DE2733524A1 - Vorrichtung zur feststellung des abnutzungszustandes eines sauerstoffmessfuehlers - Google Patents
Vorrichtung zur feststellung des abnutzungszustandes eines sauerstoffmessfuehlersInfo
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Description
- 5 - B 8318
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feststellung eines Verschlechterungszustandes oder
Abnutzungszustandes und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungszustandes bzw.
Leistungsabfalls eines Sauerstoffkonzentrationsmeßfühlers,
der bei einer Rückkopplungssteuerung bzw. in einem geschlossenen Regelkreis zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses für eine Brennkraftmaschine Verwendung findet.
Es ist bekannt, zur Reinigung der von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgestoßenen Abgase
(insbesondere CO, HC und NOx) einen Dreifach-Katalysator
zu verwenden. Dieser Dreifach-Katalysator weist einen
hohen Wirkungsgrad bzw. Reinigungsfaktor hinsichtlich der schädlichen Gasbestandteile CO, HC und NOx auf, wenn das
Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgeroisches
nahe dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis liegt (Luftüberschußrate λ - 1), wie dies in Fig. 1 der
Zeichnung durch einen gestrichelten Bereich veranschaulicht ist. Wenn daher ein solcher Dreifach-Katalysator
zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine verwendet wird, ist es erforderlich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches genau derart zu
steuern, daß es annähernd gleich dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem Ansaugsystem oder dem
Auslaßsystem der Brennkraftmaschine ist. Zur Erfüllung
dieser Forderung wurde die Verwendung einer Rückkopplungssteuerung bzw. eines geschlossenen Regelkreises zur
Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses vorgeschlagen.
In einem solchen Rückkopplungssteuerkreis bzw. Regelkreis zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
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dient ein aus einem Sauerstoffionen leitenden Metalloxyd
wie etwa Zirkondioxyd bestehender Sauerstoffkonzentrationsmeßfühler (nachstehend vereinfacht als 0--Meßfühler
bezeichnet) zur Feststellung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Gemäß der in Fig. 2 der Zeichnung
dargestellten Kennlinie A gibt ein (^-Meßfühler dieser Art ein Signal des niedrigen Wertes "0" ab, wenn das
Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches höher als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis
ist, da in diesem Falle Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist, während er ein Signal des hohen Wertes
"1" abgibt, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoffgemisches unter dem stöchiometrischen
Luft/Brennstoff-Verhältnis liegt, da in diesem Falle kein Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist. Der Ausgangsspannungswert
ändert sich nahe dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis ( λ - 1) im wesentlichen
sprungartig bzw. stufenartig. Da der O2-MeBfühler im
Abgasstrom angeordnet ist, verschlechtern sich seine Ausgangskennwerte bzw. Ausgangskennlinie aufgrund des Niederschlags
schädlicher Abgasbestandteile wie etwa Blei (Pb). Die Verschlechterung der Ausgangskennlinie führt im
wesentlichen (1) zu einer Steigerung des Innenwiderstandes, (2) zu einer Abnahme der EMK und (3) zu einer Vergrößerung
der Ansprechzeit. Wenn der O2 -MeBfühler erst einmal
Schaden genommen hat, ist eine genaue Rückkopplungssteuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses nicht mehr möglich, sondern
das mittels der RUckkopplungssteuerung erhaltene Luft/Brennstoff-Verhältnis weicht in hohem Maße von einem
angestrebten Luft/Brennstoff-Nennverhältnis ab, was zu
einem Leistungsabfall der Brennkraftmaschine führt.
Die Verschlechterung der Ausgangskennwerte bzw. Ausgangskennlinie
des O2~Meßfühlers soll nachstehend im ein-
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zelnen analysiert werden.
1. Ansteigen des Innenwiderstandes:
Wenn ein Strom I1 von dem O.-Meßfühler zu einer
Steuerschaltung fließt, ist die Ausgangsscheinspannung E* des O2 -MeBfühlers gemäß dem in Fig. 3 der Zeichnung
dargestellten Ersatzschaltbild durch E1 = E χ R./(RO+R.)
gegeben, wobei RQ der Innenwiderstand des O -Meßfühlers,
E seine EMK und R. eine Eingangsimpedanz der die Ausgangsspannung des O-TMeßfühlers verarbeitenden Steuerschaltung sind. Wenn umgekehrt ein Strom I2 von der
Steuerschaltung zu dem O2-MeBfUhler fließt, ist die Ausgangsscheinspannung des O2-MeBfühlers gemäß dem in Fig. 4
der Zeichnung dargestellten Ersatzschaltbild durch E1 =E+RQxi2 gegeben. Wenn der Strom I1 von dem O2-MeßfUhler abgegeben wird, nimmt daher die Ausgangsspannung
E* des O2 -MeBfühlers mit steigendem Innenwiderstand R
ab, wie dies durch die in Fig. 2 der Zeichnung dargestellte Kennlinie B veranschaulicht ist, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis weicht in den unteren Bereich { λ <
1; angereichert bzw. fett) ab. Wenn dagegen der Strom I2 durch den
Oj-Meßfühler fließt, steigt die Ausgangsspannung E* mit
steigendem Innenwiderstand RQ an, wie dies durch die in
Fig. 2 dargestellte Kennlinie C veranschaulicht ist, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis weicht in den oberen Bereich
( λ > 1; mager) ab.
2. Abnahme der EMK:
Wenn die EMK E des O2-MeBfühlers kleiner wird, nimmt
die Ausgangsspannung E' des O2-MeBfühlers sowohl bei dem
in Fig. 3 als auch bei dem in Fig. 4 dargestellten System ab, wie dies durch die Kennlinie B in Fig. 2 veranschaulicht ist, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis weicht in
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den unteren Bereich ( λ K 1; angereichert bzw. fett)
ab.
3. Vergrößerung der Ansprechzeit:
Die Vergrößerung der Ansprechzeit des Oj-Meßfühlers
umfaßt die Vergrößerung einer Ansprechzeit T_ von dem
mageren Bereich (Ausgangsspannung niedrigen Wertes) zum angereicherten bzw. fetten Bereich (Ausgangsspannung hohen
Wertes) und die Vergrößerung einer Ansprechzeit T__ von
dem angereicherten bzw. fetten Bereich zum mageren Bereich. Wenn sich die Ansprechzeit TT„ erhöht, zeigt das Luft/
Brennstoff-Verhältnis eine Abweichung zur angereicherten bzw. fetten Seite (R), während es bei einer Vergrößerung
der Ansprechzeit TDT eine Abweichung zur mageren Seite (L)
KL
zeigt. Wie in Fig. 5 der Zeichnung dargestellt ist, weicht das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur angereicherten bzw.
fetten Seite hin ab, wenn sich das Verhältnis Ττο/Τβτ der
IjK KJj
Ansprechzeit T.R zu der Ansprechzeit TRL vergrößert. Wenn
sich sowohl die Ansprechzeit TTD als auch die Ansprech-
XjK
zeit Tn. vergrößern, ändert sich das Luft/Brennstoff-Ver-
KJj
hältnis über einen weiten Bereich und kann Abweichungen
über den in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Bereich des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses hinaus aufweisen, in welchem ein hoher Reinigungsfaktor bzw. Reinigungswirkungsgrad erzielbar ist.
Aus den vorstehend genannten drei Faktoren läßt sich die Abnutzung bzw. der Verschlechterungszustand des
O2-MeBfühlers bestimmen. In diesem Falle kann der Verlauf
der Ausgangsspannung des O-~Meßfühlers zur Bestimmung des
Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes dienen. Das Ausgangssignal eines normalen (^-Meßfühlers ist in
Fig. 6 der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht und weist ein Tastverhältnis d- auf, das durch
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t2/T2 gegeben ist. Außerdem ist in Fig. 6 das Ausgangssignal eines O2-MeBfühlers, der derart Schaden genommen
hat, daß er eine Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur mageren Seite hin verursacht, durch eine ausgezogene Linie dargestellt und weist ein Tastverhältnis
d- auf, das durch t /T1 definiert ist. Wenn T1 = T- ist,
ist das Tastverhältnis d.. größer als das Tastverhältnis d2·
Umgekehrt ist das Tastverhältnis d1 eines O3-MeBfühlers,
der die Neigung zeigt. Abweichungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur angereicherten bzw. fetten Seite hin zu
verursachen, kleiner als das Tastverhältnis d2, vorausgesetzt, daß T1 ~ T2 ist. Da somit die Beziehung zwischen
der Ausgangsspannung des (^-Meßfühlers und dem Tastverhältnis derart ist, daß sich das Tastverhältnis vergrößert,
wenn die Ausgangsspannung ansteigt, läßt sich der Abnutzungszustand bzw. Verschlechterungszustand des (^-Meßfühlers durch Messung des Tastverhältnisses d des Ausgangssignals des O2-MeBfühlers bestimmen. Wenn sich das allgemeine Ansprechverhalten des O2~Meßfühlers verschlechtert
hat, ist die Periode T des Ausgangssignals größer geworden. Dementsprechend läßt sich der Abnutzungszustand bzw. Verschlechterungszustand des O2-MeBfühlers durch Messung der
Periode T bestimmen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der der Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand eines O2-Meßfühlers überprüfbar und
feststellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafterweise werden somit ein hinsichtlich seines Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes
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zu überprüfender O.-Meßfühler und ein Bezugsmeßfühler
am gleichen Ort angebracht, wobei einer der Meßfühler in einem RUckkopplungssteuerungs- bzw. Regelungsbetriebszustand für das Luft/Brennstoff-Verhältnis gehalten wird
und das Tastverhältnis der Ausgangssignale des zu prüfen" den O2-Meßfühlers und des O2-Bezugsmeßfühlers zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes des geprüften O2-Meßfühlers miteinander verglichen werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden hierbei der Mittelwert des Tastverhältnisses der Ausgangssignale des im Prüfzustand befindlichen O2~Meßfühlers und
der Mittelwert des Tastverhältnisses der Ausgangssignale des O2-Bezugsmeßfühlers zur Bestimmung des Abnutzungsgrades
bzw. Verschlechterungszustandes des zu prüfenden O2-MeB-fühlers miteinander verglichen.
Vorzugsweise verwendete Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis dargestellte Kennlinien des
Reinigungsfaktors eines zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine verwendeten
Dreifach-Katalysators,
Fig. 2 Kennlinien des Ausgangssignals eines Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlers in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis,
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Fig. 3 und 4 Ersatzschaltbilder zur Veranschaulichung von Betrieb und Wirkungsweise
des Sauerstoffkonzentrations-MeßfUhlers,
Fig. 5 eine Kennlinie des Luft/Brennstoff-
Verhältnisses in Abhängigkeit von der Ansprechzeit des Sauerstoffkonzentrations-Meßf
ühlers,
Fig. 6 Signalverläufe, die Änderungen des
Ausgangssignals des Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlers
in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulichen,
Fig. 7 eine schematische Darstellung, die
den Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungsgrades
bzw. Verschlechterungszustandes eines Sauerstoffmeßfühlers veranschaulicht,
Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß
Fig. 7,
Fig. 9 ein Kennliniendiagramm, in dem zur
Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ein integriertes
Ausgangssignal über einem Tastverhältnis aufgetragen ist,
Fig. 10 ein elektrisches Schaltbild einer
zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 7,
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Fig. 11 ein elektrisches Schaltbild, das die
Abtaststeuerschaltung gemäß Fig. 10 im einzelnen veranschaulicht,
Fig. 12 Signalverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise der Abtaststeuerschaltung gem.
Fig. 11, und
Fig. 13 ein Blockschaltbild, das eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 7
veranschaulicht.
Die nachstehende Beschreibung vorzugsweise verwendeter Ausführungsformen der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme
auf die Fig. 7 bis 13. In der den Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung veranschaulichenden Fig. 7 ist die Verwendung eines O--MeßfUhlers zur Steuerung des Luft/
Brennstoff-Verhältnisses für eine Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die Bezugszahl 1 die Brennkraftmaschine,
die Bezugszahl 2 eine Auslaßleitung der Brennkraftmaschine 1, die Bezugszahl 3 ein Auslaßrohr, die Bezugszahl 4 einen
Oj-Bezugsmeßfühler, die Bezugszahl 5 einen zu prüfenden
O2 -MeBfühler, die Bezugszahl 6 einen Dreifach-Katalyator,
die Bezugszahl 7 eine Steuereinheit zur Verarbeitung des Ausgangssignals des zu prüfenden (K-Meßfühlers 5 zur
Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoffgemisches
in einem Ansaugsystem oder einem Auslaßsystem und die Bezugszahl 8 einen Detektor zur Feststellung
des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes
des zu prüfenden (^-Meßfühlers 5 durch Vergleich der Ausgangssignale des C^-Bezugsmeßfühlers 4 und des
zu prüfenden O2-MeBfühlers 5 bezeichnen. Im Rahmen dieses
Aufbaus sind der O.-Bezugsmeßfühler 4 und der zu prüfende
O--Meßfühler 5 am Auslaßrohr 3 im wesentlichen am gleichen
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Ort angeordnet. Ein möglicher Aufbau des den O2-MeBfühler
5 einbeziehenden Rückkopplungssteuersystems bzw. Regelkreises ist bereits bekannt und soll daher nicht weiter
erläutert werden.
Einzelheiten des den Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand erfassenden Detektors 8 sind in Fig. 8 veranschaulicht, wobei die Bezugszahl 8a eine Konstantspannungsschaltung, die Bezugszahlen 8b und 8d Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltungen, die die Ausgangsspannungen des O^'Bezugsmeßfühlers 4 und des zu prüfenden (^-Meßfühlers 5 formen, die Bezugszahlen 8c und 8e
Integrationsschaltungen, die die Tastverhältnisse mittels der geformten Spannungen messen, die Bezugszahl 8f eine
Differenzverstärkerschaltung, die eine Differenz zwischen den Tastverhältnissen mittels der von den Integrationsschaltungen 8c und 8e erhaltenen Spannungen mißt, die
Bezugszahlen 8g und 8h Detektorschaltungen, die Abweichungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mittels der von
der Differenzverstärkerschaltung 8f erhaltenen Spannung erfassen, und die Bezugszahl 8i eine logische Bestimmungsschaltung, die den Abnutzungsgrad bzw. die Leistungsverschlechterung des im Prüfzustand befindlichen O~-Meßfuhlers
5 Mittels der von den die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltungen 8g und 8h
erhaltenen Spannungen feststellt, bezeichnen. Eine Lampe 8OO, mittels der eine Warnanzeige des Verschlechterungszustandes erhalten wird, ist mit der logischen Bestimmungsschaltung 81 verbunden.
Die Konstantspannungsschaltung 8a weist Kondensatoren
53 und 54 sowie einen Spannungsregler 55 auf und gibt eine Konstantspannung V ab.
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Die Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung 8b besteht aus Widerständen 10, 11 und 12
sowie einem Vergleicher 13 und legt durch die mittels der Widerstände 11 und 12 erfolgende Spannungsteilung
eine dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechende Bezugsspannung V, fest. Diese Bezugsspan-
nung wird dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Vergleichers 13 zugeführt, während die Ausgangsspannung
des O2-Bezugsmeßfühlers 4 dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß
(+) des Vergleichers 13 über den Widerstand 10 zugeführt wird. Die Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung
8b gibt daher ein Spannungssignal des Wertes "1" ab, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis niedrig
(fett) ist, was bedeutet, daß kein Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist, während ein Spannungssignal des
Wertes "0" abgegeben wird, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
hoch (mager) und Sauerstoff in den Abgasen vorhanden ist.
Die Integrationsschaltung 8c besteht aus einer Diode 18, Widerständen 19, 21 und 22, Kondensatoren 20
und 23 sowie einem Operationsverstärker 24 und integriert das von der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung
8b abgegebene Spannungssignal des Wertes "1". Die am Ausgang des als Spannungsfolgerschaltung wirkenden
Operationsverstärkers 24 abgegebene integrierte Spannung V1
ist im wesentlichen proportional dem Tastverhältnis d der Ausgangsspannung des O2-Bezugsmeßfühlers 4, was in Fig. 9
veranschaulicht ist.
Die Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung
8d besteht aus Widerständen 14, 15 und 16 sowie einem Vergleicher
17. Ähnlich wie bei der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung
8b wird die Ausgangsspannung des
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geprüften O2-MeBfühlers 5 über den Widerstand 14 dem
nicht invertierenden Eingangsanschluß des Vergleichers 17 zugeführt, während die Bezugsspannung V9 dem inver-
el
tierenden Eingangsanschluß zugeführt wird, so daß in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des geprüften
O2-Meßfühlers 5 ein Spannungssignal entweder des Wertes
"1" oder des Wertes "O" abgegeben wird.
Die Integrationsschaltung 8e besteht aus einer Diode 25, Widerständen 26, 28 und 29, Kondensatoren 27
und 30 sowie einem Operationsverstärker 31 und integriert das von der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung 8d abgegebene Spannungssignal des Wertes "Γ.
Die abgegebene integrierte Spannung V2 ist daher im
wesentlichen proportional dem Tastverhältnis d der Ausgangsspannung des O2-MeBfühlers 5, wie dies in Fig. 9
dargestellt ist.
Die Differenzverstärkerschaltung 8f besteht aus Widerständen 32, 33, 34 und 35 sowie einem Operationsverstärker 36, wobei die Widerstandswerte der Widerstände 32 und 34 gleich sind und auch die Widerstände
und 35 gleiche Widerstandswerte aufweisen. Der Verstärkungsfaktor K der Differenzverstärkerschaltung 8f ist
somit durch K = Widerstandswert des Widerstands 33 geteilt durch den Widerstandswert des Widerstands 32 gegeben, so
daß sich durch die Differenzverstärkung der beiden integrierten Spannungen V1 und V- mit dem Verstärkungsfaktor
V K eine Ausgangsspannung ergibt, die gleich cc + K(V1-V-)
2~ ist.
Die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
erfassende Detektorschaltung 8g besteht aus Widerständen 37, 38 und 39 sowie einem Vergleicher 40 und legt mittels
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der Widerstände 38 und 39 eine Bezugsspannung V_ fest,
die für die Feststellung verwendet wird, daß ein sich aus der Rückkopplungssteuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
mittels des im PrUfzustand befindlichen O2"
Meßfühlers 5 ergebendes Luft/Brennstoff-Steuerverhältnis
eine Tendenz zur Abmagerung aufweist. Die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung
8h weist dagegen Widerstände 41, 42 und 43 sowie einen Vergleicher 44 auf und legt mittels der
Widerstände 4 2 und 4 3 eine Bezugsspannung VR fest, die
für die Feststellung verwendet wird, daß das von dem im Prüfzustand befindlichen O2~Meßfühler 5 gesteuerte Luft/
Brennstoff-Verhältnis eine Tendenz zur Anreicherung aufweist.
Es sei nun angenommen, daß das Tastverhältnis d der Ausgangsspannung des O2~BezugsmeßfUhlers 4 den Wert 0,7
aufweist, daß bei überschreiten des Wertes 0,9 des Tastverhältnisses
d der Ausgangsspannung des O2~Meßfühlers
die Feststellung erfolgt, daß der O2-MeBfühler 5 einen
ein hohes (mageres) Luft/Brennstoff-Verhältnis herbeiführenden
Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand aufweist und daß bei Unterschreiten des Wertes 0,5 des
Tastverhältnisses d der Ausgangsspannung des O2-Meßfühlers
5 die Feststellung erfolgt, daß der O2-MeBfühler 5 einen
ein niedriges (fettes) Luft/Brennstoff-Verhältnis herbeiführenden
Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand aufweist. Außerdem sei angenommen, daß die integrierte
Spannung V. gleich der Spannung V ist, wenn das Tastverhältnis
d der Ausgangsspannung des O2-BezugsmeßfUhlers
den Wert 0,7 aufweist. Wenn sodann, wie in Fig 9 dargestellt, die dem O2-MeBfUhler 5 zugeordnete integrierte
Spannung V2 größer als Vft + VQ ist, weist der Oj-Meßfühler
5 einen Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungs- oder Schad-
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zustand auf, der ein zu mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis
ergibt, während, wenn die integrierte Spannung V- kleiner als V - V ist, der O2-MeBfühler 5 einen Abnutzungsgrad
oder Verschlechterungszustand aufweist, der ein zu fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis ergibt. Die Spannung VQ ist eine
konstante Spannung. Die von den Teilerwiderständen 38 und 39 der die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
erfassenden Detektorschaltung 8g bestimmte Bezugsspannung V wird daher auf den Wert cc - Κ·ν festgelegt, während
die von den Teilerwiderständen 4 2 und 4 3 der die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltung
8h bestimmte Bezugsspannung Vn auf den Wert
V
cc . „ v festgelegt wird.
cc . „ v festgelegt wird.
* K#v0
Die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
erfassenden Detektorschaltungen 8g und 8h können somit den Abnutzungsgrad bzw. Verschlechterungszustand aufgrund des
Tastverhältnisses d der Ausgangsspannung des 0.,-Meßfühlers
5 bestimmen. Wenn das Tastverhältnis d des O2-MeOfühlers
der Beziehung 0,5 < d K 0,9 genügt, geben beide Detektorschaltungen
8g und 8h Spannungssignale des Wertes "1" ab, die angeben, daß sich der O2~Meßfühler 5 nicht in einem
Verschlechterungszustand oder Schadzustand befindet. Wenn jedoch das Tastverhältnis d des O2~Meßfühlers 5 die Beziehung
d > 0,9 erfüllt, gibt die die Abweichung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung 8g
ein Spannungssignal des Wertes "0" ab, während die die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassende Detektorschaltung
8h ein Spannungssignal des Wertes "0" abgibt, wenn das Tastverhältnis d des O3-MeBfühlers 5 die
Beziehung d < 0,5 erfüllt, wodurch angezeigt wird, daß sich der Oj-Meßfühler 5 in einem Schadzustand oder Verschlechterungszustand
befindet.
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Die logische Bestimmungsschaltung 8i besteht aus Dioden 45, 46 und 47, Widerständen 48 und 49 sowie
Transistoren 50 und 51. Wenn zumindest eine der die Abweichung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden
Detektorschaltungen 8g und 8h ein Spannungssignal des Wertes "0" abgibt, sperrt der Transistor 50 und der Transistor
51 leitet, so daß die Lampe 8oo aufleuchtet und eine Warnanzeige für den Schadzustand oder Verschlechterungszustand
des geprüften O2~Meßfühlers 5 bildet.
Nachstehend soll nun unter Bezugnahme auf die Figuren 10 bis 12 eine zweite Ausführungsform der Erfindung
beschrieben werden. Hierbei bezeichnen gleiche BezugszahLen
auch bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 8 vorhandene gleiche Bauelemente. Der Unterschied
zwischen'der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 10 und der ersten-Ausführungsform gemäß Fig. 8 besteht darin,
daß der Aufbau der Integrationsschaltungen 8c und 8e unterschiedlich ist, und daß eine Abtastschaltung 8j zur
Steuerung der Integrationsschaltungen 8c und 8e sowie ein Meßgerät 810 zur analogen Anzeige des Schadzustandes bzw.
Verschlechterungszustandes zusätzlich vorgesehen sind. Eine erneute Beschreibung von Aufbau und Wirkungsweise
der Konstantspannungsschaltung 8a, der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltungen
8b und 8d, der Differenzverstärkerschaltung 8f, der die Abweichung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfassenden Detektorschaltungen
8g und 8h sowie der logischen Bestimmungsschaltung 8i wird als entbehrlich angesehen.
Nachstehend soll unter Bezugnahme auf Fig. 11 zunächst die Abtaststeuerschaltung 8j näher beschrieben werden.
Ein Anschluß a ist mit einer monostabilen Multivibrator schaltung verbunden, die aus einem Inverter 76, einem
Widerstand 77, einem Kondensator 78 und einem NAND-Ver-
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knüpfungsglied 80 besteht. Der monostabile Multivibrator
erzeugt an einem Punkt h das in Fig. 12 unter (h) dargestellte Signal, wenn die (in Fig. 12 unter (a) dargestellte) Ausgangsspannung der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung 8b auf den Spannungswert "1" geschaltet
wird.
Der monostabile Multivibrator ist mit einer Zählerschaltung verbunden, die aus NAND-Verknüpfungsgliedern 81,
84 und 86, einem Zähler 83 sowie Invertern 85 und 87 besteht. Das an dem Knotenpunkt h gebildete Signal wird über das
NAND-Verknüpfungsglied 81 als Taktimpuls weitergeleitet, der
von dem Zähler 83 gezählt wird. Der Zähler 83 setzt die Zählung der Taktimpulse fort, bis sein Zählerstand einen
vorgegebenen Zählwert N erreicht,woraufhin ein weiteres Zählen durch die NAND-Verknüpfungsglieder 81 und 84 verhindert wird. Dementsprechend tritt ein in Fig. 12 unter (1)
dargestelltes Spannungssignal des Wertes "1" an einem Punkt 1 während des Zählbetriebs des Zählers 83 auf, während N
Signale, die mit den in Fig. 12 unter (a) dargestellten Signalen identisch sind, an einem Anschluß e auftreten, wie
dies in Fig. 12 unter (e) dargestellt ist.
Ein Anschluß b ist mit einer monostabilen Multivibratorschaltung verbunden, die aus einem Inverter 72,
einem Widerstand 73, einem Kondensator 74 und einem NAND-Verknüpf ungsglied 7 5 besteht. Diese monostabile Multivibrator schaltung gibt an einem Knotenpunkt i das in Fig.
unter (i) dargestellte Signal ab, wenn die (in Fig. 12 unter (b) dargestellte) Ausgangsspannung der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung 8d auf den Spannungswert
"1" geschaltet wird.
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einer Zählerschaltung verbunden, die aus NAND-Verknüpfungsgliedern 82, 89 und 91, einem Zähler 88 sowie Invertern
und 92 besteht. Das an dem Knotenpunkt i gebildete Signal wird über das NAND-Verknüpfungsglied 82 als Taktimpuls weitergeleitet, der von dem Zähler 88 gezählt wird. Wie im
Falle des Zählers 83 ist der Zählbetrieb bzw. Zählvorgang des Zählers 88 auf den Zählwert N begrenzt, so daß an Anschlüssen m und f jeweils die in Fig. 12 unter (m) und (f)
dargestellten Signale auftreten. Das an dem Anschluß f auftretende Signal ist mit dem dem Anschluß b zugeführten
Signal identisch und besteht aus N Signalimpulsen.
In Fig. 11 bezeichnet die Bezugszahl 93 einen Schalter, der mit einem aus NAND-Verknüpfungsgliedern 58 und 59
bestehenden Flip-Flop und einem aus NAND-Verknüpfungsgliedern 60 und 61 bestehenden Flip-Flop verbunden ist. Der Schalter
93 leitet den Beginn des Zählbetriebs der Zähler 83 und 88 ein. Wenn der Schalter 93 geschlossen wird, nimmt die Spannung an dem Knotenpunkt j, dem über einen Widerstand 57 die
Konstantspannung V zugeführt wird, den Wert "0" an, wie dies in Fig. 12 unter (j) dargestellt ist. Das aus den NAND-Verknüpfungsgliedern 58 und 59 bestehende Flip-Flop und das
aus den NAND-Verknüpfungsgliedern 60 und 61 bestehende Flip-Flop werden durch dieses Signal gesetzt, während der Zähler
von einer aus Invertern 62 und 66, einem Widerstand 63, einem Kondensator 64 und einem NAND-Verknüpfungsglied 65 bestehenden monostabilen Multivibratorschaltung und der Zähler 88
von einer aus Invertern 67 und 71, einem Widerstand 68, einem Kondensator 69 und einem NAND-Verknüpfungsglied 70 bestehenden
monostabilen Multivibratorschaltung zurückgestellt werden. Da die vorstehend genannten beiden Flip-Flops durch die an
den Knotenpunkten h und i anstehenden Signale zurückgestellt werden, treten an den Anschlüssen c bzw. d die in Fig. 12
unter (c) bzw. (d) dargestellten Signale auf.
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Die von der in Fig. 11 dargestellten Abtaststeuerschaltung 8j gesteuerten Integrationsschaltungen 8c und 8e
sind in Fig. IO näher veranschaulicht. Die Integrationsschaltung 8c besteht aus Analogschaltern 818 und 825, Widerständen 819, 82O und 822, einem Kondensator 821 und einem
Operationsverstärker 823. Während der Anschluß c der Abtaststeuerschaltung 8j an dem Spannungswert "1" liegt, ist der
Analogschalter 825 zur Entladung des Kondensators 824 geschlossen. Während sodann der Anschluß e an dem Spannungswert "1" liegt, ist der Analogschalter 818 geschlossen und
leitet die Ausgangsspannung der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung 8b weiter. Das heißt, daß die von
der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltung 8b abgegebene Spannung des Wertes "1" N-fach abgetastet wird
und die abgetasteten Signale integriert werden. Die von der Integrationsschaltung 8c gebildete integrierte Spannung V1
ist daher der Dauer der über den Analogschalter 818 zugeführten Spannung des Wertes "1" proportional und weiterhin
proportional zu einem Mittelwert des Tastverhältnisses des Ausgangssignals des O2-Bezugsmeßfühlers 4.
Die Integrationsschaltung 8e besteht aus Analogschaltern 826 und 830, einem Widerstand 827, einem Operationsverstärker 828 und einem Kondensator 829. Wie im Falle der
Integrationsschaltung 8c wird die von der Integrationsschaltung 8e durchgeführte Integration von der Abtaststeuerschaltung 8j gesteuert, und zwar derart, daß die integrierte
Spannung V2 einem Mittelwert des Tastverhältnisses des von
dem geprüften O2-MeBfUhICr 5 abgegebenen Ausgangssignals proportional ist. Die Anzeige des Meßgerätes 810 entspricht einer
Differenzspannung zwischen den über die Widerstände 840 und 850 zugeführten beiden integrierten Spannungen V. und V2, so
daß eine Analoganzeige des Ausmaßes der Abnutzung, Schadhaftigkeit oder Verschlechterung des O2-Meßfühlers 5 im Verhält-
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nls zu dem O^'Bezugsmeßfühler 4 erhalten wird.
Anstelle der bei der ersten und zweiten Ausführungsform erfolgenden Analogerfassung der Abnutzung bzw. Verschlechterung
des geprüften O2~Meßfühlers 5 kann auch eine
digitale Erfassung erfolgen. Ein hierfür geeignetes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 13 dargestellt, gemäß der
Zählerschaltungen 8c1 und 8e' (RCA CD 4040) von einem Taktgenerator
8p abgegebene Taktimpulse zählen, während die Ausgangsspannungen der Luft/Brennstoffverhältnis-Unterscheidungsschaltungen
8b und 8d einen vorgegebenen Wert einhalten und eine Abtaststeuerschaltung 8j' die N-fache Wiederholung
des vorstehend beschriebenen Vorgangs steuert. Ein Vergleicher 8q (RCA CD 4063) vergleicht die Zählwerte A und B
der Zählerschaltungen 8c1 und 8e' und gibt in Abhängigkeit
von dem Ergebnis des Vergleichs einen Subtraktionsbefehl (A - B) oder (B - A) an eine Subtrahierschaltung 8f' (RCA
CD 4008) ab. Die Subtrahierschaltung 8f' bildet daher eine
Differenz von A-B, die eine Ableitung der Tastverhältnisse der beiden 02~Meßfühler 4 und 5 darstellt. Die Differenz
wird mittels einer Vergleichsschaltung 8r mit einem Bezugswert verglichen, der von einer Einstellschaltung 8n für eine
Bezugsabweichung vorgegeben und zugeführt wird. Wenn die Abweichung den Bezugswert überschreitet, leuchtet die Lampe 8OO
auf und bildet eine Warnanzeige, die den Schadzustand bzw. Verschlechterungszustand des geprüften O2-Meßfühlers 5 bezeichnet.
Außerdem wird die Differenz mittels einer Digital-Analog-Umsetzerschaltung 8s in eine Analogspannung umgesetzt
und eine Analoganzeige des Ausmaßes der Schädigung bzw. Verschlechterung des O~-Meßfühlers 5 durch das Meßgerät 8101
erhalten. Eine Lampe 81 oder 8m leuchtet in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Vergleichers 8q und der Differenz auf
und zeigt an, ob der geprüfte O2 -MeBfühler 5 einen Schadoder
Verschlechterungszustand aufweist, der ein angereichertes
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bzw. fettes Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Folge hat, oder
aber einen Schad- oder Verschlechterungszustand aufweist, der ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis verursacht.
Bei den vorstehend beschriebenen drei Ausführungsformen der Erfindung kann der Wert des Tastverhältnisses d
zur Bestimmung des Abnutzungsgrades oder Schad- bzw. Verschlechterungszustands sowie der Erfassungsbereich je nach
den Erfordernissen beliebig eingestellt werden. Die Abtastung des Tastverhältnisses kann erfolgen, während der O2-MeB-fühler
ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis erfaßt, und der Abnutzungsgrad oder Schad- bzw. Verschlechterungszustand
de· geprüften O2-Meßfühlers läßt sich ermitteln, während der
Oj-Bezugsmeßfühler 4 im Luft/Brennstoffverhältnis-Rückkopplungszustand
gehalten wird.
Die O--Meßfühler 4 und 5 müssen nicht notwendigerweise
in dem Auslaßrohr 3 angebracht sein, sondern die Rückkopplungssteuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses läßt
sich auch durchführen, indem ein Modellgas zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Verschlechterungszustandes verwendet
wird.
Auch kann anstelle der bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendeten O2~Meßfühler aus einem Sauerstoff
ionen leitenden Metalloxyd wie etwa Zirkondioxyd ein aus einem Ubergangsmetalloxyd wie etwa Titandioxyd bestehender
Meßfühler, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von den in den Abgasen enthaltenen Gasbestandteilen
ändert, in ähnlicher Weise zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Schadzustandes Verwendung finden.
Es wird somit eine Vorrichtung zur Feststellung des Abnutzungsgrades bzw. Schadzustandes eines bei der Luft/Brenn-
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stoffverhältnis-Rückkopplungssteuerung für eine Brennkraftmaschine
verwendeten Sauerstoffkonzentrationsmeßfühlers vorgeschlagen, die einen in der Nähe des für die Luft/Brennstoffverhältnis-Rückkopplungssteuerung
verwendeten Sauerstof fkonzentrationsmeßf ühlers angebrachten Sauerstoffkonzentrations-Bezugsmeßfühler
und eine Diskriminatorschaltung bzw. Bestimmungsschaltung aufweist, die die Tastverhältnisse der
Ausgangssignale der beiden Meßfühler zur Bestimmung eines Schadzustandes oder Verschlechterungszustandes des Sauerstof
fmeßfühlers miteinander vergleicht. Die Bestimmungsschaltung stellt einen Schad- oder Verschlechterungszustand
fest, wenn das Tastverhältnis des geprüften Meßfühlers von dem Tastverhältnis des Ausgangssignals des Bezugsmeßfühlers
um einen vorgegebenen Betrag abweicht. Hierzu setzt die Bestimmungsschaltung die Ausgangssignale der jeweiligen Meßfühler
in Rechtecksignale um, integriert einen der Pegel bzw. Werte der Rechtecksignale zur Bestimmung der Tastverhältnisse
und führt eine Differenzverstärkung des integrierten Signals zur Bildung eines differentiellen Ausgangssignals durch, das
sodann mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, um festzustellen, ob eine dem Schad- oder Verschlechterungszustand
entsprechende Abweichung des Tastverhältnisses vorhanden ist.
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Claims (5)
- TlEDTKE - BüHLING - KlNNE - GhUPLDipl.-Chem. Bühling Dipl.-Ing. Kinne Dipl.-Ing. GrupeI I O O O I U Bavarlaring 4, Postfach 20 248000 München 2 Tel.: (0 89)53 96 53-56 Telex:5 24 845tipat~7"~ cable. Germaniapatent München25.JuIi 1977B 8318 case A2342-O2 SokenNippon Soken, Inc.
Nishio-shi,JapanVorrichtung zur Feststellung des Abnutzungszustandes eines Sauerstoffmeßfühlersin PatentansprücheVorrichtung zur Feststellung des Abnutzungs- oder Verschlechterungszustandes von SauerstoffmeßfUhlern, gekennzeichnet durch einen zu prüfenden Sauerstoff meßfühler (5), der in einer eine veränderliche Sauer stoffkonzentration aufweisenden Gasatmosphäre zur Erfassung des Vorhandenseins und des Fehlens von Sauerstoff in der Gasatmosphäre angeordnet ist, durch einen nahe dem Sauerstoffmeßfühler (5) angeordnetenSauerstoff-Bezugsmeßfühler (4), der zur Erfassungdes Vorhandenseins und des Fehlens von Sauerstoff in der Gasatmosphäre genau auf die Sauerstoffkonzentration in der Gasatmosphäre anspricht, durch eine mit dem Sauerstoffmeßfühler (5) verbundene erste Ver gleichseinrichtung (8d), die ein erstes Vergleichs-809807/0571Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) KtO 670-43-804IX/SoOWGINAL INSPECTED- 2 - B 8318signal erzeugt, dessen Signalwert sich zwischen zwei konstanten Werten ändert, von denen der eine das Vorhandensein und der andere das Fehlen von Sauerstoff bezeichnen, durch eine mit dem Sauerstoff-Bezugsmeßfühler (4) verbundene zweite Vergleichseinrichtung (8b), die ein zweites Vergleichssignal erzeugt, dessen Signalwert sich in der gleichen Weise wie der Signalwert des ersten Vergleichssignals ändert, durch eine mit der ersten Vergleichseinrichtung verbundene erste Integrationseinrichtung (8e, Se'), die ein erstes Integrationssignal erzeugt, das bei einer Vergrößerung des Tastverhältnisses des ersten Vergleichssignals ansteigt, durch eine mit der zweiten Vergleichseinrichtung verbundene zweite Integrationseinrichtung (8c, 8c'), die ein zweites Integrationssignal erzeugt, das bei Vergrößerung des Tastverhältnisses des zweiten Vergleichssignals ansteigt, durch eine mit der ersten und der zweiten Integrationseinrichtung verbundene Differenzschaltung (8f, 8f), die ein der Differenz des ersten und des zweiten Integrationssignals proportionales Differenzsignal erzeugt, durch eine mit der Differenzschaltung verbundene dritte Vergleichseinrichtung (8g, 8h, 8r), die ein drittes Vergleichssignal erzeugt, wenn das Differenzsignal um einen über einen vorgegebenen Wert hinausgehenden Betrag von einem vorgegebenen Bezugswert abweicht, und durch eine mit der dritten Vergleichseinrichtung verbundene Warneinrichtung (8i, 800), die entsprechend dem dritten Vergleichssignal eine Warnanzeige für den Abnutzungs- oder Verschlechterungszustand des Sauerstoffmeßfühlers abgibt. - 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffmeßfühler und der Sauerstoff-Bezugsmeßfühler in der Auslaßleitung (3) der Brenn-809807/0571- 3 - B 8318kraftmaschine (1) angeordnet sind, und daß einer der beiden Sauerstoffmeßfühler zur Steuerung des der Brennkraftmaschine zugefUhrten Luft-Brennstoffgemisches auf das stöchiometrische Verhältnis entsprechend dem Vorhandensein und dem Fehlen von Sauerstoff in der Auslaßleitung dient.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Vergleichseinrichtung einen ersten Vergleicher (8g), der das Differenzsignal mit einem ersten Bezugswert vergleicht, der derart voreingestellt ist, daß er um den vorgegebenen Betrag höher als der vorgegebene Bezugswert ist, und einen zweiten Vergleicher (8h) aufweist, der das Differenzsignal mit einem zweiten Bezugswert vergleicht, welcher derart voreingestellt ist, daß er um den vorgegebenen Betrag niedriger als der vorgegebene Bezugswert ist.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abtaststeuereinrichtung (8j, b, d) zwischen die erste Vergleichseinrichtung und die erste Integrationseinrichtung geschaltet ist und die Anzahl der der ersten Integrationseinrichtung zugefUhrten ersten Vergleichssignale entsprechend einem vorgegebenen Zahlenwert steuert, wodurch das erste Integrationssignal derart gesteuert wird, daß es das mittlere Tastverhältnis des ersten Vergleichssignals angibt, und daß eine zweite Abtaststeuereinrichtung (8j, a, c) zwischen die zweite Vergleichseinrichtung und die zweite Integrationseinrichtung geschaltet ist und die Anzahl der der zweiten Integrationseinrichtung zugefUhrten zweiten Vergleichssignale entsprechend dem vorgegebenen Zahlenwert steuert, wodurch das zweite Integrationssignal derart gesteuert wird, daß es das809 3 0 7/0571- 4 - B 8318mittlere Tastverhältnis des zweiten Vergleichssignals angibt.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigemeßgerät (810) mit der ersten und der zweiten Integrationseinrichtung verbunden ist und entsprechend den von der ersten und zweiten Integrationseinrichtung abgegebenen Signalen eine Analoganzeige des Abnutzungs- oder Verschlechterungszustandes des Sauerstoffmeßfühlers abgibt.809807/0571
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