DE3637029A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur erkennung der betriebsbereitschaft einer sauerstoffmesssonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schal­ tungsanordnung zur Erkennung der Betriebsbereit­ schaft einer Sauerstoffmeßsonde, die im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und zusammen mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der Gemisch­ aufbereitung für die Brennkraftmaschine dient. Zur Erzielung möglichst schadstofffreier Abgase sind Regeleinrichtungen für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen der Sauerstoffgehalt im Abgaskanal gemes­ sen und ausgewertet wird. Hierzu sind Sauerstoffmeß­ sonden, sogenannte Lambda-Sonden, bekannt, die nach dem Prinzip der Ionenleitung durch einen Festelektro­ lyten in Folge einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz arbeiten und entsprechend dem im Abgas vorliegenden Sauerstoffpartialdruck ein Spannungssignal abgeben, das beim Übergang vom Sauerstoffmangel zum Sauer­ stoffüberschuß einen Spannungssprung aufweist.

Der Innenwiderstand der bekannten Sauerstoffmeßson­ den ist jedoch bei geringen Temperaturen derart groß, daß das von der Sauerstoffmeßsonde abgegebene Signal nach einem Kaltstart und während einer Warm­ laufphase der Brennkraftmaschine nicht ausgewertet werden kann. Bei bekannten Einrichtungen zur Rege­ lung der Gemischaufbereitung ist daher bis zum Be­ reich der Betriebsbereitschaft der Sauerstoffmeßson­ de eine vom Ausgangssignal der Sauerstoffmeßsonde unabhängige Steuerung vorgesehen. Erst wenn die Sau­ erstoffmeßsonde ihre Betriebsbereitschaft erreicht hat, wird deren Ausgangssignal zur Regelung des Brennstoff-Luftverhältnisses herangezogen.

Bei einem bekannten Verfahren zur Überwachung der Betriebsbereitschaft einer Sauerstoffmeßsonde wird die Sauerstoffmeßsonde mit einer Prüfspannung mit einem konstanten mittleren Wert der von der Sauer­ stoffmeßsonde erzeugbaren Spannung belastet. Die resultierende Spannung am Sondenausgang wird als Kon­ trollgröße der Betriebsbereitschaft zwei Vergleichs­ vorrichtungen zum Vergleich mit einem oberen und einem unteren Sondenwert jeweils entsprechend einer Mindestausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde zuge­ führt, und über ein Zeitglied wird eine Gemischsteu­ ervorrichtung anstelle der Gemischregeleinrichtung entsprechend dem Ausgangssignal der Vergleichsvor­ richtung zu- oder abgeschaltet.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Überwa­ chung der Betriebsbereitschaft einer Sauerstoffmeß­ sonde, bei welcher ebenfalls eine unter dem Einfluß des Sondenverhaltens resultierende Spannung von zwei Vergleichsschaltungen mit Schwellwertspannungen abge­ tastet und anschließend ausgewertet wird, wird zur Erfassung des die Sondenbereitschaft kennzeichnenden Sonden-Innenwiderstandes der Sauerstoffmeßsonde eine konstante Bezugsspannung entgegengeschaltet, wobei die der sich hierdurch ergebenden Ausgangsspannung entgegengeschalteten Schwellwertspannungen der Ver­ gleichsschaltungen um vorgegebene Differenzwerte oberhalb und unterhalb der Bezugsspannung liegen, dabei werden die von den Vergleichsschaltungen abge­ gebenen, insgesamt drei logischen Schaltzuständen entsprechende Ausgangssignale von einer nachgeschal­ teten Auswerteschaltung zur Umschaltung zwischen Regelung auf Steuerung bzw. umgekehrt verarbeitet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ fahren zur Erkennung der Betriebsbereitschaft einer Sauerstoffmeßsonde anzugeben, welches in zuverlässi­ ger Weise mit einfachen und preiswerten Schaltungsan­ ordnungen durchgeführt werden kann. Außerdem soll durch die Erfindung ermöglicht werden, die Erkennung mit einfachen Mitteln an die jeweils vorliegenden Verhältnisse anzupassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangsspannung der Sauerstoff­ meßsonde mit einer Integrationszeitkonstanten inte­ griert wird, welche vom Innenwiderstand der Sauer­ stoffmeßsonde abhängt, daß die Änderungsgeschwindig­ keit der Ausgangsspannung gemessen wird und daß ober­ halb eines vorgegebenen Wertes der Änderungsgeschwin­ digkeit Betriebsbereitschaft festgestellt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine einfa­ che und zuverlässige Kennung der Betriebsbereit­ schaft der Sauerstoffmeßsonde möglich. Es kann eben­ falls zur Überwachung der Sauerstoffmeßsonde während des Betriebes angewendet werden.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ferner Betriebsbereitschaft nur festgestellt wird, solange ein zweiter vorgegebener Wert der Änderungsgeschwindigkeit nicht überschrit­ ten wird. Diese Weiterbildung ermöglicht es, einen Kurzschluß der Sauerstoffmeßsonde zu erkennen.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ist vorgesehen, daß dem Integrator ein Anfangswert zugeführt wird, wozu vorzugsweise ein Eingang des Integrators kurzzeitig weitgehend kurzgeschlossen wird.

Dadurch ist sichergestellt, daß auch während der Warmlaufphase ein Signal in Abhängigkeit vom Innen­ widerstand der Sauerstoffmeßsonde integriert wird, so daß damit der Innenwiderstand meßbar ist.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß nach dem Start der Brennkraftmaschine wiederholt Messungen erfolgen, bis die Änderungsgeschwindigkeit auf oder über den vorgegebenen Wert gestiegen ist.

Hierdurch wird ermöglicht, daß sobald wie möglich nach dem Erreichen der erforderlichen Temperatur der Sauerstoffmeßsonde die Betriebsbereitschaft erkannt wird.

Der vorgegebene Wert bzw. die vorgegebenen Werte können insbesondere dann leicht den Verhältnissen im Einzelfall angepaßt werden, wenn sie gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung einem Speicher entnommen werden, dessen Inhalt veränderbar ist.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Sauerstoffmeß­ sonde der Eingang eines Integrators angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Analog/Digital-Wand­ ler mit dem Eingang eines Mikrocomputers verbunden ist.

Bei entsprechender Programmierung kann ein ohnehin für Regelzwecke eingesetzter Mikrocomputer zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Hinzu­ fügung von nur wenigen elektronischen Bauelementen verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Ein­ gang des Integrators ferner über einen steuerbaren Schalter mit konstantem Potential verbindbar ist und daß dem steuerbaren Schalter ein Signal von einem Ausgang des Mikrocomputers zugeführt ist. Vorzugswei­ se ist der steuerbare Schalter ein Transistor.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Integrator von einem Opera­ tionsverstärker gebildet ist, dessen invertierender Eingang den Eingang des Integrators bildet und über einen Kondensator mit dem Ausgang des Operationsver­ stärkers verbunden ist, und daß der nichtinvertie­ rende Eingang mit einer konstanten Spannung beauf­ schlagt ist. Damit wird der Arbeitspunkt des Integra­ tors festgelegt.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß zwischen dem in­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem steuerbaren Schalter sowie zwischen dem invertie­ renden Eingang des Operationsverstärkers und dem Aus­ gang der Sauerstoffmeßsonde je ein abgleichbarer Widerstand angeordnet ist. Ferner kann der Kondensa­ tor mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über einen Spannungsteiler verbunden sein.

Schließlich ist gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen, daß der Kondensator derart dimensioniert ist, daß die Integrationszeitkonstante bei betriebs­ bereiter Sauerstoffmeßsonde im wesentlichen keinen Einfluß auf die Regelcharakteristik ausübt.

Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung selbst zur Weiterleitung des Sonden­ signals zum Mikrocomputer zu verwenden. Es ist je­ doch auch möglich, die Erkennung der Betriebsbereit­ schaft und eine Signalaufbereitung in getrennten Schaltungen durchzuführen.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 Spannungs-Zeitdiagramme einiger bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auftretenden Spannungen und Signale.

Die an sich bekannte Sauerstoffmeßsonde 1 ist in Fig. 1 lediglich als eine Spannungsquelle 2, deren Spannung von dem Sauerstoffanteil abhängt und deren Innenwiderstand 3 temperaturabhängig ist, darge­ stellt. Die Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde 1 wird über einen Anschluß 4 und einen abgleichbaren Widerstand 5 dem invertierenden Eingang eines Opera­ tionsverstärkers 6 zugeführt.

Der Operationsverstärker 6 bildet zusammen mit einem Spannungsteiler 7, 8 und einem Kondensator 9 einen an sich bekannten Integrator. Dem nichtinvertieren­ den Eingang des Operationsverstärkers 6 wird über einen weiteren Spannungsteiler 10, 11 die Hälfte der bei 12 zugeführten Betriebsspannung zugeführt. Zur Unterdrückung von Spannungsspitzen ist der nichtin­ vertierende Eingang ferner über einen Kondensator 13 mit Massepotential verbunden. Der Widerstand 11 des weiteren Spannungsteilers 10, 11 ist abgleichbar aus­ gebildet, so daß die am nichtinvertierenden Eingang anliegende Spannung eingestellt werden kann.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 6, der gleich­ zeitig den Ausgang des Integrators bildet, ist über einen Analog/Digital-Wandler 14 mit einem Eingang 15 eines Mikrocomputers 16 verbunden.

Ein Ausgang 17 des Mikrocomputers 16 ist über einen Spannungsteiler 18, 19 mit der Basis eines Transi­ stors 20 verbunden. Der Emitter des Transistors 20 ist an Massepotential und der Kollektor über einen abgleichbaren Widerstand 21 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 6 angeschlossen.

In an sich bekannter Weise ist der Mikrocomputer 16 mit Hilfe eines gespeicherten Programms sowie ent­ sprechender im einzelnen nicht dargestellter Stell­ glieder dazu ausgelegt, die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge im Sinne einer vollständi­ gen Verbrennung zu regeln. Dazu wird beispielsweise die Einspritzmenge durch Steuerung des Systemdrucks oder durch Steuerung der Einspritzdauer entsprechend geregelt. Derartige Systeme sind bekannt und brau­ chen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert zu werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Mikrocomputer 16 durch ein weiteres Programm zum Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ausge­ legt. Dazu wird, wie an Hand von Fig. 2 näher erläu­ tert wird, nach einem Start der Brennkraftmaschine, wenn also die Lambda-Sonde kalt ist und einen hohen Innenwiderstand besitzt, der Transistor 20 (Fig. 1) kurzzeitig in den leitenden Zustand gesteuert. Da­ durch nimmt der invertierende Eingang des Operations­ verstärkers 6 Massepotential an, so daß die Ausgangs­ spannung die obere Grenze des Aussteuerbereichs ein­ nimmt. Der Widerstand 21 hat einen derart geringen Wert, daß die dazu erforderliche Umladung des Konden­ sators 9 in kurzer Zeit möglich ist.

Nach der Rückflanke des Impulses 24 ist der Transi­ stor 21 wieder nichtleitend, so daß sich die in Fig. 2b) dargestellte Ausgangsspannung des Operationsver­ stärkers 6 unter entsprechender Umladung des Konden­ sators 9 auf den durch die Ausgangsspannung der Sau­ erstoffmeßsonde vorgegebenen Wert einstellt. Da in den meisten Betriebsfällen die Brennkraftmaschine nach dem Starten ein zu fettes Gemisch erhält, also Sauerstoffmangel besteht, sinkt die Ausgangsspannung Ua von ihrem Maximalwert auf 0 entsprechend der in Fig. 2b) dargestellten Funktion 25. Da im kalten Zustand der Innenwiderstand 3 der Sauerstoffmeßsonde einen großen Wert aufweist, erfolgt der Abfall der Ausgangsspannung Ua sehr langsam. Bei einer prak­ tisch ausgeführten Schaltungsanordnung wurden bei­ spielsweise hierfür Zeiten in der Größenordnung von 20 ms benötigt.

Durch ein entsprechendes Programm im Mikrocomputer 16 (Fig. 1) wird die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung Ua ermittelt. Zur weiteren Verdeut­ lichung ist deshalb in Fig. 2c) die erste Ableitung nach der Zeit des in Fig. 2b) dargestellten Signals aufgetragen. Die waagrechte gestrichelte Linie stellt die Änderungsgeschwindigkeit dar, bei welcher die Betriebstemperatur als erreicht gilt. Da dieses nach der Messung nach dem ersten Impuls 24 nicht der Fall ist, werden vom Mikrocomputer 16 weitere Impul­ se abgegeben, die im einzelnen nicht dargestellt sind. Durch die mittlerweile eingetretene Erwärmung der Sauerstoffmeßsonde ist die Änderungsgeschwindig­ keit der Ausgangsspannung Ua nach dem Impuls 26 größer als der vorgegebene Wert (siehe Kurventeil 27, Fig. 2c)).

Sobald die Änderungsgeschwindigkeit den vorgegebenen Wert überschreitet, wird im Mikrocomputer von einer Steuerung, die nach gespeicherten Kennlinienfeldern erfolgt, auf eine Regelung umgeschaltet. Von diesem Zeitpunkt 28 an ist die durch den Innenwiderstand und den zusätzlichen Abgleichwiderstand 5 sowie den Kondensator 9 gegebene Zeitkonstante so klein, daß die Regelcharakteristik des durch den Mikrocomputer, die Sonde, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die Brennkraftmaschine und die dazugehörigen Stell­ glieder gegebenen Regelkreises durch den Integrator grundsätzlich nicht beeinflußt wird. Abgesehen von weniger steilen Flanken und dem Vorzeichen ent­ spricht die Ausgangsspannung Ua der verstärkten Aus­ gangsspannung der Sonde. Erfolgt eine Unterbrechung der Zuleitung von der Sonde zum Integrator, so erhöht sich die Zeitkonstante des Integrationsglie­ des wesentlich, so daß für eine lange Zeit nach der Unterbrechung die zuvor bestehende Ausgangsspannung Ua bestehenbleibt (siehe Signalabschnitt 29). Im Falle eines Kurzschlusses der Sauerstoffmeßsonde steigt jedoch die Ausgangsspannung Ua auf ihren Maximalwert (siehe Signalabschnitt 30). Beides kann im Mikrocomputer ausgewertet werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Erkennung der Betriebsbereitschaft einer Sauerstoffmeßsonde, die im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und zusammen mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der Gemischauf­ bereitung für die Brennkraftmaschine dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Sauer­ stoffmeßsonde mit einer Integrationszeitkonstanten integriert wird, welche vom Innenwiderstand der Sau­ erstoffmeßsonde abhängt, daß die Änderungsgeschwin­ digkeit der Ausgangsspannung gemessen wird und daß oberhalb eines vorgegebenen Wertes der Änderungsge­ schwindigkeit Betriebsbereitschaft festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ferner Betriebsbereitschaft nur festge­ stellt wird, solange ein zweiter vorgegebener Wert der Änderungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Integrator ein Anfangswert zuge­ führt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Eingang des Integrators kurzzeitig weit­ gehend kurzgeschlossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Start der Brenn­ kraftmaschine wiederholt Messungen erfolgen, bis die Änderungsgeschwindigkeit auf oder über den vorgege­ benen Wert gestiegen ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert bzw. die vorgegebenen Werte einem Speicher ent­ nommen werden, dessen Inhalt veränderbar ist.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den Ausgang der Sauerstoffmeß­ sonde (1) der Eingang eines Integrators angeschlos­ sen ist, dessen Ausgang über einen Analog/Digital- Wandler (14) mit dem Eingang (15) eines Mikrocompu­ ters (16) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Eingang des Integrators ferner über einen steuerbaren Schalter (20) mit konstantem Potential verbindbar ist und daß dem steuerbaren Schalter (20) ein Signal von einem Ausgang (17) des Mikrocomputers (16) zugeführt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (20) ein Transistor ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator von einem Operationsverstärker (6) gebildet ist, des­ sen invertierender Eingang den Eingang des Integra­ tors bildet und über einen Kondensator (9) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (6) verbunden ist, und daß der nichtinvertierende Eingang mit einer kon­ stanten Spannung beaufschlagt ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem invertierenden Ein­ gang des Operationsverstärkers (6) und dem steuerba­ ren Schalter (20) sowie zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (6) und dem Aus­ gang der Sauerstoffmeßsonde (1) je ein abgleichbarer Widerstand (5, 21) angeordnet ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (9) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (6) über einen Spannungsteiler (7, 8) verbunden ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator derart dimensioniert ist, daß die Integrationszeit­ konstante bei betriebsbereiter Sauerstoffmeßsonde im wesentlichen keinen Einfluß auf die Regelcharakte­ ristik ausübt.