DE2733524B2

DE2733524B2 -

Info

Publication number: DE2733524B2
Application number: DE2733524A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Okazaki Hattori; Takamichi Gamagori Nakase; Hiroaki Aichi Yamaguchi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1976-08-08
Filing date: 1977-07-25
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2733524C3; US4121548A; DE2733524A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung eines Verschlechtcrungszustandes oder Abnutzungszustandes und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungszustandes bzw. Leistungsabfalls eines Sauerstoffkonzentrationsmeßfühlers, der bei einer Rückkopplungssteuerung bzw. in einem geschlossenen Regelkreis zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses für eine Brennkraftmaschine Verwendung findet.

Es ist bekannt, zur Reinigung der von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgestoßenen Abgase (insbesondere CO, HC und NOx) einen Dreifach-Katalysator zu verwenden. Dieser Dreifach-Katalysator weist einen hohen Wirkungsgrad bzw. Reinigungs^faktor hinsichtlich der schädlichen Gasbestandteile CO, HC und NOx auf, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches nahe dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis liegt (Luftüberschußrate A=I), wie dies in Fig. 1 der Zeichnung durch einen gestrichelten Bereich veranschaulicht ist. Wenn daher ein solcher Dreifach-Katalysator zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine verwendet wird, ist es erforderlich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches genau derart zu steuern, daß es annähernd gleich dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem Ansaugsystem oder dem Auslaßsystem der Brennkraftmaschine ist. Zur Erfüllung dieser Forderung wurde die Verwendung einer Rückkopplungssteuerung bzw. eines geschlossenen Regelkreises zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses vorgeschlagen.

In einem solchen Rückkopplungssteuerkreis bzw. Regelkreis zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses dient ein aus einem Sauerstoffionen leitenden Metalloxyd wie etwa Zirkondioxyd bestehender Sauer-Stoffkonzentrationsmeßfühler (nachstehend vereinfacht als 02-Meßfühler bezeichnet) zur Feststellung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Gemäß der in F i g. 2 der Zeichnung dargestellten Kennlinie A gibt ein 02-Meßfühler dieser Art ein Signal des niedrigen Wertes »0« ab, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches höher als das stöchiometrische Luft/ Brennstoff-Verhältnis ist, da in diesem Falle Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist, während er ein Signal des hohen Wertes »1« abgibt, wenn das Luft/Brennstoff Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches unter dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis liegt, da in diesem Falle kein Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist Der Ausgangsspannungswert ändert sich nahe dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis (λ = 1) im wesentlichen sprungartig bzw. stufenartig. Da der 02-Meßfühler im Abgasstrom angeordnet ist, verschlechtern sich seine Ausgangskennwerte bzw. Ausgangskennlinie aufgrund des Niederschlags schädli-

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eher Abgasbestandtcile wie etwa Blei (Pb). Die Verschlechterung der Ausgangskennlinie führt im wesentlichen (1) zu einer Steigerung des Innenwiderstandes, (2) zu einer Abnahme der EMK und (3) zu einer Vergrößerung der Ansprechzeit. Wenn der Oz-Meßfühler erst einmal Schaden genommen hat, ir! eine genaue Rückkopplungssteuerung des LuI i/Brennstoff-Verhältnisses nicht mehr möglich, sondern das mittels der Rückkopplungssteuerung erhaltene Luft-Brennstoff-Verhältnis weicht in hohem Maße von einem angestrebten Luft/Brennstoff-Nennverhältnis ab, was, zu einem Leistungsahfall der Brennkraftmaschine führt

Die Verschlechterung der Ausgangskennwerte bzw. Ausgangskennlinie des O₂-Meßfühlers soll nachstehend im einzelnen analysiert werden.

1. Ansteigen des Innenwiderstandes:

Wenn ein Strom /Ί von einem O₂-Meßfühler zu einer Steuerschaltung fließt, ist die Ausgangsscheinspannung E' des O₂-Meßfühlers gemäß dem in Fig. 3 der ; Zeichnung dargestellten Ersatzschaltbild d-irch

E'= Ey. RiZ(R₀ + Ri)

gegeben, wobei Ro der Innen widerstand des O₂-MeBfOhlers, £seine EMK und /?,eine Eingangsimpedanz der die Ausgangsspannung des 02-Meßfühlers verarbeitenden Steuerschaltung sind. Wenn umgekehrt ein Strom /2 von der Steuerschaltung zu dem O₂-Meßfühler fließt, ist die Ausgangsscheinspannung des 02-Meßfühlers gemäß dem in F i g. 4 der Zeichnung dargestellten Ersatzschaltbild durch

E'= E+ R₀ χ i₂

gegeben. Wenn der Strom i_t von dem O₂-Meßfühler abgegeben wird, nimmt daher die Ausgangsspannung E' des O₂-Meßfühlers mit steigendem Innenwiderstand R₀ ab, wie dies durch die in Fig.2 der Zeichnung dargestellte Kennlinie B veranschaulicht ist, und das

•Luft/Brennstoff-Verhältnis weicht in den unteren Bereich (λ < 1; angereichert bzw. fett) ab. Wenn dagegen der Strom /₂ durch den OrMeßfühler fließt,

* steigt die Ausgangsspannung E mit steigendem Innenwiderstand Ro an, wie dies durch die in Fig.2 dargestellte Kennlinie C veranschaulicht ist, und das Luft-Brennstoff-Verhältnis weicht in den oberen Bereich (λ > 1; mager) ab.

2. Abnahme der EMK:

Wenn die EMK E des O₂-Meßfühlers kleiner wird, nimmt die Ausgangsspannung E' des O₂-Meßfühlers sowohl bei dem in Fig.3 als auch bei dem in Fig.4 dargestellten System ab, wie dies durch die Kennlinie B in F i g. 2 veranschaulicht ist, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis weicht in den unteren Bereich (λ<1; angereichert bzw. fett) ab.

3. Vergrößerung der Ansprechzeit:

Die Vergrößerung der Ansprechzeit des O₂-rvießfühlers umfaßt die Vergrößerung einer Ansprechzeit Tlr von dem mageren Bereich (Ausgangsspannung niedrigen Wertes) zum angereicherten bzw. fetten Bereich (Ausgangsspannung hohen Wertes) und die Vergrößerung einer Ansprechzeit Trl von dem angereicherten bzw. fetten Bereich zum mageren Bereich. Wenn sich die Ansprechzeit Tu- erhöht, zeigt das Luft/Brennstoff-Verhältnis eine Abweichung zur angereicherten bzw. fetten Seite (R), während es bei einer Vergrößerung der Ansprechzeit Trl eine Abweichung zur mageren Seite (I.) zeigt. Wie in Fig. 5 der Zeichnung dargestellt ist, weicht das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur angereicherten bzw. fetten Seite hin ab, wenn sich das Verhältnis TlrITrl der Ansprechzeit Tlr zu der Ansprechzeit Tri ; vergrößert. Wenn sich sowohl die Ansprechzeit Tlr als auch die Ansprechzeit Trl vergrößern, ändert sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis über einen weiten Bereich und kann Abweichungen über den in Fig. I gestrichelt dargestellten Bereich des stöchiojiietrischen Luft/

in Brennstoff-Verhältnisses hinaus aufweisen, in welchem ein hoher Reinigungsfaktor bzw. Reinigungswirkungsgrad erzielbar ist.

Aus den vorstehend genannten drei Faktoren läßt sich die Abnutzung bzw. der Verschlechterungszustand

ι > des O₂Meßfühlers bestimmen. In diesem Falle kann der Verlauf der Ausgangsspannung des CVMeßfühlers zur Bestimmung des Abnutzungsgrades bzw. Verschiechterungszustapdes dienen. Das Ausgangssignal eines normalen O₂-Meßfühlers ist in Fig.6 der Zeichnung

.Ό durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht und weist ein Tastverhältnis d₂ auf, das durch k/T₂ gegeben ist Außerdem ist in Fig.6 das Ausgangssignal eines O₂-Meßfühlers, der derart Schaden genommen hat, daß er eine Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur mageren Seite hin verursacht, durch eine ausgezogene Linie dargestellt und weist ein Tastverhältnis d% auf, das durch fi/Ti definiert ist. Wenn T, = T₂ ist, ist das Tastverhältnis d\ größer als das Tastverhältnis d₂. Umgekehrt ist das Tastverhältnis d\ eines O₂-MeBfOh-

m lers, der die Neigung zeigt, Abweichungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur angereicherten bzw. fetten Seite hin zu verursachen, kleiner als das Tastverhältnis d₂, vorausgesetzt, daß 71 = T₂ ist. Da somit die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung

J5 des OrMeßfühlers und dem Tastverhältnis derart ist, daß sich das Tastverhältnis vergrößert, wenn die Ausgangsspannung ansteigt, läßt sich der Abnutzungszustand bzw. Verschlechterungszustand des O₂-MeB-fühlers durch Messung des Tastverhältnisses d des Ausgangssignals des O₂-Meßfühlers bestimmen. Wenn sich das allgemeine Ansprechverhalten des 02-Meßfühlers verschlechtert hat, ist die Periode T des Ausgangssignals größer geworden. Dementsprechend läßt sich der Abnutzungszustand bzw. Verschlechterungszustand des O2-Meßfühlers durch Messung der Periode Tbestimmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der der Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand eines O2-Meßfühlers überprüfbar und feststellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafterweise werden somit ein hinsichtlich seines Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszu-Standes zu überprüfender O₂-Meßfühler und ein Bezugsmeßfühler am gleichen Ort angebracht, wobei einer der Meßfühler in einem Rückkopplungssteuerungs- bzw. Regelungsbetriebszustand für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis gehalten wird und das Tastverhältnis der Ausgangssignale des zu prüfenden 02-Meßfühlers und des O2-Bezugsmeßfühlers zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes des geprüften 02-Meßfühlers miteinander verglichen werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden hierbei der Mittelwert des Tastverhältnisses der Ausgangssignale des im Prüfstand befindlichen OrMeßfühlers und der Mittelwert des Taslverhältnisses der

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Ausgangssignale des Oa-Bezugsmeßfühlers zur Bestimmung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes des zu prüfenden (VMeßfühlers miteinander verglichen.

Vorzugsweise verwendete Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend beschrieben.

Es zeigt

Fi g-1 in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis dargestellte Kennlinien des Reinigungsfaktors seines zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmafschine verwendeten Dreifach-Katalysators,
ί F i g. 2 Kennlinien des Ausgangssignals eines Sauer fstoffkonzentrations-Meßfühlers in Abhängigkeit von fdern Luft/Brennstoff- Verhältnis,

F i g. 3 und 4 Ersatzschaltbilder zur Veranschaulifchung von Betrieb und Wirkungsweise des Sauerstoffjkonzentrations-Meßfühlers,

F i g. 5 eine Kennlinie des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Ansprechzeit des Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlers,

F i g. 6 Signalverläufe, die Änderungen des Ausgangssignals des Saf'erstoffkonzentrations-Meßfühlers in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulichen,

Fig.7 eine schematische Darstellung, die den Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes eines Sauerstoffmeßfühlers veranschaulicht,

Fig.8 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß F i g. 7,

F i g. 9 ein Kennliniendiagramm, in dem zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß Fig.8 ein integriertes Ausgangssignal über einem Tastverhältnis aufgetragen ist,

Fig. 10 ein elektrisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß F i g. 7,

F i g. 11 ein elektrisches Schaltbild, das die Abtaststeuerschaltung gemäß Fig. 10 im einzelnen veranschaulicht,

Fig. 12 Signalverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise der Abtaststeuerschaltung gem. Fig. 11, und

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Mg. Ϊ3 ein tSIOCKSCnailLJIIU, UM raut uimi. nu«uu

rungsform der Vorrichtung gemäß Fig.7 veranschaulicht.

Die nachstehende Beschreibung vorzugsweise verwendeter Ausführungsforinen der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 13. In der den Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulichenden Fig.7 ist die Verwendung eines O₂-Meßfühlers zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses für eine Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die Bezugszahl 1 die Brennkraftmaschine, die Bezugszahl 2 eine Auslaßleitung der Brennkraftmaschine 1, die Bezugszahl 3 ein Auslaßrohr, die Bezugszahl 4 einen OrBezugsmeßfühler, die Bezugszahl 5 einen zu prüfenden O₂-Meßfühler, die Bezugszahl 6 einen Dreifach-Katalysator, die Bezugszahl 7 eine Steuereinheit zur Verarbeitung des Ausgangssignals des zu prüfenden O₂-Meßfühlers 5 zur Steuerung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisse? des Luft-Brennstoffgemisches in einem Ansaugsystem oder einem Auslaßsystem und die Bezugszahl 8 einen Detektor zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes des zu prüfenden (^Meßfühlers 5 durch Vergleich der Ausgangssignale des O₂-Bezugsmeßfühlers 4 und des zu prüfenden O₂-Meßfühlers 5 bezeichnen, fm Rahmen dieses Aufbaus sind der O₂-Bezugsmeßfühler 4 und der zu prüfende O₂-Meßfühler 5 am Auslaßrohr 3 im wesentlichen am gleichen Ort angeordnet. Ein möglicher Aufbau des den O₂-Meßfühler 5 einbeziehenden Rückkopplungssteuersystems bzw. Regelkreises ist bereits bekannt und soll daher nicht weiter erläutert werden.

Einzelheiten des den Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand erfassenden Detektors 8 sind in

ι» Fig.8 veranschaulicht, wobei die Bezugszahl 8a eine Konstantspannungsschaltung, die Bezugszahlen 8b und :8t/Luft/Brennstoffverhältnis/Unterscheidungsschaltungen, die die Ausgangsspannungen des O₂-Bezugsmeßfühlers 4 und des zu prüfenden O₂-Meßfühlers 5 formen, die Bezugszahlen 8cund Se Integrationsschaltungen, die die Tastverhältnisse mittels der geformten Spannungen messen, die Bezugszahl 8/" eine Differenzverstärkerschaltung, die eine Differenz zwischen den Tastverhältnissen mittels der von den Integrationsschaltungen Sc und Se erhaltenen Spannungen mißt, die Bezugszahlen Sg und Sh Detektorschaltungen, die Abweichungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mittels der von der Differenzverstärkerschaltung Si erhaltenen Spannung erfassen, und die Bezugszahl Si eine logische Bestimmungsschaltung, die den Abnutzungsgrad bzw. die iLeistungsverschlechterung des im Prüfzustand befindlichen C>2-Meßfühiers 5 mittels der von den die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltungen Sg und Sh erhaltenen

M) Spannungen feststellt, bezeichnen. Eine Lampe 800, mittels der eine Warnanzeige des Verschlechterungszustandes erhalten wird, ist mit der logischen Bestimmungsschaltung 8/ verbunden.
Die Konstantspannungsschaltung 8a weist Kondensa-

Vj toren 53 und 54 sowie einen Spannungsregler 55 auf und gibt eine Konstantspannung VO-ab.

Die Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung Sb besteht aus Widerständen 10, 11 und 12 sowie einem Vergleicher 13 und legt durch die mittels der Widerstände 11 und J2 erfolgende Spannungsteilung eine dem stöchiomeirischen I uft/Brennstoif-Verhältnis entsprechende Bezugsspannung V₃ fest. Diese Bezugsspannung wird dem invertierenden Eingangsanschiuß (-) des Vergleichen i3 zugeführt, während die

Ausgangsspannung des O₂-Bezugsmeßfüh!ers 4 dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß ( + ) des Vergleichers 13 über den Widerstand 10 zugeführt wird. Die Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltungeö gibt daher ein Spannungssignal des Wertes »1« ab, wenn

das Luft/Brennstoff-Verhältnis niedrig (fett) ist, was bedeutet, daß kein Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist, während ein Spannungssignal des Wertes »0« abgegeben wird, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis hoch (mager) und Sauerstoff in den Abgasen vorhanden ist

Die Integrationsschaitung 8c besteht aus einer Diode 18, Widerständen 19,21 und 22, Kondensatoren 20 und 23 sowie einem Operationsverstärker 24 und integriert das von der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung Sb abgegebene Spanmingssignal des Wertes »1«. Die am Ausgang des als Spannungsfolgerschaltung wirkenden Operationsverstärkers 24 abgegebene integrierte Spannung Vt ist im wesentlichen proportional dem Tastverhältnis d der Ausgangsspan-

nung des O₂-Bezugsmeßfühlers 4, was in Fig.9 veranschaulicht ist.

Die Luft/Brennsloffverhältnis-Untcrscheidungsschalfung Sd besteht aus Widerständen 14,15 und 16 sowie

einem Vergleicher 17. Ähnlich wie bei der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung Sb wird die Ausgangsspannung des geprüften O₂-Meßfühlers 5 über den Widerstand 14 dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Vergleichers 17 zugeführt, während die Bezugsspannung V_a dem invertierenden Eingangsanschluß zugeführt wird, so daß in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des geprüften 02-Meßfühlers 5 ein ₄Spannungssignal entweder des Wertes »1« oder des 'Wertes »0« abgegeben wird.

Die Integrationsschaltung Se besteht aus einer Diode 25, Widerständen 26,28 und 29, Kondensatoren 27 und i30 sowie einem Operationsverstärker 31 und integriert /das von der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung Sd abgegebene Spannungssignal des ,jWertes »1«. Die abgegebene integrierte Spannung V₂ ist "daher im wesentlichen proportional dem Tastverhältnis fdder Ausgangsspannung des O₂-Meßfühlers 5, wie dies in F i g. 9 dargestellt ist.

Die Differenzverstärkerschaltung 8/ besteht aus Widerständen 32, 33, 34 und 35 sowie einem Operationsverstärker 36, wobei die Widerstandswerte /der Widerstände 32 und 34 gleich sind und auch die Widerstände 33 und 35 gleiche Widerstandswerte aufweisen. Der Verstärkungsfaktor K der Differenzverstärkerschaltung 8/ ist somit durch K = Widerstandswert des Widerstands 33 geteilt durch den Widerstandswert des Widerstandes 32 gegeben, so daß sich durch die Differenzverstärkung der beiden integrierten Spannungen Vi und V₂ mit dem Verstärkungsfaktor K eine

Ausgangsspannung ergibt, die gleich '_Ί' + K/V\ - V₂)

Die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung Sg besteht aus Widerständen 37,38 und 39 sowie einem Vergleicher 40 und legt mittels der Widerstände 38 und 39 eine Bezugsspannung V_L fest, die für die Feststellung verwendet wird, daß ein sich aus der Rückkopplungssteuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mittels des im Prüfzustand befindlichen O₂-Meßfühlers 5 ergebendes Luft/Brennstoff-Steuerverhältnis eine Tendenz zur Abmagerung aufweist. Die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung Sh weist dagegen Widerstände 41, 42 und 43 sov/ie einen Vergleicher 44 auf und legt mittels der Widerstände 42 und 43 eine Bezugsspannung Vr fest, die für die Feststellung verwendet wird, daß das von dem im Prüfzustand befindlichen O₂-Meßfühler 5 gesteuerte Luft/Brennstoff-Verhältnis eine Tendenz zur Anreicherung aufweist.

Es sei nun angenommen, daß das Tastverhältnis dder Ausgangsspannung des O₂-Bezugsmeßfühlers 4 den Wert 0,7 aufweist, daß bei Überschreiten des Wertes 0,9 des Tastverhältnisses d der Ausgangsspannung des O₂-Meßfühlers 5 die Feststellung erfolgt, daß der O₂-Meßfühler 5 einen ein hohes (mageres) Luft/Brennstoff-Verhältnis herbeiführenden Abnutzungsgrad bzv/. Verschlechterungszustand aufweist und daß bei Unterschreiten des Wertes 0,5 des Tastverhältnisses d der Ausgangsspannung des O₂-Meßfühlers 5 die Feststellung erfolgt, daß der O₂-Meßfühler 5 einen ein niedriges (fettes) Luft/Brennstoff-Verhältnis herbeiführenden Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand aufweist. Außerdem sei angenommen, daß die integrierte Spannung Vj gleich der Spannung Va ist, wenn das Tastverhältnis dder Ausgangsspannung des O₂-Bezugsmeßfühlers 4 den Wert 0,7 aufweist. Wenn sodann, wie

in Fi g. 9 dargestellt, die dem O₂-Meßfühler 5 zugeordnete integrierte Spannung V₂ größer als Va + Vo ist, weist der O₂-Meßfühler 5 einen Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungs- oder Schadzustand auf, der ein zu mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis ergibt, während, wenn die integrierte Spannung V₂ kleiner als Va - V₀ ist, der O₂-Meßfühler 5 einen Abnutzungsgrad oder Verschlechterungszustand aufweist, der ein zu fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis ergibt. Die Spannung Vb ist ίο eine konstante Spannung. Die von den Teilerwiderständen 38 und 39 der die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltung Sg bestimmte B?zugsspannung Vl wird daher auf den Wert

.J" — K ■ Vo während die von den Teilerwiderständen

42 und 43 der die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltung Sh bestimmte

I/

Bezugsspannung Vr auf den Wert % +K- V₀ festge-

legt wird.

Die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltungen Sg und Sh können somit den Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand auf Grund des Tastverhältnisses d der Ausgangsspannung des O₂-Meßfühlers 5 bestimmen. Wenn das Tastverhältnis d des O₂-Meßfühlers 5 der Beziehung 0,5<d<0,9 genügt, geben beide Detektorschaltungen Sg und Sh Spannungssignale des Wertes »1« ab, die angeben, daß sich der O₂-Meßfühler 5 nicht in einem Verschlechterungszustand oder Schadzustand befindet. Wenn jedoch das Tastverhältnis ddes O₂-Meßfühlers 5 die Beziehung d>0,9 erfüllt, gibt die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung Sg ein Spannungssignal des Wertes »0« ab, während die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung 8A ein Spannungssignal des Wertes »0« abgibt, wenn das Tastverhältnis d des O₂-Meßfühlers 5 die Beziehung d<0,5 erfüllt, wodurch angezeigt wird, daß sich der O₂-MeB-

<fö fühler 5 in einem Schadzustand oder Verschlechterungszustand befindet.

Die logische Bestimmungsschaltung 8/ besteht aus Dioden 45, 46 und 47, Widerständen 48 und 49 sowie Transistoren 50 und 51. Wenn zumindest eine der die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltungen Sg und Sh ein Spannungssignal des Wertes »0« abgibt, sperrt der Transistor 50 und der Transistor 51 leitet, so daß die Lampe 800 aufleuchtet und eine Warnanzeige für den Schadzustand oder Verschlechterungszustand des geprüften 02-Meßfühlers 5 bildet.

Nachstehend soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 12 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugszahlen auch bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig.8 vorhandene gleiche Bauelemente. Der Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 10 und der ersten Ausführungsform gemäß Fig.8 besteht darin, daß der Aufbau der Integrationsschaltungen 8c und Se unterschiedlich ist, und daß eine Abtastschaltung Sj zur Steuerung der Integrationsschaltungen Sc und 8e sowie ein Meßgerät 810 zur analogen Anzeige des Schadzustandes bzw. Verschlechterungszustandes zusätzlich vorgesehen sind.

Eine erneute Beschreibung von Aufbau und Wirkungsweise der Konstantspannungsschaltung 8a, der Luft/ Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltungen Sb und Sd, der Differenzverstärkerschaltung Sf, der die

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Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltungen Sg und Sh sowie der logischen Bestimmungsschaltung 8/wird als entbehrlich angesehen.

Nachstehend soll unter Bezugnahme auf Fig. 11 zunächst die Abtaststeuerschaltung Sj näher beschrieben werden. Ein Anschluß a ist mit einer monostabilen Multivibratorschaltung verbunden, die aus einem Inverter 76, einem Widerstand 77, einem Kondensator 78 und einem NAND-Verknüpfungsglied SO besteht. Der monostabile Multivibrator erzeugt an einem Punkt h das in F i g. 12 unter (ti) dargestellte Signal, wenn die (in Fig. 12 unter (a) dargestellte) Ausgangsspannung der Luft/Brennstoff-Unterscheidungsschaltung Sb auf den Spannungswert »1« geschaltet wird.

Der monostabile Multivibrator ist mit einer Zählerschaltung verbunden, die aus NAND-Verknüpfungsgliedern 81,84 und 8ft, einem Zähler 83 sowie Invertern 85 'und 87 besteht. Das an den Knotenpunkt h gebildete Signal wird über das NAND-Verknüpfungsglied 81 als Taktimpuls weitergeleitet, der von dem Zahler 83 gezählt wird. Der Zähler 83 setzt die Zählung der Taktimpulse fort, bis sein Zählerstand einen vorgegebenen Zählwert ./Verreicht, woraufhin ein weiteres Zählen durch die NAND-Verknüpfungsglieder 81 und 84 verhindert wird. Dementsprechend tritt ein in Fig. 12 unter (1) dargestelltes Spannungssignal des Wertes »1« an einem Punkt 1 während des Zählbetriebs des Zählers 83 auf, während N Signale, die mit den in F i g. 12 unter (a) dargestellten Signalen identisch sind, an einem Anschluß e auftreten, wie dies in Fig. 12 unter (e) dargestellt ist

Ein Anschluß b ist mit einer monostabilen Multivibratorschaltung verbunden, die aus einem Inverter 72, einem Widerstand 73, einem Kondensator 74 und einem NAND-Verknüpfungsglied 75 besteht. Diese monostabile Multivibratorschaltung gibt an einem Knotenpunkt /das in F i g. 12 unter ßj dargestellte Signal ab, wenn die (in Fig. 12 unter (b) dargestellte) Ausgangsspannung der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung8tfauf den Spannungswert »1« geschaltet wird.

Diese monosiabile Mukivibratorschaltung ist mit einer Zählerschaltung verbunden, die aus NAND-Verknüpfungsgliedern 82,89 und 91, einem Zähler 88 sowie Invertern 90 und 92 besteht Das an dem Knotenpunkt i gebildete Signal wird über das NAND-Verknüpfungsglied 82 als Taktimpuls weitergeleitet, der von dem Zähler 88 gezählt wird. Wie im Falle des Zählers 83 ist der Zählbetrieb bzw. Zählvorgang des Zählers &3 auf den Zählwert N begrenzt, so daß an Anschlüssen m und /"jeweils die in Fig. 12 unter (m) und (I) da.gestellten Signale auftreten. Das an dem Anschluß /auftretende Signal ist mit dem dem Anschluß b zugeführten Signal identisch und besteht aus Λ/Signaümpulsen.

In F i g. 11 bezeichnet die Bezugszahl 93 einen Schalter, der mit einem aus NAND-Verknüpfungsgliedern 58 und 59 bestehenden Flip-Flop und einem aus NAND-Verknüpfungsgliedern 60 und 61 bestehenden Flip-Flop verbunden ist Der Schalter 93 leitet den Beginn des Zählbetriebs der Zähler 83 und 88 ein. Wenn der Schalter 93 geschlossen wird, nimmt die Spannung an dem Knotenpunkt j, dem über einen Widerstand 57 die Konstantspannung V_x zugeführt wird, den Wert »0« an, wie dies in Fig. 12 unter {#dargestellt ist. Das aus den NAND-Verknüpfungsgliedern 58 und 59 bestehende Flip-Flop und das aus den NAND-Verknüpfungsgliedern 60 und 61 bestehende Flip-Flop werden durch dieses Signal gesetzt, während der Zähler 83 von einer aus Invertern 62 und 66, einem Widerstand 63, einem Kondensator 64 und einem NAND-Verknüpfungsglied 65 bestehenden monostabilen Multivibratorschaltung und der Zähler 88 von einer aus Invertern 67 und 71, einem Widerstand 68, einem Kondensator 69 und einem NAND-Verknüpfungsglied 70 bestehenden monostabilen Multivibratorschaltung zurückgestellt werden. Da die vorstehend genannten beiden Flip-Flops durch die an den Knotenpunkten h und / anstehenden Signale

ι ο zurückgestellt werden, treten an den Anschlüssen c bzw. </die in Fig. 12 unter (c)bzw. (d)dargestellten Signale auf.

Die von der in F i g. 11 dargestellten Abtaststeuer-.schaltung 8y gesteuerten Integrationsschaltungen 8cund

is Se sind in Fig. 10 näher veranschaulicht. Die Integraitionsschaltung 8c besteht aus Analogschaltern 818 unf 825, Widerständen 819, 820 und 822, einem, Kondensator 821 und einem Operationsverstärker 823. Während der Anschluß c der Abtaststeuerschaltung Sj an dem Spannungswert »1« liegt, ist der Analogschalter 825 zur ^Entladung des Kondensators 824 geschlossen. Während sodann der Anschluß c an dem Spannungswert»1«liegt, ist der Analogschalter 818 geschlossen und leitet die Ausgangsspannung der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung Sb weiter. Das heißt, daß die von der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung Sb abgegebene Spannung des Wertes »1« jV-fach abgetastet wird und die abgetasteten Signale integriert werden. Die von der Integrationsschaltung 8c gebildete integrierte Spannung Vi ist daher der Dauer der über den Anaiogschalter 818 zugeführten Spannung des Wertes »1« proportional und weiterhin proportional zu einem Mittelwert des Tastverhältnisses des Ausgangssignals des O2-Bezugsnießfühlers4.

j5 Die Integrationsschaltung 8e besteht aus Analogschaltern 826 und 830. einem Widerstand 827, einem Operationsverstärker 828 und einem Kondensator 829. Wie im Falle der Integrationsschaltung 8c wird die von der Integrationsschaltung Se durchgeführte Integration von der Abtaststeuerschaltung Sj gesteuert und zwar derart, daß die integrierte Spannung V₂ einem Mittelwert des Tastverhältnisses des von dem geprüften 02-Meßfühler 5 abgegebenen Ausgangssignals proportional ist. Die Anzeige des Meßgerätes 810 entspricht einer DifferenzsⁿEnnun°^r zwischen den über die Widerstände 840 und 850 zugeführten beiden integrierten Spannungen Vi und V₂, so daß eine Analoganzeige des Ausmaßes der Abnutzung, Schadhaftigkeit oder Verschlechterung des O₂-Meßfühlers 5 im Verhältnis zu dem O₂- Bezugsmeßfühler 4 erhalten wird.

Anstelle der bei der ersten und zweiten Ausführungsform erfolgenden Analogerfassung der Abnutzung bzw. Verschlechterung des geprüften O₂-Meßitihlers 5 kann auch eine digitale Erfassung erfolgen. Ein hierfür geeignetes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 13 dargestellt, gemäß der Zählerschaltungen 8c' und Se' (z. B. CD 4040) von einem Taktgenerator 8p abgegebene Taktimpulse zählen, während die Ausgangsspannungen der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltungen Sb und Sd einen vorgegebenen Wert einhalten und eine Abtaststeuerschaltung 8/die /V-fache Wiederholung des vorstehend beschriebenen Vorgangs steuert. Ein Vergleicher Sq (z.B. CD 4063) vergleicht die Zählwerte A und B der Zählerschaltungen 8c'und Se' und gibt in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einen Subtraktionsbefehl (A-B) oder (B-A) an eine Subtrahierschaitung 8/'(z. B. CD 4008) ab. Die Subtrahierschaltung Sf bildet daher eine

Differenz von A-B, die eine Ableitung der Tastverhältnisse der beiden O₂-Meßfühler 4 und 5 darstellt. Die Differenz wird mittels einer Vergleichsschaltung Sr mit einem Bezugswert verglichen, der von einer Einstellschaltung Sn für eine Bezugsabweichung vorgegeben und zugeführt wird. Wenn die Abweichung den Bezugswert überschreitet, leuchtet die Lampe 800 auf und bildet eine Warnanzeige, die den Schadzustand bzw. Verschlechterungszustand des geprüften OrMeßfühlers 5 bezeichnet Außerdem wird die Differenz mittels einer ^Digital-Analog-Umsetzerschaltung 8s in eine Analogspannung umgesetzt und eine Analoganzeige des Ausmaßes der Schädigung bzw. Verschlechterung des Ö₂-Meßfühlers 5 durch das Meßgerät 810' erhalten. Eine Lampe 81 oder 8/n leuchtet in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Vergleichers 9q und der Differenz auf und zeigt an, ob der geprüfte O²-Meßfühler 5 einen Schad- oder Verschlechterungszustand aufweist, der ein angereichertes bzw. fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Folge hat, oder aber einen Schad- oder Verschlechterungszustand aufweist, der ein mageres Luft/ Brennstoff-Verhältnis verursacht.

Bei den vorstehend beschriebenen drei Ausführungsformen der Erfindung kann der Wert des Tastverhältnisses d zur Bestimmung des Abnutzungsgrades oder Schad- bzw. Verschlechterungszustands sowie der Erfassungsbereich je nach den Erfordernissen beliebig eingestellt werden. Die Abtastung des Tastverhältnisses kann erfolgen, während der C>2-Meßfuhler ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis erfaßt, und der Abnutzungsgrad oder Schad- bzw. Verschlechterungszustand des geprüften CVMeßfühlers läßt sich ermitteln, während der 02-Bezugsmeßfühler 4 im Luft/Brennstoffverhältnis-Rückkopplungszustand gehalten wird.

Die 02-MeßfühIer 4 und 5 müssen nicht notwendigerweise in dem Auslaßrohr 3 angebracht sein, sondern die Rückkopplungssteuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses läßt sich auch durchführen, indem ein Modellgas zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes verwendet wird.

Auch kann anstelle der bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendeten Oz-Meßfühler aus einem Sauerstoffionen leitenden Metalioxid wie •5 etwa Zirkondioxyd ein aus einem Übergangsmetalloxyd wie etwa Titandioxyd bestehender MeSfühler, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von den in den Abgasen enthaltenen Gasbestandteilen ändert, in ähnlicher Weise zur Feststellung des Abnutzungsgrades

ι ο bzw. Schadzustandes Verwendung finden.

Es wird somit eine Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw, Schadzustandes eines bei der Luft/Brennstoffverhältnis-Rückkopplungssteuerung für eine Brennkraftmaschine verwendeten Sauerstoffkon

!■5 zentrationsmeßfühlers vorgeschlagen, die einen in der Nähe des für die Luft/Brennstoffverhältnis-Rückkoppiungssteuerung verwendeten Sauerstoffkonzentrations- -meßfühlers angebrachten Sauerstoffkonzentrations-Be-"zugsmeßfühler und eine D< kih-uca· ·-^haltung bzw. iBestimmungsschaltung aufweist, die die lasUsn^A^ua-

Jse der Ausgangssignale der beiden Meßfühler zur

!Bestimmung eines Schadzustandes oder Verschlechte-

rungszustandes des Sauerstoffmeßfühlers miteinander vergleicht. Die Bestimmungsschalturg "te'!* einen Schad- oder Verschlechterungszustand fesi., wenn d ■· Tastverhältnis des geprüften Meßfühlers von dem Tastverhältnis des Ausgangssignals des Bezugsmeßfühjers um einen vorgegebenen Betrag abweicht. Hierzu setzt die Bestimmungsschaltung die Ausgangssignale der jeweilgen Meßfühler in Rechtecksignale um, integriert einen der Pegel bzw. Werte der Rechtecksignale zur Bestimmung der Tastverhällnisse und führt eine Differenzverstärkung des integrierten Signals zur Bildung eines differentieüen Ausgangssignals durch, das sodann mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, um festzustellen, ob eine dem Schad- oder Verschlechterungszustand entsprechende Abweichung des Tastverhältnisses vorhanden ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

t~ ■»'"■**»— * " ■ Ivrf· « —Λ« h- -W iUJUMinxi^*. ^M IUM* M* U Mir βΛ*Μ jfUHtn ni1rnf"n- ^· ».*■ MV f Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungsoder Verschlechterungszustandes von Sauerstoff- ^r> meßfühlern, gekennzeichnet durch einen

zu prüfenden Sauerstoffmeßfühler (5), der in einer eine veränderliche Sauerstoffkonzentration aufweisenden Gasatmosphäre zur Erfassung des Vorhandenseins und des Fehlens von Sauerstoff in der ι ο Gasatmosphäre angeordnet ist, durch einen nahe dem Sauerstoffmeßfühler (5) angeordneten Sauerstoff-Bezugsmeßfühler (4), der zur Erfassung des Vorhandenseins und des Fehlens von Sauerstoff in der Gasatmosphäre genau auf die Sauerstoffkonzentration in der Gasatmosphäre anspricht, durch eine mit dem Sauerstoffmeßfühler (5) verbundene erste Vergleichseinrichtung (8d), die ein erstes Vergleichssignal erzeugt, dessen SignaJwert sich zwischen zwei konstanten Werten ändert, von denen der eine das Vorhandensein und der andere das Fehlen von 'Sauerstoff bezeichnen, durch eine mit dem Sauerstoff-Bezugsmeßfühler (4) verbundene zweite Vergleichseinrichtung (8b), die ein zweites Vergleichssignal erzeugt, dessen Signalwert sich in der gleichen Weise wie der Signalwert des ersten Vergleichssignals ändert, durch eine mit der ersten Vergleichseinrichtung verbundene erste Integrationseinrichtung (8e, Se'), die ein erstes Integrationssignal erzeugt, das bei einer Vergrößerung des Tastverhältnisses des ersten Vergleichssignals ansteigt, durch eine mit der zweiten Vergleichseinrichtung verbundene zweite Integrationseinrichtung (8c, 8C^, die ein zweites Integrationssignal erzeugt, das bei Vergrößerung des Tastverhältnisses des zweiten Vergleichssignals ansteigt, durch eine mit der ersten und der zweiten Integrationseinrichtung verbundene Differenzschaltung (8f, 8f), die ein der Differenz des ersten und des zweiten Integrationssignals proportionales Differenzsignal erzeugt, durch eine mit der Differenzschaltung verbundene dritte Vergleichseinrichtung (8g, 8h, 8r), die ein drittes Vergleichssignal erzeugt, wenn das Differenzsignal um einen über einen vorgegebenen Wert hinausgehenden Betrag von einem vorgegebenen Bezugswert abweicht, und durch eine mit der dritten Vergleichseinrichtung verbundene Warneinrichtung (8/, 800), die entsprechend dem dritten Vergleichssignal eine Warnanzeige für den Abnutzungs- oder Verschlechterungszustand des Sauerstoffmeßfühlers abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffmeßfühler (5) und der Sauerstoff-Bezugsmeßfühler (4) in der Auslaßleitung (3) einer Brennkraftmaschine (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Vergleichseinrichtung einen ersten Vergleicher (8g), der das Differenzsignal mit einem ersten Bezugswert vergleicht, der derart voreingestellt ist, daß er um den vorgegebenen Betrag höher als der vorgegebene Bezugswert ist, und einen zweiten Vergleicher (8h) aufweist, der das Differenzsignal mit einem zweiten Bezugswert vergleicht, welcher derart voreingestellt ist, daß er um den vorgegebenen Betrag niedriger als der vorgegebene Bezugswert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abtaststeuereinrichtung (8j, b, d) zwischen die erste Vergleichseinrichtung (8d) und die erste Integrationseinrichiung (abgeschaltet ist und daß eine zweite Abtaststeuereinrichtung (87; a, c) zwischen die zweite Vergleichseinrichtung (8b) und die zweite Integrationseinrichlung (8cj geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach \nspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigemeßgerät (810) mit der ersten und der zweiten Integrationseinrichtung (8e, 8c) verbunden ist.