DE19838334A1 - Diagnoseeinrichtung für eine potentiometrische elektrisch beheizte Abgassonde zur Regelung von Verbrennungsprozessen - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird eine Diagnoseeinrichtung für eine potentiometrische, elektrisch beheizte Abgassonde zur Regelung von Verbrennungsprozessen mit periodischem Wechsel der Zusammensetzung des verbrennenden Kraftstoff/Luft-Gemisches zwischen Sauerstoffmangel und Sauerstoffüberschuß, wobei das Sondensignal im fehlerfreien Sondenbetrieb zwischen einem ersten Bereich hoher Signalwerte (Sauerstoffmangel) und einem zweiten Bereich niedriger Signalwerte (Sauerstoffüberschuß) wechselt, die durch einen dritten Wertebereich getrennt sind und wobei die Diagnoseeinrichtung eine Fehlermeldung ausgibt, wenn das Sondensignal länger als eine vorgegebene Höchstdauer innerhalb des dritten Bereiches liegt und wobei ein Fehlersignal auch dann ausgegeben wird, wenn innerhalb der vorgegebenen Höchstdauer Änderungen des elektrischen Heizstroms aufgetreten sind und das Sondensignal den dritten Bereich innerhalb der genannten Höchstdauer nach der Änderung des Heizstroms vorübergehend verlassen hat.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Diagnose einer potentiometrischen, elektrisch beheizten Abgassonde zur Regelung von Verbrennungsprozessen mit periodischem Wechsel zwischen Verbrennungen mit Sauerstoffmangel und Sauerstoffüberschuß. Eine potentiometrische elektrisch beheizte Abgassonde ist beispielsweise aus der DE OS 29 37 048 (US-43 10 401) bekannt. Diese Sonde wird zur Regelung von Verbrennungsprozessen, beispielsweise in Heizungsanlagen oder in Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge verwendet. Für Kraftfahrzeuge fordern die Gesetzgeber verschiedener Länder die On Board Überwachung aller abgasrelevanten Bauteile. Ein Fehler, der zu einer Abgasverschlechterung führt, muß erkannt und über eine Fehlerlampe angezeigt werden. In diesem Umfeld betrifft die Erfindung insbesondere die Diagnose aller elektrischen Fehler der Abgassonde in deren Betrieb. Als elektrische Fehler kommen insbesondere Kurzschlüsse der elektrischen Anschlußleitungen der Sonde, wie Kurzschluß zur Batteriespannung, Kurzschluß zur Masse, Kabelbruch usw. in Frage.

Die Regelung von Verbrennungsprozessen erfolgt vielfach mit einer sogenannten Zweipunkt-Regelstrategie. Dabei unterscheidet eine Sonde, die dem Abgas des Verbrennungsprozesses ausgesetzt ist, zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Abgas. Bei sauerstoffreichem Abgas wird das Kraftstoff/Luftgemisch, das dem Verbrennungsprozess zugeführte wird, mit Kraftstoff angereichert, bis das resultierende Abgas sauerstoffarm wird. Anschließend erfolgt eine Gemischabmagerung durch Verringerung der Kraftstoffzufuhr bis zum Auftreten von Sauerstoffüberschuß im Abgas. Auf diese Weise wird die Zusammensetzung des verbrennenden Kraftstoff/Luftgemisches zwischen Sauerstoffmangel und Sauerstoffüberschuß periodisch variiert. Dabei wechselt das Sondensignal im fehlerfreien Sondenbetrieb zwischen einem ersten Bereich hoher Signalwerte (Sauerstoffmangel) und einem zweiten Bereich niedriger Signalwerte (Sauerstoffüberschuß) hin und her. Beide Bereiche sind durch einen dritten Wertebereich getrennt, der im fehlerfreien Sondenbetrieb jeweils beim Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich sehr schnell durchlaufen wird. Eine bekannte Sondendiagnose sieht vor, eine längere Verweilzeit des Sondensignals im genannten dritten Bereich als Fehler zu werten, da dieses Verhalten typisch für elektrische Fehler wie Brüche in den Signal- und Masseleitungen zwischen Sonde und Regelgerät sind. Diese Diagnose hat sich bei bestimmten Sondentypen als äußerst zuverlässig erwiesen, bei anderen Sondentypen dagegen Schwächen gezeigt. Insbesondere sind bei planaren Lambda = 1-Sonden, wie sie aus der DE OS 29 37 048 bekannt sind, Kabelbrüche in Versuchsbetrieb nicht mit ausreichender Sicherheit erkannt worden.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine zuverlässige Diagnose elektrischer Fehler bei Sonden des aus der DE OS 29 37 048 bekannten Typs vorzustellen.

Diese Aufgabe wird mit der Merkmalskombination des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die beobachteten Probleme bei der planaren Lambda = 1-Sonde mit der Anordnung des Sondenheizers und der Meßelektroden auf einem planaren Chip zusammenhängen. In bestimmten Betriebszuständen kann es dabei vorkommen, daß zwischen Sondenheizung und der Nernstzelle der Sonde unerwünschte Einkoppelwiderstände und Einkoppelkapazitäten auftreten. Die Nernstzelle wird vom Festelektrolyten mit den Elektroden, die einerseits dem Abgas und andererseits einem Referenzgas, bspw. Luft, ausgesetzt sind. Die Sondenspannung liegt dabei im plausiblen Spannungsbereich, das heißt außerhalb des oben genannten dritten Bereichs, und kann daher als Fehler von der bekannten Sondendiagnose nicht erfaßt werden. Als Folgefehler besteht die Gefahr, daß die oben beschriebene Regelung des Kraftstoffluftgemisches das Kraftstoffluftgemisch soweit abmagert, bis Zündaussetzer auftreten. Im Extremfall kann dadurch ein bei Kraftfahrzeugen verwendet er Katalysator verglühen und das Fahrzeug selbst abbrennen. Bereits vorher bewirkt eine solche Gemischabmagerung eine deutliche und spürbare Verschlechterung im Fahrverhalten. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit einer zusätzlichen Funktionserweiterung in der elektrischen Sondendiagnose auch bei planaren Sonden alle vorkommenden Fehler zuverlässig erfaßt werden können, so daß die oben genannten Fehler und Verschlechterungen nicht mehr auftreten.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug auf die Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung.

Fig. 2 Verläufe des Sondensignals über der Zeit mit und ohne Fehler dar.

Fig. 3 offenbart Einflüsse des Heizstroms auf das Sondensignal.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form von Funktionsblöcken.

Die Ziffer 1 in der Fig. 1 stellt das Ersatzschaltbild einer elektrisch beheizten Abgassonde dar. Dabei symbolisiert die Ziffer 1.2 die Urspannung der Sonde, die Ziffer 1.3 deren Innenwiderstand, die Ziffer 1.4 eine elektrische Heizung, die Ziffer 1.5 einen steuerbaren Schalter in der Stromversorgung der Heizung. Heizung und Sonde sind im Idealfall elektrisch voneinander getrennt. Im realen Fall einer engen Nachbarschaft von Sondenheizung und Sondensignalerzeugung besteht zwischen der Sondensignalerzeugung - symbolisiert durch die Ziffern 1.2 und 1.3 - und der Sondenheizung eine unerwünschte resistive und kapazitive Kopplung, was durch die Ziffern 1.7 und 1.6 symbolisiert wird. Die Ziffer 1.8 deutet eine mögliche Unterbrechung der Sondensignalleitung und die Ziffer 1.9 eine mögliche Unterbrechung der Sondenmassenleitung an. Die Ziffer 2 bezeichnet ein Steuergerät, daß die erfindungsgemäße Diagnoseeinrichtung 2.3 eine Sondenbetriebsbereitschaftserkennung 2.4, einen Regler 2.5, eine Heizungsteuerung 2.6, sowie eine Sondensignalaufbereitungsschaltung in Form einer Gegenspannungsquelle 2.1 und eines Widerstandes 2.2. aufweist. Daneben weist das Steuergerät üblicherweise weitere Funktionen auf, beispielsweise zur Steuerung von Zündung, Abgasrückführung, Tankentlüftung usw. bei Verbrennungsmotoren. Diese Funktionen sind für das Verständnis der Erfindung ohne Bedeutung und wurden daher bei der Darstellung weggelassen. Der Diagnoseblock 2.3 steuert gegebenenfalls die Fehlerlampe 3 an. Eine Sensorik liefert der Betriebsbereitschaftserkennung und dem Regler Signale über die Betriebsbedingungen des Verbrennungsprozesses, und der Regler formt daraus Ansteuersignale für Stellglieder 5, beispielsweise für die Kraftstoffeinspritzventile eines Verbrennungsmotors.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Sondenspannung US. Im kalten Zustand ist der Innenwiderstand Ri der Sonde sehr hochohmig, so daß die Sondenspannung US vom Wert der Gegenspannungsquelle 2.1, beispielsweise 450 Minivolt, dominiert wird. Dies entspricht dem Sondensignalverlauf am linken Rand der Fig. 2. Nach einer Erwärmung der Sonde auf ca. 300 Celsius verläßt die Sondenspannung zum Zeitpunkt t1 den Wertebereich zwischen der unteren Schwelle USREM und der oberen Schwelle USREF, was die Betriebsbereitschaftserkennung 2.4 als Zeichen für eine betriebsbereite Sonde wertet. Bei betriebsbereiter Sonde wird der Regler 2.5 eingeschaltet, und durch das Zusammenspiel von Regler, Regelstrecke und Sondencharakteristik stellt sich im Sondensignal ein periodischer Wechsel zwischen dem ersten Bereich hoher Signalwerte und dem zweiten Bereich niedriger Signalwerte ein. Beide Wertebereiche sind durch den dritten Wertebereich, der zwischen USREF und USREM liegt, getrennt. Bei der dargestellten Sonde kann durch die Diagnose eine Kabelbrucherkennung in der Signalleitung (1.8) eindeutig und zuverlässig erfaßt werden, wenn die Sondenspannung US zwischen der Fettschwelle USREF und der Magerschwelle USREM und damit auf der Gegenspannung für eine Verzugszeit TRSA liegt. Erfolgt jedoch bei der dargestellten Lambdasonde ein Kabelbruch der Sondenmasse (1.9), dann besteht zwischen dem Pluspol der Versorgungsspannung über den Sondenheizer 1.4, den Koppelwiderstand 1.7, die Koppelkapazität 1.6, den Gegenwiderstand 2.2 und die Gegenspannungsquelle 2.1 eine Verbindung nach Masse.

Wird bei diesem Fehlerfall die Sondenheizung über die Heizungssteuerung 2.6. mit einem bestimmten Tastverhältnis angesteuert, dann erhält man, wie die Erfinder erkannt haben, bis etwa Tabgas =700° Celsius zwischen Heizer und der Nernstzelle der Sonde einen Einkoppelkondensator 1.6. Dieser bewirkt, daß mit den Schaltflanken der Heizungsansteuerung Spannungsspitzen auf dem Sondensignal vorliegen, so daß die Schwellen USREF und USREM überschritten werden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Spannungsspitzen bewirken, daß bei einem Kabelbruch in der Sondenmasseleitung die Diagnosezeit T1 von etwa 5 Sekunden nicht ablaufen kann, da die Aktivierung des Zeitgliedes 4.3 (Zeit T1) immer wieder vor Ablauf der 5 Sekunden abgebrochen wird und dadurch ein Kabelbruch nach Sondenmasse nicht erkannt werden kann. Diese Spannungsspitzen von einer Zeitdauer von ca. 20 Millisekunden werden bei der erfindungsgemäßen Diagnose ausgeblendet. Dazu wird dann, wenn sich die Sondenspannung US innerhalb der Bandbreite zwischen den Schwellwerten USREM und USREF befindet, eine Bedingung B1 gesetzt, die erst dann zurückgesetzt wird, wenn das Sondensignal mindestens eine Zeit T2 von etwa 60 Millisekunden außerhalb der genannten Bandbreite war. Da aber die Sondenspannung nach Ablauf der Spannungsspitzen bereits nach ca. 20 Millisekunden wieder in der genannten Bandbreite ist, wird die Bedingung B1 nicht zurückgesetzt, so daß die Zeit T1 ablaufen kann. Nach Ablauf der Zeit T1 wird die Sondenbetriebsbereitschaft BBS zurückgesetzt und dem Kabelbruchfehler BKB gesetzt, was zur Ansteuerung der Fehlerlampe 3 führt. Umgekehrt wird bei einer guten Sonde ohne Kabelbruch innerhalb der genannten Bandbreite die Bedingung B1 immer gesetzt, aber nach dem Verlassen des Erkennungsbandes immer wieder nach Ablauf der Zeit T2 zurückgesetzt, so daß kein Kabelbruchfehler diagnostiziert werden kann. Eine mögliche Realisierung dieser Funktion ist in Fig. 4 dargestellt. Block 4.1 prüft, ob sich die Sondenspannung US innerhalb der genannten Bandbreite zwischen den Schwellwerten USREM und USREF befindet. Wenn dies der Fall ist, setzt Block 4.2 die Bedingung B1. Als Folge wird in Block 4.3 eine Zeitmessung ausgelöst. Bleibt die Bedingung B1 länger gesetzt, als eine vorbestimmte Zeit T1 andauert, wird dies als Signal für einen Kabelbruch gewertet und über den Block 4.4 die Fehlerlampe 3 eingeschaltet. Gleichzeitig wird über den Block 4.5 und über den Block 4.6 die Sondenbetriebsbereitschaft zurückgesetzt. Die Ausblendung der kurzzeitigen, durch die Heizung bedingten Störimpulse, erfolgt über die Blöcke 4.7, 4.8 und 4.9. Block 4.7 invertiert den Ausgang von Block 4.1. Mit anderen Worten: Block 4.7 löst eine Zeitmessung im Block 4.8 dann aus, wenn die Sondenspannung US die Bandbreite, die in Block 4.1 überprüft wird, verläßt. Bleibt das Signal länger als eine vorbestimmte Zeit T2 von beispielsweise 60 Millisekunden außerhalb der Bandbreite, wird im Block 4.9 die Bedingung B1 zurückgesetzt und damit die Zeitmessung im Block 4.3 abgebrochen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß im regulären Betrieb der Sonde die Zeitmessung im Block 4.3 immer wieder abgebrochen wird. Dies verhindert eine zu Unrecht erfolgende Kabelbruchmeldung. Bleibt das Sondensignal US jedoch auf Grund eines kurzzeitigen, durch die Heizung bedingten Störimpulses nur kurzzeitig außerhalb der Bandbreite, dann läuft die Zeit T2 nicht vor der Rückkehr der Sondensignals US in den Bereich USREM kleiner US, kleiner USREF ab. Folglich wird die Bedingung B1 beim Auftreten kurzzeitiger Störimpulse nicht zurückgesetzt und die Zeit T1 kann ablaufen.

Bei hohen Abgastemperaturen und damit verbundenen hohen Sondentemperaturen ist ein weiterer Effekt zu beachten. So erhält man oberhalb einer Abgastemperatur von 700° Celsius zwischen Heizer und Nernstzelle zusätzlich einen Einkoppelwiderstand 1.7 im Bereich von ca. 100 Kiloohm. Dieser bewirkt, daß die Sondenspannung US auch bei gebrochener Masseleitung im plausiblen Spannungsbereich oberhalb der Schwelle USREF liegt. Im regulären Betrieb der Sonde würde dies einem fetten, das heißt einem kraftstoffreichen Gemisch entsprechen. Als Folge tritt eine starke Gemischabmagerung über den Lambda-Regler auf. Daraus können Zündaussetzer resultieren, die eine Nachreaktion von unverbranntem Kraftstoff/Luftgemisch im Katalysator zur Folge haben. Die Temperatur des Katalysators kann dabei unzulässig hohe Werte annehmen. Um dies zu verhindern, ist eine schnelle Diagnose erforderlich, die den Lambda-Regler auf einen neutralen Wert setzt und damit eine unzulässige hohe Gemischabmagerung vermeidet. Dazu kann der aus der Sondenspannung US und bekannten Werten der Schaltung berechnete Innenwiderstand Ri der Sonde verwendet werden. Dieser steigt bei einem Kabelbruch steil an. Ist der Innenwiderstand ab einer Abgastemperatur von beispielsweise T_Abgas größer 600°C (Schwelle ABGT) größer als ein Schwellwert R1 von etwa 20 Kiloohm, wird eine Bedingung B2 gesetzt und die Sondenbetriebsbereitschaft BBS zurückgesetzt, sowie der Kabelbruchfehler BKB über die Fehlerlampe 3 angezeigt. Sollte der Kabelbruchfehler wieder beseitigt sein, wird der Innenwiderstand Ri wieder niederohmig, so daß bei einem Schwellwert R2 kleiner als ein Kiloohm die Bedingung B2 wieder zurückgesetzt und die Betriebsbereitschaft ebenfalls wieder zurückgesetzt und der Kabelbruchfehler nicht mehr zur Anzeige gebracht wird. Dies wird in der Fig. 4 durch die Blöcke 4.10 bis 4.14 realisiert. Die Abgastemperatur kann dabei aus einer in räumlicher Nähe zur Sonde gemessenen Temperatur bestimmt, oder aus Betriebskenngrößen des Verbrennungsprozesses modelliert werden.

Zusätzlich zur Erkennung der unterbrochenen Sondenmasse wird bei der planaren Sonde nach Einschaltung der Sondenheizung vorteilhafterweise berücksichtigt, daß eine hochohmige Einkopplung der Heizung auf die Nernst-Zelle die Sondenbetriebsbereitschaft nicht zu früh auslöst, wenn die Sonde noch kalt ist. Eine solche Einkopplung wird unterdrückt, indem über eine Verzugszeit T3 von etwa 6 Sekunden die Betriebsbereitschaftsmeldung der Sonde verzögert wird. In der Darstellung der Fig. 4 wird dies über die Blöcke 4.15 und 4.16 realisiert.

Claims (10)

1. Diagnoseeinrichtung für eine potentiometrische, elektrisch beheizte Abgassonde zur Regelung von Verbrennungsprozessen mit periodischem Wechsel der Zusammensetzung des verbrennenden Kraftstoff/Luft-Gemisches zwischen Sauerstoffmangel und Sauerstoffüberschuß wobei das Sondensignal im fehlerfreien Sondenbetrieb zwischen einem ersten Bereich hoher Signalwerte (Sauerstoffmangel) und einem zweiten Bereich niedriger Signalwerte (Sauerstoffüberschuß) wechselt, die durch einen dritten Wertebereich getrennt sind, wobei die Diagnoseeinrichtung eine Fehlermeldung ausgibt, wenn das Sondensignal länger als eine vorgegebene Höchstdauer innerhalb des dritten Bereiches liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fehlersignal auch dann ausgegeben wird, wenn innerhalb der vorgegebenen Höchstdauer Änderungen des elektrischen Heizstroms aufgetreten sind und das Sondensignal den dritten Bereich innerhalb der genannten Höchstdauer nach der Änderung des Heizstromes vorübergehend verlassen hat.

2. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich Werte von etwa 400 mV bis 600 mV umfaßt.

3. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstdauer 4 bis 10 Sekunden beträgt.

4. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorübergehende Verlassen des dritten Bereiches durch das Sondensignal innerhalb der genannten Höchstdauer nach einer Änderung des Heizstromes nicht länger als 100 ms dauert.

5. Diagnoseeinrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnoseeinrichtung bei hoher Sondentemperatur aus dem Sondensignal einen Wert für den Innenwiderstand des Sensors ermittelt und ein Fehlersignal ausgibt, wenn der so ermittelte Innenwiderstand einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet

6. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondentemperatur aus einer in räumlicher Nähe gemessenen Temperatur bestimmt oder aus Betriebskenngrößen des Verbrennungsprozesses modelliert wird.

7. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Wert größer 15 KOhm als ersten vorbestimmten Wert und Temperaturwerte größer 600°Celsius als hohe Temperaturwerte.

8. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal zurückgenommen wird, wenn der ermittelte Innenwiderstand einen zweiten vorbestimmten Wert unterschreitet.

9. Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Wert kleiner 3 KOhm als zweiten vorbestimmten Wert.

10. Diagnoseeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur On Board Diagnose von Abgassonden bei Kraftfahrzeugen.