DE4335814A1

DE4335814A1 - Beheizte Sauerstoffabgassensorgruppe und Verfahren zur Ermittlung ihrer Fehlfunktion

Info

Publication number: DE4335814A1
Application number: DE4335814A
Authority: DE
Inventors: Ross Dykstra Pursifull; Julie Anne Konrad; Robert William Ridgway
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2013-10-21
Also published as: US5245979A; DE4335814C2; JPH06201640A; JP3231517B2

Description

Die Erfindung betrifft eine beheizte Sauerstoffabgassensor baugruppe für Verbrennungsmotoren sowie Verfahren zur Er mittlung einer Fehlfunktion einer Heizvorrichtung eines Ab gassauerstoffsensors.

Ein ähnlicher Gegenstand ist in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Sauerstoffsensorvorrichtung mit automatischer Stö rungserfassung der Heizvorrichtung", beschrieben, die am gleichen Tag wie die dieser Patentanmeldung zugrundeliegende prioritätsbegründende US-Patentanmeldung beim US-Patent- und Trademark Office eingereicht wurde, die gleichen Erfinder hat und der parallelen deutschen Patentanmeldung mit gleichem Einreichungsdatum entspricht. Auf die Offenbarung dieser parallelen Anmeldung wird hiermit ausdrücklich bezug genommen hingewiesen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Sauerstoff sensorbaugruppen, die häufig in Abgasanlagen von Kraft fahrzeugen zu finden sind. Insbesondere betrifft sie eine dy namische Störungserfassung für Heizvorrichtungen für Sau erstoffsensorbaugruppen für erhitzte Abgase ("HEGO" - von Heated Exhaust Gas Oxygen). Viele Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren besitzen Abgasanlagen, die Leitungen auf weisen, die die Abgase vom Motor ableiten. Die Temperaturen der Abgase reichen von Umgebungstemperatur, wenn der Motor kalt ist, bis zu über 400°C.

Die HEGO-Sensorbaugruppe umfaßt ein Sensorelement mit einem zugehörigen Paar elektrischer Ausgangsleitungen und einer Heizvorrichtung. Das Sensorelement ist im Abgasstrom, der durch die Abgasanlage strömt, angeordnet. Der HEGO-Sensor er faßt nach Gleichgewichtseinstellung den Sauerstoffgehalt und gibt ein elektrisches Signal an das Paar Ausgangsleitungen weiter. Das an den Ausgangsleitungen anliegende Signal kann dann beispielsweise dazu verwendet werden, daß die Kraft stoffversorgung des Fahrzeuges das Kraftstoff/Luftgemisch einstellt, das an die Brennkammer des Motors geliefert wird.

Der HEGO-Sensor soll den Sauerstoffgehalt des Abgases er fassen, dessen Temperatur über einen großen Bereich variiert. Um den HEGO-Sensor bei der exakten Messung des Abgas es zu un terstützen, beinhaltet die HEGO-Sensorbaugruppe im allgemei nen eine elektrische Heizvorrichtung, die den HEGO-Sensor be rührt oder in dessen Nähe liegt. Sobald die elektrische Heizvorrichtung in Betrieb ist, erwärmt sie den HEGO-Sensor, damit er genauer mißt und seine Temperaturempfindlichkeit ge genüber der Abgastemperatur abnimmt.

Es gibt bereits Vorrichtungen, die Störungen der HEGO-Sen sorbaugruppe erfassen. Beispielsweise beschreibt die US-PS 4 724 815, erteilt an Mieno et al., eine Vorrichtung, die ein abnormales Verhalten eines Sauerstoffkonzentrationssensors erfaßt. Das Patent beschreibt eine Störungserfassungs einrichtung für Heizvorrichtungen eines Universal-Abgassau erstoffsensors ("UEGO" - von Universal Exhaust Gas Oxygen), die teilweise darauf beruht, die Spannung zwischen den Elek troden des UEGO-Sensors zu messen.

Da HEGO-Sensorbaugruppen im allgemeinen Massenprodukte sind und in viele Fahrzeuge eingebaut werden, können sich auch kleine Einsparungen an einem Bauteil der Baugruppe zu be trächtlichen jährlichen Einsparungen der Fahrzeughersteller summieren. Außerdem ist es wichtig, daß die HEGO-Sensorbau gruppe und die Störungserfassungsvorrichtung innerhalb der Baugruppe zuverlässig arbeiten.

Leider erfordern viele handelsübliche Vorrichtungen die Ver wendung zusätzlicher Bauteile, um die Wirksamkeit der Heiz vorrichtung zu messen, so daß Kosten und Komplexität der HEGO-Sensorbaugruppen ansteigen. Andere Vorrichtungen er mitteln nur indirekt, ob die Heizvorrichtung einer HEGO-Sen sorbaugruppe einwandfrei arbeitet.

Andere Lösungsvorschläge können nicht die Funktionsweise der HEGO-Heizvorrichtung überprüfen, nachdem der Motor gestartet wurde und über einen längeren Zeitraum in Betrieb war. Da durch können sich beträchtliche Verzögerungen zwischen einer tätsächlichen Fehlfunktion der Heizvorrichtung und dem späte ren Überprüfen und Detektion einer Störung der Heizvorrich tung ergeben. Ferner können andere Erfassungseinrichtungen ein Arbeiten der Heizvorrichtung falsch ermitteln und irrtüm lich signalisieren, daß die Heizvorrichtung ordnungsgemäß ar beitet.

Die vorliegende Erfindung betrifft demgegenüber eine gat tungsgemäße beheizte Sauerstoffabgassensorbaugruppe für Verbrennungsmotoren, mit der nachfolgenden Kombination:
einen Sauerstoffsensor mit einem Sensorelement und einem Paar Ausgangsleitungen zur Erfassung des Sauerstoffgehalts mit dem Sensorelement und zur Übertragung eines elektrischen Sauer stoffgehalt-Signals durch das Paar Ausgangsleitungen;
eine Heizvorrichtung, zum Erhitzen des Sauerstoffsensors;
einen mit dem Paar Ausgangsleitungen verbunden Scheinwider standssensor, um den Scheinwiderstand zwischen dem Paar Aus gangsleitungen zu erfassen und ein Scheinwiderstandssignal zu übertragen;
eine mit der Heizvorrichtung und dem Scheinwiderstandssensor verbundene Motorregelung, um

- eine Sequenz des Aktivierens und anschließenden Desak tivierens der Heizvorrichtung zu überwachen;
- Scheinwiderstandssignale bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung zu empfangen;
- die Scheinwiderstände der Heizvorrichtung darstellenden Scheinwiderstandssignale miteinander zu vergleichen;
- die Differenz der Scheinwiderstände zu bestimmen; und - ein Heizvorrichtungsstörsignal zu übertragen, wenn die Differenz der Scheinwiderstände geringer als ein vor gegebener Schwellenwert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Er mittlung einer Störung der Heizvorrichtung eines Sauerstof fabgassensors, wobei die Heizvorrichtung den Sauerstoffsensor erwärmt und der Sauerstoffsensor den Sauerstoffgehalt im Gaseinlaß erfaßt und ein Sauerstoffgehalts-Signal über ein Paar Ausgangsleitungen überträgt, erwärmt, gekennzeichnet durch:

- Aktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein erstes vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Be stimmung eines Scheinwiderstandes bei angeschalteter Heizvorrichtung;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein zweites vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Be stimmung eines Scheinwiderstandes bei abgeschalteter Heizvorrichtung;
- Ermitteln einer Differenz der Scheinwiderstandswerte durch Vergleich zwischen Scheinwiderständen bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung (44); und
- Übertragen eines Heizvorrichtungstörsignales, wenn die Differenz der Scheinwiderstände kleiner als ein vorge gebener Schwellenwert ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Störung der Heizvorrichtung eines Sauerstoffabgassen sors, die den Sauerstoffabgassensor, der den Sauerstoffgehalt erfaßt und ein Sauerstoffgehalts-Signal über ein Paar Ausgangsleitungen überträgt, erwärmt, gekennzeichnet durch:

- Aktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein erstes vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Be stimmung eines ersten Scheinwiderstandes bei ange schalteter Heizvorrichtung;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein zweites vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines Scheinwiderstandes zwischen dem Paar Aus gangsleitungen des Sauerstoffsensors zur Bestimmung ei nes ersten Scheinwiderstandes bei abgeschalteter Heiz vorrichtung;
- ein Aktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten des ersten vorgegebenen Zeitintervalls;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Be stimmung eines zweiten Scheinwiderstandes bei ange schalteter Heizvorrichtung;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten des zweiten vorgegebenen Zeitintervalls;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Be stimmung eines zweiten Scheinwiderstandes bei abge schalteter Heizvorrichtung;
- Bestimmen eines typischen Wertes für angeschaltete Heiz vorrichtung, der im wesentlichem dem Scheinwiderstand der Heizvorrichtung nach den ersten vorgegebenen Zeitin tervallen entspricht;
- Bestimmen eines typischen Wertes für abgeschaltete Heiz vorrichtung, der im wesentlichem dem Scheinwiderstand der Heizvorrichtung nach dem zweiten vorgegebenen Zei tintervall entspricht;
- Vergleichen der typischen durch die Werte bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung dargestellten Scheinwi derstandsniveaus, um eine Differenz der Scheinwider stände zu bestimmen; und
- Übertragen eines Heizvorrichtungstörsignales, wenn die Differenz der Scheinwiderstände kleiner als ein vorge gebener Schwellenwert ist.

Vorteilhafte weitere Verfahren ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Der Sauerstoffsensor besitzt ein Sensorelement und ein da zugehöriges Paar Ausgangsleitungen. Das Sensorelement de tektiert Sauerstoff und liefert dementsprechend ein Gleich gewichts-Sauerstoffniveau-Signal an die Ausgangsleitungen. Die Heizung erwärmt den Sauerstoffsensor. Der Scheinwider standssensor ist mit den Sauerstoffsensorausgangsleitungen verbunden. Der Scheinwiderstandssensor detektiert den Schein widerstand zwischen den Ausgangsleitungen und überträgt ein Scheinwiderstandssignal.

Die Motorregelung ist mit dem Scheinwiderstandssensor und der Energie-Steuerung der Heizvorrichtung verbunden, sie ist in der Lage, die Heizvorrichtung an- und auszuschalten. Außerdem erfaßt die Motorregelung das Scheinwiderstandssignal des Schweinwiderstandssensors und erhält somit Angaben über den zwischen den Ausgangsleitungen anliegenden Scheinwiderstand bei an- und ausgeschalteter Heizvorrichtung. Die Steuerung vergleicht die durch diese beiden Scheinwiderstandswerte re präsentierten Scheinwiderstandssignale, um eine Scheinwider standsdifferenz zu bestimmen. Anschließend gibt die Steuerung ein Störungssignal aus, wenn die Differenz unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren, bei dem ermittelt wird, ob die Heizvorrichtung in einer beheizten Abgas-Sau erstoffsensorbaugruppe eine Funktionsstörung hatte, vorge schlagen. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Aktivieren der Heizvorrichtung und anschließendes Warten über einen ent sprechend vorgegebenen Zeitraum. Daraufhin wird der Schein widerstand, der zwischen den Ausgangsleitungen des Sensors anliegt, gemessen, um ein Scheinwiderstandsniveau bei "angeschalteter Heizvorrichtung" festzulegen. Nachdem die Heizvorrichtung desaktiviert worden ist und nach Abwarten ei nes vorgegebenen Zeitraums, wird der Scheinwiderstand noch mals gemessen, um ein Scheinwiderstandsniveau bei "abgeschalteter Heizvorrichtung" festzulegen. Die Scheinwi derstandsniveaus bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung werden miteinander verglichen und ein Warnsignal übertragen, wenn die Differenz kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer mit der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors verbundenen HEGO-Sen sorbaugruppe;

Fig. 2 eine Seitenansicht der HEGO-Sensorbaugruppe der Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht der HEGO-Sensor baugruppe der Fig. 2;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung der HEGO-Sensorbaugruppe der Fig. 2;

Fig. 5 einen Graph experimenteller Scheinwiderstandswerte in Abhängigkeit von der Temperatur des in Fig. 2 darge stellten HEGO-Sensors;

Fig. 6 einen Graph experimentell ermittelter Temperaturwerte des in Fig. 2 dargestellten HEGO-Sensors;

Fig. 7 einen Graph experimentell ermittelter Scheinwider standswerte, dreier verschiedener derzeit er hältlicher HEGO-Sensor-Typen, als Funktion der Abgas temperatur, wobei jeder der Sensoren dem in Fig. 2 dargestellten Sensor ähnelt;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Aus führungsform der Erfindung, die den in Fig. 2 dar gestellten HEGO-Sensor verwendet;

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der in Fig. 8 darge stellten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der in Fig. 8 und 9 dar gestellten Erfindung; und

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das in den in Fig. 8-10 dargestellten Vorrichtungen eingesetzt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfol gend unter Bezugnahme auf die Fig. 1-11 erläutert und hier als HEGO-Sensorbaugruppe 20 dargestellt, die mit einem Ver brennungsmotor 22 Verwendung findet. Wie in Fig. 1 dar gestellt, umfaßt der Motor 22 einen Motorblock 24, der Zy linderbohrungen (nicht gezeigt) aufweist, in denen die Ver brennung stattfindet, eine Kurbelwelle (nicht dargestellt), eine Zündanlage 26, eine Kraftstoffversorgung 28 und eine Ab gasanlage 30.

Die Zündanlage 26 weist einen Schalter 32 auf, der manuell in eine erste und zweite Position gedreht werden kann. Ist der Motor 22 außer Betrieb, findet keine Verbrennung im Motor 22 statt und die Kurbelwelle steht still. Wenn der Schalter 32 in die erste Position gedreht wird, befindet sich der Motor 22 in einem startbereiten Zustand, da die elektrischen Bau teile des Motors 22 mit Strom versorgt sind, aber keine Ver brennung innerhalb des Motors 22 erfolgt. Der Schalter 32 kann dann in eine zweite Position gedreht werden, so daß die Verbrennung innerhalb des Motors 22 beginnt. Alternativ kann der Motor 22 beispielsweise erst dann als im Start-Zustand betrachtet werden, wenn sich die Kurbelwelle zu drehen be ginnt.

Die Abgasanlage 30 weist ein Abgasrohr 34, das die Abgase vom Motor 22 abtransportiert und eine HEGO-Sensorbaugruppe 36 auf. Zusätzlich beinhaltet die Abgasanlage 30 eine Motor regelung 38. Eine der Aufgaben der Motorregelung 38 ist die Überwachung der elektrischen Versorgung. Die HEGO-Sensorbau gruppe 36 umfaßt einen HEGO-Sensor 42 sowie eine Heizvor richtung 44 innerhalb des (oder benachbart zum) HEGO-Sensors 42, wie aus Fig. 2-4 ersichtlich.

Die Heizvorrichtung 44 umfaßt erste und zweite elektrische Anschlüsse 46, 48, die an einem Heizwiderstand 50 ange schlossen sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform be steht der Heizwiderstand 50 aus Keramik, in die metallische Widerstands-Heizelemente eingebettet sind. Die Stromversor gung der HEGO-Heizvorrichtung 44 erfolgt über die Motorre gelung 38. Unter normalen Betriebsbedingungen werden etwa 12 Volt an die Anschlüsse 46 und 48 der Heizvorrichtung an gelegt, so daß die Heizvorrichtung 44 den benachbarten HEGO- Sensor 42 beheizt. Typischerweise wird die Spannung erst an gelegt, wenn der Schalter 32 umgelegt wird, um den Motor 22 in einen startbereiten Zustand und in Betrieb zu versetzen. Die erzeugte Wärme ermöglicht ein wirksameres Arbeiten des HEGO-Sensors 42.

Der HEGO-Sensor 42 weist einen Sensorkopf bzw. "Elektrolyt" bzw. "Sensorelement" 52 und erste und zweite Ausgangslei tungen 54, 56 auf. Der Sensorkopf 52 ist in einer Schutz-Dose 58 untergebracht, die in das Abgasrohr 34 eingeschraubt ist. Der Sensorkopf 52 wird von dem durch das Abgasrohr strömenden Gas umspült und ermittelt so die Zusammensetzung des Abgases. In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Sensorkopf 52 den Sauerstoffgehalt des Gases und gibt über das Paar Aus gangsleitungen 54, 56 ein der Sauerstoffkonzentration ent sprechendes Sauerstoffkonzentrationssignal aus. Das Signal des HEGO-Sensors 42 kann durch die Motorregelung 38 empfangen werden, um die Arbeitsweise bspw. der Kraftstoffversorgung 28, die das Kraftstoff/Luftgemisch, mit dem die Zylinder des Motors 22 versorgt werden, anpaßt, zu beeinflussen.

Der Sensorkopf 52 besteht typischerweise aus Zirkondioxid (ZrO₂). Zirkondioxid ist, aufgrund seiner geringen elektri schen Leitfähigkeit und hohen Sauerstoffionen-Leitfähigkeit, besonders für die Sauerstoffbestimmung geeignet. Die inneren und äußeren Oberflächen des Sensorkopfes 52 sind von porösen Platinelektroden 60, 62 umgeben. Die Leitung 54 ist mit der inneren Platinelektrode 60 verbunden, während die Leitung 56 mit der äußeren Platinelektrode 62 verbunden ist.

Entsprechend der Sauerstoffmenge am Sensorkopf 52 liefert der Sensorkopf 52 eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen 54, 56. Das Spannungspotential wird durch die Kera mik diffundierende Sauerstoffionen erzeugt. Gegenüber dem be nachbarten Abgas weist das ZrO₂-Gitter eine hohe Sau erstoffkonzentration auf. Sauerstoffionen wandern aus dem In neren des ZrO₂-Gitters zur Gittergrenze in Richtung Abgas und in Richtung Referenz. Durch die Ionenkonzentrationen entsteht ein elektrisches Potential, das das Diffusionspotential aus gleicht. Der hohe elektrische Widerstand hält das elektrische Potential aufrecht, indem er ein Zurückfließen der Elektro nen, die das elektrische Potential neutralisieren würden, verhindert.

Der Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 setzt sich aus einem elektrischen und einem ionischen Scheinwiderstand zusammen. Es kann ein Modell verwendet werden, in dem der elektrische und der ionische Scheinwiderstand als parallel zueinander betrachtet werden. Der elektrische Scheinwider stand innerhalb des für die Erfindung interessierenden Tempe raturbereiches bleibt hoch und relativ stabil. Daher domi niert der Ionenscheinwiderstand den Gesamtscheinwiderstand des Sensors.

Die Erfinder haben festgestellt, daß der Gesamtscheinwider stand des Sensors im wesentlichen von der Temperatur des Sen sorkopfes 52 abhängt. Dies beruht darauf, daß die Temperatur vor allem die Leitfähigkeit des ZrO₂ beeinflußt. Sau erstoffionen werden aus dem Gitterverband des ZrO₂ aufgrund folgender Gleichung freigesetzt:

ZrO₂ + thermische Energie ergibt Zr⁴⁺ + O₂ ^--.

Die vom ZrO₂ erzeugte Spannung wird als Ergebnis der freien O₂ ^---Ionen erzeugt. Bei niedrigen Temperaturen tritt aufgrund des geringen Angebotes an Sauerstoffionen ein Anwachsen des Ionenscheinwiderstandes auf.

Die Erfinder haben beobachtet, daß unabhängig vom über das das Leitungspaar 54, 56 durch den HEGO-Sensor 42 ausgegebenen Sauerstoffgehaltsignal der Scheinwiderstand zwischen den Lei tungen 54, 46 im wesentlichen direkt der Temperatur des HEGO- Sensors 42 entspricht. Folglich ist der Scheinwiderstand im wesentlichen davon abhängig, ob die Heizvorrichtung 44 ihre Aufgabe, den HEGO-Sensor 42 physikalisch zu beheizen, zufrie denstellend erfüllt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, läßt sich anhand experimentell er mittelter Meßwerte 63 erkennen, daß der Scheinwiderstand des HEGO-Sensors 42 im wesentlichen direkt mit dessen Temperatur variiert. Z.B. zeigt ein HEGO-Sensor bei einer Temperatur von 500°C einen Scheinwiderstand zwischen den Ausgangsleitungen 54, 56 von etwa 5 kOhm, während ein HEGO-Sensor bei einer Temperatur von 200°C einen Scheinwiderstand von etwa 500 kOhm zeigt.

Folglich mißt die vorliegende Erfindung den Scheinwiderstand zwischen dem Paar Ausgangsleitungen 54, 56 des HEGO-Sensors 42, um festzustellen, ob die Heizvorrichtung 44 zu friedenstellend arbeitet. Untersuchungen der Arbeitsweise der Heizvorrichtung sind vom Sauerstoffgehaltssignal, das an den Ausgangsleitungen 54, 56 des HEGO-Sensors anliegt, oder dem elektrischen Signal, das an den Anschlüssen 46, 48 der Heiz vorrichtung anliegt oder vom inneren Widerstand der HEGO- Heizvorrichtung 44 im wesentlichen unabhängig. Ferner läßt sich mit der Erfindung die Wirkung der Heizvorrichtung 44 un mittelbar erfassen, eher zumindest, als beispielsweise durch Durchführung einer Diagnose, ob z. B. die HEGO-Heizvorrichtung 44 keinen internen Kurzschluß oder einen offenen Schaltkreis aufweist.

Nach dem Start des Motors 22 (das bedeutet, daß die Verbren nung im Motorblock 24 stattfindet und die Kurbelwelle be ginnt, sich zu drehen), steigt die Temperatur des Abgases im Abgasrohr 34. Fig. 6 zeigt experimentell ermittelte Werte, die die Temperatur des HEGO-Sensors 42 angeben, nachdem der Verbrennungsmotor 22 das erste Mal gestartet wurde. Graph 64 zeigt die Temperatur des HEGO-Sensors, wenn die Heizvorrich tung 44 in Betrieb ist, während Graph 66 die Temperatur des HEGO-Sensors zeigt, wenn die Heizvorrichtung 44 nicht in Be trieb ist. Die Temperatur des HEGO-Sensors steigt schneller an und bewegt sich auf ein höheres Niveau, wenn die Heizvor richtung 44 in Betrieb ist. Folglich verwendet die Sensorbau gruppe 36 die Beobachtung, daß sich die Temperatur des HEGO- Sensors, abhängig davon, ob die Heizvorrichtung 44 in Betrieb ist oder nicht, wenige Sekunden nach dem Start des Motors stark verändert, um eine Störung der Heizvorrichtung zu er fassen.

Ist die Abgastemperatur beispielsweise geringer als 350°C, besteht ein deutlicher Unterschied bei den HEGO-Scheinwi derständen, ob die Heizvorrichtung 44 arbeitet oder nicht arbeitet. Liegt die Abgastemperatur bei 200°C, übersteigt die Differenz der Scheinwiderstände häufig 200 kOhm und das Ver hältnis der Scheinwiderstandsniveaus zueinander liegt wenig stens bei 2 oder 3 zu 1.

Die experimentell ermittelten, in Fig. 7 dargestellten Werte bestätigen, daß diese Beziehung für drei verschiedene in Kraftfahrzeugen gebräuchliche HEGO-Sensortypen, die vom An melder getestet wurden, zutrifft. Die Kurven 68 und 70 zeigen die Eigenschaften eines Bosch-Sensors, wenn die Heiz vorrichtung 44 arbeitet bzw. gestört ist, während die Kurven 72 und 74 die Eigenschaften eines NGK-Sensors bei arbeitender bzw. gestörter Heizvorrichtung 44 zeigen. Die Kurven 76 und 78 zeigen die Eigenschaften eines NTK-Sensors, wenn die Heiz vorrichtung 44 arbeitet bzw. gestört ist. Bei der Erfindung kann die Differenz zwischen den Scheinwiderständen des Sen sors 42, wenn die Heizvorrichtung 44 in Betrieb bzw. nicht in Betrieb ist, dazu verwendet werden, um zu ermitteln, ob die Heizvorrichtung 44 bestimmungsgemäß arbeitet.

Eine Ausführungsform der Erfindung setzt die Heizvorrichtung 44 in Betrieb, worauf ein mit dem Paar Ausgangsleitungen 54, 56 des Sensors 42 verbundener Scheinwiderstandssensor den Scheinwiderstand zwischen den Ausgangsleitungen 54, 56 mißt. Danach desaktiviert die Motorregelung 38 die Heizvorrichtung 44 und ermittelt nach einem vorgegebenen "Zeitintervall" den Scheinwiderstand des HEGO-Sensors 42 (bei dem "Zeitintervall" kann es sich um eine vorgegebene Zeitspanne oder eine zeitli che Verzögerung, bis ein bestimmter Motorparameter, wie etwa die Kühlwassertemperatur, einen bestimmten Wert erreicht hat, handeln). Die Motorregelung 38 errechnet dann die Differenz zwischen den gemessenen Scheinwiderstandsniveaus und über mittelt ein Heizvorrichtungsstörsignal, wenn die Differenz unter einem Schwellenwert (wie bspw. 100 kOhm) liegt. Folg lich wird bspw. ein Heizvorrichtungsstörsignal übermittelt, wenn die Differenz der Scheinwiderstandsniveaus bei "abgeschalteter Heizvorrichtung" bzw. "angeschalteter Heiz vorrichtung" geringer als 100 kOhm (oder das Verhältnis der beiden Werte zueinander geringer als 2,5 : 1) ist. In diesem Zusammenhang kann unter einer "Differenz" der Scheinwider standswerte eine numerische Differenz oder auch ein Wertever hältnis verstanden werden.

Verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung der Erfindung sind in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Fig. 8 zeigt eine Vor richtung 80, die den HEGO-Sensor 42, an den eine erste und zweite Leitung 54, 56 angeschlossen ist, eine Baueinheit 82, eine Reglerschnittstelle 84 und die mikroprozessorgesteuerte Motorregelung 38 umfaßt. Die Baueinheit 82 besitzt einen Schalter 86, der von der Motorregelung 38 mit Spannung ver sorgt wird und einen Belastungswiderstand 88, der mit dem Schalter 86 in Reihe geschaltet, zwischen den Leitungen 54, 56 liegt. Die Leitungen 54, 56 übertragen ein analoges Signal über die Schnittstelle 84 zur Motorregelung 38. Das analoge Signal entspricht dem Sauerstoffgehalt, der durch den HEGO- Sensor 42 im Abgasrohr 34 ermittelt wird.

Der Schalter 86 empfängt von der Motorregelung 38 entweder ein Signal zu schließen, wodurch der Belastungswiderstand 88 Bestandteil des Schaltkreises wird, oder ein Signal zu öff nen, wodurch der Belastungswiderstand 88 aus dem Schaltkreis genommen wird. Die Motorregelung 38 kann den durch den Sensor 42 fließenden Strom mit zu- und eingeschaltetem Belastungswi derstand 88 messen, und so den Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 ermitteln. Gemessen wird bei fett einge stelltem Motor 22, d. h. bei einer HEGO-Spannung von ungefähr einem Volt.

In einer alternativen, in Fig. 9 dargestellten Ausführungs form, umfaßt die dargestellte Vorrichtung 90 den HEGO-Sensor 42, die Baueinheit 82, die Schnittstelle 84 und die Mo torregelung 38. Die Baueinheit 82 umfaßt auch eine Referenz- Spannungsquelle 92 und einen Teilungswiderstand (dividing re sistor) 94. Die Motorregelung 38 kann dann den Spannungsab fall zwischen den Leitungen 54, 56 messen, diesen mit der Vergleichsspannung der Referenz-Spannungsquelle 92 verglei chen und den Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 bestimmen.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt, wo eine Vorrichtung 98 eine Wechselstromquelle 99 umfaßt. Die Schnittstelle 84 wird sowohl mit konstanter Gleich stromspannung versorgt, damit die Motorregelung 38 den Sauer stoffgehalt erfassen kann, als auch mit einer Wechsel stromspannung, damit die Motorregelung 38 den Schein widerstand zwischen den Leitungen 54, 56 bestimmen kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde der innere Scheinwi derstand des Sensors 42 (zwischen den Leitungen 54 und 56 gemessen) bei 100 Hertz und 10 kHertz bestimmt.

Das Ablaufdiagramm der Fig. 11 zeigt das Verfahren, das von den in den Fig. 8 bis 10 dargestellten Vorrichtungen 80, 90 und 98 angewendet wird. Beim Schritt 100 sind keine Tests an der Heizvorrichtung 44 durchgeführt worden und der Zähler "N" ist dementsprechend gleich Null. Beim Schritt 102 wird "N" erhöht. Im Schritt 104 versorgt die Motorregelung 38 die Heizvorrichtung 44 mit Strom, was mit dem Starten des Motors 22 zeitlich zusammenfallen kann. Im Schritt 106 wartet die Motorregelung 38 ein auf einer Temperaturzeitkonstante basie rendes vorgegebenes Zeitintervall ab, das sich durch das Auf heizen des HEGO-Sensors durch die Heizvorrichtung 44 ergibt.

Das Zeitintervall kann als eine vorgegebene Zeitspanne de finiert sein, beispielsweise 8 sec. oder als das Zeitinter vall das verstreicht, bis ein Motorparameter ein vorgegebenes Niveau erreicht. Das Zeitintervall kann bspw. abgeschlossen sein, wenn die Abgastemperatur 180°C oder einige Zeit, bevor die Abgastemperatur 400°C erreicht. Nach Abwarten eines Zeit raumes von, beispielsweise 8 Sekunden, mißt die Motorregelung 38 bei Schritt 108 den Scheinwiderstand bei "angeschalteter Heizvorrichtung", der zwischen den Ausgangsleitungen 54, 56 anliegt und speichert ihn als Scheinwiderstand bei "angeschalteter Heizvorrichtung" im Speicher ab.

Danach, im Schritt 110, desaktiviert die Motorregelung 38 die Heizvorrichtung 44 und wartet bei Schritt 112 eine auf einer Temperaturzeitkonstante basierende vorgegebene Zeitspanne (beispielsweise zehn oder zwanzig Sekunden), zum "Abkühlen" des HEGO-Sensors 42. Danach, bei Schritt 114, mißt die Motor regelung 38 den zwischen den Ausgangsleitungen 54, 56 anlie genden Scheinwiderstand und bezeichnet diesen Scheinwider stand als Scheinwiderstand bei "abgeschalteter Heizvorrich tung".

Im Schritt 116 wird der Vorgang fortgesetzt, indem die Mo torregelung 38 zum Schritt 102 zurückkehrt, bis "N" einem vorgegebenen Zahlenwert, wie etwa eins, zwei oder zehn, ent spricht. Alternativ kann, wenn der Vorgang ausreichend oft wiederholt wurde, die Motorregelung 38 in den Schritten 117, 118 einen typischen Wert für die "angeschaltete Heizvorrich tung" und die "abgeschaltete Heizvorrichtung" aus den abge speicherten Werten errechnen. In der bevorzugten Ausführungs form bildet die Motorregelung 38 einen typischen Wert für die "angeschaltete Heizvorrichtung" aus dem Durchschnitt der letzten "N" Werte der "angeschalteten Heizvorrichtung" und aus dem Durchschnittswert der letzten "N" Scheinwiderstands werte bei "abgeschalteter Heizvorrichtung", einen typischen Wert bei "abgeschalteter Heizvorrichtung".

Danach, im Schritt 120, bildet die Motorregelung 38 ein Ver hältnis aus den Scheinwiderstandswerten bei "angeschalteter Heizvorrichtung" und "abgeschalteter Heizvorrichtung". Im Schritt 122 wird das Verhältnis mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Wenn beispielsweise das Verhältnis des Scheinwiderstandes bei "abgeschalteter Heizvorrichtung" zum Scheinwiderstand bei "angeschalteter Heizvorrichtung" kleiner als bespielsweise drei oder vier ist, legt die Motor regelung 38 in Schritt 124 fest, daß die Heizvorrichtung 44 bestimmungsgemäß arbeitet. Der gesamte Testvorgang kann nach einem weiteren vorgegebenen Zeitraum wiederholt werden, indem bei Schritt 100 wieder gestartet wird.

Liegt das Verhältnis jedoch unter einem vorgegebenen Schwel lenwert, wird die Heizvorrichtung 44 in Schritt 126 als ge stört eingestuft. Folglich überträgt die Motorregelung 38 ein Heizvorrichtungstörsignal, um eine Alarmeinrichtung zu betätigen.

Die Alarmvorrichtung kann zum Beispiel aus einer Leucht einrichtung 115, die am Armaturenbrett befestigt ist (siehe Fig. 1), bestehen, durch die der Fahrer des Fahrzeuges oder ein Automechaniker auf die ermittelte Fehlfunktion der HEGO- Heizvorrichtung 44 hingewiesen werden kann. Die Erfindung kann die HEGO-Heizvorrichtung 44 so oft wie erwünscht prüfen, indem die Heizvorrichtung 44, während des Betriebes des Motor 22, an- und ausgeschaltet wird, ohne Notwendigkeit, den Motor 22 abzuschalten oder den Betrieb des Motors 22 in irgendeiner anderen Weise zu unterbrechen. Außerdem wird der Fahrer so fort darüber informiert, daß die Heizvorrichtung 44 eine Stö rung aufweist und kann sofort Gegenmaßnahmen ergreifen.

Die Anzahl der Meßwiederholungen, die durchgeführt werden, bevor ein typischer Wert bei angeschalteter und abgeschal teter Heizungsvorrichtung ermittelt wird, kann beispielsweise auch nur eins sein, wenn eine schnelle Ermittlung notwendig ist. Alternativ jedoch können - falls die Wider standsmessungen stark aufgrund von Komponentenvariationen oder Umgebungsbediungungen variieren - sehr viele Meßwie derholungen, bspw. fünf bis zehn, durchgeführt werden, bevor ein typischer Wert berechnet wird. Die Verwendung sehr vieler Meßwiederholungen verringert die Bedeutung eines einzelnen falsch gemessenen Scheinwiderstandes wesentlich.

Die Vorrichtung 20 ist dynamische, da die Heizvorrichtung ak tiviert oder desaktiviert, bzw. mit Energie versorgt oder von der Energieversorgung getrennt wird, während der Motor 22 weiter in Betrieb ist. Indem die Heizvorrichtung 44 an- und abgeschaltet wird, kann die Vorrichtung 20 wiederholt Messun gen durchführen und dadurch die Gefahr, falsch abzulesen, re duzieren.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wurden be schrieben. Selbstverständlich können Änderungen und Abwei chungen durchgeführt werden, ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung zu entfernen. Umfang und Wesen der Erfindung sind durch die Ansprüche, eingeschlossen Äquivalente derselben, definiert, sie sind vor dem Hintergrund der Beschreibung aus zulegen.

Claims

1. Beheizte Sauerstoffabgassensorbaugruppe für Verbren nungsmotoren, gekennzeichnet durch die nachfolgende Kombi nation:
einen Sauerstoffsensor (42) mit einem Sensorelement (52) und einem Paar Ausgangsleitungen (54, 56) zur Erfassung des Sauerstoffgehalts mit dem Sensorelement (52) und zur Über tragung eines elektrischen Sauerstoffgehalt-Signals durch das Paar Ausgangsleitungen (54, 56);
eine Heizvorrichtung (44), zum Erhitzen des Sauerstoff sensors (42);
einen mit dem Paar Ausgangsleitungen (54, 56) verbunden Scheinwiderstandssensor, um den Scheinwiderstand zwischen dem Paar Ausgangsleitungen (54, 56) zu erfassen und ein Scheinwiderstandssignal zu übertragen;
eine mit der Heizvorrichtung (44) und dem Scheinwider standssensor verbundene Motorregelung (38), um

- eine Sequenz des Aktivierens und anschließenden Desaktivierens der Heizvorrichtung (44) zu überwachen;
- Scheinwiderstandssignale bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung (44) zu empfangen;
- die Scheinwiderstände der Heizvorrichtung (44) darstellenden Scheinwiderstandssignale miteinander zu vergleichen;
- die Differenz der Scheinwiderstände zu bestimmen; und
- ein Heizvorrichtungsstörsignal zu übertragen, wenn die Differenz der Scheinwiderstände geringer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sequenz des Aktivierens und Desaktivierens der Heizvor richtung (44) folgendes aufweist:

- Aktivieren der Heizvorrichtung (44);
- Warten über ein erstes vorgegebenes Zeitintervall;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung (44); und
- Warten über ein zweites vorgegebenes Zeitintervall.

3. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sequenz des Aktivierens und Desaktivierens der Heizvor richtung (44) von der Motorregelung (38) mindestens zweimal befolgt wird, unter

- Ermitteln eines typischen Wertes bei angeschalteter Heizvorrichtung (44) nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall entsprechend dem Heizungsscheinwiderstandswert nach einem ersten vorherbestimmten Intervall und eines typischen Heizvorrichtung-Aus-Wertes, entsprechend dem Scheinwiderstandswert nach dem zweiten vorherbestimmten Zeitintervall; und
- Vergleich der die typischen Werte bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung (44) dargestellten Scheinwiderstandsniveaus durch die Motorregelung (38) zur Ermittlung der Differenz der Scheinwiderstände.

4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß:

- der typische Wert für "angeschaltete Heizvorrichtung" (44) im wesentlichen dem Durchschnitt der Scheinwi derstände der Heizvorrichtung (44) nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall entspricht; und
- der typische Wert für "abgeschaltete Heizvorrichtung" (44) im wesentlichen einem Durchschnitt der Scheinwi derstände der Heizvorrichtung (44) nach dem zweiten vorgegebenen Zeitintervall entspricht.

5. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorregelung (38) die Sequenz des Aktivierens und nachfolgenden Desaktivierens der Heizvorrichtung (44) beginnt, nachdem der Motor (22) über einen vorherbestimmten Zeitraum in Betrieb ist.

6. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheinwiderstandsdifferenz ein Verhältnis der Scheinwiderstände bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung (44) aufweist.

7. Baugruppe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Motorregelung (38) verbundene Alarmeinrichtung, die das Heizvorrichtungsstörsignal empfängt und anzeigt, daß die Heizvorrichtung (44) eine Störung aufweist.

8. Verfahren zur Ermittlung einer Störung der Heizvorrichtung eines Sauerstoffabgassensors, wobei die Heizvorrichtung den Sauerstoffsensor erwärmt und der Sauerstoffsensor den Sauerstoffgehalt im Gaseinlaß erfaßt und ein Sau erstoffgehalts-Signal über ein Paar Ausgangsleitungen überträgt, erwärmt, gekennzeichnet durch:

- Aktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein erstes vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Bestimmung eines Scheinwiderstandes bei angeschalteter Heizvorrichtung;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein zweites vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Bestimmung eines Scheinwiderstandes bei abgeschalteter Heizvorrichtung;
- Ermitteln einer Differenz der Scheinwiderstandswerte durch Vergleich zwischen Scheinwiderständen bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung (44); und
- Übertragen eines Heizvorrichtungstörsignales, wenn die Differenz der Scheinwiderstände kleiner als ein vorge gebener Schwellenwert ist.

9. Verfahren zur Ermittlung einer Störung der Heizvorrichtung eines Sauerstoffabgassensors, die den Sauerstoffabgassensor, der den Sauerstoffgehalt erfaßt und ein Sauerstoffgehalts- Signal über ein Paar Ausgangsleitungen überträgt, erwärmt, gekennzeichnet durch:

- Aktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten über ein erstes vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Bestimmung eines ersten Scheinwiderstandes bei angeschalteter Heizvorrichtung;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung;
- Wagten über ein zweites vorgegebenes Zeitintervall;
- Messen eines Scheinwiderstandes zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors zur Bestimmung eines ersten Scheinwiderstandes bei abgeschalteter Heizvorrichtung;
- ein Aktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten des ersten vorgegebenen Zeitintervalls;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Bestimmung eines zweiten Scheinwiderstandes bei angeschalteter Heizvorrichtung;
- Desaktivieren der Heizvorrichtung;
- Warten des zweiten vorgegebenen Zeitintervalls;
- Messen eines zwischen dem Paar Ausgangsleitungen des Sauerstoffsensors anliegenden Scheinwiderstandes zur Bestimmung eines zweiten Scheinwiderstandes bei abgeschalteter Heizvorrichtung;
- Bestimmen eines typischen Wertes für angeschaltete Heizvorrichtung, der im wesentlichem dem Schein widerstand der Heizvorrichtung nach den ersten vorgegebenen Zeitintervallen entspricht;
- Bestimmen eines typischen Wertes für abgeschaltete Heizvorrichtung, der im wesentlichem dem Schein widerstand der Heizvorrichtung nach dem zweiten vorgegebenen Zeitintervall entspricht;
- Vergleichen der typischen durch die Werte bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung dargestellten Scheinwiderstandsniveaus, um eine Differenz der Scheinwiderstände zu bestimmen; und
- Übertragen eines Heizvorrichtungstörsignales, wenn die Differenz der Scheinwiderstände kleiner als ein vorge gebener Schwellenwert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch:

- Bestimmen eines typischen Wertes für angeschaltete Heizvorrichtung, das eine Bestimmung des Durchschnittes der Scheinwiderstände nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall umfaßt, wobei der Schritt das Bestimmen eines typischen Wertes für abgeschaltete Heizvorrichtung die Bestimmung des Durchschnittes der Scheinwiderstände nach den zweiten vorgegebenen Zeitintervallen umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch:

- Bestimmen, ob der Motor (22) den Betrieb bereits begonnen hat; und
- Warten über ein vorgegebenes Zeitintervall, bevor die Heizvorrichtung (44) das erste Mal aktiviert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet:

- daß die Differenz der Scheinwiderstände ein Verhältnis zwischen den Scheinwiderstandssignalen bei an- und abgeschalteter Heizvorrichtung aufweist.