DE4422115A1 - Luft/Kraftstoffmodulation zur Sauerstoffsensorüberwachung - Google Patents

Luft/Kraftstoffmodulation zur Sauerstoffsensorüberwachung

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Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation eines Luft/Kraftstoff-Verhält­ nisses (A/F) zur Überwachung eines Sauerstoffsensors.
Stand der Technik
Als Teil der Kfz-Bord-Diagnoseeinrichtungen betreffenden Vor­ schriften der kalifornischen Luftüberwachungsbehörde (Cali­ fornia Air Resources Board (CARB) On-Board Diagnostics (OBD- II) regulations) muß von den Fahrzeugherstellern beginnend mit dem Modelljahr 1994 die Möglichkeit zur Bordüberwachung des Betriebs eines vor dem Katalysator angeordneten Abgas- Sauerstoffsensors (O2S) eines Fahrzeugs vorgesehen werden. Typischerweise erzeugt der Sauerstoffsensor ein nahezu sinus­ förmiges Spannungssignal, dessen Amplitude als ein "Fingerab­ druck" des Sensorbetriebszustandes genutzt werden kann. Ein abgeschwächtes Signal kann beispielsweise eine Degradation und/oder einen Ausfall des Sensors anzeigen.
Ein technisches Verfahren, welches die Vorschriften erfüllt, nutzt eine an die Motorkraftstoffsteuerung angelegte externe Luft/Kraftstoff-Modulation, um ein gut definiertes Signal für die Abfrage des Sauerstoffsensors zu erhalten. Frühere Imple­ mentationen dieses Konzepts haben die A/F-Modulation unter den Bedingungen des offenen Regelkreises (Steuerungsbedingun­ gen) eingesetzt. Beispielsweise offenbart das an Kojima et al. erteilte U.S. Patent Nr. 50 20 499 eine Vorrichtung zur Erkennung einer Sauerstoffsensoranormalität und zur Steuerung des A/F-Verhältnisses. Solche Implementationen haben jedoch Probleme gezeigt, da der Mittelwert des A/F-Verhältnisses dazu neigt, während des Tests wegzudriften. Obwohl der Sauer­ stoffsensor am korrekten Wert schaltet, driftet das A/F-Ver­ hältnis im Abgas aus dem stöchiometrischen Verhältnis, was den Sensor zu einer unerwünschten Reaktion veranlaßt.
Es ist daher wünschenswert, sicherzustellen, daß die A/F-Mo­ dulation ein gut geregeltes Abfragesignal erzeugt, so daß der Sauerstoffsensor in einer gut definierten, von Messung zu Messung konsistenten Art reagiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation des A/F-Verhältnisses zur Erzeugung eines gut geregelten Sensorabfragesignals zu schaffen.
Mit der Lösung der vorstehenden Aufgabe und weiterer Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung des Sensorbetriebs geschaffen, das bei einem Fahrzeug mit einer elektronischen Steuerungseinheit zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor mit einem Sauerstoffsensor zum Erfassen des Motorabgas-Sauer­ stoffpegels angewendet werden kann. Das Verfahren umfaßt die Erzeugung eines modulierten Luft/Kraftstoff-Signals mit einer modifizierten Rechteckwellenform, wobei die modifizierte Rechteckwellenform so ausgelegt ist, daß sie eine spezielle Motorabgasreaktion für die Abfrage des Sauerstoffsensors er­ zeugt. Das Verfahren umfaßt weiterhin den Betrieb des Motors auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals, wobei der Sauerstoffsensor ein zugeordnetes Ausgangssignal als Re­ aktion auf die erfaßten Abgassauerstoffpegel erzeugt, sowie das Verarbeiten des der speziellen Motorreaktion zugeordneten Sauerstoffsensor-Ausgangssignals, um auf diese Weise den Be­ triebszustand des Sauerstoffsensors zu bestimmen.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren auch das Anle­ gen mehrerer erzwungener Kraftstoffexkursionen mit einer vor­ gegeben Frequenz unter Verwendung des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals an den Motor, und das Verarbeiten des Sensorausgangssignals, um die Reaktionsfrequenz des Sensors auf die erzwungenen Kraftstoffexkursionen zu bestimmen. Das Verfahren umfaßt auch den Vergleich der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfre­ quenz des Sensors zum Verifizieren akzeptabler Testbedingun­ gen auf der Basis dieses Vergleichs und zum Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Basis der Ausgangssi­ gnalamplitude.
Die weiterhin vorgesehene Vorrichtung dient zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf. Bei­ spielsweise bleibt der Mittelwert des A/F-Verhältnisses während des OBD-II-Tests relativ konstant, was eine konsi­ stente sauerstoffsensor-Wellenform und wiederholbare Motor­ emissionen ergibt. In einer Ausführungsform erlaubt die Er­ findung die Verifikation, daß die Reaktionsfrequenz des Kraftstoffsteuerungssystems mit der Anregungsfrequenz eines Sensorüberwachungstests übereinstimmt, was eine verbesserte Konfidenz ergibt, daß der Test nicht durch externe Faktoren in ungeeigneter Form beeinflußt wurde.
Die vorstehende Aufgabe und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden von einem Durchschnittsfachmann ohne weiteres anhand der nachstehenden detaillierten Be­ schreibung der besten Möglichkeit zur Ausführung der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erkannt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt
Fig. 1 eine Blockdiagrammdarstellung eines erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Steuerungssystems mit Rückkopplung für die Anwendung in einem Fahrzeug mit einem Funkenzündungs-Verbren­ nungsmotor;
Fig. 2 eine Blockdiagrammdarstellung der in Fig. 1 darge­ stellten (Proportional/Integral)-Rückkopplungssteuerung;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Implementation der in Fig. 2 dargestellten Rückkopplungssteuerung für die Erzeugung des normalen A/F-Rückkopplungssignals (LAMBSE) detailliert;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des normalen A/F-Rückkopp­ lungssignals (LAMBSE), des Eingangs-A/F-Modulationssignals (LAM MOD), des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAABSETOT) und des Sauerstoffsensorausgangssignals;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Verschiebung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im geschlossenen Regelkreis, die sich aus einer speziellen Modulation und einer dem Sauer­ stoffsensor inhärenten asymmetrischen Fett/Mager-Übergangs­ schaltzeit gegenüber einer Mager/Fett-Übergangsschaltzeit er­ gibt;
Fig. 6 ein Flußdiagramm, das einen ersten erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für den Überwachungsbetrieb des Sauerstoff­ sensors detailliert;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die verschiedene Sensor­ ausgangssignale darstellt, welche verschiedene Sensor­ betriebsbedingungen als Reaktion auf das Anlegen des Abfrage­ signals an den Sensor anzeigen; und
Fig. 8 ein Flußdiagramm, das einen zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für den Überwachungsbetrieb des Sauerstoff­ sensors detailliert.
Beste Möglichkeit für die Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Blockdia­ gramm eines erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Steuerungssy­ stems mit Rückkopplung für die Anwendung in einem Fahrzeug mit einem Funkenzündungs-Verbrennungsmotor 12 dargestellt. Gemäß der nachstehenden detaillierteren Beschreibung stellt das System 10 die Luft/Kraftstoff-Modulation im geschlossenen Regelkreis für die Sauerstoffsensorüberwachung bereit. Ein Kraftstoffmassenstromsignal wird von dem Grundkraftstoff-Be­ rechnungsblock 14 erzeugt und dem Motor 12 zur Verfügung ge­ stellt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bewirkt die Modulation, daß der Wert des Motorkraftstoffstroms zyklisch in der Weise zunimmt und abnimmt, wie es durch den Grundkraftstoff- Berechnungsalgorithmus vorgegeben wird.
Zu jedem Zeitpunkt ist der von dem Kraftstoffberechnungs­ algorithmus bestimmte Kraftstoffmassenstromwert (Mf) gleich dem Motorluftmassenstrom (Ma), welcher entweder berechnet oder gemessen werden kann, multipliziert mit einem berech­ neten Wert (KAMREF), der aus einem nichtflüchtigen Speicher 16 der elektronischen Steuerungseinheit des Fahrzeuges erhal­ ten wird. Um den Kraftstoffmassenstrom zu erhalten, wird diese Größe dann durch das Produkt von LAMBSETOT und der Kon­ stanten 14,7 dividiert:
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 basiert die Berechnung des Grundkraftstoffs auch auf dem Signal LAABSETOT, einem modu­ lierten Luft/Kraftstoff-Signal, das durch Summieren des von der Rückkopplungssteuerung 18 erzeugten normalen Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssigals LAMBSE mit einem Ein­ gangs-Luft/Kraftstoff-Modulationssignal (LAM MOD) erhalten wird. Das Ausgangssignal eines Sauerstoffsensors 20, wie z. B. eines Abgassauerstoffsensors, welcher die Abgase überwacht, wird als ein Eingangssignal an die Rückkopplungssteuerung 18 geliefert.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das Eingangs- Luft/Kraftstoff-Modulationssignal mittels Software in der Mo­ torsteuereinheit erzeugt. Auf diese Weise können sehr leicht beliebige Luft/Kraftstoff-Wellenformen mit wählbaren Amplitu­ den und Frequenzen erzeugt werden. Obwohl es viele unter­ schiedliche Wahlmöglichkeiten gibt und diese ganz zufrieden­ stellend arbeiten, ist die bevorzugte Modulationswellenform eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von etwa 2 Hertz (die etwas höher als die Eigenfrequenz des Systems eingestellt ist) und einer Amplitude, welche eine Spitze/ Spitze-Änderung im normierten Luft/Kraftstoff-Verhältnis [d. h., (A/FMotor/(A/FStöch)] von etwa 10% bis 20% ergibt.
Ferner wird gemäß Fig. 1 das Eingangs-Luft/Kraftstoff-Modula­ tionssignal bevorzugt in der Weise in die Motor­ kraftstoffsteuerung eingespeist, indem es auf das normale Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssignal (LAMBSE) durch den Sum­ mierer 22 in der Motorsteuereinheit aufaddiert wird. Da das Eingangs-Luft/Kraftstoff-Modulationssignal auf das Signal LAMBSE addiert wird, um das Signal LAMBSETOT zu bilden, ist die sich ergebende Amplitude ein fester Prozentsatz des nor­ mierten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors und ist von dem momentanen Wert des Motorluftstroms unabhängig.
In den Fig. 2 und 3 ist eine Blockdiagrammdarstellung der Rückkopplungssteuerung 18 bzw. ein die Schritte für die Im­ plementation der Steuerung detaillierendes Flußdiagramm ge­ zeigt. Wie ersichtlich, enthält die Rückkopplungssteuerung 18 einen Komparator 30, einen Summierer 32, ein Proportional­ element 34, ein Integralelement 36 und einen Summierer 38, welche in der dargestellten Weise zusammenarbeiten, um das normale Luft/Kraftstoff-Signal LAMBSE auf der Basis der Aus­ gangsspannung des Sauerstoffsensors 20 zu erzeugen.
Gemäß weiterer Bezugnahme auf diese Figuren wird im Schritt 50 von Fig. 3 eine Abfrage durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Motorbetriebsbedingungen, wie z. B. die Zeit seit dem Start, für den Betrieb im geschlossenen Regelkreis geeignet sind. Wenn die Betriebsbedingungen für den Betrieb im ge­ schlossenen Regelkreis geeignet sind, liest die Rückkopp­ lungssteuerung das Sauerstoffsensorausgangssignal im Schritt 52 ein. Im Schritt 54 bestimmt die Steuerung, ob das Sauer­ stoffsensorausgangssignal ein stöchiometrisch fettes oder ma­ geres Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors anzeigt. Wenn sich das Sensorausgangssignal auf der fetten Seite befindet, wird das Ausgangssignal des Komparators im Schritt 56 auf einen Wert von +1 gesetzt, während das Ausgangssignal des Komparators im Schritt 58 auf einen Wert von -1 gesetzt wird, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der mageren Seite des stöchiometrischen Verhältnisses befindet. In beiden Fällen geht der Steuerungsfluß dann auf den Schritt 60 über, wobei das Komparatorausgangssignal von dem Summierer 32 gem. Fig. 2 mit einem Luft/Kraftstoff-Vorspannungssignal summiert wird, das aus einer Sauerstoffsensor-Vorspannungstabelle er­ halten wird, die bevorzugt in dem nichtflüchtigen Speicher der Fahrzeugsteuereinheit gespeichert ist.
Gemäß weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 wird der logische Fluß dann aufgespalten und zu den Schritten 62 und 64 geführt. Im Schritt 62 wird das Ausgangssignal des Summierers 32 mit ei­ ner Integralanteil-Verstärkungskonstante Ki multipliziert und im Schritt 66 wird dieses Produkt auf das im vorherigen Schleifendurchlauf bestimmte Produkt addiert, um den Inte­ gralanteil des Rückkopplungssignals LAMBSE zu erhalten. Im Schritt 64 wird das Ausgangssignal mit der Proportionalan­ teil-Verstärkungskonstante Kp multipliziert, um den Propor­ tionalanteil des Rückkopplungssignals LAMBSE zu erhalten.
Gemäß Darstellung werden dann der Integralanteil und der Pro­ portionalanteil im Schritt 68 mittels des in Fig. 2 darge­ stellten Summierers 38 kombiniert, um das zusammengesetzte Rückkopplungssignal LAMBSE zu erhalten. Im Schritt 70 wird das Signal LAMBSE an den Summierer 22 von Fig. 1 übertragen, wo es mit dem Eingangs-Luft/Kraftstoff-Modulationssignal LAM MOD kombiniert wird, worauf dann die vorstehend beschrie­ bene Routine wiederholt wird.
In Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwi­ schen LAMBSE, LAMBSETOT und dem Sauerstoff­ sensorausgangssignal über der Zeit mit einem Eingangs- Luft/Kraftstoff-Modulationssignal LAM MOD von etwa 1,5 Hz ge­ zeigt. Wie ersichtlich, reagiert das System mit einer Fre­ quenz, die im wesentlichen gleich der des Signals LAM MOD ist, obwohl das Sauerstoffsensorausgangssignal etwas aus der Phase läuft. Dieser letztere Effekt wird durch die in der LAMBSETTOT-Wellenform dargestellten Spitzen (glitches) ange­ zeigt.
Der Wert des Motor-A/F-Verhältnisses im geschlossenem Regel­ kreis kann sich verschieben, wenn dieses Modulationsschema mit einer Frequenz angewendet wird, die höher als die normale Grenzzyklusfrequenz im geschlossenen Regelkreis ist. Dieser Effekt beruht darauf, daß sich die Fett/Mager- und Mager/Fett-Übergangsschaltzeit des Sauerstoffsensors von­ einander unterscheiden. Eine derartige Verschiebung im Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist in Fig. 5 dargestellt, welche das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des geschlossenen Regelkreises über der Fett/Mager-Übergangsschaltzeit eines Sauerstoff­ sensors sowohl für den normalen Betrieb im geschlossenen Re­ gelkreis (d. h., ohne Modulation) und für die Situation dar­ stellt, in welcher eine Modulation mit 2 Hertz angelegt wird. Um sicherzustellen, daß eine Verschiebung im Luft/ Kraftstoff-Verhältnis wie die in Fig. 5 dargestellte nicht auftritt, wenn die Modulation angelegt wird, werden in der bevorzugten Ausführungsform die Tabellenwerte der Sauerstoff­ sensorvorspannung während des Zeitintervalls geändert, wenn die Modulation angelegt wird. Die Änderungen bei den Tabel­ lenwerten der Vorspannung können auf der Basis vorprogram­ mierter Verschiebungswerte ausgeführt werden, die in dem nichtflüchtigen Speicher des Motorsteuerrechners gespeichert sind. Diese vorprogrammierten Verschiebungswerte können expe­ rimentell bestimmt werden, indem die Werte gesucht werden, welche die niedrigsten Endrohremissionen bei den erzwungenen Kraftstoffexkursionen erzeugen. Vorzugsweise sollten die vor­ programmierten Verschiebungswerte so gelegt werden, daß sich der Mittelwert des Signals LAMBSE nicht signifikant verän­ dert, wenn das Luft/Kraftstoff-Modulationssignal angelegt wird.
Gemäß Fig. 6 stellt das erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Mo­ dulationskonzept im geschlossenen Regelkreis auch den korrek­ ten Ablauf eines Sauerstoffsensor-Überwachungsschemas sicher. Im allgemeinen stellt das in Fig. 6 dargestellte Flußdiagramm einen Verfahrensablauf bereit, wodurch die Sauerstoffsensor­ reaktionsrate verifiziert werden kann, bevor die Ergebnisse akzeptiert werden. Dieser Frequenztest wird als Sauerstoff­ sensor-Zwischenüberwachung bezeichnet. Beispielsweise liefert die Verifikation, daß die Reaktionsfrequenz des Kraftstoff­ steuersystems mit der Anregungsfrequenz des Sensorüberwa­ chungstests übereinstimmt, eine verbesserte Konfidenz, daß der Test nicht durch externe Faktoren, wie z. B. eine Drossel­ ventilbetätigung, Lastschwankungen und dergleichen nachteilig beeinflußt wurde.
Weiter wird gemäß Fig. 6 der Test im Schritt 78 initialisiert und der Steuerungsfluß geht zu dem Schritt 80 über, worauf die Steuerung bestimmt, ob Bedingungen des stationären Zu­ stands, wie z. B. Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit, Be­ lastung und Temperatur und dergleichen erfüllt sind, oder nicht. Sobald die Bedingungen erfüllt sind, wird im Schritt 82 ein Merker (LAM_MOD_FLG) gesetzt, welcher anzeigt, daß eine Kraftstoffsteuerung mit erzwungener Frequenz gemäß Defi­ nition in der vorstehenden Diskussion ausgeführt wird.
Die Schritte 84 und 86 arbeiten zusammen, um ein Zeitablaufs- Merkmal zu implementieren, welches sicherstellt, daß die er­ zwungene Kraftstoffmodulation tatsächlich beendet wird. Ohne dieses Merkmal würde der Test nicht beendet werden, wenn der Sauerstoffsensor während der Kraftstoffmodulationssequenz nicht schaltet. Zwei Variablen to_cycles und max_cycles wer­ den zur Implementation dieses Merkmals verwendet. Idealer­ weise würde der Sensor auf jeden Kraftstoffexkursionszyklus schalten. Es ist jedoch nicht besonders wünschenswert, einen Sensor als ausgefallen zu betrachten, wenn er nicht Zyklus für Zyklus mit den erzwungenen Kraftstoffexkursionen schal­ tet. Deshalb wird ein kleiner Unterschied zwischen der Anre­ gungs- und der Reaktionsfrequenz zugelassen und in einer Aus­ führungsform weist die Variable to_cycles einen Wert auf, der doppelt so hoch, wie der der Variablen max_cycles ist, so daß Sensoren nur dann als ausgefallen betrachtet werden, wenn die Sensorreaktionsfrequenz kleiner als die Hälfte der erzwunge­ nen Frequenz ist.
Somit werden bei Vorliegen der erzwungenen Kraftstoffexkur­ sionen die Schritte 80 bis 86 beispielsweise alle 50 ms wie­ derholt, um bezüglich der Anzahl der Kraftstoffzyklen, der Anzahl der zugeordneten Sensorreaktionen und des Umstands, ob die Bedingungen des stationären Zustands noch erfüllt sind, auf dem laufenden zu bleiben. Diese Schleife wird nur verlas­ sen, wenn eines von drei Ereignissen auftritt: wenn die Be­ dingungen des stationären Zustands (Schritt 80) nicht mehr vorliegen, geht der Steuerungsfluß auf Schritt 78 über; wenn die Anzahl der erzwungenen Kraftstoffzyklen (im Schritt 84) die Variable to_cycles überschreitet, geht der Steuerungsfluß auf den Schritt 92 über; und wenn die Anzahl der erzwungenen Kraftstoffzyklen die Variable to_cycles nicht überschreitet, aber der Sensor mit der Anzahl von max_cycles einen Zyklus ausgeführt oder reagiert (d. h. geschaltet) hat (Schritt 86), geht der Steuerungsfluß auf den Schritt 88 über.
Gemäß Darstellung in Fig 6 bestimmt die Steuerung im Schritt 88 ob die erzwungene Kraftstoffexkursionsfrequenz akzeptabel war, indem der Absolutwert der Differenz zwischen der erzwun­ genen Frequenz (d. h. fdsd ≈ 2 Hz) und der Reaktionsfrequenz (fmeas) gebildet und mit einem vorgegebenen Grenzwert (ferr_bd ≈ 0,2 Hz oder ± 10%) verglichen wird. Wenn die Diffe­ renz nicht innerhalb des vorgeschriebenen Grenzwertes liegt, ist der Sensorbetrieb suspekt und der Steuerungsfluß springt auf den Schritt 78 zurück und der Test wird wiederholt. Wenn jedoch die Differenz innerhalb des Frequenzfehlerbandes liegt, wird der Test als gültig betrachtet und der Steu­ erungsfluß geht auf Schritt 90 über, bei dem die Sensoraus­ gangsamplitude gemessen wird. Typischerweise liegen akzep­ table Sensoramplituden im Bereich von 0,5 bis 0,9 VSS.
Wenn das System im Schritt 84 versucht hat, mehr als die An­ zahl von to_cycles Kraftstoffexkursionen zu erzwingen, bevor der Sensor mit der Anzahl von max_cycles geschaltet hat, geht der Steuerungsfluß, da eine hohe Wahrscheinlichkeit vorliegt, daß der Sensor fehlerhaft ist, auf Schritt 92 über, und die Variable, welche die Sensoramplitude darstellt, wird auf Null gesetzt. Im Schritt 94 wird die Sensoramplitude mit einem vorgegebenen Amplitudenschwellenwert von beispielsweise 0,5 VSS verglichen. Wenn die tatsächliche Amplitude diesen Schwellenwert nicht überschreitet, geht der Steuerungsfluß auf Schritt 96 über und es wird ein Sensorausfall angezeigt. Wenn jedoch die tatsächliche Amplitude den Schwellenwert überschreitet, liegt kein Sensorausfall vor, und die Routine wird verlassen.
In Fig. 7 ist eine graphische Darstellung von Sauerstoff­ sensorausgangssignalen während der erzwungenen Kraftstoff­ modulation im Zusammenhang mit verschiedenen Stufen des Sen­ sorzustandes gezeigt. Im allgemeinen zeigt der Kurvenzug A eine gute Reaktion des Sauerstoffsensors und einen guten Sen­ sor an, und es wird ein Amplitudenmittelwert berechnet; der Kurvenzug B zeigt schlechte Testbedingungen an, die einen nochmaligen Test des Sensors erfordern, und es wird kein Am­ plitudenmittelwert berechnet; der Kurvenzug C zeigt einen Sauerstoffsensor mit einer langen Fett/Mager-Übergangsschalt­ zeit (TR-L) an, die aber noch ausreicht, um eine Amplituden­ mittelwertberechnung zu ermöglichen; und der Kurvenzug D zeigt einen Sauerstoffsensor mit sehr langen Übergangsschalt­ zeiten an (d. h., die Amplitude wird auf Null gesetzt).
In Fig. 8 ist ein Flußdiagramm dargestellt, das die Schritte für ein alternatives Sauerstoffsensor-Überwachungsschema der vorliegenden Erfindung detailliert. Ähnlich zu dem in Fig. 6 dargestellten Flußdiagramm zeigt dieses Schema einen Ver­ fahrensablauf, durch den die Sensorreaktionsrate verifiziert werden kann, bevor die Ergebnisse akzeptiert werden. Im Schritt 98 wird der Test initialisiert und der Steuerungsfluß geht auf Schritt 100 über, worauf die Steuerung bestimmt, ob die Bedingungen des stationären Zustandes, wie z. B. die Motordrehzahl, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Belastung und Temperatur und dergleichen erfüllt sind oder nicht. Sobald die Bedingungen erfüllt sind, wird im Schritt 102 ein Merker (LAM_MOD_FLG) gesetzt, welcher anzeigt, daß die Kraftstoff­ steuerung mit erzwungener Frequenz gemäß der Definition im vorhergehenden Text ausgeführt wird.
In dieser Ausführungsform bestimmt die Steuerung, ob die An­ zahl der erzwungenen Kraftstoffexkursionen oder -zyklen eine Variable lam_cyc_max überschreitet. Gemäß der Darstellung bilden die Schritte 100 bis 104 eine Schleife, die beispiels­ weise alle 50 ms wiederholt wird, bis die Anzahl der erzwun­ genen Kraftstoffzyklen die Variable lam_cyc_max überschrei­ tet, worauf die Steuerung zum Schritt 106 übergeht. Im Schritt 106 bestimmt die Steuerung die Frequenz der Sauer­ stoffsensorreaktion fO2S auf die befohlenen erzwungenen Kraftstoffexkursionen. Typischerweise sollte die Anregungs­ frequenz mit der gemessenen Frequenz übereinstimmen, obwohl ein Sensor nicht automatisch als ausgefallen zu betrachten ist, wenn die Anregungs- und die Reaktionsfrequenz nicht übereinstimmen.
Desweiteren bestimmt die Steuerung gemäß Fig. 8 im Schritt 108, ob die gemessene Frequenz der Sauerstoffsensorreaktion akzeptabel war, indem der Absolutwert der Differenz zwischen der erzwungenen Frequenz (d. h.; fdsd ≈ 2 Hz) und der Sauer­ stoffsensorreaktionsfrequenz (fO2S) gebildet und die Diffe­ renz mit einem vorgegebenen Grenzwert (ferr_bd ≈ 0,2 Hz oder ± 10%) verglichen wird. Wenn die Differenz nicht innerhalb des vorgeschriebenen Grenzwertes liegt, ist der Sensorbetrieb suspekt und der Steuerungsfluß geht auf den Schritt 110 über und die Steuerung bestimmt, ob die Sensorreaktionsfrequenz über einer vorgegebenen minimalen akzeptablen Frequenz (fO2S_min) liegt. Wenn die Bedingung im Schritt 110 erfüllt ist, springt die Steuerung auf den Schritt 100 zurück und der Test wird wiederholt. Wenn jedoch die Sensorreaktionsfrequenz unzureichend ist, geht der Steuerungsfluß auf den Schritt 112 über, bei dem die Variable, welche die Sensoramplitude dar­ stellt, auf Null gesetzt wird, um einen fehlerhaften Sensor anzuzeigen.
Wenn die Differenz zwischen der befohlenen Kraftstoffex­ kursionsfrequenz und der Sensorreaktionsfrequenz im Schritt 108 innerhalb des Frequenzfehlerbandes liegt, war der Test gültig und der Steuerungsfluß geht gemäß Darstellung zum Schritt 114 über, bei dem die Sensorausgangssignalamplitude berechnet wird. Typischerweise liegen akzeptable Sensor­ amplituden im Bereich von 0,5 bis 0,9 VSS. Im Schritt 116 wird die Sensoramplitude mit einem vorgegebenen Amplituden­ schwellenwert, wie z. B. 0,5 VSS verglichen. Der Wert der Schwelle ist so eingestellt, daß angezeigt wird, daß der Emissionsstandardwert um einen Faktor von 1,5 gemäß den OBD- II-Vorschriften überschritten wurde. Wenn die tatsächliche Amplitude den Schwellenwert nicht überschreitet geht der Steuerungsfluß auf Schritt 118 über und ein Sensorausfall wird angezeigt. Wenn jedoch die tatsächliche Amplitude den Schwellenwert überschreitet, liegt kein Sensorausfall vor, und die Routine wird verlassen.
Es ist natürlich selbstverständlich, daß obwohl die hierin dargestellten und beschriebenen Formen der Erfindung die be­ vorzugten Ausführungsformen der Erfindung darstellen, diese nicht alle möglichen Formen von dieser darstellen sollen. Es ist weiterhin selbstverständlich, daß die verwendeten Worte solche zur Beschreibung sind und keine Beschränkung darstel­ len, und daß vielfältige Variationen möglich sind, ohne von dem offenbarten Gedanken und Umfang der Erfindung abzuwei­ chen.

Claims (21)

1. Verfahren zum Überwachen eines Sensorbetriebs für die Anwendung in einem Fahrzeug mit einer elektronischen Steuerungseinheit zum Steuern der Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor mit einem Sauerstoffsensor zum Erfassen des Motorabgas-Sauerstoffpegels, mit folgenden Verfahrensschritten:
Erzeugen eines modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT) mit einer modifizierten Rechteckwellenform, wobei die modifizierte Rechteckwellenform ausgelegt ist, eine spezielle Motorabgasreaktion für die Abfrage des Sauerstoffsensors zu erzeugen;
Betreiben des Motors auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT), wobei der Sauer­ stoffsensor (20) ein zugeordnetes Ausgangssignal als Re­ aktion auf die erfaßten Abgassauerstoffpegel erzeugt; und
Verarbeiten des der speziellen Motorreaktion zugeord­ neten Ausgangssignals des Sauerstoffsensors (20), um auf diese Weise den Betriebszustand des Sauerstoffsensors zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Erzeugen eines symmetrischen Luft/Kraftstoff-Modu­ lationssignals (LAM MOD);
Erzeugen eines asymmetrischen Luft/Kraftstoff-Rückkopp­ lungssignals (LAMBSE) auf der Basis eines Ausgangs­ signals aus dem Sauerstoffsensor; und
Summieren des symmetrischen Luft/Kraftstoff-Modula­ tionssignals (LAM MOD) und des asymmetrischen Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssignals (LAMBSE), um das modulierte Luft/Kraftstoff-Signal (LAMBSETOT) mit einer asymmetrischen modifizierten Wellenform zu erhalten, die ausgelegt ist, eine spezielle Motorabgasreaktion zu er­ zeugen, wobei die Abgassauerstoffpegel erfaßt werden, während der Motor (12) auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT) gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das asymmetrische Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssignal (LAMBSE) einen Wert aufweist, welcher während der Zeit größer wird, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager wird, und einen Wert aufweist, der während der Zeit kleiner wird, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das symmetrische Luft/Kraftstoff-Modulationssignal (LAM MOD) eine Rechteckwellenform mit einer Frequenz von etwa 2 Hz und einer Amplitude aufweist, welche in einem normierten Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis eine Schwan­ kung mit einem Spitze/Spitze-Wert von etwa 10 bis 20% erzeugt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Anlegen mehrerer erzwungener Kraftstoffexkursionen mit einer vorgegebenen Frequenz an den Motor (12) unter Ver­ wendung des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAM MOD);
Verarbeiten des Sensorausgangssignals, um die Reaktions­ frequenz des Sensors auf die erzwungenen Kraftstoffex­ kursionen zu bestimmen;
Vergleichen der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfrequenz des Sen­ sors; und
Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Ba­ sis des Vergleichs der vorgegebenen Frequenz der erzwun­ genen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfrequenz des Sensors.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Bestimmen der Amplitude des Sensorausgangssignals auf der Basis des Vergleichs der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktions­ frequenz des Sensors;
Vergleichen der Amplitude des Sensorausgangssignals mit einem vorgegebenen akzeptablen Amplitudenschwellenwert; und
Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Ba­ sis des Vergleichs der Amplitude des Sensorausgangs­ signals mit dem vorgegebenen akzeptablen Amplituden­ schwellenwert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Vergleichen der Reaktionsfrequenz des Sensors mit einem vorgegebenen akzeptablen Reaktionsfrequenzschwellenwert; und
Verifizieren akzeptabler Testbedingungen auf der Basis des Vergleichs der Reaktionsfrequenz des Sensors mit ei­ nem vorgegebenen akzeptablen Reaktionsfrequenz­ schwellenwert.
8. Verfahren zum Überwachen eines Sensorbetriebs für die Anwendung in einem Fahrzeug mit einer elektronischen Steuerungseinheit zum Steuern der Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor mit einem Sauerstoffsensor zum Erfassen des Motorabgas-Sauerstoffpegels, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugen eines symmetrischen Luft/Kraftstoff-Modu­ lationssignals (LAM MOD);
Erzeugen eines asymmetrischen Luft/Kraftstoff-Rückkopp­ lungssignals (LAMBSE) auf der Basis eines Ausgangs­ signals aus dem Sauerstoffsensor;
Summieren des symmetrischen Luft/Kraftstoff-Modu­ lationssignals (LAM MOD) und des asymmetrischen Luft/ Kraftstoff-Rückkopplungssignals (LAMBSE), um ein modu­ liertes Luft/Kraftstoff-Modulationssignal (LAMBSETOT) mit einer asymmetrischen modifizierten Wellenform zu er­ halten, die ausgelegt ist, eine spezielle Motor­ abgasreaktion für die Abfrage des Sauerstoffsensors zu erzeugen;
Betreiben des Motors auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT), wobei der Sauer­ stoffsensor ein zugeordnetes Ausgangssignal als Reaktion auf den erfaßten Abgassauerstoffpegel erzeugt; und
Verarbeiten des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors, während der Motor (12) auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT) betrieben wird, um auf diese Weise den Betriebszustand des Sauerstoff­ sensors zu bestimmen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das asymmetrische Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssignal (LAMBSE) einen Wert aufweist, welcher während der Zeit, größer wird, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager wird, und einen Wert aufweist, der während der Zeit kleiner wird, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das symmetrische Luft/Kraftstoff-Modulationssignal (LAM MOD) eine Rechteckwellenform mit einer Frequenz von etwa 2 Hz und einer Amplitude aufweist, welche in einem normierten Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis eine Schwan­ kung mit einem Spitze/Spitze-Wert von etwa 10 bis 20% erzeugt.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Anlegen mehrerer erzwungener Kraftstoffexkursionen mit einer vorgegebenen Frequenz an den Motor (12) unter Ver­ wendung des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT);
Verarbeiten des Sensorausgangssignals, um eine Reak­ tionsfrequenz des Sensors auf die erzwungenen Kraftstoffexkursionen zu bestimmen;
Vergleichen der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfrequenz des Sen­ sors; und
Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Ba­ sis des Vergleichs der vorgegebenen Frequenz der erzwun­ genen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfrequenz des Sensors.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Bestimmen der Amplitude des Sensorausgangssignals auf der Basis des Vergleichs der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktions­ frequenz des Sensors;
Vergleichen der Amplitude des Sensorausgangssignals mit einem vorgegebenen akzeptablen Amplitudenschwellenwert; und
Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Ba­ sis des Vergleichs der Amplitude des Sensorausgangs­ signals mit dem vorgegebenen akzeptablen Amplituden­ schwellenwert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Vergleichen der Reaktionsfrequenz des Sensors mit einem vorgegebenen akzeptablen Reaktionsfrequenzschwellenwert; und
Verifizieren akzeptabler Testbedingungen auf der Basis des Vergleichs der Reaktionsfrequenz des Sensors mit ei­ nem vorgegebenen akzeptablen Frequenzschwellenwert.
14. Verfahren zum Überwachen eines Sensorbetriebs für die Anwendung in einem Fahrzeug mit einer elektronischen Steuerungseinheit zum Steuern der Kraftstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor mit einem Sauerstoffsensor zum Erfassen des Motorabgas-Sauerstoffpegels, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Anlegen mehrerer erzwungener Kraftstoffexkursionen mit einer vorgegebenen Frequenz an den Motor (12) unter Ver­ wendung eines modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT) mit einer modifizierten Rechteckwellenform, die darauf ausgelegt ist, eine spezielle Motorabgas­ reaktion für die Abfrage des Sauerstoffsensors zu erzeu­ gen;
Vergleichen der Anzahl der an den Motor (12) angelegten erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit einem vorgegebenem Schwellenwert für die Kraftstoffexkursionen;
Verarbeiten eines Ausgangssignals des Sauerstoffsensors, um eine Reaktionsfrequenz des Sensor auf die angelegten erzwungenen Kraftstoffexkursionen zu bestimmen;
Vergleichen der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfrequenz des Sen­ sors; und
Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Ba­ sis des Vergleichs der vorgegebenen Frequenz der erzwun­ genen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktionsfrequenz des Sensors.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Bestimmen der Amplitude des Sensorausgangssignals auf der Basis des Vergleichs der vorgegebenen Frequenz der erzwungenen Kraftstoffexkursionen mit der Reaktions­ frequenz des Sensors;
Vergleichen der Amplitude des Sensorausgangssignals mit einem vorgegebenen akzeptablen Amplitudenschwellenwert; und
Identifizieren eines Sensorbetriebszustandes auf der Ba­ sis des Vergleichs der Amplitude des Sensoraus­ gangssignals mit dem vorgegebenen akzeptablen Amplitu­ denschwellenwert.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Verarbeiten des Sensorausgangssignals, um die Reaktions­ frequenz des Sauerstoffsensors auf die angelegten Kraft­ stoffexkursionen zu bestimmen;
Vergleichen der Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz mit einer gewünschten Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz; und
Verifizieren akzeptabler Testbedingungen auf der Basis des Vergleichs der Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz mit der gewünschten Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz auf der Basis der Frequenz der erzwungenen Kraftstoff­ exkursionen bestimmt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner folgende Schritte aufweist:
Vergleichen der Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz mit einem vorgegebenen minimalen akzeptablen Reaktions­ frequenzschwellenwert; und
Verifizieren akzeptabler Testbedingungen auf der Basis des Vergleichs der Sauerstoffsensor-Reaktionsfrequenz mit dem vorgegebenen minimalen akzeptablen Reaktions­ frequenzschwellenwert.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Verfahrensschritt eines nochmaligen Anle­ gens mehrerer erzwungener Kraftstoffexkursionen mit der vorgegebenen Frequenz an den Motor (12) unter Verwendung des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT) auf­ weist, um eine spezielle Motorabgasreaktion für die Ab­ frage des Sensors zu erzeugen.
20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierte Rechteckwellenform asymmetrisch ist.
21. Vorrichtung zum Überwachen eines Sensorbetriebs für die Anwendung in einem Fahrzeug mit einen Verbrennungsmotor mit einem Sauerstoffsensor zum Erfassen des Motorabgas- Sauerstoffpegels, gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung zum Erzeugen eines symmetrischen Luft/Kraftstoff-Modulationssignals (LAM MOD);
eine Einrichtung (18) zum Erzeugen eines asymmetrischen Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssignals (LAMBSE) auf der Basis eines Ausgangssignals aus dem Sauerstoffsensor;
eine Kombinationseinrichtung (22) zum Summieren des sym­ metrischen Luft/Kraftstoff-Modulationssignals (LAM MOD) und des asymmetrischen Luft/Kraftstoff-Rückkopplungssi­ gnals (LAMBSE), um ein moduliertes Luft/Kraftstoff-Si­ gnal (LAMBSETOT) mit einer asymmetrischen modifizierten Wellenform zu erhalten, die ausgelegt ist, eine spe­ zielle Motorabgasreaktion für die Abfrage des Sauer­ stoffsensors zu erzeugen, wobei der Motor (12) auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Signals (LAMBSETOT) betrieben wird und der Sauerstoffsensor ein zugeordnetes Ausgangssignal als Reaktion auf die er­ faßten Abgassauerstoffpegel erzeugt; und
eine Steuereinrichtung (14) zum Verarbeiten des Aus­ gangssignals des Sauerstoffsensors, während der Motor (12) auf der Basis des modulierten Luft/Kraftstoff-Si­ gnals (LAMBSETOT) betrieben wird, um auf diese Weise den Betriebszustand des Sauerstoffsensors zu bestimmen.
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