DE19818317C2 - Verfahren zur Erfassung der Betriebsbereitschaft eines Sauerstoffsensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Betriebsbereitschaft eines im Abgasstrom einer Brennkraft­ maschine stromaufwärts eines Katalysators angeordneten Sauerstoffsensors gemäß den Oberbegriffen der Patentan­ sprüche 1 und 2.

Zur Gemischregelung in einer Brennkraftmaschine ist es bekannt, im Abgasstrom stromaufwärts eines zur Umwand­ lung schädlicher Abgasbestandteile dienenden Katalysators einen Sauerstoffsensor vorzusehen, dessen Ausgangssignal sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Abgas ändert.

Neben sogenannten Sprungsonden, auch als binäre Son­ den bezeichnet, deren Ausgangssignal sich sprunghaft so­ wohl beim Übergang von einem fetten Gemisch zu einem mageren Gemisch, als auch beim Übergang von einem ma­ geren zu einem fetten Gemisch ändert (Spannungssprung bei λ = 1), kommen auch Sauerstoffsonden mit einer steti­ gen Kennliniencharakteristik zum Einsatz. Diese weisen eine stetige, z. B. lineare Abhängigkeit des Ausgangssigna­ les von der Luftzahl λ und darüberhinaus eine geringe An­ sprechzeit auf. (SAE Paper 940149 "Automatic Control of Cylinder Air-Fuel Mixture Using a Proportional Exhaust Gas Sensor").

Solche stetigen Sauerstoffsonden (Lamdasonden) sind beispielsweise auf der Basis von Strontiumtitanat (SrTiO₃) in Dünnschichttechnologie aufgebaut (VDI Berichte 939, Düsseldorf 1992, "Vergleich der Ansprechgeschwindigkeit von KFZ Abgassensoren zur schnellen Lambdamessung auf der Grundlage von ausgewählten Metalloxiddünnfilmen").

Die sichere Erkennung der Betriebsbereitschaft von sol­ chen stetigen Lambdasonden ist erforderlich, um nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine einerseits ein möglichst rasches Einsetzen der Lambdaregelung zu gewährleisten, anderseits kann ein zu frühes Einsetzen zu unerwünschtem Verhalten der Lambdaregelung führen. Eine zeitgesteuerte Detektion der Betriebsbereitschaft führt in der Regel zu ei­ ner verspäteten Detektion, so daß u. U. das vorhandene Po­ tential eines geregelten Kaltstarts nicht vollständig ausge­ nutzt wird.

Aus der DE 41 01 019 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfas­ sung der Betriebsbereitschaft eines Sauerstoffsensors einer elektronisch geregelten Brennstoffeinspritzung einer Brenn­ kraftmaschine bekannt, bei der beim Betrieb der Brennkraft­ maschine während einer Unterbrechung der Brennstoff zu­ fuhr der Ausgangspegel des Sauerstoffsensors mit einem er­ sten vorbestimmten Schwellenwert oder mit einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert, der kleiner ist als der erste Schwellenwert verglichen wird. Eine Entscheidung auf den aktiven Zustand des Sensors wird dann getroffen, wenn der Ausgangspegel des Sensors den höheren ersten Schwellen­ wert einmal übersteigt oder wenn der Ausgangspegel des Sensors zweimal aufeinanderfolgend den niedrigeren zwei­ ten Schwellenwert übersteigt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, Verfahren anzuge­ ben, mit denen die Detektion der Betriebsbereitschaft eines eine stetige Kennliniencharakteristik aufweisenden Sauer­ stoffsensors einer Brennkraftmaschine zum frühestmögli­ chen Zeitpunkt sicher ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeord­ neten Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Dabei stehen die für den Kaltstart der Brennkraftmaschine besonders wichtigen Betriebszustände fettes Gemisch bzw. mageres Gemisch mit deutlichen Abweichungen von λ = 1 im Vordergrund.

Durch Überwachen des zeitlichen Verlaufes der Pump­ spannung des Sauerstoffsensors hinsichtlich des Erreichens und Verlassens eines Sättigungswertes für die Pumpspan­ nung und Auswerten der nach Verlassen des Sättigungswer­ tes im Ausgangssignal des Sauerstoffsensors auftretenden Varianz wird ein Kriterium für die Betriebsbereitschaft des Sauerstoffsensors abgeleitet.

Kann die Pumpspannung nicht unmittelbar auf die Sätti­ gungseffekte hin überwacht werden, so wird ein Ersatzwert für die Detektion des Sättigung in der Weise herangezogen, daß die Differenz zwischen einem Sollwert der Lambdavor­ steuerung, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wer­ den soll und dem aktuellen Meßwert des Sauerstoffsensors gebildet wird, diese Differenz mit einem applizierten Wert verglichen wird und bei Unterschreiten dieses Wertes auf Verlassen des Sättigungswertes für die Pumpspannung ge­ schlossen wird. Die nach Verlassen des Sättigungswertes im Ausgangssignal des Sauerstoffsensors auftretende Varianz wird wieder als Kriterium für die Betriebsbereitschaft des Sauerstoffsensors herangezogen.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbeson­ dere darin, daß damit der frühestmögliche Zeitpunkt der Be­ triebsbereitschaft des Sauerstoffsensors ermittelt werden kann, weil das Kriterium der Signalvarianz nur dann ange­ wandt wird, wenn sichergestellt ist, daß dies auch zu einer zuverlässlichen Aussage führt.

Der abhängige Anspruch betrifft eine vorteilhafte Weiter­ bildung und Ausgestaltung der im folgenden anhand der Zeichnungen erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma­ schine mit zugehöriger Steuerungseinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm, das den typischen Verlauf der Son­ denspannung nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zeigt und

Fig. 3 in qualitativer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Pumpspannung der Lamdasonde.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Anord­ nung, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Dabei sind nur diejenigen Komponenten dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind.

Der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Ansaugkanal 11 ein Luft-/Kraftstoffgemisch zugeführt. Im Ansaugkanal 11 sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen ein Luftmassenmesser 12, ein Drosselklappenblock 13 mit einer Drosselklappe 14 und einem nicht dargestellten Dros­ selklappensensor zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 14 und entsprechend der Zylinderanzahl ein Satz Einspritzventile 15 vorgesehen, von denen nur eines gezeigt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch bei einer Brennkraftmaschine anwendbar, die nur ein einzi­ ges Einspritzventil im Ansaugkanal aufweist (Single-Point- Injektion oder Zentraleinspritzung) oder bei der der Kraft­ stoff direkt in die jeweiligen Zylinder eingespritzt wird (Di­ rekteinspritzung). Ausgangsseitig ist die Brennkraftma­ schine 10 mit einem Abgaskanal 16 verbunden. In Strö­ mungsrichtung des Abgases gesehen ist im Abgaskanal 16 ein Sauerstoffsensor 17 in Form einer, eine stetige Kennlini­ encharakteristik aufweisende Lambdasonde und ein zur Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile dienender Katalysator 18 vorgesehen. Mit Hilfe des Ausgangssignals der Lambdasonde 17 (Regelsonde) wird das Kraftstoff-Luft­ verhältnis im Abgas vor dem Katalysator 18 bestimmt und in bekannter Weise zur Lambdaregelung der Brennkraftma­ schine herangezogen. Um eine schnelle Einsatzbereitschaft der Lambdasonde 17 zu erreichen, ist diese mit einer elektri­ schen Heizeinrichtung 19 versehen.

An der Brennkraftmaschine 10 sind an entsprechenden Stellen u. a. ein Temperatursensor 20 zur Erfassung der Temperatur der Brennkraftmaschine 10, bzw. einer der Brennkraftmaschinentemperatur proportionalen Tempera­ tur, vorzugsweise die des Kühlmittels und ein Drehzahlsensor 21 zur Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 angeordnet.

Das Ausgangssignal des Luftmassenmessers 12 und die Signale des Drosselklappensensors, der Lambdasonde 17, des Drehzahlsensors 21 und des Temperatursensors 20 wer­ den über entsprechende Verbindungsleitungen einer zentra­ len Steuerungseinrichtung 22 zugeführt.

Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist die Steuerungseinrichtung 22 über eine nur schematisch dargestellte Daten- und Steuerleitung 23 noch mit weiteren, nicht explizit dargestellten Sensoren und Aktoren verbun­ den. Die Steuerungseinrichtung 22 wertet die Sensorsignale aus und steuert unter anderem die Einspritzung, die Zün­ dung und die Diagnoseverfahren abgasrelevanter Kompo­ nenten wie z. B. Lambdasonde 17 und Katalysator 18.

Die elektronische Steuerungseinrichtung 22 weist in be­ kannter Weise einen Mikrocomputer 24, entsprechende Schnittstellen für Signalaufbereitungsschaltungen, sowie eine Ein- und Ausgabeeinheit auf. Der Mikrocomputer 24 umfaßt eine Zentraleinheit (CPU), welche die arithmeti­ schen und logischen Operationen mit den eingespeisten Da­ ten durchführt. Die dazu notwendigen Programme und Soll­ daten liefert ein Festwertspeicher (ROM), in dem alle Pro­ grammroutinen und alle Kenndaten, Kennlinien, Sollwerte usw. unverlierbar gespeichert sind. Insbesondere ist ein Speicher 25 vorgesehen, in dem u. a. eine Mehrzahl von Kennlinien bzw. Kennfeldern und Referenz- bzw. Schwel­ lenwerten gespeichert sind. Ein Betriebsdatenspeicher (RAM) dient u. a. dazu, die von den Sensoren gelieferten Daten zu speichern, bis sie vom Mikrocomputer 24 abgeru­ fen oder durch aktuellere Daten ersetzt, d. h. überschrieben werden. Über einen Bus werden alle genannten Einheiten mit Daten, Speicheradressen und Kontrollsignalen versorgt.

In der Fig. 2 ist in qualitativer Darstellung der typische zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung U_LS einer steti­ gen Lamdasonde nach einem Kaltstart der Brennkraftma­ schine dargestellt. Die Lambdawerte sind mit λ bezeichnet.

Zum Zeitpunkt t = 10 s wird mit der Messung der Lamb­ dasondenspannung begonnen und aufgrund der Kaltstartbe­ dingungen der Brennkraftmaschine zeigt die Lambdasonde zunächst eine sehr geringe Dynamik, d. h. das Meßsignal der Lambdasonde nähert sich nur sehr langsam dem statio­ nären Endwert. Die Ursache für dieses Verhalten ist eine zu geringe Keramiktemperatur der Lambdasonde, vor allem außerhalb der Region der Heizeinrichtung.

Bei dem gewählten Beispiel soll die Brennkraftmaschine mit einem λ = 0,8 gestartet werden. Während das Meßsignal der Lamdasonde bei diesem Übergang (Zeitbereich etwa t = 10 s bis t = 30 s) nur eine sehr geringe Varianz aufweist, tre­ ten in dem Bereich, in dem das Signal der Lamdasonde den stationären Wert (t < 30 s, λ = 0,8) erreicht hat, sporadische Störungen auf. Diese werden zur Erkennung der Betriebsbe­ reitschaft der Lambdasonde ausgewertet.

Bei einem System zur Bestimmung der Sauerstoffkon­ zentration im Abgas mittels einer stetigen Lambdasonde und mit einer Messung der Pumpspannung der Lambda­ sonde kann die Betriebsbereitschaft der Lambdasonde fol­ gendermaßen ermittelt werden:
Liegt der Sollwert für die Vorsteuerung der Sauerstoff­ konzentration, (in diesem Beispiel λ = 0,8) im Meßbereich der Lambdasonde, so wird zunächst der Verlauf der Pump­ spannung der Lambdasonde überwacht. Bei einer nicht voll­ ständig betriebsbereiten Lambdasonde, d. h. bei einer Lambdasonde mit mit der beschriebenen zu geringen Dyna­ mik treten Sättigungen der Pumpspannungen auf. In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Pumpspannung P_Pump einer stetigen Lambdasonde qualitativ dargestellt. Mit t1 ist dabei der Zeitpunkt der Aktivierung der Lambdasonde, mit t2 der Zeitpunkt der Beginn der Sättigung und mit t3 der Zeitpunkt des Endes der Sättigung bezeichnet. Die Pumpspannung P_Pump steigt nach Aktivierung der Lambdasonde sehr schnell an bis zu einem konstanten Wert (Sättigungswert), bleibt für eine bestimmte Zeitspanne auf diesem Wert und fällt dann auf einen, bezogen auf den Sättigungswert niedri­ gen, konstanten Wert ab. Dieser Abfall der Pumpspannung erfolgt zeitlich gesehen kurz vor dem Auftritt der sporadi­ schen Störungen des Meßwertes des Sondensignals. Wenn also die Pumpspannung keinen Sättigungseffekt mehr zeigt (Zeitpunkt t3), wird anschließend die Varianz des Sondensi­ gnals ausgewertet. Unter Varianz wird in diesem Zusam­ menhang das statistische Größenmaß für die durchschnittli­ che Abweichung von einem Mittelwert verstanden.

Übersteigt dieser Wert einen vorgegebenen Referenzwert, so wird daraus geschlossen, daß die Dynamik der Lambda­ sonde so hoch ist, daß sie sicher betriebsbereit ist.

Die beschriebene Auswertung der Pumpspannung erfolgt durch entsprechende Schaltungen und/oder Algorithmen in der Steuerungseinrichtung 22. Der angegebene Referenz­ wert ist dabei in dem Speicher 25 abgelegt.

Bei einem System zur Bestimmung der Sauerstoffkon­ zentration im Abgas mittels einer stetigen Lambdasonde ohne die Messung der Pumpspannung der Lambdasonde kann die Betriebsbereitschaft derselben folgendermaßen er­ mittelt werden:
Da bei solchen Systemen die Information über den Ver­ lauf der Pumpspannung fehlt, muß ein entsprechender Er­ satzwert für die Detektion der Sättigung der Pumpspannung herangezogen werden. Es wird die Differenz zwischen dem Sollwert der Lambdavorsteuerung (in diesem Beispiel λ = 0,8) und dem tatsächlichen Meßwert (Istwert) der Lambda­ sonde gebildet und mit einem applizierbaren Wert vergli­ chen. Sinkt die Differenz unter diesen Wert, so wird davon ausgegangen, daß die Sättigungseffekte der Pumpspannung nicht mehr vorliegen. Voraussetzung dafür ist, daß sich der Sollwert der Vorsteuerung im Meßbereich der Lambdasonde befindet. Die weitere Vorgehensweise ist identisch mit dem bereits oben beschriebenen Verfahren. Es wird also wieder die Varianz des Sondensignals ausgewertet. Übersteigt die­ ser Wert einen vorgegebenen Referenzwert, so wird daraus geschlossen, daß die Dynamik der Lambdasonde so hoch ist, daß sie sicher betriebsbereit ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erfassung der Betriebsbereitschaft ei­ nes, bezüglich seines Ausgangssignales eine stetige Kennliniencharakteristik aufweisenden Sauerstoffsen­ sors für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Pumpspannung (U_Pump) des Sauerstoffsensors (17) hinsichtlich des Erreichens und Verlassens eines Sättigungswertes für die Pumpspannung (P_Pump) überwacht wird und die nach Verlassen des Sättigungswertes im Ausgangssi­ gnal (U_LS) des Sauerstoffsensors (17) auftretende Va­ rianz als Kriterium für die Betriebsbereitschaft des Sauerstoffsensors (17) herangezogen wird.

2. Verfahren zur Erfassung der Betriebsbereitschaft ei­ nes, bezüglich seines Ausgangssignales eine stetige Kennliniencharakteristik aufweisenden Sauerstoffsen­ sors für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
die Differenz zwischen einem Sollwert der Lambdavorsteuerung, mit dem die Brennkraftma­ schine betrieben werden soll und dem aktuellen Meßwert des Sauerstoffsensors (17) gebildet wird,
die Differenz mit einem applizierten Wert ver­ glichen wird und bei Unterschreiten dieses Wertes auf Verlassen des Sättigungswertes für die Pump­ spannung (P_Pump) geschlossen wird und
die nach Verlassen des Sättigungswertes im Ausgangssignal (U_LS) des Sauerstoffsensors (17) auftretende Varianz als Kriterium für die Be­ triebsbereitschaft des Sauerstoffsensors (17) her­ angezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Varianz des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors (17) mit einem Referenzwert vergli­ chen wird und bei Überschreiten des Referenzwertes auf eine hohe Dynamik des Sauerstoffsensors (17) ge­ schlossen wird und diese als betriebsbereit eingestuft wird.