DE3904986A1 - Verfahren zum erkennen der betriebsbereitschaft einer lambdasonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde. An Betriebsbereitschaft kann es aufgrund zahlreicher Mängel fehlen, z. B. können Kurzschlüsse oder Unterbrechungen in Zuleitungen vorliegen oder die Sonde kann nicht ausreichend warm sein, was insbesondere kurz nach dem Start einer Brennkraftmaschine der Fall ist, an der die Sonde angebracht ist.

Stand der Technik

Das Erkennen von Betriebsbereitschaft ist relativ einfach, wenn mit der Sonde auf einen Lambdawert von etwa Eins geregelt wird. Alle Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde, die zum Regeln auf einen Lambdawert von etwa Eins dienen, haben das Prinzip gemeinsam, daß feste Schwellenwerte bestimmt werden, bei deren Erreichen auf Betriebsbereitschaft geschlossen wird.

Wenn die Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde überwacht werden soll, die zur Magerregelung dient, ist es nicht mehr ohne weiteres möglich, aus dem Erreichen eines festen Lambdaschwellenwertes auf Betriebsbereitschaft oder fehlende Betriebsbereitschaft zu schließen. Dies, weil bei Magerregelung Lambdawerte für mageres Gemisch in weiten Grenzen zulässig sind. Bewegen sich die gemessenen Lamdawerte innerhalb dem zulässigen Bereich, ist nur schwer feststellbar, ob dies aufgrund eines Fehlers der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde anzugeben, das auch zuverlässig arbeitet, wenn es auf eine Lambdasonde angewandt wird, die für Magerregelung dient.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-4 gelöst. Diese Verfahren können einzeln oder auch in beliebigen Kombinationen ausgeführt werden.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 1 wird überprüft, ob die Regelschwingungsfrequenz dann, wenn sich die Regelabweichungen innerhalb einem vorgegebenen Band bewegen, einen Minimalwert übersteigt. Ist dies der Fall, zeigt das Überprüfungsergebnis an, daß der gesamte Regelkreis ordnungsgemäß arbeitet. Es ist also auch die Sonde betriebsbereit.

Das Verfahren gemäß Anspruch 2 baut darauf auf, daß die Sondenspannung in zwei Meßkanälen mit unterschiedlicher Verstärkung verarbeitet wird. In jedem Kanal wird überprüft, ob der erfaßte Wert mageres oder nicht mageres Gemisch anzeigt. Die beiden ermittelten Gemischbereiche werden miteinander verglichen. Fehlt es an Übereinstimmung, ist dies das Zeichen dafür, daß ein Sondenfehler vorliegt.

Während die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2 dazu dienen, fehlende Betriebsbereitschaft einer ausreichend warmen Lambdasonde festzustellen, dienen die Verfahren gemäß den Ansprüchen 3 und 4 dazu, fehlende Sondenbereitschaft wegen noch nicht betriebswarmer Sonde zu ermitteln.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 3 wird die Sondenspannung mit je einem Spannungs-Schwellenwert für mageres bzw. fettes Gemisch verglichen und ein Betriebsbereitschaftssignal ausgegeben, wenn die erfaßte Sondenspannung einen der Spannungs-Schwellenwerte erreicht. Dieses Teilverfahren ist für sich aus DE 33 19 432 A1 (US 45 28 957) bekannt. Zusätzlich wird beim Verfahren gemäß Anspruch 3 jedoch überprüft, ob seit einem Startzeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne abgelaufen ist. Ist dies der Fall, wird ein Pseudo-Bereitschaftssignal ausgegeben, falls nicht bereits das korrekte Bereitschaftssignal durch Erfülltsein der zuvor genannten Bedingung abgesetzt wurde.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 4 wird die Sonde mit einem Widerstand belastet, dessen Wert erheblich geringer ist als der Innenwiderstandswert der kalten Sonde, jedoch erheblich höher als der Innenwiderstandswert der heißen Sonde. Die gemessene Spannung wird mit einer Einschalt-Schwellenspannung verglichen und es wird ein Bereitschaftssignal ausgegeben, wenn das Vergleichsergebnis positiv ist. Dadurch ist gewährleistet, daß erst dann auf Betriebsbereitschaft erkannt wird, wenn die Sonde so heiß ist, daß sie Meßergebnisse liefert, die auch für Magerregelung ausreichend genau sind.

Das Verfahren gemäß Anspruch 5 läßt sich mit besonderem Vorteil in Zusammenhang mit einem der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-4 anwenden, ist jedoch auch für sich nutzbar. Gemäß dem Verfahren von Anspruch 5 wird die Sondeninnenspannung nicht unmittelbar als Sondenspannung für Regelzwecke verwendet, sondern es wird eine Spannung verwendet, die an einer Reihenschaltung eines Lastwiderstandes mit einer einstellbaren Gegenspannungsquelle abgegriffen wird, welche Reihenschaltung der Sonde parallel geschaltet ist. Die Spannung der Gegenspannungsquelle wird jeweils auf eine Spannung eingestellt, die dem jeweiligen Lambda-Sollwert entspricht. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß dann, wenn ein Sondenfehler auftritt, als Sondenspannung die Spannung der Gegenspannungsquelle verwendet wird. Da diese einen Wert einnimmt, der dem jeweiligen Lambda-Sollwert entspricht, tritt keine Regelabweichung auf, so daß der Stellwert unverändert bleibt. Selbst ohne Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft der Sonde lassen sich somit schlechte Regelergebnisse aufgrund einer fehlerhaft gewordenen Sonde vermeiden. Wird jedoch ein Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft zusätzlich angewandt, lassen sich mit Hilfe des Ergebnisses aus diesem Verfahren zusätzliche Maßnahmen ergreifen.

Zeichnung

Fig. 1 schematisches Schaltbild einer Schaltung zum Erfassen der Sondenspannung in zwei Meßkanälen;

Fig. 2 Flußdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Erkennen von Fehlern einer betriebswarmen Lambdasonde;

Fig. 3 Flußplan zum Erläutern eines Verfahrens zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer zunächst kalten Lambdasonde;

Fig. 4 schematisches Schaltbild einer Anordnung, mit der die Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde erkennbar ist; und

Fig. 5 schematisches Schaltbild einer Anordnung zum Messen einer Sondenspannung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Durch die Schaltung gemäß Fig. 1 wird die von einer Lambdasonde 10 abgegebene Spannung U_S in zwei Kanälen verarbeitet. Bei Lambdawerten um Eins ändert sich die Sondenspannung stark, und zwar von etwa 200 mV bis etwa 800 mV, mit einem Mittelwert von etwa 500 mV, der für genau Lambda = 1 gilt. Wird dagegen in dem von einem mageren Gemisch erzeugten Abgas gemessen, schwankt die Spannung in einem weiten Lambdabereich nur geringfügig, z. B. von etwa 20-50 mV von Lambda = 1,4-1,1.

Um die eben genannten geringen Spannungswerte auf einen für die Weiterverarbeitung geeigneten Pegel zu heben, ist ein erster Verstärker 11.1 mit hohem Verstärkungsfaktor V, im Beispielsfall V = 75, vorhanden. An seinem Ausgang wird eine Spannung ULM abgegriffen, d. h. eine Spannung für Lambdawerte für mageres Gemisch. Für Sondenspannungen U_S von 200-800 mV würde dieser Verstärker Spannungen liefern, die für die Weiterverarbeitung viel zu hoch wären. Es ist daher ein zweiter Verstärker 11.2 mit geringem Verstärkungsfaktor V, im Beispielsfall V = 5, vorhanden. An seinem Ausgang wird eine Spannung UL 1 abgegriffen, d. h. eine Spannung für Lambdawerte für Gemische von Lambda etwa 1. Der zweite Verstärker 11.2 ist nur mit einer Leitung mit der Sonde direkt verbunden, weswegen die von ihm gemessene Spannung UL 1 mit einem Masseversatz Um behaftet ist. Da sich dieser in der Größenordnung derjenigen Sondenspannung bewegt, die bei magerem Gemisch gemessen wird, ist die Sondenspannung zweipolig zum Verstärker 11.1 geführt. Diese unterschiedliche Beschaltung ermöglicht es, Widersprüche zwischen gemessenen Spannungen festzustellen, wie sie insbesondere bei Masseschluß oder Kurzschluß auftreten.

Liegt ein Gemisch mit einem Lambdawert von z. B. 1,1 vor, befindet sich die Spannung ULM in ihrem oberen auswertbaren Bereich, während sich die Spannung UL 1 noch unterhalb einem Schwellenwert befindet, ab dem sie zum Regeln genutzt wird. Erreicht die Spannung UL 1 ihren nutzbaren Bereich, hat die Spannung ULM ihren entsprechenden Bereich verlassen, vorausgesetzt es liegt kein Sondenfehler vor. Liegt die Spannung UL 1 über einem Schwellenwert, die Spannung ULM dagegen unter einem Schwellenwert, sind dies widersprüchliche Ergebnisse.

Derartige Widersprüche können in einem Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde ausgenutzt werden. Entsprechende Schritte sind im Verfahren gemäß Fig. 2 enthalten, das jedoch mit einer anderen Untersuchung beginnt.

Beim Verfahren gemäß Fig. 2 wird nach dem Start des Verfahrens über eine Marke A ein Verfahrensschritt s 1 erreicht. In diesem wird überprüft, ob die Amplitude AMP_RAW der Regelabweichung unter einem Amplituden-Schwellenwert AMP_RAW_S bleibt und gleichzeitig die Frequenz f der Regelschwingung unter einem Frequenz-Schwellenwert f_S bleibt. Ist dies der Fall, erfolgt in einem Schritt s 2 eine Fehleranzeige und es wird von Regelung auf Steuerung umgeschaltet.

Fällt die Untersuchung in Schritt s 1 dagegen negativ aus, schließt sich in einem Schritt s 3 eine Untersuchung an, die bereits oben anhand von Fig. 1 erläutert wurde. Es wird nämlich überprüft, ob die Spannung UL 1 über einer unteren Magerschwelle M_SCHW-U bleibt, obwohl die Spannung ULM kleiner als eine Magerschwelle M_SCHW ist. Ist dies der Fall, wird jedoch nicht zwingend auf einen Fehler geschlossen, sondern es wird in einem Schritt s 4 zusätzlich überprüft, ob die Spannung UL 1 über mehr als die Dauer einer Zeitspanne Z 1 unter einem oberen Magerschwellwert M_SCHW-O bleibt. Dieser Wert beträgt z. B. 100 mV, während der untere Magerschwellwert M SCHW-U 60 mV beträgt. Ist auch die Bedingung gemäß Schritt s 4 erfüllt, schließt sich der bereits erläuterte abschließende Schritt s 2 an. Andernfalls kehrt das Verfahren zur Marke A zurück.

Ist die Bedingung gemäß Schritt s 3 nicht erfüllt, geht das Verfahren zu einem Schritt s 5 über. Im Schubbetrieb stellt sich ein extrem mageres Gemisch ein. Liegt Schubbetrieb vor, die Sonde zeigt aber dennoch kein extrem mageres Gemisch an, ist dies ein Zeichen für einen Fehler. Entsprechend zeigt es einen Fehler an, wenn kein Schubbetrieb vorliegt, aber die Sonde dennoch ein Signal für extrem mageres Gemisch abgibt. Die Untersuchung auf den ersten Fehler erfolgt in einem Schritt s 6, der sich an Schritt s 5 anschließt, wenn Schubbetrieb vorliegt. In Schritt s 6 wird untersucht, ob die Spannung ULM über mehr als eine Zeitspanne Z 2 oberhalb dem Magerschwellwert M_SCHW liegt. Ist dies der Fall, folgt der besprochene abschließende Schritt s 2. Ist dies nicht der Fall, beginnt der Verfahrensablauf wieder ab der Marke A. Die zweite, in Zusammenhang mit Schritt s 5 kurz erläuterte Fehleruntersuchung wird in einem Schritt s 7 ausgeführt, der sich an den Schritt s 5 anschließt, wenn kein Schubbetrieb vorliegt. In Schritt s 7 wird untersucht, ob die Spannung ULM für mehr als eine Zeitspanne Z 3 unterhalb der Magerschwelle M_SCHW liegt. Ist dies der Fall, schließt sich der bereits oben erläuterte Schritt s 4 an. Ist dies nicht der Fall, läuft das Verfahren wieder ab der Marke A ab.

Die genannten Zeitspannen Z 1, Z 2 und Z 3 weisen eine Dauer von einigen Sekunden auf, z. B. von zwei Sekunden. Der Wert der Magerschwelle M_SCHW beträgt z. B. 5 mV × 75 = 375 mV. Bei dieser sehr niedrig liegenden Schwelle ist darauf zu achten, daß die Sondenspannung U_S nicht durch Fremdspannungen verfälscht wird. Um dies zu gewährleisten, stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, auf die jedoch nicht näher eingegangen wird.

In Zusammenhang mit Schritt s 1 wird darauf hingewiesen, daß statt der Amplitude der Regelabweichung auch der Gesamthub der Regelabweichung überwacht werden kann und überprüft werden kann, ob dieser innerhalb einem vorgegebenen Band liegt. Statt der Regelabweichung kann eine andere Größe untersucht werden, die sich innerhalb einem vorgegebenen Band bewegen sollte, insbesondere die Sondenspannung. Der Frequenz-Schwellenwert hängt stark von Totzeiten ab, die im jeweiligen Anwendungsfall gelten. Mögliche Periodendauer-Schwellenwerte schwanken daher in einem weiten Millisekundenbereich. In der Praxis läßt sich jedoch leicht feststellen, welches die minimale Frequenz ist, bei der das angewandte Regelungsverfahren noch ordnungsgemäß arbeitet. Etwas unterhalb dieser minimalen Frequenz wird der Frequenz-Schwellenwert angesetzt.

Das Verfahren gemäß Fig. 3 dient dazu, noch nicht auf Regelung zu schalten, wenn dies aufgrund der Sondentemperatur noch nicht zulässig ist. In einem Schritt n 1 wird überprüft, ob die Sondenspannung U_S einen Schwellenwert M_SCHW für mageres Gemisch unterschritten oder einen Schwellenwert F_SCHW für fettes Gemisch überschritten hat. Ist dies der Fall, besteht Regelbereitschaft. Es wird dann in einem Schritt n 2 entschieden, ob auf ein mageres Gemisch oder ein Gemisch mit Lambda = 1 geregelt werden soll. Als Bedingung hierfür wird im Schritt n 2 untersucht, ob die Motortemperatur T_MOT über einen Temperatur-Schwellenwert T_MOT_S gestiegen ist. Ist dies der Fall, erfolgt in einem Schritt n 3 Regelung auf ein mageres Gemisch. Ist dies dagegen nicht der Fall, erfolgt in einem Schritt n 4 Regelung auf Lambda = 1.

Fällt die Untersuchung in Schritt n 1 negativ aus, schließt sich ein Schritt n 5 an, in dem überprüft wird, ob seit dem Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine, an dem die zu überwachende Lambdasonde angebracht ist, eine von der Motortemperatur abhängige Zeitspanne Z_S (T_MOT) abgelaufen ist. Ist dies nicht der Fall, ist also keine der Bedingungen gemäß den Schritten n 1 und n 5 erfüllt, kehrt das Verhalten zum Anfang, also zu Schritt n 1 zurück. Ist dagegen die Bedingung gemäß Schritt n 5 erfüllt, folgt der bereits erläuterte Schritt n 2 mit einem seiner Folgeschritte.

Ein weiteres Verfahren zum Untersuchen, ob eine Sonde bereits für Regelungsbetrieb ausreichend warm ist, wird nun mit Hilfe der Schaltung gemäß Fig. 4 erläutert. Die Schaltung weist die Lambdasonde 10 mit einem parallel geschalteten Lastwiderstand 12 vom Widerstandswert R_L auf. An diesem wird die Sondenspannung U_S abgegriffen. Die Lambdasonde 10 ist mit ihrem Ersatzschaltbild eingezeichnet, das aus einer Sondenspannungsquelle 13, mit der Eigenspannung U_SE, und einem Sondeninnenwiderstand 14, mit dem Innenwiderstandswert R_SI besteht. Mit den genannten Werten ergibt sich die Sondenspannung U_S wie folgt:

U_S = U_SE × R_L/(R_SI + R_L)

Diese Sondenspannung wird in einem Komparator 15 mit einer Bereitschafts-Schwellenspannung U_B verglichen, wie sie von einer Vergleichsspannungsquelle 16 abgegeben wird. Sobald die Sondenspannung U_S die Bereitschafts-Schwellenspannung U_B übersteigt, wird auf Regelbereitschaft erkannt. Die Bereitschafts- Schwellenspannung wird so gelegt, daß das Freigeben von Regelung erst dann erfolgt, wenn die Sonde so heiß ist, daß sich bei weiterer Erwärmung die Sondenspannung U_S bei gleichbleibendem Lambdawert nicht mehr wesentlich ändert.

Alle Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Sonde haben grundsätzlich den Nachteil, daß zwangsläufig eine gewisse Zeitspanne zwischen dem Auftreten eines Fehlers und dem Feststellen desselben verstreicht. In dieser Zeit ändert sich die Regelabweichung fehlerhaft, was ein fehlerhaftes Ändern auch des Regelstellwertes zur Folge hat. Unerwünschte Änderungen größeren Ausmaßes können mit einem Verfahren vermieden werden, wie es nun anhand der Anordnung von Fig. 5 erläutert wird. Dieses Verfahren wird vorteilhafterweise mit einem der oben erläuterten Verfahren angewandt, kann jedoch auch unabhängig von diesen eingesetzt werden.

Auch in der Schaltung von Fig. 5 ist die Lambdasonde 10 mit ihrem Ersatzschaltbild eingezeichnet. Parallel zur Sonde liegt nun eine Reihenschaltung eines Lastwiderstandes 12, mit dem Widerstandswert R_L, und einer Gegenspannungsquelle 17, mit der einstellbaren Spannung U_G. Die an der Reihenschaltung abgegriffene Sondenspannung U_S bestimmt sich wie folgt:

U_S = U_G + (U_SE - U_G) × R_L/(R_L + R_SI)

Steigt der Sondeninnenwiderstandswert R_SI plötzlich an, sei es durch ein starkes Abkühlen der Sonde oder durch Unterbrechen der Sondenleitungen, stellt sich die Sondenspannung auf den Gegenspannungswert U_G ein. Dieser Wert ist jeweils auf eine Spannung eingestellt, die dem jeweiligen Lambda-Sollwert entspricht. Bei Unterbrechung der Sondenleitungen tritt dann keinerlei Regelabweichung mehr auf. Im Falle einer wegen zu geringer Temperatur nicht mehr betriebsbereiten Sonde entsteht eine nur noch geringe Regelabweichung. Der Regelstellwert ändert sich demgemäß nicht mehr oder nur noch sehr langsam. Diese fehlende oder im ungünstigsten Fall sehr langsame Änderung des Stellwertes bedingt, daß keine unerwünscht großen Änderungen beim Regeln innerhalb derjenigen Zeitspanne auftreten, die zwischen dem Eintritt eines Fehlers und dessen Feststellen vergeht.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Betriebsbereitschaft insbesondere für Magerregelung folgende Schritte ausgeführt werden:

• - Erfassen des Ausmaßes der Schwingung der Regelabweichung,
• - Vergleichen des Schwingungsausmaßes mit einem geringen Amplituden- Schwellenwert,
• - Erfassen der Frequenz der Regelschwingung,
• -Vergleichen der ermittelten Frequenz mit einem Frequenz- Schwellenwert, und
• - Ausgeben eines Fehlersignales, wenn das ermittelte Schwingungsausmaß unter dem Amplituden-Schwellenwert bleibt und gleichzeitig die ermittelte Frequenz unter dem Frequenz- Schwellenwert bleibt.

2. Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde, insbesondere Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Betriebsbereitschaft für Magerregelung folgende Schritte ausgeführt werden:

• - Erfassen der gering verstärkten Sondenspannung und Ermitteln, ob der erfaßte Wert mageres oder nicht mageres Gemisch anzeigt,
• - Erfassen der stark verstärkten Sondenspannung und Ermitteln, ob der erfaßte Wert mageres oder nicht mageres Gemisch anzeigt,
• - Vergleichen der beiden ermittelten Gemischbereiche und
• - Ausgeben eines Fehlersignales, wenn die ermittelten Gemischbereiche widersprüchlich sind.

3. Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde, insbesondere Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Betriebsbereitschaft für Magerregelung folgende Schritte ausgeführt werden:

• - Erfassen der Sondenspannung,
• - Vergleichen dieser Spannung mit je einem Spannungs-Schwellenwert für mageres bzw. fettes Gemisch,
• - Ermitteln der seit einem Startzeitpunkt abgelaufenen Zeitspanne,
• - Vergleichen dieser Zeitspanne mit einem Zeitspannen-Schwellenwert und
• - Ausgeben eines Bereitschaftssignales, wenn
  • - entweder die erfaßte Spannung einen der Spannungs-Schwellenwerte erreicht
  • - oder die ermittelte Zeitspanne den Zeitspannen-Schwellenwert übersteigt.

4. Verfahren zum Erkennen der Betriebsbereitschaft einer Lambdasonde, insbesondere Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Betriebsbereitschaft für Magerregelung folgende Schritte ausgeführt werden:

• - Abgreifen einer Meßspannung an einem Lastwiderstand an der Sonde, dessen Wert erheblich geringer ist als der Innenwiderstandswert der kalten Sonde, jedoch erheblich höher ist als der Innenwiderstandswert der heißen Sonde,
• - Vergleichen der Meßspannung mit einer Bereitschafts-Schwellenspannung und
• - Ausgeben eines Bereitschaftssignales, wenn das Vergleichsergebnis positiv ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sondenspannung eine Spannung verwendet wird, die an einer Reihenschaltung eines Lastwiderstandes mit einer einstellbaren Gegenspannung abgegriffen wird, welche Reihenschaltung der Sonde parallel geschaltet ist, wobei die Spannung der Gegenspannungsquelle jeweils auf eine Spannung eingestellt wird, die dem jeweiligen Lambda- Sollwert entspricht.