DE19652059A1 - Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffkonzentrations- Meßvorrichtung zur Messung eines Luft-Brennstoff­ verhältnisses oder einer Sauerstoffkonzentration eines aus einer Brennkraftmaschine ausströmenden Abgases.

Bekanntermaßen ist bei einem Sauerstoffsensor dieser Art gemäß der Offenbarung in der US-Patentschrift Nr. 5 405 521 beispielsweise aufgrund der Tatsache, daß der innere Widerstand des Sauerstoffsensors vom Stromschwellentyp in Abhängigkeit von der Temperatur des Elements veränderlich ist und daß die Strom-Spannungs-Kennlinie zur Bestimmung des inneren Widerstands des Sauerstoffsensors durch den Ursprung an einer Stelle 1 in den Fig. 1A und 1C verläuft, der Sauerstoffsensor während einer ersten Zeitdauer mit einer positiven Spannung (Schwellenstrom- Meßspannung) in der Nähe des Zentrums des Schwellenstrombereichs positiv vorgespannt, wogegen er während einer zweiten Zeitdauer durch eine negative Spannung (Temperaturmeßspannung) negativ vorgespannt ist. Ein durch den Sauerstoffsensor fließender Strom wird während der ersten und zweiten Zeitdauer erfaßt. Dabei wird die Sauerstoffkonzentration auf der Basis des erfaßten Stroms während der ersten Zeitdauer bestimmt, während der der innere Widerstand des Sauerstoffsensors auf der Basis des Stroms und der Spannung bestimmt wird, die während der zweiten Zeitdauer erfaßt werden, zur Erfassung der Temperatur des Elements.

Ändert sich die Vorspannung von der positiven Seite zur negativen Seite oder in entgegengesetzter Richtung bezüglich des Sauerstoffsensors, dann wird die elektromotorische Kraft, die im Sauerstoffsensor beim Fließen eines Schwellenstroms induziert wird, entladen. Gemäß der Ortkurve 1 in Fig. 1B konvergiert der erfaßte Strom gegen einen stabilen Zustand nach dem Erreichen der positiven und negativen Spitzenwerte. Somit kann die Temperatur nicht bestimmt werden, bis der erfaßte Strom von seinem negativen Spitzenwert gegen den stabilen Zustand konvergiert und der Schwellenstrom kann nicht erfaßt, bis der erfaßte Strom von seinem positiven Spitzenwert gegen den stabilen Zustand konvergiert. Da die Sauerstoffkonzentration während dieser Zeitdauer nicht erfaßt werden kann, ist es schwierig, eine ausreichende Zeitdauer zur Erfassung der Sauer­ stoffkonzentration zu gewährleisten. Bei der vorstehend beschriebenen, bekannten Vorrichtung wird eine Zeitdauer zur Bestimmung der Temperatur vermindert durch Erfassen eines konvergierenden Stroms, der sich noch auf seinem Weg vom negativen Spitzenwert zu seinem stabilen Zustand befindet, wobei ein Konvergenzwert des Stroms geschätzt wird. Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf einen Fall bezieht, bei welchem die Temperaturmeßspannung niedriger als die Schwellenstrom-Meßspannung ist, ist es ebenfalls möglich, einen Aufbau bereitzustellen, bei die Temperaturmeßspannung größer ist als die Schwellenstrom- Meßspannung.

Bei dem bekannten Aufbau gemäß der vorstehenden Beschreibung werden jedoch keine angemessenen Maßnahmen ergriffen zur Verminderung der Zeitdauer, während der die Sauerstoffkonzentration nicht erfaßt werden kann, wenn sich die dem Sauerstoffsensor zugeführte Spannung von der Temperatur-Meßspannung zur Schwellenstrom-Meßspannung ändert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Zeitdauer wirksam vermindert wird, während der die Sauerstoffkonzentration nicht erfaßt werden kann, wenn sich die dem Sauerstoffsensor zugeführte Spannung von der Temperaturmeßspannung zur Schwellenstrom-Meßspannung ändert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Mitteln gelöst.

Wird somit erfindungsgemäß die dem Sauerstoffsensor zugeführte Spannung von einer Temperaturmeßspannung, die niedriger oder höher als die Schwellenstrom-Meßspannung ist, zur Schwellenstrom-Meßspannung geändert, dann wird die Schwellenstrom-Meßspannung dann gespeichert, nachdem eine Spannung, die niedriger oder höher als die Schwellenstrom-Meßspannung ist, während einer vor­ bestimmten Kurzzeitdauer zugeführt wird. Im Ergebnis kann die Zeitdauer zur Stabilisierung des erfaßten Stroms von seinem Spitzenwert zu dem Schwellenstrom vermindert werden. Es ist ferner möglich, die Zeitdauer, während der die Sauerstoffkonzentration nicht erfaßt werden kann, wenn sich die dem Sauerstoffsensor zugeführte Spannung von der Temperaturmeßspannung zur Schwellenstrom- Meßspannung ändert, wirksam zu vermindern.

Wird ferner der Schwellenstrom des Sauerstoffsensors erfaßt, dann wird die dem Sauerstoffsensor zugeführte Spannung vermindert, bis die im Sauerstoffsensor erzeugte elektromotorische Kraft auf einen vorbestimmten Wert vermindert wird. Hat die elektromotorische Kraft den Wert erreicht, dann wird die Temperaturmeßspannung dem Sauerstoffsensor während einer kurzen Zeitdauer zugeführt, so daß die zur Stabilisierung des erfaßten Stroms erforderliche Zeitdauer von ihrem negativen Spitzenwert vermindert werden kann. Somit kann die Zeitdauer, während der die Sauerstoffkonzentration nicht erfaßt werden kann, weiter vermindert werden.

Als Alternative zu dem Sauerstoffsensor vom Schwellenstromtyp kann auch ein Sauerstoffsensor vom Integrationstyp verwendet werden, der vorgesehen ist zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration entsprechend einem Pumpstrom.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Signalzeitverlaufs einer Sensorzuführungsspannung, Fig. 1B ein Signalzeitverlauf eines Sensorstroms und Fig. 1C eine Strom-Spannungs- Kennlinie eines Sauerstoffsensors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3A eine vergrößerte Schnittansicht eines Sauerstoffsensor-Hauptkörpers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und Fig. 3B eine Kennlinien­ darstellung zur Veranschaulichung der Strom-Spannungs- Kennlinien des Sauerstoffsensors als Parameter der Temperatur,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Vorspannungs- Steuerungsschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 bis 9 Ablaufdiagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Mikroprozessors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 eine grafische Darstellung zur Ver­ anschaulichung der Beziehung zwischen der Element- Gleichstrom-Impedanz, des Schwellenstroms und der gewünschten Spannung gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel,

Fig. 11 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen einer Elemententemperatur und der Element- Gleichstrom-Impedanz gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel,

Fig. 12 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Mikroprozessors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 13 eine Strom-Spannungs-Kennlinie des Sauerstoffsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 14A und 14B grafische Darstellungen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 15 eine äquivalente elektrische Schaltungs­ anordnung des Sauerstoffsensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 16 ein Sensorstrom-/Spannungszeitverlauf eines vergleichbaren Beispiels,

Fig. 17 ein Sensorstrom-/Spannungszeitverlauf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 18 eine Teilschnittansicht eines Luft- Brennstoffverhältnissensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 19 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoffverhältnis und einer elektromotorischen Kraft des Luft-Brennstoff­ verhältnissensors vom Integrationstyp gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 20 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoffverhältnis und dem Pumpstrom des Luft-Brennstoffverhältnissensors vom Integrationstyp gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 21 eine grafische Darstellung zur Ver­ anschaulichung des Aufbaus der Vorspannungs- Steuerungsschaltung des Luft-Brennstoffverhältnissensors vom Integrationstyp gemäß dem zweiten Ausführungs­ beispiel.

Nachstehend wird nun das erste Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben. Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Sauerstoffkonzentrations- Meßvorrichtung, wie sie in einer in einem Fahrzeug angeordneten Brennkraftmaschine 10 (nachstehend ver­ einfacht als Maschine bezeichnet) Verwendung findet. Die Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung umfaßt einen Sauerstoffsensor S vom Schwellenstromtyp. Der Sauer­ stoffsensor S ist in einem Abgasrohr 11 angeordnet, das sich von einem Motorblock 10a der Maschine 10 erstreckt. Der Sauerstoffsensor S umfaßt einen Sensor-Hauptkörper 20 und eine Abdeckung 30 mit einem U-förmigen Querschnitt. Der Bodenbereich des Sensor-Hauptkörpers 20 ist in einen Befestigungslochbereich 11a eingesetzt, der in einem Teil der Wand des Abgasrohrs 11 vorgesehen ist, und erstreckt sich in das Innere des Abgasrohrs 11.

Der Sensor-Hauptkörper 20 umfaßt eine Diffusions­ widerstandsschicht 21 mit einem tassenförmigen (behälterförmigen) Querschnitt. Ein Öffnungsendbereich 21a der Diffusionswiderstandsschicht 21 ist in den Befestigungslochbereich 11a des Abgasrohrs 11 eingesetzt. Die Diffusionswiderstandssicht 21 ist mittels eines Plasmaschmelz-Einspritzverfahrens oder dergleichen unter Verwendung von Zirkondioxid ZrO₂ oder dergleichen gebildet. Ferner umfaßt der Sensor-Hauptkörper 20 eine Festelektrolytschicht 22. Die Festelektrolytschicht 22, die aus einem sauerstoffionenleitenden Sinteroxidkörper mit einem tassenförmigen Querschnitt besteht, ist auf der inneren Oberfläche der Diffusionswiderstandsschicht 21 mit einer abgasseitigen Elektrodenschicht 23 mit einem tassenförmigen Querschnitt einheitlich aufgebracht. Eine Außenluft-Elektrodenschicht 24, die ebenfalls einen tassenförmigen Querschnitt aufweist, ist gleichmäßig an der inneren Oberfläche der Festelektrolytschicht 22 aufgebracht. Zur Erzielung einer ausreichenden Porosität sind sowohl die abgasseitige Elektrodenschicht 23 als auch die außenluftseitige Elektrodenschicht 24 aus einem Edelmetall mit großer katalytischer Wirkung, wie Platin, durch chemisches Platieren oder dergleichen ausgebildet. Die Fläche und Dicke der abgasseitigen Elektrodenschicht 23 beträgt jeweils etwa 10 bis 100 mm² und 0.5 bis 2.0 µm. Demgegenüber betragen diejenigen Größen der außenluftseitigen Elektrodenschicht 24 mehr als 10 mm² und jeweils etwa 0.5 bis 2.0 µm.

Der wie vorstehend angegeben aufgebaute Sensor- Hauptkörper 20 erzeugt eine elektromotorische Kraft entsprechend der Konzentration des theoretischen Luft- Brennstoffverhältnisses und bildet einen Schwellenstrom entsprechend einer Sauerstoffkonzentration im Mager­ bereich bezüglich des theoretischen Luft-Brennstoff­ verhältnispunkts. In diesem Fall wird der Schwellenstrom entsprechend der Sauerstoffkonzentration bestimmt durch die Fläche der abgasseitigen Elektrodenschicht 23 und der Dicke, der Porosität und dem durchschnittlichen Porendurchmesser der Diffusionswiderstandsschicht 21. Der Sensor-Hauptkörper 20 ist in der Lage, die Sauerstoff­ konzentration in Verbindung mit einer linearen Kennlinie zu erfassen. Da jedoch eine Temperatur größer als etwa 650°C zur Aktivierung des Sensor-Hauptkörpers 20 erforderlich ist und ein Temperaturbereich, in dem der Sensor-Hauptkörper 20 aktiviert ist klein ist, kann der aktive Bereich des Sensor-Hauptkörpers 20 nicht gesteuert werden durch ledigliches Aufheizen desselben mit dem Abgas der Maschine. Daher wird eine Heizungssteuerung unter Verwendung einer Heizeinrichtung 26 durchgeführt, die im einzelnen nachstehend noch beschrieben wird. Im fetten Betriebsbereich (Fettbereich) bezüglich des theoretischen Luft-Brennstoffverhältnisses verändert sich die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO), bestehend aus unverbranntem Brennstoff, im wesentlichen linear bezüglich des Luft-Brennstoffverhältnisses und ein entsprechender Schwellenstrom wird gebildet.

Gemäß den Fig. 3A und 3B werden nachstehend Strom- Spannungs-Kennlinien des Sensor-Hauptkörpers 20 unter Verwendung der Temperatur als Parameter beschrieben. Diese Strom-Spannungs-Kennlinien geben an, daß eine lineare Beziehung zwischen dem durch die Festelektrolytschicht 22 des Sensor-Hauptkörpers 20 fließenden Strom, der proportional zu der mittels des Sauerstoffsensors S erfaßten Sauerstoffkonzentration (Luft-Brennstoffverhältnis) ist, und der der Fest­ elektrolytschicht 22 zugeführten Spannung angibt. Befindet sich der Sensor-Hauptkörper 20 in einem aktivierten Zustand, bei einer Temperatur T = T1, dann wird der stabile Zustand durch eine Kennlinien- Darstellung L1 mittels der durchgezogenen Linie in Fig. 3B angegeben. In diesem Fall sind die Schwellenströme des Sensor-Hauptkörpers durch gerade Linienbereiche der Kennlinien-Darstellung L1 parallel zur Spannungsachse V dargestellt. Eine Vergrößerung oder Verminderung des Schwellenstroms entspricht einer Vergrößerung oder Verminderung des Luft-Brennstoffverhältnisses (d. h. mager oder fett). Liegt die Temperatur T des Sensor- Hauptkörpers 20 bei der Temperatur T2, die niedriger ist als die Temperatur T1, dann werden die Strom-Spannungs- Kennlinien mittels einer Kennlinien-Darstellung L2 durch die gestrichelten Linien in Fig. 3B angegeben. In diesem Fall sind die Schwellenströme des Sensor-Hauptkörpers 20 bei der Temperatur T = T2 durch gerade Linienbereiche der Kennlinien-Darstellung L2 parallel zur Spannungsachse V dargestellt. Diese Schwellenströme stimmen im wesentlichen mit den Schwellenströmen gemäß der Kennlinien-Darstellung L1 überein.

In der Kennlinien-Darstellung L1 fließt in dem Fall, daß eine positive Spannung Vpos an die Festelektrolytschicht 22 im Sensor-Hauptkörper 20 angelegt wird, ein Strom durch den Sensor-Hauptkörper 20 in Form des Schwellenstroms Ipos zu diesem Zeitpunkt (siehe Punkt P1 in Fig. 3B). Hierbei ist es wünschenswert, die Spannung Vpos mit einem positiven gewünschten Wert auf einen Wert entsprechend einer Position in der Nähe des Mittelbereichs des geraden Linienbereichs in Fig. 3B einzustellen, durch den der Schwellenstrom Ipos fließt. Da die Position in der Nähe des Mittelbereichs der in Fig. 3B gezeigten geraden Linie, durch welche der Schwellenstrom Ipos fließt, in Abhängigkeit vom Schwellenstrom Ipos (Sauerstoffkonzentration) und der Temperatur (Temperatur des Elements) des Sensor- Hauptkörpers 20 veränderlich ist, wird die Spannung Vpos des positiven gewünschten Werts vorzugsweise in die Nähe des Mittelbereichs des geraden Linienbereichs gemäß Fig. 3B eingestellt, durch welchen der Schwellenstrom Ipos fließt, und in Abhängigkeit vom Schwellenstrom Ipos (Sauerstoffkonzentration) und der Temperatur (Temperatur des Elements) des Sensor-Hauptkörpers 20.

Wird demgegenüber eine negative Spannung Vneg an die Festelektrolytschicht 22 im Sensor-Hauptkörper 20 angelegt, dann ist der durch den Sensor-Hauptkörper 20 fließende Strom ein negativer Temperaturstrom Ineg, der an einem Punkt P2 bestimmt ist, und der unabhängig von der Sauerstoffkonzentration und lediglich proportional zur Temperatur ist.

Der Sensor-Hauptkörper 20 umfaßt eine Heizeinrichtung 26, die an der Außenluftelektrodenschicht 24 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 26 heizt die Außenluft­ elektrodenschicht 24, die Festelektrolytschicht 22, die abgasseitige Elektrodenschicht 23 und die Diffusions­ widerstandsschicht 21 mit exothermischer Energie auf. In diesem Fall weist die Heizeinrichtung 26 eine Wärmeabgabefähigkeit auf, die zur Aktivierung des Sensor- Hauptkörpers 20 ausreichend ist. Der Sensor-Hauptkörper 20 ist mittels einer Abdeckung 30 abgedeckt und der Öffnungsbereich derselben ist in einem Bereich einer Außenwand des Abgasrohrs 11 eingesetzt. Eine kleine Öffnung 31 ist in einem Bereich einer Außenwand der Abdeckung 30 vorgesehen zur Bildung einer Verbindung des Außenbereichs der Abdeckung 30 mit dem entsprechenden Innenbereich. Auf diese Weise wird mittels der Abdeckung 30 die Temperatur des Sensor-Hauptkörpers 20 konstant gehalten, indem verhindert wird, daß der Sensor- Hauptkörper 20 dem Abgas ausgesetzt wird.

Gemäß Fig. 2 ist die Sauerstoffkonzentrations- Meßvorrichtung desweiteren mit einer Vorspannungs- Steuerungsschaltung 40 ausgerüstet. Die Vorspannungs- Steuerungsschaltung 40 umfaßt eine positive Vorspannungs- Gleichstromquelle 41, eine negative Vorspannungs- Gleichstromquelle 42 und eine Schalteinrichtung 43. Eine negative Elektrode der positiven Vorspannungs- Gleichstromquelle 41 ist mit einem Anschluß der abgasseitigen Elektrodenschicht 23 über eine Leitung 41a verbunden, während eine positive Elektrode der negativen Vorspannungs-Gleichstromquelle 42 mit dem anderen Anschluß der abgasseitigen Elektrodenschicht 23 über eine Leitung 41a verbunden ist. Die Schalteinrichtung 43 ist vorgesehen, lediglich die positive Elektrode der positiven Vorspannungs-Gleichstromquelle 41 mit einem Eingangsanschluß 51 einer Stromerfassungsschaltung 50 in einem ersten Schaltzustand derselben zu verbinden, und lediglich die negative Elektrode der negativen Vorspannungs-Gleichstromquelle 42 mit dem Eingangs­ anschluß 51 der Stromerfassungsschaltung 50 in einem zweiten Schaltzustand derselben zu verbinden. Die Schalteinrichtung 43 ist mit der Außenluftelektroden­ schicht 24 über den Eingangsanschluß 51, die Stromerfassungsschaltung 50, einen Halbleiterschalter 55 und eine weitere Leitung 42a verbunden.

Befindet sich der Halbleiterschalter 55 in einem leitenden Zustand und die Schalteinrichtung 43 in einem ersten Schaltzustand, dann erhält folglich die Festelektrolytschicht 22 eine positive Vorspannung durch die positive Vorspannungs-Gleichstromquelle 41, so daß ein Strom durch die Festelektrolytschicht 22 in positiver Richtung ermöglicht wird. Befindet sich demgegenüber der Halbleiterschalter 55 in einem leitenden Zustand und die Schalteinrichtung 43 in einem zweiten Schaltzustand, dann erhält die Festelektrolytschicht 22 eine negative Vorspannung durch die negative Vorspannungs-Gleich­ stromquelle 42, so daß in negativer Richtung ein Strom durch die Festelektrolytschicht 22 möglich ist. In diesem Fall entsprechen die Ausgangsspannungen der positiven und negativen Vorspannungs-Gleichstromquellen 41 und 42 jeweils den angelegten Spannungen Vpos und Vneg. Gemäß diesem Aufbau der Schalteinrichtung 43 kann der Schaltzustand in Abhängigkeit von einem Vorspannungs­ befehl Vr von einem Mikroprozessor 70 gesteuert werden, und die zum Zeitpunkt einer positiven Vorspannung angelegte Spannung kann in Abhängigkeit vom Vorspannungsbefehl Vr des Mikroprozessors 70 verändert werden.

Die Stromerfassungsschaltung 50 erfaßt den Strom durch die Außenluftelektrodenschicht 24 im Sensor-Hauptkörper 20 zur Schalteinrichtung 43 oder zurück, d. h. den Strom durch die Festelektrolytschicht 22 unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Stromerfassungswiderstands, und gibt den erfaßten Strom an einen A/D-Wandler 60 ab. Der A/D- Wandler 60 wandelt den mittels der Stromerfassungs­ schaltung 50 erfaßten Strom, die an die Heizeinrichtung 26 angelegte Spannung Vn und den Strom IN durch die Heizeinrichtung 26 in digitale Werte um, die ausgegeben und dem Mikroprozessor 70 zugeführt werden. Der Mikroprozessor 70 umfaßt eine Zentraleinheit CPU, einen Nur-Lese-Speicher ROM, einen Schreib-/Lesespeicher RAM und dergleichen, die jedoch nicht gezeigt sind, und steht mit dem A/D-Wandler 60 in Verbindung zur Durchführung eines Programms. Bei der Durchführung des Programms wird ein Berechnungsvorgang zur Steuerung einer Vorspannungs- Steuerungsschaltung 40, einer Heizungs-Steuerungs­ schaltung 80 und einer Brennstoffeinspritz-Steuerungs­ einrichtung 90 (nachstehend als Brennstoffeinspritz­ einheit bezeichnet) durchgeführt. Das vorstehend beschriebene Programm wird zuvor in einem Festwert­ speicher ROM des Mikroprozessors 70 gespeichert.

Der Halbleiterschalter 55 befindet sich normalerweise in seinem leitenden Zustand in Abhängigkeit von einem Signal des Mikroprozessors 70 zur Zuführung von positiven oder negativen Vorspannungen der positiven und negativen Vorspannungs-Gleichstromquellen 41 und 42 zum Sensor- Hauptkörper 20. Da im Sensor-Hauptkörper 20 eine elektromotorische Kraft erzeugt und erfaßt wird, wenn der Schwellenstrom Ipos durch den Sauerstoffsensor S fließt, wird der Halbleiterschalter 55 periodisch in einen kurzzeitig unterbrochenen Zustand durch ein Kurzzeit­ unterbrechungssignal vom Mikroprozessor 70 gebracht, so daß die Zufuhr von Vorspannungen der positiven Vorspannungs-Gleichstromquelle 41 für eine positive Vorspannung des Sensor-Hauptkörpers 20 kurzzeitig periodisch unterbrochen wird.

Die Heizungs-Steuerungsschaltung 80 bewirkt eine Heizungssteuerung der Heizeinrichtung 26 auf der Basis einer Steuerung durch den Mikroprozessor 70 durch Bereitstellen einer EIN/AUS-Steuerung und der Lastfaktorsteuerung der der Heizeinrichtung 26 von einer Batterie 81, die als Leistungsversorgung dient, zugeführten Leistung in Abhängigkeit von den Temperaturen des Sauerstoffsensors S und der Heizeinrichtung 26. Desweiteren wird der durch die Heizeinrichtung 26 fließende Strom In mittels des Stromerfassungswiderstands 82 erfaßt und dem A/D-Wandler 60 zugeführt. Zusätzlich führt die Brennstoffeinspritzeinheit 90 eine Brennstoff­ einspritz-Steuerung durch in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine, wie der Abgasmenge (Luft-Brennstoffverhältnis), der Maschinendrehzahl, der Ansaugluftmenge, dem negativen Druck im Ansaugrohr, der Temperatur des Kühlwassers oder dergleichen, wobei die Steuerung mittels des Mikroprozessors 70 vorgenommen wird.

Fig. 4 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung der Vorspannungs-Steuerungs­ schaltung 40. Eine Bezugsspannungsschaltung 44 teilt eine Konstantspannung Vcc mittels Spannungsteilerwiderständen 44a und 44b zur Erzielung einer konstanten Bezugsspannung Va. Eine erste Spannungszuführungsschaltung 45 führt eine Spannung gleich der Bezugsspannung Va der Bezugs­ spannungsschaltung 44 einem Anschluß (der Leitung 42a zur Verbindung mit der Außenluftelektrodenschicht 24) des Sauerstoffsensors S zu. Die erste Spannungszuführungs­ schaltung 45 umfaßt einen Operationsverstärker 45a, in welchem ein negativer Eingangsanschluß mit einem Spannungsteilerpunkt der Spannungsteilerwiderstände 44a und 44b, und jeweils ein positiver Eingangsanschluß desselben mit einem Anschluß des Sauerstoffsensors S über den Halbleiterschalter 55, einen Widerstand 45b, dessen einer Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 45a verbunden ist, und NPN- und PNP-Transistoren 45c und 45d verbunden ist, deren Basisanschlüsse jeweils mit dem anderen Anschluß des Widerstands 45b verbunden sind.

Ein Kollektoranschluß des NPN-Transistors 45c ist mit der Konstantspannung Vcc und ein Emitteranschluß desselben ist mit einem Anschluß des Sauerstoffsensors S über den Stromerfassungswiderstand 50a, der ein Teil der Stromerfassungsschaltung 50 darstellt, und den Halbleiterschalter 5 verbunden, ein Emitteranschluß des PNP-Transistors 45d ist mit dem Emitteranschluß des NPN- Transistors 45c verbunden und ein Kollektoranschluß desselben ist mit Masse verbunden.

Ein D/A-Wandler 46 wandelt ein (digitales) Vorspannungs­ befehlssignal Vr des Mikroprozessors 70 in analoges Spannungssignal Vc um. Eine zweite Spannungszuführungs­ schaltung 47 führt eine der Ausgangsspannung Vc des D/A- Wandlers 46 gleiche Spannung dem anderen Anschluß (d. h. der Leitung 41a, die mit der abgasseitigen Elektroden­ schicht 23 verbunden ist) des Sauerstoffsensors S zu. Die Schaltung 47 umfaßt einen Operationsverstärker 47a, dessen negativer Eingangsanschluß mit dem Ausgangs­ anschluß des D/A-Wandlers 46 und dessen positiver Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 47a ist verbunden mit dem weiteren Anschluß des Sauerstoffsensors S, ein Widerstand 47b, dessen einer Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 47a verbunden ist, und NPN- und PNP-Transistoren 47c und 47d, deren Basen jeweils mit dem anderen Anschluß des Widerstands 47b verbunden sind.

Desweiteren ist ein Kollektoranschluß des NPN-Transistors 47c mit der Konstantspannung Vcc, und ein Emitteranschluß desselben mit einem weiteren Anschluß des Sauer­ stoffsensors S über einen Widerstand 47e verbunden. Ein Emitteranschluß des PNP-Transistors 47d ist mit dem Emitteranschluß des NPN-Transistors 47c verbunden, wobei ein Kollektoranschluß desselben mit Masse verbunden ist.

Befindet sich der Halbleiterschalter 55 in einem leitenden Zustand, dann wird die Konstantspannung Va ständig einem der Anschlüsse des Sauerstoffsensors S zugeführt, und durch Zuführen des Vorspannungs­ befehlssignals Vr vom Mikroprozessor 70 zum D/A-Wandler 46 entsprechend einer Spannung, die niedriger als die Konstantspannung Va ist, wird eine Spannung Vc, die niedriger als die Konstantspannung Va ist, dem weiteren Anschluß des Sauerstoffsensors S zugeführt, so daß der Sauerstoffsensor S in positiver Weise durch die Spannung Va - Vc (Va < Vc) vorgespannt ist. Durch Zuführen des Vorspannungsbefehlssignals Vr vom Mikroprozessor 70 zum D/A-Wandler 46 entsprechend einer Spannung, die höher ist als die Konstantspannung Va wird eine Spannung Vc, die höher ist als die Konstantspannung Va dem anderen Anschluß des Sauerstoffsensors S zugeführt, so daß der Sauerstoffsensor S in negativer Weise durch die Spannung Va - Vc (Va < Vc) vorgespannt ist. Auf diese Weise kann die Vorspannung des Sauerstoffsensors S auf einen beliebigen positiven oder negativen Wert auf der Basis des Vorspannungsbefehlssignals Vr gesteuert werden, das dem D/A-Wandler 46 vom Mikroprozessor 70 zugeführt wird.

Sodann wird eine Differenz der Spannung (Vb-Va) zwischen beiden Anschlüssen des Stromerfassungs­ widerstands 50a in den A/D-Wandler 60 als ein erfaßter Strom der Stromerfassungsschaltung 50 eingegeben und eine Differenz in der Spannung (Va - Vc) zwischen beiden Anschlüssen des Sauerstoffsensors S wird als induzierte Spannung im Sauerstoffsensor S dem A/D-Wandler 60 zugeführt.

Gemäß dem derart aufgebauten ersten Ausführungsbeispiel der Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung werden Programme zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration (Luft-Brennstoffverhältnis) und zur Erfassung der Elemententemperatur nachstehend unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme gemäß den Fig. 5 bis 9 beschrieben, wobei das Programm mittels des Mikroprozessors 70 durchgeführt wird, wenn ein (nicht gezeigter) Zündschalter eingeschaltet wird.

Fig. 5 zeigt den vollständigen, im Mikroprozessor 70 alle 2 ms durchzuführenden Steuerungsablauf. Schritt 100 bestimmt, ob eine Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM gleich 0 ist. Die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM wird anfänglich unmittelbar nach dem Einschalten des Zündschalters auf 1 gesetzt. Wird nun bestimmt, daß die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM in Schritt 100 gleich 0 ist, dann wird ein Luft-Brennstoffverhältnis auf der Basis des Schwellenstroms im Sauerstoffsensor S, der mittels der Stromerfassungsschaltung 50 in Schritt 200 des Luft-Brennstoffverhältnis-Erfassungsprogramms er­ mittelt wird, erfaßt und das Programm geht sodann zu Schritt 300 über. Wird in Schritt 100 bewertet, daß die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM nicht gleich 0 ist, dann wird Schritt 200 umgangen und das Programm geht zu Schritt 300 über.

In Schritt 300 geht das Programm nach der Bestimmung der Temperaturerfassungs-Zeitfrequenz des Sauerstoffsensors S zu Schritt 400 über. Nachdem die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung allmählich auf der Basis der in Schritt 300 bestimmten Temperaturerfassungs-Zeitfrequenz geändert wurde und die elektromotorische Kraft des Sauerstoffsensors S erfaßt wurde, geht das Programm zu Schritt 500 über, worauf die Temperatur des Sauerstoffsensors S bestimmt wird. Fig. 6 zeigt Einzelheiten des Luft-Brennstoffverhältnis-Erfassungs­ programms (Schritt 200) gemäß Fig. 5. Zuerst wird ein in Schritt 201 mittels der Stromerfassungsschaltung 50 des Sauerstoffsensors S ermittelter Schwellenstrom in den A/D-Wandler 60 eingegeben und erfaßt, und sodann wird in Schritt 202 ein Luft-Brennstoffverhältnis der Maschine entsprechend der Sauerstoffkonzentration auf der Basis des Schwellenstroms Ipos in Übereinstimmung mit den zuvor im Festwertspeicher ROM gespeicherten Kennlinien bestimmt. Das Programm geht sodann zu Schritt 203 über. In Schritt 203 wird eine positive gewünschte Vorspannung (Schwellenstrom-Meßspannung) Vpos berechnet aus dem Luft- Brennstoffverhältnis, das in Schritt 202 bestimmt wird, oder dem Schwellenstrom Ipos, der in Schritt 201 bestimmt wird, und dem inneren Widerstand ZDC des Elements (wird in Schritt 500 bestimmt) auf der Basis der im Festwertspeicher ROM zuvor gespeicherten Kennlinien, wie es in Fig. 10 gezeigt ist (die positive gewünschte Vorspannung wird in einem Bereich von beispielsweise 200 bis 900 mV in der Weise eingestellt, daß sie größer wird, wenn der Schwellenstrom Ipos größer wird oder das Luft- Brennstoffverhältnis kleiner wird und wenn der innere Widerstand ZDC des Elements größer wird oder die Elementtemperatur niedriger wird). Dabei besteht eine Beziehung zwischen dem inneren Widerstand des Elements (Elementgleichstromimpedanz) ZDC und der Element­ temperatur, bei der der innere Widerstand ZDC des Elements gemäß der Darstellung in Fig. 11 stark ansteigt, wenn die Elementtemperatur vermindert wird.

Fig. 7 zeigt Einzelheiten des Temperaturerfassungs- Zeitbestimmungsprogramms (Schritt 300) gemäß Fig. 5. In Schritt 301 wird zuerst der Wert 1 vom Temperatur­ erfassungs-Zeitzählwert CZDC subtrahiert, wobei der Temperaturerfassungs-Zeitzählwert CZDC auf 50 zurück­ gesetzt ist, d. h. auf 100 ms unmittelbar nach dem Einschalten des Zündschalters. In Schritt 302 wird bewertet, ob der Temperaturerfassungs-Zeitzählwert CZDC gleich 0 ist. Wird bewertet, daß der Temperatur­ erfassungs-Zeitzählwert CZDC in Schritt 302 gleich 0 ist, dann ist der Zeitpunkt für eine Erfassung der Temperatur erreicht. Das Programm geht daher zu Schritt 303 über, in welchem eine Temperaturerfassungszeit-Einschaltmarke XTMP auf 1 gesetzt wird, und das Programm geht sodann zu Schritt 304. Wird bewertet, daß der Temperaturerfassungs- Zeitzählwert CZDC nicht gleich 0 ist, dann ist die Zeit zur Erfassung der Temperatur noch nicht erreicht. Daher wird danach kein Betrieb durchgeführt, und das Temperaturerfassungs-Zeitprogramm wird durchlaufen.

In Schritt 304 wird bewertet, ob der innere Widerstand ZDC des Elements größer als ein erster vorbestimmter Wert ZDC1 ist (beispielsweise 30 Ω, entsprechend 700°C, der Temperatur, bei der der Sauerstoffsensor S ausreichend aktiviert ist). Das Programm geht sodann zu Schritt 305 über, wenn in Schritt 304 bewertet wird, daß der innere Widerstand ZDC des Elements größer als der vorbestimmte Wert ZDC1 ist. Wird dagegen in Schritt 304 bestimmt, daß der innere Widerstand ZDC des Elements nicht größer als der vorbestimmte Wert ZDC1 ist, dann wird daraus geschlossen, daß der Sauerstoffsensor S noch nicht ausreichend aktiviert ist. Das Programm geht daher zu Schritt 306 über, in welchem der Temperaturerfassungs- Zeitzählwert CZDC auf 500 gesetzt wird, d. h. auf eine relativ lange Zeitdauer von einer Sekunde. Danach wird das Temperaturerfassungs-Zeitprogramm durchlaufen.

In Schritt 305 wird sodann bewertet, ob der innere Widerstand ZDC des Elements größer als ein zweiter vorbestimmter Wert ZDC2 (beispielsweise 90 Ω, entsprechend 600°C, der Temperatur, bei der der Sauerstoffsensor S bis zu einem gewissen Grad aktiviert ist) ist, wobei der zweite vorbestimmte Wert ZDC2 größer als der erste vorbestimmte Wert ZDC1 ist. Wird in Schritt 305 bestimmt, daß der innere Widerstand ZDC größer als der zweite vorbestimmte Wert ZDC2 ist, dann wird daraus geschlossen, daß der Sauerstoffsensor S noch nicht aktiviert ist. Das Programm geht daher zu Schritt 308 über, in welchem die Positivvorspannungs-Einschaltmarke XTMPTMO (für ständig positive Vorspannung) auf 1 gesetzt wird, worauf das Programm zu Schritt 310 übergeht. Dabei ist zu beachten, daß die Positivvorspannungs- Einschaltmarke XTMPTMO anfänglich unmittelbar nach dem Einschalten des Zündschalters auf 1 gesetzt wird.

Wird bewertet, daß der innere Widerstand ZDC des Elements nicht größer als der zweite vorbestimmte Wert ZDC2 in Schritt 305 ist, dann wird daraus geschlossen, daß der Sauerstoffsensor S bis zu einem gewissen Grad aktiviert ist. Das Programm geht daher zu Schritt 309 über. Die Positivvorspannungs-Einschaltmarke XTMPTMO wird auf 0 zurückgesetzt und das Programm geht zu Schritt 310 über. In Schritt 310 wird der Temperaturerfassungs-Zeitzählwert CZDC auf 50 gesetzt, d. h. auf eine relativ kurze Zeitdauer von 100 ms. Damit ist das Temperaturerfassungs- Zeitprogramm durchlaufen.

Fig. 8 zeigt im einzelnen das Bestimmungsprogramm für die elektromotorische Kraft und für allmähliche Änderungen (Schritt 400). In Schritt 401 wird zuerst bestimmt, ob die Temperaturerfassungs-Zeitmarke XTMP auf 1 gesetzt ist. Wird bestimmt, daß die Temperaturerfassungs- Zeitmarke XTMP in Schritt 401 nicht gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 402 über, in welchem bewertet wird, ob die Positivvorspannungs-Einschaltmarke XTMPTMO gleich 1 ist. Wird bestimmt, daß die Positivvorspannungs-Einschaltmarke XTMPTMO für ständig positive Vorspannung in Schritt 402 nicht gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 403 über. Wird bewertet, daß die Positivvorspannungs-Einschaltmarke XTMPTMO in Schritt 402 gleich 1 ist, dann wird kein Betrieb durchgeführt und das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen wird durchlaufen.

In Schritt 403 wird bewertet, ob die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr gleich der Spannung Vpos eines positiven gewünschten Werts ist. Wird bewertet, daß die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr gleich der Spannung Vpos des positiven gewünschten Werts ist, dann wird kein Betrieb durchgeführt und das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen wird durchlaufen. Wird bewertet, daß die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr nicht gleich der Spannung Vpos des positiven gewünschten Werts ist, dann geht das Programm zu Schritt 404 über, und es wird sodann eine Spannung entsprechend einer Differenz zwischen der Spannung Vr und dem gewünschten Wert Vpos zur Spannung Vr addiert zur Durchführung einer Korrektur, so daß die als nächstes zugeführte Spannung Vr gleich der Spannung Vpos des gewünschten Werts ist. Danach wird das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen durchlaufen.

Wird bestimmt, daß die Temperaturerfassungs-Zeitmarke XTMP in Schritt 401 gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 418 über, in welchem bestimmt wird, ob die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM gleich 1 ist. Wird bestimmt, daß die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM in Schritt 418 gleich 1 ist, dann wird daraus geschlossen, daß die Zeit zur Bestimmung der Temperatur erreicht ist. Daher wird kein Betrieb durchgeführt und das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen wird durchlaufen. Wird bewertet, daß die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM nicht gleich 1 ist, dann wird daraus geschlossen, daß die Zeit zur Bestimmung der Temperatur noch nicht erreicht ist. Daher geht das Programm zu Schritt 405 über, in welchem bestimmt wird, ob die Positivvorspannungs- Einschaltmarke XTMPTMO für eine ständig positive Vorspannung gleich 1 ist. Wird bewertet, daß die Positivvorspannungs-Einschaltmarke XTMPTMO in Schritt 405 nicht gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 406 über, in welchem bestimmt wird, ob eine Nachtemperatur- Bestimmungsmarke XAFTMP gleich 1 ist. Dabei ist zu beachten, daß die Nachtemperatur-Bestimmungsmarke XAFTMP unmittelbar nach dem Einschalten des Zündschalters anfänglich auf 0 gesetzt ist. Wird bestimmt, daß die Nachtemperatur-Bestimmungsmarke XAFTMP in Schritt 406 nicht gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 407 über, in welchem die als nächstes dem Sauerstoffsensor S zuzuführende Spannung Vr erhalten wird durch Subtrahieren einer sehr kleinen vorbestimmten Spannung Kvr (von beispielsweise 0.01 V) von der dem Sauerstoffsensor S zugeführten Spannung Vr. Das Programm geht sodann zu Schritt 408 über, in welchem der Wert 1 zu einem Spannungskurzzeit-Unterbrechungszählwert CPOEN in Schritt 408 addiert wird, worauf das Programm zu Schritt 409 übergeht.

In Schritt 409 wird bestimmt, ob der Spannungskurzzeit- Unterbrechungszählwert CPOEN größer als ein Spannungskurzzeit-Unterbrechungseinstellwert KCPOEN (von beispielsweise 4 = 8 ms) ist. Wird bewertet, daß der Spannungskurzzeit-Unterbrechungszählwert CPOEN nicht höher als der Spannungskurzzeit-Unterbrechungs­ einstellwert KCPOEN in Schritt 409 ist, dann wird das Bestimmungsprogramm für die elektromotorische Kraft und die allmählichen Änderungen durchlaufen. Wird bewertet, daß der Spannungskurzzeit-Unterbrechungszählwert CPOEN größer als der Spannungskurzzeit-Unterbrechungs­ einstellwert KCPOEN in Schritt 409 ist, dann geht das Programm zu Schritt 410 über, in welchem der Spannungskurzzeit-Unterbrechungszählwert CPOEN auf 0 rückgesetzt wird. Danach geht das Programm mit 411 zu einem Programm zur Erfassung der elektromotorischen Kraft über.

Fig. 12 zeigt das Programm zur Erfassung der elektromotorischen Kraft gemäß Schritt 411. Zuerst wird ein Befehl zum Blockieren des Halbleiterschalters 55 in Schritt 121 ausgegeben, und es wird eine im Sauerstoffsensor S infolge des Blockierens des Halbleiterschalters 55 erzeugte elektromotorische Kraft in Schritt 122 ermittelt. Das Programm geht sodann zu Schritt 123 über, in welchem ein Befehl zum Versetzen des Halbleiterschalters 55 in einen leitenden Zustand schnell bereitgestellt wird. Bei dem Programm zur Erfassung der elektromotorischen Kraft wird der Halbleiterschalter 55 kurzzeitig blockiert (ausgeschaltet), wenn der Schwellen­ strom Ipos durch den Sauerstoffsensor S fließt, und es wird sodann eine elektromotorische Kraft Ve (vom selben Wert wie die elektromotorische Kraft Ve, die im Sauerstoffsensor S induziert wird, wenn der Schwellen­ strom Ipos durch den Sauerstoffsensor S fließt), die im Sauerstoffsensor S gemäß Fig. 13 induziert wird, ermittelt wird.

In Schritt 412 wird bestimmt, ob die elektromotorische Kraft Ve kleiner ist als eine sehr klein eingestellte elektromotorische Kraft Kve (von beispielsweise 0.02 V). Wird bewertet, daß die elektromotorische Kraft Ve kleiner als die klein eingestellte elektromotorische Kraft Kve in Schritt 412 ist, dann geht das Programm zu Schritt 413 über, da die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung einen Wert nahe dem Ende der Niederspannungsseite innerhalb des Schwellenstrombereichs aufweist, und die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM wird auf 1 gesetzt. Danach wird das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen durchlaufen. Die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM wird anfänglich unmittelbar nach dem Einschalten des Zündschalters auf 1 gesetzt. Wird bewertet, daß die elektromotorische Kraft Ve nicht kleiner als die klein eingestellte elektromotorische Kraft Kve in Schritt 412 ist, dann wird das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen durchlaufen. Wird bewertet, daß die Vorspannungs- Einschaltmarke XTMPTMO für eine ständig positive Vorspannung in Schritt 405 gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 413 über.

Wird in Schritt 406 bewertet, daß die Nachtemperatur- Bestimmungsmarke XAFTMP gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 414 über, in welchem die kleine vorbestimmte Spannung Kvr (von beispielsweise 0.01 V) zu der dem Sauerstoffsensor S zugeführten Spannung Vr addiert wird zur Erzielung der als nächstes dem Sauerstoffsensor S zuzuführenden Spannung Vr. Das Programm geht sodann zu Schritt 415 über. In Schritt 415 wird überprüft, ob die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr größer als die Spannung Vpos eines positiven gewünschten Werts ist. Wird bestimmt, daß die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr nicht höher als die Spannung Vpos des positiven gewünschten Werts in Schritt 415 ist, dann wird das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen durchlaufen. Wird in Schritt 415 bestimmt, daß die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr höher als die Spannung Vpos des positiven gewünschten Werts ist, dann geht das Programm zu Schritt 416 über, in welchem die Temperaturerfassungs-Zeitmarke XTMP auf 0 zurückgesetzt wird. Danach geht das Programm zu Schritt 417 über, in welchem die Nachtemperatur-Bestimmungsmarke XAFTMP auf 0 zurückgesetzt wird, und das Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen wird durchlaufen.

Fig. 9 zeigt Einzelheiten des Temperaturbestimmungs­ programms (Schritt 500) gemäß Fig. 5. In Schritt 501 wird bestimmt, ob die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM gleich 1 ist. Wird in Schritt 501 bestimmt, daß die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM nicht gleich 1 ist, dann wird kein Betrieb durchgeführt und das Temperaturbestimmungsprogramm wird durchlaufen. Wird hingegen in Schritt 501 bestimmt, daß die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM gleich 1 ist, dann geht das Programm zu Schritt 510 über, in welchem bestimmt wird, ob eine Temperaturanfangsbetriebs- Beendigungsmarke CTMPO gleich 0 ist zur Anzeige, daß ein auf das Temperaturerfassungsprogramm folgender Anfangsbetrieb beendet ist.

Wird bewertet, daß die Temperaturanfangsbetriebs- Beendigungsmarke CTMPO in Schritt 510 gleich 0 ist, dann geht das Programm zu Schritt 520 über, da der Anfangsbetrieb, der nach dem Temperaturerfassungsprogramm aufgenommen wurde, beendet ist. Wird bewertet, daß die Temperaturanfangsbetriebs-Beendigungsmarke CTMPO gleich 0 ist, dann geht das Programm zu Schritt 502 über, da der nach dem Temperaturerfassungsprogramm durchgeführte Anfangsbetrieb noch nicht beendet ist. In Schritt 502 wird die gegenwärtig dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung Vr als eine Spannung Vp unmittelbar vor der Temperaturmessung gespeichert, die Temperatur­ anfangsbetriebs-Beendigungsmarke CTMPO wird auf 1 gesetzt und eine Temperaturerfassungs-Beendigungsmarke FPV zur Anzeige der Beendigung der Temperaturerfassung wird auf 0 zurückgesetzt. Danach geht das Programm zu Schritt 520 über.

In Schritt 520 wird bestimmt, ob die Temperaturerfassungs-Beendigungsmarke FPV gleich 0 ist. Wird bestimmt, daß die Temperaturerfassungs- Beendigungsmarke FPV nicht gleich 0 ist, dann geht das Programm zu Schritt 530 über. Wird bestimmt, daß die Temperaturerfassungs-Beendigungsmarke FPV gleich 0 ist, dann geht das Programm zu Schritt 503 über. In Schritt 503 wird die dem Sauerstoffsensor S zuzuführende Spannung auf eine negative Temperaturmeßspannung Vneg (von beispielsweise -300 mV) gesetzt und zu dem Temperaturmeß- Zählwert CTMP wird der Wert 1 addiert. Danach geht das Programm zu Schritt 505 über.

In Schritt 505 wird bestimmt, ob der Temperaturmeß- Zählwert CTMP größer als der Temperaturmeß-Einstellwert KCTMP (beispielsweise 2 = 4 ms) ist. Wird bewertet, daß der Temperaturmeß-Zählwert CTMP nicht höher als der Temperaturmeß-Einstellwert KCTMP ist, dann wird das Temperaturbestimmungsprogramm durchlaufen. Wird bestimmt, daß der Temperaturmeß-Zählwert CTMP höher als der Temperaturmeß-Einstellwert KCTMP in Schritt 505 ist, dann geht das Programm zu Schritt 506 über. In Schritt 506 wird der Temperaturstrom Ineg des Sauerstoffsensors S, der mittels der Stromerfassungsschaltung 50 erfaßt wurde, dem A/D-Wandler 60 zugeführt und erfaßt, und es wird ein innerer Widerstand ZDC des Sauerstoffsensors S gemäß der Gleichung ZDC = Vneg/Ineg unter Verwendung des Temperaturstroms Ineg und der Temperaturmeßspannung Vneg in Verbindung mit den in Fig. 13 gezeigten Strom- Spannungs-Kennlinien des Sauerstoffsensors S berechnet. Sodann wird die Temperaturerfassungs-Beendigungsmarke FPV auf 1 gesetzt und der positive Spannungszuführungs- Zählwert CPV wird auf 0 zurückgesetzt.

In Schritt 530 wird der Wert 1 zu dem positiven Spannungszuführungs-Zählwert CPV addiert, die dem Sauerstoffsensor S zuzuführende Spannung Vr wird erhalten durch Addieren einer vorbestimmten positiven Spannung Vplus zu der in Schritt 502 gespeicherten Spannung Vp unmittelbar vor der Temperaturmessung, und das Programm geht sodann zu Schritt 504 über. In Schritt 504 wird bestimmt, ob der positive Spannungszuführungs-Zählwert CPV größer als der vorbestimmte Wert KCPV (beispielsweise 1 = 2 ms) ist, und wird bestimmt, daß der positive Spannungszuführungs-Zählwert CPV nicht höher als der vorbestimmte Wert KCPV ist, dann wird das Temperaturbestimmungsprogramm durchlaufen. Wird bewertet, daß der positive Spannungszuführungs-Zählwert CPV größer als der vorbestimmte Wert KCPV ist, dann geht das Programm zu Schritt 508 über.

In Schritt 508 wird die dem Sauerstoffsensor S zuzuführende Spannung Vr auf die in Schritt 502 gespeicherte Spannung Vp unmittelbar vor der Temperaturmessung gesetzt, worauf das Programm zu Schritt 509 übergeht. In Schritt 509 wird die Temperaturbestimmungs-Zeitmarke XTMPTM auf 0 zurück­ gesetzt, die Nachtemperatur-Bestimmungsmarke XAFTMP wird auf 1 gesetzt, der Temperaturmeß-Zählwert CTMP wird auf 0 zurückgesetzt und die Temperaturanfangsbetriebs- Beendigungsmarke CTMPO wird auf 0 zurückgesetzt.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung des Ausführungs­ beispiels wird beim Einschalten des Zündschalters infolge des anfänglich nicht aktivierten Sauerstoffsensors S eine negative Temperaturmeßspannung Vneg dem Sauerstoffsensor S ständig zugeführt und der innere Widerstand ZDC des Sauerstoffsensors S wird mit einer relativ kurzen Frequenz alle 100 ms erfaßt und die elektrische Leistung der Heizeinrichtung 26 wird mittels der Heiz­ steuerungsschaltung 80 auf der Basis des inneren Widerstands ZDC gesteuert, so daß der Sauerstoffsensor S früh aktiviert wird.

Wird der Sauerstoffsensor S bis zu dem Grad aktiviert, daß die Elementtemperatur den Wert von 600°C erreicht, dann wird dem Sauerstoffsensor S die Schwellenstrom- Meßspannung Vpos eines positiven gewünschten Werts zugeführt, so daß der Schwellenstrom Ipos des Sauerstoffsensors S oder das Luft-Brennstoffverhältnis der Maschine (d. h. die Sauerstoffkonzentration im Abgas) zyklisch mit einer Frequenz alle 2 ms erfaßt wird. Während dieser Zeitdauer mit einer relativ kurzen Temperaturerfassungsfrequenz alle 100 ms gemäß der Darstellung in Fig. 14A wird die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung allmählich von der Spannung Vpos eines positiven gewünschten Werts um 0.01 V alle 2 ms vermindert und danach wird die zugeführte Spannung des Sauerstoffsensors S kurzzeitig alle 8 ms unterbrochen, so daß die im Sauerstoffsensor S induzierte elektro­ motorische Kraft Ve während dieser Unterbrechungs­ zeitdauer ermittelt werden kann.

Ist die elektromotorische Kraft kleiner als die klein eingestellte Spannung von 0.02 V, dann wird danach alle 4 ms dem Sauerstoffsensor S eine negative Temperatur­ meßspannung Vneg zugeführt, und es wird danach der innere Widerstand ZDC des Sauerstoffsensors S oder die Elementtemperatur erfaßt. Danach wird eine durch Addieren der positiven Spannung Vplus zur Spannung Vp unmittelbar vor der Temperaturmessung, die dem Sauerstoffsensor S unmittelbar vor der Temperaturmeßspannung Vneg zugeführt wird, dem Sauerstoffsensor S während einer kurzen Zeitdauer von 2 ms zugeführt. Danach wird die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung allmählich um 0.01 V alle 2 ms von der Spannung unmittelbar vor der Temperaturmeßspannung Vp vergrößert, bis eine positive gewünschte Schwellenstrom-Meßspannung Vpos erreicht ist. Durch die Steuerung einer dem Sauerstoffsensor S gemäß der vorstehenden Beschreibung zugeführten Spannung fließt der in Fig. 14B angegebene Strom durch den Sauerstoffsensor S. Danach wird in gleicher Weise alle 2 ms der Schwellenstrom Ipos des Sauerstoffsensors S oder das Luft-Brennstoffverhältnis der Maschine nahezu kontinuierlich erfaßt. Ferner wird mit einer relativ kurzen Frequenz alle 100 ms der innere Widerstand ZDC des Elements oder die Elementtemperatur erfaßt. Hierbei beträgt die Zeitdauer, während der das Luft- Brennstoffverhältnis nicht mit einer Frequenz von jeweils 2 ms ermittelt werden kann, lediglich 8 ms während der Erfassung der Elementtemperatur.

Da sich ferner die Änderung der Elementtemperatur vermindert, wenn der Sauerstoffsensor S ausreichend aktiviert ist und die Elementtemperatur 700°C erreicht, wird der Temperaturerfassungszyklus alle 100 ms auf eine relativ lange Zeitdauer alle 1 s geändert. In gleicher Weise gemäß der vorstehenden Beschreibung wird das Luft- Brennstoffverhältnis annähernd kontinuierlich mittels einer Frequenz alle 2 ms ermittelt. Durch Verlängern der Temperaturerfassungsfrequenz wie vorstehend ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit zur Erfassung des Luft- Brennstoffverhältnisses zu vergrößern.

In Fig. 15 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild des Sauerstoffsensors S angegeben. In Fig. 15 entspricht R0 einem inneren Widerstand in einem Widerstandssteuerungs­ bereich (einem Bereich, bei dem ein Strom zwischen beiden Elektroden des Sauerstoffsensors S proportional zu der zwischen den Elektrodenanschlüssen des Sauerstoffsensors S anliegenden Spannung Vr fließt) und R2 bezeichnet einen Widerstand in einer Schnittstelle zwischen einem Elektrolyten und einer Elektrode in dem Überspannungs­ bereich (ein Bereich, in welchem ein im wesentlichen konstanter Schwellenstrom zwischen beiden Elektroden des Sauerstoffsensors S fließt, unabhängig von der an die Elektrodenanschlüsse des Sauerstoffsensors S angelegten Spannung Vr). C1 bezeichnet eine elektrostatische Kapazität der Schnittstelle. Wird somit der Überspannungsbereich in einen Widerstandssteuerungs­ bereich geändert zur Messung des Innenwiderstands, wenn der Schwellenstrom gemessen wird oder wenn der Widerstandssteuerungsbereich zum Überspannungsbereich geändert wird zur Messung des Schwellenstroms nach der Messung des Innenwiderstands (gemäß Fig. 16), dann konvergiert der Sensorstrom eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Auftreten des jeweils positiven und negativen Spitzenwerts infolge des Einflusses einer in der elektrostatischen Kapazität C1 der Schnittstelle angesammelten elektrischen Ladung gegen einen stabilen Wert.

Hierbei kann jeder Spitzenwert zum Zeitpunkt einer Änderung der Spannung vermindert werden, wie es im Ablaufdiagramm von Fig. 8 dargestellt wird, durch allmähliches Vergrößern oder Verkleinern der dem Sauerstoffsensor S zugeführten Spannung zur Verminderung der im Sauerstoffsensor S zum Zeitpunkt einer Änderung der Spannung induzierten elektromotorischen Kraft. Somit kann die Stabilisierungszeit des Stroms des Sauerstoffsensors S vermindert werden. Zusätzlich kann gemäß dem beschriebenen Ablaufdiagramm von Fig. 9 durch Zuführen einer durch Addieren einer vorbestimmten positiven Spannung Vplus zu der Spannung Vp unmittelbar vor der Temperaturmessung erhaltenen Spannung zum Sauerstoffsensor S während einer kurzen Zeitdauer, bei der der Widerstandssteuerungsbereich in den Über­ spannungsbereich geändert wird, die Entladung und Wiederaufladung der elektrischen Ladung in der elektrostatischen Kapazität C1 der Schnittstelle schnell beendet werden, so daß die Stabilisierungszeit des Stroms durch den Sauerstoffsensor S weiter vermindert werden kann.

Dabei ist als vorbestimmte positive Spannung Vplus jede Konstantspannung von 0.2 V bis 0.8 V anwendbar oder der Spannungswert kann in Abhängigkeit von dem erfaßten Schwellenstromwert schwanken. Die Zeitdauer, während der die Spannung, die erhalten wird durch Addieren der vorbestimmten positiven Spannung Vplus zur Spannung Vp unmittelbar vor der Temperaturmessung, dem Sauer­ stoffsensor S während einer kurzen Zeitdauer zugeführt wird, kann etwa 1 bis 2 ms betragen. Dabei besteht jedoch eine Beziehung in der Weise, daß bei Vergrößerung entweder der Zeitdauer oder der vorbestimmten positiven Spannung Vplus der jeweils andere Wert vermindert wird. Werden beide Werte ausgeglichen, dann ist es möglich, die Zeitdauer, während der die Erfassung unmöglich ist, wirksam zu vermindern.

Fig. 16 zeigt den Sauerstoffsensor S und eine Spannungs­ kennlinie eines vergleichbaren Falls, bei welchem die Schritte 530 und 540 aus dem Ablaufdiagramm von Fig. 9 weggelassen sind. Da es länger als 5 ms dauert, bis der Sensorstrom gegen seinen stabilen Zustand konvergiert, wenn im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels der Widerstandssteuerungsbereich zum Überspannungsbereich geändert wird, wird der Sensorstrom auf den konvergierten Wert im wesentlichen zu derselben Zeit stabilisiert, wenn die Addition gemäß Fig. 17 und durch die Position 2 in Fig. 1 der vorbestimmten positiven Spannung Vplus beendet ist, so daß die zur Stabilisierung des Sensorstroms gegen den Konvergenzwert erforderliche Zeit auf weniger als die Hälfte im Vergleich zum Vergleichsbeispiel vermindert werden kann.

Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann trotz des Zuführens einer negativen Konstantspannung zum Sauerstoffsensor S als Temperaturmeßspannung in Schritt 503 gemäß Fig. 9 eine Spannung als Temperaturmeßspannung zugeführt werden, die erhalten wird durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spannung von einer Spannung unmittelbar vor dem Zuführen der Temperaturmeßspannung.

Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispiel die Temperaturmeßspannung auf eine Spannung niedriger als die Schwellenstrom-Meßspannung eingestellt wird, kann im Gegenteil die Temperaturmeßspannung höher als die Schwellenstrom-Meßspannung eingestellt werden. Ändert sich in diesem Fall die Temperaturmeßspannung zur Schwellenstrom-Meßspannung, dann kann eine vorbestimmte positive Spannung während einer kurzen Zeitdauer anstelle der vorbestimmten positiven Spannung, wenn sich die Temperaturmeßspannung zur Schwellenstrom-Meßspannung ändert, addiert werden.

Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispiel die dem Sauerstoffsensor S zugeführte Spannung allmählich in dem in Fig. 8 gezeigten Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen allmählich vermindert oder vergrößert wird und in dem Sauerstoffsensor S zum Zeitpunkt einer Änderung in der Spannung induziert wird zur Verminderung der elektromotorischen Kraft auf einen vorbestimmten Wert, zur Verminderung der Spitzenspannung und Verkürzung einer Zeitdauer, während der die Erfassung unmöglich ist, kann das in Fig. 8 gezeigte Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen weggelassen werden, und es kann die Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung bei einer Schätzung des Konvergenzstroms durch Erfassen eines konvergierten Stroms (gemäß der Beschreibung in der US Patentschrift Nr. 5 405 521) angewendet werden.

Obwohl in Schritt 506 gemäß Fig. 9 des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der Innenwiderstand ZDC des Sauerstoffsensors S gemäß einer arithmetischen Berechnung ZDC = Vneg/Ineg auf der Basis der Sensorspannung-Stromkennlinie unter Verwendung des Temperaturstroms Ineg und der Temperaturmeßspannung Vneg, die auftritt, wenn dem Temperaturmeßsensor S die Temperaturmeßspannung zugeführt wird, berechnet wird, ist es möglich, den Innenwiderstand ZDC des Sauerstoffsensors S auf der Basis der Berechnung ZDC = (Vpos-Vneg)/ (Ipos-Ineg) zu ermitteln, unter Verwendung der Schwellenstrom-Meßspannung Vpos unmittelbar vor dem Zuführen der Temperaturmeßspannung, und dem Schwellenstrom Ipos unmittelbar vor dem Zuführen der Temperaturmeßspannung. Auf diese Weise ist es möglich, das in Fig. 8 gezeigte Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen wegzulassen.

Die Vorspannungs-Steuerungsschaltung 40 und Schritt 203 entsprechen der Schwellenstrom-Meßspannungs-Zuführungs­ einrichtung der Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung. Die Vorspannungs-Steuerungsschaltung und Schritt 503 entsprechen der Temperaturmeßspannungs-Zuführungs­ einrichtung. Die Schritte 508, 530 und 540 entsprechen 20 der Spannungsänderungs-Steuerungseinrichtung und Schritt 201 entspricht der Schwellenstrom-Erfassungseinrichtung. Schritt 506 entspricht der Elementtemperatur- Erfassungseinrichtung und der Erfassungseinrichtung für den inneren Widerstand. Die Schritte 407 bis 412 entsprechen der Spannungsdämpfungseinrichtung und die Schritte 301 und 303 bis 310 entsprechen der Frequenzbestimmungseinrichtung.

Zweites Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung beschrieben. Die Beschreibung beschränkt sich jedoch auf die Unterschiede zur Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Obwohl gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung die Luft- Brennstoffverhältnis-Erfassungseinrichtung unter Ver­ wendung eines tassenförmigen Luft-Brennstoffverhältnis­ sensors S zur Erfassung des Luft-Brennstoffverhältnisses aus einem Schwellenstrom, der in Verbindung mit einer an den Sensor 30 angelegten Spannung fließt, aufgebaut ist, kann gemäß dem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel der Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung die Luft- Brennstoffverhältnis-Erfassungseinrichtung unter Ver­ wendung eines Luft-Brennstoffverhältnissensors SA vom Integrationstyp anstelle des zuvor verwendeten Luft- Brennstoffverhältnissensors (Sauerstoffsensor S) ver­ wendet werden. Nachstehend werden nun der Aufbau und die Wirkungsweise des Luft-Brennstoffverhältnissensors vom Integrationstyp unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben.

Fig. 18 zeigt eine Schnittansicht des Luft- Brennstoffverhältnissensors SA vom Integrationstyp. Der Luft-Brennstoffverhältnissensor SA vom Integrationstyp umfaßt zwei Festelektrolytschichten 61 und 62, bestehend aus Zirkonium, die jeweils im allgemeinen als Pumpzelle (Festelektrolytschicht 61) und als Meßzelle (Festelektrolytschicht 62) bezeichnet werden. Ein Diffusionsspalt 63 ist als ein Sauerstoffkonzentrations- Bestimmungsraum unterhalb der Festelektrolytschicht 61 vorgesehen und ein Luftkanal 64 ist als Atmosphärendruckkammer unterhalb der Festelektrolyt­ schicht 62 vorgesehen. Eine feine Öffnung bzw. bin Nadelloch 65 ist in der Festelektrolytschicht 61 in der Weise vorgesehen, daß Abgas in den Diffusionsspalt 63 über dieses Nadelloch 65 eintreten kann. Die Bezugszeichen 66 bezeichnen Heizgeräte zum Aufheizen des Luft-Brennstoffverhältnissensors SA.

Platinelektroden 67 und 68 sind an den oberen und unteren Oberflächen der Festelektrolytschicht 61 (Pumpzelle) und Platinelektroden 69 und 74 sind an der oberen und unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 62 (Meßzelle) angeordnet. Ein Anschluß 71 ist mit der Elektrode 67, ein Anschluß 72 ist mit den Elektroden 68 und 69 und ein Anschluß 73 ist mit der Elektrode 74 verbunden.

Das Arbeitsprinzip des Luft-Brennstoffverhältnissensors SA vom Integrationstyp wird nachstehend beschrieben. Fig. 19 zeigt eine grafische Darstellung der Kennlinien der elektromotorischen Kraft Vs des Sensors, die zwischen den Anschlüssen 72 und 73 erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die elektromotorische Kraft Vs durch die Sauerstoffkonzentration Pv im Diffusionsspalt 63 und die Sauerstoffkonzentration (die gleich der Sauerstoff­ konzentration der Atmosphäre ist) innerhalb des Luftkanals 64 in Verbindung mit der nachstehenden Gleichung (1) bestimmt.

Hierbei bezieht sich R auf die Gaskonstante, T auf die absolute Temperatur und F bildet die Faraday-Konstante.

Ferner ist die Sauerstoffkonzentration Pv im Diffusions­ spalt 63 normalerweise gleich der Sauerstoffkonzentration PA im Abgas. Wird nun das Luft-Brennstoffverhältnis fett, so daß sich die Sauerstoffkonzentration PA im Abgas vermindert, dann vermindert sich die Sauerstoff­ konzentration Pv ebenfalls im Diffusionsspalt 63, so daß die elektromotorische Kraft Vs ansteigt. Wird im umgekehrten Fall das Luft-Brennstoffverhältnis mager, dann steigt die Sauerstoffkonzentration Pv im Diffusionsspalt 63 an, so daß die elektromotorische Kraft Vs vermindert wird. Mittels des Anschlusses 73 wird die elektromotorische Kraft Vs erfaßt.

Wird nun eine Spannung Vp am Anschluß 71 zur Bewirkung eines Pumpstroms Ip angelegt, dann strömen Sauerstoffionen durch die Festelektrolytschicht 61, so daß die Sauerstoffkonzentration Pv im Diffusionsspalt 63 frei gesteuert werden kann. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Grundprinzip durch Erfassen der elektromotorischen Kraft Vs und durch anschließendes Steuern der am Anschluß 71 anzulegenden Spannung Vp, so daß der Wert konstant bleibt, ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration des Abgases oder das Luft- Brennstoffverhältnis aus dem Pumpstrom Ip zu bestimmen.

Dabei muß die Sauerstoffkonzentration Pv im Diffusions­ spalt 63 zu einer ständig konstanten Sauerstoff­ konzentration Pvo zur Steuerung der elektromotorischen Kraft Vs auf einen konstanten Pegel gebracht werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, eine Sauerstoffmenge entsprechend einer Differenz zwischen der Sauerstoff­ konzentration PA im Abgas und der Sauerstoffkonzentration Pvo zuzuführen. Dabei wird die Sauerstoffmenge entsprechend der Differenz zwischen den Werten PA und Pvo durch die Stärke des Pumpstroms Ip bestimmt. Daher kann die Sauerstoffkonzentration des Abgases (Luft- Brennstoffverhältnis) aus dem Pumpstrom Ip bestimmt (erfaßt) werden. Wird gemäß Fig. 19 die elektromotorische Kraft Vs bei einem Luft-Brennstoffverhältnis von 14.7 (wobei dieses leicht in Abhängigkeit vom Maschinentyp veränderlich ist) auf einen vorbestimmten Wert (von Vs = 0.45 V) gesteuert, dann sind die Kennlinien des Pumpstroms Ip und des Luft-Brennstoffverhältnisses derart, daß das Luft-Brennstoffverhältnis 14.7 beträgt und gemäß Fig. 20 gilt Ip = 0 mA. Die Kennliniendarstellung gemäß Fig. 20 zeigt, daß der positivseitige Pumpstrom Ip fließt, wenn das Luft- Brennstoffverhältnis mager wird, und der negativseitige Pumpstrom Ip fließt, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis fett wird.

Fig. 21 zeigt eine elektrische Schaltung einschließlich der Vorspannungs-Steuerungsschaltung 40 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Es wird jedoch hierbei lediglich auf die Unterschiede im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem tassenförmigen Luft- Brennstoffverhältnissensor nachstehend eingegangen.

Zusätzlich zu den Anschlüssen 71 und 72 (entsprechend den Anschlüssen 41a, 42b gemäß Fig. 4) für die Spannungs­ zufuhr des Elements umfaßt der Luft-Brennstoff­ verhältnissensor SA vom Integrationstyp einen weiteren Anschluß 73 zur Erfassung der elektromotorischen Kraft. In diesem Fall wird die elektromotorische Kraft Vs am Anschluß 73 erfaßt, wobei ein Operationsverstärker 75 die elektromotorische Kraft Vs mit einer Referenzspannung Vso vergleicht und das Vergleichsergebnis verstärkt und ausgibt. Ferner wird das verstärkte Signal der zweiten Spannungszuführungsschaltung 47 zugeführt und eine Differenz des Signals von einem D/A-Wandler 46 erhalten. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit dem tassenförmigen Sensor wurde die zweite Spannungszuführungsschaltung 47 von einer Spannungs­ folgerschaltung zu einer Differenzverstärkerschaltung geändert. Im Vergleich zu Fig. 4 ist ferner der Halbleiterschalter 55 weggelassen, so daß auf das in Fig. 8 gezeigte Programm zur Bestimmung der elektromotorischen Kraft und der allmählichen Änderungen verzichtet werden kann zur Erfassung des Luft-Brennstoffverhältnisses und des Elementwiderstands.

Bei der vorliegenden Schaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Bezugsspannung Vso für einen Vergleichsvorgang des Operationsverstärkers 75 wie folgt eingestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Anpassung in der Weise, daß gilt Ip = 0 mA im Fall eines Luft-Brennstoffverhältnisses 14.7. Weist somit das Luft-Brennstoffverhältnis den Wert 14.7 auf, dann muß die Spannung am Anschluß 71 die gleiche sein wie diejenige am Anschluß 72, und wird angenommen, daß die Spannung zur Erfassung eines Ausgangssignals des D/A-Wandlers 46 Vp ist, dann wird die Bezugsspannung Vso für einen Vergleich in der Weise eingestellt, daß für das Ausgangssignal Vx des Operationsverstärkers 75 gilt (Vp-Va).

Gemäß dem Aufbau der angegebenen Schaltung wird bei einem fetter werdenden Abgas die elektromotorische Kraft Vs am Anschluß 73 vergrößert, so daß das Ausgangssignal des Operationsverstärker 75 ebenfalls größer wird. Sodann vermindert sich die Ausgangsspannung Vc der Spannungs­ zuführungsschaltung 47, so daß die am Anschluß 71 anliegende Spannung vermindert wird. Folglich fließt der Pumpstrom Ip in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen in Fig. 18 (es fließt der negative Pumpstrom Ip), so daß dem Diffusionsspalt 63 Sauerstoff zugeführt wird. Wird das Abgas demgegenüber mager, dann fließt ein positiver Pumpstrom Ip und gleichzeitig wird Sauerstoff aus dem Diffusionsspalt 63 herausgepumpt.

Bei der Luft-Brennstoffverhältnis-Erfassungseinrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Elementtemperatur des Luft- Bennstoffverhältnissensors SA vom Integrationstyp in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ermittelt werden. Ferner ist es beim Umschalten von der Temperaturmeßspannung zur Strommeßspannung nach Erfassung der Elementtemperatur durch Zuführen einer Spannung in einer Richtung entgegengesetzt zur Temperaturmeßspannung während einer kurzen Zeitdauer und anschließendes Speichern der Strommeßspannung möglich, die Zeit, während der die Sauerstoffkonzentration nicht erfaßt werden kann, wirksam zu verkürzen.

Somit erfolgt zur Erzielung eines innerhalb einer kurzen Zeit stattfindenden Umschaltens von der Erfassung eines Innenwiderstands ZDC eines Sauerstoffsensors S zur Erfassung eines Schwellenstroms Ipos das Anlegen einer positiven gewünschten Spannung Vpos zur Messung des Schwellenstroms Ipos, und sodann wird eine negative Spannung Vneg zur Messung einer Temperatur an den Sauerstoffsensor S während einer kurzen Zeitdauer angelegt zur Erfassung des Innenwiderstands ZDC des Sauerstoffsensors S. Wird danach die an den Sauerstoffsensor S angelegte Spannung Vneg in eine positive gewünschte Spannung Vpos zur Messung des Schwellenstroms Ipos geändert durch zeitweiliges Anlegen einer Spannung, die höher ist als die positive gewünschte Spannung an den Sauerstoffsensor S, dann kann eine Entladung oder Aufladung der elektrischen Ladungen der elektrostatischen Kapazitäten des Sauerstoffsensors S schnell vollendet werden zur Verminderung der für eine Konvergenz des Schwellenstroms Tpos erforderlichen Zeitdauer, wenn die Spannung geändert wird. Im Ergebnis ist es möglich, die Zeit zu vermindern, während der der Schwellenstrom Ipos nicht erfaßt werden kann.

Claims (6)

1. Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung, gekennzeichnet durch
einen Sauerstoffsensor (S) vom Schwellenstromtyp,
eine Schwellenstrom-Meßspannungs-Zuführungs­ einrichtung (40, 70, 203) zum Erzeugen einer Schwellenstrom-Meßspannung (Vpos),
eine Temperatur-Meßspannungs-Zuführungseinrichtung (40, 70, 503) zum Erzeugen einer Temperaturmeßspannung (Vneg), die zur Schwellenstrom-Meßspannung (Vpos) unterschiedlich ist,
eine Spannungsumschalt-Steuerungseinrichtung (43, 70, 508, 530, 540) zum Empfangen der Schwellenstrom- Meßspannung (Vpos) und der Temperaturmeßspannung (Vneg), zum Zuführen der Schwellenstrom-Meßspannung (Vpos) zum Sauerstoffsensor (S) und zum nachfolgenden Zuführen der Temperaturmeßspannung (Vneg) als eine höhere oder niedrigere Spannung im Vergleich zur Schwellenstrom- Meßspannung (Vpos) zum Sauerstoffsensor (S) während einer Übergangszeitdauer,
eine Schwellenstrom-Erfassungseinrichtung (40, 70, 201) zum Erfassen eines Schwellenstroms (Ipos) durch den Sauerstoffsensor (S), wenn die Spannungsumschalt- Steuerungseinrichtung (43, 70, 508, 530) die Schwellenstrom-Meßspannung (Vpos) dem Sauerstoffsensor (S) zuführt, und
eine Elementtemperatur-Erfassungseinrichtung (40, 70, 506) zur Erfassung einer Elementtemperatur des Sauerstoffsensors (S) auf der Basis eines durch den Sauerstoffsensor (S) fließenden Stroms (Ineg), wenn die Spannungsumschalt-Steuerungseinrichtung (40, 70, 508, 530) dem Sauerstoffsensor (S) die Temperaturmeßspannung (Vneg) zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch
eine Spannungsverminderungseinrichtung (70, 400 bis 417) zur allmählichen Verminderung der Schwellenstrom- Meßspannung (Vpos) von einem gewünschten Wert (Vpos), bis eine im Sauerstoffsensor (S) in der Nähe einer Grenze des Schwellenstroms (Ipos) erzeugte elektromotorische Kraft kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, wenn der Schwellenstrom (Ipos) erfaßt wird,
wobei die Temperaturmeßspannungs-Zuführungs­ einrichtung (40, 70, 503) ferner vorgesehen ist zur Zuführung der Temperaturmeßspannung (Vneg) zum Sauerstoffsensor (S), falls die dem Sauerstoffsensor (S) zugeführte Spannung auf den vorbestimmten Wert (Vpos) in der Nähe der Grenze des Schwellenstroms (Ipos) vermindert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementtemperatur-Erfassungs­ einrichtung (40, 70, 506) eine Innenwiderstands- Erfassungseinrichtung (40, 70, 506) umfaßt zur Bestimmung eines Innenwiderstands ZDC des Sauerstoffsensors (S) auf der Basis einer Gleichung ZDC = Vneg/Ineg, wobei Vneg eine Temperaturmeßspannung und Ineg einen Temperaturstrom bezeichnet, der erzeugt wird, wenn dem Sauerstoffsensor (S) die Temperaturmeßspannung Vneg zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementtemperatur-Erfassungseinrichtung (40, 70, 506) eine Innenwiderstands-Erfassungseinrichtung (40, 70, 506) umfaßt zur Bestimmung eines Innenwiderstands ZDC des Sauerstoffsensors (S) auf der Basis einer Gleichung ZDC = (Vpos-Vneg)/(Ipos-Ineg), bei der jeweils Vneg und Ineg eine Temperaturmeßspannung und einen Temperaturstrom bezeichnen, wenn die Temperaturmeßspannung dem Sauer­ stoffsensor (S) zugeführt wird, Vpos eine Schwellenstrom- Meßspannung unmittelbar vor Anlegen der Temperatur­ meßspannung, und Ipos einen Schwellenstrom unmittelbar vor Anlegen der Temperaturmeßspannung bezeichnen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner gekennzeichnet durch eine Frequenzbestimmungseinrichtung (70, 300 bis 310) zum wiederholten Steuern der Elementtemperatur-Erfassungseinrichtung (40, 70, 506) zur Erfassung des Schwellenstroms (Ipos) mit einer Frequenz niedriger als die Frequenz der Temperaturerfassung durch die Elementtemperatur-Erfassungseinrichtung (40, 70, 506).

6. Sauerstoffkonzentrations-Meßvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Sauerstoffmeßeinrichtung (S) zum Erzeugen eines Stroms entsprechend einer Sauerstoffkonzentration eines in Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung ermittelten Gases,
eine Temperaturmeßspannungs-Zuführungseinrichtung (40, 70, 503) zur Erzeugung einer Temperaturmeßspannung (Vneg), die zu einer Schwellenstrom-Meßspannung (Vpos) unterschiedlich ist,
eine Spannungsumschalt-Steuerungseinrichtung (43, 70, 508, 530, 540) zum Empfangen der Schwellenstrom- Meßspannung (Vpos) und der Temperatur-Meßspannung (Vneg), zum Zuführen der Schwellenstrom-Meßspannung (Vpos) zu dem Sauerstoffsensor (S) und zum nachfolgenden Zuführen der Temperaturmeßspannung (Vneg) als eine höhere oder niedrigere Spannung im Vergleich zur Schwellenstrom- Meßspannung (Vpos) zu dem Sauerstoffsensor (S) während einer Übergangszeitdauer,
eine Schwellenstrom-Erfassungseinrichtung (40, 70, 201) zum Erfassen eines durch den Sauerstoffsensor (S) fließenden Schwellenstroms (Ipos), wenn die Spannungsumschalt-Steuerungseinrichtung (43, 70, 508, 530) dem Sauerstoffsensor (S) eine Schwellenstrom- Meßspannung (Vpos) zuführt, und
eine Elementtemperatur-Erfassungseinrichtung (40, 70, 506) zum Erfassen einer Elementtemperatur des Sauerstoffsensors (S) auf der Basis eines durch den Sauerstoffsensor (S) fließenden Stroms (Ineg), wenn die Spannungsumschalteinrichtung (40, 70, 508, 530) dem Sauerstoffsensor (S) die Temperaturmeßspannung (Vneg) zuführt.