DE3811732A1 - Schaltungsanorndnung zur funktionspruefung des katalysators von kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Funktions­ prüfung des Katalysators von Kraftfahrzeugen mit Lambda-Regelung, die bei Bedarf zwischen der Lambda- Sonde und dem Lambda-Regler einfügbar ist.

Zur Verminderung der Schadstoffemission von Otto-Mo­ toren ist es in Kraftfahrzeugen bekannt, die Abgase des Otto-Motors mittels eines Katalysators nachzube­ handeln. Eine wirksame katalytische Nachbehandlung setzt jedoch voraus, daß das Kraftstoffgemisch optimal zusammengesetzt ist. Eine optimale, also stöchiometrische Gemischzusammensetzung ist immer dann gegeben, wenn zur angesaugten Luft gerade soviel Kraftstoff eingespritzt oder vergast wird, daß theoretisch eine vollkommene Verbrennung stattfindet. Durch Einsatz einer Lambda-Regelung wird das dem Motor zugeführte Luft-Kraftstoff-Verhältnis "Lambda" auf den optimalen Wert Lambda = 1,0 mit großer Genauigkeit eingeregelt. Die bekannte Lambda-Regelung enthält im Abgasstrom stromaufwärts vom Katalysator eine Lambda-Sonde, die in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis "Lambda" eine sich än­ dernde Sondenspannung abgibt und daher zur Regelung von Lambda einem Lambda-Regler zugeführt wird, der die Einspritzventile oder ggf. die Vergaser-Gemisch­ aufbereitung über ein zusätzliches elektromechani­ sches Stellglied entsprechend ansteuert. Die Abhän­ gigkeit der Sondenspannung von Lambda ist derart, daß die Sondenspannung bei einem zu mageren Gemisch (Luftüberschuß) erst allmählich, in der Nähe von Lambda = 1 dann steil ansteigt und bei einem zu fetten Gemisch (Luftmangel) nur noch allmählich weiter steigt. Überschreitet die Sondenspannung einen vorgegebenen Arbeitspunkt, so liegt ein zu fettes Gemisch vor, bei Unterschreiten des Arbeitspunktes verbrennt der Motor ein zu mageres Gemisch.

Während die gesetzlich vorgeschriebene Abgassonderun­ tersuchung bei katalysatorfreien Otto-Motoren ledig­ lich mit einem preiswerten CO-Testgerät durchgeführt werden kann, scheitert diese Prüfmethode bei Fahr­ zeugen mit geregeltem Katalysator, da bei richtiger Funktion des Katalysators kein CO meßbar ist.

Zur Funktionsprüfung von geregelten Katalysatoren wurde daher vorgeschlagen, die Lambda-Regelung ein vorgegebenes Zeitintervall gezielt so außer Kraft zu setzen, daß der Katalysator während dieses Testinter­ valls ein überfettetes Gemisch zu reinigen hat. Ist der Katalysator in Ordnung, so kann er diese Über­ lastung ohne erhöhten CO-Ausstoß verarbeiten, bei der gesetzlichen Abgas-Sonderuntersuchung wird dann mit den vorhandenen CO-Testgeräten kein CO-Ausstoß fest­ gestellt. Wird dagegen in diesem Testintervall ein CO-Ausschuß gemessen, so wird bei diesem bekannten Verfahren der Katalysator als defekt erkannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, welche nach dem bekannten Katalysator-Testverfahren arbeitet und zur Durchführung einer Funktionsprüfung dem Lambda-Regler - in Abhängigkeit von der Sondenspannung - eine Test­ spannung einprägt.

Diese Aufgabe wird bei der Schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen steuerbaren Schalter zwischen dem Ausgang der Lambda-Sonde und dem Eingang des Lambda-Reglers, eine Steuereinheit, die eine Schwellwertschaltung und ein Zeitglied enthält, und den steuerbaren Schalter in Abhängigkeit von der Steigung und einem vorgebbaren ersten Schwellwert der Sondenspannung ein erstes Testintervall lang öffnet und eine Halteschaltung zwischen dem steuerbaren Schalter und dem Eingang des Lambda-Reglers, die bei geschlossenem Schalter die jeweils aktuelle Sondenspannung an den Lambda-Regler abgibt, und die bei geöffnetem Schalter während des ersten Testintervalls eine vorgegebene erste Test­ spannung an den Lambda-Regler abgibt.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die Schaltung bei geschlossenem steuerbaren Schalter jeweils die aktuelle Sondenspannung dem Lambda-Regler zuführt. Überschreitet dagegen die Sondenspannung einen vorgegebenen ersten Schwellwert, so wird der steuerbare Schalter ein vorgegebenes Testintervall lang geöffnet, und während dieses Test­ intervalls wird dann an den Lambda-Regler eine vorge­ gebene Testspannung gelegt, die ein zu mageres Ge­ misch kennzeichnet, so daß der Regler während des Testintervalls den Kraftstoffanteil ständig erhöht und daher den Katalysator definiert überfettet. Nach Ablauf des Testintervalls wird dann der steuerbare Schalter von der Steuereinheit wieder geschlossen, und der Lambda-Regler erhält dann wieder die aktuelle Sondenspannung zugeführt, die aufgrund der Zwangs­ überfettung während des Testintervalls entsprechend angewachsen ist. Vorteilhaft bei dieser Schaltung ist es dabei, daß Schwellwert und Dauer des Testinter­ valls in einfacher Weise vorgebbar sind, und daß bei jedem Durchlauf der Sondenspannung von ihrem unteren zu ihrem oberen Umkehrpunkt der Testbetrieb jeweils automatisch ausgelöst wird.

Besonders bevorzugt ist die Schaltung so ausgebildet, daß beim Öffnen des Schalters jeweils der unmittelbar vor dem Öffnen vorhandene Schaltungszustand während des Testintervalls erhalten bleibt, daß also der Lambda-Regler während des Öffnens des Schalters die unmittelbar vor dem Öffnen empfangene Sondenspannung während des Testintervalls erhält. Eine derartige Schaltung läßt sich in besonders einfacher Weise als Sample and Hold-Schaltung (Abtast-Halteschaltung) verwirklichen, bei welcher der steuerbare Schalter z.B. als Feldeffekttransistor ausgebildet ist, dessen Source-Drain-Strecke im Strompfad zwischen Lambda- Sonde und Lambda-Regler liegt, und dessen Gate von der Steuereinheit gesteuert wird. Die Halteschaltung besitzt bei dieser Ausführungsform der Erfindung an ihrem Eingang ein Speicherelement, bevorzugt einen zwischen den Eingangsklemmen liegenden Kondensator.

Die Steuereinheit greift mit ihrem Eingang eine der Sondenspannung proportionale Spannung ab und führt sie dem ersten Anschluß eines ersten Komparators zu, dessen zweiter Anschluß mit einem vorgegebenen Schwellwert beaufschlagt ist. Der Komparator ist so geschaltet, daß er das Zeitglied nur dann aktiviert, welches den steuerbaren Schalter während des Test­ intervalls öffnet, wenn die Sondenspannung den ersten Schwellwert überschreitet.

Besonders bevorzugt ist die Schaltung so ausgelegt, daß die Steuereinheit den steuerbaren Schalter wäh­ rend einer Regelperiode bei fallender Sondenspannung ein zweites Testintervall lang öffnet, wenn nämlich die Sondenspannung einen vorgegebenen zweiten, einen überfetteten Zustand kennzeichnenden Schwellwert un­ terschreitet. Erfindungsgemäß wird dann während des zweiten Testintervalls bei geöffnetem Schalter eine einen überfetteten Zustand kennzeichnende Testspan­ nung, bevorzugt die unmittelbar vor dem Öffnen des Schalters anliegende Sondenspannung angelegt, so daß dann der Regler während des zweiten Testintervalls die Kraftstoffzufuhr ständig drosselt und damit das System mit zu magerem Gemisch betreibt. Der Betrieb im zweiten Testintervall dient dazu, den im ersten Testintervall zu fett gefahrenen Katalysator wirksam zu reinigen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines mit Lambda- Regelung betriebenen Katalysators eines Otto- Motors;

Fig. 2 ein Schaltbild der Schaltung gem. Fig. 2, und

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Sondenspannung während mehrerer Regelintervalle.

Das in Fig. 1 dargestellte schematische Schaltbild einer Lambda-Regelung mit Katalysator zeigt einen Luftmengenmesser 1 in dem zum Motor 2 führenden Luftkanal. Im Abgaskanal 2 a ist eine Lambda-Sonde 3, und anschließend ein Katalysator 4 eingefügt. Die Abgassonde 3 gibt ihre Sondenspannung U _S an ein einen Regler enthaltendes Steuergerät 6, welches je nach Sondenspannung eine Ventilsteuerspannung U _v an die Einspritzventile 5 abgibt, die von der Kraft­ stoffleitung 7 Kraftstoff zugeführt erhalten und - entsprechend der Ventilsteuerspannung U _v - Kraft­ stoff in den Motor 2 einspritzen. Zur Durchführung einer Funktionsprüfung des Katalysators 4 wird statt der Verbindungsleitung 3 a zwischen Sonde 3 und Lambda-Regler 6 eine Schaltung 10 eingefügt, deren prinzipieller Aufbau in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Die Schaltung 10 enthält zwischen dem Ausgang der Lambda-Sonde 3 und dem Eingang des Lambda-Reglers 6 einen steuerbaren Schalter 12, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Feldeffekttransistor aus­ gebildet ist, dessen Gate an den Steuerausgang 42 einer Steuereinheit 40 liegt. Die Steuereinheit 40 enthält eine Schwellwertschaltung 50 und ein Zeit­ glied 70 und steuert den steuerbaren Schalter 12 in Abhängigkeit von der Steigung und einem vorgebbaren ersten Schwellwert U _{s 1} der Sondenspannung U _S so aus, daß der Schalter 12 ein erstes Testintervall t ₁ lang geöffnet ist. Zwischen dem steuerbaren Schalter 12 und dem Eingang des Lambda-Reglers 6 ist eine Halteschaltung 80 angeordnet, die bei geschlos­ senem Schalter 12 die jeweils aktuelle, zeitlich ver­ änderliche Sondenspannung U _S an den Lambda-Regler 6 abgibt. Wird dagegen der Schalter 12 geöffnet, so gibt die Halteschaltung 80 während des vom Zeitglied 70 festgelegten Testintervalls eine vorgegebene erste Testspannung an den Lambda-Regler 6 ab. Der erste Schwellwert U _s1 ist dabei so festgelegt, daß der Schalter 12 zu einem Zeitpunkt öffnet, bei dem die Sondenspannung ein zu mageres Kraftstoffgemisch fest­ stellt. Während des ersten Testintervalls wird dann die erste Testspannung an den Lambda-Regler gegeben. Die erste Testspannung ist so gewählt, daß sie einer Sondenspannung entspricht, die ein zu mageres Gemisch kennzeichnet, so daß der Regler 6 während des An­ liegens der ersten Testspannung das Gemisch ständig zu fetteren Werten hin verändert, wodurch der Kata­ lysator 4 überfettet wird.

In der dargestellten Ausführungsform besitzt die Halteschaltung 80 an ihrem Eingang einen Kondensator 82 nach Masse (bzw. zum Masseeingang der Halteschal­ tung). Dem Kondensator 82 ist eine Ausgangsstufe 84 nachgeschaltet, die aus einem Eingangswiderstand 85 und einem Operationsverstärker IC 2 besteht. Zwischen Lambda-Sonde 3 und dem steuerbaren Schalter 12 ist eine Eingangsstufe 30 mit einem Operationsverstärker IC 1 vorgesehen, dessen Ausgang 31 am Source-Anschluß des steuerbaren Schalters 12 liegt. Am Ausgang 31 der Eingangsstufe 30 ist noch ein Koppelwiderstand 32 zum Gate des steuerbaren Schalters 12 gelegt. Die Ein­ gangsstufe 30 dient dazu, die von der Lambda-Sonde 3 abgegebene Sondenspannung U _S auf einen dem Schalter 12 entsprechenden Pegel zu verstärken. Die Ausgangs­ stufe 84 der Halteschaltung 80 setzt dann - durch einen Eingangswiderstand 85 zwischen dem Kondensator 82 und dem Operationsverstärker IC 2 - die Ausgangs­ spannung der Halteschaltung 80 auf den Wert der Son­ denspannung U _S herab. Die am Kondensator 82 lie­ gende Spannung folgt bei geschlossenem Schalter 12 der Ausgangsspannung der Eingangsstufe 30 so lange, bis der Schalter 12 geöffnet wird und der Kondensator 82 danach die zuletzt vorhandene Kondensatorspannung - wegen des hohen Eingangswiderstandes des Opera­ tionsverstärkers IC 2 - hält. Als erste Testspannung wird bei dieser Ausführungsform der Schaltung während des ersten Testintervalls die als erste Schwell­ spannung U _{s 1} dienende Sondenspannung an den Lambda- Regler 6 abgegeben. Nach Ablauf des ersten Testinter­ valls t ₁ wird das Zeitglied 70 wieder desaktiviert und der Schalter 12 geschlossen, woraufhin am Regler wieder die tatsächlich von der Lambda-Sonde 3 abge­ gebene Sondenspannung am Regler 6 anliegt.

Die Steuerschaltung 40 greift mit ihrem Eingang 44 eine der Sondenspannung proportionale Spannung zwi­ schen Lambda-Sonde 3 und steuerbaren Schalter 12 ab und führt diese Spannung dem ersten Anschluß E 1 eines ersten Komparators 52 zu, an dessen zweitem Anschluß E 2 ein mittels eines Widerstandsnetzwerkes und einer Spannungsquelle einstellbarer erster Schwellwert an­ liegt. Der erste Anschluß E 1 ist der positive An­ schluß, der zweite Anschluß E 2 der negative Anschluß eines Operationsverstärkers 42, der anspricht und über eine Serienschaltung aus Kondensator 54, Ableit­ widerstand 58 und Diode 46 sowie Arbeitswiderstand 69 das Zeitglied 70 aktiviert, wenn die Spannung am Ein­ gang E 1 über den ersten Schwellwert am Eingang E 2 an­ liegt.

Die Schwellwertschaltung 50 besitzt einen zweiten Komparator 62, der ebenfalls an seinem ersten, dem negativen Anschluß E 2 eines Operationsverstärkers vom Eingang 44 eine der Sondenspannung proportionale Spannung erhält. Am zweiten Anschluß E 2, dem posi­ tiven Anschluß des Operationsverstärkers 62 liegt - über ein Widerstandsnetzwerk - eine von einer Span­ nungsquelle vorgebbarer zweiter Schwellwert U _{s 2}. Der zweite Komparator 62 spricht bei fallender Son­ denspannung U _s an: Unterschreitet nämlich die Span­ nung an E 1 den zweiten Schwellwert U _{s 2}, so wird der zweite Komparator 62 aktiviert, der ebenfalls über eine Serienschaltung aus Kondensator, Ableitwider­ stand 68, Diode 66 und Arbeitswiderstand 69 das Zeit­ glied 70 während eines zweiten Zeitintervalls t ₂ aktiviert, woraufhin über den Ausgang 42 der steuer­ bare Schalter 12 erneut geöffnet, d.h. der Feldef­ fekttransistor gesperrt wird, woraufhin die Halte­ schaltung 80 während des zweiten Zeitintervalls t ₂ eine dem zweiten Schwellwert U _{s 2} entsprechende Son­ denspannung an den Lambda-Regler 6 abgibt. Beendet das Zeitglied 70 seinen aktiven Zustand, so schließt der Schalter 12 wieder, d.h. der Feldeffekttransistor geht in einen leitenden Zustand zurück, so daß nun erneut die tatsächlich von der Lambda-Sonde 3 abge­ gebene Sondenspannung am Lambda-Regler 6 anliegt.

Fig. 3 zeigt zwei Regelintervalle für die Lambda-Re­ gelung, jedes Intervall besteht aus einem ansteigen­ den, und einem abfallenden Sondenspannungsabschnitt. Der Lambda-Regler sei als 2. Regler ausgebildet, der unterhalb der Sondenspannung 500 mV ein zu mageres Ge­ misch, und bei einer Sondenspannung größer 500 mV ein zu fettes Gemisch ausregelt. Das erste Testintervall t ₁ setzt bei einem Schwellwert U _{s 1} ein, der ein zu mageres Gemisch kennzeichnet, so daß der Regler - wenn während dieses Testintervalls dieser Schwell­ wert von der Halteschaltung 80 gehalten wird - das Gemisch mit Kraftstoff anreichert und daher über­ fettet. Der zweite Schwellwert U _{s 2} kennzeichnet ein zu fettes Kraftstoffgemisch, so daß der Regler den Kraftstoffanteil während dieses Testintervalls dros­ selt, wenn während t ₂ der Schwellwert U _s2 gehal­ ten, und an den Regler angelegt wird. Im zweiten Testintervall wird somit der Katalysator mit zu ma­ gerem Gemisch betrieben, um den Katalysator von der während des ersten Testintervalls t ₁ vorausgegan­ genen Überfettung wirksam zu reinigen.

An das Zeitglied 70 ist eine Anzeigeeinheit 72 ange­ koppelt, die jeweils einen aktiven Zustand des Zeit­ gliedes 70 anzeigt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird der ge­ schlossene Schalter 12 durch den leitenden Feldef­ fekttransistor FET, der geöffnete Schalter 12 durch den gesperrten Feldeffekttransistor FET verwirklicht.

Claims (9)

1. Schaltung zur Funktionsprüfung des Katalysators von Kraftfahrzeugen mit Lambda-Regelung, die bei Be­ darf zwischen der Lambda-Sonde und dem Lambda-Regler einfügbar ist,
gekennzeichnet durch einen steuerbaren Schalter (12) zwischen dem Ausgang der Lambda-Sonde (3) und dem Eingang des Lambda-Reglers (6), eine Steuereinheit (40), die eine Schwellwertschal­ tung (50) und ein Zeitglied (70) enthält, und den steuerbaren Schalter (12) in Abhängigkeit von der Steigung und einem vorgebbaren ersten Schwellwert der Sondenspannung ein erstes Testintervall lang öffnet,
und eine Halteschaltung (80) zwischen dem steuerbaren Schalter (12) und dem Eingang des Lambda-Reglers (6), die bei geschlossenem Schalter (12) die jeweils aktuelle Sondenspannung an den Lambda-Regler (6) ab­ gibt, und die bei geöffnetem Schalter (12) während des ersten Testintervalls eine vorgegebene erste Testspannung an den Lambda-Regler (6) abgibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (40) den steuerbaren Schalter (12) in Abhängigkeit von der Steigung und einem vorgebbaren zweiten Schwellwert der Sondenspannung ein zweites Testintervall lang öffnet, und daß die Halteschaltung bei geöffnetem Schalter (12) während des zweiten Testintervalls eine vorgegebene zweite Testspannung an den Lambda-Regler (6) abgibt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lambda-Sonde (3) und dem steuerbaren Schalter (12) eine Eingangsstufe (30) vorgesehen ist, die die anliegende Sondenspan­ nung auf einen dem Schalter (12) und/oder der Halte­ schaltung (80) entsprechenden Pegel verstärkt, und daß die Halteschaltung (80) eine Ausgangsstufe (84) enthält, welche die Ausgangsspannung der Halteschal­ tung (80) auf den Wert der Sondenspannung herabsetzt.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschaltung (80) an ihrem Eingang ein Speicherelement, insbesondere einen einseitig an Masse bzw. einen anderen Eingang liegenden Kondensator (82) enthält.

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (12) einen Feldeffekttransistor enthält, dessen Source-Drain-Strecke im Strompfad zwischen Lambda- Sonde (3) und Lambda-Regler (6) liegt, und dessen Gate (G) an dem Steuerausgang (42) der Steuereinheit (40) liegt.

6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (40) an ihrem Eingang (44) die Sondenspannung zwischen Lambda-Sonde (3) und steuerbaren Schalter (12) ab­ greift und der Schwellwertschaltung (50) zuführt.

7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (50) einen ersten Komparator (52) enthält, dessen erster Anschluß (E 1) am Eingang (44) der Steuerein­ heit (40) liegt, und dessen zweiter Anschluß (E 2) einen vorgebbaren Schwellwert erhält, und daß der erste Komparator (52) das Zeitglied (70) aktiviert, welches den Schalter (12) das erste Testintervall lang öffnet, wenn die Sondenspannung (an E 1) den ersten Schwellwert (an E 2) überschreitet.

8. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (50) einen zweiten Komparator (62) enthält, dessen erster Anschluß (E 1) am Eingang (44) der Steuerein­ heit (40) liegt, und dessen zweiter Anschluß (E 2) einen zweiten vorgebbaren Schwellwert erhält, und daß der zweite Komparator (62) das Zeitglied (70) akti­ viert, welches den Schalter (12) ein vorgebbares zweites Testintervall lang öffnet, wenn die Sonden­ spannung (an E 1) den zweiten Schwellwert (an E 2) unterschreitet.

9. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinheit (72), die jeweils einen aktiven Zustand des Zeitgliedes (70) anzeigt.