DE10025578C2 - Prüf- und Kalibriervorrichtung für eine Auswerteschaltung einer linearen Sauerstoffsonde (Lambdasonde) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüf- und Kalibriervorrichtung für eine Auswerteschaltung einer linearen Sauerstoffsonde (im folgenden Lambdasonde oder Sonde genannt) einer Brennkraftma­ schine, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, gemäß den im Oberbegriff wiedergegebenen Merkmalen des Anspruchs 1.

Aus DE 198 44 994 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose einer stetigen Lambdasonde bekannt, bei der dem Sollwert für die Lambdaregelung periodische Zwangsanregungen aufgeprägt werden und das Streckenverhalten des Lambdaregelungskreises mittels eines Modells, das als Modellparameter die Sensorverzöge­ rungszeit beinhaltet, nachgebildet wird. Die Amplitudenver­ stärkungen von Modell und System werden miteinander vergli­ chen und abhängig vom Vergleichsergebnis der Modellparameter adaptiert. Liegt der Adaptionswert oberhalb einer Schwelle, so wird die Lambdasonde als defekt eingestuft.

In DE 198 36 127 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines aus einer Abgassonde und einer Regel­ schaltung bestehenden Sondensystems für ein Kraftfahrzeug be­ schrieben. Die Regelschaltung weist einen Mikrocontroller in Verbindung mit analogen Beschaltungen auf. Unter vorgegebenen Prüfbedingungen in einer Testkammer aufgenommene Meßwerte werden in Kennfeldern in einem programmierbaren Festwertspei­ cher gespeichert. Diese Werte dienen dann als Referenz für eine nachfolgende Nachkalibrierung des Sondensystems.

Im Fertigungsprozeß von Motorsteuerschaltungen von Brenn­ kraftmaschinen ist eine Prüfung und Kalibrierung der Sonden- Auswerteschaltung im eingebauten Zustand erforderlich. Dabei sollen alle relevanten Parameter unter Betriebsbedingungen verifiziert werden - verschiedene Versorgungsspannungen und Temperaturen der Motorsteuerschaltung, aber auch verschiedene Betriebszustände (Lambdawerte) der Sonde. Ebenso soll getes­ tet werden, ob die Auswerteschaltung bestimmte Sondenfehler erkennt.

Außerdem ist es wünschenswert, beim Betrieb der Brennkraftma­ schine neben der gesetzlich geforderten OBD (on board di­ agnostics) der Sonde eine Kalibrierung des Systems (Sonde und Auswerteschaltung) vornehmen zu können.

Sonde und Auswerteschaltung stellen ein geschlossenes Regel­ system dar. Eine einfache Messung der elektrischen Eigen­ schaften der Auswerteschaltung (beispielsweise Offset oder Verstärkung) ist deshalb wenig aussagekräftig. Der Test muß bei geschlossener und stabiler Regelschleife erfolgen.

Ein Test mit angeschlossener Lambdasonde erlaubt zwar eine Messung im Betriebszustand, ist aber zeitaufwendig und unge­ nau. Eine Fehlereinfügung zum Nachweis der Diagnosefunktion erfolgt beispielsweise mittels Schaltern in den Sondenzulei­ tungen, womit Kurzschlüsse und Unterbrechungen simuliert werden können. Das ist sehr zeitaufwendig und fehleran­ fällig. Eine Messung verschiedener Arbeitspunkte der Sonde kann zudem nur durch Veränderung der Sauerstoff-Konzentration um die Sonde erfolgen. Dies erfordert eine sehr aufwendige Gaswechselvorrichtung, die regelmäßig kalibriert werden muß. Da ein Gaswechsel, technisch bedingt, vergleichsweise langsam verläuft, ist eine Bewertung der Regelstabilität des Systems nicht möglich.

Eine Kalibrierung des Systems (Sonde und Auswerteschaltung) erfolgt im Motorbetrieb in zwei Arbeitspunkten:

• a) bei λ = 1. Hier sollte kein oder nur ein minimaler Pump­ strom fließen, da die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine und in der Meßzelle im Gleichgewicht sind;
• b) bei λ = ∞, also ohne Kraftstoff, d. h., im Schiebebetrieb eines Kraftfahrzeugs. Hier wird der erforderliche (maximale) Pumpstrom gemessen.

Aus den bei diesen beiden Messungen gewonnenen Werten lassen sich Offset und Steigung der Übertragungsfunktion bestimmen. Die Rechenwerte werden in einer Korrekturtabelle abgelegt.

Das Verfahren ist insgesamt recht aufwendig und (wegen mögli­ cher Restabgase oder Abkühlung der Sonde im Schiebebetrieb) nur begrenzt zuverlässig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Prüf- und Kalibriervor­ richtung für eine Auswerteschaltung einer linearen Lambda­ sonde einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die auf einfache Weise während des Motorbetriebs in vorgegebenen Arbeitspunk­ ten eine Prüfung und Kalibrierung der Auswerteschaltung sowie eine Einfügung beliebiger Fehler zum Nachweis der Diagnose­ funktion ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Zweckmäßige und weiterhin vorteilhafte Weiterbildungen der Prüf- und Kalibrier­ vorrichtung nach Anspruch 1 sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen bekannten, elektrischen Schaltplan einer Lambdasonde mit einer Auswerteschaltung, und

Fig. 2 einen elektrischen Schaltplan einer er­ findungsgemäßen Sonden-Ersatzschaltung.

Fig. 1 zeigt einen bekannten, elektrischen Schaltplan einer puktiert eingerahmten Lambdasonde S mit einer Auswerteschal­ tung zum Betrieb einer linearen Lambdasonde einer Brennkraft­ maschine.

Die Lambdasonde S besteht

• a) aus der sog. Referenzzelle, d. h., aus den Elektroden zwischen Meßkammer und Luft, in der Zeichnung dargestellt durch die zwischen den Elektroden meßbare Nernstspannung Vs und den Innenwiderstand Ris der Diffusionsbarriere zwischen ihnen,
• b) aus der sog. Pumpzelle, d. h., aus den Elektroden zwis­ chen Meßkammer und Abgas, dargestellt durch die zwischen ih­ nen abfallende Spannung Vp und den (Referenz-)Widerstand Rip zwischen diesen Elektroden, und
• c) aus dem Kalibrierwiderstand Rc im Sondenstecker.

Die Elektroden sind auf den Keramikkörper der Sonde aufge­ bracht. Das Keramikmaterial zwischen den Elektrodenpaaren ist bei hohen Temperaturen leitfähig und dient als Festkör­ perelektrolyt.

Da der Widerstand Rc aufgrund seiner Einbaulage im Sonden­ stecker erheblichen Umweltbelastungen ausgesetzt ist, wird ihm im Steuergerät ein weiterer Widerstand Rp parallel geschaltet. Dies reduziert den Einfluß von Rc auf die Gesamtge­ nauigkeit. Aus der Sonde S sind die vier Anschlüsse Vs+, Vp-/Vs-, Vp+ und Rc herausgeführt und mit der Auswerteschal­ tung verbunden.

Der invertierende Eingang R- eines Differenzverstärkers bzw. Reglers R ist mit dem Anschluß Vs+ der Sonde S verbunden, sein nichtinvertierender Eingang R+ ist über eine Referenz­ spannung Vref mit der Mittenspannung Vm verbunden, wobei Vm = Vcc/2, und Vcc (üblicherweise 5 V) die Versorgungsspan­ nung der Schaltung ist.

Mit der Mittenspannung Vm ist auch der invertierende Eingang P- einer Pumpstromquelle P verbunden, deren nichtinvertieren­ der Eingang P+ mit dem Ausgang des Differenzverstärkers R verbunden ist.

Der Ausgang der Pumpstromquelle P ist mit dem Eingang Rc der Sonde S verbunden.

Der Differenzverstärker/Regler R vergleicht die Nernstspan­ nung Vs der Sonde S (zwischen Außenluft und Meßzelle) mit der Referenzspannung Vref (450 mV) und erzeugt eine der Differenz proportionale Ausgangsspannung, die von der Pumpstromquelle P in einen proportionalen Pumpstrom Ip umgewandelt wird, welcher durch die Pumpzelle (Rip und Vp) zu Vm fließt. Der Pumpstrom Ip führt zu einer Änderung der Sauerstoffkonzentra­ tion in der nicht dargestellten Meßzelle der Sonde, was wiederum eine Änderung der Nernstspannung Vs zur Folge hat.

Die Ermittlung der Sauerstoffkonzentration im Abgas (Lambda) erfolgt über eine Messung des Pumpstromes. Dazu wird der vom Pumpstrom Ip hervorgerufene Spannungsabfall an der Parallel­ schaltung von Rc und Rp mittels eines nicht dargestellten Differenzverstärkers gemessen.

Im stabilen Regelzustand beträgt die Nernstspannung Vs = Vref = 450 mV: es herrscht ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Sauerstoff-Fluß durch die Diffusionsbarriere und dem Sauerstoffionen-Fluß, bedingt durch den Pumpstrom Ip.

Erfindungsgemäß wird die Lambdasonde während des Prüf- und Kalibrierbetriebes der Auswerteschaltung durch eine elektro­ nische Sonden-Ersatzschaltung SES ersetzt, deren elektrischer Schaltplan in Fig. 2, punktiert eingerahmt, dargestellt ist.

Diese Sonden-Ersatzschaltung SES hat die gleichen Anschlüsse Vs+, Vp-/Vs-, Vp+ und Rc wie die Lambdasonde S nach Fig. 1 und bildet deren elektrisches und chemisches Verhalten weit­ gehend nach.

Verbindet man die Anschlüsse der Sonden-Ersatzschaltung SES mit den entsprechenden Anschlüssen der Auswerteschaltung, so wird die Regelschleife geschlossen und es stellt sich im Nor­ malfall ein stabiler Betriebszustand (Normalzustand) der Auswerteschaltung ein.

Die Sonden-Ersatzschaltung SES weist einen invertierenden In­ tegrator mit IPI-Verhalten (Integral-Proportional-Integral- Verhalten) auf, welcher aus einem Operationsverstärker OP1, Widerständen R2 und R3 sowie Kondensatoren C1 und C2 aufge­ baut ist. Er bildet die Übergangsfunktion der Sonde im rele­ vanten Frequenzbereich nach.

Vom Anschluß Rc führt eine Reihenschaltung aus einem Wider­ stand Rc und einem Widerstand Rip zum nichtinvertierenden Eingang OP1+ des Operationsverstärkers OP1. Ein weiterer Wi­ derstand R2 ist zwischen den Verbindungspunkt der beiden Wi­ derstände Rc, Rip und den invertierenden Eingang OP1- des Op­ erationsverstärkers OP1 geschaltet. Der Ausgang von OP1 ist mit einem - im Normalfall geschlossenen - Schalter S3 verbun­ den. Zwischen dem invertierenden Eingang OP1- und dem anderen Anschluß des Schalters S3 ist ein Kondensator C2 geschaltet, zu dem eine Reihenschaltung aus einem Kondensator C1 und eines Widerstandes R3 parallelgeschaltet ist. Der Ver­ bindungspunkt der beiden Widerstände Rc und Rip ist mit dem Anschluß Vp+ verbunden.

Dem invertierenden Integrator OP1 folgt ein Inverter, der aus einem Operationsverstärker OP2 und Widerständen R4 und R5 aufgebaut ist. Er stellt die richtige Phasenlage der Übertra­ gungsfunktion her.

Der Widerstand R4 verbindet den invertierenden Eingang OP2- des Operationsverstärkers OP2 mit dem Ausgang des Operations­ verstärkers OP1. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist über einen - im Normalfall geschlossenen - Schalter S2 und den Widerstand R5 auf seinen invertierenden Eigang rück­ gekoppelt. Die nichtinvertierenden Eingänge der beiden Opera­ tionsverstärker OP1 und OP2 sind miteinander und mit dem An­ schluß Vp-/Vs- verbunden. Zwischen den Anschlüssen Vp-/Vs- und Vs+ ist ein weiterer - im Normalfall geöffneter - Schalter S4 angebracht.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist über den Schal­ ter S2 und einen Widerstand Ris mit dem Anschluß Vs+ verbun­ den. Der invertierende Eingang OP1- des Operationsverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R1 und einen weiteren Anschluß In mit einem externen Umschalter S1 verbunden, über welchen an den Widerstand R1 ausgewählte Potentiale anlegbar sind.

Die Sonden-Ersatzschaltung SES ist somit aus Standard­ bauteilen kostengünstig herstellbar.

Verbindet man die Sonden-Ersatzschaltung SES nach Fig. 2 an­ stelle der Sonde S mit der Auswerteschaltung nach Fig. 1, so entsteht eine geschlossene Regelschleife. Der Integrator OP1 wird seine Ausgangsspannung so verändern, daß seine Eingangs­ spannung zu Null wird.

Stellt man Schalter S1 auf seine Mittelstellung 2, so ist Widerstand R1 stromlos und die Spannung am invertierenden Eingang OP1- entspricht der Mittenspannung Vm, beispielsweise 2.5 V. Dementsprechend wird sich auch die Spannung am nichtin­ vertierenden Eingang OP1+ auf Vm einstellen. Es fließt kein Pumpstrom Ip, die Schaltung stellt sich auf den Wert λ = 1 ein.

Stellt man Schalter S1 auf Stellung 1 = 0 V (Masse), so ergibt sich ein Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2: die Spannung am invertierenden Eingang OP1- sinkt, der invertier­ ende Integrator OP1 regelt über die Auswerteschaltung den Pumpstrom Ip nach. Durch den Spannungsabfall am Widerstand Rip steigt die Spannung am Anschluß Vp+. Das Gleichgewicht ist dann wieder erreicht, wenn der Spannungsab­ fall am Widerstand Rip dem an Widerstand R2 entspricht und der invertierende Eingang OP1- wieder die Spannung Vm er­ reicht hat.

Bei entsprechender Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 kann so ein Arbeitspunkt λ = ∞ (Luft) eingestellt weden.

Stellt man Schalter S1 auf Stellung 3 = +5 V, so wird die Spannung am invertierenden Eingang OP1- steigen, der inver­ tierende Integrator OP1 regelt über die Auswerteschaltung den Pumpstrom Ip nach, diesmal jedoch in die andere Richtung. Durch den Spannungsabfall am Widerstand Rip sinkt die Span­ nung am Anschluß Vp+. Das Gleichgewicht ist dann wieder er­ reicht, wenn der Spannungsabfall am Widerstand Rip dem an Widerstand R2 entspricht und der invertierende Eingang OP1- wieder die Spannung Vm erreicht hat.

Bei entsprechender Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 (die anders als bei Schalterstellung 1 sein kann, aber nicht muß) kann so ein Arbeitspunkt eingestellt werden, der einem Gemischwert von beispielsweise λ = 0.6 (fett) entspricht.

Auf diese Weise können beliebige Arbeitspunkte von λ = 0.6 (fett), über λ = 1 bis λ = ∞ (Luft) eingestellt werden.

Bei Anlegen eines Wechselspannungssignals an den Eingang In läßt sich sogar das dynamische Verhalten der Regelschleife, bestehend aus Auswerteschaltung und Sonden-Ersatzschaltung SES ermitteln, was bisher nicht möglich war.

Die Simulation von verschiedenen Sondenfehlern ist durch Betätigung der (CMOS-)Schalter S2, S3 und S4 möglich. Das Öffnen von Schalter S2 entspricht dabei einer defekten (wirkungslosen) Pumpzelle, das Öffnen von Schalter S3 einer Unterbrechung der Meßzelle oder deren Zuleitung, und das Schließen von Schalter S4 einem Kurzschluß zwischen den Son­ denanschlüssen Vp-/Vs- und Vs+. Weitere Fehler lassen sich analog durch Hinzufügen und Betätigen weiterer Schalter simu­ lieren.

In jedem dieser Fälle wird die Sonden-Ersatzschaltung SES einen unzulässigen Arbeitspunkt einnehmen, der dann von einer nicht dargestellten, die Auswerteschaltung überwachenden Di­ agnoseschaltung erkannt werden muß. Dies erlaubt auf einfache Weise eine komplette Überprüfung der Diagnosefunktion der Auswerteschaltung.

In der Fertigung erfolgt die Steuerung der Sonden- Ersatzschaltung SES durch einen Rechner, der gleichzeitig das Verhalten der Auswerteschaltung unter verschiedenen Be­ triebsbedingungen mißt (Automatisiertes Testsystem).

Eine lineare Lambdasonde ist bei niedrigen Temperaturen (< 200°C) sehr hochohmig. Zu Beginn der Aufheizphase ist die Sonde praktisch nicht existent. Man kann also in dieser Zeit die Sonden-Ersatzschaltung SES parallel zur Sonde mit der Auswerteschaltung verbinden. Die Regelschleife stabilisiert sich dann über die Sonden-Ersatzschaltung, so daß eine Über­ prüfung bzw. Kalibrierung der der Auswerteschaltung im Be­ trieb möglich ist. Steuert man nun verschiedene Arbeits­ punkte an (beispielsweise λ = 0.6, 1, ∞) und speichert die dazugehörigen Meßwerte der Auswerteschaltung, so ist eine Überprüfung der Meßgenauigkeit und ein Ausgleich alterungs­ bedingter Toleranzabweichungen möglich. Die Sonden-Ersatzschaltung SES kann in diesem Fall fester (integrierter) Bes­ tandteil der Auswerteschaltung sein. Sie muß dazu lediglich wärend des Normalbetriebes mit der echten Sonde mittels (CMOS-)Schaltern von der Auswerteschaltung getrennt werden.

Claims (10)

1. Prüf- und Kalibriervorrichtung für eine Auswerteschal­ tung einer linearen Sauerstoffsonde (S) einer Brennkraftma­ schine, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Sonden-Ersatzschaltung (SES) mit gleichen Anschlüs­ sen (Vs+, Vs-/Vp-, Vp+ und Rc) wie die Sauerstoffsonde (S) vorgesehen ist,
welche weitgehend das elektrische und chemische Verhalten der Sauerstoffsonde (S) nachbildet und Sondenfehler simulieren kann, und
welche zumindest während eines Prüf- und Kalibriervorgangs anstelle der Sauerstoffsonde (S), oder parallel zu ihr, mit der Auswerteschaltung verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonden-Ersatzschaltung (SES) einen invertierenden In­ tegrator (OP1) mit Integral-Proportional-Integral-Verhalten aufweist,
dessen nichtinvertierender Eingang (OP1+) mit dem Anschluß (Vp-/Vs-) und über eine Reihenschaltung aus einem Wider­ stand (Rip) und einem Widerstand (Rc) mit dem Anschluß (Rc) verbunden ist,
dessen invertierender Eingang (OP1-) einerseits über einen Widerstand (R2) mit dem Verbindungspunkt der beiden Wider­ stände (Rip, Rc) und mit dem Anschluß (Vp+), und anderer­ seits über einen Widerstand (R1) mit einem weiteren An­ schluß (In) verbunden ist,
dessen Ausgang mit seinem invertierenden Eingang (OP1-) über einen Kondensator (C2) verbunden ist, zu dem eine Reihen­ schaltung eines Kondensators (C1) und eines Widerstandes (R3) parallelgeschaltet ist, und
daß dem invertierenden Integrator (OP1) ein Inverter (OP2) nachgeschaltet ist,
dessen invertierender Eingang (OP2-) über einen Widerstand (R4) mit dem Ausgang des Integrators (OP1) verbunden ist,
dessen nichtinvertierender Eingang (OP2+) mit dem Anschluß (Vp-/Vs-) verbunden ist, und
dessen Ausgang über einen Widerstand (R5) mit seinem inver­ tierenden Eingang (OP2-) und über einen Widerstand (Ris) mit dem Anschluß (Vs+) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Inverters (OP2) und den Wider­ ständen (R5, Ris) ein Schalter (S2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Anschluß (In) ausgewählte Potentiale anlegbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen ausgewählter Potentiale an den Anschluß (In) über einen externen Umschalter (S1) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Integrators (OP1) und dem Kondensator (C2) einerseits und dem Widerstand (R4) andererseits ein Schalter (S3) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Sondenanschluß (Vs+) und dem zweiten Sondenanschluß (Vp-/Vs-) ein Schalter (S4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein externer Rechner vorgesehen ist, welcher am Fertigungsende der Auswerteschaltung die Prüf- und Kalibriervorgänge steuert und das Verhalten der Auswerteschaltung unter verschiedenen Betriebsbedingungen überprüft (Automatisiertes Testsystem).

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Sauerstoffsonde (S) während deren Aufheizphase bei einer Sondentemperatur kleiner als 200°C, die Sondenersatzschaltung (SES) parallel zur Sau­ erstoffsonde (S) geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung der Meßgenauigkeit und zum Ausgleich al­ terungsbedingter Toleranzabweichungen der Auswerteschaltung in der Aufheizphase der Sauerstoffsonde (S) mittels der Son­ denersatzschaltung (SES) verschiedene Arbeitspunkte angesteu­ ert und die dabei gemessenen Pumpstrom-Meßwerte Ip der Auswerteschaltung zur Weiterverarbeitung gespeichert werden.