BRPI0101004B1 - Circuito e método para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio - Google Patents

Description

Circuito e método para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio A presente invenção se refere a um circuito e a um método para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio.

Como é sabido, os motores de combustão interna são dotados de sistemas para a redução do gás de exaustão, com base nas informações fornecidas por sondas de oxigênio (as chamadas sondas LAMBDA), e as unidades eletrônicas de controle cujas tarefas incluem, entre outras coisas, a minimização das emissões de substâncias poluentes e a verificação, com o auxílio de circuitos apropriados, do funcionamento correto dos vários componentes, em particular as sondas de oxigênio. Essas sondas compreendem normalmente uma célula sensível que tem uma resistência interna e emite um sinal de tensão cuja amplitude varia como uma função da concentração de oxigênio presente na atmosfera na qual a célula sensível é imersa, e um elemento de aquecimento, por exemplo, formado por um resistor, o qual torna possível manter a temperatura da célula sensível dentro da faixa predeterminada de valores de operação, por exemplo entre cerca de 600° C e cerca de 800° C.

Os vários tipos de circuitos e métodos relativos para monitorar e diagnosticar sondas de oxigênio são conhecidos.

De acordo com uma primeira solução, um resistor que tem um valor de resistência conhecido é disposto em série com o elemento de aquecimento, enquanto que um amplificador diferencial detecta a queda de tensão no resistor e envia a uma unidade de controle da unidade eletrônica de controle um sinal de saída representativo dessa queda de tensão. De acordo com a solução descrita acima, o sinal de saída do amplificador diferencial é digitalizado e usado para calcular, de uma maneira conhecida per se, a corrente que flui no resistor e no elemento de aquecimento, e para regular, por exemplo, por meio de um controlador do tipo proporcional-integral, a energia dissipada por este último. A unidade de controle verifica, além disso, se a corrente é mantida dentro de uma faixa predeterminada de valores de operação. Em caso negativo, é detectado um mau funcionamento do elemento de aquecimento.

Uma segunda solução envolve o uso de um amplificador diferencial que tem as entradas conectadas aos terminais das células sensíveis e uma saída conectada à unidade de controle. Neste caso, uma corrente é injetada nas sondas a fim estimar a sua resistência interna que é ligada à temperatura da sonda de acordo com uma relação conhecida. A temperatura da sonda pode ser ajustada outra vez ao se empregar um controlador do tipo proporcional-integral.

Embora as soluções descritas acima sejam exatas e de confiança, não obstante elas envolvem inconvenientes, uma vez que elas fazem uso de circuitos caros, em particular em conseqüência do amplificador diferencial e, no primeiro caso, também do resistor de derivação. O objetivo da presente invenção consiste na apresentação de um circuito para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio que seja simples e econômico de construir.

Por conseguinte, a presente invenção se refere a um circuito para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio, dotado de com uma célula sensível, conectada entre um primeiro e um segundo terminais de sinais, e um elemento de aquecimento, conectado entre uma batería e um terminal de aquecimento, sendo que o circuito compreende um estágio de interface e uma unidade de controle, onde esse estágio de interface compreende um primeiro resistor conectado entre uma linha de alimentação e o primeiro terminal de sinais da sonda de oxigênio, um segundo resistor conectado entre o primeiro terminal de sinais e o segundo terminal de sinais da sonda de oxigênio, sendo que o circuito é caracterizado pelo fato de que a unidade de controle compreende um primeiro conversor analógico-digital conectado ao primeiro terminal de sinais, e um segundo conversor analógico-digital conectado ao segundo terminal de sinais, e o estágio de interface compreende um terceiro resistor conectado entre o segundo terminal de sinais e uma linha potencial de referência. A presente invenção também se refere a um método para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio, tal como definido na reivindicação 5. A invenção é descrita em detalhe adicionais mais abaixo com referência a uma realização preferida da mesma, fornecida puramente a título de exemplo não limitador, e formada com referência aos desenhos anexos, nos quais: - a Figura 1 é um diagrama elétrico simplificado de um circuito de monitoramento e diagnóstico da presente invenção; e - as Figuras 2 e 3 são fluxogramas que se referem a um método de monitoramento e diagnóstico da presente invenção.

Na Figura 1, um circuito para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio sonda 2 é indicado pela referência numérica 1. A sonda de oxigênio 2 compreende uma célula sensível 3, mostrada por meio de um gerador de tensão 4, que supre uma tensão de sonda Vs, e um resistor interno 5, que tem um valor de resistência interna Rint, conectados em conjunto em série e dispostos entre um primeiro e um segundo terminais de sinais 6, 7, respectivamente, que têm uma primeira e uma segunda tensões V-ι, V2, e um elemento de aquecimento 10, mostrado por um resistor conectado entre uma batería 11, que supre uma tensão de batería VBatt, e um terminal de aquecimento 12 da sonda de oxigênio 2. A diferença entre a primeira e a segunda tensões de sinal \Λ, V2, além disso, representa uma tensão de saída V0 da sonda de oxigênio 2. O circuito de monitoramento e diagnóstico 1 compreende um estágio de interface 15, uma unidade de controle 16, um resistor de diagnóstico 17 e um interruptor de acionamento18, formado, por exemplo, por um transistor do tipo MOS, disposto entre o terminal de aquecimento da sonda de oxigênio 2 e o terra. O estágio de interface 15 compreende um primeiro resistor 20 que tem um primeiro terminal conectado ao primeiro terminal de sinais 6 da sonda de oxigênio 2, e um segundo terminal conectado, através de um interruptor de interface 21 que é normalmente aberto (por exemplo, um transistor do tipo do MOS), a uma linha de alimentação 22 que supre uma tensão de alimentação VCc, um segundo resistor 23 conectado entre o primeiro e o segundo terminais de sinais 6, 7, e um terceiro resistor 24 disposto entre o segundo terminal de sinais 7 e a terra. O primeiro, o segundo e o terceiro resistores 20, 23, 24 apresentam, além disso, os respectivos primeiro, segundo e terceiro valores de resistência Ri, R2, R3. A unidade de controle 16, formada por um microprocessador de um tipo conhecido per se, compreende um primeiro e um segundo conversores analógicos-digitais 26, 27 conectados respectivamente ao primeiro e segundo terminais de sinais 6, 7 da sonda de oxigênio 2 através dos filtros de passagem de baixa freqüência 28, 29 (por exemplo filtros RC da primeira ordem). A unidade de controle 16, além disso, tem uma entrada de diagnóstico 30, conectada ao terminal de aquecimento 12 da sonda de oxigênio 2 através do resistor de diagnóstico 17, uma saída de controle 31 e uma saída de acionamento 32.

Em maiores detalhes, a saída de controle 31 é conectada a um terminal de controle do interruptor de interface 21 e emite um sinal de controle C, que tem um primeiro e um segundo valores lógicos, em correspondência com o que o interruptor de interface 21 é controlado para abrir e respectivamente para fechar. A saída de acionamento 32 é conectada a um terminal de controle do interruptor de acionamento 18 e emite um sinal de acionamento PWM de um tipo de onda quadrada com um ciclo de operação variável, a fim de, alternativamente, controlar a abertura e o fechamento do interruptor de acionamento 18 dependendo da amplitude desse ciclo de operação. O circuito de monitoramento e diagnóstico torna possível medir o valor da resistência interna R|NT da célula sensível 3 da maneira descrita abaixo com referência à Figura 2. O sinal de controle C é mantido normalmente no primeiro valor lógico, a fim de manter o interruptor de interface 21 aberto (bloco 100).

Os valores atuais da primeira e segunda tensão \Λ, V2, indicados respectivamente como V10ff e V20Ff, são adquiridos inicialmente (bloco 110), e uma tensão de saída inicial Vn da tensão de saída V é calculada (bloco 120) com base na equação: d) Imedíatamente depois da aquisição dos valores de corrente V-ioff e V20ff, o sinal de controle C é ajustado ao segundo valor lógico (bloco 130), a fim de controlar o fechamento do interruptor de interface 21 e injetar uma corrente de teste lT (Figura 1), e os valores da corrente da primeira e da segunda tensões de sinal \Λ, V2 indicados respectivamente como V10n e V2on, são adquiridos uma segunda vez (bloco 140).

Uma vez que estes valores tenham sido adquiridos, o sinal de controle C é ajustado outra vez ao primeiro valor lógico a fim de reabrir o interruptor de interface 21 e restaurar as condições de operação normais do circuito de monitoramento e diagnóstico 1 e da sonda de oxigênio 2 (bloco 145).

Depois disso, um segundo valor de saída V2 da tensão de saída V0 (bloco 150) e o valor da corrente de teste lT (bloco 160) são calculados com base nas equações: (2) e respectivamente (3) Se, em consequência de um mau funcionamento, houver uma dispersão entre o segundo terminal de sinais 7 e a terra, a segunda tensão de sinal V2 permanece próxima de um valor igual a zero a despeito do estado do interruptor de interface 21. Neste caso, a seguinte equação é usada no lugar da equação (3) para o cálculo da corrente de teste lT: (3’) na qual VDS é a queda de tensão nos terminais do interruptor de interface 21 quando estiver fechado. Esta queda de tensão pode ser considerada constante e é conhecida. O valor da resistência interna R|NT é calculado por último (bloco 170) de acordo com a equação: (4) A equação (4) pode ser obtida da seguinte maneira. O primeiro valor de saída V] que é obtido quando o interruptor de interface 21 estiver aberto é fornecido pela relação: (5) Quando o interruptor de interface 21 estiver fechado, a tensão de saída V0 da sonda de oxigênio 2 assume o segundo valor V2 fornecido pela expressão: (6) na qual Rp é o valor da resistência da paralela entre o resistor interno 5 e o segundo resistor 23 (figura 1), e pode ser obtido a partir da relação bem conhecida: (7) Uma vez que o valor da tensão da sonda Vs não varia em ambos os casos, as equações (5) e (6) podem ser combinadas para que se tenha a expressão: (8) da qual é obtida a seguinte equação: (9) A equação (4) pode ser obtida de imediato ao se equacionar os segundos membros da equação (7) e (9) e ao se tornar explícito o valor da resistência interna R|NT.

Tal como mostrado na Figura 3, um método para monitorar a sonda de oxigênio 2, em particular a temperatura T da célula sensível 3, envolve o cálculo inicial do valor da resistência interna R|NT da célula sensível 3 por meio do procedimento descrito com referência à Figura 2 (bloco 200).

Um valor atual da temperatura T da célula sensível 3 é calculado então por meio da reação (conhecida) que liga a temperatura T ao valor da resistência interna R|NT (bloco 210).

Depois disso, por meio de uma função de controle de um tipo conhecido (por exemplo, uma função de controle de um tipo proporcional-integral), o ciclo de operação que precisa ser fornecido para o sinal de acionamento PWM a fim de suprir o elemento de aquecimento 10 com a energia elétrica necessária para manter a célula sensível 3 na temperatura desejada é calculado (bloco 220).

Por último, o sinal de acionamento PWM, que tem o ciclo de operação previamente predeterminado, é enviado ao terminal de controle do interruptor de acionamento 18 a fim de controlar a energia dissipada pelo elemento de aquecimento 10 (bloco 230). O circuito de monitoramento e diagnóstico 1 torna possível, além disso, a execuçãodos procedimentos para diagnosticar quaisquer mau funcionamentos da célula sensível 3 e do elemento de aquecimento 10.

No que se refere à célula sensível 3, os valores da corrente Vion e V20N da primeira e da segunda tensões de sinal \Λ, V2 adquiridos durante o cálculo do valor da resistência interna R|Nt depois do fechamento do interruptor de interface 21, são usados (blocos 130 e 140 da Figura 2). Em particular, se o valor da corrente V10N da primeira tensão de sinal \Λ for maior do que um limite superior predeterminado, a presença de uma dispersão entre o primeiro terminal de sinal 6 e a linha de alimentação 22 é detectada e sinalizada. Se o valor da corrente V2on da segunda tensão de sinal V2 for mais baixo do que um limite inferior predeterminado, a existência de uma dispersão entre o segundo terminal de sinal 7 e a terra é diagnosticada. Neste caso, além disso, um bit do estado é atualizado para indicar que a equação (3') deve ser usada no lugar da equação (3) para o cálculo da resistência interna Rint da célula sensível 3. A natureza operacional do elemento de aquecimento 10 é avaliada ao se detectar, por meio do resistor de diagnóstico 17 e da entrada de diagnóstico 30 da unidade de controle 16, uma tensão de aquecimento VH presente no terminal de aquecimento 12 da sonda de oxigênio 2 (Figura 1), e esta é comparada com uma tensão de referência predeterminada. Em particular, se a tensão de aquecimento VH for maior do que a tensão de referência predeterminada até mesmo quando o interruptor de acionamento 18 estiver fechado, um mau funcionamento devido a uma dispersão entre o terminal de aquecimento 12 e a batería 11 é sinalizado. Se, entretanto, a tensão de aquecimento VH for menor do que a tensão de referência predeterminada, até mesmo quando o interruptor de acionamento 18 estiver aberto, uma dispersão entre o terminal de aquecimento 12 e a terra é sinalizada. É possível, além disso, diagnosticar uma redução da eficácia do elemento de aquecimento 10 ao se calcular o valor da resistência interna R|NT que diminui à medida que a temperatura T da célula sensível 3 aumenta. Para esta finalidade, é verificado se este valor da resistência interna Rint continua a permanecer acima de um valor da resistência limite até mesmo com um ciclo de operação de 100% do sinal de acionamento PWM. Se for assim, um mau funcionamento é sinalizado, uma vez que, mesmo quando a potência máxima é suprida, o elemento de aquecimento 10 não é mais capaz de manter a temperatura T da célula sensível 3 em valores aceitáveis.

As vantagens do circuito de monitoramento e diagnóstico da invenção são claramente evidentes a partir da descrição acima.

Em primeiro lugar, o amplificador diferencial contido em dispositivos conhecidos é omitido, para se obter uma vantagem substancial no custo. O circuito de monitoramento e diagnóstico 1 também é muito preciso e robusto. A possibilidade de calcular a corrente de teste lT que é injetada torna a medição do valor da resistência interna Rint da célula sensível 3 exata e confiável. Além disso, até mesmo no caso do mau funcionamento parcial do circuito, é possível usar um método alternativo para o cálculo da corrente de teste lT ao se empregar a equação (3').

Deve ser apreciado o fato que modificações e variações podem ser feitas no método descrito acima contanto que elas não desviem do âmbito de proteção da presente invenção.

Claims (10)

1. Circuito para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio (2) dotada de uma célula sensível (3) conectada entre um primeiro e um segundo terminais de sinais (6, 7) e um elemento de aquecimento (10) conectado entre um batería (11) e um terminal de aquecimento (12), sendo que circuito compreende um estágio de interface (15) e uma unidade de controle (16), onde esse estágio de interface (15) compreende um primeiro resistor (20) conectado entre uma linha de alimentação (22) e primeiro terminal de sinal (6) da sonda de oxigênio (2), e um segundo resistor (23) conectado entre o primeiro terminal de sinal (6) e o segundo terminal de sinal (7) da sonda de oxigênio (2), sendo que o circuito é caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (16) compreende um primeiro dispositivo conversor analógico-digital (26) conectado ao primeiro terminal de sinal (6), e um segundo dispositivo conversor analógico-digital (27) conectado ao segundo terminal de sinal (7), e sendo que o estágio de interface (15) compreende um terceiro resistor (24) conectado entre o segundo terminal de sinal (7) e uma linha potencial de referência, e sendo que o estágio de interface (15) compreende um interruptor de interface (21) conectado entre o primeiro resistor (20) e a linha de alimentação (22) e possui um terminal de controle conectado a uma saída de controle (31) da unidade de controle (16), sendo que a saída de controle (31) emite um sinal lógico de controle (C), a fim de alternativamente comandar a abertura e o fechamento do interruptor de interface (21).

2. Circuito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle (16) tem uma entrada de diagnóstico conectada ao terminal de aquecimento da sonda de oxigênio (2).

3. Circuito, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de compreender um interruptor de acionamento (18) conectado entre o terminal de aquecimento (12) e a linha potencial de referência, e tem um terminal de controle conectado a uma saída de acionamento (32) da unidade de controle (16), sendo que essa saída de acionamento emite um sinal de acionamento (PWM) que tem um ciclo de operação variável, a fim de alternativamente controlar a abertura e o fechamento do interruptor de acionamento (32).

4. Método para monitorar e diagnosticar uma sonda de oxigênio (2), dotada de uma célula sensível (3) conectada entre um primeiro e um segundo terminais de sinais (6, 7) e que supre uma tensão de saída (NA,), e um elemento de aquecimento (10) conectado entre uma batería (11) e um terminal de aquecimento (12), sendo que a sonda de oxigênio é conectada a um circuito de monitoramento e diagnóstico (1) que tem um estágio de interface (15) e uma unidade de controle (16) que compreende um primeiro e um segundo dispositivos conversores analógicos-digitais (26, 27) conectados respectivamente ao primeiro e ao segundo terminais de sinais (6, 7), onde esse estágio de interface (15) compreende um primeiro resistor (20) conectado entre uma linha de alimentação (22) e o primeiro terminal de sinal (6) e que tem um primeiro valor da resistência (Rt), um segundo resistor (23) conectado entre o primeiro e o segundo terminais de sinais (6, 7) e que tem um segundo valor da resistência (R2), um terceiro resistor (24) conectado entre o segundo terminal de sinal (7) e uma linha potencial de referência e que tem um terceiro valor da resistência (R3), e um interruptor de interface (21) disposto entre a linha de alimentação (22) e o primeiro resistor (20), sendo que o método compreende os estágios de: a) cálculo de um valor da resistência interna (R:NT) da célula sensível (200); b) cálculo de uma temperatura (T) desta célula sensível como uma função desse valor da resistência interna (Rint) (210); c) determinação do ciclo de operação de um sinal de acionamento (PWM) (220); d) geração do sinal de acionamento (PWM) a fim de acionar o elemento de aquecimento (230); sendo que o método é caracterizado pelo fato de que o estágio a) de calcular o valor da resistência interna (Rint) compreende os estágios de: a1) execução de uma primeira aquisição (110) dos valores de uma primeira e uma segunda tensões de sinal (V1: V2) presentes no primeiro e respectivamente no segundo terminais de sinais (6, 7) quando o interruptor de interface (21) estiver aberto; a2) execução de uma segunda aquisição (140) dos valores dessas primeira e segunda segunda tensões de sinal (\7|, V2) quando o interruptor de interface (21) estiver fechado.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o estágio a) de calcular o valor da resistência interna (Rint) compreende o estágio de: a3) cálculo de uma corrente de teste (lT) que flui no estágio de interface quando o interruptor de interface (21) estiver fechado.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o estágio a3) de calcular uma corrente de teste (lT) é obtido ao se calcular a corrente de teste (lT) de acordo com a equação. na qual (V20N) é o valor da segunda tensão de sinal (V2) obtido durante a segunda aquisição (140).

7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o estágio a3) de calcular uma corrente de teste (lT) é obtido ao se calcular a corrente de teste (lT) de acordo com a equação: na qual (VCc) é uma tensão de alimentação suprida pela linha de alimentação (22), (V10N) é o valor da primeira tensão de sinal (Vi) obtido durante a segunda aquisição (140) e (Vds) é uma queda de tensão no interruptor de interface (21) quando eles estão fechados.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que o estágio a) de calcular o valor da resistência interna (Rint) compreende os estágios de: a4) cálculo de um primeiro valor de saída (Vx1) da tensão de saída (\/λ) quando o interruptor de interface (21) estiver aberto; a5) cálculo de um segundo valor de saída (Ν/λ2) da tensão de saída (\/λ) quando o interruptor de interface (21) estiver fechado.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o estágio a) de calcular o valor da resistência interna (R:nt) é obtido ao se calcular esse valor da resistência interna (Rint) de acordo com a equação:

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 9, no qual o circuito de monitoramento e diagnóstico (1) compreende um interruptor de acionamento (18) conectado entre o terminal de aquecimento (12) e a linha potencial de referência e compreende um terminal de controle conectado a uma a saída de acionamento (32) da unidade de controle (16), caracterizado pelo fato de compreender os estágios de: e) sinalização de um mau funcionamento se uma tensão de aquecimento (VH) presente no terminal de aquecimento (12) for maior do que uma tensão limite predeterminada e o interruptor da acionamento (18) estiver fechado; f) sinalização de um mau funcionamento se a tensão de aquecimento (VH) for menor do que a tensão limite predeterminada e o interruptor de acionamento (18) estiver aberto.