DE102012200026A1

DE102012200026A1 - Method for e.g. determining concentration of gas constituent in exhaust gas of internal combustion engine, involves determining temperature based on computed quotients and predetermined correlation between quotients and temperature

Info

Publication number: DE102012200026A1
Application number: DE201210200026
Authority: DE
Inventors: Roland Giesbert; Christian Stanek; Berndt Cramer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2013-07-04

Abstract

The method involves determining values of an excitation signal and for two different time points (t1, t2). Values of a response signal and are determined for the time points. Impedance or admittance is computed as quotient of two differences, where one of the differences corresponds to difference between the values of the excitation signal, and the other difference corresponds to the difference between the values of the reaction signal. Temperature is determined based on the computed quotients and a predetermined correlation between the quotients and the temperature. An independent claim is also included for a device for determining concentration of gas constituent in exhaust gas of an internal combustion engine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist allgemein auf dem Gebiet der Verbrennungmaschinen bekannt, einen Gassensor zur Ermittlung der Konzentration von Verbrennungsprodukten bzw. von nicht vollständig abreagierten Verbrennungsedukten im Abgas der Berbrennungmaschine zu verwenden. Die ermittelte Konzentration wird zur Steuerung des Kraftstoffgemischs der Verbrennungsmaschine verwendet in Hinblick auf den Betrieb von Katalysatoren zur Reinigung des Abgases. Hierzu verwendete Gassensoren sind beispielsweise Lambdasonden oder NO_x-Sensoren. It is generally known in the field of combustion engines to use a gas sensor for determining the concentration of combustion products or incompletely reacted combustion educts in the exhaust gas of the fire-fighting machine. The determined concentration is used to control the fuel mixture of the internal combustion engine with respect to the operation of catalysts for purifying the exhaust gas. Gas sensors used for this purpose are, for example, lambda probes or NO _x sensors.

Zum Betrieb eines derartigen Gassensors ist es erforderlich, die Temperatur des Gassensors zu erfassen, insbesondere wenn der Gassensor ein Festelektrolyt als sensitives Element umfasst, da die Temperatur des Gassensors dessen Sensoreigenschaften massgeblich beeinflusst. To operate such a gas sensor, it is necessary to detect the temperature of the gas sensor, in particular if the gas sensor comprises a solid electrolyte as a sensitive element, since the temperature of the gas sensor significantly influences its sensor properties.

Aus der Druckschrift US 6468478 B1 ist bekannt, einen Sensor zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration zu verwenden, wobei ferner aus dieser Druckschrift hervorgeht, dass die Sensorimpedanz von der Temperatur abhängt. Es ergibt sich somit ein erster Zustand, in dem zur Konzentrationserfassung eine Referenzspannung angelegt wird, und ein zweiter Zustand, in dem zur Temperaturerfassung eine ansteigende Spannung (sweep) angelegt wird. Es wird zwischen den beiden Zuständen hin- und hergeschaltet, wobei aufgrund der Art der Spannung und der zugehörigen Messung sich beide Zustände gegenseitig ausschliessen. From the publication US 6468478 B1 It is known to use a sensor for determining an oxygen concentration, it being further apparent from this document that the sensor impedance depends on the temperature. This results in a first state in which a reference voltage is applied for concentration detection, and a second state in which an increasing voltage (sweep) is applied for temperature detection. It is switched back and forth between the two states, due to the nature of the voltage and the associated measurement, both states are mutually exclusive.

Dies erfordert eine Schaltung zum Umschalten zwischen den beiden Zuständen, die sowohl in einen Messabschnitt als auch in einen Anregungsabschnitt der Messschaltung eingebettet ist. Dadurch hat die Messchaltung eine hohe Komplexität und weist gleichermassen eine hohe Anzahl an Fehler- und Rauschquellen auf. Zudem können sich Messfehler durch die Umschaltvorgänge ergeben. This requires a circuit for switching between the two states, which is embedded in both a measuring section and an excitation section of the measuring circuit. As a result, the measuring circuit has a high complexity and equally has a high number of error and noise sources. In addition, measurement errors can result from the switching operations.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Herangehensweise aufzuzeigen, mit der sich die vorgenannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise beheben lassen. It is therefore an object of the invention to provide an approach with which the aforementioned disadvantages of the prior art can be at least partially overcome.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung der unabhängigen Ansprüche.This object is achieved by the method and apparatus of the independent claims.

Die Erfindung erlaubt es, durch geringen Schaltungsaufwand eine Temperatur sowie eine Gaskonzentration zu erfassen. Insbesondere ist kein zusätzlicher Signalgenerator erforderlich, um spezifisch die Temperatur zu messen. Die zur Messung der Gaskonzentration erforderlichen Signale werden auch zur Temperaturerfassung verwendet, es ist kein zusätzlicher Schaltungsaufwand erforderlich. Auch zur Erfassung der betreffenden Messsignale sind keine zusätzlichen Schaltungskomponenten erforderlich. Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich insbesondere eine deutlich geringere Komplexität hinsichtlich der auszuführenden Verfahrensschritte und der Schaltung, da keine Umschaltkomponenten für die Anregung und die Messung erforderlich sind. Hierdurch sind auch Fehler ausgeschlossen, die sich durch einen Umschaltvorgang ergeben. The invention makes it possible to detect a temperature and a gas concentration by low circuit complexity. In particular, no additional signal generator is required to specifically measure the temperature. The signals required to measure the gas concentration are also used for temperature sensing, no additional circuitry is required. Also, to capture the respective measurement signals no additional circuit components are required. Compared with the prior art, in particular, a significantly lower complexity results with regard to the method steps to be carried out and the circuit, since no switching components for the excitation and the measurement are required. As a result, errors are excluded, resulting from a switching operation.

Erfindungsgemäß werden die Signale, welche zur Ermittlung einer Konzentration durch das Sensorelement verwendet werden, auch zur Ermittlung der Temperatur verwendet. Die Konzentration wird ermittelt, indem mittels des Sensorelements eine aktive Signalmessung durchgeführt wird. Eine aktive Signalmessung sieht vor, dass der Gassensors aktiv ausgewertet wird und insbesondere elektrisch angeregt wird, um eine zugehörige elektrische Reaktion des Gassensors auszuwerten. Die elektrische Reaktion wird der elektrischen Anregung gegenübergestellt, um die Gaskonzentration zu ermitteln. Insbesondere ist die elektrische Anregung geregelt mit einem bestimmte, vorgegebenen Betriebspunkt des Sensorelements als Regelziel. Dieser Betriebspunkt ist insbesondere ein Betriebspunkt, der einer gewünschten, vorgegebenen Konzentration im Abgas des Verbrennungsmotors folgt. Der Betriebspunkt des Sensorelements kann insbesondere ein Sauerstoffpartialdruck zwischen 10^–3 und 10^–9 bar in einer Messkammer des Sensorelements sein. Mittels der elektrischen Anregung, d.h. mittels des Anregungssignals wird der Betriebspunkt des Sensorelements eingestellt und durch die Regelung des Anregungssignals mit dem Betriebspunkt des Sensorelements als Regelungsziel dient das Anregungssignals als Stellgröße. Das Anregungssignal kann die Konzentration wiedergeben bzw. verfolgt diese im Rahmen der Regelung. Die elektrische Reaktion dient der Ermittlung, ob innerhalb der genannten Regelung eine Abweichung besteht, die durch Nachstellen des Anregungssignals, d.h. der elektrischen Anregung, verringert wird. Auch die elektrische Reaktion des Sensorelements wird als Signal vorgesehen, das hier als Reaktionssignal bezeichnet wird. According to the invention, the signals which are used for determining a concentration by the sensor element are also used to determine the temperature. The concentration is determined by performing an active signal measurement by means of the sensor element. An active signal measurement provides that the gas sensor is actively evaluated and in particular is electrically excited in order to evaluate an associated electrical reaction of the gas sensor. The electrical response is compared to the electrical stimulus to determine the gas concentration. In particular, the electrical excitation is regulated with a specific, predetermined operating point of the sensor element as a control target. This operating point is in particular an operating point which follows a desired, predetermined concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine. The operating point of the sensor element may in particular be an oxygen partial pressure between 10 ^-3 and 10 ^-9 bar in a measuring chamber of the sensor element. By means of the electrical excitation, ie by means of the excitation signal, the operating point of the sensor element is set and by controlling the excitation signal with the operating point of the sensor element as a control target, the excitation signal serves as a manipulated variable. The excitation signal can reproduce the concentration or track it in the context of the scheme. The electrical reaction is used to determine whether there is a deviation within the specified control, which is reduced by adjusting the excitation signal, ie the electrical excitation. The electrical reaction of the sensor element is also provided as a signal, which is referred to here as a reaction signal.

Insbesondere bei Änderungen der Konzentration und/oder des zu erzielenden Betriebspunkts ändert sich somit auch die Anregung, d.h. das Anregungssignal. Mit dem Anregungssignal ändert sich auch die elektrische Reaktion, d.h. das Reaktionssignal. In particular, with changes in the concentration and / or the operating point to be achieved, the excitation, i. the excitation signal. The excitation signal also changes the electrical response, i. the reaction signal.

Die Erfindung sieht vor, mindestens zwei verschiedene Werte des Anregungssignals und des Reaktionssignals, die sich durch die Änderung ergeben, welche durch die Nachregelung etwa aufgrund einer Konzentrationsänderung veranlasst ist, zur Temperaturerfassung zu verwenden. Die sich durch die Änderung ergebende Differenz von Werten des Anregungssignals wird in Beziehung gesetzt zu der Differenz von Werten des Reaktionssignals, insbesondere in Form eines Quotienten. Dieser gibt die Impedanz oder die Admitanz des Sensorelements wieder, welche eindeutig mit der Temperatur des Sensorelements verknüpft ist. The invention proposes to use at least two different values of the excitation signal and of the reaction signal, which result from the change, which is caused by the readjustment, for example due to a change in concentration, for temperature detection. The difference of values of the excitation signal resulting from the change is related to the difference of values of the reaction signal, in particular in the form of a quotient. This represents the impedance or Admitanz of the sensor element again, which is clearly linked to the temperature of the sensor element.

Es sind lediglich einfache Rechenschritte notwendig, die vorzugsweise von der gleichen Komponente ausgeführt werden wie die Regelung, etwa von einem Mikroprozessor. Die Konzentration kann die Sauerstoff- oder die NO_x-Konzentration im Abgas sein oder die Konzentration nicht vollständig verbrannten Kraftstoffs im Abgas. Only simple arithmetic steps are necessary, which are preferably carried out by the same component as the control, for example by a microprocessor. The concentration may be _x concentration in the exhaust gas or the concentration is not completely burnt fuel in the exhaust gas, the oxygen or the NO.

Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration mindestens einer Gaskomponente im Abgas einer Brennkraftmaschine vor. Zur Ermittlung der Konzentration wird ein Sensorelement verwendet. Ferner dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur des Sensorelements. Es wird eine aktive Signalmessung durchgeführt. Die aktive Signalmessung ist Teil der Ermittlung der Konzentration. Als aktive Signalmessung werden Signalmessungen, insbesondere am Sensorelement, bezeichnet, bei denen mit einem Signal – dem Anregungssignal – angeregt wird, um die Reaktion, insbesondere anhand eines Reaktionssignals, zu erfassen. Anregungssignal und Reaktionssignal sind vorzugsweise Teil einer Regelung, die einen Betriebszustand des Sensorelements regelt. Eine derartige Regelung ist vorzugsweise Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei der Signalmessung wird das Sensorelement mit einem Anregungssignal A beaufschlagt wird und ein zugehöriges Reaktionssignal R wird erfasst. Das Anregungssignal und/oder das Reaktionssignal gibt eine Konzentration mindestens einer der Gaskomponenten wieder. Die Konzentration betrifft eine Konzentration, die an dem Sensorelement erfasst wird. Insbesondere gibt das Anregungssignal die Konzentration wieder und das Reaktionssignal gibt eine Abweichung eines Betriebsparamenters des Sensorelements wieder. Dieser Betriebsparameter gibt inbesondere eine Konzentration in einer inneren Messkammer des Sensorelements wieder und gibt vorzugsweise eine Abweichung der Konzentration in der inneren Messkammer von der zu ermittelnden Konzentration im Abgas wieder. Die Konzentration in der inneren Messkammer und die zu ermittelnde Konzentration im Abgas betreffen die gleiche Gaskomponente(n). The invention provides a method for determining a concentration of at least one gas component in the exhaust gas of an internal combustion engine. To determine the concentration, a sensor element is used. Furthermore, the method according to the invention is used to determine a temperature of the sensor element. An active signal measurement is performed. The active signal measurement is part of the determination of the concentration. As an active signal measurement signal measurements, in particular at the sensor element, referred to, in which a signal - the excitation signal - is excited to detect the reaction, in particular based on a reaction signal. The excitation signal and the reaction signal are preferably part of a control which regulates an operating state of the sensor element. Such a regulation is preferably part of the method according to the invention. In the signal measurement, the sensor element is acted upon by an excitation signal A and an associated reaction signal R is detected. The excitation signal and / or the reaction signal represents a concentration of at least one of the gas components. The concentration refers to a concentration that is detected at the sensor element. In particular, the excitation signal reproduces the concentration and the reaction signal represents a deviation of an operating parameter of the sensor element. In particular, this operating parameter represents a concentration in an inner measuring chamber of the sensor element and preferably represents a deviation of the concentration in the inner measuring chamber from the concentration to be determined in the exhaust gas. The concentration in the inner measuring chamber and the concentration to be determined in the exhaust gas relate to the same gas component (s).

Erfindungsgemäß ist ein Schritt a) vorgesehen, in dem Werte des Anregungssignals A(t1) und A(t2) für zumindest zwei unterschiedliche Zeitpunkte t1 und t2 ermittelt wird. Inbesondere wird das Anregungssignal ermittelt durch Ermitteln oder Auslesen eines Steuerungswerts, der die Höhe des Anregungssignals wiedergibt. Ferner kann das Anregungssignal gemessen werden. According to the invention, a step a) is provided in which values of the excitation signal A (t1) and A (t2) are determined for at least two different times t1 and t2. In particular, the excitation signal is determined by determining or reading a control value representing the magnitude of the excitation signal. Furthermore, the excitation signal can be measured.

Als Wert wird der Signalwert, insbesondere die Amplitude des betreffenden Signals bezeichnet. The value is the signal value, in particular the amplitude of the relevant signal.

In einem Schritt b) werden Werte des Reaktionssignals R(t1) und R(t2) für zumindest diese Zeitpunkte t1 und t2 ermittelt. Vorzugsweise entsprechen die Zeitpunkte, für die die Werte des Anregungssignals ermittelt wird, den Zeitpunkten, für die die Werte des Reaktionssignals ermittelt werden. Diese Entsprechung kann ein Toleranzzeitfenster umfassen, um das die Zeitpunkte voneinander abweichen, wobei das Toleranzzeitfenster vorzugsweise kleiner als eine Gasausgleichzeitkonstante des Gassensors ist, die weiter unten näher erläutert wird. In a step b), values of the reaction signal R (t1) and R (t2) are determined for at least these times t1 and t2. Preferably, the times for which the values of the excitation signal are determined correspond to the times at which the values of the reaction signal are determined. This correspondence may include a tolerance time window by which the times deviate from each other, wherein the tolerance time window is preferably smaller than a gas compensation time constant of the gas sensor, which will be explained in more detail below.

Zudem umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt c), in dem eine eine Impedanz oder Admittanz berechnet wird. Die Impedanz oder Admittanz wird als Quotient aus zwei Differenzen berechnet. Eine der Differenzen entspricht der Differenz zwischen den Werten des Anregungssignals A(t1) und A(t2). Die andere der Differenzen entspricht der Differenz zwischen den Werten des Reaktionssignals R(t1) und R(t2). Mit anderen Worten werden die Wertänderung des Reaktionssignals und die Wertänderung des Anregungssignals zueinander ins Verhältnis gesetzt. Aus diesem Verhältnis mit mittels einer vorgegebenen Zuordnung die Temperatur bestimmt. Dies entspricht der Anwendung des ohmschen Gesetzes, wobei das Anregungssignal die Rolle der Spannung einnimmt und das Reaktionssignal die Rolle des Stroms einnimmt oder das Anregungssignal die Rolle des Stroms einnimmt und das Reaktionssignal die Rolle der Spannung einnimmt. Der Quotient bzw. das Verhältnis kann beschrieben werden als: d Reaktionssignal / d Anregungssignal (oder dem Kehrwert hiervon), wobei d ein Differentialoperator ist, oder kann beschrieben werden als: Δ Reaktionssignal / Δ Anregungssignal (oder dem Kehrwert hiervon). In addition, the method according to the invention comprises a step c) in which an impedance or admittance is calculated. The impedance or admittance is calculated as the quotient of two differences. One of the differences corresponds to the difference between the values of the excitation signal A (t1) and A (t2). The other of the differences corresponds to the difference between the values of the response signal R (t1) and R (t2). In other words, the value change of the reaction signal and the value change of the excitation signal are set in relation to one another. From this ratio determined by means of a predetermined assignment, the temperature. This corresponds to the application of Ohm's law, wherein the excitation signal takes the role of the voltage and the reaction signal takes on the role of the current or the excitation signal takes the role of the current and the reaction signal takes the role of the voltage. The quotient may be described as: d response signal / d excitation signal (or the reciprocal thereof), where d is a differential operator, or may be described as: Δ response signal / Δ excitation signal (or the reciprocal thereof).

Als Reaktionssignal und Anregungssignal werden vorzugsweise die rein reellen Signale verwendet. Die Impedanz ist vorzugsweise ein rein ohmscher Widerstand und die Admittanz ist vorzugsweise ein rein ohmscher Leitwert. As a reaction signal and excitation signal, the purely real signals are preferably used. The impedance is preferably a purely ohmic resistance and the admittance is preferably a purely ohmic conductance.

Schliesslich wird erfindungsgemäß über eine vorgegebenen Zuordnung zum Verhältnis die Temperatur berechnet. Die vorgegebenen Zuordnung ist durch die Geometrie und die elektrochemischen Eigenschaften des Materials des Sensorelements bestimmt und kann beispielsweise durch Abschätzung oder durch Messung erzeugt werden. Die Zuordnung kann in Form einer Formel vorliegen oder als Look-up-Tabelle.Finally, according to the invention, the temperature is calculated via a predetermined assignment to the ratio. The default assignment is through the geometry and the electrochemical Properties of the material of the sensor element determined and can be generated for example by estimation or by measurement. The assignment can be in the form of a formula or as a look-up table.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Anregungssignal ein Stromsignal, mit dem das Sensorelement beaufschlagt wird, und das Reaktionssignal ein Spannungssignal, das am Sensorelement beim Beaufschlagen mit dem Stromsignal abfällt. Alternativ ist das Anregungssignal ein Spannungssignal, mit dem das Sensorelement beaufschlagt wird und das Reaktionssignal ein Stromsignal, das sich am Sensorelement beim Beaufschlagen mit dem Spannungssignal ergibt. Das Anregungssignal und das Reaktionssignal betreffen dieselben Elektroden des Sensorelements. In one embodiment of the invention, the excitation signal is a current signal applied to the sensor element, and the response signal is a voltage signal that drops across the sensor element upon application of the current signal. Alternatively, the excitation signal is a voltage signal which is applied to the sensor element and the reaction signal is a current signal which results at the sensor element when subjected to the voltage signal. The excitation signal and the reaction signal concern the same electrodes of the sensor element.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Werte des Anregungssignals und die Werte des Reaktionssignals ermittelt werden, wenn das Anregungssignal und/oder das Reaktionssignals eine signifikante Änderung durchläuft. Der Zeitpunkt t1 liegt vor der Änderung und der Zeitpunkt t2 liegt nach der Änderung. Eine signifikante Änderung ist insbesondere eine Änderung des Reaktionssignals oder des Anregungssignals um mindestens 1 % des Signalpegels vor der Änderung oder eines vorgegebenen Normpegels. Die Änderung resultiert vorzugsweise durch einen Regelungsschritt, in dem im Rahmen der Regelung das Anregungssignal, vorzugsweise als Stellgröße, geändert wird. In a further embodiment, it is provided that the values of the excitation signal and the values of the reaction signal are determined when the excitation signal and / or the reaction signal undergoes a significant change. The time t1 is before the change and the time t2 is after the change. A significant change is in particular a change of the reaction signal or of the excitation signal by at least 1% of the signal level before the change or a predetermined standard level. The change preferably results from a control step in which the excitation signal, preferably as manipulated variable, is changed as part of the regulation.

In einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der Werte des Anregungssignals und der Werte des Reaktionssignals für den Zeitpunkt t1 und für den Zeitpunkt t2 jeweils mehrere Einzelwerte des Anregungssignals und des Reaktionssignals ermittelt werden. Diese werden jeweils zu einem der Werte des Anregungssignals oder des Reaktionssignals kombiniert. Die Kombination kann insbesondere durch Aufsummierung, Mittelung oder Medianbildung geschehen oder durch andere Glättungsmechanismen. Alle Einzelwerte, die zur Ermittlung eines Werts des Anregungssignals oder des Reaktionssignals dienen, werden zu Zeitpunkten ermittelt, die weniger als eine vordefinierte Zeitdauer, etwa 50 ms insbesondere 5 ms, auseinanderliegen. Diese Zeitdauer ist kürzer als die Gasausgleichzeitkonstante, die weiter unten näher erläutert wird. Die Zeitdauer ist insbesondere konstant. Vorzugsweise fallen die Zeitpunkte der Ermittlung der Einzelwerte in ein Regelzeitfenster, während dessen sich das Anregungssignal im Wesentlichen nicht ändert. Insbesondere kann die Regelung zeitdiskret sein, wobei aufeinanderfolgende Regelungszeitpunkte Regelungszeitfenster definieren, in denen das Anregungssignal unverändert bleibt. Die Zeitpunkte von Einzelwerten, die zu einem der Werte des Anregungssignals oder des Reaktionssignals kombiniert werden, fallen vorzugsweise alle in das Regelungszeitfenster der zeitdiskreten Regelung.In a specific embodiment of the invention, it is provided that in order to determine the values of the excitation signal and the values of the reaction signal for the time t1 and for the time t2, a plurality of individual values of the excitation signal and of the reaction signal are respectively determined. These are each combined into one of the values of the excitation signal or the response signal. The combination can be done in particular by summation, averaging or median formation or by other smoothing mechanisms. All individual values which are used to determine a value of the excitation signal or the reaction signal are determined at times which are less than a predefined period of time, approximately 50 ms, in particular 5 ms. This period of time is shorter than the gas compensation time constant, which will be explained in more detail below. The time period is especially constant. Preferably, the times of determining the individual values fall within a control time window, during which the excitation signal does not change substantially. In particular, the control can be time-discrete, wherein successive control times define control time windows in which the excitation signal remains unchanged. The time points of individual values which are combined to one of the values of the excitation signal or of the reaction signal preferably all fall within the control time window of the time-discrete control.

In einer modifizierten Ausführungsform wird eine vorbestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Einzelwerten zu einem Wert des Anregungssignals oder des Reaktionssignals kombiniert.In a modified embodiment, a predetermined number of consecutive individual values are combined to a value of the excitation signal or the response signal.

Es ist ferner vorgesehen, dass mehrere Einzelwerte des Anregungssignals und des Reaktionssignals für den Zeitpunkt t1 und für den Zeitpunkt t2 zu einem der Werte kombiniert werden z. B. durch eine arithmetische oder geometrische Mittelung. Die mehreren Einzelwerte werden für eine erste Zeitspanne ermittelt, die dem Zeitpunkt t1 zugeordnet ist, und werden für eine zweite Zeitspanne ermittelt, die dem Zeitpunkt t2 zugeordnet ist. Insbesondere liegt der Zeitpunkt t1 in der ersten Zeitspanne und der Zeitpunkt t2 liegt in der zweiten Zeitspanne, vorzugsweise jeweils mittig, an deren Anfang oder an deren Ende. Die erste und die zweite Zeitspanne sind vorzugsweise gleich lang. Die erste und die zweite Zeitspanne haben eine vordefinierte Zeitdauer, beispielsweise etwa 50 ms, insbesondere 10 ms. Die Zeitdauer ist insbesondere konstant.It is further provided that a plurality of individual values of the excitation signal and of the reaction signal for the time t1 and for the time t2 are combined to one of the values z. B. by an arithmetic or geometric averaging. The multiple individual values are determined for a first time period associated with the time t1 and are determined for a second time period associated with the time t2. In particular, the time t1 is in the first period and the time t2 is in the second period, preferably in the center, at the beginning or at the end. The first and second time periods are preferably the same length. The first and the second time periods have a predefined time duration, for example about 50 ms, in particular 10 ms. The time period is especially constant.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schritte a), b) und c) wiederholt werden für mehrere, nacheinanderliegende Zeitpunkte t1 und t2. Die sich jeweils ergebenden Differenzen, Quotienten oder Temperaturen können bei jeder Ermittlung direkt oder nach Mittelung ausgegeben werden. Die Schritte a), b) und c) können insbesondere wiederholt werden für mehrere, unmitteltbar nacheinanderliegende Zeitpunkte t1 und t2.An embodiment of the invention provides that steps a), b) and c) are repeated for a plurality of successive times t1 and t2. The resulting differences, quotients or temperatures can be output for each determination directly or after averaging. The steps a), b) and c) can be repeated in particular for a plurality of instantly consecutive times t1 and t2.

Der Betrag, um den Zeitpunkte des Ermittelns zeitlich auseinanderliegen, berücksichtigt vorzugsweise zumindest eine der folgenden Ausgleichseigenschaften bzw. Eigenschaften, die zur Trägheit von Reaktionen des Sensorelements beitragen. The amount of time apart from the time of the determination preferably takes into account at least one of the following compensation properties or properties which contribute to the inertia of reactions of the sensor element.

Zum ersten umfasst das Sensorelement Elektroden, an denen sich elektrische Ladung sammeln kann. Ändert sich eines der Signale, beispielsweise das Anregungssignal, so stellt sich erst nach Ladungsausgleich ein Ladungsgleichgewicht her. Die kapazitiven Eigenschaften des Sensorelements, vorzugsweise einschliesslich einer Zuleitung zum Sensorelement und/oder von elektrischen Kontakten des Sensorelements, bestimmen eine Kapazität des Sensorelements. Dies wird durch eine Ladungsausgleichkonstante wiedergegeben, die sich nach der Zeitdauer bestimmt, in der sich die Ladung aufgrund der genannten Kapazität im Wesentlichen vollständig ausgleicht. Ein derartiger Ausgleich entspricht beispielsweise einer Reduktion des Ladungsausgleichs (= des Ausgleichsstroms) auf weniger als 5, insbesondere 1% der ursprünglichen Ladung bzw. des Ausgleichstroms. Die Ladungsausgleichkonstante ist definiert durch Anordnung von Sensorelektroden, ggf. durch die Geometrie von Zuleitung und/oder elektrischen Kontakten, sowie durch dielektrische und elektrochemischen Eigenschaften von Material innerhalb des Sensorelements.First, the sensor element comprises electrodes on which electrical charge can accumulate. If one of the signals, for example the excitation signal, changes, then a charge equilibrium is established only after charge equalization. The capacitive properties of the sensor element, preferably including a supply line to the sensor element and / or of electrical contacts of the sensor element, determine a capacitance of the sensor element. This is reflected by a charge balance constant, which is determined by the length of time that the charge substantially fully equilibrates due to said capacitance. Such a compensation corresponds for example to a reduction of the charge compensation (= the compensation current) to less than 5, in particular 1%, of the original charge or the equalization current. The charge balance constant is defined by the arrangement of sensor electrodes, possibly by the geometry of the feed line and / or electrical contacts, as well as by dielectric and electrochemical properties of material within the sensor element.

Zum zweiten umfasst das Sensorelement wärmespeichernde Masse und wärmeübertragende Strukturen, die einen sofortige Änderung der zu ermittelnden Temperatur des Sensorelements verzögern. Ändert sich die Temperatur des Abgases, so gleicht sich die Temperatur etwa eines sensitiven Bereichs des Sensorelements über eine Temperaturausgleichkonstante an die geänderte Abgastemperatur an. Diese Angleichung wird durch die Temperaturausgleichkonstante wiedergegeben. Die Temperaturausgleichkonstante gibt die Zeitdauer an, die es erfordert, bis eine Temperaturänderung des Abgases oder der Sensorelementumgebung mit einer Toleranz von weniger als z. B. 5% zu einer entsprechenden Temperaturänderung in dem Sensorelement oder in dem sensitiven Bereichs des Sensorelements geführt hätte. Die Temperaturausgleichkonstante hängt insbesondere von der Masse, der Wärmespeicherfähigkeit, der Abgaskontaktfläche, der Oberflächenbeschaffenheit und der Wärmeleitfähigkeit des Sensorelements bzw. des sensitiven Bereichs des Sensorelements ab.Second, the sensor element comprises heat-storing mass and heat-transferring structures which delay an immediate change in the temperature of the sensor element to be determined. If the temperature of the exhaust gas changes, the temperature, for example, of a sensitive region of the sensor element adjusts itself to the changed exhaust gas temperature via a temperature compensation constant. This approximation is reflected by the temperature compensation constant. The temperature compensation constant indicates the length of time it takes for a temperature change of the exhaust gas or sensor element environment to occur with a tolerance of less than e.g. B. 5% would have resulted in a corresponding temperature change in the sensor element or in the sensitive region of the sensor element. The temperature compensation constant depends in particular on the mass, the heat storage capacity, the exhaust gas contact surface, the surface condition and the thermal conductivity of the sensor element or the sensitive region of the sensor element.

Zum dritten umfasst das Sensorelement Kanäle, Kammern und fluidtechnische Verbindungen, die eine sofortige Änderung einer Konzentration von mindestens einer Gaskomponente innhalb einer Messkammer des Sensorelements verzögern, wenn sich die Konzentration im Abgas verändert. Ändert sich die Konzentration im Abgas, so ergibt sich durch Ausgleichprozesse wie Diffusion, Druckstößen und limitierter Strömung eine geänderte Konzentration innerhalb des Sensorelements, insbesondere in der Messkammer und/oder dem sensitiven Bereich des Sensorelements. Die Messkammer bzw. der sensitive Bereich und im allgemeinen das Sensorelements können insbesondere eine Nernstzelle umfassen, die diese Ausgleichprozesse mit definiert. Eine Gasausgleichzeitkonstante gibt die Zeitdauer an, die es erfordert, bis eine Konzentrationsänderung des Abgases mit einer Toleranz von weniger als z. B. 5% zu einer entsprechenden Konzentrationsänderung im Sensorelement, in den Messkammern, in der Nernstzelle und/oder in dem sensitiven Bereich des Sensorelements geführt hat. Die Gasausgleichzeitkonstante hängt insbesondere von der Geometrie des Sensorelements, der Messkammern, der Ausgleichkanäle zwischen der Messkammer und der Sensorelementumgebung, der Ionenleitfähigkeit, der Diffusionseigenschaft und/oder der fluidtechnischen Ankopplung des sensitiven Bereich zum Abgas bzw. zur Umgebung des Sensorelements ab.Third, the sensor element includes channels, chambers, and fluidic connections that delay an instantaneous change in a concentration of at least one gas component within a sensing chamber of the sensing element as the concentration in the exhaust gas changes. If the concentration in the exhaust gas changes, compensation processes such as diffusion, pressure surges and limited flow result in a changed concentration within the sensor element, in particular in the measuring chamber and / or the sensitive area of the sensor element. The measuring chamber or the sensitive area and in general the sensor element can in particular comprise a Nernst cell, which also defines these balancing processes. A gas compensation time constant indicates the time it takes for a concentration change of the exhaust gas with a tolerance of less than z. B. 5% has led to a corresponding change in concentration in the sensor element, in the measuring chambers, in the Nernst cell and / or in the sensitive region of the sensor element. The gas compensation time constant depends in particular on the geometry of the sensor element, the measuring chambers, the compensation channels between the measuring chamber and the sensor element environment, the ion conductivity, the diffusion property and / or the fluidic coupling of the sensitive region to the exhaust gas or to the surroundings of the sensor element.

Eine Ausführungsform der Erfindung berücksichtigt zumindest eine dieses Ausgleichkonstanten bei der Wahl der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. Die Zeitpunkte t1 und t2 liegen vorzugsweise um eine Zeitdauer auseinander, die größer als eine Ladungsausgleichkonstante des Sensorelements ist. Ein elektrischer Ladungsausgleich aufgrund einer abrupten Änderung des Anregungssignals im Rahmen der Regelung hat somit im Wesentlichen keinen Einfluss auf die erfindungsgemäße Temperaturermittlung. Insbesondere fällt keiner der Zeitpunkte in ein Zeitintervall, das mit einer Änderung des Anregungssignals im Rahmen der Regelung beginnt und um mindestens die Ladungsausgleichkonstante andauert. Dadurch haben unvollständige Ladungsausgleiche keinen verfälschenden Einfluss auf die erfindungsgemäße Temperaturermittlung. An embodiment of the invention takes into account at least one of these compensation constants in the choice of the time duration between the times t1 and t2. The times t1 and t2 are preferably separated by a time duration that is greater than a charge compensation constant of the sensor element. An electrical charge compensation due to an abrupt change of the excitation signal in the context of the control thus has essentially no influence on the temperature determination according to the invention. In particular, none of the time points falls within a time interval which begins with a change of the excitation signal in the context of the control and lasts at least the charge balancing constant. As a result, incomplete charge equalization has no distorting effect on the temperature determination according to the invention.

Alternativ oder in Kombination hiermit ist die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkte t1 und t2 kleiner als die Gasausgleichzeitkonstante des Sensorelements, vorzugsweise um einen Faktor von höchstens 0.75, insbesondere 0.5, 0.2 oder 0.1. Dadurch haben Änderungen, die zur Ermittlung der Konzentration dienen, etwa im Rahmen der Regelung des Betriebsparameters, inbesondere einer Konzentration im Inneren des Sensors, im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Ermittlung der Temperatur. Da auch Konzentrationen oder Konzentrationsänderung das Verhältnis von Anregungssignal zu Reaktionssignal bestimmen, diese jedoch träger als die Temperatur oder Temperaturänderung das Verhältnis beeinflussen, wird durch die höhere Geschwindigkeit der Erfassung von Werten zur Temperaturermittlung ein Einfluss durch Konzentrationsänderungen unterdrückt. Typischerweise beträgt die Gasausgleichzeitkonstante einige 100 Millisekunden. Alternatively or in combination with this, the time duration between the times t1 and t2 is less than the gas compensation time constant of the sensor element, preferably by a factor of at most 0.75, in particular 0.5, 0.2 or 0.1. As a result, changes which serve to determine the concentration, for example in the context of regulating the operating parameter, in particular a concentration in the interior of the sensor, have essentially no influence on the determination of the temperature. Since concentrations or changes in concentration also determine the ratio of the excitation signal to the reaction signal, but these influence the ratio more slowly than the temperature or temperature change, the higher speed of the detection of values for temperature determination suppresses an influence by changes in concentration. Typically, the gas balance time constant is several hundred milliseconds.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Anregungssignal gemäß einer Regelung vorgesehen ist. Insbesondere ist das Anregungssignal als Stellgröße in der Regelung vorgesehen, die zum Erreichen eines Regelziels verändert wird. Die Regelung weist vorzugsweise als Ziel auf, den Sensor mit einem vorzugsweise konstanten Betriebsparameter vorzusehen. Das Regelziel ist insbesondere abhängig vom Sensortyp. Ein Regelungsziel kann sein, einen konstanten Ionenfluss innerhalb eines Festelektrolyts des Sensors zu erhalten bzw. zu erzeugen. Ein Regelziel kann ferner sein, eine Konzentration einer Gaskomponente in einer Messkammer des Sensors auf einem vorgegebenem Wert zu halten, etwa einem konstanten Wert. Desweiteren kann ein Regelziel eine konstante Pumpspannung an einer Elektrode sein. An embodiment of the invention provides that the excitation signal is provided in accordance with a regulation. In particular, the excitation signal is provided as a control variable in the control, which is changed to achieve a control target. The control preferably has the goal of providing the sensor with a preferably constant operating parameter. The control target depends in particular on the sensor type. A control objective may be to maintain a constant ion flux within a solid electrolyte of the sensor. A control target may also be to maintain a concentration of a gas component in a measurement chamber of the sensor at a predetermined value, such as a constant value. Furthermore, a control target may be a constant pump voltage at an electrode.

Insbesondere kann das Regelziel eines konstanten Betriebsparameters bei der Verwendung eines Sensorelements vorgesehen sein, das eine Nernstzelle umfasst. Das Reaktionssignal kann z. B. einen Ausgleichionenstrom im Festelektrolyt zwischen einer Elektrode in einer Messkammer des Sensorelements und einer Gegenelektrode im Abgas oder in einer weiteren Messkammer oder einem Referenzluftraum.In particular, the control target of a constant operating parameter may be provided when using a sensor element comprising a Nernst cell. The reaction signal may, for. B. a compensation ion current in the solid electrolyte between an electrode in a measuring chamber of the sensor element and a counter electrode in the exhaust gas or in another measuring chamber or a reference air space.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, die Erfindung als Vorrichtung zu realisieren. Es wird daher eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Konzentration mindestens einer Gaskomponente im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines Sensorelements sowie zur Ermittlung einer Temperatur des Sensorelements vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen vorzugsweise elektrischen Anschluss für das Sensorelement. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Regelung mit einem Signalgenerator zur Erzeugung eines Anregungssignals A. Die Regelung umfasst einen Signalausgang, der zur Abgabe eines Konzentrationswerts eingerichtet ist. Der Konzentrationswert gibt die Konzentration der Gaskomponente wieder. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Messvorrichtung zur Messung eines Reaktionssignals R, das der Sensor bei Anregung mit dem Anregungssignals A vorsieht. Das Anregungssignal wird von dem Signalgenerator erzeugt; der Signalgenerator ist somit eingerichtet, das Anregungssignal zu erzeugen. Another aspect of the invention provides to realize the invention as a device. Therefore, a device is provided for determining a concentration of at least one gas component in the exhaust gas of an internal combustion engine by means of a sensor element and for determining a temperature of the sensor element. The device comprises a preferably electrical connection for the sensor element. The device further comprises a controller with a signal generator for generating an excitation signal A. The controller comprises a signal output, which is set up to output a concentration value. The concentration value reflects the concentration of the gas component. The device further comprises a measuring device for measuring a reaction signal R, which the sensor provides upon excitation with the excitation signal A. The excitation signal is generated by the signal generator; the signal generator is thus configured to generate the excitation signal.

Die Erzeugung des Anregungssignal kann auch über einen Signalgenerator erfolgen.The generation of the excitation signal can also take place via a signal generator.

Ferner umfasst die Vorrichtung eine Berechnungseinheit. Die Berechnungseinheit ist eingerichtet zur Ermittlung einer Differenz von Werten des Anregungssignals zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1 und t2. Die Berechnungseinheit ist ferner eingerichtet zur Ermittlung einer Differenz von Werten des Reaktionssignals zu den Zeitpunkten t1 und t2. Zudem ist die Berechungseinheit eingerichtet ist, einen Quotienten dieser Differenzen zu bilden. Schliesslich ist die Berechungseinheit eingerichtet, eine Zuordnung vorzusehen, die dem berechneten Quotienten eine Temperatur des Sensorelements zuordnet. Insbesondere ist die Berechnungseinheit eingerichtet, diese Temperatur als einen Temperaturwert oder einem funktional mit dem Temperaturwert zusammenhängenden Ersatzwert wie z. B. der Zellenimpedanz an einem Ausgang der Vorrichtung abzugeben.Furthermore, the device comprises a calculation unit. The calculation unit is set up to determine a difference of values of the excitation signal at different times t1 and t2. The calculation unit is further configured to determine a difference of values of the reaction signal at the times t1 and t2. In addition, the calculation unit is set up to form a quotient of these differences. Finally, the calculation unit is set up to provide an assignment which associates a temperature of the sensor element with the calculated quotient. In particular, the calculation unit is set up, this temperature as a temperature value or a functionally related to the temperature value equivalent value such. B. to deliver the cell impedance at an output of the device.

Die Bereichnungseinheit kann diese Funktionen als festverdrahtete Logik oder als zumindest teilweise programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung vorsehen, vorzugsweise in Kombination mit einem darauf ablaufbaren Programm, welches zumindest eine Eigenschaft der Bereichnungseinheit implementiert. Insbesondere die Zuordnung kann wie weiter oben beschrieben als Look-Up-Tabelle oder als Formel bzw. Parameter einer Funktion, insbesondere einer linearen Funktion vorgesehen sein. Die Berechnungseinheit ist vorzugsweise ein Mikroprozessor, der neben den oben genannten Funktionen auch Funktionen zur Ermittlung der Konzentration realisiert und insbesondere die Regelung realisiert.The enrichment unit may provide these functions as hard-wired logic or as at least partially programmable data processing equipment, preferably in combination with a program executable thereon, which implements at least one property of the enrichment unit. In particular, the assignment can be provided as described above as a look-up table or as a formula or parameter of a function, in particular a linear function. The calculation unit is preferably a microprocessor which, in addition to the above-mentioned functions, also realizes functions for determining the concentration and, in particular, realizes the control.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass diese ferner einen Lese-/Schreibspeicher umfasst, der eingerichtet ist, die Werte des Anregungssignals und des Reaktionssignals zu den unterschiedlichen Zeitpunkten zu speichern. Ein derartiger Speicher kann ein Speicher eines Mikroprozessors sein, vorzugsweise des Mikroprozessores, der auch die Bereichnungseinheit vorsieht. Der Speicher dient zur Pufferung zumindest der Werte, die zu früheren Zeitpunkten ermittelt wurden.An embodiment of the device provides that it further comprises a read / write memory which is set up to store the values of the excitation signal and of the reaction signal at the different times. Such a memory may be a memory of a microprocessor, preferably of the microprocessor, which also provides the scope unit. The memory serves to buffer at least the values which were determined at earlier times.

Der Lese-/Schreibspeicher ist mit der Berechnungseinheit verbunden. Die Berechnungseinheit ist insbesondere durch diese Verbindung in der Lage, die Werte des Anregungssignals und des Reaktionssignals für zumindest einen der Zeitpunkte und vorzugsweise dem früheren der beiden Zeitpunkte t1 und t2 aus dem Lese-/Schreibspeicher abzurufen. The read / write memory is connected to the calculation unit. In particular, by this connection, the calculation unit is able to retrieve the values of the excitation signal and the response signal from the read / write memory for at least one of the times and preferably the earlier of the two times t1 and t2.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, einzelne oder alle Merkmale des Verfahrens zu implementieren. Die Vorrichtung ist ferner geeignet, an einen der hier offenbarten Sensoren angeschlossen zu werden.The device according to the invention is suitable for implementing individual or all features of the method. The apparatus is further adapted to be connected to one of the sensors disclosed herein.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Sensoranordnung vorgesehen, die sowohl die Vorrichtung als auch ein Sensorelement wie hier beschrieben umfasst. Das Sensorelement ist über den elektrischen Anschluss der Vorrichtung an diesen angeschlossen. According to a further aspect of the invention, a sensor arrangement is provided which comprises both the device and a sensor element as described herein. The sensor element is connected to the device via the electrical connection of the device.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die 1A und 1B zeigen einen beispielhaften Signalverlauf zur Erläuterung der Erfindung.The 1A and 1B show an exemplary waveform for explaining the invention.

Die 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockschaltbild.The 2 shows an embodiment of the device according to the invention as a block diagram.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1A zeigt einen beispielhaften Verlauf des Anregungssignals A, als Spannung vorgesehen, und den zugehörigen Verlauf des Reaktionssignals R, als Strom vorgesehen, in Abhängigkeit von der Zeit t. Das Anregungssignals A wird an eine Zelle eines nicht dargestelltes Sensorelement angelegt und der sich dadurch ergebende Strom ist durch das Reaktionssignal R wiedergegeben. The 1A shows an exemplary course of the excitation signal A, provided as a voltage, and the associated course of the reaction signal R, provided as a current, as a function of the time t. The excitation signal A is applied to a cell of a not-shown sensor element, and the resulting current is represented by the response signal R.

Zu einem ersten Zeitpunkt t1 ergeben sich ein Wert A(t1) des Anregungssignals A, d.h. ein Spannungswert, sowie ein Wert R(t1) des Reaktionssignals R, d.h. ein Stromwert. At a first time t1, a value A (t1) of the excitation signal A, i. a voltage value, and a value R (t1) of the response signal R, i. a current value.

Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 tritt eine Änderung 30 des Anregungssignals A auf. Es ergeben sich Messpunkte 10 und 20, die das Anregungssignal A und das Reaktionssignal R sowie den Zeitpunkt t1 wiedergeben. Der Wert des Anregungssignals A zum Zeitpunkt t1 (d.h. der Wert des Messpunkts 10) ist mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet und der Wert des Reaktionssignals zum Zeitpunkt t1 (d.h. der Wert des Messpunkts 20) ist mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Between times t1 and t2, a change occurs 30 of the excitation signal A on. There are measuring points 10 and 20 representing the excitation signal A and the response signal R and the time t1. The value of the excitation signal A at time t1 (ie the value of the measuring point 10 ) is denoted by the reference numeral 50 and the value of the response signal at time t1 (ie the value of the measuring point 20 ) is denoted by the reference numeral 60 designated.

Es ist zu erkennen, dass innerhalb einer Zeitdauer 40 das Reaktionssignal R zwar der Änderung 30 des Anregungssignals A folgt, jedoch leicht verzögert. Ursache hierfür sind Ladungsausgleichsvorgänge wie sie bereits weiter oben beschrieben sind. Die Zeitdauer entspricht in ihrer Länge der Ladungsausgleichskonstante. Zu Beginn der Zeitdauer 40 findet eine starke Änderung 30 statt. Der Verlauf des Anregungssignals A entspricht z. B. dem Verlauf der Stellgröße der Regelung, und der Verlauf des Reaktionssignal R entspricht der elektrischen Reaktion hierauf. It can be seen that within a period of time 40 the reaction signal R of the change 30 the excitation signal A follows, but slightly delayed. This is due to charge balance processes as already described above. The duration corresponds in its length to the charge balance constant. At the beginning of the period 40 finds a big change 30 instead of. The course of the excitation signal A corresponds to z. B. the course of the manipulated variable of the control, and the course of the reaction signal R corresponds to the electrical response thereto.

Zum Zeitpunkt t2, der außerhalb der Zeitdauer 40 liegt und der somit nicht von starken Ladungsausgleichsvorgängen betroffen ist, besteht ein weiterer Messpunkt 12 für das Anregungssignal A und ein weiterer Messpunkt 22 für das Reaktionssignal R. Der betreffende Wert 52 des Anregungssignals A zum Zeitpunkt t2 und der betreffende Wert 62 des Reaktionssignals R zum Zeitpunkt t2 sind höher als die jeweiligen Werte 50 bzw. 60, da das Anregungssignal A aufgrund der Regelung verändert (hier: erhöht) wurde.At time t2, outside the time period 40 and thus is not affected by heavy charge balancing processes, there is another measurement point 12 for the excitation signal A and another measuring point 22 for the reaction signal R. The relevant value 52 the excitation signal A at time t2 and the value in question 62 of the response signal R at time t2 are higher than the respective values 50 respectively. 60 because the excitation signal A changed due to the regulation (here: increased) was.

Der Messpunkt 22 ist in Ausschnitt 80 vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, das sich der Messpunkt 22, durch ein großes Kreuz dargestellt, tatsächlich aus mehreren Messpunkten 22a–d zusammensetzen kann, beispielsweise durch Mittelung. Die Messpunkte 22a–d geben Einzelwerte wieder, die innerhalb des Zeitfensters 70 gemessen werden. Für den Zeitpunkt t2 wird somit der Wert 62 des Messpunkts 22 ermittelt, wobei sich der Wert 62 aus Einzelwerten zusammensetzt, die nicht unmittelbar auf dem Zeitpunkt t2 liegen, jedoch innerhalb des Zeitfensters 70 liegen, in dem auch der Zeitpunkt t2 liegt. Dies trifft vorzugsweise für mehrere oder für alle Zeitpunkte zu. Für den Zeitpunkt t1 gilt Äquivalentes. Die Länge des Zeitfensters 70, das auch als Mittelungszeitfenster einer gleitenden Mittelung bezeichnet werden kann, ist kürzer als die Gasausgleichzeitkonstante des Sensorelements und/oder als die Temperaturausgleichzeitkonstante des Sensorelements. Insbesondere ist der zeitliche Abstand zwischen t1 und t2 kleiner als zumindest einer dieser Konstanten. Dadurch ist gewährleistet, dass Einflüsse durch Konzentrationsänderungen, d.h. durch einen Gasausgleich und Änderungen der Temperatur nicht fälschlicherweise in die Temperaturermittlung einfliessen. Insbesondere ist der zeitliche Abstand zwischen t1 und t2 so gewählt, dass für beide Zeitpunkte von im Wesentlichen der gleichen Temperatur ausgegangen werden kann, da der zeitliche Abstand ausreichend kurz ist, um wesentliche Temperaturänderungen auszuschliessen. The measuring point 22 is in cutting 80 shown enlarged. It can be seen, that is the measuring point 22 represented by a big cross, actually from several measuring points 22a -D, for example, by averaging. The measuring points 22a -D represent single values within the time window 70 be measured. For the time t2 thus becomes the value 62 of the measuring point 22 determined, whereby the value 62 is composed of individual values that are not directly at the time t2, but within the time window 70 lie, in which also the time t2 lies. This is preferably true for several or all times. For the time t1 equivalence applies. The length of the time window 70 , which may also be referred to as averaging time window of a sliding average, is shorter than the gas compensation time constant of the sensor element and / or as the temperature compensation time constant of the sensor element. In particular, the time interval between t1 and t2 is less than at least one of these constants. This ensures that influences caused by changes in concentration, ie by gas compensation and changes in temperature, are not mistakenly included in the temperature determination. In particular, the time interval between t1 and t2 is chosen so that it can be assumed for both times of substantially the same temperature, since the time interval is sufficiently short to exclude significant changes in temperature.

1B zeigt eine Darstellung des Anregungssignals gegenüber dem Reaktionssignal, um die Art und Weise der Berechnung des Quotienten zu erläutern. Die Werte 150, 152, 160 und 162 entsprechen den jeweiligen Werten 50, 52, 60, 62 der 1. Der Punkt 100 entspricht den Werten der Messpunkte 10 und 20 zum Zeitpunkt t1 und der Punkt 110 entspricht den Werten der Messpunkten 12 und 22 zum Zeitpunkt t1. Da sich die Werte 150 und 160 sich von den Werten 152 und 162 unterscheiden, ergibt sich eine Differenz 170 zwischen den Werten des Anregungssignals A für die Zeitpunkte t1 und t2, und es ergibt sich eine Differenz 172 zwischen den Werten des Reaktionssignals R für die Zeitpunkte t1 und t2. Die Gerade 180 verbindet die beiden Punkte 100 und 110 und stellt die Steigung zwischen diesen Punkten dar. Die Steigung entspricht dem Quotienten der Differenzen 170 und 172. Das Verhältnis der Differenz 170, die einer Spannungsdifferenz entspricht, zu der Differenz 172, die einer Stromdifferenz entspricht, gibt den Widerstand im Sensorelement wieder. Insbesondere gibt das Verhältnis bzw. der Quotient eine Funktion der Temperatur wieder, da der Widerstand mit der Temperatur fällt oder allgemein sich verändert. Eine Zuordnung wird verwendet, um aus dem Quotienten auf die Temperatur zu schliessen. Die Zuordnung gibt den Temperaturkoeffizienten eines Widerstands im Sensorelement wieder, oder im allgemeinen die Abhängigkeit zwischen dem spezifischen Widerstand des Materials und der Temperatur, die beispielsweise linear oder mit einer Näherungsfunktion mit einer Ordnung von mindestens zwei vorgesehen sein kann. 1B shows a representation of the excitation signal relative to the response signal to explain the manner of calculating the quotient. The values 150 . 152 . 160 and 162 correspond to the respective values 50 . 52 . 60 . 62 of the 1 , The point 100 corresponds to the values of the measuring points 10 and 20 at time t1 and the point 110 corresponds to the values of the measuring points 12 and 22 at time t1. As the values 150 and 160 from the values 152 and 162 differ, there is a difference 170 between the values of the excitation signal A for the times t1 and t2, and a difference results 172 between the values of the response signal R for the times t1 and t2. Straight 180 connects the two points 100 and 110 and represents the slope between these points. The slope corresponds to the quotient of the differences 170 and 172 , The ratio of the difference 170 , which corresponds to a voltage difference, to the difference 172 , which corresponds to a current difference, reflects the resistance in the sensor element. In particular, the ratio reflects a function of temperature as the resistance decreases or generally varies with temperature. An assignment is used to deduce the quotient on the temperature. The assignment represents the temperature coefficient of a resistance in the sensor element, or in general the dependence between the resistivity of the material and the temperature, which may for example be provided linearly or with an approximation function with an order of at least two.

Die Differenzen rühren von unterschiedlichen Vorgaben der Regelung für die beiden Zeitpunkte t1 und t2 her. Diese Vorgaben werden unmittelbar in unterschiedliche Werte 150, 152 des Anregungssignals A umgesetzt und führen zu unterschiedlichen Werten 160, 162 des Reaktionssignals R. Die Steigung der Geraden 180, die dem Quotienten der Differenzen 170 zu 172 entspricht, gibt nur unterschiedliche Werte des Anregungssignals und des Reaktionssignals wieder. Die Steigung gibt nicht Änderungen von Konzentrationen wieder, da die betreffenden Messzeitpunkte t1 und t2 ausreichend nahe beieinander liegen, um wesentliche Änderungen von Konzentrationen innerhalb des zeitlichen Abstands zwischen t1 und t2 aufzulösen. The differences stem from different specifications of the control for the two times t1 and t2. These presets become directly into different values 150 . 152 of the excitation signal A and lead to different values 160 . 162 of the response signal R. The slope of the line 180 , the quotient of the differences 170 to 172 corresponds, only reflects different values of the excitation signal and the response signal. The slope does not reflect changes in concentrations because the respective measurement times t1 and t2 are sufficiently close together to resolve significant changes in concentrations within the time interval between t1 and t2.

Die 2 zeigt als Blockschaubild eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung 200. Diese umfasst einen Anschluss 205 mit elektrischen Kontakten, an den ein Sensorelement 207 angeschlossen werden kann. Das Sensorelement ist nicht Teil der dargestellten Ausführungsform und ist daher gestrichelt dargestellt. Abgas 210 wird an dem Sensor 207 vorbeigeleitet, um die Vorrichtung in die Lage zu versetzen, über den Anschluss 205 mindestens eine Gaskomponente im Abgas 210 zu ermitteln. Hierzu umfasst der Sensor 207 eine Messkammer 208, zu der ein Kanal 209 führt, welcher mit dem Abgas 210 verbunden ist. Elektroden 206 sind an der Messkammer angeordnet und bilden mit einem Abschnitt 206' des Festelektrolyts des Sensors 207 eine Nernstzelle. Die Vorrichtung 200 umfasst ferner eine Regelung 220 mit einem Signalgenerator 230. Dieser erzeugt das Anregungssignal und leitet dieses über eine Messvorrichtung 250 an den 205 weiter. Der Signalgenerator 230 erzeugt das Anregungssignal als Spannung; der Signalgenerator 230 ist als Spannungsquelle vorgesehen. Die Messeinrichtung 250 erfasst den Strom, der zwischen Signalgenerator 230 und Anschluss 205 fliesst. Die Messeinrichtung 250 arbeitet als Strommessvorrichtung. Die Messeinrichtung 250 hat einen Ausgang 252, an dem das Reaktionssignal als den von der Messeinrichtung 250 erfassten Strom abgegeben wird. Die Regelung 240 hat ferner einen Signalausgang 240 zur Abgabe eines Konzentrationswerts. Eine Rückführung des Reaktionssignals und Auswertung des Reaktionssignals gegenüber des Regelziels ist nicht dargestellt.The 2 shows a block diagram of an embodiment of the device according to the invention 200 , This includes a connection 205 With electrical contacts to which a sensor element 207 can be connected. The sensor element is not part of the illustrated embodiment and is therefore shown in dashed lines. exhaust 210 will be on the sensor 207 bypassed to enable the device to pass over the port 205 at least one gas component in the exhaust gas 210 to investigate. For this purpose, the sensor includes 207 a measuring chamber 208 to which a channel 209 leads, which with the exhaust gas 210 connected is. electrodes 206 are arranged on the measuring chamber and form with a section 206 ' the solid electrolyte of the sensor 207 a Nernst cell. The device 200 also includes a regulation 220 with a signal generator 230 , This generates the excitation signal and conducts it via a measuring device 250 to the 205 further. The signal generator 230 generates the excitation signal as a voltage; the signal generator 230 is intended as a voltage source. The measuring device 250 Captures the current between the signal generator 230 and connection 205 flows. The measuring device 250 works as a current measuring device. The measuring device 250 has an exit 252 in which the reaction signal as that of the measuring device 250 collected electricity is delivered. The regulation 240 also has a signal output 240 to give a concentration value. A feedback of the reaction signal and evaluation of the reaction signal with respect to the control target is not shown.

Die Vorrichtung 200 umfasst eine mit dem Ausgang 250 verbundene Berechnungseinheit 260, die das Reaktionssignal von der Messeinrichtung 250 erhält. Die Berechnungseinheit 260 ist mit dem Anschluss 205 verbunden oder zumindest eingerichtet, um Werte des Reaktionssignals und des Anregungssignals zu erhalten. The device 200 includes one with the output 250 connected calculation unit 260 that the reaction signal from the measuring device 250 receives. The calculation unit 260 is with the connection 205 connected or at least configured to obtain values of the response signal and the excitation signal.

Die Berechnungseinheit 260 ist eingerichtet, die Differenzen von Werten des Reaktionssignals und des Anregungssignals zu bilden. Die Werte sind Signalwerte für unterschiedliche Zeitpunkte der Werterfassung. Die Berechnungseinheit 260 ist ferner eingerichtet, aus den Differenzen einen Quotienten zu bilden. Die Berechnungseinheit 260 umfasst eine Zuordnung 270, beispielsweise als Formel einschliesslich Parametern ausgebildet, die Quotentenwerte auf Temperaturwerte abbildet. Die Temperaturwerte oder der Quotient oder eine ander funktionell mit dem Quotienten zusammenhängende Zwischengröße werden an einem Ausgang 290 der Vorrichtung 200 ausgegeben. The calculation unit 260 is arranged to form the differences of values of the response signal and the excitation signal. The values are signal values for different time points of the value acquisition. The calculation unit 260 is also set up to form a quotient from the differences. The calculation unit 260 includes an assignment 270 , For example, formed as a formula including parameters that maps quotient values to temperature values. The temperature values or the quotient or another functionally associated with the quotient intermediate size are at an output 290 the device 200 output.

Zur Speicherung der Werte eines Zeitpunkts umfasst die Berechnungseinheit 260 einen Lese-/Schreibspeicher 280. Dieser dient als Puffer, um Werte einer früheren Messung zwischenzuspeichern, bis weitere Werte für einen neuen Zeitpunkt vorliegen, so dass die Differenz gebildet werden kann. Die Zuordnung 270 bzw. deren Darstellung als Parameter und der Speicher 280 können von der gleichen Speichereinrichtung vorgesehen sein. The calculation unit includes for storing the values of a time 260 a read / write memory 280 , This serves as a buffer to buffer values from a previous measurement until further values are available for a new time, so that the difference can be formed. The assignment 270 or their representation as parameters and the memory 280 may be provided by the same storage device.

Die Vorrichtung bzw. die Berechnungseinheit oder kann eine Mittelungsvorrichtung (nicht dargestellt) aufweisen. Diese kann zur Zwischenspeicherung von Einzelwerten mit dem Lese-/Schreibspeicher 280 verbunden sein und kann eingerichtet sein, gemittelte Werte aus den Einzelwerten zu bilden und diese in dem Lese-/Schreibspeicher 280 abzulegen. Die Regelung kann einheitlich mit der Berechnungseinheit ausgebildet sein. The device or the calculation unit or may have an averaging device (not shown). This can be used to buffer individual values with the read / write memory 280 and can be arranged to form averaged values from the individual values and these in the read / write memory 280 store. The control can be designed uniformly with the calculation unit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6468478 B1 [0003]

Claims

Method for determining a concentration of at least one gas component in the exhaust gas ( 210 ) of an internal combustion engine by means of a sensor element ( 207 ) and for determining a temperature of the sensor element or a variable derived therefrom, wherein an active signal measurement is carried out, in which the sensor element ( 207 ) is applied to an excitation signal A and an associated reaction signal R is detected, wherein the excitation signal and / or the reaction signal on the sensor element ( 207 ) to be detected concentration of at least one of the gas components, characterized by the following steps: a) determining values of the excitation signal A (t1) and A (t2) for two different times t1 and t2; b) determining values of the response signal R (t1) and R (t2) for these times t1 and t2; c) calculating an impedance or admittance as a quotient of two differences, one corresponding to the difference between the values of the excitation signal A (t1) and A (t2), and the other of the difference between the values of the reaction signal R (t1) and R ( t2), the temperature being determined on the basis of the calculated quotients on the basis of a predetermined association between the quotient and the temperature.

Method according to Claim 1, in which either the excitation signal A is a current signal with which the sensor element ( 207 ) is applied and the reaction signal R is a voltage signal at the sensor element ( 207 ) drops when applied to the current signal, or the excitation signal A is a voltage signal with which the sensor element ( 207 ) is applied and the reaction signal R is a current signal at the sensor element ( 207 ) flows when supplied with the voltage signal.

Method according to one of the preceding claims, wherein the values ( 50 . 52 ) of the excitation signal A and the values of the reaction signal ( 60 . 62 ) are detected when the excitation signal and / or the response signal undergo a significant change ( 30 ), with the time t1 before the change and the time t2 after the change.

Method according to one of the preceding claims, wherein in order to determine the values ( 50 . 52 ) of the excitation signal A and the values ( 60 . 62 ) of the reaction signal R for the time t1 and for the time t2 in each case a plurality of individual values ( 22a D) of the excitation signal A and of the reaction signal R, which in each case belong to one of the values ( 22 ) be combined.

Method according to claim 4, wherein a plurality of individual values ( 22a -D) of the excitation signal A and of the reaction signal R for the time t1 and for the time t2 respectively to one of the values ( 22 ) are combined by an arithmetic or geometric averaging or a comparable averaging, wherein the plurality of individual values are determined for a first period associated with the time t1, and for a second period ( 70 ), which is associated with the time t2, in particular in that the time t1 lies in the first time period and the time t2 lies in the second time period.

Method according to one of the preceding claims, wherein the steps a), b) and c) are repeated for a plurality of successive times t1 and t2.

Method according to one of the preceding claims, wherein the times t1 and t2 are spaced apart by a time duration which is greater than a charge balancing constant ( 40 ) of the sensor element and / or which is smaller than a gas compensation time constant of the sensor element.

Method according to one of the preceding claims, wherein the excitation signal is provided in accordance with a regulation and the regulation has the aim of determining the sensor element ( 207 ) with a constant operating parameter, such as a constant ion flow within a solid electrolyte of the sensor element.

Method according to one of the preceding claims, wherein the excitation signal A is provided in accordance with a regulation and the regulation has the aim of detecting the sensor element ( 207 ) with a constant operating parameter, such as a constant Nernst voltage at the Nernst cell of a sensor element.

Device for determining a concentration of at least one gas component in the exhaust gas ( 210 ) of an internal combustion engine by means of a sensor element ( 207 ) and for determining a temperature of the sensor element ( 207 ) or a variable derived therefrom, the device comprising: a connector ( 205 ) for the sensor element ( 207 ); a regulation ( 220 ) with a signal generator ( 230 ) for generating an excitation signal A, wherein the control ( 220 ) a signal output ( 240 ) arranged to deliver a concentration value representing the concentration; a measuring device ( 250 ) for measuring a reaction signal R, the sensor element ( 207 ) when excited by the excitation signal A; a calculation unit ( 260 ) arranged to determine a difference of values of the excitation signal at different times t1 and t2 and to determine a difference of values of Reaction signal at these times t1 and t2, wherein the calculation unit ( 260 ) is further arranged to form a quotient of these differences, and an assignment ( 270 ), which assigns a temperature of the sensor element to the calculated quotient, wherein the calculation unit is additionally set up to determine this temperature as a temperature value at an output ( 290 ) of the device ( 200 ).

Apparatus according to claim 10, wherein the apparatus further comprises a read / write memory ( 280 ) arranged to store the values of the excitation signal A and the response signal R at the different times, wherein the read / write memory ( 280 ) is connected to the calculation unit, whereby the calculation unit is able to read the values of the excitation signal A and of the reaction signal R for at least one of the times and preferably the earlier of the two times t1 and t2 from the read / write memory (FIG. 280 ).