DE4335824C2 - Beheizte Sauerstoffabgassensorgruppe und Verfahren zur Ermittlung ihrer Fehlfunktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine beheizte Sauerstoffabgassensor­ baugruppe für Verbrennungsmotoren sowie Verfahren zur Er­ mittlung der Fehlfunktion einer Heizvorrichtung eines Ab­ gassauerstoffsensors, die den Sauerstoffsensor, der mit einem Sensorelement den Sauerstoffgehalt erfaßt und ein Sauerstoffgehaltssignal entlang eines Paares Ausgangsleitungen überträgt, erwärmt.

Ein ähnlicher Gegenstand ist in der US-Patentanmeldung mit dem Titel "Sauerstoffsensorvorrichtung mit dynamischer Stö­ rungserfassung der Heizvorrichtung", beschrieben, die am gleichen Tag wie die dieser Patentanmeldung zugrundeliegende prioritätsbegründende US-Patentanmeldung beim US-Patent- und Trademark Office eingereicht wurde, die gleichen Erfinder hat und der parallelen deutschen Patentanmeldung mit gleichem Einreichungsdatum entspricht. Auf die Offenbarung dieser parallelen Anmeldung wird hiermit ausdrücklich bezug genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Sauerstoff­ sensorvorrichtungen, die häufig in Abgasanlagen von Kraft­ fahrzeugen zu finden sind. Insbesondere betrifft sie eine automatische Störungserfassung für Heizvorrichtungen einer Sauerstoffsensorbaugruppe für erhitzte Abgase ("HEGO" - von Heated Exhaust Gas Oxygen). Viele Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren besitzen Abgasanlagen, die Leitungen aufweisen, die Abgase vom Motor ableiten. Die Temperaturen der Abgase reichen von Umgebungstemperatur, wenn der Motor kalt ist, bis zu über 400°C.

Die HEGO-Sensorbaugruppe umfaßt ein Sensorelement mit einem zugehörigen Paar elektrischer Ausgangsleitungen und einer Heizvorrichtung. Das Sensorelement ist im Abgasstrom, der durch die Abgasanlage strömt, angeordnet. Der HEGO-Sensor erfaßt nach Gleichgewichtseinstellung den Sauerstoffgehalt und gibt ein elektrisches Signal an das Paar Ausgangsleitungen weiter. Das an den Ausgangsleitungen an­ liegende Signal kann beispielsweise dazu verwendet werden, daß die Kraftstoffversorgung des Fahrzeuges das Kraftstoff/Luftgemisch einstellt, das an die Brennkammer des Motors geliefert wird.

Der HEGO-Sensor soll den Sauerstoffgehalt des Abgases er­ fassen, dessen Temperatur über einen großen Bereich variiert. Um den HEGO-Sensor bei der exakten Messungüber einen großen Temperaturbereich zu unterstützen, beinhaltet die HEGO- Sensorbaugruppe im allgemeinen eine elektrische Heizvorrichtung, die den HEGO-Sensor berührt oder in dessen Nähe liegt. Sobald die elektrische Heizvorrichtung in Betrieb ist, erwärmt sie den HEGO-Sensor, damit er genauer mißt und seine Temperaturempfindlichkeit gegenüber der Abgastemperatur abnimmt.

Die DE-A-31 17 790 und die DE-A-31 26 238 zeigen HEGO- Sensorbaugruppe, die bei hohen Abgastemperaturintervallen Verwendung finden sollen. Diese erfassen die Sondentemperatur und verfwenden den gemessenen Gtemperaturwert zur Eegelung der Heizungstemperatur. Die Temperaturmessugn wird bei diesen Vorschlägen jeweils indirekt also mittels Messung eines Wechselstromwiderstandes bzw. eines Scheinwiderstands über den Ausgangsleitungen bestimmt. Hierbei werden Fehlfunktionen der Heizung nicht erfaßt. Stattdessem wird von einer permanent exakten Funktionsweise der Heizung ausgegangen, was in der Praxis in der Regel unzutreffend ist.

Es gibt bereits Vorrichtungen, die Störungen der HEGO- Sensorbaugruppe erfassen. Beispielsweise bezieht sich die US- A-4 958 611, erteilt an Uchinami et al., auf eine Vorrichtung, die das Kraftstoff/Luftgemisch eines Verbrennungsmotors steuert. Das Patent beschreibt eine Vorrichtung, die einen HEGO-Sensor und eine Heizvorrichtung umfaßt. Ferner beschreibt das Patent, daß der Gesamtwiderstand der Heizvorrichtung gemessen und mit einem Bereich akzeptabler Widerstandswerte verglichen wird, um zu bestimmen, ob der Gesamtwiderstand der Heizvorrichtung innerhalb eines erlaubten Bereichs liegt.

Da HEGO-Sensorbaugruppen im allgemeinen Massenprodukte sind und in viele Fahrzeuge eingebaut werden, können sich auch kleine Einsparungen an einem Bauteil der Baugruppe zu be­ trächtlichen jährlichen Ersparnissen der Fahrzeughersteller summieren. Außerdem ist es wichtig, daß die HEGO-Sensorbau­ gruppe und die Störungserfassungsvorrichtung innerhalb der Baugruppe zuverlässig arbeiten. Ferner ist bei vielen Anwendungen gewünscht, daß die HEGO-Sensorbaugruppe die Wirksamkeit der Heizvorrichtung kurz nach Inbetriebnahme automatisch erfaßt, ohne daß weitere Steuerungen zur Anpas­ sung des Betriebs der Heizvorrichtung notwendig sind.

Leider erfordern viele handelsübliche Vorrichtungen die Verwendung zusätzlicher Bauteile zur Messung der Wirksamkeit der Heizvorrichtung, so daß Kosten und Komplexität der HEGO- Sensorbaugruppe ansteigen. Andere Vorrichtungen ermitteln nur indirekt, ob die Heizvorrichtung einer HEGO-Sensorbaugruppe einwandfrei arbeitet.

Andere Vorrichtungen wiederum erfassen nicht automatisch, den Betrieb der Heizvorrichtung des HEGO-Sensors beim Startvorgang. Für andere sind Steuereinrichtungen notwendig, die die Heizvorrichtung an- und abschalten, um die Heizvorrichtung zu prüfen, so daß zusätzlich Kosten und Komplexität der HEGO-Sensorbaugruppe ansteigen.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine beheizte Sensorbaugruppe zu schaffen, die bei geringem baulichen Aufwand eine einfache und effektive Kontrolle der Einheit aus HEGO-Sensor und Heizvorrichtung in allen Betriebszuständen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine gattungsgemäße beheizte Sauerstoffsensorbaugruppe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Ermittlung der Fehlfunktion einer Heizvorrichtung eines Abgassauerstoffsensors mit den Merkmalen des Patentanspruches 2.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Ermittlung der Fehlfunktion einer Heizvorrichtung eines Abgassauerstoffsensors, die den Sauerstoffsensor erwärmt, der mit einem Sensorelement den Sauerstoffgehalt erfaßt und ein Sauerstoffgehaltssignal entlang eines Paares Ausgangs­ leitungen überträgt, gekennzeichnet durch die Schritte:

• - Bestimmen, ob der Motor sich in der Startposition be­ findet; -
  Messung des Scheinwiderstandes zwischen den Ausgangs­ leitungen des Sauerstoffsensors;
• - Messung des Zeitabschnittes, vom Zeitpunkt an, wo er­ kannt wird, daß der Motor sich in der Startposition befindet, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Scheinwider­ stand ein vorgegebenes Niveau erreicht; und
• - Übertragung eines Heizvorrichtungsstörsignales, wenn der Zeitabschnitt größer als der vorgegebene Schwellenwert ist.

Die Heizvorrichtung erwärmt die Sensorbaugruppe, um den Sauerstoffgehalt besser erfassen zu können.

Die Sauerstoffsensorvorrichtung zur Ermittlung des Scheinwiderstandes besitzt einen Sauerstoffsensor und ein Paar dazugehöriger Ausgangsleitungen. Der Sauerstoffsensor detektiert O₂ mit dem Sensorelement und gibt dementsprechend ein Gleichgewichts-Sauerstoffgehaltssignal entlang des Paares Ausgangsleitungen ab. Die Erwärmungsvorrichtung erwärmt physikalisch die Sensoranordnung um diese zur besseren Dektektion des Sauerstoffgehalts zu befähigen. Der Scheinwiderstandssensor ist mit einem Paar Ausgangsleitungen verbunden.

Der Scheinwiderstandssensor erfaßt den zwischen beiden Aus­ gangsleitungen anliegenden Scheinwiderstand und überträgt, ein dem Scheinwiderstand entsprechendes Scheinwiderstands­ signal. Die Motorregelung empfängt das Scheinwiderstandssi­ gnal und überträgt ein Heizvorrichtungsstörsignal, wenn der Scheinwiderstand größer als der vorgegebene Schwellenwert ist.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren, bei dem ermittelt wird, ob die Heizvorrichtung in der HEGO-Sensorbaugruppe eine Funktionsstörung hatte, vorgeschlagen. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Messung des Scheinwiderstandes zwischen den Ausgangsleitungen und Übertragung eines Heizvorrichtungsstör­ signales, wenn der Scheinwiderstand größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer mit der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors verbundenen HEGO-Sen­ sorbaugruppe;

Fig. 2 eine Seitenansicht der HEGO-Sensorbaugruppe in Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht der HEGO-Sensor­ baugruppe der Fig. 2;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung der HEGO-Sensorbaugruppe in Fig. 3;

Fig. 5 eine Auftragung experimentell ermittelter Scheinwiderstandswerte gegen die Temperatur für den in Fig. 2 dargestellten HEGO-Sensors;

Fig. 6 eine Auftragung experimentell ermittelter Temperaturwerte des in Fig. 2 dargestellten HEGO-Sensors;

Fig. 7 eine Auftragung experimentell ermittelter Scheinwider­ standswerte gegen die Zeit des in Fig. 2 darge­ stellten HEGO-Sensors, wobei die HEGO- Heizvorrich­ tung in Betrieb bzw. nicht in Betrieb ist;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung, die den in Fig. 2 dar­ gestellten HEGO-Sensor einsetzt;

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der in Fig. 8 darge­ stellten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der in Fig. 8 und 9 dargestellten Erfindung; und

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das die in Fig. 8-10 dargestellten Vorrichtungen einsetzen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1-11 erläutert wird, ist hier als HEGO-Sensorbaugruppe 20 zum Einsatz in einem Verbrennungsmotor 22 dargestellt. Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt der Motor 22 einen Motorblock 24, der Zylinderbohrungen (nicht gezeigt) aufweist, in denen die Verbrennung stattfindet, eine Kurbelwelle (nicht dargestellt), eine Zündanlage 26, eine Kraftstoffversorgung 28 und eine Abgasanlage 30.

Die Zündanlage 26 weist einen Schalter 32 auf, der manuell in eine erste und zweite Position gedreht werden kann. Ist der Motor 22 außer Betrieb, findet keine Verbrennung im Motor 22 statt und die Kurbelwelle steht still. Wenn der Schalter 32 in die erste Stellung gedreht wird, befindet sich der Motor 22 in einem startbereiten Zustand, da die elektrischen Bauteile des Motors 22 mit Strom versorgt sind, aber keine Verbrennung im Motor 22 erfolgt. Der Schalter 32 kann dann in eine zweite Position gedreht werden, so daß die Verbrennung innerhalb des Motors 22 beginnt. Alternativ kann der Motor 22 beispielsweise erst dann als in startbereitem Zustand betrachtet werden, wenn sich die Kurbelwelle zu drehen beginnt.

Die Abgasanlage 30 weist ein Abgasrohr 34, das die Abgase vom Motor 22 abtransportiert und eine HEGO-Sensorbaugruppe 36 auf. Zusätzlich beinhaltet die Abgasanlage 30 eine Mo­ torregelung 38. Eine der Aufgaben der Motorregelung 38 ist die Steuerung der elektrischen Versorgung. Die HEGO-Sen­ sorbaugruppe 36 umfaßt einen HEGO-Sensor 42 sowie eine Heizvorrichtung 44 im (oder benachbart zum) HEGO-Sensor 42, wie aus Fig. 2-4 ersichtlich.

Die Heizvorrichtung 44 umfaßt erste und zweite elektrische Anschlüsse 46, 48, die an einem Heizwiderstand 50 angeschlossen sind. Bei einer bevorzugten Ausführungssform besteht der Heizwiderstand 50 aus Reramik, in die metallische Widerstands-Heizelemente eingebettet sind. Die Stromversorgung der HEGO-Heizvorrichtung 44 erfolgt über die Motorregelung 38. Unter normalen Betriebsbedingungen werden etwa 12 Volt über die Anschlüsse 46 und 48 der Heiz­ vorrichtung angelegt, so daß die Heizvorrichtung 44 den be­ nachbarten HEGO-Sensor 42 beheizt. Typischerweise wird die Spannung erst angelegt, wenn der Schalter 32 umgelegt wird, um den Motor 22 in einen startbereiten Zustand und dann in Betrieb zu setzen. Die erzeugte Wärme ermöglicht ein wirk­ sameres Arbeiten des HEGO-Sensor 42.

Der HEGO-Sensor 42 weist einen Sensorkopf 52, der beispielsweise auch ein "Elektrolyt" bzw. "Sensorelement" sein kann und erste und zweite Ausgangslei­ tungen 54, 56 auf. Der Sensorkopf 52 ist in einer Schutz-Dose 58 untergebracht, die in das Abgasrohr 34 eingeschraubt ist. Der Sensorkopf 52 wird von dem durch das Abgasrohr strömenden Gas umspült und ermittelt so die Zusammensetzung des Abgases. In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Sensorkopf 52 den Sauerstoffgehalt des Gases und gibt entlang des Paares Ausgangsleitungen 54, 56 ein der Sauerstoffkonzentration entsprechendes Sauerstoffkonzentrationssignal aus. Das Signal des HEGO-Sensors 42 kann durch die Motorregelung 38 empfangen werden, um die Arbeitsweise bspw. der Kraftstoffversorgung 28, die das Kraftstoff/Luftgemisch, mit dem die Zylinder des Motors 22 versorgt werden, anpaßt, zu beeinflussen.

Der Sensorkopf 52 besteht typischerweise aus Zirkondioxid (ZrO₂). Zirkondioxid ist aufgrund seiner niedrigen elektrischen Leitfähigkeit und hohen Sauerstoffionen- Leitfähigkeit besonders für die Sauerstoffbestimmung geeignet. Die inneren und äußeren Oberflächen des Sensorkopfes 52 sind von porösen Platinelektroden 60, 62 umgeben. Die Leitung 54 ist mit der inneren Platinelektrode 60 verbunden, während die Leitung 56 mit der äußeren Platinelektrode 62 verbunden ist.

Entsprechend der Sauerstoffmenge in der Nähe des Sensorkopfes 52 liefert der Sensorkopf 52 eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitungen 54, 56. Das Spannungspotential wird durch Sauerstoffionen-Diffusion durch die Keramik erzeugt. Gegenüber dem benachbarten Abgas weist das ZrO₂-Gitter eine hohe Sauerstoffkonzentration auf. Sauerstoffionen wandern aus dem Inneren des ZrO₂-Gitters nach außen in Richtung Abgas und Referenz. Durch die Ionenkonzentration entsteht ein elektrisches Potential, das das Diffusionspotential aus­ gleicht. Der hohe elektrische Widerstand erhält die elektrische Potentialdifferenz, indem er ein Zurückfließen der Elektronen, die das elektrische Potential neutralisieren würden, verhindert.

Der Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 setzt sich aus einem elektrischen und einem ionischen Scheinwiderstand zusammen. Es kann ein Modell verwendet werden, in dem der elektrische und der ionische Scheinwiderstand als parallel zueinander betrachtet werden. Der elektrische Widerstand in­ nerhalb des für die Erfindung interessanten Temperaturbereiches bleibt hoch und relativ stabil. Daher dominiert der Ionenscheinwiderstand den Gesamtscheinwi­ derstand des Sensors.

Die Erfinder haben festgestellt, daß der Gesamtscheinwider­ stand des Sensors im wesentlichen von der Temperatur des Sensorkopfes 52 abhängt. Dies beruht darauf, daß die Tempe­ ratur vor allem die Leitfähigkeit des ZrO₂ beeinflußt. Sau­ erstoffionen werden aus dem Gitterverband des ZrO₂ aufgrund folgender Gleichung freigesetzt:

ZrO₂ + thermische Energie ergibt Zr⁴⁺ + O₂⁻⁻.

Die Spannung im ZrO₂ wird als Ergebnis der Konzentrationsdifferenz der freien O₂⁻⁻-Ionen erzeugt. Bei niedrigen Temperaturen tritt aufgrund des geringen Angebotes an Sauerstoffionen ein Anwachsen des Ionenscheinwiderstandes auf.

Die Erfinder haben beobachtet, daß unabhängig vom über das das Leitungspaar 54, 56 durch den HEGO-Sensor 42 ausgegebenen Sauerstoffgehaltsignal der Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 im wesentlichen direkt von der Temperatur des HEGO-Sensors 42 abhängt. Folglich ist der Scheinwiderstand im wesentlichen davon abhängig, ob die Heizvorrichtung 44 ihre Aufgabe, den HEGO-Sensor 42 physikalisch zu heizen, zufriedenstellend erfüllt.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, läßt sich anhand experimentell ermittelter Meßwerte 63 erkennen, daß der Scheinwiderstand des HEGO-Sensors 42 im wesentlichen direkt mit dessen Tem­ peratur variiert. Beispielsweise zeigt ein HEGO-Sensor bei einer Tem­ peratur von 500°C einen Scheinwiderstand zwischen den Ausgangsleitungen 54, 56 von etwa 5 kOhm, wäh­ rend ein HEGO-Sensor bei einer Temperatur von 200°C einen Scheinwiderstand von etwa 500 kOhm zeigt.

Folglich wird erfindungsgemäß der Scheinwiderstand zwischen dem Paar Ausgangsleitungen 54, 56 des HEGO-Sensors 42 bestimmt, um festzustellen, ob die Heizvorrichtung 44 zufriedenstellend arbeitet. Untersuchungen der Arbeitsweise der Heizvorrichtung sind im wesentlichen unabhängig vom Sauerstoffgehaltssignal, das an den Ausgangsleitungen 54, 56 des HEGO-Sensors anliegt, oder dem elektrischen Signal, das an den Anschlüssen 46, 48 der Heizvorrichtung anliegt und vom inneren Widerstand der HEGO- Heizvorrichtung 44,. Ferner läßt sich mit der Erfindung die Wirkung der Heizvorrichtung 44 unmittelbar erfassen, eher zumindest, als beispielsweise durch Durchführung einer Diagnose zur Überprüfung, ob z. B. die HEGO- Heizvorrichtung 44 keinen internen Kurzschluß oder einen offenen Schaltkreis aufweist.

Nachdem Start des Motors 22 (das bedeutet, daß die Verbrennung im Motorblock 24 stattfindet und die Kurbelwelle beginnt, sich zu drehen), steigt die Abgas-Temperatur im Abgasrohr 34. Fig. 6 zeigt experimentell ermittelte Werte, die die Temperatur des HEGO-Sensors 42 angeben, nachdem der Verbrennungsmotor 22 kalt gestartet wurde. Auftragung 64 zeigt die Temperatur des HEGO-Sensors, wenn die Heizvorrichtung 44 in Betrieb ist, während Auftragung 66 die Temperatur des HEGO-Sensors zeigt, wenn die Heizvorrichtung 44 nicht in Betrieb ist. Die Temperatur des HEGO-Sensors steigt deutlich schneller an und bewegt sich auf ein höheres Niveau, wenn die Heizvorrichtung 44 arbeitet. Folglich verwendet die Sensorbaugruppe 36 die Beobachtung, daß sich die Temperatur des HEGO-Sensors in Ab­ hängigkeit davon, ob die Heizvorrichtung 44 in Betrieb ist oder nicht, wenige Sekunden nach dem Start des Motors wesentlich verändert, um eine Störung der Heizvorrichtung zu erfassen.

Fig. 7 zeigt experimentell ermittelte Auftragungen des Scheinwiderstandes eines HEGO-Sensors in Abhängigkeit von der Zeit nach Start des Motors 22. Fig. 7 zeigt, wie der Scheinwiderstand zwischen den beiden Leitungen 54, 56 vari­ iert, nachdem der Motor 22 in Betrieb gesetzt worden ist. Auftragung 68 zeigt das Verhalten des Scheinwiderstandes, wenn die Heizvorrichtung 44 in Betrieb ist. Auftragung 70 zeigt das Verhalten des Scheinwiderstandes, wenn die Heizvorrichtung 44 nicht arbeitet.

So liegt beispielsweise der Scheinwiderstand eines mit ar­ beitender Heizvorrichtung getesteten HEGO-Sensors bei etwa 100 kOhm, nachdem der Motor 22 etwa 20 Sekunden in Betrieb ist. Der Scheinwiderstand eines HEGO-Sensors mit nicht-ar­ beitender Heizvorrichtung liegt bei ungefähr 400 kOhm, nachdem der Motor 20 Sekunden in Betrieb ist.

In Fig. 7 ist eine dritte Auftragung 72 für Schwellenwerte ge­ zeigt. Die Auftragung 72 der Schwellenwerte ist eine Grenzauftragung, die in der Sensorbaugruppe 36 zur Entscheidung darüber verwendet werden kann, ob die Heizvorrichtung 44 arbeitet oder nicht. Beispielsweise werden bei einer Ausführungsform der Motor 22 und die Heizvorrichtung 44 in Betrieb gesetzt. Nach 30 Sekunden Motorbetrieb kann der Scheinwiderstand des HEGO- Sensors gemessen werden. Wenn der Scheinwiderstand "niedrig" ist, ist der Sensor 42 wahrscheinlich erwärmt worden und es kann davon ausgegangen werden, daß die Heizvorrichtung 44 arbeitet. Umgekehrt ist es ein Anzeichen dafür, daß die Heizvorrichtung 44 in ihrer Funktion gestört ist, wenn der Scheinwiderstand "groß" ist, da der Sensor 42 wahrscheinlich nicht ausreichend erwärmt worden ist. Die Grenzauftragung 72 liefert Fixwerte, die im Speicher einer Steuerung gespeichert werden können, um Entscheidungen zu treffen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Betrieb der Heizvorrichtung 44 als zufriedenstellend betrachtet werden, wenn der Wert des Scheinwiderstandes, der zwischen den Leitungen 54, 56 nach einem vorgegebenen "Zeitintervall" nach Start des Motors 22 (ca. 20, 30 oder 40 Sekunden), gemessen wird, unter der Grenzauftragung 72 liegt. Andernfalls wird davon ausgegangen daß die Heizvorrichtung 44 gestört ist und ein Warnsignal wird ausgeben. Dieses Warnsignal kann beispielsweise dazu verwendet werden, eine am Armaturenbrett angeordnete Leuchte oder eine andere Warneinrichtung einzuschalten. Das oben erwähnte "Zeitintervall" kann eine feste Zeitspanne sein oder beispielsweise eine Verzögerung, die notwendig ist, damit ein Betriebsparameter des Motors (wie etwa die Kühlwassertemperatur oder die Abgastemperatur) einen bestimmten Wert erreicht.

Verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung der Erfindung sind in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Fig. 8 zeigt eine Vorrichtung 74, die einen HEGO-Sensor 42, an den eine erste und zweite Leitung 54, 56 angeschlossen ist, eine Baueinheit 76, eine Reglerschnittstelle 78 und die mikroprozes­ sorgesteuerte Motorregelung 38 umfaßt. Die Baueinheit 76 besitzt einen Schalter 80, der von der Motorregelung 38 mit Spannung versorgt wird und einen Belastungswiderstand 82, der mit dem Schalter 80 zwischen den Leitungen 54, 56 in Reihe geschaltet ist. Die Leitungen 54, 56 übertragen ein analoges Signal über die Schnittstelle 78 zur Motorregelung 38. Das analoge Signal entspricht dem Sauerstoffgehalt, der durch den HEGO-Sensor 42 im Abgasrohr 34 ermittelt wird.

Der Schalter 80 empfängt von der Motorregelung 38 entweder ein Signal, zu schließen, wodurch der Belastungswiderstand 82 Bestandteil des Schaltkreises wird, oder er wird geöffnet, wodurch der Belastungswiderstand 82 aus dem Schaltkreis genommen wird. Die Motorregelung 38 kann den durch den Sensor 42 fließenden Strom mit zu- und ausgeschaltetem Belastungswi­ derstand 82 messen, und so den Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 ermitteln. Gemessen wird bei fett ein­ gestelltem Motor, bei einer HEGO-Spannung von ungefähr einem Volt.

In einer alternativen, in Fig. 9 dargestellten, Ausführungs­ form besteht die dargestellte Vorrichtung 84 aus dem HEGO- Sensor 42, der Baueinheit 76, der Schnittstelle 78 und der Motorregelung 38. Die Vorrichtung 84 umfaßt eine Referenz- Spannungsquelle 86 und einen Endwiderstand 88. Die Mo­ torregelung 38 kann dann den Spannungsabfall zwischen den Leitungen 54, 56 messen, diesen mit der Vergleichsspannung der Referenz-Spannungsquelle 86 vergleichen und den Schein­ widerstand zwischen den Leitungen 54, 56 bestimmen.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt, wo eine Vorrichtung 92 eine Wechselstromquelle 94 umfaßt. Die Schnittstelle 78 wird einerseits mit einer konstanten Gleichstromspannung versorgt, damit die Motorregelung 38 den Sauerstoffgehalt erfassen kann, und andererseits mit einer Wechselstromspannung, damit die Motorregelung 38 den Scheinwiderstand zwischen den Leitungen 54, 56 bestimmen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wurde der innere Scheinwiderstand des Sensors 42 (zwischen den Leitungen 54 und 56 gemessen) bei 100 Hertz und 10 kHertz bestimmt.

Das Ablaufdiagramm der Fig. 11 zeigt das Verfahren, das in den in den Fig. 8 bis 10 dargestellten Vorrichtungen 74, 84 und 92 angewendet wird. Anfänglich ist der Motor 22 nicht in Betrieb, die Kurbelwelle steht still und der Schalter 32 ist ausgeschaltet. Danach wird bei Schritt 100 der Schalter 32 in die erste Stellung gedreht. In diesem Fall arbeitet der Schalter 32 als Anzeiger (oder "Zeitgeber"), der die Aus­ gangsstellung des Motors 22 ermittelt. Diese erste Span­ nungsversorgung kann als Startsignal (oder "Zeitgebersignal") gesehen werden, das von der Motorregelung 38 und der Heizvorrichtung 44 erfaßt wird.

Die Motorregelung 38 kann dann die Anfangs-Kenngrößen des Motors 22 aufzeichnen, eingeschlossen bspw. die Temperatur der Kühlflüssigkeit und den Scheinwiderstand des HEGO-Sensors 42. Die gemessenen Kenngrößen können im Speicher der Motorregelung 38 gespeichert werden.

Beim Schritt 102 aktiviert die Motorregelung 38 die HEGO- Heizvorrichtung 44, die daraufhin mit dem Erhitzen des HEGO- Sensors 42 beginnt. Ab Schritt 104 mißt die Motorregelung 38 regelmäßig den Scheinwiderstand des HEGO-Sensors und speichert die Ergebnisse im Speicher ab. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Motorregelung 38 auch regelmäßig Betriebskenngrößen des Motors 22, wie etwa Geschwindigkeit oder Belastung, messen und im Speicher abspeichern.

In Schritt 106 ruft die Motorregelung 38 nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums, beispielsweise 30 Sekunden, aus den gespeicherten Kenngrößen des Motors 22, wie etwa der Geschwindigkeit, der Belastung und/oder der ersten Temperatur der Kühlflüssigkeit, eine Grenzauftragung oder ein Grenz- "Profil" ab. In Schritt 108 bestimmt die Motorregelung 38, ob der gemessene Scheinwiderstand größer oder kleiner ist als der aus dem Speicher abgerufene Schwellenwert.

Wenn beispielsweise das vorgegebene Zeitintervall 30 Sekunden beträgt und die aus dem Speicher abgerufenen Werten ermit­ telte Auftragung der in Fig. 7 dargestellten Auftragung ähnelt, wird ein Schwellenwert, wie etwa 150 kOhm, aus dem Speicher abge­ rufen. Wenn in Schritt 108 ermittelt wird, daß der Scheinwiderstand des HEGO-Sensors geringer ist als der Schwellenwert ist, bestimmt die Motorregelung 38 in Schritt 110, daß die Heizeinrichtung 44 des HEGO-Sensors in Betrieb ist und die Motorregelung 38 nicht weiter in Aktion treten muß. Wenn jedoch, wie in Schritt 112 dargestellt, der Scheinwiderstand des HEGO-Sensors oberhalb des Schwellenwerts liegt, wird eine Störung der Heizvorrichtung 44 angezeigt und die Motorregelung 38 überträgt ein Heizvorrichtungsstörsignal.

Ein Heizvorrichtungsstörsignal oder -alarm kann einfach ein Signal sein, das eine Leuchteinrichtung 128 am Armaturenbrett zum Leuchten bringt (siehe Fig. 1), um dem Fahrer des Fahrzeugs anzuzeigen, daß die Heizvorrichtung 44 nicht be­ stimmungsgemäß arbeitet. Natürlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Störsignal einzusetzen, um den Betreiber darauf aufmerksam zu machen, daß die Heizvorrichtung 44 ge­ stört ist.

Andere Abwandlungen der Erfindung sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Abgassensor-Auslegung ohne weiteres of­ fensichtlich. Die Erfindung kann direkt die Wirkungsweise der Heizvorrichtung 44 bestimmen, indem der interne Schein­ widerstand des Sensors 42 gemessen wird. Eine einzige Scheinwiderstandsmessung kann nach einem festgelegten Zeit­ raum durchgeführt werden, um zu erfassen, ob der Scheinwi­ derstand unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Ein Nachstellen der Heizvorrichtung 44 ist nicht notwendig. Die Erfassung kann "automatisch" erfolgen, nachdem der Motor 22 (und die Heizvorrichtung 44) in Betrieb sind.

Bei einer anderen Ausführungsform empfängt die Motorregelung 38 ein Startsignal vom Schalter 32 (oder einer anderen Vorrichtung), das anzeigt, daß der Motor 22 kurz vor Inbetriebnahme steht oder vor kurzem in Betrieb war, daß die HEGO-Heizvorrichtung 44 kurz vor Inbetriebnahme steht oder vor kurzem in Betrieb war. Die Motorregelung 38 kann einfach regelmäßig den Scheinwiderstand zwischen der Leitung 54, 56 messen und die Zeit ermitteln, die er­ forderlich ist, damit der Scheinwiderstand das vorgegebenen Scheinwiderstandsniveau, bspw. 150 kOhm, erreicht. Sollte das vorgegebene Zeitintervall, z. B. 30 Sekunden, überschritten werden, kann die Motorregelung 38 entscheiden, daß die HEGO- Heizvorrichtung 44 nicht arbeitet.

Bei einer anderen Ausführungsform muß die Motorregelung 38 nicht regelmäßig den Scheinwiderstand des HEGO-Sensors mes­ sen, sondern mißt den Scheinwiderstand des Sensors, nachdem die Motorregelung 38 ein Signal erhalten hat, daß bei ord­ nungsgemäß arbeitender Heizvorrichtung 44 den Sensor 42 er­ wärmt ist. Ein derartiges Signal kann beispielsweise von einer Kontrolleinrichtung übertragen werden, die die Ge­ schwindigkeit und Belastung des Motors überwacht. Die Tem­ peratur der Kühlflüssigkeit des Motors oder die Abgastempe­ ratur kann gleichfalls dafür verwendet werden. Die Motor­ regelung 38 mißt daraufhin den Scheinwiderstand des HEGO- Sensors, um zu ermitteln, ob der Wert über oder unter dem Schwellenwert liegt.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird die Wirkungsweise der Heizvorrichtung 44 "automatisch" erfaßt. Die Heizvorrichtung 44 wird getestet, ohne daß ein Abschalten der Heizvorrichtung 44 nach dem Start notwendig ist oder die Wirkungsweise des HEGO-Sensors 42 in irgendeiner anderen Weise behindert wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wurden be­ schrieben. Selbstverständlich können Änderungen und Abwei­ chungen durchgeführt werden, ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung zu entfernen. Umfang und Wesen der Erfindung sind durch die Ansprüche, eingeschlossen Äquivalente derselben definiert, sie sind vor dem Hintergrund der Beschreibung auszulegen.

Claims (3)

1. Beheizte Sauerstoffabgassensorbaugruppe für Verbrennungs­ motoren, gekennzeichnet durch die nachfolgende Kombination:
einen Sauerstoffsensor (42) mit einem Sensorelement (52) und einem Paar Ausgangsleitungen (54, 56) zur Erfassung des Sau­ erstoffgehaltes mit dem Sensorelement (52) und zur Übertra­ gung eines elektrischen Sauerstoffgehalt-Signales durch das Paar Ausgangsleitungen (54, 56);
eine Heizvorrichtung (44) zum Erwärmen des Sauerstoffsensors (42);
einen mit dem Paar Ausgangsleitungen (54, 56) verbundenen Scheinwiderstandssensor, um den Scheinwiderstand zwischen dem Paar Ausgangsleitungen (54, 56) zu erfassen und ein Scheinwiderstandssignal zu übertragen;
eine mit dem Scheinwiderstandssensor verbundene Motorrege­ lung (38) zur Übertragung eines Heizvorrichtungsstörsignals, wenn der Scheinwiderstand einen vorgegebenen Wert über­ schreitet;
eine mit der Motorregelung (38) verbundene Alarmvorrichtung, die ein Heizvorrichtungsstörsignal empfängt und dementspre­ chend eine Störung der Heizvorrichtung (44) anzeigt; und
eine Startanzeige, um zu erfassen, daß der Motor (22) sich in Startposition befindet und ein Startsignal zu übertragen;
wobei die Startanzeige mit der Motorregelung (38) verbunden ist; die Motorregelung (38) das Scheinwiderstandssignal und das Startsignal empfängt und nach Empfang des Startsignales die Zeit mißt, bis der Scheinwiderstand einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, wobei sie dann, wenn das gemessene Zeitintervall größer als ein vorgegebener Standardwert ist, ein Heizvorrichtungsstörsignal ausgibt.

2. Verfahren zur Ermittlung einer Fehlfunktion einer Heiz­ vorrichtung eines Abgassauerstoffsensors, die den Sauer­ stoffsensor, der mit einem Sensorelement den Sauerstoffge­ halt erfaßt und ein Sauerstoffgehaltssignal entlang eines Paares Ausgangsleitungen überträgt, erwärmt, gekennzeichnet durch die Schritte:

• 1. - Messen des Scheinwiderstandes zwischen den Ausgangslei­ tungen des Sauerstoffsensors, und Ermittlung eines Scheinwiderstandswerts; und
• 2. - Ausgabe eines Heizvorrichtungsstörsignales, wenn der Scheinwiderstand größer als ein vorge­ gebener Schwellenwert ist.

3. Verfahren zur Ermittlung der Fehlfunktion einer Heizvor­ richtung eines Abgassauerstoffsensors, die den Sauer­ stoffsensor erwärmt, der mit einem Sensorelement den Sauer­ stoffgehalt erfaßt und ein Sauerstoffgehaltssignal entlang eines Paares Ausgangsleitungen überträgt, gekennzeichnet durch die Schritte:

• 1. - Bestimmen, ob der Motor sich in der Startposition be­ findet;
• 2. - Messen des Scheinwiderstandes zwischen den Ausgangslei­ tungen des Sauerstoffsensors;
• 3. - Messen des Zeitintervalls ab Erkennung, daß der Motor sich in der Startposition befindet, bis zu dem Zeit­ punkt, zu dem der Scheinwiderstand ein vorgegebenes Ni­ veau erreicht; und
• 4. - Übertragung eines Heizvorrichtungsstörsignales, wenn der Zeitabschnitt größer als ein vorgegebener Schwel­ lenwert ist.