DE4446959C2 - Sauerstoffkonzentration-Meßvorrichtung - Google Patents
Sauerstoffkonzentration-MeßvorrichtungInfo
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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
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.
- 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,
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.
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