DE4132008A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberpruefung der funktionsfaehigkeit einer elektrischen heizung in kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung dieses Ver­ fahrens angegebene Vorrichtung beziehen sich auf die Überprüfung der Funktionsfähigkeit einer Heizung in Kraftfahrzeugen, insbesondere der Heizung einer Sauerstoffsonde, die im Abgaskanal einer Brenn­ kraftmaschine (BKM) angeordnet ist, einschließlich der Zuleitungen der Heizung.

Das Funktionsprinzip der Erfindung wird anhand der Heizung der Sauerstoffsonde erläutert. Der Einsatz der Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung im Zusammenhang mit der Sauerstoffsonde be­ schränkt, sondern ist immer dann möglich, wenn Heizungen, die einen temperaturabhängigen Widerstand besitzen, mit Hilfe eines entfernt angeordneten Temperatursensors überprüft werden sollen.

Mit der Sauerstoffsonde wird der Sauerstoffgehalt des Abgases be­ stimmt und der so ermittelte Wert einer Regeleinrichtung zugeführt, die dazu dient, ein vorgegebenes Luft/Kraftstoffverhältnis einzu­ stellen. Die Sauerstoffsonde ist nur oberhalb einer minimalen Be­ triebstemperatur funktionsbereit. Somit ist die Regelung des Luft-Kraftstoffgemisches über die Sauerstoffsonde erst dann möglich, wenn die Sauerstoffsonde ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Nur dann kann ein z. B. im Hinblick auf eine niedrige Schadstoffemission optimales Luft/Kraftstoffgemisch eingeregelt werden. Um die Emis­ sionswerte gering zu halten, sollte die Betriebstemperatur der Sauerstoffsonde möglichst rasch nach dem Start der BKM erreicht wer­ den. Das Aufheizen der Sauerstoffsonde erfolgt durch die Abgase der BKM und wird aus den oben angegebenen Gründen durch die elektrische Sauerstoffsonden-Heizung beschleunigt. Die elektrische Sauerstoff­ sonden-Heizung ist auch dann erforderlich, wenn z. B. im Leerlauf die Heizleistung des Abgases nicht ausreicht, die Sauerstoffsonde auf Betriebstemperatur zu halten, oder bei langandauerndem Schiebe­ betrieb.

Im Sinne einer geringen Schadstoffemission ist es erforderlich, die Funktionsfähigkeit der Sauerstoffsonden-Heizung zu überprüfen. Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, um einen oder mehrere der Fehlerzustände Unterbrechung, Kurzschluß und Nebenschluß zu erken­ nen. Die Prüfung der Funktionsfähigkeit der Sauerstoffsonden-Heizung erfolgt z. B. über den mittels Meßwiderstand erfaßten Stromfluß durch die Sauerstoffsonden-Heizung (DE 39 41 995 A), über die Aus­ gangssignale der Sauerstoffsonde (DE 26 04 160 C, DE 38 40 148 A), über das Aufwärmverhalten der Sauerstoffsonde (DE 39 28 709 A) oder über die Sauerstoffsonden-Temperatur, die sich ihrerseits auf ver­ schiedene Art und Weise ermitteln läßt, z. B. aus dem Innenwider­ stand der Sauerstoffsonde (DE 31 17 790 C) oder mit einem Tempera­ turfühler (US 39 15 828 A).

Die hiergenannten Verfahren haben den Nachteil, daß damit nur grobe Fehlfunktionen der Sauerstoffsonden-Heizung erfaßt werden. Der ge­ naue Wert des elektrischen Widerstands der Sauerstoffsonden-Heizung wird üblicherweise nicht in die Funktionsprüfung einbezogen, da der elektrische Widerstand je nach Temperatur auch bei voll funktions­ fähiger Sauerstoffsonden-Heizung beträchtlich variiert, und man des­ halb ein relativ großes Sollwert-Intervall vorgeben muß. Man kann somit nur solche Abweichungen des Widerstands vom Sollwert sicher erkennen, die größer als die im Normalbetrieb vorkommende und durch Temperaturschwankungen verursachte Widerstandsänderung sind. Ein ge­ änderter Widerstand kann aber zu einer geringeren Heizleistung der Sauerstoffsonden-Heizung und somit zu einer verlängerten Aufheizzeit der Sauerstoffsonde führen. Dadurch erhöht sich die Schadstoffemis­ sion der Brennkraftmaschine, da sich die Zeitspanne verlängert, bis die Sauerstoffsonde die ihr zugedachte Regelfunktion übernehmen kann. Der umgekehrte Fall, eine erhöhte Heizleistung, kann zur Schä­ digung der Sauerstoffsonde und/oder der Sauerstoffsonden-Heizung durch Überschreiten der maximal zulässigen Betriebstemperatur füh­ ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe ohnehin vorhande­ ner Komponenten bzw. Mittel zu überprüfen, ob sich die Sauerstoff­ sonden-Heizung in einem einwandfreien Zustand befindet. Diese Aufga­ be wird durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß der nach diesem Verfahren bestimmte Istwert des elektrischen Widerstands der Sauer­ stoffsonden-Heizung mit in einem engen Toleranzbereich vorgegebenen Sollwerten verglichen werden kann, da sowohl bei der Istwert-Bestim­ mung als auch beim Vergleich mit dem Sollwert-Intervall der Einfluß der Temperatur auf den elektrischen Widerstand berücksich­ tigt wird. Somit wird bereits eine geringe Abweichung des elektri­ schen Widerstands vom Sollwert erkannt und es können geeignete Maß­ nahmen wie Warnung des Fahrers und/oder Anpassung der Versorgungs­ spannung an den geänderten Widerstandswert getroffen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Verbesserung gegenüber be­ kannten Überwachungseinrichtungen ohne großen zusätzlichen Aufwand realisiert werden kann. Die Bestimmung der Temperatur der Sauer­ stoffsonden-Heizung wird mit bereits vorhandenen Temperaturfühlern durchgeführt. Für einen Einsatz im Zusammenhang mit einem zentralen Steuergerät ist nur geringer zusätzlicher Schaltungsaufwand erfor­ derlich. Erfolgt die Steuerung per Rechner, so müssen lediglich das Programm abgeändert und einige wenige zusätzliche Programmteile in­ stalliert werden.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Funktionsüberwachung ist insbeson­ dere deshalb geboten, weil eine Änderung des elektrischen Wider­ stands der Sauerstoffsonden-Heizung nicht eine Ausnahme darstellt, sondern, verursacht durch Alterungseffekte, die Regel ist. Im Hin­ blick auf eine bevorstehende Senkung der gesetzlich zugelassenen Grenzwerte für die Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen ist es notwendig, sicherzustellen, daß eine optimale Regelung des Kraft­ stoff/Luft-Verhältnisses unter möglichst vielen Betriebsbedingungen erfolgen kann.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit den im Rahmen der vorliegenden Erfindung wesentlichen Komponenten,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Verfahrens, mit dem festgestellt wer­ den kann, ob sich der Motorblock und die Sauerstoffsonden-Heizung auf annähernd gleicher Temperatur befinden,

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Überprüfung der Sauer­ stoffsonden-Heizung bei bekannter Temperatur und

Fig. 5 einen Ausschnitt eines Flußdiagramms eines zu Fig. 3 alterna­ tiven Verfahrens.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Über­ prüfung der Funktionsfähigkeit einer Heizung in Kraftfahrzeugen, insbesondere der Heizung einer Sauerstoffsonde. Die Funktionsfähig­ keit ist dann gewährleistet, wenn der elektrische Widerstand der Sauerstoffsonden-Heizung bei einer bestimmten Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt. Dabei ist zu beachten, daß der elektrische Widerstand der Sauerstoffsonden-Heizung von der Tempera­ tur abhängt. Deshalb ist es erforderlich, daß außer dem elektrischen Widerstand der Sauerstoffsonden-Heizung auch die Temperatur der Sauerstoffsonden-Heizung erfaßt wird. Das Sollwert-Intervall, mit dem der gemessene Widerstand der Sauerstoffsonden-Heizung verglichen wird, hängt ebenfalls von der Temperatur ab. Für den Vergleich wer­ den Widerstandswerte herangezogen, die bei gleicher Temperatur ermittelt wurden.

Die Widerstandsmessung wird dann durchgeführt, wenn die Temperatur der Sauerstoffsonden-Heizung annähernd gleich der Motortemperatur ist. Die Motortemperatur wird mit einem bereits vorhandenen Sensor für Kühlwasser- oder Öltemperatur bestimmt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit den im Rahmen der vorliegenden Erfindung wesentlichen Komponen­ ten. Eine Sauerstoffsonde 10 und ihre Heizung 11 sind im Abgaskanal 12 der Brennkraftmaschine angebracht und mit einem zentralen Steuer­ gerät 14 verbunden. Das zentrale Steuergerät bezieht Daten von wei­ teren Sensoren, wie beispielsweise einem Temperatursensor 16 im An­ saugtrakt 18 oder einem Sensor 20 für die Temperatur des Motorblocks 22 und steuert eine Kraftstoffzumeßeinrichtung 24.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sauerstoffsonden-Heizung 11 ist zwischen den Kollektor eines Transistors 30 und den Pluspol einer Batterie 32 geschaltet. Der Emitter des Transistors ist über einen Meßwiderstand 34 mit dem Minuspol der Batterie verbunden. Darüber hinaus besteht eine Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors und einem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 36. Am Ausgang des Operationsverstärkers ist ein Analog-Digital-Wand­ ler 38 angeschlossen, der das digitalisierte Signal an einen Mikro­ prozessor 40 weiterleitet. Ein Steuerausgang des Mikroprozessors 40 ist mit der Basis des Transistors 30 verbunden. Weitere Verbindungs­ leitungen zum Mikroprozessor 40 dienen beispielsweise der Übermitt­ lung der erkannten Fehlerzustände an eine Anzeigeeinheit, die hier nicht gezeichnet ist, und dem Datenaustausch mit anderen hier nicht dargestellten elektronischen Einrichtungen. Der Mikroprozessor 40 und der Analog-Digital-Wandler 38 beziehen ihre Versorgungsspannung von der Batterie 32. Die Komponenten mit den Bezugszeichen 30, 34, 36, 38 und 40 sind Bestandteile des Steuergeräts 14.

In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens abgebildet, mit dem festgestellt wird, ob sich der Motorblock und die Sauerstoffson­ den-Heizung auf annähernd gleicher Temperatur befinden.

In einem ersten Schritt 44 wird zunächst abgefragt, ob die Zündung eingeschaltet ist. Wenn die Zündung eingeschaltet ist, erfolgt im nächsten Schritt 46 die Messung der Temperatur des Motorblocks TMot; ansonsten wird die Abfrage 44 wiederholt.

Die auf Schritt 46 folgenden Schritte 48 bis 52 können durch das in Fig. 5 dargestellte Flußdiagramm ersetzt werden, das weiter unten beschrieben wird. Diese Alternative ist durch die Symbole C zwischen den Schritten 46 und 48 und D am ja-Ausgang des Schritts 50 angedeu­ tet.

Nach Schritt 46 geht es weiter mit Schritt 48, bei dem die Differenz TDiff1 aus der Motorblocktemperatur beim letzten Abstellen des Mo­ tors TAbstell und der aktuellen Motorblocktemperatur TMot gebildet wird. Die Bestimmung von TAbstell ist nicht figürlich dargestellt und läuft folgendermaßen ab: Die in Schritt 46 gemessene Motorblock­ temperatur wird in einer RAM-Zelle gespeichert. Der Inhalt der RAM-Zelle wird beim Abstellen der Zündung in eine zweite RAM-Zelle geschrieben und beim nächsten Einschalten der Zündung wird aus die­ ser zweiten RAM-Zelle der Wert TAbstell gelesen. Durch geeignete Maßnahmen wird sichergestellt, daß der Speicherinhalt der zweiten RAM-Zelle auch bei ausgeschalteter Zündung erhalten bleibt.

Schritt 48 schließt sich in Schritt 50 die Abfrage an, ob TDiff1 größer als ein vorgegebener Wert TGrenz1 ist. Ist das der Fall, so geht man davon aus, daß sich der Motorblock auf Umgebungstemperatur abgekühlt hat. Wegen ihrer geringeren thermischen Masse hat sich die Sauerstoffsonde inklusive Heizung dann auch auf Umgebungstemperatur abgekühlt und besitzt die gleiche Temperatur wie der Motorblock.

Somit ist die Temperatur der Sauerstoffsonden-Heizung bekannt und die Funktionsprüfung kann mit dem in Fig. 4 dargestellten Ablauf fortgesetzt werden. Die Anknüpfungsstelle ist durch den Buchstaben A gekennzeichnet. Ist die Bedingung in Schritt 50 nicht erfüllt, so wird in Schritt 52 festgestellt, daß die Funktionsprüfung der Sauer­ stoffsonden-Heizung nicht fortgesetzt werden kann, da die Temperatur der Sauerstoffsonden-Heizung nicht bekannt ist.

In Fig. 4 ist ein Flußdiagramm zur Überprüfung der Funktion der Sauerstoffsonden-Heizung bei bekannter Temperatur dargestellt. Das Symbol A zu Beginn des Flußdiagramms weist auf eine Anknüpfung an das Flußdiagramm aus Fig. 3 an der ebenso bezeichneten Stelle hin.

Auf den Anknüpfungspunkt A folgt Schritt 62, bei dem überprüft wird, ob die Startendedrehzahl erreicht ist. Erst wenn dies der Fall ist, wird zum nächsten Schritt übergegangen. In diesem nächsten Schritt, der das Bezugszeichen 64 trägt, wird die Sauerstoffsonden-Heizung eingeschaltet. Anschließend wird in Schritt 66 die Batteriespannung UBatt1 gemessen. Danach folgt mit Schritt 68 die Messung des Stroms I, der durch die Sauerstoffsonden-Heizung fließt, und danach wird die Batteriespannung in Schritt 70 erneut gemessen und als Wert UBatt2 gespeichert. Im nächsten Schritt 72 wird der Betrag der Dif­ ferenz dU der beiden gemessenen Batteriespannungen UBatt1 und UBatt2 gebildet. Es folgt in Schritt 74 eine Abfrage, ob dU kleiner als ein vorgegebener Wert dUGrenz ist. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird in Schritt 76 der Widerstand R der Serienschaltung aus Sauerstoff­ sondenheizung 11, Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 30 und Meßwiderstand 34 ermittelt, indem der Mittelwert der Spannungen UBatt1 und UBatt2 durch den in Schritt 68 gemessenen Strom dividiert wird. Die Serienschaltung ist in Fig. 3 dargestellt, die weiter oben erläutert wurde.

Anschließend wird in Schritt 78 das Sollwertintervall (RMin, RMax) des Widerstands der Sauerstoffsonden-Heizung einschließlich in Serie geschalteter Widerstände für die gemessene Temperatur TMot aus einem temperaturabhängigen Kennfeld bestimmt. In der darauffolgenden Ab­ frage 80 wird überprüft, ob der in Schritt 76 ermittelte Istwert R innerhalb des Sollwert-Intervalls (RMin, RMax) liegt. Falls das der Fall ist, wird im nächsten Schritt 82 auf eine funktionsfähige Sauerstoffsonden-Heizung geschlossen.

Ist Bedingung 80 nicht erfüllt, so wird im Schritt 84, der sich der Bedingung 80 anschließt, eine Fehlfunktion der Heizung festgestellt. Die Reaktionen auf die so erkannte Fehlfunktion sind in Fig. 4 nicht dargestellt und können zum Beispiel eine Eintragung in den Fehler­ speicher und/oder Warnung des Fahrers sein. Beim nächsten Werkstatt­ besuch kann der Eintrag im Fehlerspeicher ausgewertet und der Fehler behoben werden.

Wird in Schritt 74 festgestellt, daß die Schwankung der Batterie­ spannung dU nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs dUGrenz liegt, so wird als nächstes Schritt 86 ausgeführt, bei dem überprüft wird, ob seit dem Starten des Motors mehr als 3 Messungen zur Bestimmung von R durchgeführt wurden. Ist das der Fall, so schließt sich Schritt 88 an, der die Funktionsüberprüfung abbricht. Andernfalls wird mit Schritt 66 fortgefahren.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der gemessene Widerstand der Heizung mit in Abhängigkeit von der Temperatur tabel­ lierten Sollwerten verglichen. Alternativ dazu kann auch die gemes­ sene Temperatur der Heizung mit in Abhängigkeit vom Widerstand ta­ bellierten Sollwerten verglichen werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Inhalt des Fehler­ speichers zusätzlich zur Anpassung der Versorgungsspannung der Sauerstoffsonden-Heizung an den Widerstand der Sauerstoffsonden-Hei­ zung benutzt.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Flußdiagramms eines Ausführungs­ beispiels, der den Bereich zwischen den Punkten C und D des Ausführungsbeispiels aus Fig. 3 ersetzen kann.

An Punkt C des Flußdiagramms aus Fig. 5 schließt sich ein Schritt 54 an, bei dem mit einem Temperatursensor im Ansaugtrakt der Brenn­ kraftmaschine die Temperatur der Ansaugluft TLuft gemessen wird. Im darauffolgenden Schritt 56 wird die Differenz TDiff2 zwischen Motor­ blocktemperatur TMot und Temperatur der Ansaugluft TLuft gebildet. Es folgt in Schritt 58 eine Abfrage, ob der Betrag von TDiff2 klei­ ner als ein vorgegebener Wert TGrenz2 ist. Falls ja, wird bei lau­ fender Maschine von einem Neustart und einer Abkühlphase und ent­ sprechend von einer annähernden Gleichheit der Temperatur der Sauer­ stoffsonden-Heizung und der Lufttemperatur ausgegangen und die Funktionsüberprüfung an Punkt D fortgesetzt. Falls nein, schließt sich an Abfrage 58 ein Schritt 60 an, der die Funktionsprüfung abbricht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit einer elektri­ schen Heizung in Kraftfahrzeugen, insbesondere der Heizung einer Sauerstoffsonde im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine, bei dem eine annähern­ de Temperaturgleichheit an der Einbaustelle der Heizung und einem insbesondere davon getrennten Temperatursensor gegeben ist, er­ mittelt wird,
• - eine Temperaturmessung mit dem Temperatursensor (Tmot) durchge­ führt wird,
• - der Widerstand der Heizung bestimmt wird, und
• - eine Plausibilitätsprüfung des vorliegenden Widerstands bei der vorliegenden Temperatur durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ triebszustand annähernder Temperaturgleichheit von Heizung und Tem­ peratursensor dann als gegeben angenommen wird, wenn der Motorblock seit dem letzten Betrieb um mehr als eine vorgegebene Temperatur ab­ gekühlt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ triebszustand annähernder Temperaturgleichheit von Heizung und Tem­ peratursensor dann als gegeben angenommen wird, wenn sich bei lau­ fendem Motor die Temperatur des Motorblocks um weniger als einen vorgegebenen Wert von der Temperatur der Ansaugluft unterscheidet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plau­ sibilitätsprüfung darin besteht, daß

• - ausgehend von dem gemessenen Temperaturwert (TMot) ein gespeicher­ ter Widerstandswert (R = f(Tmot)) ermittelt wird und
• - auf eine fehlerhafte Heizung geschlossen wird, falls der gemessene Widerstand um mehr als eine zulässige Toleranz vom gespeicherten Wert abweicht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plau­ sibilitätsprüfung darin besteht, daß

• - ausgehend von dem gemessenen Widerstandswert ein gespeicherter Temperaturwert (T = f(R)) ermittelt wird und
• - auf eine fehlerhafte Heizung geschlossen wird, falls die gemessene Temperatur um mehr als eine zulässige Toleranz vom gespeicherten Wert abweicht.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis der Funktionsprüfung

• - in einem Fehlerspeicher abgelegt wird und
• - zur Anpassung der Versorgungsspannung der elektrischen Heizung be­ nutzt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind

• - zur Bestimmung eines Zeitpunktes, bei dem von einer annähernden Temperaturgleichheit zwischen Heizung und entfernt davon angeord­ netem Temperatursensor auszugehen ist,
• - zur Bestimmung des elektrischen Widerstands und der Temperatur der Heizung bei angenommener Temperaturgleichheit mit einem entfernt angeordneten Sensor,
• - zum Vergleich im Sinne einer Plausibilitätsprüfung des elektri­ schen Widerstands oder der Temperatur der Heizung mit Sollwerten, die in einem temperaturabhängigen oder widerstandsabhängigen Kenn­ feld gespeichert sind,
• - zum Eintrag des Ergebnisses der Funktionsprüfung in einen Fehler­ speicher und
• - zur Anpassung der Versorgungsspannung der elektrischen Heizung je nach Ergebnis der Funktionsprüfung.