DE2906018A1

DE2906018A1 - System zur steuerung der sauerstoffkonzentration der auspuffgase einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2906018A1
Application number: DE19792906018
Authority: DE
Inventors: Koichi Furuta; Hideaki Norimatsu
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1979-02-16
Publication date: 1979-08-30
Also published as: US4266519A; FR2417638A1; JPS54109523A; JPS6118016B2; GB2014762A; FR2417638B1; GB2014762B

Description

System zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein System nach dtm Oberbegriff des Patentanspruchs .1. ,

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Verbesserung, bei der ein vorspannender Strom einem Sauerstoffsensor der Widerstandsbauart zugeführt wird, der zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in Auspuffgasen verwendet wird. Dieser Strom wird hierbei verändert, damit der Spannungsausgang des Sauerstoffsonsors die An- od?r Abwesenheit von Sauerstoff bei einer gegebenen Größe anzeigt.

Bei einem Motorsystem, bei dem Luft-Kraftstoffgemische einer Brennkraftmaschine zugeführt und aus der Verbrennung resultierende Auspuffgase aus der Brennkraftmaschine abgegeben werden, ist es trforderlich, daß die Auspuffgase weniger schädliche Bestandteile, wie HC, CO und NO haben. Für dieses Erfordernis wird vorgeschlagen, daß ein eine Verminderung der schädlichen Bestandteil.e in den Auspuffgasen bewirkender Katalysator im Auspuffkanal angeordnet wird. Der Katalysator ist bei der Verminderung der schädlichen Bestandteile hochwirksam, wenn in den Auspuffgasen eine Sauerstoffkonzentration auf einem konstanten Wert zwischen der An- und Abwesenheit von Sauerstoff gehalten wird. Daher muß ein der Brennkraftmaschine zugeführtes Luft-Brennstoffgemisch im wesentlichen auf einem stöchiometrischen Wert (Luftüberschußzahl J{ - Ό gehalten werden. Wenn das Luft-Kraftstoffgemisch unter dem stöchiometrischen Wert liegt, d.h. bei reichem Gemisch, müssen alternativ

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die Auspuffgase stromauf des Katalysators mit Luft beliefert v/erden. Es ist höchst v/irksam, das Luft-Kraftstoffverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemischs oder die den Auspuffgasen zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration, die durch ein dauerstoffempfindliches Element gemessen werden kann, durch Rückkopplung zu steuern.

Als sauerstoffempfindliches Element sind Zirkondioxid (ZrOp) und Titandioxid (Ti(X-) bekannt, die in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration Änderungen der elektromotorischen Kraft bzw. des Widerstands zeigen. Ein solches sauerstoffempfindliches Elemen"" zeigt aber Änderungen der elektromotorischen Kraft oder des Widerstands in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie der Alterung und der Temperatur. Daher müssen die Ausgangsänderungen des sauerstoffempfindlichen Element, die sich aus anderen Umgebungsbedingungen als der Sauerstoffkonzentration ergeben, so vermindert werden, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis des der Brsnnkraftmaschine zugeführten Gemischs oder die den Auspuffgasen .zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit vom Ausgang des sauerstoffempfindlichen Elements durch Rückkopplung gesteuert werden.

Hauptaufgabe der Erfindung ist daher die Verminderung der Ausgangsänderungen eines Sauersstoffsensors, die sich aus anderen Umgebungsbedingungen als der Sauerstoffkonzentration ergeben.

Eine weitere Aufgabe ist die durch Rückkopplung erfolgende Steuerung eines Ausgangssignals eines Sauerstoffsensors in Abhängigkeit von dessen Ausgangssignalen.

Eine v/eitere Aufgabe der Erfindung ist die Steuerung eines einem Sauerstoffsensor der Widerstandsbauart zugeführten vorspannenden Stroms.

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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 erreicht.

Die Erfindung betrifft kurz zusammengefaßt ein System zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine. Ein Sauerstoffsensor, der in Abhängigkeit von der festgestellten An- und Abwesenheit von Sauerstoff in Auspuffgasen einen Widerstand verändert, ist in Reihe mit einer elektrischen Energiequelle und einem Transistor geschaltet zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, die die gemessene An- und Abwesenheit von Sauerstoff anzeigt. Ein Konparator vergleicht die Größen der Sensorausgangsspannung mit der einer gegebenen Größe. Der Transistor steuert in Abhängigkeit von einer Aus gangs spannung des Koraparators einen vorspannenden Strom, der von eier elektrischen Energiequelle zum Sauerstofzsensor fließt, so daß bei einer Messung der An- oder Abwesenheit unabhängig von Temperaturänderungen im Widerstand des Sauerstoffsensors die Sensorausgangsspannung im wesentlichen auf dem gegebenen Wert gehalten wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Wider

standscharakteristik eines bei der Erfindung verwendeten Sauerstoffsensors der Widerstandsbauart;

Fig. 2 einen elektrischen Schaltplan einer Aus

führungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm der Widerstandsänderungen

(A) und Signaländerungen (B) und (C) bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsforn.

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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Ausführungsfora beschrieben, bei der ein Sauerstoffsensor der Widerstandsbauart verwendet wird zur Steuerung des Luft-KraftstoffVerhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Geinischs. Gemäi3 Fig. 1 hat ein Sr.uerstoffsensor der Widerstandsbauart mit einem sauerstoffempfindlichen Element TiO₂ einen verhältnismäßig kleinen und großen Widerstand in Abhängigkeit von der Ab- bzw. Anwesenheit von Sauerstoff. Das die Ab- und Anwesenheit von Sauerstoff in Auspuffgasen sich aus der Verbrennung von rei- · chen bzw. armen Gemischen ergeben, stellen die Ab- und Anwesenheit von Sauerstoff das kleine Luft-Kraftstoffverhältnis (Luftüberschußzahl Z <Ί) bzw. das große Luft-Kraftstoffverhältnis (Luftüberschußzahl./2 ^"1) dar.

Der Widerstand des Sensors ändert sich stufenweise zwischen den verhältnismäßig kleinen und großen Werten bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (Luftüberschußzahl_/£ =1). Der Widerstand des Sauorstoffsensors ändert sich auch in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur oder der Temperatur der Auspuffgase. Es ändert sich z.B. der Widerstand zwischen 1 und 100 kOhm bei einer hohen Temperatur von 800⁰C, zwischen 10 kOhm und 10 MOhm bei einer Zwischentemperatur von 500⁰C und zwischen 1 und 100 KOhm bei einer niedrigen Temperatur von 200⁰C.

Gemäß Fig. 2 ist ein Sauerstoffsensor 1 im Auspuffkanal einer Brennkraftmaschine 5 angeordnot, die aus einer Gemitchliefervorrichtung 4, etwa einem Vergaser oder dergl., mit einem Luft-Kraftstoffgemisch beliefert wird. Der Sauerstoffsensor 1 ist an einem Ende geerdet und mit einer Widerstände 301,303 und einen Komparator 304 enthaltenden Vergleichsschaltung 3 verbunden. Wie noch im einzelnen zu beschreiben, wird der Sauerstoffsensor 1 von einer Vorspannungschaltung 2 und einer elektrischen Energiequelle 6 elektrisch vorgespannt, so daß der Widerstand des Sauerstoffsensors 1 durch dessen Ausgangs-

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spannung wiedergegeben wird.

Wenn das der Brennkraftmaschine 5 zugeführte Gemisch reich ist, hat die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 1 eine kleine Größe in Abhängigkeit vom verhältnismäßig kleinen Widerstand, der die Abwesenheit von Sauerstoff in den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine 1 angibt. Wenn andererseits das Gemisch arm ist, so hat die Ausgangsspannung eine große Größe in Abhängigkeit vom verhältnismäßig großen Widerstand, der die Anwesenheit von Sauerstoff angibt. Indem der Komparator 3>O4 die Ausgangsspannung des Sauerstofisensors 1 über den Widerstand 301 empfängt, vergleicht er diese mit einer gegebenen Größe V^ einer durch die Widerstände 302,303 erzeugten Bezugsspannung. Die gegebene Größe V^ gibt die Sauerstoffkonzentration an, die sich aus der vollständigen Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgc>mischs ergibt. Der Komparator 304 erzeugt aufgrund des Vergleichs eine Ausgangsspannung mit einer konstanten kleinen Größe und einer konstanten großen Größe, die die Ab- bzw. Anwesenheit von Sauerstoff angibt. Die Gemischliefervorrichtung 4 vermindert· oder erhöht die der Brennkraftmaschine 5 zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den konstanten kleinen bzw. großen Größen der Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 3. Alternativ kann die Gemischliefervorrichtung 4, die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von den konstanten kleinen bzw. großen Größen der Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 3 erhöhen oder vermindern« Indem auf diese Weise das Luft-Kraftstoffverhältnis des von der Gemischliefervorrichtung 4 zur Brennkraftmaschine 5 gelieferten Gemischs in Abhängigkeit von der gemessenen Ab- und Anwesenheit von Sauerstoff gesteuert wird, kann die Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase im wesentlichen auf einem konstanten Wert zwischen der Ab- und Anwesenheit von Sauerstoff gehalten werden.

Die Vorspannungsschaltung 2, die die temperaturabhängigen 'An-

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derungen der Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 1 vermindert, enthält Widerstände 201-205, 214-217, 222-224, einen Komparator 206, einen Operationsverstärker 212, einen Transistor 221, Dioden 207,213 und einen Kondensator 211. Der Komparator 206 ist verbunden über den Widerstand 201 mit dem Sauerstoffsensor 1 und mit der Verbindung zwischen den Widerständen 202 und 203, die eine v/eitere Bezugs spannung gegebener Gröi3e V₂ erzeugen, die kleiner als die gegebene Größe V₁-ist. Der Operationsverstärker 212 bildet in Verbindung mit dem Kondensator 211 einen Integrator und ist über die Widersbände 204,216,217 und die Dioden 204,213 mit dem Ausgang des Komparators 206 verbunden. Der Ausgang des Integrators ist mit der Basis des Transistors 221 verbunden, dessen Emitter-Kollektorweg in Reihe mit der elektrischen Energiequelle 6, dem Widerstand 224 und dem Sauerstoffsensor 1 geschaltet ist.

Im Betrieb wird der Sauerstoffsensor 1 durch die elektrische Energiequelle 6 über den Widerstand 224 und den Transistor unter Vorspannung gesetzt zur Erzeugung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit.von seinem Widerstand. Vorausgesetzt, daß der Widerstand des Sauerstoffsensors 1 verhältnismäßig groß ist, wie in (A) von Fig. 3 gezeigt, zur Anzeige der Abwesenheit von Sauerstoff in den Auspuffgasen, ist die Größe der Sensorausgangsspannung folglich groß und erzeugt der Komparator 206 eine Ausgangsspannung mit niedrigem Niveau, wie bei (B) von Fig. 3 gezeigt. Der Kondensator 211 des Integrators wird über den Widerstand 217 zur Erzeugung einer Ausgangsspannung entladen, die allmählich zunimmt. Inden der Transistor 221 allmählich die zunehmende Spannung aus dem Integrator an der Basis aufnimmt, vermindert er allmählich den zum Sauerstoffsensor 1 gelieferten Vorspannstrom, so daß die Sensοrausgangsspannung darauf ansprechend abnimmt, wie bei (C) von Fig. 3 gezeigt. Ist die Größe der Sensorausgangsspannung größer als die gegebene Größe V^, so erzeugt die Vergleichsschaltung 3 ein Ausgangssignal mit hohem Niveau, so daß die Gemischliefervorrichtung 4 darauf ansprechend isi der Brennkraftmaschine 5 zuge-

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führten Luit-Kraftstoffgemisch den Kraftstoff erhöht oder die Luft vermindert.

Vorausgesetzt, daß der Widerstand des Sauerstoffsensors 1, wie bei (A) von Fig. 3 gezeigt, verhältnismäßig klein wird zur Anzeige der Abwesenheit von Sauerstoff ir den Auspuffgasen, was sich aus der Kraftstoffvermehrung oder Luftverminderung in Luft-Kraftstoffgemisch ergibt, wird andererseits die Größe der Sensorausgangsspannung darauf ansprechend kleiner als die gegebene Größe Vp. Der Komparator 206 erzeugt eine Ausgangsspannung mit hohem Hiveau, wie bei (B) von Fig. 3 gezeigt, wobei der Kondensator 211 des Integrators über die Diode 213 und den Widerstand 216 geladen wird. Der Kondensator 211 erzeugt, darauf ansprechend, eine allmählich abnehmende Ausgangsspannung, so daß der Transistor 221 den dem Sauerstoffsensor 1 zugeführten Vorspa'mungsstrom allmählich erhöht. Der Widerstandswert des Widerstands 216 ist in wünschenswerter Weise kleiner als derjenige des Widerstands 217, so daß der Vorspannungsstrom schneller erhöht als vermindert wircu Wenn die G^öße der Sensorausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zunahme des Vorspannungsstroms über die gegebene Größe Vp ansteigt, erzeugt der Komparator 206 eine Ausgangsspannung mit niedrigem Niveau, was bei (B) von Fig. 3 gezeigt ist. Der Kondensator 211 des Integrators wird zur Erzeugung der allmählich ansteigenden Ausgangsspannung entladen. Der Transistor 211 vermindert den Vorspannungsstrom allmählich, so daß die Sensoraus gangs spannung unter die gegebene Größe Vp vermindert wird.

Solange der Widerstand des Sauerstoffsensors 1 verhältnismäßig klein gehalten wird, wird der dem Sauerstoffsensor 1 zugeführte Vorspannungsstroni alternativ erhöht oder vermindert, so daß die Größe der Sensorausgangsspannung im wesentlichen gleich der gegebenen Größe V^ gehalten wird, was bei (C) von Figo gezeigt ist. Indem die Vergleichsschaltung 3 die Sensorausgangsspannung aufnimmt, die auf der gegebenen Größe Vp gehalten

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v/ird, die kleiner als die gegebene Größe V₁ ist, erzeugt sie eine Ausgangsspannung mit niedrigem Niveau, so daß die Gemischliefervorrichtung 4 in Abhängigkeit hiervon im der Brennkraftmaschine 5 zugeführten Luft-Kraftstoffgemisch den Kraftstoff vermehrt oder die Luft vermindert.

Die beschriebene Ausführungsform kann in der Weise abgeändert v/erden, daß die Größe der die Anwesenheit von Sauerstoff in den Auspuffgasen angebende Sensorausgangsspannung auf einer gegebenen konstanten Größe gehalten wird.

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Λή.

Leerseite

Claims

Dr. F. Zumstein sen - Or. E. Acsrnann - D.· R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-lng. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE 29U6Ü18

800O München 2 · BräuhausstraBe 4 · Telefon Sammel-Nr. 22 53 41 ■ Telegramme Zumpat · Telex 5 29 979

Ref.: 14338-3

NIPPOlIDEfISO CO.,LTD. , Kariya City, Japan

PATENTANSPRÜCHE

( Λ Λ System zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zur Messung der An- und Abwesenheit von Sauerstoff in den Auspuffgasen zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dessen Größe die An- und Abwesenheit von Sauerstoff angibt, uurch eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Größe des Ausgangssignals der Meßeinrichtung mit einer gegebenen Größe für eine Bezugskonzentration zwischen der An- und Abwesenheit von Sauerstoff, durch eine erste Steuereinrichtung zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen in Richtung auf die Bezugskonzentration in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Vergleichs-

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einrichtung, und durch eine zweite Steuereinrichtung zur Steuerung irgendeiner der Grüßen des Ausgangssignals der Meßeinrichtung in Richtung auf eine v/eitere gegebene Größe in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßeinrichtung.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung sauerstoffempfindliches Titandioxid enthält, und daß die zv/eite Steuereinrichtung enthält: eine Vergleichseiiirichtung zum Vergleichen der Größen des Ausgangssignals der Heß einrichtung mit einer v/eiteren gegebenen Größe, eine Integrationseinrichtung zum Integrieren eines Ausgangssignals der Vergleichseinrichtung und eine Vorspannungseinrichtung zum Untervorspannungsetzen der Meßeinrichtung durch einen elektrischen Strom in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Integrationseinrichtung.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungseinrichtung eine elektrische Energiequelle und einen Transistor enthält, dessen Emitter-Kollektorweg in Reihe mit der Energiequelle geschaltet und dessen Basis so geschaltet sind, daß sie auf das Ausgangssignal der Integrationseinrichtung anspricht.

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