DE4342136B4

DE4342136B4 - Verfahren zur Diagnose einer Lambda-Sonde

Info

Publication number: DE4342136B4
Application number: DE19934342136
Authority: DE
Inventors: Joachim Stefan; Armin Köhler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2013-12-11
Also published as: DE4342136A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
1. Die Spannung des Sondenausgangssignals wird gemessen.
2. Es wird eine obere und eine untere Schwell- spannung definiert.
3. Die Zeitdauer, die das Sondenausgangssignal benötigt, um von der unteren Schwellspannung zur oberen und/oder von der oberen zur unteren zu gelangen, wird gemessen.
4. Aus den Zeitdauern wird ein Mittelwert gebildet.
5. Die Differenz zwischen der aktuellen Zeitdauer und dem bisherigen Mittelwert wird erfaßt.
6. Es wird mindestens ein Zähler aktiviert, wenn die Differenz innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt.
7. Abhängig von dem Zählerinhalt wird die Entscheidung gefällt, ob die Sonde funktionstüchtig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Lambda-Sonde.
In einigen Märkten ist die Diagnose der Lambda-Sonde bereits gesetzliche Vorschrift. Üblicherweise wird, um die Funktionstüchtigkeit der Lambda-Sonde zu beurteilen, das dynamische Verhalten der Sonde bei einem Wechsel von einem zu fetten zu einem zu mageren Gemisch, bzw. umgekehrt, benutzt. Ein Problem ist dabei, daß die Gemischzusammensetzung im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine sehr starken Störeinflüssen unterliegt, was zu entsprechend schlechten Signalbildern bei Lambda-Sonden, die als Sauerstoffdetektoren aufgebaut sind, führt.
Es ist deshalb wünschenswert, das Sondensignal nicht direkt für die Diagnose zu verwenden, sondern die repräsentativen Signalanteile zu extrahieren, um auf diese Weise ein zuverlässige Aussage machen zu können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Spannung des Sondenausgangssignales gemessen wird, und eine obere und eine untere Schwellspannung definiert wird. Es wird jeweils die Zeitdauer erfaßt, die das Sondensignal braucht, um von der unteren Schwellspannung zur oberen Schwellspannung zu gelangen und umgekehrt. Diese Zeitdauer wird gemittelt, wobei üblicherweise kein arithmetisches Mittel verwendet wird, sondern eine gewisse Wichtung erfolgt. Die aktuelle Zeitdauer eines Durchgangs vom oberen Schwellspannungswert zum unteren – bzw. umgekehrt – wird von dem Mittelwert abgezogen, und abhängig davon, ob der Absolutbetrag dieser Differenz innerhalb eines Toleranzbereiches liegt oder nicht, werden entsprechende Zähler gesetzt, deren Inhalt anschließend die Aussage ermöglicht, ob genügend statistisch sichere Ereignisse bereits stattgefunden haben, um eine Aussage machen zu können.
Es werden also aus dem Sondensignal, das keinen idealen Sinusverlauf liefert, die Signalteile, die nicht das typische dynamische Sondenverhalten charakterisieren, herausgefiltert, da sie oberhalb oder unterhalb des Schwellwertes liegen. Die Schwellen werden so gelegt, daß sie unterhalb des oberen Ausgangsspannungswertes, der bei einer Lambda-Sonde bei zu fettem Gemisch bei ca. 800 mV liegt, und zwischen dem unteren Wert, der bei magerem Gemisch etwa bei 50 mV liegt, angeordnet sind. Auf diese Weise werden die Signaltäler und die Signalberge abgeschnitten, und nur noch die Flankensteilheit zwischen den beiden Schwellen wird für die Auswertung herangezogen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zu einer zuverlässigen Aussage, ob eine statistisch sichere Aussage zur Lambda-Sonden-Diagnose möglich ist, sind zwei Zähler vorgesehen, die jeweils ansprechen, wenn die Zeit, in der das Spannungssignal von der einen Schwellspannung zur anderen gelangt ist, innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches liegt. Der eine Zähler ist der "Gutzähler", der andere der "Schlechtzähler". Liegt die Steilheit des Sondenflankensignales innerhalb des Toleranzbereiches, werden sowohl der Gutzähler als auch der Schlechtzähler in seiner Zählrate um 1 erhöht, liegt die Flankensteilheit außerhalb des Toleranzbereiches, bleibt der Gutzähler auf seinem Zählstand stehen, während der Schlechtzähler wieder um Zählrate t nach unten gesetzt wird.
Zum Start des Systems wird ein fester Vorgabewert für den Mittelwert angesetzt, der natürlich im weiteren Verlauf des Verfahrens korrigiert wird, der aber notwendig ist, damit das System überhaupt feste Werte hat, von denen es die ersten Werte fortschreiben kann.
In weiterer Ausgestaltung wird, um die Sicherheit der Voraussagen zu erhöhen, der Verlauf den Sondensignals zwischen den beiden Schwellspannungen überwacht und geprüft, ob das Sondensignal monoton steigt bzw. monoton fällt, das Signal also keine Kehrpunkt aufweist. Sondensignale mit Kehrpunkten werden aussortiert und für die weitere Auswertung nicht herangezogen.
Tritt eine unmittelbare Folge von Flankensteilheiten außerhalb des Toleranzbereiches hintereinander auf, muß davon ausgegangen werden, daß die Arbeitsfähigkeit der Sonde eingeschränkt ist, die bisher ermittelten statistischen Werte werden damit gelöscht und das System wird neu gestartet. Ansonsten ist durch den Schlechtzähler sichergestellt, daß nach einer größeren Anzahl von Flankensteilheiten außerhalb des Toleranzbereichs das System davon ausgeht, daß eine Aussage zur Senderfunktion nicht möglich ist.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die McBwerte der Zeitdauermessung zwischen den Schwellwerten, die repräsentativ für die Flankensteilheit der Signale sind, nicht absolut übernommen, sondern vor ihrer Weiterverarbeitung kennfeldabhängig modifiziert, indem sie beispielsweise mit einem Wichtungsfaktor versehen werden, der insbesondere bei höheren Drehzahlen und niedriger Last < t ist. Dabei können zwei unterschiedliche Kennfelder, eines für die positive Flanke und eines für die negative Flanke, verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung detailliert beschrieben. Es zeigt:
1 ein Beispiel für die Signalverläufe und die entsprechende Auswertung; und
2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens.
1a zeigt als Beispiel den typischen Verlauf eines Lambda-Sonden-Signales, das jeweils, wenn das stöchiometrische Gleichgewicht unterschritten wird, das Gemisch also zu fett ist und Lambda dementsprechend < 1 ist, auf einen hohen Wert ansteigt, der typischerweise bei etwa 800 mV liegt, und jedesmal, wenn das stöchiometrische Gleichgewicht in der anderen Richtung abweicht, also durch Luftüberschuß Lambda > 1 wird, auf einen niedrigen Wert absinkt, etwa 50 mV.
Diese Kurve K schwankt somit zwischen zwei Extremwerten hin und her, wobei der Verlauf kein sauberer Sinusverlauf ist, sondern durch eine Reihe von anderen Einflußgrößen gestört ist.
Die Gerade 11 gibt eine obere Schwellspannung U1 an, und die Gerade f2 gibt eine unteren Schwellspannung U2 an, die Lage der beiden Schwellspannungen U1 und U2 ist so gewählt, daß einwandfreie Sondensignale in ihren Extremwerten jeweils die Schwellspannungen überschreiten bzw. unterschreiten, wobei die Schwellspannungen kennfeldabhängig sein können.
Zur weiteren Auswertung wird die Zeitdauer gemessen, die die steigende Sondenflanke bzw. die fallende Sondenflanke jeweils braucht, um von der einen Schwellspannung zur nächsten zu gelangen. Die ersten drei Zeiträume im vorliegenden Beispiel sind mit X1, X2 und X3 bezeichnet, und die zugehörige Kurve in 1b zeigt einen dem Zeitraum X1 zugeordneten Wert von Y1, einen dem Zeitraum X2 zugeordneten kleineren Wert von Y2 und einen dem Zeitwert X3 zugeordneten Wert von Y3 an.
Aus den jeweiligen Laufzeiten des Signals zwischen den beiden Schwellspannungen wird ein Mittelwert ge bildet und fortlaufend aktualisiert, wobei vorzugsweise der Mittelwert nach einem geeigneten Algorithmus vorgenommen wird.
Es sind zwei Zähler vorgesehen, von denen der eine ein Gutzähler und der anderen ein Schlechtzähler ist, die Zählrate des Gutzählers ist mit G bezeichnet, die Zählrate des Schlechtzählers mit B.
Liegt nun ein Wert, wie im vorliegenden Fall der Wert Y1, innerhalb des Toleranzbereiches, wird sowohl der Gutzähler als auch der Schlechtzähler in seiner Zählrate um 1 erhöht, wie aus der 1c zu ersehen ist. Der Wert Y2 in der 1b, der einem extrem schnellen Sondensignalabfall entspricht, liegt außerhalb des Toleranzbereiches, dementsprechend bleibt der Gutzähler auf seinem vorher erreichten Wert stehen, während beim Schlechtzähler der Wert wiederum um 1 reduziert wird.
Eine Gerade ist eingezogen bei einer Zählrate von n = 50, dies gibt eine Mindestanzahl an, die der Gutzähler überschritten haben muß, damit eine ausreichende statistische Sicherheit gegeben ist, um die Entscheidung zu fällen, ob die Diagnose der Lambda-Sonde aufgrund der vorliegenden Meßwert möglich ist oder nicht.
2 zeigt ein Flußdiagramm, anhand dessen der Verfahrensablauf erläutert werden soll. Das Sondensignal wird einer Zeitmessung zwischen den Spannungsschwellen zugeführt, es wird also die Flankensteilheit des Sondensignales gemessen und ein entsprechender Wert, der die Zeit repräsentiert, erzeugt.
Anschließend findet eine Sicherheitsabfrage statt, ob der aktuelle Mittelwert, der aus diesen Zeitwerten gebildet ist, größer 0 ist, denn wenn er gleich 0 liegt, ist eine Inkonsistenz des Systems vorhanden und das System muß neu gestartet werden. Solange die Startprozedur läuft, kann vom System der aktuelle Mittelwert auf 0 gesetzt sein.
Im nächsten Verfahrensschritt wird die Differenz gebildet zwischen dem aktuellen Mittelwert und der Antwortzeit, also der Zeitmessung, die das Signal gebraucht hat, um von der einen Spannungsschwelle zur anderen zu gelangen.
Wenn der Absolutbetrag dieser Differenz innerhalb der vom System vorgegebenen zulässigen Toleranzschwellen liegt, werden zwei Zähler jeweils um einen Schritt erhöht, ein sogenannter Gutzähler, der jeweils nur dann seinen Zählwert ändert, wenn das Ereignis innerhalb der Toleranzschwelle gelegen hat, und ein sogenannter Schlechtzähler, der bei jedem Ereignis seinen Wert ändert, und zwar um + 1, wenn die Differenz innerhalb der Toleranzschwellen gelegen hat, und um – 1, wenn die Differenz außerhalb der Toleranzschwellen gelegen hat.
Im weiteren Verlauf findet, wenn der Wert innerhalb der zulässigen Toleranz gelegen hat, eine neue Mittelwertbildung statt, um diesen Mittelwert zu aktualisieren. Die Mittelwertbildung findet, beispielsweise über einen Tiefpaß, gewichtet statt, in bevorzugter Weise wird der alte Mittelwert mit einem Faktor 0,9 und der neue mit einem Faktor 0,1 gewichtet, bevor die Werte aufaddiert werden.
Sobald die Zählrate in dem Gutzähler einen bestimmten Wert überschritten hat, wie in 1 zu erkennen ist, ist im aktuellen Beispiel ein Wert von n = 50 gewählt, ist das System ausreichend aussagekräftig, um bei neuen McBwerten der Lambda-Sonde eine Aussage machen zu können, ob diese Werte auf eine intakte Lambda-Sonde schließen lassen oder nicht.
Lag das aktuelle Sondensignal in dem Maß seiner Flankensteilheit außerhalb der zulässigen Toleranz, wird, wie bereits oben erwähnt, der Schlechtzähler um einen Zählpunkt herabgesetzt. Solange der Schlechtzähler dabei einen Wert > 0 beibehält, wird direkt zum nächsten Ereignis gegangen und das nächsten Sondensignal aufgenommen.
Zum nächsten Ereignis wird auch ohne Aussage, ob die statistische Sicherheit erreicht ist, gegangen, wenn der Gutzähler seine Mindestanzahl noch nicht erreicht hat, da dann die Aussage noch nicht mit genügend Absicherung erfolgen kann.
Hat jedoch der Schlechtzähler einen Zählinhalt erreicht, der unter 0 liegt, liegt ein Fehler im System vor, eine Aussage über die Lambda-Sonde ist nicht möglich, und das System wird neu gestartet.
Zum Neustart wird, wie auch beim Erststart des Systems, ein angenommener Startwert als Mittelwert vorgegeben, der einigermaßen plausibel ist, und aufgrund dieses Vorgabewertes kann das System zu arbeiten anfangen. Der vorgegebene Mittelwert wird schnell korrigiert durch die laufende Mittelwertanpassung.
Zu dieser Startwertvorgabe kann alternativ eine definierte Anzahl von Werten eingelesen werden und dann ein erster Mittelwert gebildet werden, der dem weiteren Verfahren zugrundegelegt wird. Solange der Mittelwert noch nicht während der Startphase gebildet ist, ist der aktuelle Mittelwert gleich 0.
Um Wendepunkte innerhalb der Signalflanken zu erfassen, wird die Monotonie der Steigung der Flanke zwischen den beiden Schwellspannwerten U1 und U2 überwacht. Wie in 1a zu sehen ist, ist die mit X bezeichnete Stelle der Kurve ein Beispiel für einen Kurvenabschnitt, der bei dieser Überwachung wieder ausgesondert wird und nicht zur weiteren Auswertung herangezogen wird.
Wenn innerhalb des Systems eine Mehrzahl von Werten in Reihe auftreten, die außerhalb des Toleranzbereiches liegen und deshalb als ungeeignet interpretiert werden, wird ein Neustart des Systems durchgeführt, da es sich dann wahrscheinlich um einen tatsächlichen Fehler der Sonden handelt.
Zudem kann eine Mindestanzahl von Sondensteigungen (getrennt nach steigend und fallend) vorgegeben werden, die erreicht sein muß, damit überhaupt die erste Entscheidung des Systems gefällt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß nicht auf einer zu geringen statistischen Basis bereits eine Diagnose der LambdaSonde durchgeführt wird.
Zur besseren Anpassung können einem Kennfeld Multiplikationsfaktoren entnommen werden. Damit gehen insbesondere bei der positiven Flanke die Werte mit niedriger Drehzahl nicht in dem Umfang in die Mittelwertbildung ein wie die Werte mit höherer Drehzahl, und auch die Werte mit geringer Lastanforderung werden weniger stark gewichtet.
Bei der negativen Flanke hat es sich ebenfalls als sinnvoll erwiesen, Werte mit hoher Drehzahl und hoher Lastanforderung weniger stark zu wichten, ebenso hohe Drehzahl bei niedriger Lastanforderung. Die dazwischenliegenden Werte sollen dementsprechend stärker zur Mittelwertbildung herangezogen werden.

Claims

Verfahren zur Diagnose einer Lambdasonde, gekennzeichnet durch folgende Schritte: 1. Die Spannung des Sondenausgangssignals wird gemessen. 2. Es wird eine obere und eine untere Schwell- spannung definiert. 3. Die Zeitdauer, die das Sondenausgangssignal benötigt, um von der unteren Schwellspannung zur oberen und/oder von der oberen zur unteren zu gelangen, wird gemessen. 4. Aus den Zeitdauern wird ein Mittelwert gebildet. 5. Die Differenz zwischen der aktuellen Zeitdauer und dem bisherigen Mittelwert wird erfaßt. 6. Es wird mindestens ein Zähler aktiviert, wenn die Differenz innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. 7. Abhängig von dem Zählerinhalt wird die Entscheidung gefällt, ob die Sonde funktionstüchtig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert durch einen vorgegebenen Algorithmus gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zähler vorgesehen sind, von denen der eine die innerhalb des Toleranzbereiches liegenden Differenzen zählt und der andere die außerhalb des Toleranzbereiches liegenden Differenzen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die innerhalb des Toleranzbereiches liegenden Differenzen zählende Gutzähler bei jeder Differenz innerhalb des Toleranzbereiches aufwärts inkrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die außerhalb des Toleranzbereiches liegenden Differenzen zählende Schlechtzähler bei jeder Differenz außerhalb des Toleranzbereiches abwärts inkrementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die außerhalb des Toleranzbereiches liegenden Differenzen zählende Schlechtzähler bei jeder Differenz innerhalb des Toleranzbereiches aufwärts inkrementiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Start des Systems durch eine Ersteinlesung einer vorgegebenen Anzahl von Werten mit anschließender Mittelwertbildung die Anfangswerte gesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwerte, deren Differenz zum Mittelwert einen bestimmten Betrag überschreitet, nicht zur neuen Mittelwertbildung herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenausgangskurve in ihrem Verlauf zwischen den Schwellspannungen auf monotonen Anstieg bzw. Abfall überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer Folge von Werten der aktuellen Zeitdauer, deren jeweilige Differenz zum Mittelwert den Toleranzbereich überschreitet, ein Neustart des Systems vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der Zeitdauermessung zwischen den Schwellwerten kennfeldabhängig modifiziert werden.