DE19636415A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsweise eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise eines Kohlenwasserstoff­ sensors für eine Brennkraftmaschine.

Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem hohen Luftüber­ schuß betrieben werden, treten in den Abgasen hohe NOx-Emis­ sionen auf. Dies ist ganz besonders bei Brenn­ kraftmaschinen mit Direkteinspritzung in den Brennraum der Fall. Zur Senkung dieser Emissionen kann beispiels­ weise ein Reduktionskatalysator verwendet werden. Zur Reduktion des NOx wird vor dem Katalysator zusätzlich Kraftstoff eindosiert, der im Katalysator umgesetzt wird.

Darüber hinaus werden die Abgase von derartigen Brennkraftmaschinen durch Oxidationskatalysatoren nachbehandelt. Hierdurch lassen sich die Kohlenwasser­ stoff (HC-)Emissionen deutlich senken.

In den Vereinigten Staaten von Amerika wird seit einiger Zeit die Überwachung von Fahrzeugkomponenten, und die Anzeige eventuell auftretender Fehler, mit bordeigenen Mitteln (On-Board-Diagnose, OBD) gefordert.

Im Rahmen dieser On-Board-Diagnose müssen auch Kataly­ satoren von Brennkraftmaschinen überwacht werden.

Dies geschieht beispielsweise mit Kohlenwasserstoff­ sensoren (HC-Sensoren).

Derartige HC-Sensoren umfassen im wesentlichen einen Heizwiderstand und das eigentliche Sensorelement. Mit Hilfe des Heizwiderstands wird eine für den Meßeffekt geeignete Temperatur eingestellt. Da die Temperatur geregelt eingestellt wird, ist deren Messung erforder­ lich. Dies erfolgt beispielsweise über die Messung des Innenwiderstands der Sonde. Diese Messung wird mit Wechselstrom durchgeführt, da so das Gleichspannungs­ signal der Sonde im wesentlichen unbeeinflußt bleibt.

Eine derartige Temperaturmessung ist beispielsweise in der DE 31 17 790 C2 beschrieben.

Da derartige HC-Sensoren zur Überwachung und Regelung von abgasrelevanten Bauteilen verwendet werden, beispielsweise von Katalysatoren und/oder Dosierpumpen, muß ihre Funktion ebenfalls überwacht werden. Ist nämlich der Sensor defekt, muß beispielsweise bei einem NOx-Katalysator die Zusatzdosierung von Kraftstoff, die von den Kohlenwasserstoffemissionen abhängig ist, abgeschaltet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise eines Kohlenwasserstoffsensors der gattungsgemäßen Art zu vermitteln, das eine Überwachung des Kohlenwasserstoff­ sensors auf technisch einfach zu realisierende Weise und möglichst unter Verwendung bestehender Fahrzeugkom­ ponenten ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise eines Kohlenwasserstoffsensors der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß kontinuierlich die zur Beheizung des Sensor aufzubringende Heizleistung mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und im Falle einer Nichtübereinstimmung ein Sensorfehler signalisiert und die Heizung abge­ schaltet wird, und daß erfaßte Sensorwerte mit bei vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erwartenden Emissionswerten der Brennkraftmaschine verglichen werden und im Falle einer Nichtübereinstimmung ein Fehler des Sensors signalisiert wird.

Die kontinuierliche Überwachung der Heizleistung des Sensors hat den besonders großen Vorteil, daß defekte oder unterbrochene Sensoranschlüsse erkannt werden können. Wird nämlich einer der Sensoranschlüsse oder Sensorleitungen unterbrochen, so kann die Temperatur nicht mehr richtig erfaßt werden bzw. es wird dauerhaft ein zu niedriger Wert erfaßt, da ein unendlich großer Innenwiderstand gewöhnlich der Raumtemperatur zugeord­ net ist. Als Folge davon kann bei einer sehr hohen Heizleistung der Sensor beschädigt werden. Dies wird durch kontinuierliche Überwachung der Heizleistung und Vergleich mit einem vorgegebenen realistischen Wert vermieden.

Darüber hinaus kann durch den Vergleich der erfaßten Sensorwerte bei intakter Heizung mit bei vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erwartenden Emissionswerten der Brennkraftmaschine auf einfache Weise ein Defekt des Sensors erfaßt und ein Fehler des Sensors signalisiert werden. Dies kann beispielsweise auf besonders vor­ teilhafte Weise dadurch geschehen, daß der Sensorwert immer dann, wenn das die Brennkraftmaschine enthaltende Fahrzeug im Schubbetrieb betrieben wird und wenn kein Zusatzkraftstoff eindosiert wird, mit einem vorgegebe­ nen Grundwert des Sensors verglichen wird und bei Überschreitung dieses Grundwerts ein Fehler angezeigt wird. Dem liegt zugrunde, daß im Schubbetrieb des Fahrzeugs - gegebenenfalls auch im Leerlauf - und ohne Dosierung von Zusatzkraftstoff die Rohemissionen der Brennkraftmaschine gering sind, so daß auch der HC-Wert nur gering sein kann.

Ist eine Überschreitung des Grundwertes eingetreten, so kann dies beispielsweise durch einen defekten Sensor oder durch einen "verrußten" Sensor hervorgerufen worden sein. Aus diesem Grunde wird bei einer vor­ teilhaften Ausführungsform des Verfahrens die Heizlei­ stung des Sensors bei Überschreiten des vorgegebenen Grundwerts kurzzeitig erhöht bevor eine Fehlermeldung ausgegeben wird, um hierdurch den Sensor gewissermaßen zunächst "freizubrennen".

Zur Erkennung eines zu unempfindlichen Sensors ist bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß ein Sensorfehler immer dann signalisiert wird, wenn der HC-Wert bei nicht betriebswarmer Brennkraftmaschine innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine vorgegebene Schwelle unterschreitet, während dabei gleichzeitig die Einspritzmenge eine vorgegebene Schwelle überschreitet und die Temperatur eines zu überwachenden Abgasoxida­ tionskatalysators unter einem vorgegebenen Schwellen­ wert liegt.

Die Schwellenwerte werden vorzugsweise durch Applika­ tion bestimmt.

Zur Überwachung der Heizleistung sieht eine vorteilhaf­ te Ausführungsform vor, daß die Heizleistung kon­ tinuierlich mit einem einem Kennfeld entnommenen Wert verglichen wird und im Falle einer Überschreitung dieses Werts nach einer vorgegebenen Zeitspanne ein Sensorfehler signalisiert und die Heizung abgeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird darüber hinaus auch noch durch eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsweise eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftmaschine gelöst, welche einen ersten Schal­ tungsteil zur Regelung der Heizleistung abhängig von der erfaßten Temperatur des Sensors und zum Vergleich der Heizleistung mit einem vorgegebenen, einem Kennfeld entnommenen Schwellenwert und zum zeitverzögerten Abschalten der Heizung bei Nichtübereinstimmung, und einen zweiten Schaltungsteil zum Vergleich des gemesse­ nen Kohlenwasserstoffwerts mit bei vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erwartenden Emissionswerten und zum Signalisieren eines Fehlers bei Nichtüberein­ stimmung umfaßt.

Als Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine dienen vorteilhafterweise die Einspritzmenge, die Dosierung von zusätzlichem Kraftstoff und die Temperatur eines Katalysators, die in Komparatoren mit vorgegebenen Schwellen verglichen werden.

Die Ausgabe der Fehlersignale erfolgt vorzugsweise zeitverzögert durch Zeitverzögerungsglieder.

Zeichnung

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbei­ spiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Kohlenwasserstoffsensor, der zur Ansteuerung und zur Ausgabe des gemessenen Werts mit einem Mikrokontroller verbunden ist und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Über­ wachung der Funktionsweise eines Kohlen­ wasserstoffsensors für eine selbstzündende Brennkraftmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfaßt ein Kohlenwasser­ stoffsensor 10 ein Sensorelement 11 sowie einen Heizer 12. Die Auswerteschaltung für den HC-Sensor ist ein Steuergerät 30, beispielsweise ein Mikrokontroller eines Motorsteuergeräts. Zur Messung des temperatur­ abhängigen Sondeninnenwiderstandes wird eine Wechsel­ stromquelle 22 verwendet sowie ein Gleichrichter 23 für die Wechselspannung, die sich aufgrund des Wechsel­ stromes an der Sensorzelle einstellt. Durch die Verwendung eines Wechselstroms zur Bestimmung des Sondeninnenwiderstands bleibt das Gleichspannungssignal der Sonde, das den HC-Wert repräsentiert, unbeeinflußt. Die eigentliche Meßspannung wird durch einen Tiefpaß 21, der die zur Temperaturbestimmung vorgesehene Meßwechselspannung abtrennt, über einen Analog-Digital- Konverter (ADC) dem Steuergerät 30 zugeführt.

Zur Beheizung des Kohlenwasserstoffsensors 10 ist ein Temperaturregelalgorithmus vorgesehen, der ein puls­ weitenmoduliertes Signal (PWM) erzeugt, das von dem Steuergerät 30 einem Treiber 24 zugeführt wird, der seinerseits die Heizung 12 ansteuert.

Das Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise des Kohlenwasserstoffsensors 10 für eine selbstzündende Brennkraftmaschine wird am besten in Verbindung mit Fig. 2, welche schematisch eine Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsweise des Kohlenwasserstoff­ sensors zeigt, erläutert.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, umfaßt die Vorrichtung zur Überwachung der Funktionsweise des Kohlenwasserstoff­ sensors 10 in einem ersten Schaltungsteil A einen Regler 100, beispielsweise einen PID-Regler, für die Regelung der Heizleistung über einen Pulsweitenmodula­ tor (PWM) 103 abhängig von der erfaßten Temperatur des Sensors.

Hierzu wird von dem erfaßten Sondeninnenwiderstand ein vorgegebener Wert I in einem Subtrahierer 99 sub­ trahiert und dem Regler 100 zugeführt. Der Wert I entspricht dabei einem vorgegebenen Sondeninnenwider­ stand bei einer normalen Betriebstemperatur. Das von dem Regler 100 ausgegebene Signal wird in einem Komparator 101 mit einem vorgegebenen Schwellenwert S1 verglichen, der einem Kennfeld 104 entnommen wird. Die Eingangsgrößen des Kennfelds 104 sind im wesentlichen die Bordnetzspannung UB sowie die seit dem Start der Brennkraftmaschine vergangene Zeit tstart. Sofern der von dem Regler 100 ausgegebene Wert größer als der Schwellenwert S1 ist, wird ein Sensorfehler ausgegeben, gleichzeitig erfolgt zunächst eine weitere Beheizung des Kohlenwasserstoffsensors 10. Überschreitet die Heizleistung jedoch länger als eine vorgegebene Zeitspanne, die durch ein Verzögerungsglied 102 realisiert wird, die Schwelle S1, so liegt der Fall vor, daß beispielsweise die Sensoranschlüsse unter­ brochen oder der Sensor 10 beschädigt ist. In diesem Falle wird ein Sensorfehler signalisiert und die Heizung durch einen Schalter 107 abgeschaltet.

In einem zweiten Schaltungsteil B werden die erfaßten Sensorwerte mit bei vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erwartenden Emissionswerten verglichen und im Falle einer Nichtübereinstimmung ein Fehler des Sensors 10 signalisiert.

Hierzu wird beispielsweise erfaßt, ob der Sensor 10 im Schubbetrieb des Fahrzeugs, d. h. ohne daß Kraftstoff eingespritzt wird und ohne daß eine Dosierung von Zusatzkraftstoff in das Abgas erfolgt, einen vorgegeben Kohlenwasserstoffwert (HC-Wert) überschreitet. Dies geschieht durch Vergleich des gemessenen HC-Werts in einem Komparator 107 mit einem Schwellenwert (Schwelle) S2. Ist dies der Fall, so wird in dem Addierglied 109 ein Fehlersignal ausgegeben, welches nach Passieren eines Verzögerungsglieds 110 zu der Angabe eines Sensorfehlers, beispielsweise des Inhalts "zu hoher Grundwert", führt.

Gleichzeitig hierzu wird über eine Signalleitung im Umschalter 111 der Eingangswert I auf den Eingangswert II umgeschaltet, der durch die oben im Zusammenhang mit Schaltungsteil A beschriebene Temperaturregelung zu einer erhöhten Heizleistung und so zum "Freibrennen" des Sensors führt.

Dieses Freibrennen findet nur kurze Zeit statt. Die Zeit ist insbesondere kürzer als die durch das Verzöge­ rungsglied 110 vorgegebene Zeitspanne, so daß bei einem lediglich verrußten Sensor nach dem Freibrennen der Sensorfehler "zu hoher Grundwert" nicht mehr signali­ siert wird, wenn zusätzlich kein anderer Sensordefekt vorliegt.

In einem weiteren Zweig des Schaltungsteils B wird in einem Komparator 104 bestimmt, ob der gemessene HC-Wert unter einer vorgegebenen Schwelle S3 liegt, wenn dabei gleichzeitig die Einspritzmenge eine vorgegebene Schwelle S4 überschreitet, was im Komparator 106 festgestellt wird, und die Katalysatortemperatur eine andere vorgegebene Schwelle S5 unterschreitet, das im Komparator 105 festgestellt wird. Sind alle genannten Bedingungen erfüllt, wird in dem Addierglied 108 ein Fehlersignal ausgegeben, welches nach Passieren eines Zeitverzögerungsglieds 112 zu einem Sensorfehler, beispielsweise des Inhalts "keine Empfindlichkeit", führt.

Die zuletzt beschriebene Fehlerüberwachung findet immer nach einem Kaltstart statt, nämlich dann, wenn der Katalysator noch für eine Weile eine so niedrige Temperatur hat, daß die Rohemissionen des Motors nicht umgesetzt werden. In dieser Zeit muß ein nach dem Katalysator angeordneter HC-Sensor einen hohen Wert messen. Die Temperatur hinter dem Katalysator kann dabei entweder gemessen oder mittels eines Modells berechnet werden. Die Schwelle S5, mit dem die Kataly­ satortemperatur in dem Komparator 105 verglichen wird, entspricht dabei im wesentlichen der Anspringtemperatur des Katalysators.

Von besonders großem Vorteil ist, daß die gesamte Schaltungsanordnung Teil einer an sich bekannten Motorsteuerung sein kann, so daß auf diese Weise ohne zusätzliche Hardware Sensorfehler und damit auch Katalysatorfehler on-board, d. h. mit bordeigenen Mitteln, erkannt werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der Funktionsweise eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftma­ schine, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich die zur Heizung des Sensorelementes (11) auf­ zubringende Heizleistung mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und im Falle einer Nichtüber­ einstimmung ein Sensorfehler signalisiert und die Heizung (12) abgeschaltet wird und daß erfaßte Sensorwerte mit bei vorgegebenen Betriebsbedingun­ gen zu erwartenden Emissionswerten verglichen werden und im Falle einer Nichtübereinstimmung ein Fehler des Sensors (10) signalisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwert dann, wenn das die Brennkraft­ maschine enthaltende Fahrzeug im Schubbetrieb betrieben wird und wenn kein Zusatzkraftstoff dosiert wird, einen vorgegebenen HC-Wert über­ schreitet, eine Fehlermeldung ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des vorgegebenen HC-Werts die Heizleistung kurzzeitig erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorfehler immer dann signalisiert wird, wenn bei nichtbetriebs­ warmer Brennkraftmaschine innerhalb einer vor­ gegebenen Zeit der gemessene HC-Wert eine vor­ gegebene Schwelle (S3) unterschreitet, wenn gleichzeitig die Einspritzmenge eine vorgegebene weitere Schwelle (S4) überschreitet und wenn gleichzeitig die Temperatur eines zu überwachenden Katalysators unter einer vorgegebenen weiteren Schwelle (S5) liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellen (S1, S2, S3, S4, S5) durch Applikation bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlermeldungen zeitverzögert ausgegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung mit einem einem Kennfeld entnommenen Wert verglichen wird und im Fall eines Überschreitens dieses Werts innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Sensorfehler signali­ siert und die Heizung abgeschaltet wird.

8. Vorrichtung zur Überwachung der Funktion eines Kohlenwasserstoffsensors für eine Brennkraftma­ schine, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

• - einen ersten Schaltungsteil (A) zur Regelung der Heizleistung abhängig von der erfaßten Temperatur des Sensors (10) und zum Ver­ gleich der Heizleistung mit einem vorgegebe­ nen, einem Kennfeld (104) entnommenen Schwellenwert (S1) und zum zeitverzögerten Abschalten der Heizung (12) bei Nichtüber­ einstimmung, und
• - einen zweiten Schaltungsteil (B) zum Ver­ gleich des gemessenen Kohlenwasserstoffwerts mit bei vorgegebenen Betriebsbedingungen zu erwartenden Emissionswerten und zum Signali­ sieren eines Fehlers bei Nichtübereinstim­ mung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die vorgegebenen Betriebsbedingungen die Einspritzmenge, die Dosierung von zusätzlichem Kraftstoff und die Temperatur eines Katalysators sind, die in Komparatoren (104, 105, 106, 107) mit vorgegebenen Schwellen (S2, S3, S4, S5) verglichen werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitverzögerungsglieder zur zeitverzögerten Fehlersignalausgabe vorgesehen sind.