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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Diagnose eines Abgassensors, insbesondere einer linearen Sauerstoffsonde, für eine Verbrennungskraftmaschine.
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Beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen werden für die Einhaltung von gesetzlich festgelegten Emissionsgrenzwerten Abgassensoren eingesetzt, deren Signal zur Emissionsregelung der Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird. Häufig eingesetzte Abgassensoren sind sog. binäre und lineare Lambdasonden sowie NOx-Sensoren. Diese Typen von Abgassensoren umfassen jeweils einen beheizten Festkörperelektrolyten aus Yttrium-stabilisierter Zirkondioxidkeramik (ZrO2). Um bei Abgassensoren, die aus Zirkondioxid bestehen, die Sauerstoff- oder NOx-Konzentration in Form eines Sauerstoffionenstroms durch den Festkörperelektrolyten messen zu können, ist eine Beheizung der Keramik vorgesehen. Die Zieltemperatur wird entweder auf einen vorgegebenen Wert geregelt oder betriebspunktabhängig vorgesteuert.
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Das Basismaterial Zirkondioxid hat zwei wesentliche Eigenschaften:
- 1. Wenn an einer Elektrode des Abgassensors eine Sauerstoffkonzentration von Lambda = 1 und an einer anderen Elektrode des Abgassensors eine Sauerstoffkonzentration von Lambda = unendlich (gleichbedeutend mit Umgebungsluft) anliegt, so stellt sich zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung von 450 mV ein. Diese Spannung wird als Nernst-Spannung bezeichnet, welche nach dem Physiker Walther Nernst benannt ist.
- 2. Wenn durch das Zirkondioxid des Abgassensors ein elektrischer Strom geführt wird, werden durch das Zirkondioxid Sauerstoffteilchen transportiert.
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Eine weit verbreitete Ausführung von linearen Abgassensoren besteht aus einer Anordnung von zwei miteinander verbundenen Zellen des Grundmaterials Zirkondioxid. In der einen Zelle, der sog. Nernst-Zelle, wird hierbei die oben unter 1. genannte Eigenschaft ausgenutzt. In der anderen, zweiten Zelle, welche als Pump-Zelle bezeichnet wird, wird die oben unter 2. genannte Eigenschaft ausgenutzt. Bei einem solchen linearen Abgassensor befindet sich zwischen den beiden Zellen eine mit dem Abgasstrom durch eine Diffusionsbarriere verbundene abgeschlossene Zelle (die sog. Reference Cavity), in der sich eine Sauerstoffkonzentration von Lambda = 1 einstellen soll. Solange die Sauerstoffkonzentration den Wert Lambda = 1 aufweist, kann zwischen den Elektroden der Nernst-Zelle eine elektrische Spannung von 450 mV gemessen werden. Sobald jedoch, verursacht durch eine Abweichung von der idealen Sauerstoffkonzentration Lambda = 1 im Abgas, durch die Diffusionsbarriere Sauerstoffteilchen zu- oder abfließen, wird in der abgeschlossenen Zelle die Sauerstoffkonzentration beeinflusst. Hierdurch weicht die elektrische Spannung zwischen den Elektroden der Nernst-Zelle von den zu erzielenden 450 mV ab.
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Eine mit dem Abgassensor verbundene Regelelektronik oder Ansteuervorrichtung hat die Aufgabe, den von den 450 mV abweichenden Spannungswert über der Nernst-Zelle zu messen und eine geeignete Gegenreaktion einzuleiten, um die Spannung von 450 mV wieder zu erzielen. Die Gegenreaktion besteht darin, durch die Pump-Zelle des Abgassensors einen elektrischen Strom zu schicken. Hierdurch werden so viele Sauerstoffteilchen in die abgeschlossene Zelle transportiert, dass die Sauerstoffkonzentration wieder zu Lambda = 1 ausgeglichen wird. Der Stromfluss kann hierbei in beide Richtungen erfolgen, da auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas sowohl größer als auch kleiner als Lambda = 1 sein kann.
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Regelungstechnisch stellt der Abgassensor somit eine Regelstrecke dar, die durch die angeschlossene Ansteuervorrichtung im Arbeitspunkt gehalten werden muss.
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Bei Abgassensoren, insbesondere bei linearen Sauerstoffsonden, wird eine präzise Kontrolle der Temperatur des Keramikmaterials vorgenommen, da die Messgenauigkeit der Abgassensoren erheblich von der Temperatur abhängig ist. Ein gängiges Verfahren zur Temperaturmessung besteht in der Verwendung eines Wechselstromsignals, das temporär oder kontinuierlich auf die Sensorzellen geschaltet wird und temporär oder kontinuierlich ausgewertet wird. Hierbei wird der resultierende Wechselspannungsabfall über die Sondenzelle gemessen. Die gewonnene Zellenimpedanz stellt ein indirektes Maß für die Temperatur der entsprechenden Zelle dar. Für die Durchführung der Impedanzmessung wird bei linearen Abgassensoren die Regelung der Zellenspannung auf 450 mV in der Regel für eine bestimmte Zeit angehalten, um in dieser Zeitspanne das resultierende Wechselspannungssignal zu ermitteln. Alternativ wird dem gleichspannungsorientierten Nernst-Zellensignal ein Wechselspannungssignal überlagert und durch eine geeignete analoge Filterschaltung das für die Regelung der Nernst-Spannung notwendige Gleichspannungssignal von dem für die Temperaturregelung notwendigen Wechselspannungssignal getrennt.
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Zur Erfüllung gesetzlicher Anforderungen ist es darüber hinaus notwendig, die elektrischen Anschlüsse des Abgassensors auf Kurzschlüsse und Unterbrechungen zu prüfen. Kurzschlüsse lassen sich an ungewöhnlichen Spannungen an jeweiligen Anschlüssen des Abgassensors erkennen, indem ein Vergleich der dort anliegenden Spannung mit vorgegebenen Ober- oder Untergrenzen erfolgt. Die Erkennung von Unterbrechungen ist demgegenüber schwierig und ist bisher durch aufwändige Plausibilitätsprüfungen an den Ausgangssignalen der Ansteuerschaltung für den Abgassensor realisiert. Leitungsunterbrechungen können beispielsweise anhand von gemessenen Innenwiderständen und Pumpströmen bzw. anhand der Verhaltens darauf aufbauender Regelschleifen unter geeigneten Betriebsbedingungen des Motors erkannt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Erkennung von Fehlern auf einfachere Weise durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Diagnose eines Abgassensors, insbesondere einer linearen Sauerstoffsonde, für eine Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Anschluss zur Verbindung mit einer ersten Elektrode einer ersten Zelle des Abgassensors, einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit einer zweiten Elektrode einer zweiten Zelle des Abgassensors, einen dritten Anschluss zur Verbindung mit einem Knotenpunkt einer zweiten Elektrode der ersten Zelle und einer ersten Elektrode der zweiten Zelle des Abgassensors. Bei einem linearen Abgassensor wird die erste Zelle als Nernst-Zelle bezeichnet. Die zweite Zelle stellt die sog. Pump-Zelle dar. Die Vorrichtung umfasst ferner eine erste Stromquelle, die mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist zur Erzeugung eines Stroms und Einprägung des ersten Stroms in die erste Zelle, sowie eine zweite Stromquelle, die mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist zur Erzeugung eines zweiten Stroms und Einprägung des zweiten Stroms in die zweite Zelle. Der dritte Anschluß wird auf einer bestimmten, konstanten oder variablen, Spannung gehalten, z. B. indem er mit einer Spannungsquelle oder mit Masse verbunden wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch ein Diagnosemittel aus, das dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Stromquelle zur Erzeugung des ersten und des zweiten Stroms mit jeweils vorgegebenen Vorzeichen koordiniert zu steuern, und die bei jeweiligen ersten und zweiten Strömen an dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Anschluss anliegenden ersten und/oder zweiten und/oder dritten Spannungen zu ermitteln und deren Beträge zu den koordinierten Strömen in Bezug zu setzen, wodurch Leitungsunterbrechungen und/oder Kurzschlüsse an dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Anschluss detektierbar sind.
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Die Erfindung schafft weiter ein Verfahren zur Diagnose eines Abgassensors, insbesondere einer linearen Sauerstoffsonde, für eine Verbrennungskraftmaschine durch eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die erste und die zweite Stromquelle zur Erzeugung des ersten und des zweiten Stroms mit jeweils vorgegebenen Vorzeichen koordiniert gesteuert. Die bei jeweiligen ersten und zweiten Strömen an dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Anschluss anliegenden ersten und/oder zweiten und/oder dritten Spannungen werden ermittelt und deren Beträge werden zu den koordinierten Strömen in Bezug gesetzt, um Leitungsunterbrechungen und/oder Kurzschlüsse an dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Anschluss zu detektieren.
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Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Erkennung von Leitungsunterbrechungen ohne zusätzliche Funktionseinheiten in einer den Abgassensor ansteuernden Ansteuerschaltung. Ist der Abgassensor als lineare Sauerstoffsonde ausgebildet, so ist für die Nernst-Zelle eine Wechselstromquelle zur Messung des Innenwiderstands vorgesehen. Eine weitere Stromquelle ist für die Pump-Zelle zur Erzeugung eines Pumpstroms notwendig. Die beiden Stromquellen können für die erfindungsgemäße Diagnose, d. h. die koordinierte Stromerzeugung, eingesetzt werden, indem diese durch das erfindungsgemäß vorgesehene Diagnosemittel in einer vorgegebenen Weise koordiniert angesteuert werden. Die Diagnose des Abgassensors ist sehr schnell durchführbar. Darüber hinaus ist die Erkennung von Symptomen, die auf einen Leitungsfehler hinweisen und eine Aktivierung der Diagnose notwendig machen, möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass hierzu weniger Zeit benötigt wird, als gesetzlich erlaubt ist.
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Die Erfindung basiert auf der Kenntnis des Verhaltens von realen Stromquellen. Eine reale Stromquelle kann ihren nominalen Strom nur dann treiben, wenn die Spannung am Ausgang der Stromquelle innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Typischerweise nimmt der Strom ab bzw. zu, wenn die Spannung sich einer der Versorgungsspannungen der Stromquelle nähert. Ist ein Widerstand am Ausgang der Stromquelle angeschlossen und wird der Widerstand zu groß, dann steigt bzw. fällt die Ausgangsspannung der Stromquelle in Richtung einer der Versorgungsspannungen der Stromquelle, wobei der Betrag des Stroms klein wird. Wird an der Stromquelle einmal ein positiver und einmal ein negativer Strom eingestellt, so ergibt sich bei einem hohen bzw. unendlichen Widerstand eine hohe bzw. eine niedrige Ausgangsspannung, wobei bei positivem Strom eine positive und bei negativem Strom eine negative Spannung resultiert. Die Berücksichtigung dieser Kenntnis des Verhaltens realer Stromquellen ermöglicht die Erkennung von Unterbrechungen in Leitungen. Um bestimmen zu können, in welcher der Leitungen, die mit dem ersten, zweiten oder dritten Anschluss der Vorrichtung zur Diagnose verbunden ist, eine Unterbrechung vorliegt, erfolgt eine koordinierte Steuerung der ersten und zweiten Stromquelle sowie eine Auswertung der an den jeweiligen Anschlüssen anliegenden Spannungen.
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Von besonderem Interesse ist die Erkennung einer Unterbrechung einer mit dem dritten Anschluss verbundenen Leitung. Über den dritten Anschluss sind die Rückleitungen der ersten und zweiten Zelle üblicherweise zusammengefasst und in der Ansteuer- bzw. Diagnoseschaltung mit einer sog. „virtuellen Masse” verbunden, welche von der Strom-Spannungs-Charakteristik her eine Spannungsquelle ist.
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Erfindungsgemäß ist das Diagnosemittel zur Erkennung einer Leitungsunterbrechung an dem dritten Anschluss dazu ausgebildet, (a) die Spannungen an dem ersten und dem zweiten Anschluss bei positivem ersten Strom und positivem zweiten Strom, (b) die Spannungen an dem ersten und dem zweiten Anschluss bei negativem ersten Strom und negativem zweiten Strom, (c) die Spannungen an dem ersten und dem zweiten Anschluss bei positivem ersten Strom und negativem zweiten Strom, und (d) die Spannungen an dem ersten und dem zweiten Anschluss bei negativem ersten Strom und positivem zweiten Strom zu detektieren.
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Insbesondere ist das Diagnosemittel zur Erkennung einer Leitungsunterbrechung an dem dritten Anschluss dazu ausgebildet, im Fall (c) den ersten Strom betragsmäßig kleiner als den zweiten Strom, und im Fall (d) den ersten Strom betragsmäßig kleiner als den zweiten Strom zu erzeugen. Das Prinzip lässt sich jedoch ebenso anwenden, wenn in diesen Fällen der erste Strom betragsmäßig größer ist als der zweite Strom.
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In einer weiteren Konkretisierung ist das Diagnosemittel zur Erkennung einer Leitungsunterbrechung an dem dritten Anschluss dazu ausgebildet, im Fall (a) an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss jeweils eine hohe Spannung, im Fall (b) an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss jeweils eine niedrige Spannung, im Fall (c) an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss jeweils eine niedrige Spannung, und im Fall (d) an dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss jeweils eine hohe Spannung zu detektieren. Unter einer hohen Spannung wird hierbei eine nahe der oberen Versorgungsspannung der jeweiligen Stromquelle liegende Spannung verstanden. Unter einer niedrigen Spannung wird eine nahe der unteren Versorgungsspannung der jeweiligen Stromquelle liegende Spannung verstanden. Dies basiert darauf, dass der erste und der zweite Strom nicht über den dritten Anschluss fließen können, somit die Summe aus dem ersten und dem zweiten Strom Null sein muss. Dabei unterscheiden sich die Spannungen an dem ersten und dem zweiten Anschluss in den Fällen (a) und (b) nicht wesentlich von denen bei einer Unterbrechung in den mit den jeweiligen Anschlüssen verbundenen Leitungen selbst. In den Fällen (c) und (d) ist jedoch das Verhalten an dem Anschluss mit einem betragsmäßig niedrigeren eingestellten Strom anders. Wo bei einer Unterbrechung der Leitung an dem ersten Anschluss selbst eine hohe Spannung zu erwarten ist, wird eine niedrige Spannung beobachtet, und anders herum.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist während der Erzeugung des ersten und/oder zweiten Stroms zur Ermittlung einer Leitungsunterbrechung und/oder eines Kurschlusses durch das Diagnosemittel eine Abgasmessung unterbrochen. Die Diagnose erfordert die Einprägung bestimmter Ströme in die erste und zweite Zelle des Abgassensors. Sie macht daher die Abschaltung der normalerweise aktiven Pumpstromregelung (im Falle einer linearen Abgassonde) notwendig. Währenddessen kann keine Lambda-Messung vorgenommen werden.
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In der Regel ist die Unterbrechung der Lambda-Messung jedoch unkritisch, da das prinzipielle Vorhandensein eines Leitungsfehlers zu typischen Symptomen führt. Beispielsweise wird ein zu hoher Widerstand gemessen oder der Pumpstromregler läuft in eine Begrenzung. Zweckmäßigerweise ist eine Aktivierung des Diagnosemittels lediglich dann vorgesehen, wenn durch ein Fehlerdetektionsmittel das Vorliegen eines Fehlers des Abgassensors festgestellt wurde. Das Diagnosemittel dient letztendlich dazu, den Fehler genau zu lokalisieren.
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Gemäß einer weiteren konkreten Ausgestaltung umfasst das Diagnosemittel ein erstes Signalfilter, das an den ersten und den dritten Anschluss angeschlossen ist und durch das eine sich aus dem ersten Strom ergebende erste Amplitude der Zellspannung der ersten Zelle ermittelbar ist und/oder das an den zweiten und dritten Anschluss angeschlossen ist und das eine sich aus dem zweiten Strom ergebende zweite Amplitude der Zellspannung der zweiten Zelle ermittelbar ist. Zweckmäßigerweise ist das erste Signalfilter zwischen dem ersten und dritten Anschluss und dem zweiten und dritten Anschluss umschaltbar.
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Insbesondere umfasst das Diagnosemittel eine erste Recheneinheit zur Ermittlung eines Mittelwerts der Zellspannung der ersten Zelle. Diese Ausgestaltung ist besonders dann zweckmäßig, wenn in der Ansteuerschaltung für den Abgassensor eine Innenwiderstandsmessung implementiert ist und deren Ergebnisse verwendet werden können. Die Innenwiderstandsmessung prägt einen Wechselstrom in die erste Zelle (im Falle einer linearen Abgassonde in die Nernst-Zelle) ein. Dies bedeutet, durch die Innenwiderstandsmessung werden positive und negative erste Ströme erzeugt. Das mit dem ersten und dem dritten Anschluss gekoppelte Signalfilter bestimmt die sich ergebende Amplitude der Nernst-Zellenspannung. Dies bedeutet, die Amplitude ergibt sich aus der Differenz zwischen den Spannungen auf der ersten Leitung, die sich bei positivem und negativem ersten Strom ergeben. Das Signalfilter bestimmt weiterhin den Mittelwert der Nernst-Zellenspannung.
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In entsprechender Weise umfasst das Diagnosemittel ein zweites Signalfilter, das an den zweiten und dritten Anschluss angeschlossen ist und durch das eine sich aus dem zweiten Strom ergebende zweite Amplitude der Zellspannung der zweiten Zelle ermittelbar ist. Insbesondere umfasst das Diagnosemittel eine zweite Recheneinheit zur Ermittlung eines Mittelwerts der Zellspannung der zweiten Zelle. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines einzigen Signalfilters, das wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Anschluss verbunden werden kann. Durch das Vorsehen eines jeweiligen Signalfilters, welcher der ersten bzw. zweiten Zelle zugeordnet ist, und der Möglichkeit, Amplitudenmittelwerte der jeweiligen Zellspannungen bei gleich- und gegenphasigen ersten und zweiten Strömen ermitteln zu können, kann eine Vielzahl von elektrischen Fehlern erkannt werden. Insbesondere können folgende Fehler festgestellt werden:
- – kein Fehler
- – die mit dem ersten Anschluss verbundene Leitung ist unterbrochen, wobei der Zustand der mit dem dritten Anschluss verbundenen Leitung nicht erkennbar ist
- – die mit dem zweiten Anschluss verbundene Leitung ist unterbrochen, wobei der Zustand der mit dem dritten Anschluss verbundenen Leitung nicht erkennbar ist
- – die jeweils mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbundene Leitungen sind unterbrochen, wobei der Zustand der mit dem dritten Anschluss verbundenen Leitung nicht erkennbar ist
- – die mit dem dritten Anschluss verbundene Leitung ist unterbrochen, wobei die mit dem ersten und zweiten Anschluss verbundenen Leitungen in Ordnung sind
- – an der ersten Leitung liegt ein Kurzschluss mit einer oberen Versorgungsspannung vor
- – an dem ersten Anschluss liegt ein Kurzschluss mit einer unteren Versorgungsspannung vor
- – an dem zweiten Anschluss liegt ein Kurzschluss mit der oberen Versorgungsspannung vor
- – an dem zweiten Anschluss liegt ein Kurzschluss mit der unteren Versorgungsspannung vor
- – an dem dritten Anschluss liegt ein Kurzschluss mit der oberen Versorgungsspannung vor
- – an dem dritten Anschluss liegt ein Kurzschluss mit der unteren Versorgungsspannung vor.
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Gemäß einer weiteren konkreten Ausgestaltung ist die erste Stromquelle eine Wechselstromquelle zur Messung eines Innenwiderstands der ersten Zelle. Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die zweite Stromquelle eine Pumpstromquelle ist oder als separate Stromquelle ausgeführt ist. Bei Vorliegen dieser beiden Merkmale sind keine weiteren Elemente notwendig, um die Amplituden und den Mittelwert zu ermitteln, da die jeweiligen Werte für die Innenwiderstandsmessung einer linearen Abgassonde benötigt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schaltungsanordnung, welche die prinzipielle Ansteuerung einer linearen Sauerstoffsonde zeigt,
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2a, b, c die Strom-Spannungs-Charakteristik einer realen Stromquelle,
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3a, b, c das Verhalten von Strom und Spannung einer realen Stromquelle, an die ein hoher Ausgangswiderstand angeschlossen ist,
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4a, b ein Ersatzschaltbild und den Verlauf der Spannung am zweiten Anschluss einer erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung bei positiven ersten und zweiten Strömen und einer Leitungsunterbrechung am dritten Anschluss der Diagnoseschaltung,
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5a, b ein Ersatzschaltbild und den Verlauf der Spannung am zweiten Anschluss der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung bei einem positiven ersten und einem negativen zweiten Strom und einer Leitungsunterbrechung am dritten Anschluss der Diagnoseschaltung,
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6a, b ein Ersatzschaltbild und den Verlauf der Spannung am zweiten Anschluss der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung bei einem negativen ersten und einem positiven zweiten Strom und einer Leitungsunterbrechung am dritten Anschluss der Diagnoseschaltung,
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7 die Strom- und Spannungsverläufe am ersten und zweiten Anschluss der Diagnoseschaltung bei unterschiedlichen Betriebszuständen,
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8a eine schematische Darstellung der bei einer linearen Sauerstoffsonde durchgeführten Innenwiderstandsmessung, und
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8b und 8c die Nutzung der Innenwiderstandsmessung zur Fehlerdiagnose.
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1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines als Zweizellen-Pumpstromsonde ausgebildeten Abgassensors 10, welcher von einer Ansteuerschaltung 20 geregelt und überwacht wird. Dabei sind jeweils nur die für die Erfindung relevanten Teile dargestellt.
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Der Abgassensor 10 umfasst in bekannter Weise als erste Zelle eine Nernst-Zelle NZ und als zweite Zelle eine Pump-Zelle PZ. Das elektrische Ersatzschaltbild der Nernst-Zelle NZ ist durch die Serienschaltung aus einem Widerstand 11 mit dem Widerstandswert Rn und einer Spannungsquelle 12 mit der Nernst-Spannung Un gebildet. In entsprechender Weise ist das elektrische Ersatzschaltbild der Pump-Zelle PZ durch die Serienschaltung aus einem Widerstand 13 mit dem Widerstandswert Rp und einer Spannungsquelle 14 mit einer Pumpspannung Up gebildet. Die Nernst-Zelle NZ und die Pump-Zelle PZ sind wiederum seriell miteinander verschaltet, wobei über der Nernst-Zelle NZ eine Nernstzellspannung Vn und über der Pump-Zelle PZ eine Pumpzellspannung Vp abfällt.
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Die Nernst-Zelle ist zwischen einem ersten Anschluss VN und einem dritten Anschluss VG der Ansteuerschaltung 20 verschaltet. Die Pump-Zelle PZ ist zwischen einem zweiten Anschluss VIP und dem dritten Anschluss VG der Ansteuerschaltung verschaltet. Demgemäß ist der Knotenpunkt zwischen der Pump-Zelle PZ und der Nernst-Zelle NZ mit dem dritten Anschluss VG verbunden. In der Realität sind jeweilige Elektroden der Nernst-Zelle NZ und der Pump-Zelle PZ mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Anschluss VN, VIP, VG verbunden, wobei mit dem Anschluss VG eine sog. Rückleitung des Abgassensors 10 verbunden ist.
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Die Ansteuerschaltung 20 umfasst eine erste Stromquelle SQ1, welche als Wechselstromquelle ausgebildet ist. Die Wechselstromquelle SQ1 dient zur Messung des Innenwiderstands der Nernst-Zelle NZ und ist zu diesem Zweck mit dem ersten Anschluss VN verbunden. Diese wird mit einer positiven Versorgungsspannung V+ und einer negativen Versorgungsspannung V– betrieben. Ein von der ersten Stromquelle SQ1 erzeugter erster Strom Icp weist in der vorliegenden Beschreibung einen positiven Betrag auf, wenn dieser in Pfeilrichtung von der ersten Stromquelle SQ1 in Richtung der Nernst-Zelle NZ fließt. In entsprechender Weise fließt der erste Strom Icp mit negativem Betrag von der Nernst-Zelle NZ in Richtung der ersten Stromquelle SQ1.
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Die Ansteuerschaltung 20 umfasst weiter eine zweite Stromquelle SQ2, welche zur Erzeugung eines Pump-Stroms der Pump-Zelle PZ dient. Die zweite Stromquelle SQ2 ist mit dem zweiten Anschluss VIP verbunden, wobei ein betragsmäßig positiver Strom Ip von der zweiten Stromquelle SQ2 in Richtung der Pump-Zelle PZ (mit der in der Figur gezeigten Pfeilrichtung) fließt. Ein betragsmäßig negativer zweiter Strom fließt von der Pump-Zelle PZ über den zweiten Anschluss VIP in Richtung der zweiten Stromquelle SQ2.
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Der mit den Rückleitungen der Nernst-Zelle NZ und der Pump-Zelle PZ verbundene dritte Anschluss VG ist an der Ansteuerschaltung 20 mit einer sog. „virtuellen Masse” verbunden, die von der Strom-Spannungs-Charakteristik her eine Spannungsquelle SP ist.
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Für das erfindungsgemäße Vorgehen werden die Strom-Spannungs-Charakteristika der ersten und zweiten Stromquelle SQ1, SQ2 und der als Spannungsquelle SP ausgebildeten virtuellen Masse ausgenutzt.
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Eine reale Stromquelle kann ihren nominalen Strom nur dann treiben, wenn die Spannung an ihrem Ausgang innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Typischerweise nimmt der Strom ab bzw. zu wenn die Spannung sich einer der Versorgungsspannungen V+, V– der Spannungsquelle liegt. Dies ist exemplarisch in der 2 dargestellt. 2a zeigt hierbei das elektrische Ersatzschaltbild einer realen Stromquelle SQ, die durch Versorgungsspannungen V+, V– versorgt ist. Ausgangsseitig ist die reale Stromquelle SQ mit einer Spannungsquelle Ua gekoppelt, wobei die Stromquelle SQ einen Strom Ia in Richtung der Spannungsquelle Ua treibt. In den 2b, 2c ist jeweils die Charakteristik des Stroms Ia in Abhängigkeit der Spannung Ua dargestellt. 2b zeigt hierbei die Charakteristik für einen positiven Nennstrom (d. h. der Strom Ia fließt in der in 2a mit Pfeil gekennzeichneten Richtung), während 2c die Charakteristik für negativen Nennstrom illustriert. Hierbei ist gut erkennbar, dass der Strom Ia einem Nennstrom Ia_N bzw. –Ia_N entspricht, solange die Spannung Ua sich nicht zu sehr der unteren bzw. oberen Versorgungsspannung V–, V+ annähert.
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3 zeigt den Fall, in dem die Stromquelle SQ ihren Strom Ia durch einen sehr hohen Widerstand Ra, der im Grenzfall unendlich ist, treiben muss. Wird der Widerstand Ra zu groß, dann steigt bzw. fällt die Ausgangsspannung der Quelle in Richtung einer der Versorgungsspannungen V+ (im Falle eines positiven Nennstroms) bzw. V– (im Falle eines negativen Nennstroms), wobei der Betrag des Stroms Ia klein wird, d. h. sich 0 mA annähert. Dieses Verhalten ist exemplarisch in den 3b und 3c, einmal für positiven Nennstrom Ia_N und einmal für negativen Nennstrom –IaN, dargestellt. Wird an der Stromquelle SQ einmal ein positiver und einmal ein negativer Strom eingestellt, so ergibt sich bei einem hohen bzw. unendlichen Widerstand einmal eine hohe und einmal eine niedrige Ausgangsspannung, wobei bei positivem Strom eine positive und bei negativem Strom eine negative Spannung zu erwarten ist.
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Durch die Berücksichtigung des Verhaltens realer Stromquellen wird die Erkennung von Unterbrechungen in den Leitungen, die mit dem ersten und dem dritten Anschluss verbunden sind, prinzipiell ermöglicht. Allerdings ist hiermit noch nicht erkennbar, ob eine Unterbrechung in der mit dem dritten Anschluss VG verbundenen Leitung (sog. VG-Leitung) vorliegt.
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Bei unterbrochener VG-Leitung könnten die Ströme aus einer der Stromquellen SQ1 bzw. SQ2 immer noch in die andere Stromquelle SQ2 bzw. SQ1 fließen, da über die beiden Zellen NZ und PZ des Abgassensors 10 immer noch eine elektrische Verbindung besteht.
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Zur Erkennung einer unterbrochenen VG-Leitung, d. h. einer mit dem dritten Anschluss VG der Ansteuerschaltung 20 verbundenen Leitung, werden deshalb Symptome herangezogen, die sich bei gleichzeitiger Einstellung bestimmter Ströme in den vorhandenen Stromquellen SQ1, SQ2 ergeben:
- 1. In der Stromquelle SQ1 wird in einem ersten Schritt ein positiver Strom Icp eingestellt. Ferner wird in der Stromquelle SQ2 ein positiver Strom Ip eingestellt. Beide Ströme fließen über den ersten bzw. zweiten Anschluss VN bzw. VIP in die jeweiligen Zellen hinein. Da der gewünschte Strom aufgrund der Leitungsunterbrechung am Anschluss VG nicht abfließen kann, muss Icp + Ip = 0 gelten. Gemäß der in Verbindung mit 2 erläuterten Strom-Spannungs-Charakteristik der Stromquellen SQ1, SQ2 müssen sich an den Anschlüssen VN und VIP jeweils hohe Spannungen einstellen. Je nachdem, wie hoch die Nernstzellspannung Vn und die Pumpzellspannung Vp sind, stellen sich unterschiedlich hohe Spannungen an den Anschlüssen VN und VG ein. Dieser Zusammenhang ist schematisch in 4 dargestellt.
4a zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Ansteuerschaltung 20 und des Abgassensors 10 bei unterbrochener Leitung an den dritten Anschluss VG.
4b zeigt die Ströme Icp und Ip, jeweils über der an dem dritten Anschluss VIP anliegenden Spannung U(VIP). Mit Icp_N bzw. Ip_N ist jeweils der erwartete Nennstrom der Ströme Icp bzw. Ip in einem fehlerfreien Fall angegeben. Die Strom-Spannungs-Kurve des ersten Stroms Icp ist hierbei gegenüber einer Auftragung über der am ersten Anschluss anliegenden Spannung U(VN) um die Summe der Zellspannungen Vn und Vp verschoben. Diese Verschiebung ist in der Figur mit ΔV gekennzeichnet. Die sich an dem dritten Anschluss VIP einstellende, resultierende Spannung Ures bestimmt sich aus den Strom-Spannungs-Kennlinien der Quellen SQ1 und SQ2 durch die Bedingung Icp + Ip = 0. Dies bedeutet, bei Ures sind die Ströme Icp und Ip betragsmäßig gleich groß, weisen jedoch unterschiedliche Vorzeichen auf.
- 2. In einem nächsten Schritt werden negative Ströme Icp und Ip eingestellt. Da wiederum die Bedingung Icp + Ip = 0 gelten muss, stellen sich niedrige Spannungen ein. Die Bestimmung der resultierenden Spannung Ures erfolgt analog zu dem in Verbindung mit 4 beschriebenen Vorgehen.
- 3. In einem nächsten Schritt wird ein positiver erster Strom Icp und ein negativer zweiter Strom Ip eingestellt. Der zweite Strom Ip ist hierbei dem Betrag nach größer als der erste Strom Icp. Die resultierende Spannung Ures sowohl am ersten Anschluss VN als auch am zweiten Anschluss VIP ist entsprechend dem erwarteten Verhalten der realen Stromquelle relativ niedrig.
Diese Situation ist der 5 entnehmbar, wobei 5a das elektrische Ersatzschaltbild des mit der Ansteuerschaltung 20 verbundenen Abgassensors 10 darstellt. Die Ströme Icp und Ip sind hierbei entsprechend ihres Vorzeichens in der korrekten Richtung dargestellt. Am dritten Anschluss VG ist die Leitung gemäß der Annahme unterbrochen.
5b zeigt den Verlauf der Ströme Icp und Ip über der an dem dritten Anschluss VIP anliegenden Spannung U(VIP). Der Strom Icp ist wiederum gegenüber einer Auftragung über der am ersten Anschluss VN anliegenden Spannung U(VN) um die Summe der Zellspannungen Vn + Vp verschoben. Nachdem wiederum die Bedingung Icp + Ip = 0 erfüllt sein muss, ergibt sich die erwartete niedrige Spannung Ures, bei der die Ströme Icp und Ip betragsmäßig gleich groß sind, aber ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen.
- 4. Abschließend wird in einem vierten Schritt ein negativer erster Strom Icp und ein positiver zweiter Strom Ip eingestellt. Dem Betrag nach ist der zweite Strom Ip größer als der erste Strom Icp. Die resultierende Spannung an den ersten und zweiten Anschlüssen VN und VIP ist entsprechend des Verhaltens realer Stromquellen erwartungsgemäß hoch. Diese Situation ist in 6 verdeutlicht.
6a zeigt wiederum das elektrische Ersatzschaltbild des mit der Ansteuerschaltung 20 verbundenen Abgassensors 10. Dabei sind die Ströme Icp und Ip entsprechend ihres Vorzeichens korrekt eingezeichnet. Am Anschluss VG ist die Leitung wiederum unterbrochen.
6b zeigt den Verlauf der Ströme Icp und Ip über der sich am dritten Anschluss VIP einstellenden Spannung U(VIP). Der Verlauf des ersten Stroms Icp ist gegenüber einer Auftragung über der Spannung am ersten Anschluss VN um die Summe der Zellspannungen Vn + Vp verschoben. Die sich an dem dritten Anschluss VIP einstellende Spannung ergibt sich wiederum aufgrund der zu erfüllenden Bedingung: Icp + Ip = 0. Diese ist bei einer verhältnismäßig hohen Spannung U(VIP) erfüllt, vgl. die sich einstellende Spannung Ures.
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In der vorangegangenen Beschreibung wurden die Ströme Icp und Ip über der sich am dritten Anschluss VIP einstellenden Spannung U(VIP) aufgetragen. Es versteht sich von selbst, dass die Ströme Icp und Ip auch über der sich am ersten Anschluss VN einstellenden Spannung U(VN) aufgetragen werden könnten, wobei auch die Bedingung Icp + Ip = 0 erfüllt sein muss. In entsprechender Weise muss dann die Verschiebung der Strom-Spannungs-Charakteristiken von Ip und Icp aufgrund der Summe der Zellspannungen Vn + Vp berücksichtigt werden.
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In den ersten beiden Schritten 1 und 2 unterscheiden sich die Spannungen auf den Leitungen nicht wesentlich von denen bei einer Unterbrechung in der jeweiligen Leitung selbst. In den Schritten 3 und 4 ist das Verhalten auf der Leitung mit dem betragsmäßig niedrigeren eingestellten Strom, d. h. der mit dem ersten Anschluss VN verbundenen Leitung, jedoch anders. Wo bei einer Unterbrechung der Leitung selbst eine hohe Spannung zu erwarten ist, wird bei Unterbrechung der mit dem driten Anschluß verbundenen Leitung eine niedrige Spannung beobachtet, und anders herum.
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Zur Erkennung einer Unterbrechung der mit dem dritten Anschluss VG verbundenen Leitung werden somit folgende Merkmale herangezogen: Die Spannungen an den Anschlüssen VN und VG bei positiven Ip- und Icp-Strömen; die Spannungen an den Anschlüssen VN und VG bei negativen Icp- und Ip-Strömen. Die Spannungen an den Anschlüssen VN und VG bei positiven Ip- und negativen Icp-Strömen; die Spannungen an den Anschlüssen VN und VG bei negativem Ip- und positivem Icp-Strom. Entsprechend der vorangegangenen Darstellung werden die Ströme Ip und Icp koordiniert und die Spannungsmessungen an zumindest einem der Anschlüsse VN und VG dazu in Bezug gesetzt, ob die Ströme gleiche oder unterschiedliche Vorzeichen haben und die Beträge in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen.
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Diese Vorgehensweise ist exemplarisch in 7 in einer Matrix dargestellt.
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7 zeigt die Spannungsverläufe U(VN) am ersten Anschluss VN und U(VIP) am zweiten Anschluss VIP in Abhängigkeit der Ströme Icp und Ip. Für die beschriebenen Schritte 1, 2, 3 und 4 sind die sich jeweils an den Anschlüssen VN und VIP einstellenden Spannungen für die Fälle „kein Fehler”, „VN unterbrochen” (d. h. die mit dem Anschluss VN verbundene Leitung ist unterbrochen), „VIP unterbrochen” (d. h. die mit dem Anschluss VIP verbundene Leitung ist unterbrochen) und „VG unterbrochen” (d. h. die mit dem Anschluss VG verbundene Leitung ist unterbrochen) dargestellt. In den Diagrammen der Spannungsverläufe U(VN) und U(VIP) sind jeweils für die Schritte 1, 2, 3 und 4 Erkennungsschwellen eingezeichnet. Die jeweiligen Erkennungsschwellen sind durch horizontale, durchbrochene Linien dargestellt. Die Erkennungsschwelle für die Unterbrechung am Anschluss VIP ist durch eine Schraffur von links unten nach rechts oben gekennzeichnet. Die Erkennungsschwelle für eine Unterbrechung am Anschluss VN ist durch eine Schraffur von links oben nach rechts unten gekennzeichnet. Die Erkennungsschwelle für die Unterbrechung am Anschluss VG ist durch sich kreuzende, diagonal verlaufende Linien gekennzeichnet.
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Während im Fall „kein Fehler” keine der Schwellen durch eine der Spannungen U(VN) bzw. U(VIP) überschritten wird, liegt im Fall „VN unterbrochen” eine Überschreitung der Schwellen am Anschluss VN in allen Schritten 1 bis 4 vor. Demgegenüber verhält sich die Spannung U(VIP) am Anschluss VIP unauffällig.
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Ist die Leitung am Anschluss VIP unterbrochen, so verhält sich die Spannung U(VN) am Anschluss VN normal, während die Spannung U(VIP) am Anschluss VIP in allen Schritten 1, 2, 3 und 4 die jeweilige Erkennungsschwelle überschreitet.
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Ist eine Leitung am Anschluss VG unterbrochen, so verhält sich die Spannung am Anschluss VIP entsprechend einer Unterbrechung der Leitung am Anschluss VIP. Allerdings ist am Anschluss VN ein untypisches Verhalten der Spannung U(VN) festzustellen, wobei insbesondere in den Schritten 3 und 4, in denen die Ströme Icp und Ip unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, die vorgegebenen Erkennungsschwellen überschritten sind.
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Besonders einfach lässt sich die Diagnose gestalten, wenn in der Ansteuerschaltung eine Innenwiderstandsmessung implementiert ist und deren Ergebnisse auch für die Diagnose des Abgassensors verwendet werden. Die Innenwiderstandsmessung prägt einen Wechselstrom in die Nernst-Zelle NZ ein. Dies bedeutet, durch die Wechselstromquelle SQ1 werden positive und negative Icp-Ströme erzeugt. Ein mit der Nernst-Zelle verbundenes Signalfilter bestimmt die sich ergebende Amplitude der Nernstzellspannung Vn. Dies erfolgt dadurch, dass die Differenz zwischen den Spannungen an dem Anschluss VN, die sich bei einem positiven und einem negativen Icp-Strom ergeben, gebildet wird. Ferner bildet das Signalfilter den Mittelwert der Nernstzellspannung Vn.
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Dieses Vorgehen ist schematisch in 8a dargestellt, wobei der rechteckförmige Verlauf des Stroms Icp über die Zeit sowie der Verlauf der Spannung U(VN) am Anschluss VN über die Zeit dargestellt sind. Mit Vn+ und Vn– ist jeweils die positive bzw. negative Amplitude der Spannung U(VN) am Anschluss VN gekennzeichnet. Im Rahmen der Innenwiderstandsmessung werden synchronisiert mit dem „Icp-Wechselstrom” Vn+ bei positivem Zellstrom und Vn– bei negativem Zellstrom gemessen. Die Amplitude Vn_AC der an dem Anschluss Vn anliegenden Spannung ergibt sich aus der Differenz von Vn+ und Vn– und ist üblicherweise positiv. Der Mittelwert Vn_DC wird wie folgt berechnet: Vn_DC = (Vn+ + Vn–)/2. Auf analoge weise werden die Amplitude Vp_AC und der Mittelwert Vp_DC der Pumpzellspannung Vp ermittelt.
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Mit den vorliegenden Messwerten lässt sich bei gleich- und gegenphasigen Ip- und Icp-Strömen eine Matrix zur Erkennung von elektrischen Fehlern aufstellen:
| Fehler | Vn_AC (Phase 1) | Vn_AC (Phase 2) | Vp_AC (Phase 1) | Vp_AC (Phase 2) | Vn_DC | Vp_DC |
| Kein | < max-limit | < max-limit
> min-limit | < max-limit | < max-limit | > min-limit
< max-limit | > min-limit
< max-limit |
| VN offen (VG nicht erkennbar) | > max-limit | > max-limit
> min-limit | < max-limit | < max-limit | > min-limit
< max-limit | > min-limit
< max-limit |
| VIP offen (VG nicht erkennbar) | < max-limit | < max-limit
> min-limit | > 0
> max-limit | > 0
> max-limit | > min-limit
< max-limit | > min-limit
< max-limit |
| VG offen und VIP offen (VG nicht erkennbar) | > max-limit | > max-limit
> min-limit | > 0
> max-limit | > 0
> max-limit | > min-limit
< max-limit | > min-limit
< max-limit |
| VG offen VN und VIP i. o.) | > max-limit | < max-limit
< min-limit | > 0
> max-limit | > 0
> max-limit | > min-limit
< max-limit | > min-limit
< max-limit |
| VN-Kurzschluss Batterie | < max-limit | < max-limit
> min-limit | < max-limit | < max-limit | > min-limit
< max-limit | > min-limit
max-limit |
| VN-Kurzschluss Masse | < max-limit | < max-limit
> min-limit | < max-limit | < max-limit | < min-limit
< max-limit | min-limit
< max-limit |
| VIP-Kurzschluss Batterie | < max-limit | < max-limit
> min-limit | < max-limit | < max-limit | > min-limit
max-limit | > min-limit
> max-limit |
| VIP-Kurzschluss Masse | < max-limit | < max-limit
> min-limit | < max-limit | < max-limit | min-limit
< max-limit | < min-limit
< max-limit |
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In der Matrix sind verschiedene detektierbare Fehler dargestellt, wobei die jeweils zu erfüllenden Bedingungen für Vn_AC in Phase 1, Vn_AC in Phase 2, Vp_AC in Phase 1, Vp_AC in Phase 2, Vn_DC und Vp_DC erfüllt sein müssen. max_limit kennzeichnet eine obere, detektierte Schranke, mit-limit kennzeichnet eine untere, überwachte Schranke. Sind in einem jeweiligen Tabelleneintrag zwei Bedingungen (Schranken) genannt, so müssen diese beiden gleichzeitig erfüllt sein. Abgeprüft wird jeweils das Verhalten der Spannungen an den Anschlüssen VN und VIP bei koordiniert eingeprägten Strömen Icp und Ip.
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Phase 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass Icp und Ip gleichphasig sind (vgl. 8b). In Phase 2 sind Icp und Ip gegenphasig (vgl. 8c). Der sich an den Anschlüssen VN und VIP ergebende Spannungsverlauf sowie die bei einer Unterbrechung der mit dem Anschluss VG verbundenen Leitungen geltenden Bedingungen sind ferner dargestellt.
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Die Diagnose erfordert die Einprägung bestimmter Ströme in die Nernst-Zelle NZ und Pump-Zelle PZ des Abgassensors 10. Die Diagnose macht daher eine Abschaltung der normalerweise aktiven Pump-Stromregelung nötig. Dies führt dazu, dass während der Diagnose vorübergehend keine Lambda-Messung möglich ist. Dies ist in der Regel unkritisch, da das prinzipielle Vorhandensein eines Leitungsfehlers zu typischen bekannten Symptomen führt. Beispielsweise wird ein zu hoher Innenwiderstand gemessen oder der Pump-Stromregler läuft in eine Endlage. Die Diagnose muss daher nur durchgeführt werden, wenn ohnehin ein Fehler erkannt wurde und dieser genauer bestimmt werden muss.
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In den schematischen Figuren ist die die Diagnose durchführende Diagnoseschaltung nicht explizit dargestellt. Die Diagnoseschaltung ist Teil der Ansteuerschaltung 20 und ist dazu ausgebildet, die zur oben beschriebenen Diagnose notwendigen Spannungsmessungen durchzuführen und diese in Bezug zu den durch die Stromquellen SQ1 und SQ2 eingeprägten Ströme zu setzen.
