DE19728466A1

DE19728466A1 - Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung mit einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwertumschaltfunktion

Info

Publication number: DE19728466A1
Application number: DE19728466A
Authority: DE
Inventors: Masaya Fujimoto; Minoru Ohta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1998-01-08
Also published as: US6055972A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Regelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regel vorrichtung, bei der ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert umgeschaltet wird.

Als eine bekannte Technologie dieser Art ist eine Regelvor richtung in der japanischen Offenlegungsschrift Sho 63-223347 offenbart, wobei eine rückgekoppelte Steuerung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses bei einem auf einen halbaktivierten Zustand erhitzten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor durch Er fassen einer durch den Sensor entsprechend einer Z-Charakte ristik (stufenweise Ausgabeänderung) des Sensors ausgegebenen elektromotorischen Kraft durchgeführt wird. In diesem Fall wird die rückgekoppelte Steuerung auf das als Sollwert ver wendete stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis geregelt. Zusätzlich erfolgt bei auf einen vollaktivierten Zustand er hitztem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch Erfassen eines durch den Sensor entsprechend einer linearen Charakte ristik des Sensors ausgegebenen Grenzstroms.

In den letzten Jahren ist jedoch eine Tendenz in Richtung strengerer Abgasvorschriften zu beobachten, was zu Problemen bei der im wesentlichen bekannten Technologie zum Durchführen einer Regelung basierend auf dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnis im halbaktivierten Zustand führt, da eine zufriedenstellende Emissionsreduktion unter Beibehaltung guter Fahreigenschaften nicht möglich ist. Insbesondere erge ben sich Probleme unmittelbar nach einem Kaltstart des Ver brennungsmotors oder einem Starten bei niedriger Temperatur.

Darüber hinaus ist in jüngster Zeit selbst bei auf den hal baktivierten Zustand erhitzten Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensoren die Nachfrage nach einer Regelung des Luft-Kraft stoff-Verhältnisses auf einen bis zu einem gewissen Grad auf der mageren Seite (oder fetten Seite) befindlichen Wert in unmittelbarer Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Ver hältnispunkts gestiegen, mit dem Ziel der vorstehend be schriebenen Emissionsverringerung und Beibehaltung guter Fahreigenschaften. Die bekannten Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Regelvorrichtungen erfüllen diese Nachfrage jedoch nicht in zufriedenstellender Weise, was zur Problematik eines üblichen Warteerfordernisses bis zur Erhitzung des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor in den vollaktivierten Zustand führt.

Für den Fall eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, der lediglich die Z-Charakteristik zum stufenförmigen Ändern sei ner Ausgabe am stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis punkt aufweist, wie beispielsweise ein Sauerstoffsensor, wird die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bei Hochlastbetrieb und hoher Geschwindigkeit oder zur Verhinderung einer Über hitzung des Katalysators auf einen Wert auf der fetten Seite geregelt. In diesem Fall kann die rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nicht fortgeführt werden. Daher wird zeitweise eine Steuerung mit offener Regelschleife erzwungen, was zu einer Vielzahl von Problemen wie beispiels weise schädlichen Abgasemissionen führt.

Es ist zu beachten, daß auch in der japanischen Offenlegungs schrift Nr. Sho 58-158553 ein Verfahren zum Regeln des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp, d. h. eines grenz stromerzeugenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, als Ver fahren zum Regeln des Betriebs eines Verbrennungsmotors in einem mageren Bereich mit dem Ziel der Reduktion des Kraft stoffverbrauchs und der Menge an NOx (Stickstoffoxide) offen bart ist, anstelle einer auf dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnis basierenden Regelung (Luftüberschußverhältnis λ = 1).

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung für einen Verbren nungsmotor bereitzustellen, die eine Reduktion schädlicher Abgasemissionen und eine Beibehaltung guter Fahreigenschaften ermöglicht.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Verbesserung einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelcharakte ristik, wobei eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplung durch Ändern der Charakteristik der elektromotorischen Kraft eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors schnell gestartet werden kann und die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung auf einen von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis punkt verschiedenen Punkt durchgeführt werden kann.

Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung bereit gestellt mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit ei ner Festkörperelektrolytschicht und zumindest einem Paar von an beiden Seiten der Festkörperelektrolytschicht vorgesehenen Elektroden, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft ausgestaltet ist, die sich in einem Bereich in unmittelbarer Nähe zu einem stöchio metrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt stufenweise än dert, falls diesem kein Zwangsstrom extern zugeführt wird; einer Sensorcharakteristik-Änderungseinrichtung zum Ändern einer Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors in eine Charakteristik mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt, an dem sich die elektromotorische Kraft stufenweise ändert, und der von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt durch den Zwangsstrom von einer der Elektroden zu der anderen Elektrode des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors in einen mageren oder einen fetten Bereich verschoben wird; und einer Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (40, 50) zum Durchführen ei ner rückgekoppelten Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis ses unter Verwendung der durch die Sensorcharakteristik-Ände rungseinrichtung geänderten Charakteristik der elektromotori schen Kraft, wobei die geänderte Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft zum Feststellen, ob sich ein aktuel les Luft-Kraftstoff-Verhältnis im mageren oder fetten Bereich befindet, verwendet wird.

Dies bedeutet, daß die Charakteristik der elektromotorischen Kraft zeitweise entsprechend einem für die Betriebsbedingun gen des Verbrennungsmotors geeigneten Soll-Luft-Kraftstoff- Verhältnis beliebig geändert werden kann, wodurch eine rück gekoppelte Steuerung auf ein von dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt verschiedenes Luft-Kraftstoff-Ver hältnis ermöglicht wird. Wird die Charakteristik der elektro motorischen Kraft beispielsweise beim Starten des Verbren nungsmotors in eine Charakteristik mit stufenweiser Änderung der elektromotorischen Kraft an einem Luft-Kraftstoff-Ver hältnis im mageren Bereich geändert, so kann die Menge an beim Starten des Verbrennungsmotors ausgestoßenem HC durch Einführen einer auf dieser geänderten Charakteristik der elektromotorischen Kraft basierenden rückgekoppelten Steue rung reduziert werden. Darüber hinaus kann beim Ändern der Charakteristik der elektromotorischen Kraft in eine Charakte ristik mit stufenweiser Änderung der elektromotorischen Kraft an einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis im fetten Bereich die rückgekoppelte Steuerung während einer nach vollständiger Er wärmung des Verbrennungsmotors stattfindenden Beschleunigung durch Einführen einer auf dieser geänderten Charakteristik der elektromotorischen Kraft basierenden rückgekoppelten Steuerung selbst während eines Betriebs des Verbrennungsmo tors unter hoher Last fortgeführt werden.

Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung bereit gestellt, mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit ei ner Festkörperelektrolytschicht und zumindest einem Paar von auf beiden Seiten der Festkörperelektrolytschicht vorgesehe nen Elektroden, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ausgestaltet ist zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft, die sich in einem Bereich in unmittelbarer Nähe eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkts stufen weise ändert, falls diesem kein Zwangsstrom extern zugeführt wird; einer Aktivierungszustands-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einem halbaktivierten oder einem vollaktivierten Zustand be findet; einer Sensorcharakteristik-Änderungseinrichtung zum Ändern einer Erzeugungscharakteristik einer elektromotori schen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wenn die Bestimmungseinrichtung feststellt, daß sich der Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensor in dem halbaktivierten Zustand befin det, wobei die Erzeugungscharakteristik der elektromotori schen Kraft in eine Charakteristik mit einem Luft-Kraftstoff- Verhältnispunkt geändert wird, an dem sich die elektromotori sche Kraft stufenweise ändert und der durch einen extern zu geführten, von einer der Elektroden zu der anderen Elektrode fließenden Zwangsstrom gegenüber dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt in einen mageren oder fetten Be reich verschoben ist; einer ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung zum Durchführen einer rückgekoppelten Steuerung des Luft-Kraft stoff-Verhältnisses unter Verwendung der durch die Sensorcha rakteristik-Änderungseinrichtung geänderten Charakteristik der elektromotorischen Kraft, wenn die Bestimmungseinrichtung feststellt, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in dem halbaktivierten Zustand befindet, wobei die Erzeugungs charakteristik der elektromotorischen Kraft zum Feststellen verwendet wird, ob sich ein aktuelles Luft-Kraftstoff-Ver hältnis bezüglich dem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt der Er zeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft, an dem sich die elektromotorische Kraft stufenweise ändert, im mage ren oder fetten Bereich befindet; und einer zweiten Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung zum Durchführen einer rückgekoppelten Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor erfaßten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, falls die Be stimmungseinrichtung feststellt, daß sich der Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensor in dem vollaktivierten Zustand befin det.

Das bedeutet, daß die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung beim Aktivierungsvorgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors von der ersten rückgekoppelten Steuerung auf die zweite rückgekoppelte Steuerung umschaltet. Es ist zu beachten, daß es sich bei der zweiten rückgekoppelten Steuerung um eine PI-Rege lung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Bereich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses handelt, oder um eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhält nisses basierend auf der über einen relativ breiten Luft- Kraftstoff-Verhältnisbereich angewandten verbesserten Rege lungstheorie.

Dabei ist eine rückgekoppelte Steuerung eines gemäß den Spe zifikationen des Verbrennungsmotors gewünschten Luft-Kraft stoff-Verhältnis in einem Zeitraum zwischen dem Starten des Verbrennungsmotors und dem Aktivierungsende des Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors selbst dann möglich, wenn sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor noch immer in einem Zustand vor der Vollaktivierung, d. h. in einem halbaktivierten Zu stand, befindet. Daher ist es möglich, die Regelung auf das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum frühesten Zeitpunkt zu beginnen, wobei gleichzeitig sowohl die Emissionen verrin gert als auch gute Fahreigenschaften beibehalten werden kön nen.

Vorzugsweise wird die Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors bei den vorge nannten Aspekten der vorliegenden Erfindung durch einen Zwangsstrom von einer luftseitigen Elektrode zu einer abgas seitigen Elektrode des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ge ändert, oder, umgekehrt, durch einen Zwangsstrom von der ab gasseitigen Elektrode zu der luftseitigen Elektrode. Somit kann die ein Verhältnis zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhält nis und der elektromotorischen Kraft darstellende Charakteri stik der elektromotorischen Kraft auf einfache Weise geändert werden. Darüber hinaus kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, bei dem sich die elektromotorische Kraft abrupt ändert, über einen relativ weiten Bereich verschoben werden. Beispielswei se kann die Charakteristik der elektromotorischen Kraft im Falle des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von 14,7 über einen Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich von ± 3 verschoben werden.

Vorzugsweise ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ein Grenzstromerzeugungstyp mit einer ersten Charakteristik, wo bei die Charakteristik der elektromotorischen Kraft an dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt eine stuf enweise Änderung der ausgegebenen elektromotorischen Kraft aufweist, und einer zweiten Charakteristik mit linearer Ände rung des Ausgangsstroms durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung zwischen die auf beiden Seiten des Festkörperelek trolyten vorgesehenen Elektroden. Die erste Charakteristik kann durch Steuern eines von einer der Elektroden des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu der anderen Elektrode flie ßenden Stroms geändert werden. In diesem Fall basiert die Durchführung der ersten rückgekoppelten Steuerung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses auf der geänderten ersten Charakte ristik und die Durchführung der zweiten rückgekoppelten Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der zweiten Charakteristik.

Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann selbst im Falle eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit relativ hoher Aktivierungstemperatur, wie beispielsweise einem Grenzstrom erzeugungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einer Akti vierungstemperatur von ungefähr 650°C, eine gewünschte rück gekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum frühesten Zeitpunkt durchgeführt werden.

Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors basierend auf einer Größe wie beispielsweise Zeitablauf seit dem Starten des Ver brennungsmotors, Pegel der durch den Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor erzeugten elektromotorischen Kraft, Widerstand ei nes Meßelements des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, Tem peratur eines Meßelements des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors oder einem in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vor handenem Heizelement seit dem Starten des Verbrennungsmotors zugeführte Energiemenge, oder einer Kombination dieser Grö ßen. Als Resultat kann die Bestimmung des Aktivierungszu stands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors auf einfache Weise und mit hoher Zuverlässigkeit durchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gesamtaufbaus einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines in dem ersten Ausführungs beispiel eingesetzten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors;

Fig. 3 ein Diagramm einer Spannungs-Strom-Charakteristik des in Fig. 2 gezeigten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors;

Fig. 4 ein Diagramm einer Charakteristik der elektromotori schen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors;

Fig. 5 einen Schaltplan einer in dem ersten Ausführungsbei spiel eingesetzten Sensoransteuerungseinheit;

Fig. 6A und 6B eine schematische Ansicht des Sensors bzw. ein Diagramm mit einer Verschiebung einer Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors;

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer durch die in Fig. 5 gezeigte Sensoransteuerungseinheit ausgeführten Sensoransteuerungsrou tine;

Fig. 8 ein Diagramm eines Verhältnisses zwischen der Meßele menttemperatur und dem Meßelementwiderstand des Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors;

Fig. 9 ein Flußdiagramm einer durch eine in dem ersten Aus führungsbeispiel eingesetzte CPU-ausgeführten Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Steuerroutine;

Fig. 10A und 10B Diagramme einer Spannungs-Strom-Charakte ristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors in einem hal baktivierten Zustand bzw. einem vollaktivierten Zustand;

Fig. 11 ein Zeitdiagramm der Operationen einer Rückkoppel steuerung bei dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 12 ein Flußdiagramm einer in einem zweiten Ausführungs beispiel ausgeführten Sensoransteuerungsroutine;

Fig. 13 ein Flußdiagramm einer in einem dritten Ausführungs beispiel ausgeführten Sensoransteuerungsroutine;

Fig. 14 ein Flußdiagramm einer in einem vierten Ausführungs beispiel ausgeführten Sensoransteuerungsroutine;

Fig. 15 ein Flußdiagramm einer in dem vierten Ausführungsbei spiel ausgeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerroutine;

Fig. 16 ein Flußdiagramm einer in einem fünften Ausführungs beispiel ausgeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerrou tine;

Fig. 17 ein Zeitdiagramm der Operationen einer Rückkoppel steuerung in einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 18 ein Diagramm der Verhältnisse zwischen einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis L/K und einem Grenzstrom Ip eines Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;

Fig. 19 ein Diagramm der Verhältnisse zwischen einer angeleg ten Spannung und einem Ausgangsstrom des Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensors vom Grenzstromtyp gemäß dem sechsten Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 20 eine Schnittansicht des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors vom Grenzstromtyp gemäß dem sechsten Ausführungsbei spiel;

Fig. 21 eine schematische Ansicht einer Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Regelvorrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbei spiel;

Fig. 22 ein Diagramm der Verhältnisse zwischen einer Dicke und einer Ansprechzeit einer Diffusionswiderstandsschicht des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp;

Fig. 23 ein Diagramm der Verhältnisse zwischen einem Meßele mentwiderstand und einer Elektrodenfläche des Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel;

Fig. 24 ein Diagramm des Verhältnisses zwischen einer Dicke einer Elektrodenfläche und einem Grenzstrom des Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp;

Fig. 25 ein Diagramm der Verhältnisse zwischen einer Fläche der angelegten Spannung und einem Ausgangsstrom des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp; und

Fig. 26 ein Diagramm der Verhältnisse zwischen einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis und einem Grenzstrom des Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors vom Grenzstromtyp.

In der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden in allen Ausführungsbeispielen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher Kom ponenten verwendet, um Beschreibungswiederholungen der Kürze wegen zu vermeiden.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Gemäß Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 (nachfolgend als Mo tor bezeichnet) als ein Vierzylinder/Viertakt-Fremdzündungs system ausgestaltet. Ansaugluft von der stromaufwärtigen Seite durchströmt einen Luftfilter 2, ein Einlaßrohr 3, ein Drosselventil 4, einen Druckausgleichsbehälter 5 und Ansaug krümmer 6. Die Ansaugluft wird mit durch in den Ansaugkrüm mern 6 vorhandene Kraftstoffeinspritzventile 7 für jeden Zy linder eingespritztem Kraftstoff gemischt. Das gemischte Gas wird dann den Zylindern mit einem vorbestimmten Luft-Kraft stoff-Verhältnis zugeführt.

Eine durch eine Zündschaltung 9 erzeugte Hochspannung wird verteilt und auf jedem Zylinder des Motors 1 befindlichen Zündkerzen 8 mittels eines Verteilers 10 zugeführt. Die Zünd kerze 8 zündet das gemischte Gas in dem Zylinder zu geregel ten Zeitpunkten. Nach der Verbrennung durchströmt von den Zy lindern ausgestoßenes Gas Abgaskrümmer 11 und ein Auspuffrohr 12. An einem auf dem Auspuffrohr 12 vorgesehenen Dreiwege-Ka talysator 13 wird das Abgas durch Entfernen schädlicher Kom ponenten wie beispielsweise CO, HC und NOx gereinigt. Das ge reinigte Abgas wird schließlich in die Atmosphäre ausgesto ßen.

Auf dem Ansaugrohr 3 sind ein Ansauglufttemperatursensor 21 und ein Ansaugluftdrucksensor 22 vorgesehen. Der Ansaugluft temperatursensor 21 mißt eine Ansauglufttemperatur Tam. Ande rerseits mißt der Ansaugluftdrucksensor 22 einen Ansaugluft druck PM auf der stromabwärtigen Seite des Drosselventils 4. Ein Drosselsensor 23 steht mit dem Drosselventil 4 in Verbin dung. Durch Messen einer Drosselöffnung TH gibt der Drossel sensor 23 ein die Drosselöffnung TH repräsentierendes Ana logsignal aus. Zusätzlich erzeugt der Drosselsensor 23 ein Erfassungssignal, wenn das Drosselventil 4 völlig geschlossen ist. Auf einem Zylinderblock des Motors 1 ist ein Kühlmittel temperatursensor 24 vorgesehen. Der Kühlmitteltemperatursen sor 24 mißt eine Kühlmitteltemperatur Thw in dem Motor 1. Ein Drehzahlsensor 25 ist auf dem Verteiler 10 vorgesehen. Der Drehzahlsensor 25 mißt eine Motordrehzahl Ne. Der Drehzahl sensor 25 gibt für jeweils zwei Umdrehungen des Motors 1 oder für jeweils 720 Grad CA 24 Impulse in festen Winkelinterval len aus.

Darüber hinaus ist auf der stromaufwärtigen Seite des Dreiwe ge-Katalysators 13 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 auf dem Abgasrohr 12 vorgesehen. Der Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor 26 ist vom Grenzstromtyp zum Ausgeben eines ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K oder λ) repräsentierenden Si gnals über einen weiten Bereich, wobei der Wert des Verhält nisses proportional zu der Sauerstoffkonzentration in dem von dem Motor 1 ausgestoßenen Gas ist. Auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwege-Katalysators 13 ist ein Sauerstoffsensor 27 vorgesehen. Der Sauerstoffsensor 27 gibt eine Spanung VOX2 aus, die angibt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezüglich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1) fett oder mager ist.

Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 40 ist zum Steuern des Motorbetriebs 1 vorgesehen. Sie umfaßt eine Motorsteuerschal tung 50, die die Kraftstoffeinspritzung und Zündung steuert, und eine Sensoransteuerschaltung 60 zum Steuern des Ansteuer betriebs des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26. Die Mo torsteuerschaltung 50 dient als logische Verarbeitungsschal tung, die im wesentlichen eine CPU (zentrale Prozessorein heit) 51, einen ROM (Nur-Lese-Speicher) 52, einen RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 53 und einen Back-up-RAM 54 umfaßt. Die Motorsteuerschaltung 50 empfängt Erfassungssi gnale wie beispielsweise die Ansauglufttemperatur Tam, den Ansaugluftdruck PM, die Drosselöffnung TH, die Kühlmittel temperatur Thw, die Motordrehzahl Ne und die durch die Sen soren 26 und 27 erzeugten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Signale λ und VOX2. Die Motorsteuerschaltung 50 bestimmt dann anhand der Erfassungssignale Steuersignale, die Größen wie bei spielsweise eine Kraftstoffeinspritzmenge TAU und einen Zünd zeitpunkt Ig repräsentieren. Diese Steuersignale werden an die Einspritzdüse 7, die Zündschaltung 9 und andere Komponen ten angelegt. Die ECU 40 ist mit einer als Hauptenergiever sorgung dienenden Batterie 41 verbunden. Ein durch die ECU 40 gesteuertes Heizelement 33 ist für den Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 zum Aktivieren und Beibehalten der Aktivie rung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 vorgesehen.

Gemäß Fig. 2 weist der in dem Abgasrohr 12 vorgesehene Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 eine Abdeckung 31, einen Sen sorkörper 32 und ein Heizelement 33 auf. Der Querschnitt der Abdeckung 31 ist U-förmig. Eine Anzahl kleiner Löcher 31a sind in die Wandung der Abdeckung 31 gebohrt, um Kanäle zur Verbindung der Außenseite mit der Innenseite der Abdeckung 31 bereitzustellen. Der Sensorkörper 32 gibt einen Grenzstrom aus, der im mageren Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Sauerstoffkonzentration oder im fetten Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den Konzentrationen der unver brannten Gase wie beispielsweise CO, HC und H₂ entspricht.

Der Sensorkörper 32 umfaßt eine Festkörperelektrolytschicht 34 mit einem tassenformigen Querschnitt, eine abgasseitige Elektrodenschicht 36, eine luftseitige Elektrodenschicht 37 und eine Diffusionswiderstandsschicht 35. Die abgasseitige Elektrodenschicht 36 ist auf der äußeren Oberfläche der Fest körperelektrolytschicht 34 angebracht und wird als meßgassei tige Elektrode verwendet, während die luftseitige Elektroden schicht 37 auf der inneren Oberfläche der Festkörperelek trolytschicht 34 angebracht ist und als bezugsgasseitige Elektrode verwendet wird. Die Diffusionswiderstandsschicht 35 ist auf der äußeren Seite der abgasseitigen Elektrodenschicht 36 typischerweise durch Verwenden einer Plasmaspritztechnik aufgebracht. Die Festkörperelektrolytschicht 34 ist aus einem sauerstoffionenleitenden Oxid-Sinterkörper hergestellt, der in einem Material wie beispielsweise ZrO₂, HfO₂, ThO₂ und Bi₂O₃ festgelöst ist, wobei ein Material wie beispielsweise CaO, MgO, Y₂O₃ und Yb₂O₃ als Stabilisator verwendet wird. Die Diffusionswiderstandsschicht 35 besteht aus einem hitzebe ständigen anorganischen Material wie beispielsweise Alumini umoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Spinell und Mullit. Die abgasseitige Elektrodenschicht 36 und die luftseitige Elek trodenschicht 37 bestehen beide aus einem edlen Metall mit hoher katalytischer Aktivität wie beispielsweise Platin und werden durch Anwenden eines Verfahrens zur porösen chemischen Metallisierung aufgebracht. Es ist zu beachten, daß sich die Fläche und die Dicke der abgasseitigen Elektrodenschicht 36 in den Bereichen von 5-100 Quadratmillimetern bzw. 0,5-2,0 Mikrometern befinden. Andererseits befinden sich die Flä che und die Dicke der luftseitigen Elektrodenschicht 37 in Bereichen größer als ungefähr 5 Quadratmillimeter bzw. 0,5-2,0 Mikrometern.

Das Heizelement 33 ist in der luftseitigen Elektrodenschicht 37 untergebracht. Die durch das Heizelement 33 erzeugte Wär meenergie erwärmt den Sensorkörper 32, der die luftseitige Elektrodenschicht 37, die Festkörperelektrolytschicht 34, die abgasseitige Elektrodenschicht 36 und die Diffusionswider standsschicht 35 umfaßt, wie vorstehend beschrieben. Das Heizelement 33 weist eine zum Aktivieren des Sensorkörpers 32 ausreichende Wärmeerzeugungskapazität auf.

Bei Anlegen vorbestimmter Spannungen zwischen die abgassei tige Elektrodenschicht 36 und die luftseitige Elektroden schicht 37 erzeugt der Sensorkörper 32 des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 einen Grenzstrom, der sich in einem ge genüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1, d. h. L/K = 14,7) magereren Bereich (λ < 1) mit der Sauerstoffkonzentration verändert. In diesem Falle wird der der Sauerstoffkonzentration entsprechende Grenzstrom sowohl durch die Fläche der abgasseitigen Elektrodenschicht 36 als auch durch die Dicke, die Porosität und den mittleren Poren durchmesser der Diffusionswiderstandsschicht 35 bestimmt.

Der Sensorkörper 32 ermöglicht eine Erfassung der Sauerstoff konzentration entsprechend dessen linearer Charakteristik. Da jedoch eine hohe Temperatur größer oder gleich ungefähr 650°C zum Aktivieren des Sensorkörpers 32 erforderlich und der Ak tivierungstemperaturbereich eng ist, kann der Sensorkörper 32 nicht ausschließlich durch die Erwärmung mittels des Abgases des Motors 1 in dem aktiven Bereich geregelt werden. Aus die sem Grunde wird die thermische Erhitzung des Heizelements 33 durch eine später beschriebene ECU 40 geregelt, so daß sich der Sensorkörper 32 auf oder über der vorbestimmten Aktivie rungstemperatur befindet. Es ist zu beachten, daß sich die Konzentrationen unverbrannter Gase wie beispielsweise Kohlen monoxid (CO) in einem gegenüber dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt fetteren Bereich (λ < 1) im we sentlichen linear mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändern, wobei der Sensorkörper 32 einen die Konzentration unverbrann ter Gase wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO) repräsentie renden Grenzstrom erzeugt.

Die vorgenannte Spannungs-Strom-Charakteristik des Sensorkör pers 32 ist in Fig. 3 dargestellt. Gemäß der Fig. zeigt die Spannungs-Strom-(V-I)-Charakteristik des Sensorkörpers 32 eine lineare Beziehung zwischen einem durch die Festkörpere lektrolytschicht 34 des Sensorkörpers 32 fließenden Strom, der zur Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) proportional ist, und einer an die Festkörperelektrolyt schicht 34 angelegten Spannung. Darüber hinaus ist der Zu stand stabil, wenn sich der Sensorkörper 32 bei einer hohen Temperatur T1 (T = T1) im aktivierten Zustand befindet, wie durch einen als durchgehende Linie gekennzeichnete Kennlinie L1 dargestellt ist. In diesem Falle repräsentiert ein paral lel zur Spannungsachse V verlaufendes geradliniges Segment der Kennlinie L1 den Grenzstrom I des Sensorkörpers 32 für T = T1. Erhöhungen und Verringerungen des Grenzstroms entspre chen Erhöhungen und Verringerungen des Sauerstoffs des Abga ses, das bedeutet, Verschiebungen in den magereren bzw. fet teren Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Je stärker das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Richtung der mageren Seite verschoben wird, desto größer wird der Grenzstrom. Je weiter das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Richtung der fetten Seite verschoben wird, desto geringer wird der Grenzstrom.

Darüber hinaus stellt ein unterhalb des zu der Spannungsachse V parallelen geraden Linienabschnitts befindlicher Spannungs bereich in der Spannungs-Strom-Charakteristik einen wider standsdominierten Bereich dar. Der Gradient der Kennlinie L1 wird in dem widerstandsdominierten Bereich durch den Innenwi derstand der Festkörperelektrolytschicht 34 (Sauerstoffmeßelement) des Sensorkörpers 32 bestimmt. Der In nenwiderstand der Festkörperelektrolytschicht 32 des Sensor körpers 34 ändert sich mit der Temperatur. Im einzelnen er höht sich der Innenwiderstand der Festkörperelektrolytschicht 32 des Sensorkörpers 34 mit abnehmender Temperatur, wodurch sich der Gradient verringert. Somit zeigt eine gestrichelte Linie L2 in Fig. 3 die Strom-Spannungs-Charakteristik bei einer geringe ren Temperatur T2 des Sensorkörpers 32. In diesem Fall reprä sentiert ein parallel zur Spannungsachse V verlaufender gera der Linienabschnitt der charakteristischen Linie L2 den Grenzstrom des Sensorkörpers 32 für T = T2. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, stimmt der Grenzstrom für T = T2 im we sentlichen mit dem durch die durchgehende Linie L1 für das selbe Luft-Kraftstoff-Verhältnis gekennzeichneten Grenzstrom für T = T1 überein.

Bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Charakte ristik L1 und einer an die Festkörperelektrolytschicht 34 des Sensorkörpers 32 angelegten positiven Spannung Vpos wird der durch den Sensorkörper 32 fließende Strom als Grenzstrom Ipos bezeichnet. Das Verhältnis zwischen der positiven Spannung Vpos und dem Grenzstrom Ipos wird durch einen Punkt Pa in Fig. 3 repräsentiert. Wird eine negative Spannung Vneg an die Festkörperelektrolytschicht 34 des Sensorkörpers 32 angelegt, so ergibt sich ein durch den Sensorkörper 32 fließender nega tiver Temperaturstrom Ineg, der sich nur proportional zur Temperatur verhält und von der Sauerstoffkonzentration oder dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis unabhängig ist. Das Verhältnis zwischen der negativen Spannung Vneg und dem Grenzstrom Ineg wird in Fig. 3 durch einen Punkt Pb repräsentiert.

Wie vorstehend beschrieben, weist der in der vorliegenden Er findung eingesetzte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 eine lineare Ausgangscharakteristik des von dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis, d. h. der Sauerstoffkonzentration des Abgases, ab hängigen Grenzstroms auf. Darüber hinaus weist der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem spannungslosen Zu stand eine Charakteristik der elektromotorischen Kraft auf, die eine stufenförmige oder sich stufenformig ändernde (Z-Form in Fig. 4) elektromotorische Kraft darstellt, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis über den die Grenze zwischen dem mageren Bereich und dem fetten Bereich darstellenden stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1) von dem mageren Bereich in den fetten Bereich ändert, oder umge kehrt. Die elektromotorische Kraft wird durch einen Unter schied in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Luft und dem Abgas erzeugt.

Gemäß Fig. 4 beträgt ist durch den Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor 26 im kraftstoffreichen Bereich erzeugte elektro motorische Kraft eine Spannung von ungefähr 1 Volt und im kr aftstoffarmen Bereich eine Spannung von ungefähr 0 Volt. Die in Fig. 4 gezeigte Ausgangscharakteristik der elektromotori schen Kraft entspricht ungefähr der Ausgangscharakteristik des auf der stromabwärtigen Seite angeordneten Sauerstoffsen sors 27.

Die Sensoransteuerschaltung 60 ist in Fig. 5 dargestellt. Sie umfaßt einen Mikrocomputer 61, eine Vorspannungssteuerschal tung 62, sowie einen zwischen dem Mikrocomputer 61 und der Vorspannungssteuerschaltung 62 angeordneten A/D-Umsetzer 63 und D/A-Umsetzer 64. Es ist zu beachten, daß der Mikrocompu ter 61 eine CPU, einen ROM und einen RAM enthält.

Der Mikrocomputer 61 gibt ein Stromsteuersignal Vq an eine in der Vorspannungssteuerschaltung 62 eingesetzte Konstantstrom schaltung 71 mittels dem D/A-Umsetzer 64 aus, um die Charak teristik der elektromotorischen Kraft im halbaktivierten Zu stand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 zu verschie ben. Im einzelnen wandelt der D/A-Umsetzer 64 das Stromsteu ersignal Vq in ein an die in der Vorspannungssteuerschaltung 62 eingesetzte Konstantstromschaltung 71 ausgegebenes Ana logsignal um. Darüber hinaus gibt der Mikrocomputer 61 ein Vorspannungsbefehlssignal Vr über den D/A-Umsetzer 64 an die Vorspannungssteuerschaltung 62 aus, um ein gewünschtes Luft- Kraftstoff-Verhältnis in einem vollaktivierten Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 zu erfassen. Das bedeu tet, daß der D/A-Umsetzer 64 das Vorspannungsbefehlssignal Vr in ein analoges Signal Vc umwandelt, das dann an die Vorspan nungssteuerschaltung 62 ausgegeben wird.

Die Vorspannungssteuerschaltung 62 umfaßt eine Bezugsspan nungsschaltung 65, eine erste Spannungszuführschaltung 66, eine zweite Spannungszufuhrschaltung 67, eine Stromerfas sungsschaltung 68 und ein Paar von Umschaltschaltungen 69 und 70 sowie die Konstantstromschaltung 71. Wie vorstehend be schrieben, weist der in der vorliegenden Erfindung einge setzte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 eine erste Cha rakteristik auf, die eine stufenförmige Änderung der elektro motorischen Kraft aufweist, wenn sich das Luft-Kraftstoff- Verhältnis über den die Grenze zwischen dem mageren Bereich und dem fetten Bereich bildenden stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt von dem mageren Bereich in den fetten Bereich ändert, oder umgekehrt, und eine zweite, li neare Ausgangscharakteristik mit einer Abhängigkeit des Grenzstroms von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 wird durch Umschalten der Be triebszustände der Umschaltschaltungen 69 und 70 von der er sten auf die zweite Charakteristik und umgekehrt umgeschal tet.

In dem in Fig. 5 dargestellten Zustand sind die Umschalt schaltungen 69 und 70 mit Kontaktpunkten 69a bzw. 70a verbun den (leitender Zustand). In diesem Zustand wird der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 entsprechend der zweiten Cha rakteristik (lineare Ausgangscharakteristik) betrieben. Wer den die Umschaltschaltungen 69 und 70 anderenfalls auf die Kontaktpunkte 69b bzw. 70b (nichtleitender Zustand) umge schaltet, so wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 entsprechend der ersten Charakteristik (stufenförmige Charak teristik) betrieben.

Die Bezugsspannungsschaltung 65 weist ein Paar von Potentio meterwiderständen 65a und 65b zum Erzeugen einer festen Be zugsspannung Va auf. Die erste Spannungszufuhrschaltung 66 arbeitet als eine Spannungsfolgerschaltung zum Zuführen einer Ausgangsspannung, die dieselbe Höhe wie die durch die Bezugs spannungsschaltung 65 erzeugte feste Bezugsspannung Va auf weist, zu dem Kontaktpunkt 69a der Umschaltschaltung 69. Die erste Spannungszufuhrschaltung 66 umfaßt einen Operationsver stärker 66a, einen NPN-Transistor 66b und einen PNP-Transi stor 66c. Der positive Eingangsanschluß des Operationsver stärkers 66a zum Eingeben der Bezugsspannung Va ist mit dem Ausgangspunkt zwischen den Widerständen 65a und 65b verbun den, während sein negativer Eingangsanschluß mit dem Kontakt punkt 69a der Umschaltschaltung 69 verbunden ist. Die Basen des NPN-Transistors 66b und des PNP-Transistors 66c sind mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 66a verbunden. Der Kollektor des NPN-Transistors 66b ist mit einer Konstant spannungsversorgung Vcc und sein Emitter mit dem Kontaktpunkt 69a der Umschaltschaltung 69 über einen in der Stromerfas sungsschaltung 68 eingesetzten Stromerfassungswiderstand 68a verbunden. Der Emitter des PNP-Transistors 66c ist mit dem Emitter des NPN-Transistors 66b und der Kollektor des PNP-Tran sistors 66c mit Masse verbunden.

In ähnlicher Weise arbeitet auch die zweite Spannungszuführ schaltung 67 als Spannungsfolgerschaltung zum Zuführen einer der Höhe des durch den D/A-Umsetzer 64 ausgegebenen Span nungssignals Vc entsprechenden Ausgangsspannung zu dem Kon taktpunkt 70a der Umschaltschaltung 70. Die zweite Spannungs zufuhrschaltung 67 umfaßt einen Operationsverstärker 67a, ei nen NPN-Transistor 67b und einen PNP-Transistor 67c. Der po sitive Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 67a ist mit dem Ausgangsanschluß des D/A-Umsetzers 64 zum Erzeugen der Spannung Vc verbunden, während sein negativer Eingangsan schluß mit dem Kontaktpunkt 70a der Umschaltschaltung 70 ver bunden ist. Die Basen des NPN-Transistors 67b und des PNP-Tran sistors 67c sind mit dem Ausgangsanschluß des Operations verstärkers 67a verbunden. Der Kollektor des NPN-Transistors 67b ist mit einer Konstantspannungsversorgung Vcc und sein Emitter mit dem Kontaktpunkt 70a der Umschaltschaltung 70 verbunden. Der Emitter des PNP-Transistors 67c ist mit dem Emitter des NPN-Transistors 67b und der Kollektor des PNP-Tran sistors 66c ist mit Masse verbunden.

Die Umschaltschaltungen 69 und 70 sind mit zwei Anschlüssen 73 und bzw. 74 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 ver bunden. Im einzelnen ist der mit der Umschaltschaltung 69 ver bundene Anschluß 73 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 mit der luftseitigen Elektrodenschicht 37 des in Fig. 2 geze igten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 verbunden, wäh rend der mit der Umschaltschaltung 70 verbundene Anschluß 74 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 mit der abgasseiti gen Elektrodenschicht 36 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors 26 verbunden ist. Die Umschaltoperationen der Umschalt schaltungen 69 und 70 erfolgen zeitgleich gemäß der Steuerung des Mikrocomputers 61. In dem in Fig. 5 gezeigten Zustand sind die Umschaltschaltungen 69 und 70 mit den Kontaktpunkten 69a bzw. 70a verbunden. Dementsprechend werden in diesem Zu stand die durch die erste und zweite Spannungszufuhrschaltung 66 und 67 erzeugten Spannungen Va und Vc an die Anschlüsse 73 bzw. 74 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 angelegt.

Dies bedeutet, daß in dem in Fig. 5 gezeigten Zustand die fe ste Bezugsspannung Va an den Anschluß 73 des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 angelegt wird. Ist dabei die dem ande ren Anschluß 74 durch den D/A-Umsetzer 64 zugeführte Spannung Vc kleiner als die Bezugsspannung Va (Vc < Va), so ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 positiv vorgespannt. Ist anderenfalls die dem Anschluß 74 des Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensors 26 zugeführte Spannung Vc höher als die Bezugs spannung Va (Vc < Va), so ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor 26 negativ vorgespannt. In beiden Fällen wird die Höhe des aufgrund der zwischen die Anschlüsse 73 und 74 des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 angelegten Spannung fließen den Grenzstroms als eine Spannungsdifferenz zwischen beiden Enden des Stromerfassungswiderstands 68a erfaßt. Die Span nungsdifferenz wird dem Mikrocomputer 61 durch den A/D-Umset zer 63 zugeführt.

Sind die Umschaltschaltungen 69 und 70 andererseits mit den Kontaktpunkten 69b bzw. 70b verbunden, so sind die Kontakt punkte 69b und 70b mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 verbunden. In diesem Zustand ist der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 parallel zu einem Widerstand 72 zum Erfas sen der durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 er zeugten elektromotorischen Kraft geschaltet. Die durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 erzeugte und durch den Widerstand 72 erfaßte elektromotorische Kraft wird dem Mikro computer 61 durch den A/D-Umsetzer 63 zugeführt.

Die Kontaktpunkte 69b und 70b der Umschaltschaltungen 69 und 70 sind mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen der Konstant stromschaltung 71 verbunden. In diesem Zustand gibt der Mi krocomputer 61 das Stromsteuersignal Vq durch den D/A-Umset zer 64 an die Konstantstromschaltung 71 aus. Beim Empfang des Stromsteuersignals Vq erzeugt die Konstantstromschaltung 71 einen zu der abgasseitigen Elektrodenschicht 36 oder der luftseitigen Elektrodenschicht 37 des Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensors 26 fließenden Zwangsstrom, um die erste Cha rakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 zu ver schieben. Das bedeutet, daß ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der in Fig. 4 gezeigten ersten Charakteristik, bei der sich die elektromotorische Kraft abrupt ändert, zu der gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt magere ren Seite oder fetteren Seite des Luft-Kraftstoff-Verhältnis ses verschoben wird. Es ist zu beachten, daß ein Widerstand 75 zwischen der Konstantstromschaltung 71 und dem Kontakt punkt 69b vorgesehen ist.

Die erste Charakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors 26 wird wie folgt verschoben. Wie vorstehend beschrie ben, sind die abgasseitige Elektrodenschicht 36 und die luft seitige Elektrodenschicht 37 auf beiden Seiten der Festkörpe relektrolytschicht 34 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 vorgesehen. Fließt ein Zwangsstrom I gemäß dem in Fig. 6A gezeigten Pfeil in die luftseitige Elektrodenschicht 37, so bewegen sich Sauerstoffionen von der abgasseitigen Elektro denschicht 36 durch die Festkörperelektrolytschicht 34 zu der luftseitigen Elektrodenschicht 37. Als Resultat verringert sich die Sauerstoffmenge im Abgas, was zu einer abrupten Än derung der durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 er zeugten elektromotorischen Kraft bei einem in einem gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1) magereren Bereich befindlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis führt, wie durch die durchgehende Linie in Fig. 6B darge stellt ist. Das bedeutet, daß die Charakteristik der elektro motorischen Kraft (erste Charakteristik) des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 zu der mageren Seite verschoben wird.

Fließt andererseits ein Zwangsstrom in einer gegenüber dem in Fig. 6A gezeigten Pfeil umgekehrten Richtung in die abgassei tige Elektrodenschicht 36, so bewegen sich Sauerstoffionen umgekehrt von der luftseitigen Elektrodenschicht 37 durch die Festkörperelektrolytschicht 34 zu der abgasseitigen Elektro denschicht 36. Als Resultat erhöht sich die Sauerstoffmenge im Abgas, was zu einer abrupten Änderung der durch den Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 erzeugten elektromotorischen Kraft bei einem in einem gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1) fetteren Bereich be findlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis führt, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 6B dargestellt ist. Das bedeu tet, daß die Charakteristik der elektromotorischen Kraft (die erste Charakteristik) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 in die fette Seite verschoben wird.

Die vorstehend beschriebene Verschiebung in der Ausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 wird durch den Mikro computer 61 in der Sensoransteuereinheit 60 entsprechend dem durch das in Fig. 7 gezeigte Flußdiagramm definierten Ablauf gesteuert. Diese Routine beginnt mit dem Einschaltzeitpunkt der ECU 40, d. h. der Sensoransteuerschaltung 60.

Die Routine beginnt mit einem Schritt 100, in dem der Mikro computer 61 eine Initialisierung durchführt. Bei der Initia lisierung löscht der Mikrocomputer 61 u. a. die zur Darstel lung von Aktivierungszuständen des Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensors 26 verwendeten Aktivierungskennungen F1, F2 und F3. Die Aktivierungskennungen F1, F2 und F3 werden zum drei stufigen Darstellen des Aktivierungszustands im Verlauf des Versetzens des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 in einen vollaktivierten Zustand verwendet, bei dem ein geeigneter Grenzstrom ausgegeben werden kann. Im einzelnen stellt F1 ei ne Aktivierungskennung dar, die zum Anzeigen eines halbakti vierten Zustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 auf "1" gesetzt wird. F1 wird nachfolgend als Halbaktivie rungskennung bezeichnet. Andererseits stellt F2 eine Aktivie rungskennung dar, die zum Anzeigen eines vor einem vollakti vierten Zustand befindlichen fast aktivierten Zustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 auf "1" gesetzt wird. F2 wird nachfolgend als Fastaktivierungskennung bezeichnet. Abschließend stellt F3 eine Aktivierungskennung dar, die zum Anzeigen eines vollaktivierten Zustands des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 auf "1" gesetzt wird. F3 wird nachfolgend als Vollaktivierungskennung bezeichnet.

Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 110, in dem der Mikrocomputer 61 die Umschaltschaltungen 69 und 70 in der in Fig. 5 gezeigten Sensoransteuerschaltung 60 in einen Erzeu gungszustand der elektromotorischen Kraft versetzt, einem Zu stand, in dem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 eine elektromotorische Kraft (EMK) erzeugt. Die Anschlüsse 73 und 74 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 werden mit den Kontaktpunkten 69b und 70b der Umschaltschaltungen 69 bzw. 70 verbunden, wodurch die Verbindung in gegenüber Fig. 5 umge kehrten Zustand versetzt wird. In einem solchen Zustand ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 von der ersten und zweiten Spannungszufuhrschaltung 66 und 67 getrennt, wodurch er eine der Sauerstoffkonzentration im Abgas entsprechende elektromotorische Kraft erzeugt. Die elektromotorische Kraft wird durch den Erfassungswiderstand 72 erfaßt.

Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 120, in dem der Mikrocomputer 61 feststellt, ob die durch den Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensor 26 erzeugte elektromotorische Kraft größer oder gleich einem Wert von typischerweise 0,5 Volt ist. Ist die elektromotorische Kraft größer oder gleich 0,5 Volt, so stellt der Mikrocomputer 61 fest, daß der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 bis zu einem Zustand akti viert ist, in dem die durch diesen erzeugte elektromotorische Kraft bei der rückgekoppelten Steuerung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses verwendet werden kann. In diesem Fall schreitet der Ablauf zu einem Schritt 130. Anderenfalls kehrt der Ab lauf zurück zum Schritt 110.

In dem Schritt 130 gibt der Mikrocomputer 61 das Stromsteuer signal Vq an die in Fig. 5 gezeigte Konstantstromschaltung 71 über den D/A-Umsetzer 64 aus, um die Charakteristik der elek tromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 zu verschieben, d. h. einen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt in der ersten Charakteristik, bei der sich die elektromotori sche Kraft abrupt ändert, auf die gegenüber dem stöchiometri schen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt magere Seite oder fette Seite zu verschieben. In dem Schritt 130 führt die Konstant stromschaltung 71 der luftseitigen Elektrodenschicht 37 oder der abgasseitigen Elektrodenschicht 36 des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 einen Zwangsstrom zu, so daß ein Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt in der ersten Charakteristik, bei der sich die elektromotorische Kraft abrupt ändert, in die gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis punkt magere Seite oder fette Seite des Luft-Kraftstoff-Ver hältnisses verschoben wird, wie in Fig. 6B dargestellt ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt in der ersten Charakteri stik, bei der sich die elektromotorische Kraft stufenweise ändert, wird durch die Spezifikationen und Eigenschaften des individuellen Motors beliebig bestimmt. Zur Verringerung der Menge der HC-Komponente unmittelbar nach dem Starten des Mo tors wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt in die magere Seite versetzt, wie durch die durchgehende Linie in Fig. 6B dargestellt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die auf die magere Seite verschobene Ausgangscharakteristik zum Erfassen der elektromotorischen Kraft verwendet.

Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 140, in dem der Mikrocomputer 61 die Halbaktivierungskennung F1 auf "1" setzt. Danach schreitet der Ablauf zum Schritt 150, in dem der Mikrocomputer 61 feststellt, ob ein Meßelementwiderstand RS, d. h. die Innenimpedanz (Widerstand) der Festkörperelek trolytschicht 34, kleiner oder gleich einem ersten Kennwert R1 ist, zum Bestimmen des Aktivierungszustands des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26. Führt die Bestimmung im Schritt 150 zu NEIN, so kehrt der Ablauf zurück zum Schritt 130, um die Schritte 130 bis 150 solange zu wiederholen, bis die Bestimmung im Schritt 150 zu JA führt, d. h. bis der Meße lementwiderstand RS kleiner oder gleich dem ersten Kennwider stand R1 geworden ist.

Der Meßelementwiderstand RS kann durch eine andere Wider standserfassungsroutine, die in der Zeichnung nicht darge stellt ist, bestimmt werden. D.h., der Meßelementwiderstand RS kann anhand einer an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 angelegten Spannung und einem durch den Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor 26 ausgegebenen Strom berechnet werden (Widerstand = angelegte Spannung/Ausgangsstrom). Der erste Kennwert R1 wird entsprechend einem Widerstand RS festgelegt, der gemäß Fig. 8 bei einer Temperatur von ungefähr 500°C auf tritt. Der Wert R1 ist ein Kennwert zum Bestimmen, ob sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem Zustand be findet, in dem die Ausgabe eines Grenzstroms lediglich in ei nem Teil der Luft-Kraftstoff-Verhältniszone möglich ist, d. h. einem fast oder beinahe aktivierten Zustand. Es ist zu beach ten, daß Fig. 8 eine Charakteristik zeigt, bei der der Wider stand RS des Meßelements mit steigender Temperatur des Meß elements sinkt.

Mit fortschreitender Aktivierung des Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensors 26 wird der Meßelementwiderstand RS kleiner als der erste Kennwert R1, was dazu führt, daß die Bestimmung im Schritt 150 JA ergibt. In diesem Fall schreitet der Ablauf zu einem Schritt 160, in dem der Mikrocomputer 61 die Umschalt schaltungen 69 und 70 in einen Zustand des Anlegens einer Spannung an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 umschal tet. Die Kontaktpunkte 69a und 70a der Umschaltschaltungen 69 und 70 werden in einen mit den Anschlüssen 73 und 74 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 entsprechend verbunde nen Zustand gemäß Fig. 5 umgeschaltet. In diesem Zustand wer den die durch die erste und zweite Spannungszufuhrschaltung 66 und 67 erzeugten Spannungen an den Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 angelegt, was dazu führt, daß der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 einen Grenzstrom erzeugt, dessen Höhe der Sauerstoffkonzentration im Abgas entspricht.

Der Ablauf wird mit einem Schritt 170 fortgesetzt, in dem der Mikrocomputer 61 die Fastaktivierungskennung F2 auf "1" setzt. Danach schreitet der Ablauf zu einem Schritt 180, in dem der Mikrocomputer 61 feststellt, ob der Meßelementwider stand RS kleiner oder gleich einem zweiten Kennwert R2 ist. Der zweite Kennwert R2 ist der Wert des Widerstands RS, der gemäß Fig. 8 bei einer Temperatur von ungefähr 650°C auf tritt. Der Wert R2, ein geringerer Wert als R1, stellt einen Kennwert dar zum Bestimmen, ob sich der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 in einem vollaktivierten Zustand befindet. Es ist zu beachten, daß die Halbaktivierungskennung F1 auf "0" gelöscht wird, wenn F2 auf "1" gesetzt wird.

Ist der Meßelementwiderstand RS größer als der zweite Kenn wert R2, so kehrt der Ablauf zurück zum Schritt S160, um die Schritte 160 bis 180 solange zu wiederholen, bis die Bestim mung im Schritt 180 zu JA führt. Ist der Widerstand RS klei ner oder gleich dem zweiten Kennwert R2, so schreitet der Ab lauf zu einem Schritt 190, in dem der Mikroprozessor 61 die Vollaktivierungskennung F3 auf "1" setzt. Danach wird die Sensoransteuerschaltung 60 in einem Zustand des Anlegens der Spannungen an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 gehal ten und die Vollaktivierungskennung F3 verbleibt auf "1". Es ist zu beachten, daß die Kennung F2 auf "0" gelöscht wird, wenn die Vollaktivierungskennung F3 auf "1" gesetzt wird.

Fig. 9 zeigt eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerroutine. Diese Routine wird durch die CPU 51 in der Motorsteuerschal tung 50 für jede Kraftstoffeinspritzung durchgeführt, d. h. im Falle der vorliegenden Erfindung für jeweils 180 Grad CA.

Die Routine beginnt mit einem Schritt 200, in dem die CPU 51 die den Betriebszustand des Motors anzeigenden Erfassungser gebnisse wie beispielsweise die Drehzahl Ne, den Ansaugluft druck PM und die Kühlmitteltemperatur Thw der verschiedenen Sensoren einliest. Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 210, in dem eine Grundeinspritzmenge Tp aus der Drehzahl Ne des Motors und dem Ansaugluftdruck PM unter Verwendung einer in dem ROM 52 gespeicherten Grundeinspritzzuordnung berechnet wird. Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 220, in dem die CPU 51 feststellt, ob die Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Rückkopplungsbedingungen erfüllt sind. Die Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Rückkopplungsbedingungen umfassen, daß die Kühl mitteltemperatur Thw höher als ein vorbestimmter Wert ist und sich der Motor nicht in einem Zustand hoher Geschwindigkeit und hoher Last befindet. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rück kopplungsbedingungen umfassen auch, daß sich der Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensor 26 bis zu einem gewissen Grad in dem aktivierten Zustand befindet, d. h. daß die durch den Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 erzeugte elektromotorische Kraft größer oder gleich 0,5 V ist, wie in dem Schritt 120 in dem in Fig. 7 gezeigten Flußdiagramm bestimmt ist. Diese Ak tivierungsbedingung kann ebenfalls unter Verwendung einer Kennung festgestellt werden.

Sind die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungsbedingungen nicht erfüllt (NEIN), so wird der Ablauf mit einem Schritt 230 fortgeführt, indem die CPU 51 die Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Steuerung mit offener Regelschleife durchführt, womit die Routine beendet ist. Die Grundeinspritzmenge Tp wird durch Hinzufügen von Streuungen zum Kompensieren von Nieder temperatur- und Hochlastkorrekturen erhöht, um eine abschlie ßende Kraftstoffeinspritzmenge TAU als Ergebnis der Korrektu ren festzulegen. Danach erfolgt eine auf der abschließenden Kraftstoffeinspritzmenge TAU basierende Kraftstoffeinspritz steuerung mittels des Kraftstoffeinspritzventils 7. Dabei wird ein Rückkopplungskorrekturkoeffizient FAF auf 1 beibe halten.

Sind andererseits die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopp lungsbedingungen im Schritt 220 erfüllt (JA), so schreitet der Ablauf zu einem Schritt 240, in dem die CPU 51 die durch die in Fig. 7 gezeigte Routine gesetzten Aktivierungskennun gen F1, F2 und F3 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 einliest, um die Kennungszustände festzustellen, d. h. ob eine der Kennungen auf "1" gesetzt ist. Falls der Motor gestartet wurde, könnte die Halbaktivierungskennung F1 auf "1" gesetzt sein. In diesem Fall schreitet der Ablauf zu einem Schritt 250, in dem die CPU 51 eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf der durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 erzeugten elektromotorischen Kraft durchführt. Nachdem die im Schritt 250 durchgeführte Verarbeitung abgeschlossen ist, wird die Routine beendet.

In diesem Fall weist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 eine Charakteristik auf, in der sich die elektromotorische Kraft bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis abrupt ändert, das gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis punkt zu einem gewissen Grad in den mageren oder fetten Be reich verschoben ist. Die CPU 51 führt die rückgekoppelte Steuerung durch, wobei ein im mageren oder fetten Bereich be findlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt als Soll-Luft- Kraftstoff-Verhältnis verwendet wird. Es wird beispielsweise angenommen, daß sich das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis im vorliegenden Beispiel im mageren Bereich befindet. Ein sol ches Soll-Verhältnis wird als mageres Soll-Luft-Kraftstoff- Verhältnis bezeichnet. Befindet sich das durch den Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 erfaßte Sensor 26 erfaßte Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem gegenüber dem mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis noch magereren Bereich, so wird der Rückkopplungskorrekturkoeffizient FAF erhöht, um die Kraftstoffeinspritzmenge TAU zu erhöhen. Es ist zu beachten, daß TAU = Tp × FAF + α, wobei α einen Korrekturwert dar stellt. Befindet sich das durch den Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor 26 erfaßte Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem gegenüber dem mageren Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis fette ren Bereich, so wird der Rückkopplungskorrekturkoeffizient FAF verringert, um die Kraftstoffeinspritzmenge TAU zu redu zieren.

Befindet sich die Fastaktivierungskennung F2 im Schritt 240 auf "1", so schreitet der Ablauf zu einem Schritt 260, in dem die CPU 51 die Rückkopplungssteuerung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf dem durch den Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 ausgegebenen Strom durchführt. Befindet sich anderenfalls die Vollaktivierungskennung F3 im Schritt 240 auf "1", so schreitet der Ablauf zu einem Schritt 270, in dem die CPU 51 die rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses basierend auf dem durch den Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor 26 ausgegebenen Grenzstrom durchführt. Nach der Beendigung der im Schritt 260 oder 270 durchgeführten Verarbeitung, wird die vorliegende Routine beendet. Es ist zu beachten, daß die im Schritt 260 oder 270 durchgeführte rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf der verbesserten Regelungstheorie durchgeführt und nachfolgend kurz beschrieben wird.

F2 = 1 kennzeichnet, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor 26 in einem fast aktivierten Zustand befindet, einem Zustand unmittelbar vor der vollständigen Aktivierung, so daß die Erfassungsgenauigkeit in einigen Luft-Kraftstoff-Verhält nisbereichen zu einem gewissen Grad verschlechtert ist. Ande rerseits kennzeichnet F3 = 1, daß sich der Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor 26 in einem Zustand der vollständigen Akti vierung befindet, so daß eine hohe Erfassungsgenauigkeit in allen Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereichen erhalten werden kann. Die Spannungs-Strom-Charakteristik des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 zum Zeitpunkt F2 = 1 ist in Fig. 10A dargestellt, während Fig. 10B die Spannungs-Strom-Charakteri stik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 zum Zeitpunkt F3 = 1 zeigt. Eine in den Figuren gezeigte gerade Linie La repräsentiert eine Charakteristik der angelegten Spannung zum Bestimmen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Diese ange legte Spannung wird durch das durch den in Fig. 5 gezeigten Mikrocomputer 61 ausgegebene Vorspannungsbefehlssignal Vr be stimmt.

Das bedeutet, daß der Rückkopplungskorrekturkoeffizient FAF zum Steuern des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 auf das Soll-Luft- Kraftstoff-Verhältnis bei der Durchführung der auf der ver besserten Regelungstheorie basierenden rückgekoppelten Steue rung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung der folgenden Gleichungen (1) und (2) berechnet wird.

FAF(i) = K1 × λ(i) + K2 × FAF(i-3) + K3 × FAF(i-2) + K4 × FAF(i-1) + ZI(i) (1)

ZI(i) = ZI(i-1) - Ka × (λTG - λ(i)) (2)

wobei λ und λTG ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem be liebigen Zeitpunkt bzw. das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis darstellen, (i) die Wiederholzahl der Steuerung seit dem Ab tastbeginn, und K1 bis K4 die optimalen Rückkopplungsverstär kungen. Weiterhin kennzeichnet ZI(i) einen Integrationsterm und Ka eine Integrationskonstante.

Die abschließende Kraftstoffeinspritzmenge TAU wird unter Ve rwendung des Rückkopplungskorrekturkoeffizienten FAF wie oben berechnet, und die Grundeinspritzmenge Tp entsprechend der Gleichung TAU = Tp × FAF + 2 (bestimmt. Es ist zu beachten, daß die Bestimmung des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λTG in Gleichung (2) auf der Ausgangsspannung VOX2 des stromab wärtigen Sauerstoffsensors 27 basiert. Der Vorgang des Be stimmens des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λTG wird im allgemeinen als Hilfsrückkopplungssteuerung definiert. Präzi ser ausgedrückt, wird ein dabei vorhandenes aktuelles Luft- Kraftstoff-Verhältnis aus der Ausgangsspannung VOX2 des strom abwärtigen Sauerstoffsensors 27 bestimmt. Danach wird fest gestellt, ob das vorliegende aktuelle Luft-Kraftstoff-Ver hältnis gegenüber dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λTG (typischerweise gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt) in den mageren oder fetten Bereich verschoben ist. Wird festgestellt, daß das vorliegende aktu elle Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den fetten Bereich ver schoben ist, so wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis λTG in den mageren Bereich bewegt. Wird andererseits festge stellt, daß das vorliegende aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhält nis in den mageren Bereich verschoben ist, so wird das Soll- Luft-Kraftstoff-Verhältnis λTG in den fetten Bereich bewegt.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel arbeitet gemäß Fig. 11, in der Verschiebungen des Luft-Kraftstoff-Verhält nisses und seit dem Starten des Motors auftretende Änderungen in der Menge des ausgestoßenen HC dargestellt sind.

Es wird angenommen, daß der Motor in einem Zeitpunkt t0 ge startet wird. In einem Zeitpunkt t1 wird die Halbaktivie rungskennung F1 auf "1" gesetzt. Während einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 weist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 eine Charakteristik mit einer stufenförmigen Änderung der elektromotorischen Kraft in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einer gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt magereren Seite auf. Als Resultat verbleibt das Luft-Kraftstoff- Verhältnis auf der mageren Seite. Im Zeitpunkt t2 wird die Halbaktivierungskennung F1 auf "0" zurückgesetzt, während die Fastaktivierungskennung F2 auf "1" gesetzt wird. In einem späteren Zeitpunkt t3 wird die Fastaktivierungskennung F2 auf "0" zurückgesetzt, während die Vollaktivierungskennung F3 auf "1" gesetzt wird.

Obwohl das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Halbaktivie rungszustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 übli cherweise gemäß einer in der Zeichnung gestrichelt darge stellten Linie gesteuert wurde, wird es in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß einer durchgezogenen Linie gesteu ert. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ergibt sich eine deutlich geringere Menge des ausgestoßenen HC, die sich auch frühzeitiger verringert. Dies liegt darin begrün det, daß im Falle der bekannten Technologie während einer Zeitdauer bis zum Beginn der rückgekoppelten Steuerung, d. h. während einer Zeitdauer bis zum Zeitpunkt t2, eine Steuerung mit offener Regelschleife auf der fetten Seite durchgeführt wird, was den Ausstoß einer großen Menge an HC zur Folge hat. Demgegenüber wird die Menge des ausgestoßenen HC durch früh zeitigeres Beginnen der rückgekoppelten Steuerung gemäß dem vorliegenden Beispiel reduziert.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist die nachfolgenden Vorteile auf:

(a) Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Akti vierungszustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 be stimmt. Zeigt die Bestimmung an, daß sich der Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem halbaktivierten Zustand befindet, so wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem Zustand des Erzeugens einer elektromotorischen Kraft ohne Anlegen einer Spannung gehalten und gleichzeitig ein Zwangsstrom von einer externen Quelle von einer Elektrode ei nes Elektrodenpaars des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 zu der anderen Elektrode eingeprägt, so daß die Charakteri stik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensors 26 in eine Charakteristik geändert wird, die eine stufenweise Änderung der elektromotorischen Kraft an ei nem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt in einem gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt magereren Bereich aufweist. Danach erfolgt eine rückgekoppelte Steue rung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf der ge änderten Charakteristik (Charakteristik der elektromotori schen Kraft auf der mageren Seite im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels). In einem Zustand der vollständigen Ak tivierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 oder in einem Fastaktivierungszustand unmittelbar vor der vollständi gen Aktivierung wird eine rückgekoppelte Steuerung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung der verbesserten Regelungstheorie basierend auf der linearen Charakteristik des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 durchgeführt.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die rückge koppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses während einer Zeitdauer unmittelbar nach dem Starten des Motors 1 bis zur vollständigen Aktivierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors 26 an einem gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis punkt durchgeführt werden, der entsprechend den Eigenschaften und Spezifikationen des Motors 1 festgelegt wird, selbst in einem halbaktivierten Zustand, bevor der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 aktiviert ist. Als Resultat kann die ge wünschte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im frü hest möglichen Zeitpunkt begonnen werden, wobei es gleichzei tig möglich ist, schädliche Abgasemissionen zu verringern und eine gute Fahreigenschaft beizubehalten.

(b) Zum Verschieben der Charakteristik der elektromotori schen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 in den mageren oder fetten Bereich wird ein durch eine externe Quel le erzeugter Zwangsstrom entweder in die abgasseitige Elek trodenschicht 36 oder in die luftseitige Elektrodenschicht 37 eingeprägt. Auf diese Weise kann die das Verhältnis zwischen der elektromotorischen Kraft und dem Luft-Kraftstoff-Verhält nis repräsentierende Charakteristik in einfacher Weise über einen relativ weiten Bereich verschoben werden. Im Falle des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkts von 14,7 kann die Charakteristik über einen Luft-Kraftstoff-Verhält nisbereich von ±3 verschoben werden.
(c) Darüber hinaus wird der Aktivierungszustand des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 anhand des Pegels der elek tromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 beim Starten des Motors und des Meßelementwiderstands RS des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 bestimmt. Dement sprechend kann der Aktivierungszustand des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 auf einfache Weise und mit hohem Grad an Zuverlässigkeit bestimmt werden.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

In dem in Fig. 12 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel wird die Sensoransteuerungsroutine des ersten Ausführungsbeispiels hinsichtlich der Verarbeitung zum Bestimmen des Aktivierungs zustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 abgewan delt. D.h., die in Fig. 7 gezeigten Schritte 120, 150 und 180 werden durch Schritte 300, 310 bzw. 320 ersetzt.

Im Falle des zweiten Ausführungsbeispiels wird der Aktivie rungszustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 anhand der Zeitdauer seit dem Starten des Motors bestimmt. Im Schritt 300 in Fig. 12 stellt der Mikrocomputer 61 fest, ob die Zeitdauer seit dem Starten des Motors eine vorbestimmte Zeitdauer T1 überschritten hat. Führt die Feststellung im Schritt 300 zu einem JA, so stellt der Mikrocomputer 61 für den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 einen halbaktivier ten Zustand fest. In diesem Fall schreitet der Ablauf zum Schritt 130. In dem Schritt 310 stellt der Mikrocomputer 61 fest, ob die Zeitdauer seit dem Starten des Motors eine vor bestimmte Zeitdauer T2 (T2 < T1) überschritten hat. Führt die Feststellung im Schritt 310 zu einem JA, so stellt der Mikro computer 61 fest, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor 26 in dem fast aktivierten Zustand befindet. In diesem Fall schreitet der Ablauf zu dem Schritt 160.

Weiterhin stellt der Mikrocomputer 61 in dem Schritt 320 fest, ob die Zeitdauer seit dem Starten des Motors eine vor bestimmte Zeitdauer T3 (T3 < T2) überschritten hat. Führt die Feststellung im Schritt 320 zu einem JA, so wird festge stellt, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem vollaktivierten Zustand befindet. In diesem Fall schreitet der Ablauf zu dem Schritt 190. Es ist zu beachten, daß die Werte der vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3 davon abhängen, ob der Motor 1 kaltgestartet wird oder nicht. Die Werte der vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3 können sich zwi schen 0 und 10 Sekunden, 0 und 20 Sekunden bzw. 0 und 30 Se kunden befinden. Im Falle eines Kaltstarts des Motors 1 wer den die vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3 auf die oberen Grenzen der Bereiche festgelegt, d. h. 10 Sekunden, 20 Sekun den bzw. 30 Sekunden. Wird der Motor andererseits nach Been digung der Aufwärmphase neu gestartet, so werden alle vorbe stimmten Zeiten T1, T2 und T3 auf 0 Sekunden festgelegt.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Das dritte Ausführungsbeispiel stellt eine Abwandlung des er sten und zweiten Ausführungsbeispiels hinsichtlich der Be stimmung des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensors 26 dahingehend dar, daß der Aktivierungszu stand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 in Schrit ten 400, 410 und 420 anhand der Menge der seit dem Starten des Motors dem Heizelement 33 zugeführten elektrischen Energie bestimmt wird. Im Schritt 400 in Fig. 13 stellt der Mikrocomputer 61 fest, ob die Menge der seit dem Starten des Motors zugeführten elektrischen Energie eine vorbestimmte Menge W1 überschritten hat. Führt die Fest stellung im Schritt 400 zu einem JA, so stellt der Mikrocom puter 61 fest, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem halbaktivierten Zustand befindet. In diesem Falle schreitet der Ablauf zu dem Schritt 140. Andererseits stellt der Mikrocomputer 61 in dem Schritt 410 fest, ob die Menge der seit dem Starten des Motors zugeführten elektrischen Energie eine vorbestimmte Menge W2 überschritten hat. Führt die Feststellung im Schritt 410 zu einem JA, so stellt der Mikrocomputer 61 fest, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor 26 in dem fast aktivierten Zustand befindet. In diesem Fall schreitet der Ablauf zu dem Schritt 160.

Weiterhin stellt der Mikrocomputer 61 in dem Schritt 420 fest, ob die Menge der seit dem Starten des Motors zugeführt en elektrischen Energie eine vorbestimmte Menge W3 über schritten hat. Führt die Feststellung im Schritt 420 zu einem JA, so stellt der Mikrocomputer 61 fest, daß sich der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem vollaktivierten Zu stand befindet. In diesem Falle schreitet der Ablauf zu dem Schritt 190. Es ist zu beachten, daß die vorbestimmten Werte W1, W2 und W3 die Beziehung W1 W2 W3 erfüllen, und davon abhängig sind, ob der Motor 1 kaltgestartet wird. Im Falle eines Kaltstarts des Motors 1 werden die Werte der vorbe stimmten Mengen W1, W2 und W3 auf Maximalwerte festgelegt. Wird die Maschine andererseits nach einer vollständigen Auf wärmphase neu gestartet, so können alle vorbestimmten Werte W1, W2 und W3 auf 0 festgelegt werden.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

In dem in den Fig. 14 und 15 gezeigten vierten Ausfüh rungsbeispiel wird im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebe nen ersten bis vierten Ausführungsbeispiel ein Sauerstoffsen sor eines Typs zum Erzeugen der elektromotorischen Kraft auf der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 13 (Fig. 1) an stelle des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 verwendet. Es ist zu beachten, daß der Sauerstoffsensor eine Festkörpe relektrolytschicht mit einem tassenförmigen Querschnitt zum Leiten von Sauerstoffionen, eine abgasseitige Elektroden schicht und eine luftseitige Elektrodenschicht aufweist. Die abgasseitige Elektrodenschicht ist auf der Außenoberfläche der Festkörperelektrolytschicht befestigt und die luftseitige Elektrodenschicht auf der inneren Oberfläche der Festkörpere lektrolytschicht.

In der Ansteuerschaltung 60 (Fig. 5) für den Sauerstoffsensor kann auf die Spannungszufuhrschaltungen 66 und 67 und die Stromerfassungsschaltung 68 zum Erfassen des Grenzstroms ver zichtet werden. Die Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Sauerstoffsensors wird durch die Konstantstrom schaltung 71 und den Mikrocomputer 61 zum Ausgeben des Strom steuersignals an die Konstantstromschaltung 71 geändert.

In Fig. 14, die eine durch den in der Sensoransteuereinheit 60 eingesetzten Mikroprozessor durchgeführte Sensoransteue rungsroutine zeigt, beginnt die Routine mit dem Einschalt zeitpunkt der ECU 40 (Sensoransteuereinheit 60).

Der Mikrocomputer 61 führt in einem Schritt 500 eine Initia lisierung durch. Bei der Initialisierung löscht der Mikrocom puter u. a. die Aktivierungskennungen F10, F11 und F12, die die Aktivierungszustände des Sauerstoffsensors darstellen, auf "0". F10 stellt eine Inaktivierungskennung dar, die zum Anzeigen eines inaktivierten Zustands des Sauerstoffsensors auf "1" gesetzt wird. Andererseits stellt F11 eine Halbaktivierungskennung dar, die zum Anzeigen des halbaktivierten Zustands des Sauerstoffsensors auf "1" gesetzt wird. F12 stellt eine Vollaktivierungskennung dar, die zum Anzeigen eines vollaktivierten Zustands des Sauerstoffsensors auf "1" gesetzt wird.

Die Verarbeitung schreitet dann zu einem Schritt 510, in dem der Mikrocomputer 61 die Inaktivierungskennung F10 auf "1" setzt. Danach schreitet der Ablauf zu einem Schritt 520, in dem der Mikrocomputer 61 feststellt, ob die seit dem Starten des Motors abgelaufene Zeitdauer eine vorbestimmte Zeit T11 überschritten hat. Führt die Feststellung in dem Schritt 520 zu NEIN, so kehrt der Ablauf zurück zu dem Schritt 510. Führt andererseits die Feststellung im Schritt 520 zu JA, so schreitet der Ablauf zu einem Schritt 530, in dem der Mikro computer 61 die Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Sauerstoffsensors verändert. Bei dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel wird die Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Sauerstoffsensors so geändert, daß ein Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt, in dem sich die elektromotorische Kraft stufenweise ändert, von dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt in den mageren Bereich verschoben wird. D.h., durch Einprägen eines Zwangsstroms von der luft seitigen Elektrodenschicht zu der abgasseitigen Elektroden schicht wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt, in dem sich die elektromotorische Kraft abrupt ändert, von dem stöchiome trischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt in den mageren Be reich verschoben.

Danach schreitet der Ablauf zu einem Schritt 540, in dem die Halbaktivierungskennung F11 auf "1" gesetzt wird. Nachfolgend schreitet der Ablauf zu einem Schritt 550, in dem der Mikrocomputer 61 feststellt, ob die seit dem Starten der Maschine abgelaufene Zeitdauer eine vorbestimmte Zeit T12 überschritten hat. Es ist zu beachten, daß die Inaktivierungskennung F10 auf "0" zurückgesetzt wird, wenn die Halbaktivierungskennung F11 auf "1" gesetzt wird.

Führt die Feststellung im Schritt 550 zu einem NEIN, so kehrt der Ablauf zurück zu dem Schritt 530. Führt andererseits die Feststellung im Schritt 550 zu einem JA, so schreitet der Ab lauf zu einem Schritt 560, in dem die Charakteristik der elektromotorischen Kraft durch den Mikrocomputer 61 auf ihre Original-Charakteristik, in der sich die elektromotorische Kraft stufenförmig an dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff- Verhältnispunkt ändert, zurückverschoben oder zurückgeführt wird. Die Verarbeitung wird dann mit einem Schritt 570 fort geführt, in dem die Vollaktivierungskennung F12 durch den Mi krocomputer 61 auf "1" gesetzt wird. Danach wird der vorliegende Zustand beibehalten, wie er ist. Es ist zu beachten, daß die Halbaktivierungskennung F11 auf "0" zurückgesetzt wird, wenn die Vollaktivierungskennung F12 auf "1" gesetzt wird.

Hier sind die Werte der vorbestimmten Zeiten T11 und T12 da von abhängig, ob der Motor 1 kaltgestartet wird. Die Werte der vorbestimmten Zeiten T11 und T12 können im Bereich von 0 bis 10 Sekunden bzw. von 0 bis 20 Sekunden liegen. Im Falle eines Kaltstarts des Motors 1 werden die vorbestimmten Zeiten T11 und T12 auf die oberen Grenzen der Bereiche, d. h. 10 Se kunden und 20 Sekunden, festgelegt. Wird andererseits der Mo tor nach einem vollständigen Aufwärmen wieder gestartet, so werden beide Zeiten T11 und T12 auf 0 Sekunden festgelegt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Steuerroutine gemäß Fig. 15 abgewandelt. Diese Routi ne wird durch die in der Motorsteuereinheit 50 verwendete CPU 51 für jede Kraftstoffeinspritzung, d. h. alle 180 Grad CA, durchgeführt.

Wie in der Fig. dargestellt ist, beginnt die Routine mit ei nem Schritt 600, in dem die CPU 51 Betriebszustände des Moto rs wie beispielsweise die Drehzahl Ne, den Ansaugluftdruck PM und die Kühlmitteltemperatur Thw von den Sensoren einliest. Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 610, in dem eine Grundeinspritzmenge Tp anhand der Drehzahl Ne des Motors und des Ansaugluftdrucks PH unter Verwendung einer in dem ROM 52 gespeicherten Grundeinspritzzuordnung berechnet wird. Der Ab lauf schreitet dann zu einem Schritt 620, in dem die CPU 51 feststellt, ob die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungs bedingungen erfüllt sind. Zu den Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Rückkopplungsbedingungen gehört, daß die Kühlmitteltemperatur Thw größer als ein vorbestimmter Wert ist und der Motor sich nicht im Hochgeschwindigkeits- und Hochlastbereich befindet.

Sind die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungsbedingungen nicht erfüllt (NEIN), so wird die Verarbeitung mit einem Schritt 630 fortgeführt, in dem die CPU 51 eine Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Steuerung mit offener Regelschleife durch führt, wodurch diese Routine abgeschlossen wird.

Sind andererseits die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopp lungsbedingungen im Schritt 620 erfüllt (JA), so wird die Verarbeitung mit einem Schritt 640 fortgeführt, in dem die CPU 51 die durch die in Fig. 14 gezeigte Routine gesetzten Aktivierungskennungen F10, F11 und F12 des Sauerstoffsensors ausliest, um festzustellen, ob eine der Kennungen auf "1" gesetzt ist. Unter der Annahme, daß die Inaktivierungskennung F10 auf "1" gesetzt wurde, schreitet der Ablauf zu dem Schritt 630, in dem die CPU 51 die Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Steuerung mit offener Regelschleife durchführt, wodurch die vorliegende Routine beendet wird.

Ist die Halbaktivierungskennung F11 "1", so schreitet der Ablauf zu einem Schritt 650, in die CPU 51 eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf einem magerseitigen Soll-Luft-Kraftstoff- Verhältnis des Sauerstoffsensors durchführt. Nachdem die im Schritt 650 durchgeführte Verarbeitung beendet ist, wird die Routine abgeschlossen. Es ist zu beachten, daß der Sauerstoffsensor bei F11 = 1 eine Charakteristik aufweist, die eine stufenförmige Änderung der elektromotorischen K 26986 00070 552 001000280000000200012000285912687500040 0002019728466 00004 26867raft an einem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt aufweist, der gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff- Verhältnispunkt um einen gewissen Grad in den mageren Bereich verschoben ist. Die CPU 51 führt die rückgekoppelte Steuerung basierend auf dieser Charakteristik durch.

Ist andererseits die Vollaktivierungskennung F12 auf "1" gesetzt, so schreitet der Ablauf zu einem Schritt 660, in dem die CPU 51 eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses basierend auf einer Charakteristik des Sauer stoffsensors durchführt, die eine stufenweise Änderung der elektromotorischen Kraft am stöchiometrischen Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt zeigt, wobei das stöchiometrische Luft- Kraftstoff-Verhältnis als Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ve rwendet wird. Nach Beendigung der im Schritt 660 ausgeführten Verarbeitung wird die vorliegende Routine abgeschlossen.

Die unter Bezugnahme auf das in Fig. 14 gezeigte Flußdiagramm beschrieben wird, wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt, in dem sich die elektromotorische Kraft des Sauerstoffsensors stufenweise ändert, einmalig in den mageren Bereich verscho ben. Selbstverständlich kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis punkt, in dem sich die elektromotorische Kraft des Sauer stoffsensors ändert, ebenso in den fetten Bereich verschoben werden. Im Schritt 530 in Fig. 14 kann der Luft-Kraftstoff- Verhältnispunkt, in dem sich die elektromotorische Kraft des Sauerstoffsensors abrupt ändert, durch umgekehrtes Einprägen eines Zwangsstroms von der abgasseitigen Elektrodenschicht zu der luftseitigen Elektrodenschicht in den fetten Bereich ver schoben werden.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel insbesondere darin, daß die Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Sauerstoffsensors vom Typ der Erzeugung einer elektromo torischen Kraft geändert wird. Somit wird auch im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Wirkung dahingehend erzielt, daß die Menge des ausgestoßenen HC während der Zeit dauer bis zum Aufheizen des Sauerstoffsensors in den vollak tivierten Zustand reduziert ist.

(Fünftes Ausführungsbeispiel)

Das in Fig. 16 gezeigte fünfte Ausführungsbeispiel stellt ei ne Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels (Fig. 14 und 15) hinsichtlich der rückgekoppelten Steuerung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses nach der Beendigung der Aufwärmphase dar, d. h. nach der Aktivierung des Sensors.

Gemäß Fig. 16 beginnt die Routine mit einem Schritt 700, in dem die CPU 51 den Betriebszustand das Motors wie beispiels weise die Drehzahl Ne, den Ansaugluftdruck PM und die Kühl mitteltemperatur Thw von den Sensoren liest. Die Verarbeitung schreitet dann zu einem Schritt 710, in dem eine Grundein spritzmenge Tp anhand der Drehzahl Ne des Motors und dem An saugluftdruck PM unter Verwendung einer in dem ROM 52 gespei cherten Grundeinspritzzuordnung berechnet wird.

Der Ablauf schreitet dann zu einem Schritt 720, in dem die CPU 51 feststellt, ob es erforderlich ist, das Luft-Kraft stoff-Verhältnis von dem vorliegenden Luft-Kraftstoff-Ver hältnis, typischerweise dem stöchiometrischen Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt, abzuändern. Eine Änderung des Soll- Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist aus einigen bestimmten Gründen erforderlich. Typischerweise wird das Soll-Verhältnis geändert, weil die eingespritzte Kraftstoffmenge aufgrund ei ner Beschleunigung des Fahrzeugs oder einer Vermeidung der Überhitzung des Dreiwege-Katalysators zeitweise erhöht wird. In diesem Fall wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den fetten Bereich verschoben.

Führt die Feststellung im Schritt 720 zu einem JA, so schrei tet der Ablauf zu einem Schritt 730, in dem die CPU 51 ein Steuerbefehlssignal an die Sensoransteuereinheit 60 (Fig. 5) zum Ansteuern des Sauerstoffsensors ausgibt, um die Ausgabe eines Stromsteuersignals zum Ändern der Charakteristik der elektromotorischen Kraft des Sauerstoffsensors anzufordern. In diesem Fall ist es zum Verschieben des Luft-Kraftstoff- Verhältnispunkts, an dem sich die durch den Sauerstoffsensor erzeugte elektromotorische Kraft stufenweise ändert, gemäß vorstehender Beschreibung in den fetten Bereich erforderlich, einen Zwangsstrom von der abgasseitigen Elektrodenschicht zu der luftseitigen Elektrodenschicht einzuprägen. Auf diese Weise kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt, an dem sich die durch den Sauerstoffsensor erzeugte elektromotorische Kraft abrupt ändert, in den fetten Bereich verschoben werden. Um den Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt, in dem sich die durch den Sauerstoffsensor erzeugte elektromotorische Kraft stufen weise ändert, andererseits in den mageren Bereich zu ver schieben, ist es erforderlich, einen Zwangsstrom von der luftseitigen Elektrodenschicht zu der abgasseitigen Elektro denschicht einzuprägen. Die Verarbeitung schreitet dann zu einem Schritt 740.

Führt andererseits die Feststellung im Schritt 720 zu einem NEIN, so überspringt die Verarbeitung den Schritt 730 und führt direkt den Schritt 740 durch, in dem die CPU 51 eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf der durch den Sauerstoffsensor ausgegebenen elektromotorischen Kraft durchführt. Ist die im Schritt 740 durchgeführte Verarbeitung abgeschlossen, so wird die vorliegende Routine beendet. Es ist zu beachten, daß durch die Schritte 730 und 740 des in Fig. 16 gezeigten Flußdiagramms die Sensorcharakteristik verändert und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird.

Wie vorstehend beschrieben, kann eine rückgekoppelte Steue rung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an einem Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt, der gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt verschoben ist, durchgeführt werden, was eine Reduktion der schädlichen Abgasemissionen und ein Beibehalten der guten Fahreigenschaften ermöglicht. D.h., die rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Ver hältnisses kann an einem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt im mageren oder fetten Bereich durchgeführt werden, selbst wenn ein Sauerstoffsensor mit einer Charakteristik der elektromo torischen Kraft, die eine stufenweise Änderung der elektromo torischen Kraft an dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Ver hältnispunkt zeigt, für die Sauerstoffkonzentrationserfassung verwendet wird.

(Abgewandeltes Ausführungsbeispiel)

Die vorgenannten Ausführungsbeispiele können wie folgt weiter abgewandelt werden.

(1) Im Falle des vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispiels wird der Aktivierungszustand bei der Be stimmung des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensors 26 in drei Zustände aufgeteilt: den halbakti vierten Zustand, den fast aktivierten Zustand und den vollak tivierten Zustand. Es ist zu beachten, daß die Bestimmung je doch auch durch Aufteilen des Zustands in zumindest den hal baktivierten Zustand und den vollaktivierten Zustand erfolgen kann. Beispielsweise stellt der Mikrocomputer 61 im Schritt 150 in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 fest, ob der Meßelementwiderstand RS kleiner oder gleich dem ersten Kennwert R2 ist (RS R2). Ist der Meßelementwiderstand RS kleiner oder gleich dem zweiten Kennwert R2, so werden die in Fig. 5 gezeigten Umschaltschaltungen 69 und 70 in einen Zustand des Anlegens von Spannungen an den Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor 26 umgeschaltet und die Vollaktivierungs kennung F3 wird auf "1" gesetzt. In diesem Fall werden die Schritte 170 und 180 gestrichen. In gleicher Weise werden die in den Fig. 12 bzw. 13 gezeigten Schritte 310 und 410 in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel jeweils hinsicht lich der Verarbeitung geändert, um festzustellen, ob sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 in einem vollaktivierten Zustand befindet. Führt die Feststellung im Schritt 310 oder 410 zu einem JA, so werden die in Fig. 5 gezeigten Umschalt schaltungen 69 und 70 in einen Zustand des Anlegens von Span nungen an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 umgeschal tet und die Vollaktivierungskennung F3 wird auf "1" gesetzt. In diesem Fall werden die Schritte 170, 320 und 420 gestrichen. Zusätzlich wird der Schritt 260 in der in Fig. 9 gezeigten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerroutine ebenso ge strichen, um eine rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraft stoff-Verhältnisses in einem fast aktivierten Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 nach der Erfüllung der Rückkoppelbedingungen im Schritt 240 durchzuführen. Die CPU 51 führt im Schritt 250 bzw. 270 die rückgekoppelte Steuerung lediglich in einem halbaktivierten Zustand oder einem vollak tivierten Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 durch.
(2) In dem in Fig. 11 gezeigten Betrieb des ersten Ausfüh rungsbeispiels wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis im halbaktivierten Zustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors 26 in den mageren Bereich versetzt. Abhängig von den Ei genschaften des Motors, kann die rückgekoppelte Steuerung selbstverständlich auch im fetten Bereich durchgeführt wer den, wie in Fig. 17 gezeigt ist. D.h., zu einem Zeitpunkt t1, in dem die Halbaktivierungskennung F1 gesetzt ist, wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen zu einem gewissen Grad im fetten Bereich in unmittelbarer Nähe zum stöchiome trischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt versetzt. Später wird das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Zeitpunkt ta, in dem der Motor im stabilen Zustand betrieben wird, auf den stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt verän dert. In diesem Fall kann die Menge des ausgestoßenen HC durch frühzeitiges Durchführen einer rückgekoppelten Steue rung selbst bei einem Motor mit einer Charakteristik, die keine stabile Drehung im mageren Bereich unmittelbar nach dem Starten zeigt, ebenfalls verringert werden.
(3) Wie vorstehend beschrieben, werden im Falle des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels eine Vielzahl von Kriterien zum Bestimmen des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 26 festgelegt. Es ist jedoch zu beachten, daß die Kriterien zum Bestimmen des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 nicht auf diese be schränkt sind. Weitere Kriterien können verwendet werden. Beispielsweise die seit dem Starten des Motors abgelaufene Zeitdauer, der Pegel der durch den Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor 26 erzeugten elektromotorischen Kraft, der Meßele mentwiderstand RS des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26, die Meßelementtemperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors 26, die dem in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 vorgesehenen Heizelemente 33 seit dem Starten des Motors zu geführte Energiemenge oder Kombinationen dieser können als Grundlage für eine Bestimmung des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors verwendet werden. Diese Kriterien können auch in dem vierten Ausführungsbeispiel ver wendet werden.
(4) In den vorgenannten Ausführungsbeispielen würde jeweils eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung verwendet, in der ein Sauerstoff- oder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit jeweils tassenförmigem Festkörperelektrolyt eingesetzt wird. Anstelle dieser Sensoren kann ebenso ein Flachschicht- Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, d. h. ein Flachschicht- Sauerstoff-Sensor oder ein Flachschicht-Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor, verwendet werden. Auch in diesem Fall wird in einem halbaktivierten Zustand des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors ein Zwangsstrom von der bezugsseitigen Elektrodenschicht (luftseitigen Elektrodenschicht) zu der meßseitigen Elektrodenschicht (abgasseitigen Elektroden schicht), die auf beiden Seiten der geschichteten Festkörper elektrolytschicht oder umgekehrt vorgesehen sind, einge prägt, um den Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt, an dem sich die durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erzeugte elektromotorische Kraft stufenweise ändert, von dem stöchio metrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt in den mageren bzw. fetten Bereich zu verschieben. Danach erfolgt eine rück gekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basie rend auf der verschobenen Charakteristik der elektromotori schen Kraft.
(5) Obwohl ein Paar solcher auf beiden Seiten der Festkörpe relektrolytschicht des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors vorgesehener Elektrodenschichten ausreicht, kann auch eine Vielzahl von Paaren eingesetzt werden.

(Sechstes Ausführungsbeispiel)

Ein sechstes Ausführungsbeispiel ist insbesondere auf den Aufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 vom Grenz stromtyp bezogen. Dieser Sensor kann auch in dem vorgenannten ersten bis fünften Ausführungsbeispiel verwendet werden.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor sollte vorzugsweise die in den Fig. 18 und 19 gezeigte Charakteristik aufweisen. Wie aus Fig. 18 hervorgeht, in der Ausgangscharakteristiken dreier verschiedener Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 26 (A, B und C) gezeigt sind, d. h. Verhältnisse zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K und dem Grenzstrom, ändert sich der von jedem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren ausgegebene Grenzstrom Ip in den auf beiden Seiten des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkts (λ = 1), der als Grenze zwischen den beiden Bereichen dient, befindlichen Bereichen flach und linear mit dem Luft- Kraftstoff-Verhältnis L/K.

Daher kann eine Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses L/K von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1), der als Rückkoppelsollwert verwendet werden kann, mit einem hohen Grad an Genauigkeit anhand des Grenzstroms Ip erfaßt werden. Durch Rückkoppeln des das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K darstellenden Grenzstroms Ip bei der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Regelung kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K mit gutem Ansprechverhalten und einem hohen Grad an Genauigkeit geregelt werden. Da die Außenluft als Bezug verwendet wird, ist die Ausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors sta bil.

Wie aus Fig. 19, in der das Verhältnis zwischen einer zwi schen der luftseitigen Elektrodenschicht und der abgasseiti gen Elektrodenschicht angelegten Spannung V und dem Strom I des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 vom Strombegren zungstyp für verschiedene Luft-Kraftstoff-Verhältnisse L/K gezeigt ist, hervorgeht, bleibt der Strom I für jedes Luft- Kraftstoff-Verhältnis L/K in einem bestimmten Bereich der an gelegten Spannung unverändert. Dieser Wert wird als der in Fig. 18 gezeigte Grenzstrom Ip bezeichnet. Dieser unveränder te Abschnitt einer jeden der Kurvenverläufe deutet an, daß der Strom I selbst bei Änderung der angelegten Spannung auf den Grenzstrom Ip beibehalten wird, was zu einer hohen Erfas sungsgenauigkeit führt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 so ausgestaltet, daß der Grenzstrom Ip am stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Ver hältnis L/K von 14,5 (λ = 1) Null ist, so daß eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses L/K unter Bezugnahme auf den Nullgrenzstrom Ip (Ip = 0) auf einfache Weise durchge führt werden kann. Es ist zu beachten, daß die Verhältnisse zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K und dem Grenz strom Ip mit den Verhältnissen zwischen dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis LK und dem Grenzstrom Ip übereinstimmen, d. h., den Koordinaten der Kreuzungspunkte zwischen einer gestrichelten Linie und den Kurvenverläufen in Fig. 19.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 vom Grenzstromtyp gemäß Fig. 20 als Ein zellentyp aufgebaut. Der Sensor 26 umfaßt eine tassenförmige Festkörperelektrolytschicht (Meßelement) 34 aus sauerstoffio nenleitendem Material, die auf der hohlen Innenseite der Festkörperelektrolytschicht 34 in Kontakt mit der Außenluft befindliche, luftseitige Elektrolytschicht 37 und eine auf der anderen Seite der Festkörperelektrolytschicht 34 in Kontakt mit dem durch den Motor ausgestoßenen Abgas befindliche, abgasseitige Elektrode 36. Eine Spannung wird zwischen die luftseitige Elektrodenschicht 37 und die abgasseitige Elektrodenschicht 36 angelegt und ein von der luftseitigen Elektrodenschicht 37 zu der abgasseitigen Elektrodenschicht 36, und umgekehrt, fließender Strom wird erfaßt. Es ist zu beachten, daß die luftseitige Elektrodenschicht 37 mit einem Anschlußteil 37′ des offenen Endes der Festkörperelektrolytschicht 34 elektrisch verbunden ist, und die abgasseitige Elektrodenschicht 36 mit dem Anschlußteil 36′ über ein Leitungsstück 36′′. Die abgasseitige Elektrodenschicht 36 weist auf einem den Grenzstrom erzeugenden Abschnitt des Sensors einen verringerten Durchmesser auf. Dieser Abschnitt mit ver ringertem Durchmesser wird in direkten Kontakt mit der Fest körperelektrolytschicht 34 gebracht. Der verbleibende Ab schnitt wird an der Festkörperelektrolytschicht 34 über eine elektrische Isolierschicht 39 befestigt. Auf der Oberfläche der abgasseitigen Elektrodenschicht 36 ist eine poröse Diffu sionswiderstandsschicht 35 vorgesehen. Es ist zu beachten, daß die Festkörperelektrolytschicht 34 aus einem ZrO₂-Y₂O₃- Material hergestellt ist, während die luftseitige Elektroden schicht 37 und die abgasseitige Elektrodenschicht 36 durch ein Pt-Metallisierungsverfahren aufgebracht werden. Die Dicke des Sensors beträgt ungefähr 5 mm.

Der Festkörperelektrolyt des Sensors 26 weist ein offenes und ein geschlossenes Ende auf. Daher ergibt sich selbst bei schnellem Temperaturanstieg durch ein Heizelement keine Kon zentration der Wärmespannung, was zu einer höheren Zuverläs sigkeit gegenüber dem Fall der Verwendung eines plattenförmi gen Festkörperelektrolyten führt.

Dieser Sensor 26 wird gemäß Fig. 21 in derselben Weise wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen oder speziell für die rückgekoppelte Steuerung auf das stöchiometrische Luft- Kraftstoff-Verhältnis verwendet.

Es wird angenommen, daß der Grenzstrom Ip einem Luft-Kraft stoff-Verhältnis L/K von 15 (magerer Bereich) entspricht, wie in Fig. 18 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung 40 entsprechend dem Grenzstrom Ip betrieben, um die durch das Kraftstoffein spritzventil 7 zugeführte Kraftstoffmenge zu erhöhen. Somit wird die Sauerstoffkonzentration im Abgas allmählich verrin gert. Als Resultat wird der durch den Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor 26 vom Grenzstromtyp erzeugte Grenzstrom Ip Null, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das stöchio metrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) geregelt wird. Entspricht andererseits der Grenzstrom Ip einem Luft-Kraft stoff-Verhältnis L/K von 14 (fetter Bereich), so wird die ECU 40 entsprechend dem Grenzstrom Ip so betrieben, daß die dem Kraftstoffeinspritzventil 7 zugeführte Kraftstoffmenge ver ringert wird. Als Resultat wird der durch den Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensor 26 vom Grenzstromtyp erzeugte Grenz strom Ip gleichermaßen Null, wobei das Luft-Kraftstoff-Ver hältnis in gleicher Weise auf das stöchiometrische Luft- Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) geregelt wird. Auf diese Weise kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dem in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzten Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Regelverfahren mit hohem Ge nauigkeitsgrad und hohem Zuverlässigkeitsgrad auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) geregelt werden.

Der in Fig. 20 gezeigte Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 wurde hinsichtlich seiner verschiedenen Betriebseigenschaften getestet und seine Testergebnisse sind in den Fig. 22 bis 26 dargestellt.

Als erstes besteht eine Beziehung zwischen der Dicke [µm] der porösen Diffusionswiderstandsschicht 35 und der Ansprechzeit [ms] des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 vom Grenz stromtyp, wie in Fig. 22 dargestellt ist, wobei die Diffusi onswiderstandsschicht 35 aus Spinellpulver hergestellt und durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird. Die Daten in Fig. 22 würden durch Verändern der Porosität (Feinapperturvolumen cc/g) der Diffusionswiderstandsschicht 35 gemessen.

Aus den in Fig. 22 gezeigten Beziehungen ist entnehmbar, daß es bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom Grenz stromtyp zum Reduzieren der Ansprechzeit auf einen Wert klei ner als 200 ms (Millisekunden) erforderlich ist, die Porosität auf einen Wert im Bereich von 0,005 bis 0,020 cc/g festzule gen. Es ist zu beachten, daß die Diffusionswiderstandsschicht 35 im Falle einer Porosität größer als 0,020 cc/g nicht aus reichend wirksam ist, um die lineare Ausgabe des Grenzstroms bereitzustellen.

Darüber hinaus ist es wünschenswert, die Dicke der Diffusi onswiderstandsschicht 35 auf einen Wert im Bereich von 100 bis 1000 Mikrometern festzulegen. Bei einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern ist die Diffusionswiderstandsschicht 35 als Elektrodenschützschicht kaum verwendbar. Im Falle einer Dicke von mehr als 1000 Mikrometern ist es andererseits wahrscheinlich, daß sich die Wärmewiderstandscharakteristik und die Stoßfestigkeit verschlechtern.

Der Sensor 26 zeigt gemäß Fig. 23 eine Beziehung zwischen der Elektrodenfläche [mm²] und dem Meßelementwiderstand [Ω], wobei die Dicke der Festkörperelektrolytschicht [mm] als Parameter verwendet wird. Er zeigt auch gemäß den Fig. 24 und 25 eine Beziehung zwischen der Elektrodenfläche [mm²) und dem Grenzstrom und eine Beziehung zwischen der daran angelegten Spannung und dem Ausgangsstrom, wobei die Elektrodenfläche als Parameter verwendet wird. In einem in Fig. 25 gezeigten Fall Y, bei dem die Elektrodenfläche klein ist, ist auch der Wert des Grenzstroms klein. In einem Fall X, bei dem die Elektrodenfläche groß ist, ist auch der Wert des Grenzstroms groß. Schließlich zeigt der Sensor gemäß Fig. 26 eine Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis L/K und dem Grenzstrom Ip in den Fällen X und Y gemäß Fig. 25.

Wie aus diesen Beziehungen hervorgeht, ist es bei dem Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom Grenzstromtyp wünschenswert, die Elektrodenfläche auf einen Wert im Bereich zwischen 20 und 100 mm² festzulegen. Im Falle einer Elektrodenfläche kleiner als 20 mm² ist der Meßelementwiderstand groß, so daß der ausgegebene Grenzstrom klein ist. Im Falle einer Elektro denfläche größer als 100 mm² ist es andererseits wahrschein lich, daß die zum Aktivieren der Festkörperelektrolytschicht nach dem Starten des Motors erforderliche Zeitdauer lang ist. Ebenso ist erkennbar, daß eine Dicke der Festkörperelek trolytschicht im Bereich zwischen 0,2 und einem Millimeter wünschenswert ist. Bei einer Dicke der Festkörperelektrolyt schicht kleiner als 0,2 mm ergibt sich ein Haltbarkeitspro blem. Andererseits ergibt sich bei einer Dicke der Festkörpe relektrolytschicht von mehr als 1,0 mm das Problem, daß der Innenwiderstand des Meßelements gemäß Fig. 23 zu Erhöhungen neigt.

Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ist das Ansprechver halten des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 26 im Gegensatz zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom Doppelzellen-Sauer stoffpumpentyp gut, da der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 keine Meßgaskammer aufweist, was eine gute Reinigung des Abgases ermöglicht, selbst wenn der 3-Wege-Katalysator zu ei nem gewissen Grad beschädigt ist.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 kann genausogut stromabwärts von dem 3-Wege-Katalysator 13 eingesetzt werden.

Bei diesem Aufbau kann das durch den Grenzstrom Ip repräsen tierte Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezüglich dem durch den Ka talysator 13 gereinigten Abgas erfaßt werden, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit höherer Zuverlässigkeit auf das stöchiometrische Verhältnis geregelt werden kann. Selbst wenn sich die Eigenschaften des 3-Wege-Katalysators 13 ver schlechtern, was zu einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Ver hältnisbereichs führt, in dem der Katalysator einen hohen Reinigungsfähigkeit aufweist, kann diese Veränderung durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 26 erfaßt werden.

Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom Grenzstromtyp wird bei einer rückgekoppelten Steuerung eines Luft-Kraftstoff- Verhältnisses verwendet. Befindet sich der Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor in einem halbaktivierten Zustand, so wird der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einer Erzeugungsbe triebsart einer elektromotorischen Kraft betrieben, durch ei nen diesem zugeführten externen Strom, wodurch ein Änderungs punkt der elektromotorischen Kraft so verschoben wird, daß ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, an dem sich die elektromoto rische Kraft stufenweise ändert, von dem stöchiometrischen Verhältnispunkt (λ = 1) in einen mageren Bereich (λ < 1) ver schoben wird. Befindet sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor in einem vollaktivierten Zustand, so wird eine Span nung an den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angelegt, um einen sich mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändernden Grenzstrom zu erzeugen, so daß eine rückgekoppelte Steuerung basierend auf der verbesserten Regelungstheorie unter Ver wendung einer linearen Stromausgangscharakteristik durchge führt wird.

Claims

1. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung mit:
einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (26) mit einer Fest körperelektrolytschicht (34) und zumindest einem Paar von Elektroden (36, 37) auf beiden Seiten der Festkörperelek trolytschicht, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor so aufgebaut ist, daß eine elektromotorische Kraft, die sich in einem Bereich in unmittelbarer Nähe eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkts stufenweise ändert, erzeugt wird, falls kein Zwangsstrom extern zugeführt wird;
einer Sensorcharakteristikveränderungseinrichtung (40, 60, 61; 130, 530, 730) zum Ändern einer Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors in eine Charakteristik mit einem Luft-Kraftstoff-Ver hältnispunkt, an dem sich die elektromotorische Kraft stufen weise ändert und der gegenüber dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt durch einen Zwangsstrom von einer der Elektroden zu der anderen Elektrode des Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensors in einen mageren oder fetten Bereich ver schoben ist, und
einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (40, 50) zum Durchführen einer rückgekoppelten Steuerung eines Luft- Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung der durch die Sen sorcharakteristikänderungseinrichtung veränderten Charakteristik der elektromotorischen Kraft, wobei die geän derte Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft zum Feststellen, ob sich ein aktuelles Luft-Kraftstoff-Ver hältnis in dem mageren oder fetten Bereich befindet, verwen det wird.

2. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung mit:
einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (26) mit einer Fest körperelektrolytschicht (34) und zumindest einem Paar von Elektroden (36, 37) auf beiden Seiten der Festkörperelek trolytschicht, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor so aufgebaut ist, daß er eine elektromotorische Kraft erzeugt, die sich in einem Bereich in unmittelbarer Nähe eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkts stufen weise ändert, falls kein Zwangsstrom extern zugeführt wird;
einer Aktivierungszustandsbestimmungseinrichtung (40, 60, 61; 120, 150, 300, 320, 400, 420, 520, 550) zum Feststellen, ob sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einem halbakti vierten Zustand oder einem vollaktivierten Zustand befindet;
einer Sensorcharakteristikänderungseinrichtung (40, 60, 61; 130, 530, 730) zum Ändern einer Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors, wenn die Bestimmungseinrichtung feststellt, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in dem halbaktivierten Zustand befindet, wobei die Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft in eine Charakteristik mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt geändert wird, an dem sich die elektromotorische Kraft stufenweise ändert und der gegen über dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt durch einen extern von einer der Elektroden zu der anderen Elektrode zugeführten Zwangsstrom in einen mageren oder fet ten Bereich verschoben ist;
einer ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (40, 50; 250, 650, 740) zum Durchführen einer rückgekoppelten Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwen dung der durch die Sensorcharakteristikänderungseinrichtung geänderten Charakteristik der elektromotorischen Kraft, wenn die Bestimmungseinrichtung feststellt, daß sich der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in dem halbaktivierten Zustand befindet, wobei die Erzeugungscharakteristik der elektromoto rischen Kraft zum Feststellen verwendet wird, ob sich ein ak tuelles Luft-Kraftstoff-Verhältnis gegenüber dem Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt der Erzeugungscharakteristik der elek tromotorischen Kraft, an dem sich die elektromotorische Kraft stufenweise ändert, in den mageren oder fetten Bereich ver schoben ist; und
einer zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (40, 50; 270) zum Durchführen einer rückgekoppelten Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfaßten Luft- Kraftstoff-Verhältnisses, wenn die Bestimmungseinrichtung feststellt, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in dem vollaktivierten Zustand befindet.

3. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung nach An spruch 1 oder 2, wobei:
die Elektroden des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors einem Bezugsgas und einem Meßgas ausgesetzt sind, und
die Sensorcharakteristikänderungseinrichtung die Erzeugungs charakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraft stoff-Verhältnis-Sensors in eine Charakteristik mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt ändert, an dem sich die elek tromotorische Kraft stufenweise ändert und der gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt durch den von der bezugsgasseitigen Elektrode zu der meßgasseitigen Elektrode fließenden Zwangsstrom in einen mageren Bereich verschoben ist, oder in einen fetten Bereich durch einen Zwangsstrom von der meßgasseitigen Elektrode zu der bezugs gasseitigen Elektrode.

4. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung nach An spruch 2 oder 3, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor eine erste Charakteristik (Fig. 4, 6B) aufweist, die die stu fenförmige Änderung in der Erzeugungscharakteristik der elek tromotorischen Kraft an dem stöchiometrischen Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt zeigt, wenn keine Spannung zwischen den Elektroden angelegt ist, und eine zweite Charakteristik (Fig. 3, 10a, 10B), die eine lineare Änderung des Ausgangsstromes in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältisses zeigt, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen den Elektroden angelegt ist; und die Sensorcharakteristikänderungseinrichtung die erste Cha rakteristik durch Steuern eines von einer der Elektroden zu der anderen Elektrode des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors fließenden Stroms ändert.

5. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung nach An spruch 4, wobei:
die erste Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung eine auf der durch die Sensorcharakteristikänderungseinrichtung geänderten ersten Charakteristik basierende rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchführt; und die zweite Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung eine auf der zweiten Charakteristik basierende rückgekoppelte Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchführt.

6. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei:
die Aktivierungszustandsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sors basierend auf zumindest einem aus einer seit dem Starten eines Verbrennungsmotors (1) abgelaufenen Zeitdauer, einem Pegel der durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor er zeugten elektromotorischen Kraft, einem Widerstand des Fest körperelektrolyten, einer Temperatur des Festkörperelektroly ten und einer einem auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angeordneten Heizelement (33) seit dem Starten des Verbren nungsmotors zugeführten Energiemenge bestimmt wird.

7. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelverfahren für einen Mo tor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (26), der in einem Abgas angeordnet ist, und eine Festkörperelektrolyt schicht (34) und ein Paar von Elektroden (36, 37) auf beiden Seiten der Festkörperelektrolytschicht aufweist zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft, die sich um einen stöchiome trischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt stufenweise ändert, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelverfahren die Schritte umfaßt:
externes Zuführen eines elektrischen Zwangsstroms zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor über die Elektroden (40, 60, 561; 130, 530, 730) zum Ändern einer Erzeugungscharakteristik der elektromotorischen Kraft des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors in eine Charakteristik, bei der sich die elektromoto rische Kraft stufenweise an einem Punkt ändert, der gegenüber dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt ver schoben ist; und
Durchführen einer rückgekoppelten Steuerung eines Luft- Kraftstoff-Verhältnisses auf ein von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweichendes Luft-Kraftstoff- Verhältnis unter Verwendung der geänderten Charakteristik der elektromotorischen Kraft.

8. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelverfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend die Schritte:
Bestimmen eines Aktivierungszustands (40, 60, 61; 120, 150, 300, 320, 400, 420, 520, 550) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors zum Feststellen, ob sich der Luft-Kraftstoff-Verhält nis-Sensor in einem halbaktivierten Zustand oder in einem vollaktivierten Zustand befindet;
Freigeben des Zwangsstromzuführungsschritts und des Durchfüh rungsschritts der rückgekoppelten Steuerung im Ansprechen auf eine Feststellung, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor in dem halbaktivierten Zustand befindet; und
Sperren des Zwangsstromzuführungsschritts und des Durchfüh rungsschritts der rückgekoppelten Steuerung im Ansprechen auf ein Feststellen, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen sor in dem vollaktivierten Zustand befindet.

9. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelverfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend die Schritte:
externes Zuführen einer Spannung zu dem Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor über die Elektroden (40, 60; 160) im Anspre chen auf ein Feststellen, daß sich der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor in dem vollaktivierten Zustand befindet, wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor einen zu einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis proportionalen Grenzstrom erzeugt, wenn die Spannung zugeführt wird; und
Durchführen einer anderen rückgekoppelten Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf einen von dem verschobenen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt verschiedenen Luft-Kraft stoff-Verhältnispunkt unter Verwendung des Grenzstroms.

10. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelverfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend die Schritte:
externes Zuführen einer Spannung zu dem Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor über die Elektroden (40, 60; 160) nach dem Zwangsstromzuführungsschritt, wobei der Luft-Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor einen zu einem von dem verschobenen Luft- Kraftstoff-Verhältnispunkt verschiedenen Luft-Kraftstoff-Ver hältnis proportionalen Grenzstrom erzeugt, wenn die Spannung zugeführt wird; und
Durchführen einer anderen rückgekoppelten Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf das von dem verschobenen Luft-Kraftstoff-Verhältnispunkt verschiedene Luft-Kraftstoff- Verhältnis unter Verwendung des Grenzstroms.