DE2733524B2 - - Google Patents
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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. Reinigungsfaktor 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-
fr ' I
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 it 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
40
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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,
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
„ . . „, * 1 _1.I_;U J n:nA Λ-ΐ**-η Kttcfl'tVi.
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-
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 Va 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 VL 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
809 582/472
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 Vx 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 (5)
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.
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