DE4113316C2

DE4113316C2 - Anschlußschaltung für eine Lambdasonde und Prüfverfahren für eine solche Schaltung

Info

Publication number: DE4113316C2
Application number: DE4113316A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schnaibel; Lothar Raff; Helmut Denz; Johannes-Dieter Wichterich; Ernst Wild; Eugen Joos; Werner Mezger; Joachim Heimes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2011-04-25
Also published as: GB2255185B; ES2036959A2; KR920020219A; ES2036959R; JPH05107299A; ES2036959B1; KR100235364B1; US5298865A; GB9207939D0; GB2255185A; DE4113316A1

Description

Das Folgende betrifft eine Anschlußschaltung für eine poten tialfreie Lambdasonde mit einer Masseleitung und einer Sig nalleitung sowie ein Prüfverfahren zum Untersuchen von Feh lern beim Anschließen der Lambdasonde, wie Schlüssen oder Unterbrechungen in der Masseleitung oder der Signalleitung.

Stand der Technik

Lambdasonden vom Nernst-Typ, wie sie seit Beginn der Kataly satortechnik mit Lambdaregelung in Kraftfahrzeugen verwendet werden und wie sie überwiegend auch in den nächsten Jahren noch Verwendung finden werden, weisen eine sehr steile Kenn linie auf, d. h. daß die Sondenspannung im Fall des Messens fetter Gemische und im Bereich magerer Gemische sich nur wenig mit zunehmend fettem bzw. zunehmend magerem Gemisch ändert, dagegen beim Übergang von einem fettem zu einem ma geren Gemisch innerhalb einem sehr engen Gemischbereich eine Änderung um einige 100 mV erfährt. Typischerweise liegt die Sondenspannung beim Messen fetter Gemische bei etwa 850 mV und beim Messen magerer Gemische bei etwa 100 mV. Die tat sächlich gemessenen Spannungen schwanken jedoch von Sonde zu Sonde zum Teil beträchtlich. So kann eine erste Sonde z. B. beinahe 1 V beim Messen fetter Gemisch anzeigen und eine an dere bis zu etwa -80 mV beim Messen magerer Gemische.

Diese eben genannten sondenspezifischen Eigenschaften sind für die Regelung ziemlich unerheblich, da bei dieser typi scherweise nur abgefragt wird, ob die Sondenspannung z. B. über 450 mV oder darunter liegt. Die sondenspezifischen Eigenschaften führen jedoch zu Problemen beim überprüfen der Anschlußschaltung auf Fehler, insbesondere wenn es darum geht, ob ein Masseschluß vorliegt. Bei einem Masseschluß werden 0 V gemessen. Dies ist jedoch auch ein plausibler Meßwert, da, wie im vorigen Absatz ausgeführt, die im Mage ren gemessene Spannung durchaus bei 0 V oder sogar darunter liegen kann, wobei negative Spannungen allerdings von den typischen Auswerteschaltungen nicht ausgewertet werden, also auch zu einer gemessenen Spannung von 0 V führen.

Um Masseschlüsse sicher feststellen zu können, wird herkömm lich typischerweise so vorgegangen, daß dann, wenn die Son denspannung länger als über eine vorgegebene Zeitspanne den Wert 0 V aufwies, das Kraftstoff/Luft-Gemisch willkürlich etwas angefettet wird. Reagiert das Sondensignal nicht auf diese Anfettung, ist dies der sichere Hinweis darauf, daß ein Masseschluß vorliegt. Nachteilig bei diesem Prüfverfah ren ist, daß das Gemisch angefettet werden muß, was zu er höhtem Schadgasausstoß führt und auch andere Nachteile zur Folge hat.

Lambdasonden werden überwiegend so angeordnet, daß sie die Gaszusammensetzung im Abgasstrom vor einem Katalysator er mitteln. Es ist jedoch auch bekannt, z. B. aus DE-A 23 04 622 oder US-A-4,622,809, eine Lambdasonde zusätzlich hinter ei nem Katalysator anzuordnen, um mit Hilfe dieser Sonde die Konvertierungsfähigkeit des Katalysators zu überwachen. So lange der Katalysator sehr gut konvertiert, strömt an der hinteren Lambdasonde ein das Gemisch sehr gleichmäßiger Zusammensetzung vorbei. Bei einem auf den Lambdawert eins geregelten Motor wird dann trotz der relativen steilen Kennlinie der Lambda sonde dauernd eine Spannung von etwa 450 mV gemessen, da der Lambdawert hinter dem Katalysator dauernd ziemlich genau auf dem Wert eins steht. Diese Tatsache führt zu Schwierigkeiten beim Über prüfen der Funktionsfähigkeit der Sonde hinter dem Katalysator, da bei dauernd gleich bleibender Sondenspannung unklar ist, ob die Anschlussschaltung für die hintere Sonde defekt ist oder ob der Katalysator so ausgezeichnet konvertiert, dass es zu keinen Änderungen kommt. Eine Überprüfung ist allerdings auch in diesem Fall dadurch möglich, dass über längere Zeit willkürlich ein vom Lambda wert eins abweichendes Gemisch erzeugt wird. Dies führte den bereits oben genannten Nachteilen.

Es bestand demgemäss das Problem, Möglichkeiten zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit von Anschlussschaltungen für Lambdasonden anzugeben, die ohne willkürliches Verändern der Gemisch zusammensetzung arbeiten.

Darstellung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anschlussschaltung für eine potentialfreie Lambdasonde, die eine Sonden- Signalleitung sowie eine Sonden-Masseleitung aufweist, die mit einem Steuergerät verbindbar sind, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Offset-Spannungsquelle vorgesehen ist, dass die Offset- Spannungsquelle zwischen die Sensor-Masseleitung und eine Steuergerätemasse geschaltet ist, sodass das Potenzial der Sonden-Masseleitung um die von der Offset-Spannungsquelle vorgegebene Offset spannung gegenüber der Steuergerätemasse angehoben wird. Weiterhin ist eine Überprüfung vorgese hen, ob das gegen Steuergerätemasse gemessene Potential der Signalleitung unter einen Schwellen wert fällt und dass bei einem Überschreiten des Schwellenwerts ein Fehlersignal ausgegeben wird.

Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Anschlussschaltung kann das tiefste gemessene Potential der Sig nalleitung gegenüber der Steuergerätemasse bei der Funktionstüchtigkeit der Schaltung keinen kleine ren Wert aufweisen, als er im Wesentlichen der Offsetspannung der Offset-Spannungsquelle ent spricht. Fällt dagegen das genannte Potential deutlich unter die Offsetspannung, muss davon ausge gangen werden, dass ein Masseschluss vorhanden ist. Der Fehler wird direkt bei seinem Auftreten und ohne vorheriges Anfetten des Kraftstoff-Luft-Gemischs der Brennkraftmaschine bemerkt, also nicht erst nach einer größeren Zeitspanne, wie es beim Stand der Technik der Fall ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anschlussschaltung erge ben sich aus Unteransprüchen.

Um mit Hilfe der Offsetspannung nicht nur Masseschlüsse, sondern beispielsweise auch Unterbrechun gen feststellen zu können, ist es von Vorteil, die Signalleitung über einen Pulldown-Widerstand mit der Steuergerätemasse zu verbinden. Dieser Vorteil gilt insbesondere für die Anschlussschaltung einer hinter dem Katalysator angeordneten Lambdasonde. Bei einer vor einem Katalysator angeordneten Lambdasonde kann stattdessen eine Unterbrechungen auch in herkömmlicher Weise dadurch festge stellt werden, dass die Sondenspannung dauernd auf einem festen Wert stehen bleibt.

Zeichnung

Fig. 1 schematischer Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anschlussschaltung mit Offset- Spannungsquelle und Pulldown-Widerstand,

Fig. 2 schematisches Schaltbild einer Sondenanschlußschal tung mit Hilfs- und Offset-Spannungsquelle,

Fig. 3 Schaltbild einer Anschlußschaltung für zwei Sonden, mit einer gemeinsamen Offset-Spannungsquelle,

Fig. 4 Flußdiagramm zum Erläutern eines Prüfverfahrens zum Erkennen von Fehlern einer Sondenanschlußschaltung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im folgenden ist vielfach von Widerständen und Spannungs quellen die Rede. Dabei stimmen jeweils die Bezeichnungen dieser Bauteile mit den Widerstands- bzw. Spannungswerten der Bauteile überein. So bezeichnet z. B. UOS sowohl eine Offset-Spannungsquelle als Bauteil wie auch die Spannung dieser Spannungsquelle. R_SV ist entsprechend sowohl die Be zeichnung für ein Widerstandsbauteil, hier den Ersatzwider stand einer Lambdasonde vor einem Katalysator, wie auch für den Widerstandswert dieses Bauteils.

Bevor auf die Fig. 1 und 2 im Detail eingegangen wird, sei einleitend Fig. 3 in Übersicht beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein Steuergerät SG, an das eine vor einem (nicht dargestellten) Katalysator angeordnete Lambdasonde SV und eine hinter dem Katalysator angeordnete Sonde SH jeweils über eine Signalleitung SL_SV bzw. SL_SH und eine Masselei tung ML_SV bzw. ML_SH angeschlossen sind. Die beiden Masse leitungen führen auf denselben Anschluß des Steuergerätes. An diesen ist intern die bereits genannte Offset-Spannungs quelle UOS angeschlossen. Mit Hilfe dieser Spannungsquelle werden beide Masseleitungen hochohmig auf das Potential UOS gegenüber Steuergerätemasse angehoben. Die Signale beider Sonden werden einem Mikroprozesser µC zugeführt. Die Anschlußschaltung für jede Sonde umfaßt die genannten Steuer leitungen bis zum Steuergerät, wie auch Funktionsgruppen im Steuergerät vor dem Mikroprozessor.

Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild zum Detailschaltbild in Fig. 3 für die hintere Sonde SH, während Fig. 2 entsprechend das Prinzipschaltbild für die vordere Sonde SV ist. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Zuordnung nicht zwingend ist. So kann die Schaltung von Fig. 1 auch für die vordere Sonde und entsprechend die Schaltung gemäß Fig. 2 für die hintere Sonde verwendet werden. Jedoch ist die in den Figuren ge wählte Zuordnung besonders vorteilhaft, was aus dem Folgen den ersichtlich wird.

In der Schaltung gemäß Fig. 1 sind die Signalleitung SL_SH und die Masseleitung ML_SH einer hinteren Sonde SH an einen Differenzverstärker DV_SH mit einem Verstärkungsfaktor G an geschlossen. Die Signalleitung ist über einen Pulldown- Widerstand RPD mit Masse verbunden. Das Potential der Masse leitung ML_SH wird mit Hilfe der bereits genannten Offset- Spannungsquelle UOS auf das positive Potential UOS gegenüber Masse angehoben. Die Ausgangsspannung UA_SH ergibt sich da mit zu UOS + G × U_SH. U_SH ist dabei die von der hinteren Sonde SH gelieferte Spannung. Dies ist aus dem Ersatzschalt bild der Sonde ersichtlich, das eine Ersatzspannungsquelle U_SH und einen Ersatz-Sondeninnenwiderstand R_SH aufweist.

In Fig. 2 ist eine vordere Sonde SV über die Signalleitung SL_SV und die Masseleitung ML_SV mit einem Differenzverstär ker DV_SV verbunden. Das Potential der Masseleitung wird wiederum durch eine Offset-Spannungsquelle UOS auf das Po tential UOS gegenüber Masse angehoben. Die Sonde SV weist ein Ersatzschaltbild mit einer Ersatzspannungsquelle U_SV und einem Ersatzwiderstand R_SV auf. Die Sondenspannung wird an einem Widerstand RA angegriffen, der in Reihe mit einer Spannungsquelle UM parallel zur Sonde liegt. Die von der Spannungsquelle UM erzeugte Spannung UM ist eine mittlere Spannung, wie sie in etwa dann abgegeben wird, wenn die Son de Abgas von einem Gemisch mit dem Lambdawert Eins mißt. Die Sondenausgangsspannung UA_SV ergibt sich dann zu:

UA_SV = UOS + G × (UM + RA × (U_SV - UM)/(RA + R_SV))

Bei kalter Sonde ist der Ersatz- oder Innenwiderstand R_SV der Sonde sehr hoch, in welchem Fall die Sondenausgangsspan nung etwa den Wert UOS + G × UM aufweist.

Die in Fig. 3 eingezeichneten konkreten Bemessungswerte für Widerstände sind so gewählt, daß die Differenzverstärker DV_SH und DV_SV Verstärkungsfaktoren G vom Wert 4 aufweisen, die Spannungsquelle UM eine Spannung von 450 mV erzeugt und die von einem Operationsverstärker ausgegebene Offsetspan nung UOS 750 mV beträgt. Außer den bereits besprochenen Bau teilen und Funktionsgruppen weist die Schaltung von Fig. 3 noch jeweils einen A/D-Wandler zwischen den Differenzver stärkern DV_SH bzw. DV_SV und dem Mikrocomputer µC sowie eine Konstantspannungsquelle KS auf.

Anhand von Fig. 4 wird nun ein Prüfverfahren beschrieben, mit dem sich Fehler in der Anschlußschaltung feststellen lassen, wie sie Teil von Fig. 3 ist. Dabei wird jedoch nur auf die wichtigsten Fehler eingegangen und insbesondere auf diejenigen, bei deren Feststellung die Offsetspannung UOS hilfreich ist.

Nach dem Start des Verfahrens von Fig. 4 wird zunächst (Schritt s1) überprüft, ob eine der Ausgangsspannungen der beiden Sonden, also UA_SV oder UA_SH größer ist als 4,8 V. Dies kann nur dann der Fall sein, wenn ein Schluß entweder einer Signal- oder einer Masseleitung zur Batteriespannung UB vorliegt. Wird dies tatsächlich festgestellt, erfolgt in einem Schritt s2 die entsprechende Fehlerausgabe. Die Feh lermeldung kann in einem Speicher abgelegt werden, und/oder der Fehler kann sichtbar und/oder akustisch ausgegeben wer den. Das Verfahren kehrt dann wieder zum ersten Schritt zu rück.

Liegt kein Schluß gegen die Batteriespannung vor, wird in einem Schritt s3 untersucht, ob eine der Sondenspannungen UA_SV oder UA_SH kleiner als eine Schwellenspannung USW ist, die maximal der Offsetspannung UOS (beim Ausführungsbeispiel 750 mV) vermindert um die maximal mögliche verstärkte nega tive Sondenspannung USV oder USH (beim Ausführungsbeispiel 4 × (-80 mV)) ist. Ist dies für eine der Sonden der Fall, wird in einem Schritt s4 ein Schluß dieser Sonde nach Masse angezeigt. Wird der Fehler für eine mit einem Pulldown- Widerstand an der Signalleitung versehene Sonde festge stellt, kann es sich auch um eine Unterbrechung der Masse- oder der Signalleitung handeln. In den Fig. 1 bis 3 ist der Pulldown-Widerstand nur für die Schaltung für die hintere Sonde eingezeichnet. Ein solcher Pulldown-Widerstand kann aber ohne weiteres auch an die Signalleitung SL_SV der vor deren Sonde SV angeschlossen sein. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß eine Unterbrechung sofort bei ihrem Auftreten- festgestellt wird, da dann die Ausgangsspannung UA_SV unter die Offsetspannung UOS fällt. Ohne derartigen Pulldown- Widerstand stellt sich in der Schaltung gemäß Fig. 2 bei Unterbrechung der Signalleitung SL_SV oder der Masseleitung ML_SV die Ausgangsspannung UOS + G × UM ein. Aufgrund des eingangs beschriebenen erwarteten zeitlichen Verhaltens des Signals von der Sonde SV ist es nicht möglich, daß dieses über eine längere Zeitspanne als einige Zehntelsekunden auf dem genannten konstanten Wert steht. Auf diese Weise läßt sich der Unterbrechungsfehler also ebenfalls für die vordere Sonde SV feststellen. Im Fall der hinteren Sonde ist der genannte konstante Wert jedoch sehr plausibel, weswegen für diese Sonde der Unterbrechungsfehler nur mit Hilfe des Pull down-Widerstandes RPD festgestellt werden kann.

Wird in Schritt s3 der genannte Fehler festgestellt, erfolgt in einem Schritt s4 die entsprechende Fehlermeldung, und das Verfahren kehrt zum Schritt s1 zurück.

Werden die Schritte s1 und s3 ohne Fehlermeldung durchlau fen, wird in einem Schritt s5 überprüft, ob die Ausgangs spannung UA_SV oder UA_SH einer der beiden Sonden für länger als eine vorgegebene Zeitspanne ΔtSW im wesentlichen der Offsetspannung UOS entspricht. Die Zeitspanne tSW kann zum überprüfen der Anschlußschaltung der vorderen Sonde relativ kurz bemessen sein, in der Größenordnung einiger Sekunden, während sie für die Anschlußschaltung der hinteren Sonde länger bemessen sein kann, in der Größenordnung einiger 10 Sekunden. Wird der Eintritt der untersuchten Bedingung festgestellt, erfolgt in einem Schritt s6 eine Fehlermeldung dahingehend, daß ein Kurzschluß in der Anschlußschaltung für die vordere bzw. hintere Sonde vorliegt. Dann wird erneut Schritt s1 erreicht.

Werden die Schritte s1, s3 und s5 ohne Fehlermeldung durch laufen, wird in einem Schritt s7 untersucht, ob die Aus gangsspannung UA_SV der vorderen Sonde für mehr als eine vorgegebene Zeitspanne ΔtSW2 im wesentlichen dem Wert G × UM + UOS entspricht. Die Zeitspanne braucht nur einige Zehntelsekunden zu betragen. Ist die Bedingung erfüllt, er folgt in einem Schritt s8 eine Fehlermeldung dahingehend, daß eine Unterbrechung in der Anschlußschaltung der vorderen Sonde SV vorliegt. Dann wird erneut Schritt s1 erreicht. Wird in Schritt s7 kein Fehler erkannt, wird untersucht (Schritt s9), ob bei kalter Sonde die Ausgangsspannung UA_SV dieser Sonde den Spannungswert UM der Hilfsspannungsquelle aufweist. Wie weiter oben ausgeführt, müßte bei hohem Innenwiderstand der Sonde, was bei kalter Sonde der Fall ist, die Ausgangsspannung eigentlich UOS + G × UM betragen. Ist sie dagegen nur G × UM, ist dies ein Zeichen dafür, daß die Ver bindung zwischen Offset-Spannungsquelle UOS und Masseleitung abgefallen ist. Da sich dieser Fehler bei der vorteilhaften Beschaltung der hinteren Sonde gemäß Fig. 1 ohne Hilfsspan nungsquelle UM nur schwer feststellen läßt, ist es von Vor teil, die Masseleitung ML_SH für die hintere Sonde SH mit demselben Anschluß am Steuergerät SG zu verbinden, mit dem auch die Masseleitung ML_SV der vorderen Sonde SV verbunden ist. Die Unterbrechung zur Offset-Spannungsquelle kann dann für beide Sonden gemeinsam mit dem genannten Ablauf von Schritt s9 erfolgen. Wird der Eintritt der in Schritt s9 untersuchten Bedingung festgestellt, erfolgt in Schritt s10 die Meldung für den genannten Fehler. Anschließend folgt wiederum Schritt s1.

Wird ein Fehler erkannt, ist es jeweils von Vorteil, nicht nur eine Fehlermeldung auszugeben, sondern auch in bekannter Weise ein Notlaufverfahren zu starten.

Werden alle Fehleruntersuchungsschritte ohne Feststellen eines Fehlers durchlaufen, wird abschließend abgefragt (Schritt s11), ob das Verfahren beendet werden soll, z. B. weil die Zündung abgeschaltet wurde und die Fehleruntersu chung in einer Nachlaufphase nicht auszuführen ist. Ergibt sich, daß das Verfahren weitergeführt werden soll, erfolgen erneut die Abfragen ab Schritt s1.

Alle vorstehenden konkreten Dimensionierungsangaben beziehen sich auf einen Motor mit Zweipunkt-Lambdaregelung unter Ver wendung von Zirkonoxidsonden vom Nernst-Typ. Es ist für den Fachmann ohne Schwierigkeiten möglich, die Dimensionierung in Anpassung an andere Sonden und in Anpassung an jeweilige Tot- und Verzögerungszeiten bei einem konkreten Gesamtaufbau und einer konkreten Regelung vorzunehmen, zumal nur Anpas sungen innerhalb derselben Größenordnung erforderlich sind. Wesentlich ist nur, daß die Masseleitung einen Potentialver satz gegen das Massepotential erfährt. Von Vorteil ist es darüber hinaus, die Signalleitung mit einem Pulldown-Wider stand zu versehen.

Claims

1. Anschlussschaltung für eine potentialfreie Lambdasonde (SV, SH), die eine Son den-Signalleitung (SL_SV, SL_SH) sowie eine Sonden-Masseleitung (ML_SV, ML_ SK) aufweist, die mit einem Steuergerät (SG) verbindbar sind, dadurch gekennzeich net, dass eine Offset-Spannungsquelle (UOS) vorgesehen ist, dass die Offset- Spannungsquelle (UOS) zwischen die Sensor-Masseleitung (ML_SV, ML_SH) und eine Steuergerätemasse geschaltet ist, derart, dass das Potential der Sonden- Masseleitung (ML_SV, ML_SH) um die von der Offset-Spannungsquelle (UOS) vorgegebene Offsetspannung gegenüber der Steuergerätemasse angehoben wird, dass eine Überprüfung vorgesehen ist, ob das gegen die Steuergerätemasse gemessene Potential der Signalleitung (SL_SV, SL_SH) unter einen Schwellenwert fällt und dass bei einem Überschreiten des Schwellenwerts ein Fehlersignal ausgegeben wird.

2. Anschlussschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset- Spannungsquelle (UOS) hochohmig ist.

3. Anschlussschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dass die von der Offset-Spannungsquelle (UOS) bereitgestellte Offsetspannung höher ist als die maximal mögliche verstärkte negative Span nung der Lambdasonde (SV, SH).

4. Anschlussschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulldown-Widerstand (RPD) vorgesehen ist, der die Signalleitung (SL_SV, SL_SH) mit der Steuergerätemasse verbindet.

5. Anschlussschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschaltung zugleich Anschlussschaltung für eine weitere Lambdasonde (SV) ist, wobei die Sonden-Masseleitungen (ML_SV, ML_SH) beider Sonden (SV, SH) miteinan der verbunden sind und demgemäss ihre Potentiale auf den Sonden-Masseleitungen (ML_SV, ML_SH) um dieselbe Offsetspannung angehoben sind.

6. Anschlussschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert auf höchstens die Differenz zwischen der Offsetspannung und der maximal Möglichen ver stärkte negative Spannung der Lambdasonde (SV, SH) festgelegt ist.