem Detail
dargestellt. Die Funktion des IPE-Abschaltmoduls 404 besteht
darin, den Hauptpumpstrom I_IPE kurzzeitig und so schnell wie möglich auf
I_IPE = I_soll herunterzuregeln. Dabei kann I_soll = 0 oder I_soll > 0 gelten. Bei diesem
Herunterregeln wird als Istwerterfassung die dem Strom I_IPE proportionale Spannung
am Widerstand des Guardverstärkers 54 abgegriffen,
wobei der Ausgang des Guardverstärkers 54 an
der in 4 gezeigten Klemme ‚2' und der Eingang des Guardverstärkers 54 an
der gezeigten Klemme ‚3' anliegt. Die an
den Klemmen ‚2' und ‚3' anliegende Spannungsdifferenz
bildet das Eingangssignal für
einen Integralregler 500, der in der Funktion eines Abschaltreglers
beschaltet ist.
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Der
Ausgang des Integralreglers 500 ist über einen Schalter 514 und
einen Spannungsfolger 502 sowie über die gezeigte Klemme ‚1' mit einem in der 3 gezeigten
Widerstand 400 an den Summationspunkt 38 des Pumpstromreglers 40 gekoppelt. Der
Integralregler 500 verändert
dabei die Spannung am Summationspunkt 38 des Pumpstromreglers 40 so,
dass der Pumpstrom I_IPE nach einem Einschwingvorgang auf I_soll
geregelt wird.
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Dieser
Vorgang findet während
des Messfensters T_Mess statt. Zunächst ist der Schalter 503 geschlossen
und damit die Ausgangsspannung des Integralreglers 500 gleich
0 V. Damit ist sichergestellt, dass zu Beginn des Regelvorgangs
der Reglereingriff auf den Pumpstromregler 40 keine Auswirkung
hat und erst die Integration in der von I_IPE vorgegebenen Richtung
zu einem definierten Einschwingvorgang führt.
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Alternativ
kann in der Leitung zwischen der äußeren Pumpelektrode 30 und
dem Reglerausgang des Pumpstromreglers 40 ein Schalter
vorgesehen sein, mittels dessen der Pumpstrom I_IPE sofort, d.h. ohne den
genannten Einschwingvorgang, auf Null gesetzt werden kann.
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Zudem
kann der Integralregler 500 so ausgestaltet sein, dass
die Zeitkonstante für
die Integration umschaltbar ist und bspw. zwischen einer relativ
kurzen ersten Zeitkonstante und einer gegenüber der ersten Zeitkonstante
relativ langen zweiten Zeitkonstante umgeschaltet werden kann. So
kann die erste Zeitkonstante bis kurz vor einem Nulldurchgang des Pumpstromes
I_IPE eingestellt sein und erst danach auf die zweite Zeitkonstante
umgeschaltet werden, wodurch dann ein aperiodischer Einschwingvorgang hervorgerufen
wird.
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Vor
Beginn von T_Mess ist der Schalter 514 geöffnet. Der
Widerstand 510 sorgt dafür, dass während des regulären Reglerbetriebs
an dem Summationspunkt 38 keine Spannung eingespeist wird
und damit auf die Stromregelung kein Einfluss genommen wird. Zu
Beginn der Messzeit T_Mess wird der Schalter 503 geöffnet und
der Schalter 514 geschlossen, so dass der Eingriff des
Integralreglers 500 auf den Pumpstromregler 40 einwirken
kann.
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Die
in der unteren Bildhälfte
von 4 dargestellte NOx-Messwerterfassung 408 hat
nun die Aufgabe, das NOx-Signal
zum Zeitpunkt eines definiert eingestellten Pumpstroms I_IPE = I_soll
zu erfassen und zu speichern.
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Die
gezeigte Schaltungsanordnung enthält eine schaltungstechnische
Realisierung des in der 2 dargestellten Verfahrens zur
NOx-Bestimmung. Das dabei entstehende Signal wird bei der erfindungsgemäßen IPE-Abschaltmethode ohne
schaltungstechnische Änderungen
weiterverwendet, wobei der Einfluss der im Stand der Technik bekannten, in
der 3 dargestellten Streustrom-Kompensation an eigens
dafür vorgesehenen
(nicht dargestellten) Potentiometern auf Null eingestellt wird.
Dadurch kommen die Funktionen der in 3 dargestellten drei
Verstärkerstufen 112, 114 und 116 (in 3 ausgekreuzt)
praktisch nicht zur Wirkung.
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Die
NOx-Messwerterfassung wird synchron zum Integralregler 500 gesteuert.
Dabei ist zunächst ein
Schalter 526 geöffnet.
Ein aus einem Kondensator 524 und einem Spannungsfolger 520 zusammengesetztes
Halteglied hat eine Ausgangsspannung (Klemme ‚13'), die dem aktuellen Ladezustand des Kondensators 524 entspricht.
Während
der Messzeit T_Mess wird der Schalter 526 geschlossen,
so dass der Kondensator 524 entsprechend der an Klemme ‚12' anliegenden Eingangsspannung
umgeladen wird. Die Klemme ‚12' ist mit dem in 3 gezeigten NOx-Signalausgang
der dortigen Auswerteschaltung verbunden.
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Zum
Ende der Messzeit T_Mess wird der Schalter 524 wieder geöffnet, so
dass der Wert des NOx-Signals, der sich bei I_IPE = I_soll einstellt,
gespeichert wird.
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Die 5 zeigt
einen Vergleich gemessener Verläufe
eines unkompensierten NOx-Signals sowie während eines Messzeitfensters
T_Mess abgetastete, erfindungsgemäß kompensierte NOx-Signale, und
zwar jeweils bei wechselnden O2-Konzentrationen und sich ändernden
NOx-Konzentrationen.
In dieser Darstellung ist ein erfasstes NOx-Signal über die
Zeit aufgetragen. Wird der Wert des NOx-Signals kurz vor Beginn
der Messzeit ebenfalls erfasst und gespeichert, können der
kompensierte und der unkompensierte Verlauf verglichen werden.
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Es
ist allerdings anzumerken, dass mittels der erfindungsgemäßen Methode
die Flanken der O2-Konzentrationswechsel
nicht kompensiert werden können.
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Die 6 zeigt
die Signalverläufe
von U(I_IPE) und U(I_NOx) während
der Messzeit mit den Abtastzeitpunkten für das kompensierte und unkompensierte
Signal. Dabei bezeichnen U(I_IPE) und U(I_NO) die an den Elektroden ‚IPE' 18 und ‚NO' 24 jeweils
anliegenden Ausgangsspannungen der oben beschriebenen Guardverstärker 54, 55.
Ferner bezeichnet U(IPE) die am positiven Eingang des Guardverstärkers 54 an
IPE anliegende Spannung.