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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
für einen
Verbrennungsmotor, der eine magere Verbrennung in einem mageren
Verbrennungsbereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausführt. Genauer
gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung
zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für einen Verbrennungsmotor,
der einen NOx Absorptions-(bzw. Okklusions-)Reduktionskatalysator
enthält,
zur Entfernung von Abgasstickstoffoxiden (NOx), die während einer mageren
Verbrennung erzeugt werden.
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In
den letzten Jahren wurde eine zunehmende Anzahl an Vorrichtungen
zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für Verbrennungsmotoren, was
als Magerverbrennungssteuerung bekannt ist, angewendet, d. h., Technologien
zur Verbrennung von Kraftstoff auf der mageren Seite eines stoichiometrischen
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
um die Kraftstoffausbeute zu verbessern.
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Indem
der Motor ein solches mageres Gemisch verbrennt, erzeugt er große Mengen
an NOx im Abgas. Solche NOx-Emissionen müssen aus Umweltschutzgründen minimiert
werden. Eine Anzahl an Technologien zur Unterstützung der Reduzierung der NOx-Emissionen
wurde eingeführt.
Beispielsweise ist die Abgasleistung mit einem NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator
ausgerüstet,
um es von ausgestoßenem
NOx zu reinigen. Als anderes Beispiel ist die Abgasleitung mit einem
NOx-Sensor ausgerüstet,
um eine NOx-Konzentration
im Abgas zu überwachen.
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Die
WO 95/30146 A1 beschreibt
einen Abgassensor, welcher sowohl die NOx-Konzentration als auch
die Luftzahl des Abgases bestimmen kann.
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Ein
System mit einem NOx-Katalysator zur Absorption von NOx, das in
einem mageren Verbrennungsmodus erzeugt wird, erreicht die Grenzen
seiner NOx-Reinigungsfähigkeit,
wenn der Katalysator mit NOx gesättigt
ist. Ist der Katalysator einmal gesättigt, werden bekannte Technologien
verwendet, um den Motor zeitweise in einem fetten Verbrennungsmodus
laufen zu lassen, um die Reinigungsfähigkeit des NOx-Katalysators
wiederherzustellen, um die NOx-Emissionen zu reduzieren.
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Eine
Technologie, die zu dem obigen Schema gehört, ist beispielsweise in der
WO 94/17291 A1 offenbart.
Diese Technologie bringt die Installation eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors
(A/F-Sensor) stromabwärts
des Katalysators mit sich. Wenn sich das von dem Sensor erfaßte Verhältnis von
der mageren Seite zur fetten Seite ändert, wird festgestellt, daß das Freiwerden
von NOx vom NOx-Katalysator vollendet
ist. Man vermutet, daß diese
Technologie zwei herkömmlicherweise
erfahrene Nachteile beseitigt: eine gekürzte fette Verbrennungszeit,
die die NOx-Absorptionsfähigkeit
des NOx-Katalysators
sinken lassen würde;
und eine verlängerte
fette Verbrennungszeit, die große
Mengen an unverbranntem HC und CO in die Atmosphäre freigeben würde.
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Die
oben offenbarten Technologien haben die folgenden Hauptnachteile:
während
der Motor im mageren Verbrennungsmodus läuft, ist es unmöglich, zu
wissen, um wieviel die NOx-Absorptionsfähigkeit
des Katalysators mit der Zeit gesunken ist, wenn NOx absorbiert
wurde; oder, während
der Motor im fetten Verbrennungsmodus läuft, ist es unmöglich zu wissen,
wieviel von der NOx-Absorptionsfähigkeit wiederhergestellt
wurde. Die Unfähigkeit,
eine magere Verbrennung und eine fette Verbrennung über optimal
verteilte Zeiten auszuführen,
kann andere Nachteile hervorrufen. Wo beispielsweise die Reduktion
von NOx-Emissionen Vorrang vor anderen Angelegenheiten hat, kann
eine übermäßige fette
Verbrennung die Kraftstoffausbeute verschlechtern und Drehmomentschwankungen
verursachen.
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Eine
Lösung
der obigen Nachteile liegt darin, daß die Motorabgasleitung in
Kombination mit einem Luft-Kraftstoff- Verhältnissensor
und einem NOx-Sensor (beispielsweise Meßvorrichtung, wie sie in der
JP 8-271476 A offenbart
ist) ausgerüstet
ist. Die zwei Sensoren überwachen
kontinuierlich die NOx-Absorptionsfähigkeit des Katalysators in
mageren und fetten Verbrennungsmodi. Das Problem liegt darin, daß die Kosten
einer solchen Anordnung ungebührlich
hoch sein können.
Heute, da mehr und mehr Funktionen des Fahrzeugs und seines Motors
elektronisch gesteuert werden, besteht insbesondere eine Notwendigkeit
darin, die Steuerungsstruktur zu vereinfachen und Operationsbelastungen
für eingebaute
elektronische Steuervorrichtungen (beispielsweise Mikrocomputer)
abzumildern.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Lichte des vorgenannten Problems
durchgeführt
und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Steuerung des Luft-Krafstoff-Verhältnisses für einen Verbrennungsmotor zu
schaffen, der während
einen mageren Verbrennungsmodus zeitweise in einem fetten Verbrennungsmodus
läuft,
wodurch eine magere Verbrennung und eine fette Verbrennung über optimal
verteilte Zeiten durchgeführt werden,
um eine Kostenminimierung damit zu verbinden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
für einen
Verbrennungsmotor vorgesehen, die folgende Bauteile aufweist: einen
Abgassensor zum Ausgeben eines ersten Signals, basierend auf einer
NOx-Konzentration in einem Abgas des Motors, und eines zweiten Signals basierend
auf einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases; eine Signalauswahlvorrichtung zum Auswählen eines
der ersten und zweiten Signale, die von dem Abgassensor ausgegeben
wurden; eine Signalausgabevorrichtung zum Ausgeben des ausgewählten Signals
als einen Parameter für
die Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung;
und eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit
von dem einen der ersten und der zweiten Signale, die von der Signalausgabevorrichtung
ausgegeben wurden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das erste Signal (NOx-Konzentrationssignal) oder das zweite
Signal (Sauerstoffkonzentrationssignal) wahlweise als ein Parameter
für die
Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung
verwendet. Die wahlweise Verwendung des Signals ermöglicht es,
zu erfassen, um wieviel die NOx-Absorptionsfähigkeit des Katalysators in einem
Magerverbrennungsmodus nachgelassen hat, und um wieviel sie in einem
fetten Verbrennungsmodus wiederhergestellt wurde. Dies ermöglicht es
einer mageren Verbrennung und einer fetten Verbrennung über optimal
verteilte Zeiten stattzufinden, wodurch eine Verschlechterung der
Kraftstoffausbeute und ein Hervorrufen von Drehmomentschwankungen,
die die fette Verbrennung mit sich bringen, verhindert werden.
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Das
erste und das zweite Signal werden beide von einem einzigen Abgassensor
bereitgestellt, im Gegensatz zum herkömmlichen Aufbau, der zwei Sensoren
erfordert, einen zur Erfassung einer NOx-Konzentration, und einen anderen zur
Erfassung einer Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis).
Damit steht eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
zur Verfügung,
die in der Lage ist, einen Verbrennungsmotor während dem mageren Verbrennungsmodus
zeitweise in einem fetten Verbrennungsmodus laufen zu lassen, wodurch
die magere und die fette Verbrennung über optimal verteilte Zeiten
durchgeführt
werden, was v. a. Kosten reduziert.
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Andere
Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden ebenso wie Verfahren
zur Durchführung
und die Funktion der dazugehörigen
Teile anhand eines Studiums der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
und der Zeichnungen deutlich.
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In
den Zeichnungen ist folgendes gezeigt:
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1 ist
eine schematische Darstellung, die ein gesamtes Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem
zeigt, das eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält.
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2 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittansicht
eines Gassensors vom zusammengesetzten Typ gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Kraftstoffeinspritzsteuerungsroutine
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigt.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Signalschaltroutine gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigt.
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Die 5A bis 5F sind
Zeitablaufdiagramme zur Erläuterung
der Steuerungsvorgänge gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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6 ist
eine schematische Ansicht, die einen Teil eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem
zeigt, das eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthält.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Signal zeigt, das eine Routine gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
schaltet.
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Die 8A bis 8D sind
zeitliche Ablaufdiagramme zur Erläuterung der Steuerungsfunktionen
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
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9 ist
eine schematische Ansicht, die einen Teil eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystems
zeigt, das eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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10 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Kraftstoffeinspritzsteuerungsroutine
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
zeigt.
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Die 11A, 11B und 11C sind zeitliche Ablaufdiagramme zur Erläuterung
der Steuerungsvorgänge
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel.
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12 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittansicht
eines Gassensors des zusammengebauten Typs gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Im übrigen ist
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis proportional
zu einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas. Aus diesem Grund
werden ein Signal, das auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis basiert,
und ein Signal, das auf der Sauerstoffkonzentration basiert, hier
als äquivalent
betrachtet.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Ein System zur Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung des ersten Ausführungsbeispiels
führt eine
sogenannte magere Verbrennungssteuerung durch, die eine magere Verbrennung
in einem mageren Verbrennungsbereich eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
des Motors steuert. Hauptkomponenten des Systems enthalten einen
NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator
(im folgenden wird darauf als NOx-Katalysator Bezug genommen), der auf
halbem Weg durch eine Abgasleitung des Motors vorgesehen ist. Stromaufwärts von dem
NOx-Katalysator 13 ist
ein Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26 angeordnet,
der in der Lage ist, zwei Signale abzugeben, eines, das die Sauerstoffkonzentration
(Luft-Kraftstoff-Verhältnis) darstellt,
und das andere, das eine NOx-Konzentration in einem Abgas darstellt.
Eine elektronische Steuereinheit 30 (im nachfolgenden wird
darauf als ECU Bezug genommen), die hauptsächlich einen Mikrocomputer 31 aufweist,
empfängt
vom Gassensor der zusammengesetzten Bauart 26 die Signale,
die die erfaßten
Ergebnisse darstellen. Gemäß den erfaßten Signalen
steuert die ECU 30 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Eine
ausführliche
Erläuterung
des ersten Ausführungsbeispiels
wird nachstehend unter Bezugnahme auf die relevanten Zeichnungen
beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist der verbundene Motor ein fremdgezündeter Vierzylinder-Vier-Takt-Motor
(im nachfolgenden wird darauf als Motor 1 Bezug genommen).
Ansaugluft für
den Motor gelangt zuerst in einen Luftfilter 2 und strömt durch
eine Ansaugleitung 3, eine Drosselklappe 4, einen
Druckausgleichsbehälter 5 und
einen Ansaugkrümmer 6.
In dem Ansaugkrümmer 6 wird
die Ansaugluft mit von einem Kraftstoffeinspritzventil 7 für jeden
der Zylinder eingespritzten Kraftstoff vermischt. Ein solches Luft-Kraftstoffgemisch,
das ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) hat, wird an die
Zylinder geliefert.
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Jede
der Zündkerzen 8,
die an den jeweiligen Zylindern des Motors 1 befestigt
sind, wird mit einer Hochspannung versorgt, die von einem Zündungsschaltkreis 9 über einen
Verteiler 10 geliefert wird. Die Zündkerzen 8 zünden das
Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylindern in einer zeitlich geeignet
gesteuerten Art und Weise.
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Nach
der Verbrennung strömt
das Abgas von den Zylindern durch einen Abgaskrümmer 11 und eine Abgasleitung 12.
Nach dem Durchgang durch den NOx-Katalysator 13, der in
der Abgasleitung 12 angeordnet ist, wird das Abgas an die
Umgebung abgegeben. Während
der Verbrennung bei einem mageren Verbrennungsluft-Kraftstoff-Verhältnis absorbiert
der NOx-Katalysator 13 das NOx; während der Verbrennung eines
fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
verwendet der Katalysator fette Elemente wie CO und HC, um das absorbierte
NOx zu reduzieren und in die Luft abzugeben.
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Dieses
Steuerungssystem hat mehrere Sensoren. Ein Ansaugluftdrucksensor 22 ist
in der Einlaßleitung 3 eingebaut,
um einen Unterdruck an der stromabwärtigen Seite der Drosselklappe
zu erfassen (Ansaugluftdruck PM). Ein Drosselklappensensor 23,
der an einem Drosselklappenventil 4 befestigt ist, stellt
fest, wie stark das Ventil 4 geöffnet ist (Drosselklappenöffnungsgrad
TH).
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Der
Drosselklappensensor 23 enthält einen Leerlaufschalter,
um ein Signal auszugeben, das, wenn sich das Drosselklappenventil 4 in
einem im wesentlichen vollständig
geschlossenen Zustand befindet, dafür steht, daß das Drosselklappenventil 4 sich
im wesentlichen in einem vollständig
geschlossenen Zustand befindet.
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Ein
Wassertemperatursensor 24 ist im Zylinderblock des Motors 1 angeordnet
und wird dazu verwendet, die Temperatur des Motorkühlwassers
zu erfassen (Kühlwassertemperatur
Thw). Ein Umdrehungssensor 25, der in dem Verteiler 10 eingebaut ist,
gibt 24 Pulssignale mit gleichen Intervallen (Ne Pulse) zu jeder
Zeit ab, wenn der Motor 1 zwei Umdrehungen beendet, d.
h. alle 720° Kurbelwinkel.
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In
der Abgasleitung 12 ist stromaufwärts von dem NOx-Katalysator 13 der
Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26 vorgesehen, um das
Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal
und das NOx-Signal abzugeben, das jeweils einer Sauerstoffkonzentration
und einer NOx-Konzentration in dem Abgas von dem Motor 1 entspricht.
Der Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26 stellt gleichzeitig
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
die NOx-Konzentration fest und gibt die erfaßten Ergebnisse bei Bedarf
an die ECU 30 ab.
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Der
detaillierte Aufbau des Gassensors vom zusammengesetzten Typ 26 wird
nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist
eine vergrößerte Teilquerschnittansicht,
die ein Sensorelement zeigt, d. h., einen Hauptabschnitt des Gassensors vom
zusammengesetzten Typ 26.
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In 2 hat
das Sensorelement des Gassensors 26 einen laminierten Aufbau,
der erste und zweite Festelektrolytsubstrate 41 und 42 enthält, die eine
Sauerstoffionenleitfähigkeit
besitzen; Substrate 43, 44 und 45; und
ein Heizgerät 46.
Ein Heizelement 46a ist in dem Heizgerät 46 eingebettet.
Eine Probegaskammer 47 ist zwischen dem ersten und dem zweiten
Festelektrolytsubstrat 41 und 42 ausgebildet, und
zwischen dem zweiten Festelektrolytsubstrat 42 und dem
Heizgerät 46 ist
eine Referenzgaskammer 48 vorgesehen. Die Probegaskammer 47 ist
durch das Substrat 44 in eine erste Gaskammer 47a und eine
zweite Gaskammer 47b unterteilt. Die ersten und die zweiten
Gaskammern 47a und 47b stehen durch einen Diffusionspfad 49 in
wechselseitiger Verbindung.
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Der
Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26 weist ferner folgendes
auf: eine Pumpenzelle 52, die auf der Oberseite und am
Boden (wie in 2 gesehen) des ersten Festelektrolytsubstrats 41 ein Paar
Elektroden 50 und 51 hat, und die entweder ein Sauerstoffgas
vom Inneren der Probegaskammer 47 freigibt, oder ein Sauerstoffgas
in die Probegaskammer 47 einführt; eine Erfassungszelle 55,
die auf der Oberseite und am Boden des zweiten Festelektrolytsubstrats 42 ein
Paar Elektroden 53 und 54 hat und die eine NOx-Konzentration
in der Probegaskammer 47 erfaßt; und eine Sensorzelle 58,
die auf der Oberseite und am Boden des zweiten Festelektrolytsubstrats 42 ein
Paar Elektroden 56 und 57 hat, und die eine Sauerstoffkonzentration
in der Probegaskammer 47 feststellt.
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Ein
Probegaseinführpfad 59 ist
in der Mitte der Elektroden 50 und 51 ausgebildet.
Unter den Elektroden 50 und 51, die die Pumpenzelle 52 bilden, ist
die Elektrode 50 eine Pt-Elektrode und die Elektrode 51 ist
eine Au-addierte Pt-Elektrode, die gegenüber dem NOx inaktiv ist. Unter
den Elektroden 53 und 54, die die Erfassungszelle 55 bilden,
ist die Elektrode 53 eine Pt oder eine Pt/Rh-Elektrode,
d. h. eine aktive Elektrode, die NOx in Stickstoff- und Sauerstoffionen
zerlegt, und die Elektrode 54 ist eine Pt-Elektrode. Unter
den Elektroden 56 und 57, die die Sensorzelle 58 bilden,
ist die Elektrode 56 eine Au-addierte Pt-Elektrode, die
gegenüber
dem NOx inaktiv ist, und die Elektrode 57 ist eine Pt-Elektrode.
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Die
Erfassungszelle 55 ist mit einem Erfassungsschaltkreis 62 verbunden,
der einen ersten Amperemeter 60 und eine Stromversorgung 61 aufweist.
Die Pumpenzelle 52 ist mit einem Pumpenschaltkreis 65 verbunden,
der einen zweiten Amperemeter 63 und eine variable Stromversorgung 64 enthält. Die
Sensorzelle 58 ist mit einem Sensorkreislauf 67 verbunden,
der mit einem Voltmeter 66 ausgerüstet ist.
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Ein
Rückkopplungskreis 70 regelt
die variable Stromversorgung 64, indem er die Steuerung 71 so betreibt,
daß ein
erfaßter
Wert des Voltmeters 66 konstant gehalten wird. Eine NOx-Konzentrationsmeßvorrichtung 72 mißt eine
NOx-Konzentration in dem Probegas (Abgas) auf der Grundlage eines
erfaßten
Werts des ersten Amperemeters 60. Eine Luft-Kraftstoff-Verhältnismeßvorrichtung 73 mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
dem Probegas (Abgas) in Abhängigkeit
von erfaßten
Werten des zweiten Amperemeters 63.
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Das
Probegas (Abgas) wird über
den Probegas einführenden
Pfad 59 in die erste und die zweite Gaskammer 47a und 47b eingeführt. Die
Sensorzelle 58 überwacht
kontinuierlich die Sauerstoffkonzentration in dem eingeführten Probegas.
D. h., die Sensorzelle 58 wirkt als eine Sauerstoffkonzentrationszelle. Eine
elektromotorische Kraft, die der Sauerstoffkonzentration in der
zweiten Gaskammer 47b entspricht, wird zwischen den Elektroden 56 und 57 der
Sensorzelle 58 erzeugt.
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Die
elektromotorische Kraft, die somit erzeugt wurde, wird durch das
Voltmeter 66 erfaßt.
Zu dieser Zeit wird die variable Stromversorgung 64 des Pumpenkreises 65 durch
die Steuerung 71 über
den Rückkopplungsregelungskreis 70 so
gesteuert, daß die
elektromotorische Kraft konstant bleiben wird, d. h., daß die Sauerstoffkonzentration
in der zweiten Gaskammer 47b auf einer Referenzkonzentration gehalten
wird.
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Wenn
die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Gaskammer 47b höher als
die Referenzkonzentration ist, fällt
das Einlesen des Voltmeters 66 unter die elektromotorische
Kraft, die der Referenzkonzentration (0,4 V) entspricht. In jenem
Fall wird die Versorgungsspannung der variablen Stromversorgung 64 verstärkt, um
ein Freisetzen von Sauerstoff durch die Pumpenzellen 52 zu
fördern.
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Wenn
die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Gaskammer 47b niedriger
als die Referenzkonzentration ist, überschreitet anschließend das Eingelesene
aus dem Voltmeter 66 die elektromotorische Kraft, die der
Referenzkonzentration (0,4 V) entspricht. Dies bewirkt, daß die variable
Stromversorgung 64 ihre Versorgungsspannung senkt, wobei
die Freigabe von Sauerstoff durch die Pumpenzelle 52 unterdrückt wird.
In einigen Fällen
kann der Ausstoß von
Sauerstoff gestoppt werden und es kann Sauerstoff eingeführt werden.
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Dementsprechend
wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 47a im
wesentlichen auf der Referenzkonzentration gehalten. Weil das Probegas
in einem solchen Zustand in die zweite Gaskammer 47b strömt, wird
auch die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Gaskammer 47b ungefähr auf dem
Referenzkonzentrationsniveau gehalten. Wenn die Pumpenzellenspannung
gesteuert wird, um in der zweiten Gaskammer 47b eine konstante
Sauerstoffkonzentration aufrechtzuerhalten, tritt ein Pumpenstromauf,
der die Sauerstoffkonzentration in dem Probegas (Abgas) darstellt,
d. h., ein Strom, der dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Der Pumpenstrom
wird durch das zweite Amperemeter 63 erfaßt. Dementsprechend
kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnismeßvorrichtung 73 erfaßt werden.
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In
der Erfassungszelle 55 gelangt NOx von der zweiten Abgaskammer 47b mit
der Elektrode 53 in Kontakt und wird dadurch zu Sauerstoffionen
reduziert. Der Rest an Sauerstoff in der zweiten Gaskammer 47b wird
in ähnlicher
Weise zu Sauerstoffionen reduziert. In dem Erfassungsschaltkreis 62 bringt
die Stromversorgung 61 kontinuierlich eine konstante Spannung
(0,45 V) zwischen den Elektroden 53 und 54 auf.
Dies erlaubt es dem ersten Amperemeter 60, einen dem Betrag
an Sauerstoffionen entsprechenden Grenzstrom zu erfassen.
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Da
die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Gaskammer 47b im
wesentlichen konstant ist, verbleibt der übrige Betrag an Sauerstoffionen
ferner unannähernd
konstant. Dies wiederum übt
eine im wesentlichen konstanten Effekt auf das erste Amperemeter 60 auf,
so daß Schwankungen
in der NOx-Konzentration von dem Grenzstrom, der durch das erste
Amperemeter 60 erfaßt
wurde, gemessen werden kann. D. h., die NOx-Konzentrationsmeßvorrichtung 72 kann
die NOx-Konzentrationen
messen.
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Wie
beschrieben wurde, erfaßt
der Gassensor vom zusammengesetzten Typ
26, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
die NOx-Konzentration in dem Probegas (Abgas) gleichzeitig. Genauere
Details über
den Aufbau und die Eigenschaften des Gassensors vom zusammengesetzten
Typ
26 werden in der nachveröffentlichten
DE 198 27 469 B4 , die von
dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung stammt, offenbart.
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Gemäß 1 weist
die ECU 30 einen Motorsteuerungsmikrocomputer 31 auf,
der verschiedene Funktionen des Motors 1 steuert, und ferner
eine Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32, die wahlweise
ein Signal, das von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 erfaßt wird
(Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal
oder NOx-Signal), an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 ausgibt.
Der Motorsteuerungsmikrocomputer 31 und die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 sind
beispielsweise durch SCI-Verbindungen (serielle Verbindungsschnittstelle)
zur gegenseitigen Kommunikation miteinander verbunden.
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Der
Motorsteuerungsmikrocomputer 31 enthält eine CPU und einen Speicher
bekannter Bauarten. Im Betrieb empfängt der Mikrocomputer 31 Signale,
die durch verschiedene Sensoren erfaßt wurden (Anssaugluftdruck
PM, Drosselklappenöffnungsgrad
TH, Kühlwassertemperatur
Thw, Ne Pulse). Die empfangenen Signale werden als eine Basis zur
Berechnung und zur Erzeugung von Steuersignalen verwendet, um eine
Kraftstoffeinspritzmenge TAU, einen Zündzeitpunkt Ig und dergleichen
zu steuern. Diese Steuersignale werden an die Kraftstoffeinspritzventile 7,
an den Zündschaltkreis 9 und
dergleichen ausgegeben. Der Mikrocomputer 31 leitet ein Ausgangsanforderungssignal
an die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32, um die
Abgabe eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissignals
oder des NOx-Signals zu erfragen.
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Die
Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 enthält eine
CPU 33, einen Vorspannsteuerschaltkreis 34 und
einen Heizgerätesteuerschaltkreis 35.
Die CPU 33 bewirkt; daß der
Vorspannsteuerschaltkreis 34 das Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal und
das NOx-Signal von dem Gassensor der zusammengesetzten Bauart 26 erhält. Gemäß der Ausgangsanforderung
von dem Motorsteuerungsmikrocomputer 31 wählt die
CPU 33 eines der zwei Signale aus und überträgt das ausgewählte Signal
an den Mikrocomputer 31.
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Der
Vorspannsteuerschaltkreis 34 enthält den Erfassungsschaltkreis 62,
der in 2 gezeigt ist, ein Pumpenschaltkreis 65,
einen Sensorschaltkreis 67, einen Rückkopplungsschaltkreis 70,
einen Regler 71, eine NOx-Konzentrationsmeßvorrichtung 72 und
eine Luft-Kraftstoff-Verhältnismeßvorrichtung 73.
Der Heizgerätesteuerschaltkreis 35 aktiviert
das Heizgerät 46 (Heizelement 46a),
um das Sensorelement auf einer vorbestimmten aktiven Temperatur
zu halten (ungefähr
700C°).
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Die
Vorgänge
des vorstehend beschriebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuersystems
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
werden nun beschrieben. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das
eine Kraftstoffeinspritzsteuerroutine zeigt, die durch den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 in
der ECU 30 ausgeführt
wird. Diese Routine wird bei jeder Kraftstoffeinspritzung an den
jeweiligen Zylindern ausgeführt
(in Intervallen von 180C° Kurbelwinkel
für das erste
Ausführungsbeispiel).
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Mit
der Routine aus 3 wird die Kraftstoffeinspritzmenge
bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf
der mageren Seite eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
gesteuert. Genauer gesagt, wird die Kraftstoffeinspritzmenge so
gesteuert, daß während dem
mageren Verbrennungsmodus zeitweise eine fette Verbrennung ausgeführt wird.
In dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden eine magere Verbrennungsperiode TL
und eine fette Verbrennungsperiode TR erzeugt, um ein vorbestimmtes
Zeitverhältnis
basierend auf einem Zykluszähler
CT zu erzeugen, der jedes mal erhöht wird, wenn ein Kraftstoffeinspritzvorgang
stattfindet. Die magere Verbrennung und die fette Verbrennung werden
abwechselnd in Abhängigkeit
von TL und TR ausgeführt.
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Wenn
die Kraftstoffeinspritzsteuerungsroutine aus 3 einmal
begonnen hat, gelangt der Mikrocomputer 31 zuerst zu Schritt 101,
um verschiedene Sensorausgänge
einzulesen (Motordrehzahlen Ne, Ansaugdruckluft PM, Wassertemperatur
Thw, etc.), die die Betriebsbedingungen des Motors darstellen.
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Im
Schritt 102 stellt der Mikrocomputer 31 fest,
ob der Zykluszähler
CT derzeit Null ist. Wenn festgestellt ist, daß der CT Null ist ("JA" in Schritt 102) geht
der Mikrocomputer 31 zu Schritt 103, um die magere
Periode TL und die fette Periode TR festzulegen. Wenn der Zykluszähler CT
nicht Null ist ("NEIN" in Schritt 102), überspringt
der Mikrocomputer 31 anschließend den Prozeß von Schritt 103.
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Die
magere Periode TL entspricht einer Anzahl an Kraftstoffeinspritzungen
mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis
und die fette Periode TR entspricht einer Anzahl von Kraftstoffeinspritzungen mit
einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die
Zeiten TL und TR werden in einem Zeitverhältnis von ungefähr 50 zu
1 festgelegt. Das Zeitverhältnis
kann in Abhängigkeit
von dem Grad der Verschlechterung des NOx-Katalysators und in Abhängigkeit
von dem Motorbetriebsbedingungen wie den Motordrehzahlen Ne und
dem Ansaugluftdruck PM variiert werden.
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In
Schritt 104 erhöht
der Mikrocomputer 31 den Zykluszähler CT um 1. In Schritt 105 wird
festgestellt, ob der Zykluszähler
CT einen Wert erreicht hat, der der vorstehend erstellten Magerperiode
TL entspricht. Wenn der Zykluszähler
CT einen Wert hat, der kleiner als die Magerperiode TL ist ("NEIN" in Schritt 105),
geht der Mikrocomputer 31 anschließend zu Schritt 106.
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In
Schritt 106 überträgt der Mikrocomputer 31 eine
Anforderung nach einem Ausgangssignal an die Gaskonzentrationserfassungvorrichtung 32 und empfängt das
letzte NOx-Ausgangsignal (Erfassungszellenausgangssignal), das in
Reaktion auf die Ausgangsanforderung zurückgegeben wird.
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In
Schritt 107 legt der Mikrocomputer 31 ferner eine
Kraftstoffeinspritzmenge TAU so fest, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
einem mageren Verbrennungsbereich gesteuert wird. Dem Schritt 107 folgend
wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in einem mageren Vebrennungsbereich von beispielsweise A/F = 20
bis 23 unter offener Regelkreissteuerung gehalten.
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In
Schritt 108 berechnet der Mikrocomputer 31 einen
integrierten Wert der NOx-Konzentration während der mageren Verbrennungsperiode
auf der Grundlage des NOx-Ausgangs, der von der Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 übertragen
wird. Die Routine wird anschließend
für den
Moment beendet.
-
Wenn
der Zykluszähler
CT festgestellt hat, daß er
einen bestimmten Wert erreicht oder überschritten hat, der der mageren
Periode TL entspricht ("JA" in Schritt 105),
geht der Mikrocomputer 31 zu Schritt 109. In Schritt 109 sendet
der Mikrocomputer 31 eine Anforderung nach einem Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
an die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 und empfängt das
letzte Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
(Pumpenzellenausgangssignal), das in Reaktion auf die Anforderung
nach einem Ausgangssignal zurückgegeben wird.
-
In
Schritt 110 legt der Mikrocomputer 31 einen Kraftstoffeinspritzbetrag
TAU fest, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
einem fetten Verbrennungsbereich gesteuert wird. Wie fett der Kraftstoffeinspritzbetrag
sein sollte, wird in Abhängigkeit
von dem integrierten Wert der NOx-Konzentration (das ist der Wert,
der in Schritt 108 erhalten wurde) in einem mageren Verbrennungsmodus
bestimmt. Mit anderen Worten, es wird abgeschätzt, daß je größer der integrierte Wert der
NOx-Konzentration ist, desto größer der
abgeschätzte
Wert des absorbierten NOx in dem NOx-Katalysator 13 ist. Dies hat
zur Folge, daß ein
Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf
der fetten Seite festgelegt wird. Nachfolgend auf Schritt 110 wird
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in einem fetten Verbrennungsbereich von beispielsweise A/F = 12
bis 14 unter einer Rückkopplungssteuerung
aufrechterhalten.
-
In
Schritt 111 bestimmt der Mikrocomputer 31, ob
der Zykluszähler
CT einen Wert erreicht hat, der der Summe der mageren Periode TL
und der fetten Periode TR entspricht. Wenn der Zykluszähler CT geringer
als die Summe von TL und TR ist ("NEIN" in Schritt 111)
wird diese Routine so wie sie ist beendet.
-
Wenn
festgestellt wird, daß der
Zykluszähler CT
die Summe von TL und TR erreicht oder überschritten hat ("JA" in Schritt 111)
geht der Mikrocomputer 31 zu Schritt 112, wo der
Zykluszähler
CT auf Null zurückgesetzt
wird. Die Routine wird anschließend
beendet. Wenn der Zykluszähler
CT gelöscht ist,
wird das nächste
Bestimmungsergebnis in Schritt 102 bestätigt. Anschließend werden
in Schritt 103 eine neue magere Periode TL und eine neue
fette Periode TR festgelegt. Die neu festgelegten mageren und fetten
Perioden TL und TR werden wieder als eine Basis zur Steuerung des
mageren und des fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
verwendet.
-
4 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Signalschaltroutine zeigt, die durch
die CPU 33 in der Gaskonzentrationserfassungsvorichtung 32 ausgeführt wird.
Diese Routine wird von der CPU 33 alle acht Millisekunden
durchgeführt.
-
In
Schritt 201 aus 4 stellt die CPU 33 fest,
ob die Anforderung nach einem Ausgangssignal von dem Motorsteuerungsmikrocomputer 31 das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
ist. Wenn in Schritt 201 ein "JA" festgestellt
wird, geht die CPU 33 zu Schritt 202. In Schritt 202 wählt die
CPU 33 das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
in Bevorzugung zu dem NOx-Ausgangssignal als das Sensorausgangssignal,
wobei beide von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 kommen.
In Schritt 204 überträgt die CPU 33 das
Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31.
-
Wenn
im Schritt 201 ein "NEIN" festgestellt wird,
geht die CPU 33 zu Schritt 203. In Schritt 203 wählt die
CPU 33 das NOx-Ausgangssignal in Bevorzugung zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgangssignal
als das Sensorausgangssignal, wobei beide von dem Gassensor des
zusammengesetzten Typs 26 kommen. In Schritt 204 sendet
die CPU 33 das NOx-Ausgangssignal an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31.
-
Die 5A bis 5F sind
zeitliche Ablaufdiagramme zur genaueren Erläuterung der Steuerungsoperationen,
die oben beschrieben wurden, gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
In den 5A bis 5F wird
das Luft-Kraftsstoff-Verhältnis
auf der mageren Seite gehalten (Schritt 107 in 3),
da der Zykluszähler
CT bei einer Zeit zwischen t12 und t13 zwischen 0 und TL liegt,
und das NOx in dem Abgas wird durch den NOx-Katalysator absorbiert.
In einem solchen mageren Verbrennungsmodus überträgt der Motorsteuerungsmikrocomputer 31 eine
Anforderung nach einem NOx-Ausgangssignal an die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 (Schritt 106 in 3)
und der Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26 überträgt das NOx-Ausgangssignal von
Zeit zu Zeit an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 (Schritte 203 und 204 in 4).
Des weiteren wird zwischen den Zeiten t12 und t13 ein integrierter
Wert des NOx-Ausgangssignals berechnet (Schritt 108 in 3).
-
Zwischen
den Zeiten t11 und t12 und zwischen den Zeiten t13 und t14 wird
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
auf der fetten Seiten gehalten (Schritt 110 in 3),
da der Zykluszähler
CT zwischen TL und TL + TR liegt, und das absorbierte NOx wird durch
die fetten Elemente (CO, HC) reduziert und in die Luft abgegeben.
Unter der fetten Verbrennungssteuerung überträgt der Mikrosteuerungsmikrocomputer 31 eine
Anforderung nach einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgangssignal an die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 (Schritt 109 in 3),
und der Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26 sendet ein
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgangssignal
an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 (Schritte 202 und 204 in 4).
-
Während dem
fetten Verbrennungsmodus zwischen den Zeiten t11 und t12 und zwischen
den Zeiten t13 und t14 unterliegt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer
Rückkopplungssteuerung
mit einem Sollverhältnis
einer fetten Seite in Abhängigkeit
von dem integrierten NOx-Wert, der während der mageren Verbrennungsteuerung
berechnet wurde. Während
einer solchen fetten Verbrennungssteuerung erhöht das Schalten von dem mageren
zum fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis
die Verbrennungstemperatur und läßt zeitweise
die NOx-Konzentration anwachsen.
-
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
bilden die Schritte 106 und 109 in 3 die
Vorrichtung zur Anforderung nach einem Ausgangssignal und die Schritte 107 und 110 bilden
die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
der vorliegenden Erfindung. Ferner entsprechen die Schritte 201 bis 203 in 4 der
Signalauswahlvorrichtung und der Schritt 204 entspricht
der Signalausgabevorrichtung der vorliegenden Erfindung.
-
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel, das
vorstehend beschrieben wurde, werden die folgenden Vorteile erzielt:
- (a) Die Motorabgasleitung 12 ist mit
dem Gassensor der zusammengesetzten Typs 26 ausgestattet,
der zwei Signale abgibt: Ein NOx-Signal (erstes Signal), das der
NOx-Konzentration in dem Abgas entspricht, und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal
(zweites Signal), das der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas entspricht.
Eines der zwei Signale vom dem Gassensor 26 wird ausgewählt und
das ausgewählte
Signal wird als Parameter für
die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung abgegeben.
Mit
dem obigen Aufbau ist es von Zeit zu Zeit möglich, festzustellen, wie stark
die NOx-Absorbtionsfähigkeit
des NOx-Katalysators 13 während einem
mageren Verbrennungsmodus gesunken ist, und wie stark sie während eines
fetten Verbrennungsmodus wiederhergestellt wurde. Dies ermöglicht,
daß die
magere Verbrennung und die fette Verbrennung mit der optimalen zeitlichen Steuerung
ausgeführt
werden können,
wodurch verhindert wird, daß durch
die übermäßige fette Verbrennung
die Kraftstoffausbeute gefährdet wird
und Drehmomentschwankungen erzeugt werden. Das NOx-Signal und das
Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal
werden beide von einem einzigen Abgassensor erhalten, d. h., von
einem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26, im Gegensatz
zu herkömmlichen
Konfigurationen, die zwei Sensoren erfordern, einen zur Erfassung der
NOx-Konzentration und einen anderen zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
Dies sorgt für
eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
die in der Lage ist, einen Verbrennungsmotor während dem mageren Verbrennungsmodus
zeitweise in einem fetten Verbrennungsmodus zu betreiben, wodurch
die magere und die fette Verbrennung mit einer optimalen zeitlichen
Steuerung ausgeführt
werden, wobei eine Kostenreduzierung erreicht wird.
- (b) In der Praxis fordert der Motorsteuerungsmikrocomputer 31 einen
NOx-Signalausgang an, wenn der Motor 1 in dem mageren Verbrennungsmodus
betrieben wird, und er fordert einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissignalausgang an, wenn der
Motor 1 im fetten Verbrennungsmodus betrieben wird. Nach
dem Erhalt der Anforderung nach einem Ausgangssignal von dem Motorsteuerungsmikrocomputer 31 schaltet
die CPU 33 in der Gaskonzentrationerfassungsvorrichtung wahlweise
zwischen dem NOx-Signal und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal
von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26. Da ein
heutiges ECU 30 so konstruiert ist, daß es mehrere Funktionen in
komplizierteren Betriebsarten als vorher ausführen kann, können der
CPU 33 in einem solchen Fall Funktionen zugewiesen werden, um
zwischen dem NOx- und dem Kraftstoff-Verhältnissignal umzuschalten und
die Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung
wirksam unter Verwendung des ausgewählten Signals auszuführen.
- (c) Während
der Kraftstoffeinspritzsteuerung durch den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 wird
die absorbierte NOx-Menge in dem NOx-Katalysator 13 auf
der Basis des NOx-Signals von dem Gassensor des zusammengesetzten
Typs 26 während
dem mageren Verbrennungsmodus abgeschätzt. Wenn nachfolgend der fette
Verbrennungsmodus ausgeführt
wird, wird die Kraftstoffeinspritzmenge auf ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert,
das in Abhängigkeit von
der abgeschätzten
Menge des absorbierten NOx festgelegt wird. Als ein Ergebnis kann
eine optimale fette Verbrennungsperiode – eine notwendige und ausreichende
Zeitdauer für
die fette Verbrennung – hergestellt
werden. Mit anderen Worten, die absorbierte NOx-Menge in dem NOx-Katalysator 13 wird
unter Verwendung NOx-Signals genau abgeschätzt. Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge
auf das fette Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird, das die
Menge des absorbierten NOx widerspiegelt, ist es möglich, den
NOx-Katalysator mit fetten Komponenten in den tatsächlich benötigten Mengen
zu versorgen.
-
(2. Ausführungsbeispiel)
-
Unter
Bezugnahme auf die 6, 7 und 8A bis 8D wird
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung im folgenden beschrieben.
-
In
diesem und in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sind diejenigen
Bauteile, die einander im wesentlichen gleich sind, mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
-
Wie
bereits beschrieben, wählt
das erste Ausführungsbeispiel
eines der Ausgangssignale von dem Gassensor des zusammengesetzten
Typs 26 in Reaktion auf die Anforderung eines Ausgangssignals von
dem Motorsteuerungsmikrocomputer 31 aus und überträgt das ausgewählte Ausgangssignal
an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31. Im Gegensatz dazu
schaltet das zweite Ausführungsbeispiel
wahlweise zwischen Sensorausgangssignalen in Abhängigkeit davon, ob sich das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das
durch den Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 erfaßt wird,
auf der mageren Seite oder auf der fetten Seite befindet, und überträgt das ausgewählte Sensorausgangssignal
an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31. In jenem Fall wird
im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel
keine Anforderung eines Ausgangssignals von dem Motorsteuerungsmikrocomputer 31 an
die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 erteilt.
-
6 ist
eine schematische Ansicht, die die wesentlichen Komponenten eines
Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystems
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. Die übrigen Komponenten, die nicht
in 6 gezeigt sind, sind dieselben, wie ihre Gegenstücke in 1.
-
Wie
gezeigt ist, befindet sich der Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 stromabwärts von dem
NOx-Katalysator 13. D. h., der Gassensor 26 erfaßt sowohl
ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
als auch eine NOx-Konzentration in dem Abgas, das den Katalysator
passiert hat. Die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 wählt entweder
ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
oder ein NOx-Ausgangssignal
aus und überträgt das ausgewählte Signal
an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31.
-
7 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Signalschaltroutine zeigt, die durch
die CPU 33 in der Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 ausgeführt wird.
Diese Routine wird anstelle von derjenigen, die in 4 gezeigt
ist, ausgeführt.
-
In
Schritt 301 bestimmt die CPU 33, ob ein Magerausgangssignalflag
XLEAN auf 1 gesetzt ist. Das Magerausgangssignalflag XLEAN zeigt
an, welches Ausgangssignal von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
und dem NOx-Ausgangssignal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 an
den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 übertragen wird. Wenn XLEAN
= 0 ist, bedeutet das, daß das
Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal übertragen
wird; wenn XLEAN = 1 ist, bedeutet das, daß das NOx-Ausgangssignal übertragen wird.
-
Wenn
XLEAN = 1, geht die CPU 33 zu Schritt 302. In
Schritt 302 wird festgestellt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Pumpenzellenausgang),
das durch den Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 erfaßt wurde,
fetter als das stöchiometrische
Luft- Kraftstoff-Verhältnis von "14.7" ist. Wenn das erfaßte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich
oder größer als
14.7 ist ("NEIN" in Schritt 302),
geht die CPU 33 zu Schritt 303. Im Schritt 303 überträgt die CPU 33 das NOx-Ausgangssignal
von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 an den
Motorsteuerungsmikrocomputer 31 und beendet diese Routine
für den Moment.
D. h., daß das
laufende NOx-Ausgangssignal
weiter übertragen
wird.
-
Wenn
festgestellt wird, daß das
erfaßte Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner
als 14.7 ist ("JA" in Schritt 302),
geht die CPU 33 zu Schritt 304. In Schritt 304 wird
das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
des Gassensors des zusammengesetzten Typs 26 auf den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 übertragen.
Im Schritt 305 setzt die CPU 33 das Magerausgangssignalflag
XLEAN auf Null zurück
und beendet diese Routine für
diesen Moment. D. h., daß für die Übertragung
von dem NOx-Ausgangssignal auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgangssignal
umgeschaltet wird.
-
Wenn
XLEAN = 0, geht die CPU 33 zu Schritt 306. Im
Schritt 306 wird festgestellt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Pumpenzellenausgang), das
durch den Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 erfaßt wird,
größer als
ein vorbestimmtes Referenzverhältnis
(beispielsweise 15.5) ist, das magerer als das stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ist. Es soll darauf hingewiesen werden, daß eine Hysterese zwischen den
zwei Referenzverhältnissen
besteht: Das Referenzverhältnis,
mit dem festgestellt wird, ob sich das erfaßte Signal von dem Gassensor
des zusammengesetzten Typs 26 von der mageren zur fetten
Seite verschoben hat (das Referenzverhältnis in Schritt 302),
und das Referenverhältnis,
durch das festgestellt wird, ob das erfaßte Signal von der fetten Seite
zur mageren Seite zurückgekehrt
ist (das Referenzverhältnis
in Schritt 306).
-
Wenn
das Luft-Kraftstoffverhältnis
gleich oder niedriger als 15,5 ist ('NEIN' in
Schritt 306), schreitet die CPU 33 zu Schritt 307.
In Schritt 307 überträgt die CPU 33 das
Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal
des Gassensors des zusammengesetzten Typs 26 an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 und beendet
diese Routine für
den Moment. D. h., daß das
laufende Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal
weiterhin kontinuierlich übertragen
wird.
-
Wenn
das Luft-Kraftstoffverhältnis
größer als 15,5
ist ('JA' in Schritt 306)
geht die CPU 33 zu Schritt 308. In Schritt 308 wird
das NOx-Ausgangssignal des Gassensors vom zusammengesetzten Typ 26 auf den
Motorsteuerungsmikrocomputer 31 übertragen. In Schritt 309 setzt
die CPU 33 das magere Ausgangssignalflag XLEAN auf 1 und
beendet diese Routine für
den Moment. D. h., daß für die Übertragung
von dem laufenden Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal auf das
NOx-Ausgangssignal
umgeschaltet wird.
-
Die 8A bis 8D sind
zeitliche Ablaufdiagramme zur weiteren Erläuterung der Steuerungsvorgänge, die
vorstehend beschrieben wurden. Die Kennlinien, die identisch zu
denjenigen sind, die in den zeitlichen Ablaufdiagrammen der 5A bis 5F gezeigt
sind, werden von den 8A bis 8D weggelassen,
ebenso wie ihre Beschreibungen.
-
In
den 8A bis 8D wird
eine magere Verbrennungssteuerung bewerkstelligt und das magere
Ausgangssignalflag XLEAN wird, bspw. vor der Zeit t21, auf 1 gesetzt.
Unter der Magerverbrennungssteuerung wird das NOx-Ausgangssignal
von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 auf den
Motorsteuerungsmikrocomputer 31 übertragen (Schritt 303 in 7).
-
Zur
Zeit t21 wird das Steuerungs-Luft-Kraftstoffverhältnis von dem mageren zu einem
fetten Verhältnis
umgeschaltet. Dies bewirkt, daß das
tatsächliche
Luft-Kraftstoffverhältnis
beginnt, fetter zu werden. Zur Zeit t22, zu der das Luft-Kraftstoffverhältnis kleiner
als 14,7 wird, wird das Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal des Gassensors
des zusammengesetzten Typs 26 an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 übertragen
(Schritt 304 in 7).
-
Ferner
wird zur Zeit t22 das magere Ausgangssignalflag XLEAN auf Null zurückgesetzt (Schritt 305 in 7).
Wenn das tatsächliche Luft-Kraftstoffverhältnis zum
fetten Verbrennungsbereich wandert, wird das in dem NOx-Katalysator 13 absorbierte
NOx reduziert und ausgestoßen.
Dementsprechend beginnt die NOx-Konzentration an der stromabwärtigen Seite
des Katalysators abzunehmen.
-
Zur
Zeit t23 wird das Steuerungs-Luft-Kraftstoffverhältnis zurück auf das magere Verhältnis umgeschaltet.
Anschließend
wird zur Zeit t24 das Luft-Kraftstoffverhältnis höher als 15,5. Nach der Zeit t24
wird das NOx-Ausgangssignal wieder auf den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 übertragen (Schritt 308 in 7).
Desweiteren wird zur Zeit t24 das magere Ausgangssignalflag XLEAN
auf 1 festgesetzt (Schritt 309 in 7).
-
Im
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung entsprechen die Schritte 302 und 306 in 7 der
Signalauswahlvorrichtung und die Schritte 303, 304, 307 und 308 entsprechen
der Signalausgabevorrichtung.
-
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel führt die
Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses ähnlich zum
ersten Ausführungsbeispiel
eine temporäre
fette Verbrennung durch, während
ein magerer Verbrennungsmodus stattfindet, wodurch die magere und
die fette Verbrennung über
optimal verteilte Zeiten durchgeführt werden, wobei besonders
die Kosten reduziert werden. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis infolge des Übergangs vom
mageren zum fetten Verbrennungsmodus in das fette Verhältnis umgeschaltet
wird, wird desweiteren festgestellt, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis in Übereinstimmung
mit dem erfaßten
Signal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 auf
die fette Seite umgeschaltet wurde. Wenn festgestellt wurde, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis auf
der fetten Seite liegt, wird anschließend das Luft-Kraftstoffverhältnissignal
ausgewählt.
Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis auf
die magere Seite zurückgekehrt
ist, wird das NOx-Signal ausgewählt.
Es wird entweder das NOx-Signal oder das Luft-Kraftstoffverhältnissignal
in Abhängigkeit
von dem tatsächlichen
Luft-Kraftstoffverhältnis
des Abgases, das durch das Motorabgasrohr 12 strömt, ausgewählt. Auf
diese Art und Weise wird die abwechselnde Umschaltung zwischen dem NOx-Signal
und dem Luft-Kraftstoffverhältnissignal zuverlässiger ausgeführt als
vorher.
-
Die
Hysterese ist für
die zwei Referenzwerte gegeben: ein Wert, durch den festgestellt
wird, ob das erfaßte
Signal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 von
der mageren Seite zur fetten Seite verschoben wurde, und der andere
Wert, durch den festgestellt wird, ob das erfaßte Signal von der fetten zur
mageren Seite zurückgekehrt
ist. Dementsprechend wird jeglicher Pendelvorgang infolge des Signalumschaltvorgangs
verhindert, sogar wenn sich das Luft-Kraftstoffverhältnis über das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis ändert.
-
(Drittes Ausführungsbeispiel)
-
Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf
die 9, 10 und 11A bis 11C beschrieben. Das erste und zweite Ausführungsbeispiel,
wie sie vorstehend beschrieben wurden, wählt ein Ausgangssignal aus
dem Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal
und dem NOx-Ausgangssignal von dem Gassensor des zusammengesetzten
Typs 26 aus und überträgt das ausgewählte Ausgangssignal
an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31. Im Gegensatz dazu überträgt das dritte Ausführungsbeispiel
sowohl das Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal
als auch das NOx-Ausgangssignal
des Gassensors vom zusammengesetzten Typ 26 an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31. Unter
Erhalt dieser zwei Signale wählt
der Motorsteuerungsmikrocomputer 31 eines davon zur weiteren Verwendung
aus.
-
9 ist
eine schematische Ansicht, die die Hauptkomponente eines Luft-Kraftstoffverhältnissteuerungssystems,
wie sie das vierte Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung praktiziert, zeigt. Die übrigen Komponenten, die nicht
in 9 gezeigt sind, sind dieselben wie ihre Gegenstücke in 1.
Wie dargestellt ist, befindet sich der Gassensor vom zusammengesetzten
Typ 26 auf der stromabwärtigen Seite
des NOx-Katalysators 13. Die Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 überträgt sowohl
das Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal
als auch das NOx-Ausgangssignal an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31.
-
10 ist
ein Ablaufdiagramm, das einen Teil einer Kraftstoffeinspritzsteuerungsroutine
zeigt, die durch den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 in der
ECU 30 ausgeführt
wird. Wenn sie ausgeführt wird,
ersetzt diese Routine diejenige, die in 3 gezeigt
ist.
-
In
Schritt 401 aus 10 stellt
der Mikrocomputer 30 fest, ob die Magerverbrennungssteuerung
derzeit ausgeführt
wird. Wenn festgestellt wird, daß die Magerverbrennungssteuerung
stattfindet, geht er zu Schritt 402.
-
In
Schritt 402 stellt der Mikrocomputer 31 auf der
Grundlage des NOx-Ausgangssignals (Ausgangssignal der Erfassungszelle 55 in 2)
von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 fest, ob
die NOx-Konzentration
höher als
ein vorbestimmter Wert (bspw. 20 ppm) ist. Wenn festgestellt wird,
daß die
NOx-Konzentration gleich oder niedriger als 20 ppm ist, geht der
Mikrocomputer 31 zu Schritt 403. In Schritt 403 wird
das Luft-Kraftstoffverhältnis
in den mageren Verbrennungsbereich gesteuert. Wenn in Schritt 402 festgestellt
wird, daß die NOx-Konzentration
größer als
20 ppm ist, geht der Mikrocomputer 31 zu Schritt 404.
Im Schritt 404 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis in den fetten Verbrennungsbereich
gesteuert.
-
Wenn
festgestellt wird, daß die
fette Verbrennungssteuerung stattfindet ('NEIN' in
Schritt 401) geht der Mikrocomputer 31 zum Schritt 405.
In Schritt 405 erhöht
der Mikrocomputer 31 einen Zähler zum Zählen der Dauer der fetten Verbrennung
um 1. In Schritt 406 wird festgestellt, ob der Zählwert gleich oder
kleiner als ein vorbestimmter Wert K ist. Wenn festgestellt wird,
daß der
Zählerwert
gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert K ist, geht der Mikrocomputer 31 zu
Schritt 407.
-
In
Schritt 407 stellt der Mikrocomputer 31 auf der
Grundlage des Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignals (Ausgang
der Pumpenzelle 52 in 2) von dem
Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 fest, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis kleiner als
ein vobestimmter Wert (bspw. 12) ist. Wenn festgestellt wird, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis gleich oder
größer als
12 ist, geht der Mikrocomputer 31 zum Schritt 408.
In Schritt 408 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis in den fetten Verbrennungsbereich
gesteuert.
-
Wenn
festgestellt wird, daß das
Luft-Kraftstoffverhältnis
kleiner als 12 ist, geht der Mikrocomputer 31 zu Schritt 409.
In Schritt 409 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis in
den fetten Verbrennungsbereich gesteuert. In Schritt 410 setzt
der Mikrocomputer 31 den Zähler auf Null zurück. Wenn
die Feststellung in Schritt 406 negativ ist (d. h. wenn
der Zählerwert
größer als
der vorbestimmte Wert K ist), stellt der Mikrocomputer 31 fest,
daß es
nicht länger
notwendig ist, die fette Verbrennungssteuerung auszuführen und
geht zu Schritt 409, um die fette Verbrennungssteuerung
zu beenden.
-
Die 11A, 11B und 11C sind zeitliche Ablaufdiagramme zur weiteren
Erläuterung der
Steuerungsoperationen, die vorstehend beschrieben wurden. Die Kennlinien,
die identisch zu denjenigen in den zeitlichen Ablaufdiagrammen in den 5A bis 5F sind,
werden von den 11A bis 11C weggelassen,
ebenso wie deren Beschreibungen.
-
In
den 11A bis 11C ist
die NOx-Konzentration gezeigt, die 20 ppm überschreitet, bspw. zu der
Zeit t31. An jenem Punkt wird die soweit betriebene Magerverbrennungssteuerung
angehalten und durch die fette Verbrennungssteuerung ersetzt (Schritt 404 in 10).
-
Ferner
wird das erfaßte
Signal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 von
dem NOx-Ausgangssignal zum Luft-Kraftstoffverhältnisausgangssignal
umgeschaltet. Dementsprechend beginnt das tatsächliche Luft-Kraftstoffverhältnis fetter
zu werden. Wenn das tatsächliche
Luft-Kraftstoffverhältnis
zur Zeit t32 den fetten Verbrennungsbereich erreicht, wird das absorbierte
NOx in dem NOx-Katalysator 13 reduziert und ausgestoßen und die
NOx-Konzentration
an der stromabwärtigen
Seite des Katalysators beginnt abzunehmen.
-
Wenn
das tatsächliche
Luft-Kraftstoffverhältnis
zur Zeit t33 niedriger als 12 ist, wird die gerade stattfindende
fette Verbrennungssteuerung durch die magere Verbrennungssteuerung
ersetzt (Schritt 409 in 10). Das
erfaßte
Signal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 wird
ferner von dem Luft-Kraftstoffverhältnisausgang
zurück
zum NOx-Ausgang umgeschaltet.
-
Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
entsprechen die Schritte 402 und 407 in 10 der Feststellungsvorrichtung.
-
Wie
bereits beschrieben, erhält
das dritte Ausführungsbeispiel
den Motorsteuerungsmikrocomputer 31, um die NOx- und die
Luft-Kraftstoffverhältnissignale
von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 kontinuierlich
zu überwachen.
Ein Übergang
von der mageren zur fetten Verbrennungssteuerung wird basierend
auf dem NOx-Signal festgestellt und ein Übergang von der fetten zur
mageren Verbrennungssteuerung wird auf der Basis des Luft-Kraftstoffverhältnissignals
festgestellt. Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels gestattet ein zuverlässiges Umschalten
zwischen dem NOx-Signal und dem Luft-Kraftstoffverhältnissignal,
die abwechselnd verwendet werden. Dies sorgt wie beim ersten und
zweiten Ausführungsbeispiel
für eine
Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, die während eines
mageren Verbrennungsmodus eine temporäre fette Verbrennung zuläßt, wodurch
die magere und die fette Verbrennung über optimal verteilte Zeiten
ausgeführt
werden, besonders um die Kosten zu reuzieren.
-
Die
vorliegende Erfindung kann ferner in anderen Varianten angewendet
werden. Bspw. wurde das erste, zweite und dritte Ausführungsbeispiel
gezeigt, das den Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 an
der stromabwärtigen
Seite des NOx-Katalysators 13 angeordnet hat. Alternativ
dazu kann jedes der ersten bis dritten Ausführungsbeispiele den Gassensor
des zusammengesetzten Typs 26 auf der gegenüberliegenden
Seite des NOx-Katalysators 13 angeordnet haben. Die erfaßten Signale
des Sensors 26 werden für
die Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung verwendet.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel
wird eine Hysterese zwischen dem Referenzwert, durch den festgestellt
wird, ob das erfaßte
Signal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 von
der mageren zur fetten Seite verschoben wurde, und dem Referenzwert,
durch den festgestellt wird, ob das erfaßte Signal von der fetten zur
mageren Seite zurückgekehrt
ist, angegeben. Alternativ dazu kann eine solche Hysterese weggelassen
werden, so daß die
Referenzwerte einander identisch sind. In diesem Fall kann eine
Zeitverzögerung
bezüglich
der Ausgangsumschaltung von der fetten zur mageren Verbrennungssteuerung
vorgesehen werden.
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Der
Aufbau des Gassensors vom zusammengesetzten Typ kann modifiziert
werden, wie in 12 veranschaulicht wird. Ein
Gassensor des zusammengesetzten Typs 80 in 12 hat
einen laminierten Aufbau, der ein erstes und ein zweites Festelektrolytsubstrat 81 und 82,
eine verteilte Widerstandsschicht 83 und ein Heizgerät 84 aufweist.
Ein Heizelement 84a ist in dem Heizgerät 84 eingebettet. Eine
Umgebungsluftkammer 85 ist zwischen dem zweiten Festelektrolytsubstrat 82 und
dem Heizgerät 84 ausgebildet.
Die verteilte Widerstandsschicht 83 ist zwischen dem ersten
und dem zweiten Festelektrolytsubstrat 81 und 82 eingelegt,
in die das Abgas von der linken Seite in 12 eingeführt wird.
Stromaufwärts
von dem Abgasstrom, der durch dessen Pfad strömt, ist eine Pumpenzelle 88 aus
einem Paar Elektroden 86 und 87 aufgebaut. Eine
Sensorzelle 91, die aus einem Paar Elektroden 89 und 90 zusammengesetzt
ist, ist stromabwärts
von dem Abgaspfad vorgesehen.
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Wenn
das Abgas in der gezeigten Pfeilrichtung in die verteilte Widerstandsschicht 83 eingeführt wird,
erfaßt
die Pumpenzelle 88 einen Stromwert, der die Sauerstoffkonzentration
(Luft-Kraftstoffverhältnis) in
dem Abgas darstellt, und die Sensorzelle 91 erfaßt einen
Stromwert, der die NOx-Konzentration in dem Abgas bezeichnet, aus
dem der Sauerstoff entfernt wurde. In der Sensorzelle 91 wird
das NOx in dem Abgas in Stickstoff- und Sauerstoffionen zerlegt,
die den Stromwert hervorrufen, der erfaßt werden soll. Wie beschrieben
wurde, erlaubt der Gassensor des zusammengesetzten Typs 80 aus 12 ferner,
daß die
NOx-Konzentration
und das Luft-Kraftstoffverhältnis
vom Abgas gleichzeitig erfaßt
werden. Deshalb kann der Gassensor vom zusammengesetzten Typ 80 auf
jedes der ersten bis dritten Ausführungsbeispiele angewandt werden.
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Eine
Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses
für einen
Verbrennungsmotor 1, die einen NOx-Absorptions-Reduktionskatalysator
(NOx-Katalysator) 13 aufweist, der in einer Abgasleitung 12 angebracht
ist. Stromaufwärts
von dem NOx-Katalysator 13 befindet
sich ein Gassensor vom zusammengesetzten Typ 26, der ein
Luft-Kraftstoffverhältnis
und eine NOx-Konzentration erfaßt und
die Ergebnisse gleichzeitig abgibt. Ein Motorsteuerungsmikrocomputer 31 in
einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 30 bewerkstelligt
eine magere Verbrennung auf der mageren Verbrennungsseite des Luft-Kraftstoffverhältnisses
während
NOx in dem Abgas in dem NOx-Katalysator 13 während der
mageren Verbrennung absorbiert wird. Während der mageren Verbrennungssteuerung
wird das Luft-Kraftstoffverhältnis
zeitweise auf die fette Verbrennungsseite eingestellt, um das von
dem NOx- Katalysator 13 absorbierte
NOx auszustoßen. Eine
CPU 33 wählt
in einer Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung 32 entweder
ein Luft-Kraftstoffverhältnissignal
oder ein NOx-Signal von dem Gassensor des zusammengesetzten Typs 26 aus
und gibt das ausgewählte
Signal an den Motorsteuerungsmikrocomputer 31 als einen
Parameter für
die Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung
aus. Dies sorgt für
eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses,
die eine zeitweise fette Verbrennung zuläßt, während ein magerer Verbrennungsmodus
ausgeführt
wird, wodurch die magere und fette Verbrennung über optimal verteilte Zeiten
bei reduzierten Kosten ausgeführt
wird.