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