Titel

FEHLERSIMULATOR ZUR ÜBERPRÜFUNG DER IN EINEM STEUERGERÄT IMPLEMENTIERTEN DIAGNOSE EINER LAMBDASONDE IN EINER BRENNKRAFTMASCHINE

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Fehlererkennung eines Steu- ergerätes einer Brennkraftmaschine bei einer Fehlfunktion einer angeschlossenen

Breitband-Lambdasonde, wobei die Überprüfung mit einem zwischen der Breitband- Lambdasonde und dem Steuergerät angeordneten Fehlersimulator durchgeführt wird und wobei der Fehlersimulator zur Simulation von Fehlern der Breitband-Lambdasonde zwischen der Breitband-Lambdasonde und dem Steuergerät ausgetauschte elektrische Signale gezielt verändert.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Fehlersimulator zur Überprüfung der Fehlererkennung eines Steuergerätes einer Brennkraftmaschine bei einer Fehlfunktion einer angeschlossenen Breitband-Lambdasonde, wobei der Fehlersimulator zur Simulation von Fehlern der Breitband-Lambdasonde zwischen der Breitband-Lambdasonde und dem Steuergerät angeordnet ist.

Zur Optimierung des Schadstoffausstoßes und der Abgasnachbehandlung werden bei modernen Brennkraftmaschinen Lambdasonden zur Bestimmung der Zusammenset- zung des Abgases und zur Steuerung der Brennkraftmaschine eingesetzt. Lambdasonden bestimmen den Sauerstoffgehalt des Abgases, was zur Regelung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs und somit des Abgaslamb- das vor einem Katalysator verwendet wird. Dabei wird über einen Lambda-Regelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung der Brennkraftmaschine derart geregelt, dass eine für die Abgasnachbehandlung durch in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorge- sehene Katalysatoren optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht wird. Bei Ottomotoren wird in der Regel auf ein Lambda von 1 , also ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, geregelt. Die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine kann so minimiert werden.

Es sind verschiedene Formen von Lambdasonden im Einsatz. Breitband-Lambdason- den, auch als stetige oder lineare Lambdasonden bezeichnet, ermöglichen im Gegensatz zu Zweipunkt-Lambdasonden die Messung des Lambdawertes in dem Abgas in einem weiten Bereich um Lambda = 1 herum. Damit kann beispielsweise eine Brenn- kraftmaschine auch auf einen mageren Betrieb mit Luftüberschuss geregelt werden.

Das Sensorelement einer Breitband-Lambdasonde weist an der Oberfläche eine Öffnung auf, durch die Abgas eintritt. An die Eintrittsöffnung schließt sich eine poröse Schicht an, durch die das Abgas in einen Hohlraum diffundiert. Dieser Hohlraum wird durch ein sauerstoffionenleitendes Elektrolyt-Material vom äußeren Abgas getrennt.

Sowohl außen am Elektrolyten als auch auf der Seite des Hohlraums befinden sich Elektroden, die über Kabel mit Steckerkontakten verbunden sind. Der dazwischen liegende Elektrolyt wird als Pumpzelle bezeichnet. Weiterhin befindet sich im Inneren des Sensorelementes, durch dasselbe Elektrolyt-Material vom Hohlraum getrennt, ein Re- ferenzgas mit einer bestimmten konstanten Sauerstoffkonzentration. Im Kontakt mit dem Referenzgas befindet sich eine weitere Elektrode, die auch mit einem Steckerkontakt verbunden ist. Der Elektrolyt zwischen dieser und der hohlraumseitigen Elektrode wird als Messzelle bezeichnet. Nach dem Nernst-Prinzip liegt über der Messzelle eine elektrische Spannung, im folgenden als Nernstspannung UNO bezeichnet, an, die durch die Konzentration an oxi- dierenden und reduzierenden Abgaskomponenten im Hohlraum und im Referenzgas bestimmt wird. Da die Konzentration im Referenzgas bekannt und unveränderlich ist, reduziert sich die Abhängigkeit auf die Konzentration im Hohlraum.

Um die Lambdasonde zu betreiben, muss sie über den Stecker mit einer entsprechenden Betriebselektronik, üblicherweise mit einem Motorsteuergerät, verbunden sein. Die Nernstspannung UNO wird über die Elektroden erfasst und an das Motorsteuergerät übermittelt. Im Motorsteuergerät befindet sich ein Regelkreis, der die Nernstspannung über der Messzelle auf einem Sollwert hält, indem ein so genannter Pumpstrom IP durch die Pumpzelle getrieben wird. Dazu enthält der Regelkreis einen Pumpstromregler, der häufig auch nach seiner Regelgröße als Nernstspannungsregler bezeichnet wird. Da der Stromfluss im Elektrolyten durch Sauerstoffionen erfolgt, wird die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum beeinflusst. Um die Nernstspannung UNO im eingeschwungenen Zustand konstant zu halten, muss im mageren Bereich (λ > 1 ) genau so viel Sauerstoff aus dem Hohlraum gepumpt werden, wie durch die Diffusionsbarriere nachdiffundiert. Im fetten Bereich (λ < 1 ) muss dagegen so viel Sauerstoff in den Hohlraum gepumpt werden, dass die nachdiffundierenden reduzierenden Abgasmoleküle kompensiert werden. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Sauerstoffbilanz im Hohlraum durch den Pumpstromregler konstant gehalten wird, folgt aus der Diffusionsgleichung ein linearer Zusammenhang zwischen Diffusionsstrom, und damit dem Pumpstrom, und der Sauerstoffkonzentration im Abgas. Der Pumpstrom wird nun im Motorsteuergerät gemessen beziehungsweise vom Motorsteuergerät in Abhängigkeit von der gemessenen Nernstspannung vorgegeben. Der Pumpstrom stellt ein lineares Signal für die Sauerstoffbilanz im Abgas dar.

Ist eine Breitband-Lambdasonde fehlerhaft, muss dies von dem Motorsteuergerät erkannt werden. Zur Überprüfung, ob ein Motorsteuergerät die relevanten Fehler einer Breitband-Lambdasonde erkennt, werden heute Fehlersimulatoren eingesetzt, welche während der Überprüfung zwischen dem Motorsteuergerät und der Breitband-Lambdasonde angeordnet werden. Dabei verhält sich der Fehlersimulator gegenüber dem Motorsteuergerät wie eine Breitband-Lambdasonde mit den zu überprüfenden Fehlern. Das Motorsteuergerät muss die relevanten Fehlerfälle ohne Software- oder Applikationsveränderungen erkennen.

Einer der zu simulierenden Fehlerfälle ist eine Veränderung des Lambda-Signals der Breitband-Lambdasonde. Dabei wird dem Motorsteuergerät ein verzögertes oder verfälschtes Signal der Breitband-Lambdasonde vorgegeben. Bei heute bekannten Fehlersimulationen wird zur Simulation dieses Fehlers der Pumpstrom verändert, um somit Veränderungen in der Breitband-Lambdasonde und eine entsprechende Reaktion im Motorsteuergerät zu bewirken. Diese Veränderungen müssen durch die Diagnosefunktion in dem Motorsteuergerät erkannt und angezeigt werden. Die Veränderung des Pumpstroms zur Simulation eines Fehlers der Breitband-Lambdasonde kann dazu führen, dass die Fehlersimulation selbst zu langsam ist. Dies kann dazu führen, dass das Motorsteuergerät beispielsweise auf reale Signaländerungen, welche in realen Änderungen der Zusammensetzung des Abgases begründet sind, reagiert, obwohl der Fehlersimulator diese Änderungen unterdrücken sollte.

Bei Motorsteuergeräten, bei denen ein gestellter Pumpstrom das Messsignal darstellt und keine Rückmessung des resultierenden Pumpstroms erfolgt, ist der Pumpstrom der Ausgang und die Nernstspannung UNO das Eingangssignal des Pumpstromreglers. Eine Fehlersimulation durch Veränderung des Pumpstromsignals wirkt hier zunächst auf die Breitband-Lambdasonde. Als Folge verändert sich die Nernstspannung UNO und somit das Eingangssignal des Pumpstromreglers. Das bekannte Verfahren zur Fehlersimulation über eine Veränderung des Pumpstroms hat hier den Nachteil, dass die Änderung des Pumpstroms erst verspätet bei der Signalerfassung im Motorsteuergerät ankommt. Daher können reale Reaktionen der Breitband-Lambdasonde auf Signaländerungen in der Regel nicht vollständig unterdrückt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Fehlersimulation einer Breitband- Lambdasonde bereitzustellen, welches störende Einflüsse, wie sie beispielsweise durch verspätete Reaktionen oder Signallaufzeiten im Motorsteuergerät Sichtbar werden, vermeidet.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen entsprechenden Fehlersimulator bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass dem Fehlersimulator eine Nernstspannung UN0 _meS s der Breitband-Lambdasonde und ein Pumpstrom I P _M SG des Steuergeräts zugeführt wird, dass der Fehlersimulator der Breitband-Lambdasonde ein Pumpstrom I Psonde und dem Steuergerät eine Nernstspannung U NOsteii zuführt und dass der Fehlersimulator zur Simulation von Fehlern der Breitband- Lambdasonde die dem Steuergerät zugeführte Nernstspannung UN0 _st eii gegenüber der von der Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UNO _meS s verändert. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass der Fehlersimulator zur Simulation eines veränderten Pumpstroms I PMSG die dem Steuergerät zugeführte Nernstspannung UN0 _s teii gegenüber der von der Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UNOmess verändert.

Im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine ist die Abweichung der Nernstspannung UNO vom Nernstspannungssollwert die Eingangsgröße des Pumpstromreglers. Der Pumpstrom IP ist das Ausgangssignal des Pumpstromreglers und gleichzeitig die Messgröße, die im Steuergerät weiter verarbeitet wird. Durch eine Veränderung der dem Steuergerät zugeführten Nernstspannung UNO _ste ii gegenüber der von der Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UNO _meS s kann der Fehlersimulator eine Veränderung des Pumpstromsignals bewirken. Da diese Veränderung zeitlich vor der Regelung selbst stattfindet, treten im Steuergerät keine unerwünschten Reaktionen auf Veränderungen des Pumpstromsignals aufgrund von Änderungen des realen Abgases auf. Weiterhin können Steuergeräte, bei denen ein gestellter Pumpstrom das Messsignal darstellt und keine Rückmessung des resultierenden Pumpstroms erfolgt, überprüft werden.

Unterschiedliche Fehler der Breitband-Lambdasonde, beispielsweise ein auf Grund von Alterungseffekten verzögertes Ansprechverhalten oder ein verfälschtes Nernstsig- nal, können dadurch simuliert werden, dass der Fehlersimulator zur Simulation von Fehlern eine vorgegebene Nernstspannung UNO _s teii oder eine in Abhängigkeit von der Zeit veränderliche Nernstspannung UNOsteii an das Steuergerät ausgibt.

Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Fehlersimulator die vorgegebene Nernstspannung UNOsteii oder die in Abhängigkeit von der Zeit veränderliche Nernstspannung U NOsteii unabhängig oder abhängig von der von der Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UNO _meS s vorgibt. Die ausgegebene Nernstspannung UNOsteii kann durch einen in dem Fehlersimulator vorgesehenen μ-Controller vorgegeben werden.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorge- sehen sein, dass • der an die Breitband-Lambdasonde ausgegebene Pumpstrom I Psonde dem von der Motorsteuerung ausgegebenen Pumpstrom I P _M SG entspricht oder

• dass der an die Breitband-Lambdasonde ausgegebene Pumpstrom IP _So nde von dem Fehlersimulator auf Basis der von der Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UN0 _meS s vorgegeben wird oder

• dass der an die Breitband-Lambdasonde ausgegebene Pumpstrom I P _So nde von dem Fehlersimulator in Abhängigkeit von dem von dem Steuergerät ausgegebenen Pumpstrom I P _M SG vorgegeben wird.

Die Wahl des an die Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Pumpstroms I Psonde kann dabei in Abhängigkeit von dem zu simulierenden Fehler getroffen werden. Entspricht der Pumpstrom I P _So nde dem von der Motorsteuerung ausgegebenen Pumpstrom I PMSG, kann dieser von der Motorsteuerung durch den Fehlersimulator zu der Breitband- Lambdasonde durchgeschleift werden. Wird der Pumpstrom I Psonde von dem Fehlersimulator vorgegeben, kann der von der Motorsteuerung bereitgestellte Pumpstrom I PMSG in dem Fehlersimulator gesenkt werden.

Wird der an die Breitband-Lambdasonde ausgegebene Pumpstrom I Psonde von dem Fehlersimulator in Abhängigkeit von dem von dem Steuergerät ausgegebenen Pumpstrom I PMSG vorgegeben kann es vorgesehen sein, dass der in Abhängigkeit von dem Pumpstrom I PMSG von dem Fehlersimulator vorgegebene und an die Breitband-Lambdasonde ausgegebene Pumpstrom I Psonde größer oder kleiner und/oder zeitlich verzögert im Vergleich zum Pumpstrom I PMSG vorgegeben wird.

Zur Überwachung der Betriebsbereitschaft der Breitband-Lambdasonde, insbesondere zur Überwachung von deren Betriebstemperatur, ist im regulären Betrieb eine regelmäßige Bestimmung des Innenwiderstandes der Breitband-Lambdasonde vorgesehen. Daher kann es vorgesehen sein, dass der Fehlersimulator für eine Innenwiderstands- messung gegenüber dem Steuergerät eine Last simuliert und ein entsprechendes Spannungssignals zur Verfügung stellt.

Verschiedene Fehler der Breitband-Lambdasonde können dadurch simuliert werden, dass die Veränderungen der von dem Fehlersimulator an das Steuergerät ausgegebenen Nernstspannung UN0 _s teii und des an die Breitband-Lambdasonde ausgegebene Pumpstroms I Psonde gegenüber der von der Breitband-Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UN0 _meS s und dem von dem Steuergerät ausgegebenen Pumpstrom I PMSG gleichzeitig oder getrennt voneinander erfolgen. Die den Fehlersimulator betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass dem Fehlersimulator eine Nernstspannung UN0 _meS s der Breitband-Lambdasonde und ein Pumpstrom I P _M SG des Steuergeräts zugeführt ist, dass der Breitband-Lambdasonde ein Pumpstrom I Psonde und dem Steuergerät eine Nernstspannung UN0 _s teii von dem Fehlersimulator zuführt ist und dass der Fehlersimulator dazu ausgelegt ist, die dem Steuergerät zugeführte Nernstspannung UN0 _s teii gegenüber der von der Breitband-

Lambdasonde ausgegebenen Nernstspannung UNO _meS s zu verändern. Der Fehlersimulator ermöglicht damit die Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Fehlersimulator zur Überprüfung der Fehlererkennung eines Steuergerätes.

Figur 1 zeigt einen Fehlersimulator 12 zur Überprüfung der Fehlererkennung eines Steuergerätes 14. Der Fehlersimulator 12 ist zwischen eine Breitband-Lambdasonde 10 und ein Steuergerät 14 geschaltet. Dem Fehlersimulator 12 wird eine Nernstspannung U NOmess 1 1 der Breitband-Lambdasonde 10 und ein Pumpstrom I PMSG 16 des Steuergeräts 14 zugeführt. Der Fehlersimulator 12 führt der Breitband-Lambdasonde 10 einen Pumpstrom I Psonde 15 und dem Steuergerät 14 eine Nernstspannung UN0 _s teii 13 zu. Die Signale sind dabei durch entsprechende Pfeile dargestellt, die Anzahl der dargestellten Signalleitungen ist auf die für die Darstellung der Erfindung notwenige Anzahl begrenzt.

Fehlersimulatoren 12 werden eingesetzt, um bestimmte Fehlerszenarien bei Breitband- Lambdasonden 10 zu testen. Dazu wird der Fehlersimulator 12 zwischen die Breitband-Lambdasonde 10 und das zugehörige Steuergerät 14 geschaltet. Der Fehlersimulator 12 verhält sich gegenüber dem Steuergerät 14 wie eine Breitband-Lambdasonde 10 mit den zu überprüfenden Fehlern, während die Breitband-Lambdasonde 10 weiterhin betrieben wird. Das Steuergerät 14 muss die von dem Fehlersimulator vorgegebenen Fehler ohne Software- oder Applikationsveränderungen erkennen.

Ein zu simulierender Fehlerfall ist eine Veränderung des Lambdasignals der Breitband- Lambdasonde 10, so dass dem Steuergerät 14 ein verzögertes oder verfälschtes Lambdasignal vorgetäuscht wird. Bei bekannten Fehlersimulatoren 12 wird dazu der Pumpstrom IP verändert, um somit Veränderungen in der Breitband-Lambdasonde 10 zu bewirken. Diese Veränderungen müssen durch eine Diagnosefunktion von dem Steuergerät 14 erkannt werden.

Die Veränderung des Pumpstroms IP zur Simulation eines Fehlers der Breitband- Lambdasonde 10 kann dazu führen, dass die Fehlersimulation selbst zu langsam ist. Dies kann im Steuergerät 14 dazu führen, dass das Steuergerät beispielsweise auf reale Signaländerungen bei einer entsprechenden realen Änderung der Abgaszusammensetzung reagiert, obwohl der Fehlersimulator 12 diese Änderung unterdrücken sollte.

Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, dass die Fehlersimulation durch den Fehlersimulator 12 auf der Basis der Nernstspannung UNO durchgeführt wird. Dazu unterbricht der Fehlersimulator 12 auch die Zuführung der von der Breitband-Lambdasonde 10 ausgegebenen Nernstspannung UN0 _meSs 1 1 an das Steuergerät 14 und gibt eine entsprechend veränderte Nernstspannung UN0 _ste ii 13 and das Steuergerät 14 aus. Der Fehlersimulator 12 kann so eine Veränderung des Pumpstroms I PMSG 16 bewirken, indem die Nernstspannung UN0 _ste ii 13 entsprechend verändert wird. Da diese Veränderung zeitlich vor der Regelung selbst stattfindet, sind im Steuergerät 14 keine unerwünschten Reaktionen auf Veränderungen des Pumpstromsignals aufgrund einer Veränderung des realen Abgases sichtbar.

Das Steuergerät 14 kann die ausgegebene Nernstspannung UN0 _ste ii 13 und insbesondere eine zeitliche Änderung der Nernstspannung UN0 _ste ii 13 beliebig vorgeben. Dies kann durch einen in dem Fehlersimulator 12 vorgesehenen μ-Controller, beispielsweise in Abhängigkeit von der gemessenen Nernstspannung UN0 _meSs oder aber unabhängig davon, erfolgen.

Der daraufhin von dem Steuergerät 14 berechnete und ausgegebene Pumpstrom I PMSG 16 kann direkt durch den Fehlersimulator 12 zu der Breitband-Lambdasonde 10 weitergeleitet werden. Alternativ dazu kann der Pumpstrom I P _M SG 6 im Fehlersimulator 12 gesenkt werden ohne Auswirkung auf die Breitband-Lambdasonde 10. In diesem Fall wird die Breitband-Lambdasonde 10 mit einem Pumpstrom I Psonde 15 beaufschlagt, der im Fehlersimulator 12 auf Basis der Nernstspannung UN0 _meS s 1 1 berechnet wurde. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, den Pumpstrom I Psonde 15 in Abhängigkeit von dem Pumpstrom I P _M SG 16 zu manipulieren und zu der Breitband-Lambdasonde 10 weiterzuleiten. Dabei kann der Pumpstrom I Psonde 15 größer, kleiner oder zeitlich verzögert gegenüber dem Pumpstrom I P _M SG 16 gewählt werden.