DE4446959C2 - Sauerstoffkonzentration-Meßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffkonzentration- Meßvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Als Einrichtung zur Reinigung des Abgases eines Motors, zur Verbesserung der Kraftstoffersparnis und ähnlichem ist be­ reits ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisregler bekannt, der die Sauerstoffkonzentration im Abgas mißt und in einer Rückkopp­ lungsbetriebsart das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines dem Mo­ tor gelieferten Gemisches auf ein in Abhängigkeit von dem ge­ messenen Sauerstoffkonzentrationspegel erforderliches Verhältnis regelt. Verwiesen sei auf die Sauerstoffkonzentra­ tion-Meßvorrichtung nach der JP-OS 58-1531. Aus der JP-OS 62- 76446 ist ein Regler für eine Sauerstoffkonzentration- Meßvorrichtung bekannt, bei dem die Stromversorgung zu einer Sauerstoffpumpeinrichtung ab dem Beginn der Stromversorgung um einen vorbestimmten Zeitraum verzögert ist, um eine Schwärzung der Sauerstoffkonzentration-Meßvorrichtung und unkorrekte Messungen aufgrund einer verzögerten Reaktion ei­ nes Heizelements zu verhindern, das die Sauerstoffpump­ einrichtung erwärmt. Der Ausdruck "Schwärzung" bedeutet, daß Sauerstoffionen aus dem festen Elektrolytelement entfernt werden.

Ebenso ist eine Sauerstoffkonzentration-Meßvorrichtung gemäß JP-OS 62-203950 bekannt, bei der der dem Heizelement gelie­ ferte Strom nach dem Starten des Motors erhöht wird, bis eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, um einen Wärmeschock zu vermeiden, der sich sonst aus einer plötzlichen Erwärmung der Sauerstoffpumpeinrichtung ergeben und die Sauerstoffkonzen­ tration-Meßvorrichtung beschädigen könnte. Bei dieser herkömmlichen Sauerstoffkonzentration-Meßvorrichtung ist der vorbestimmte Zeitraum im allgemeinen länger als die Zeit eingestellt, die für gewöhnliche Verwendungsbedingungen erforderlich ist (beispielsweise bei einer Außentemperatur von ca. 20°C), um Probleme dann zu verhindern, wenn ungünstigste Lufttemperaturbedingungen, beispielsweise beim Starten des Motors bei einer Außenlufttemperatur von -40°C vorliegen.

Aus diesem Grund kann unter normalen Betriebsbedingungen selbst dann, wenn nach dem Beginn der Stromlieferung zu der Sauerstoffpumpeinrichtung eine Rückkopplungsregelung durchge­ führt wird, kein Strom zu der Sauerstoffpumpeinrichtung ge­ liefert werden, bis der oben erwähnte vorbestimmte Zeitraum abgelaufen ist. In diesem Fall wird das Verhältnis des Luft- Kraftstoff-Gemisches während des vorbestimmten Zeitraums durch ein offenes Steuerverfahren gesteuert.

Aus der gattungsbildenden DE 35 17 252 A1 ist eine Heizvor­ richtung für einen Sauerstoffühler bekannt, welche eine regelbare Energiezufuhr dergestalt ermöglicht, daß der eigentliche Sauerstoffsensor oder Sauerstoffühler rasch in einen betriebsfähigen Zustand versetzt wird.

Hierfür wird einerseits vorgeschlagen, einen Temperaturgeber anzuordnen, mit dessen Hilfe die Motorkühlmitteltemperatur bestimmt wird. In Abhängigkeit von der jeweiligen Motorkühl­ mitteltemperatur wird dann die Heizvorrichtung für den Sauerstoffühler mehr oder weniger aktiviert. Andererseits wird vorgeschlagen, in einer vorbestimmten Zeitspanne ein so­ genanntes Schnellerhitzungsregime einzuleiten, so daß die Zeit bis zum ausreichenden Erwärmen des Sauerstoffühlers wei­ ter verkürzbar ist. Zusätzlich wird dargelegt, eine Heizspannungs-Erfassungsschaltung und eine Heizstrom- Erfassungsschaltung vorzusehen, die mit einem Steuergerät in Verbindung steht, das über einen Schalttransistor die Heizvorrichtung mit Strom beaufschlagt. Für die Heizstrom- Erfassungsschaltung ist das Vorsehen eines zusätzlichen Widerstandes erforderlich, da der Strom indirekt über den Spannungsabfall an diesem Widerstand bestimmt wird. Da zwi­ schen der Temperatur des Heizelementes und dessen Widerstand eine Wechselbeziehung besteht, kann aus der Bestimmung des Widerstandes das Erreichen bestimmter Temperaturen geschluß­ folgert werden.

Die Signale für den Heizstrom und für die Heizspannung werden im erwähnten Steuergerät zur Berechnung des Heizelement- Widerstandswertes benutzt. Demnach ist es also notwendig, sowohl die Spannung über dem Heizelement als auch den durch das Heizelement fließenden Strom zu ermitteln, was zusätzli­ chen Aufwand verursacht und darüber hinaus durch die grund­ sätzlich nicht zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeit des zusätzlichen Widerstandes auch noch zu Meßfehlern führt.

In der DE 34 45 727 A1 ist ein Luft-/Kraftstoffverhältnis- Detektor gezeigt, der zwar über Heizelemente verfügt, jedoch werden dort keinerlei Anregungen gegeben, wie die Temperatur des Heizelementes bestimmt wird und nach welchen Kriterien eine Steuereinrichtung zur Aktivierung der Sauerstoffpumpein­ richtung zu betreiben ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine bekannte Sauerstoff­ konzentration-Meßvorrichtung für einen Verbrennungsmotor so weiterzubilden, daß in besonders einfacher Weise ohne aufwen­ dige Hardwarekomponenten der Widerstandswert des Heizelemen­ tes bestimmt werden kann, und wobei eine hohe Betriebssicher­ heit und Langzeitstabilität der Vorrichtung gewährleistet ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen umfassen.

Erfindungsgemäß wird der Widerstandswert des Heizelementes nahezu in Echtzeit dadurch bestimmt, daß sowohl die Spannung über dem Widerstandsheizelement als auch über einem Bezugs­ widerstand gemessen wird.

Der Widerstandswert läßt sich dann aus der Differenz der Spannung über dem Heizelement dividiert durch das Verhältnis zwischen dem niedrigeren Potential und dem Wert des Bezugs­ widerstandes ermitteln. Die Steuereinrichtung ermöglicht den Beginn der Aktivierung der Sauerstoffpumpeinrichtung, nachdem entweder von der Heizzustand-Meßeinrichtung ein gemessener Widerstand vorliegt, der gleich oder größer als ein erster vorbestimmter Wert ist, oder nachdem ein vorbestimmter Zeitraum seit dem Zeitraum abgelaufen ist, zu dem der von der Heizzustand-Meßeinrichtung gemessene Widerstandswert des variablen Widerstandsheizelementes gleich oder größer als der erste vorbestimmte Wert ist.

Gemäß der Erfindung ist die Heizeinrichtung ein variables Widerstandsheizelement, und die Heizzustand-Meßeinrichtung mißt den Widerstandswert des variablen Widerstandsheiz­ elements und bestimmt die Temperatur des variablen Widerstandsheizelements auf der Grundlage des gemessenen Widerstandswerts.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung bestimmt die Steuer­ einrichtung, daß in dem variablen Widerstandsheizelement ein Fehler oder Ausfall aufgetreten ist, wenn der von der Heizustand-Meßeinrichtung gemessene Widerstand niedriger als ein zweiter vorbestimmter Wert wird, der kleiner als der erste vorbestimmte Wert ist, nachdem der Widerstandwert des variablen Widerstandsheizelements größer als der erste vorbestimmte Wert geworden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestimmt die Steuereinrichtung, daß ein Fehler oder Ausfall in der Heizeinrichtung aufgetreten ist, wenn sich das Ausgangssignal der Heizzustand-Meßeinrichtung selbst dann nicht ändert, wenn die Heizeinrichtung betrieben wird.

In einer Ausgestaltung steuert ferner die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Heizzustand- Meßeinrichtung den an das variable Widerstandsheizelement ge­ lieferten Strom und steuert die Temperaturanstiegskennlinie des variablen Widerstandsheizelements während des Aufwärmens.

Darüber hinaus ist bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Korrektur-Widerstand vorgesehen, um eine Schwankung im Widerstandswert der variablen Widerstandsheizeinrichtung zu korrigieren, und die Steuereinrichtung bestimmt den Heizzustand des variablen Widerstandsheizelements auf der Grundlage des Widerstandswerts des variablen Widerstands­ heizelements und des Widerstandswerts des Korrektur- Widerstandes.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den Zeichnungen näher erläutert. die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung ei­ nes elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems für einen Verbrennungsmotor, das mit einer Sauer­ stoffkonzentration-Meßschaltung ausgestattet ist;

Fig. 2 eine Darstellung des Innenraumes eines Sauerstoffkonzentrationssensors der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer elektronischen Steuereinheit der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 4 ein Graph einer Ausgangskennlinie des Sauer­ stoffkonzentrationssensors;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Heizreglers;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Vorrichtung von Fig. 1; und

Fig. 7 ein Graph einer Temperaturkennlinie eines Heizwiderstandes der Vorrichtung von Fig. 1.

Fig. 1 veranschaulicht die Gesamtanordnung eines elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzsystems für einen Ver­ brennungsmotor, das mit einer Sauerstoffkonzentration-Meßvor­ richtung ausgestattet ist, die nach den Prinzipien der vor­ liegenden Erfindung aufgebaut ist. In Fig. 1 ist ein Sauer­ stoffkonzentrationssensor 1 am Auspuffrohr 3 des Motors 2 oberhalb eines mit einem Auspuffrohr 3 verbundenen Dreiwege­ katalysators 5 angebracht, um die Sauerstoffkonzentration in dem von dem Motor 2 abgegebenen Abgas zu messen. Der Ein­ gangs-/Ausgangsanschluß des Sauerstoffkonzentrationssensors 1 ist mit einer elektronischen Steuerschaltung 4 verbunden (im folgenden als "ECU" bezeichnet), die das Kraftstoffeinspritz­ system steuert.

Fig. 2 veranschaulicht teilweise Einzelheiten des Sauer­ stoffkonzentrationssensors 3. Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein allgemein rechteckiges, parallelepipedförmiges Fest­ elektrolytelement 12 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in ei­ nem Schutzgehäuse des Sauerstoffkonzentrationssensors 1 vor­ gesehen, wobei in dem Festelektrolytelement 12 mit Sauer­ stoffionenleitfähigkeit eine Gaskammer 13 ausgebildet ist. Die Gaskammer 13 steht mit einer Öffnung 14 zum Einführen des zu messenden Abgases von dem Auspuffrohr 3 in Verbindung. Die Öffnung 14 ist in der Wand des Auspuffrohrs 3 vorgesehen, wo das Abgas leicht in die Gaskammer 13 strömen kann.

Eine Atmosphärenluftkammer 15 des Festelektrolytelements 12 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit ist in diesem Element 12 ge­ bildet, um Atmosphärenluft einzubringen, und ist durch eine Trennwand von der Gaskammer 13 separiert. Die Trennwand zwi­ schen der Gaskammer 13 und der Atmosphärenkammer 15 ist an ihren entgegengesetzten Seiten mit einem Paar von Elektroden 17a und 17b versehen, während ein Wandabschnitt der Atmosphä­ renkammer 15 gegenüber der Trennwand an seinen entgegenge­ setzten Seiten mit einem Paar von Elektroden 16a und 16b ver­ sehen ist.

Das Festelektrolytelement 12 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und das Paar von Elektroden 16a und 16b wirken zusammen und arbeiten als Sauerstoffpumpeinrichtung 18, während das Fest­ elektrolytelement 12 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und das Paar von Elektroden 17a und 17b zusammenwirken und als Sauer­ stoffkonzentrationverhältnis-Meßbatterieelement 19 arbeiten. Darüberhinaus weist die äußere Wandfläche der Atmosphären­ luftkammer 15 eine Heizeinrichtung in Form eines Widerstands­ heizelements 20 auf. Für das Festelektrolytelement 12 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit wird Zirconiumdioxid verwendet, während für die Elektroden 16a und 16b, 17a und 17b Platin verwendet wird.

Fig. 3 veranschaulicht im Diagramm den Aufbau der ECU 4. Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, weist die ECU 4 eine Differenz­ verstärkerschaltung 21, eine Bezugsspannungsquelle 22, einen Strommeßwiderstand 23 sowie einen Schalter 27 auf, die zusam­ men einen Sauerstoffkonzentrationssensor-Steuerabschnitt bil­ den. Die Elektrode 16b der Sauerstoffpumpeinrichtung 18 und die Elektrode 17b des Batterieelements 19 sind mit Masse ver­ bunden. Die Elektrode 17a des Batterieelements 19 ist mit der Differenzverstärkerschaltung 21 verbunden, die auf der Grund­ lage der Differenz der zwischen den zwei Elektroden 17a und 17b des Batterieelements 19 entwickelten Spannung und der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 22 eine Spannung abgibt.

Die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 22 ist eine Spannung, die dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis entspricht (beispielsweise 0,4 V). Der Ausgang der Diffe­ renzverstärkerschaltung 21 ist mit der Elektrode 16a des Sauerstoffpumpelements 18 über den Schalter 27 und den Strom­ meßwiderstand 23 verbunden. Beide Enden des Strommeßwider­ standes 23 dienen als Ausgänge des Sauerstoffkonzentrations­ sensors 1 und sind mit einer Steuerschaltung 24 in Form eines Mikrocomputers verbunden.

Ein Drosselklappenöffnungssensor 31 in Form eines Potentiometers zum Erzeugen eines Ausgangsspannungspegels in Abhängigkeit von der Öffnung einer Drosselklappe 25 (vgl. Fig. 1), ein Absolutdrucksensor 32, der an einem Ansaugrohr 26 an der stromabwärtigen Seite der Drosselklappe 25 ange­ bracht ist und in Abhängigkeit von dem Absolutdruck in dem Ansaugrohr 26 ein Ausgangssignal bereitstellt, ein Wasser­ temperatursensor 33 zum Erzeugen eines Ausgangsspannungs­ pegels in Abhängigkeit von der Temperatur des Motorkühl­ wassers, ein Kurbelwinkelsensor 34 zum Erzeugen eines Impuls­ signals synchron zur Drehung der Kurbelwelle des Motors 2, ein Zündschalter 37 zum Liefern der Batterieausgangsspannung, wenn das Kraftfahrzeug in Betrieb ist, sowie eine Einspritzdüse 35, die an dem Ansaugrohr 26 an einer Stelle in der Nähe eines nicht dargestellten Ansaugventils des Motors 2 angebracht ist, um eine Kraftstoffmenge in das Ansaugrohr 26 einzuspritzen, wirken mit der Steuerschaltung 24 zusammen.

Die Steuerschaltung 24 weist folgendes auf: einen Analog- Digital-Wandler 40 zum Umsetzen einer Differenzspannung über den Stromerfassungswiderstand 23 in ein digitales Signal; eine Pegeländerungsschaltung 41 zum Ändern des Ausgangspegels des Drosselklappenöffnungssensors 31, des Absolutdrucksensors 32 sowie des Wassertemperatursensors 33; einen Multiplexer 42 zur selektiven Ausgabe von einem der Ausgangssignale der Sensoren 31, 32, 33, das durch die Pegeländerungsschaltung 41 gelaufen ist; einen Analog-Digital-Wandler 43 zum Umsetzen des Ausgangssignals von dem Multiplexer 42 in ein digitales Signal; eine Wellenformerschaltung 44 zum Bilden der Wellen­ form des Ausgangssignals des Kurbelwinkelsensors 34 und zum Ausgeben des resultierenden Signals als TDC-Signal; einen Zähler 45 zum Berechnen der Intervalle, zu denen die TDC- Signale von der Wellenformerschaltung 44 erzeugt werden, auf der Grundlage der Anzahl der von einer nicht dargestellten Taktimpulsschaltung ausgegebenen Taktimpulse; eine Pegeländerungsschaltung 38 zum Ändern des Ausgangspegels des Zündschalters 37; einen digitalen Eingangsmodulator 39 zum Modulieren des Schalterausgangssignals, das durch die Pegel­ änderungsschaltung 38 gelaufen ist, in digitale Daten; eine erste Treiberschaltung 46a zum Ansteuern der Einspritzdüse 35; eine zweite Treiberschaltung 46b zum Einschalten des Schalters 27; eine Zentraleinheit 47 zum Durchführen digita­ ler Berechnungen in Abhängigkeit von einem oder mehreren Steuerprogrammen, einen ROM 48 sowie einen ROM 49 zum Spei­ chern verschiedener Verarbeitungsprogramme und Daten.

Die Analog-Digital-Wandler 40 und 43, der Multiplexer 42, der Zähler 45, der digitale Eingangsmodulator 39, die Treiber­ schaltungen 46a und 46b, die Zentraleinheit 47 sowie der ROM 48 und der ROM 49 sind mittels eines Eingabe-Ausgabe-Busses 50 miteinander verbunden. Ein TDC-Signal wird direkt von der Wellenformerschaltung 44 zu der Zentraleinheit 47 geliefert. Außerdem ist eine Heizstromversorgungsschaltung 51 in der Steuerschaltung 24 vorgesehen, um Strom an das Widerstands­ heizelement 20 zu liefern.

Bei einer solchen Kraftstoffeinspritzdüse mit elektronischer Steuerung werden die folgenden Informationen über den Ein­ gabe-Ausgabe-Bus 50 zu der Zentraleinheit 47 geliefert. Dies sind Informationen bezüglich eines Pumpstromwertes Ip, der von dem Analog-Digital-Wandler 40 eingegeben wird (der Strom fließt durch das Sauerstoffpumpelement 18), ein Drosselklap­ penöffnungsgrad θth sowie ein absoluter Ansaugdruck Pba, die abwechselnd von dem Analog-Digital-Wandler 43 ausgewählt wer­ den, und Informationen bezüglich der Anzahl der Umdrehungen Ne des Motors pro Zeiteinheit mittels Zähler 45 sowie des Ein-/Aus-Zustandes des Zündschalters 37, die durch den digi­ talen Eingangsmodulator 39 erzeugt werden.

Die Zentraleinheit 47 liest jede der oben erwähnten Informa­ tionen in Abhängigkeit von einem in dem ROM 48 gespeicherten Programm ein. Auf der Grundlage dieser Informationen wird in Synchronisation mit dem TDC-Signal die Kraftstoffeinspritz­ zeit Tout der Einspritzdüse 35, die der an den Motor 2 zu liefernden Kraftstoffmenge entspricht, berechnet. Die Treiberschaltung 46a steuert die Einspritzdüse 35 über die Kraftstoffeinspritzzeit Tout an, um Kraftstoff an den Motor 2 zu liefern.

Die Kraftstoffeinspritzzeit Tout wird aus der folgenden For­ mel berechnet:

Tout = Ti × Ko2 × Kwot × Ktw (1);

darin steht Ti für eine Grundkraftstoffversorgungsmenge, die eine Grundeinspritzzeit angibt, die durch ein bekanntes Ver­ fahren aus der Anzahl Ne der Umdrehungen des Motors pro Zeiteinheit und dem absoluten Druck Pba in dem Ansaugrohr be­ stimmt ist; Ko2 steht für einen Rückkopplungskorrekturfaktor für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, der in Abhängigkeit von dem Ausgangspegel des Sauerstoffkonzentrationssensors einge­ stellt ist; Kwot steht für einen Kraftstoffkorrekturfaktor zum Korrigieren der Grundkraftstoffversorgungsmenge in Abhän­ gigkeit von der Motorlast, und Ktw steht für einen Kühlwas­ sertemperaturkoeffizienten. Diese Werte werden in Abhängig­ keit von einer Subroutine der Kraftstoffversorgungsroutine eingestellt.

Andererseits schaltet die Treiberschaltung 46b den Schalter 27 in Abhängigkeit von einem "Einschalt"-Befehl von der Zen­ traleinheit 47 ein und in Abhängigkeit von einem "Abschalt"- Befehl aus, um die Ansteuerung anzuhalten. Ist der Schalter 27 eingeschaltet, dann beginnt ein Pumpstrom zwischen dem Paar von Elektroden 16a und 16b des Sauerstoffpumpenelements 18 durch den Strommeßwiderstand 23 zu fließen. Unmittelbar nach dem Liefern des Pumpstroms zu der Sauerstoffpumpeinrich­ tung 18, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines dem Motor 2 gelieferten Gemisches innerhalb eines mageren Bereichs liegt (d. h. magerer als der stöchiometrische Wert), ist die zwischen dem Paar von Elektroden 17a und 17b des Batterie­ elements 19 entwickelte Spannung niedriger als die Ausgangs­ spannung der Bezugsspannungsquelle 22.

Deshalb ist der Ausgangspegel der Differenzverstärkerschal­ tung 21 positiv, und diese Spannung mit positivem Pegel wird an die Parallelschaltung des Strommeßwiderstandes 23 und der Sauerstoffpumpeinrichtung 18 geliefert. Im Falle der Sauer­ stoffpumpeinrichtung 18 fließt der Pumpstrom von der Elek­ trode 16a zu der Elektrode 16b, so daß die Ionisation des Sauerstoffs in der Kammer 13 an der Elektrode 16b bewirkt wird. Der ionisierte Sauerstoff bewegt sich durch die Sauer­ stoffpumpeinrichtung 18 und wird von der Elektrode 16a als Sauerstoffgas abgegeben, so daß der Sauerstoff in der Kammer ausgepumpt wird.

Das Auspumpen des Sauerstoffs in der Gaskammer 13 erzeugt eine Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas in der Gaskammer 13 und der Atmosphärenluft in der Atmoshä­ renkammer 15. Damit entwickelt sich eine Spannung Vs zwischen dem Paar von Elektroden 17a und 17b in Abhängigkeit von die­ ser Sauerstoffkonzentrationsdifferenz, die an den Inver­ tereingang der Differenzverstärkerschaltung 21 geliefert wird. Die Ausgangsspannung der Differenzverstärkerschaltung 21 ist proportional zu der Druckdifferenz zwischen der Span­ nung Vs und der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 22. Deshalb ist der Pumpstromwert proportional zu der Sauer­ stoffkonzentration in dem Abgas und wird als Spannung über den Strommeßwiderstand 23 ausgegeben.

Liegt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des an den Motor 2 zu liefernden Gemisches innerhalb eines fetten Bereichs (d. h. fetter als der stöchiometrische Wert), dann überschreitet die Spannung Vs die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 22. Deshalb wird der Ausgangspegel der Differenzverstärker­ schaltung 21 vom positiven zum negativen Pegel invertiert. Diese Pegelinversion senkt den zwischen dem Paar von Elektro­ den 16a und 16b der Sauerstoffpumpeinrichtung 18 fließenden Strom und kehrt die Richtung des Stromflusses um. D. h., fließt der Pumpstrom von der Elektrode 16b zu der Elektrode 16a, dann wird der Sauerstoff in der Atmosphärenluft an der Elektrode 16a ionisiert, und der ionisierte Sauerstoff bewegt sich durch die Sauerstoffpumpeinrichtung 18, woraufhin er entladen wird und demnach als Sauerstoffgas in die Gaskammer 13 gepumpt wird.

Wie oben beschrieben, wird Sauerstoff hinein- und hinausge­ pumpt, indem ein Pumpstrom derart geliefert wird, daß die Sauerstoffkonzentration in der Luftkammer 13 stets konstant gehalten wird. Wie Fig. 4 zeigt, ist deshalb der Pumpstrom­ wert Ip sowohl im mageren als auch im fetten Bereich zu der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas proportional. Darüber­ hinaus ist der oben erwähnte Rückkopplungskorrekturfaktor Ko2 in Abhängigkeit von dem Pumpstrom Ip eingestellt.

Fig. 5 veranschaulicht einen Heizsteuerabschnitt im einzel­ nen. Unter Bezug auf diese Figur liefert die Heizstromver­ sorgungsschaltung 51 Strom an das Widerstandsheizelement 20 in Abhängigkeit von einem von der Zentraleinheit 47 erzeugten Betriebs- bzw. Nutzleistungssignal. Liegt das Nutzleistungs­ signal vor, d. h. wenn Strom an das Heizelement 20 geliefert wird, wird die Spannung über dem Heizelement 20 von dem Ana­ log-Digital-Wandler 52 gelesen. Diese Spannung und der Be­ zugswiderstandswert Rs ermöglichen die Bestimmung des Wider­ standswerts des Heizelements. Ist das Nutzleistungssignal stets vorhanden, also beispielsweise 10 ms für eine Gesamt­ zeit von 100 ms, dann kann der Widerstandswert des Heizele­ ments 20 im wesentlichen in Echtzeit erfaßt werden. Darüber­ hinaus wird auch ein Widerstandswert eines Korrektur-Wider­ standes 53, der in einen Verbinder des Sauerstoffkonzentra­ tionssensors eingefügt ist, von dem Analog-Digital-Wandler 52 gelesen, um Schwankungen im Widerstandswert des Heizelements 20 auszugleichen.

Als nächstes wird der Betrieb der Sauerstoffkonzentration- Meßvorrichtung der Erfindung unter Bezug auf Fig. 6 beschrie­ ben, die ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Zentraleinheit 47 darstellt. Unter Bezug auf diese Figur wird jeder Prozeß alle 100 ms auf der Grundlage der Zeitsteuerung durch die Zentraleinheit 47 durchgeführt.

Beim Starten des Prozesses wird zunächst im Schritt S61 der in dem RAM 49 gespeicherte Zählerwert daraufhin überprüft, ob er Null ist. Dies wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Widerstandswert des Heizelements 20 alle 100 ms gemessen wer­ den soll oder nicht. Ist der Zählerwert nicht Null, dann wird keine Messung des Widerstandswerts des Heizelements 20 durch­ geführt, und der Prozeß fährt mit Schritt S73 fort. Ist der Zählerwert Null, dann bedeutet dies, daß 100 ms abgelaufen sind. Deshalb fährt der Prozess mit dem nächsten Schritt S62 fort, bei dem zunächst der Zählerwert zur Erfassung für die nächsten 100 ms eingestellt wird.

Bei Erzeugung eines Heizbefehls durch die Zentraleinheit 47 wird im Schritt S63 Strom von der Stromversorgungsschaltung 51 für die Heizeinrichtung zu dem Heizelement 20 geliefert, dann wird im Schritt S64 der Widerstandswert des Heizelements 20 auf der Grundlage der Spannung über dem Heizelement 20 und dem Bezugswiderstandswert Rs gemessen. Der Widerstandswert des Heizelements 20 wird durch die folgende Formel erhalten:

Widerstand des Heizelements = (VHH - VHL)/(VHL/Rs) (2);

darin stehen VHH und VHL für eine höhere Anschlußspannung bzw. eine niedrigere Anschlußspannung des Heizelements 20.

Wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, treten beim Herstellungsver­ fahren Schwankungen beim Widerstandswert des Heizelements 20 auf. Da allerdings die Temperaturkennlinie des Heizelements 20 als im wesentlichen gleich angesehen werden kann, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, kann ein Korrektur-Widerstand mit ei­ nem Wert vorgesehen sein, der einer Schwankung zwischen dem Widerstandswert R1 des Widerstandheizelements 20 und dem Wi­ derstand R0 des Standardsensorprodukts bei einer vorbestimm­ ten Temperatur t, nämlich R0 - R1 entspricht, um die Wirkung der Schwankungen beim Widerstandswerts des Heizelements 20 zu verringern.

Dementsprechend wird im Schritt S65 der Widerstandswert des Korrektur-Widerstandes 53 durch den Analog-Digital-Wandler 52 eingelesen, und der im Schritt S65 eingelesene Widerstands­ wert des Korrektur-Widerstandes 53 wird entweder zu dem im Schritt S64 erfaßten Widerstandswert des Heizelements 20 ad­ diert oder davon subtrahiert (er wird beispielsweise addiert, wenn R0 < R1, während er bei R0 < R1 subtrahiert wird). Auf diese Weise läßt sich die Schwankung des Widerstandswerts des Heizelements 20 korrigieren, so daß im Schritt S66 ein korri­ gierter oder ein Beurteilungswiderstandswert berechnet wird, der genau R0 entspricht.

Dann fährt der Prozeß fort mit Schritt S67, bei dem der kor­ rigierte Widerstandswert mit einem ersten Einstellwert ver­ glichen wird, der ein Widerstandswert ist, der einer vorbe­ stimmten Temperatur, z. B. 550°C entspricht, bei dem eine Schwärzung des Sensors 1 selbst unmittelbar nach dem Beginn der Stromversorgung der Pumpeinrichtung 18 nicht auftritt.

Ist der korrigierte Widerstandswert höher als der erste Ein­ stellwiderstandswert, dann fährt der Prozeß mit Schritt S68 fort, da das Heizelement 20 eine höhere als die vorbestimmte Temperatur aufweist.

Im Anschluß wird überprüft, ob eine vorbestimmte Zeit ab­ gelaufen ist, nachdem die Temperatur des Heizelements 20 über die vorbestimmte Temperatur gestiegen ist. Dies ist notwen­ dig, um Zeit für die Wärmeübertragung von dem Heizelement 20 zu der Sauerstoffpumpeinrichtung 18 bereitzustellen. Stattdessen kann der erste Einstellwert im Schritt S67 ein etwas höherer Wert, z. B. 600°C sein.

Ist die oben erwähnte vorbestimmte Zeit abgelaufen, dann wird im Schritt S69 die Stromlieferung an die Pumpeinrichtung ge­ startet. Ist die vorbestimmte Zeit nicht abgelaufen, dann geht der Prozeß weiter zum Schritt S73. Ist im Schritt S67 der korrigierte Widerstandswert nicht höher als ein erster Einstellwert, dann fährt der Prozeß zum Schritt S70 fort, bei dem bestimmt wird, ob bis zu diesem Zeitpunkt ein Strom an die Pumpeinrichtung 18 geliefert wurde oder nicht. Ist er ge­ liefert worden, dann wird eine Bestimmung durchgeführt, daß die Temperatur des Heizelements 20 aus irgendeinem Grund auf eine Temperatur abgefallen ist, bei der eine Schwärzung auf­ treten kann.

Dadurch wird die Stromlieferung an die Pumpeinrichtung im Schritt S71 angehalten, und im Schritt S72 wird ein Ausfall­ flag des Heizelements 20 gesetzt, um mit dem nächsten Schritt fortzufahren. Ist im Schritt S70 kein Strom an die Pumpein­ richtung geliefert worden, dann wird nach dem Liefern von Strom an das Heizelement 20 bestimmt, daß die Temperatur des Heizelements 20 nicht einen vorbestimmten Wert überschreitet, bei dem die Stromlieferung an die Pumpeinrichtung 18 gestar­ tet werden kann, ohne daß sie beschädigt wird. Dann fährt der Prozeß mit Schritt S72 fort.

Der Steuerbetrieb des Heizelements 20 wird ab Schritt S73 weiter durchgeführt. Im Schritt S73 wird eine Bestimmung vor­ genommen, ob der korrigierte Widerstandswert höher als ein zweiter Einstellwert ist. Hier werden der zweite Einstellwert und ein dritter, später zu beschreibender Einstellwert dazu verwendet, einen Bruch des Heizelements 20 durch Wärmeschock zu verhindern, was dadurch erreicht wird, daß die dem Heizelement 20 gelieferte elektrische Energie geeignet be­ grenzt wird, um die Temperatur des Heizelements 20 langsam auf den vorbestimmten Wert (beispielsweise 200°C oder 400°C) zu erhöhen.

Wurde im Schritt S73 bestimmt, daß der korrigierte Wider­ standswert höher als der zweite Einstellwert ist, dann wird dieser Wert im Schritt S74 mit einem dritten Einstellwert verglichen. Ist dieser Wert im Schritt S75 höher als der dritte Einstellwert, dann fährt der Prozeß mit dem nächsten Schritt fort. Ist er nicht höher, dann fährt der Prozeß mit dem Schritt S78 fort. Ist der korrigierte Widerstandswert kleiner als der zweite Einstellwert im Schritt S73 wird fest­ gestellt, daß die Stromlieferung an das Heizelement 20 eben begonnen hat.

Demnach ist die Energieversorgung für das Heizelement 20 auf eine 30%ige Nutzleistung bzw. Auslastung begrenzt. Im Schritt S77 wird überprüft, ob der Zählerwert innerhalb 30 ms liegt oder nicht. Liegt er innerhalb 30 ms, dann wird im Schritt S78 geprüft, ob der Zählerwert innerhalb 60 ms liegt, wobei dann das Heizelement 20 im Schritt S76 eingeschaltet wird.

Ist der Zählerwert andererseits im Schritt S77 höher als 30 ms, dann geht der Prozeß zum Schritt S79 über, bei dem das Heizelement 20 abgeschaltet wird, um die Versorgungsleistung auf die 30%ige Nennleistung zu begrenzen. Das Heizelement 20 wird nach Schritt S76 auch dann eingeschaltet, wenn der Zählerwert im Schritt S78 innerhalb 60 ms liegt, während das Heizelement 20 bei einem Zählerwert größer als 60 ms gemäß Schritt S79 abgeschaltet wird, um die Versorgungsleistung auf eine 60%ige Nennleistung zu begrenzen. Auf diese Weise wird ein Wärmeschock der Pumpeinrichtung 18 beim Aufheizen des Heizelements 20 verhindert.

Der Schritt S78 ist vorgesehen, um ein Heizelement 20 auf eine gewünschte Temperatur zu regeln, das in seine stabile Heizperiode eingetreten ist. Wird im Schritt S74 bestimmt, daß das Aufwärmen des Heizelements 20 abgeschlossen ist, dann fährt der Prozeß mit dem Schritt S75 fort, bei dem der korri­ gierte Widerstandswert und ein vierter Einstellwert vergli­ chen werden. Hier ist der vierte Einstellwert ein Wider­ standswert, der einer gewünschten Temperatur (beispielsweise 750°C) für das Heizelement entspricht.

Ist der korrigierte Widerstandswert höher als der vierte Ein­ stellwert, dann wird das Heizelement 20 im Schritt S79 abge­ schaltet, während das Heizelement 20 im Schritt S76 einge­ schaltet wird, um es auf die gewünschte Temperatur zu regeln. Bei diesem Betrieb wird die Leistungssteuerung des Heiz­ elements 20 alle 100 ms gemäß Fließdiagramm nach Fig. 6 durchgeführt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde der korri­ gierte Widerstandswert des Heizelements 20, der durch die Korrektur des erfaßten Heizelementwiderstandswerts durch den Korrekturwiderstandswert erhalten wurde, mit dem ersten bis vierten Einstellwert verglichen. Allerdings können der erste bis vierte Einstellwert, die jeweils duch die Abweichung zwi­ schen R0 und R1 korrigiert wurden, auch mit dem gemessenen Widerstandswert der Heizeinrichtung 20 verglichen werden.

Claims (5)

1. Sauerstoffkonzentration-Meßvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend

• 1. einen Sauerstoffkonzentrationssensor (1) mit einer Sauerstoffpumpeinrichtung (18);
• 2. eine elektrische Heizeinrichtung (20) in Form eines Widerstandsheizelementes zum Erwärmen des Sauerstoff­ konzentrationssensors (1) gemäß einem von einer Energieversorgung der Heizeinrichtung (20) gelieferten Strom;
• 3. eine Heizzustand-Meßeinrichtung (40) zum Bestimmen des Widerstandswertes und daraus der Temperatur des Wider­ standsheizelementes und zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals; sowie
• 4. eine Steuereinrichtung (24) zum Starten der Stromlieferung an die Sauerstoffpumpeinrichtung (18) auf der Grundlage des Ausgangssignals der Heizzustand-Meßeinrichtung,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Widerstandswert des Heizelementes (Rh) nach der Beziehung: Rh = (VHH - VHL) / (VHL/Rs) bestimmt wird, wobei Vhh der höheren Anschlußspannung und Vhl der niedrigeren Anschlußspannung am Heizelement und Rs dem Widerstandswert eines Bezugswiderstandes entspricht, und wobei die Steuerein­ richtung (24) die Aktivierung an die Sauerstoffpumpeinrichtung ermöglicht, nachdem der von der Heizzustand-Meßeinrichtung gemessene Widerstandswert des Widerstandsheizelements (20) gleich dem oder größer als ein erster vorbestimmter Wert ist oder
nachdem ein vorbestimmter Zeitraum seit dem Zeitpunkt abgelaufen ist, zu dem der von der Heizzustand-Meßeinrichtung gemessene Widerstandswert des variablen Widerstandsheiz­ elements (20) gleich dem oder größer als der erste vorbe­ stimmte Wert ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (24) bestimmt, daß in dem variablen Widerstandsheizelement (20) ein Ausfall aufgetreten ist, wenn der von der Heizzustand-Meßeinrichtung gemessene Wider­ standswert des variablen Widerstandsheizelements (20) niedri­ ger als ein zweiter vorbestimmter Wert wird, der kleiner als der erste vorbestimmte Wert ist, nachdem der Widerstandswert des variablen Widerstandsheizelements (20) größer als der er­ ste vorbestimmte Wert geworden ist.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (24) bestimmt, daß ein Ausfall in der Heizeinrichtung (20) aufgetreten ist, wenn sich das Aus­ gangssignal der Heizzustand-Meßeinrichtung selbst dann nicht ändert, wenn die Heizeinrichtung (20) in Betrieb ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (24) in Abhängigkeit von dem gemes­ senen Wert der Heizzustand-Meßeinrichtung den an das variable Widerstandsheizelement (20) gelieferten Strom so steuert, daß die Temperaturanstiegskennlinie des variablen Wider­ standsheizelements (20) während des Aufwärmens einstellbar ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrektur-Widerstand (53) zur Korrektur einer Schwankung im Widerstandswert der Widerstandsheizeinrichtung (20) vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung (24) den Heizzustand des Widerstandsheizelements (20) auf der Grundlage des Widerstandswerts des Widerstandsheizelements (20) und des Widerstandswerts des Korrektur-Widerstandes (53) bestimmt.