DE3023429C2

DE3023429C2 - Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3023429C2
Application number: DE3023429A
Authority: DE
Inventors: Kenji Yokohama Masaki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1980-06-23
Publication date: 1986-05-15
Also published as: GB2054211A; JPS562548A; US4337746A; DE3023429A1; GB2054211B; FR2459885A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Erfindung bezieht sich im einzelnen auf eine derartige Vorrichtung mit einem Gassensor, der auf einen bestimmten Bestandteil der Auspuffgase der Brennkraftmaschine anspricht und ein Rückkopplungssignal liefert, das repräsentativ ist für das jeweilige Luft-Brennstoff-Verhältnis eines zugeführten Gemisches.

Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, besteht eine wesentlich neuere Entwicklung darin, eine Rückkopplungs-Regelung der Brennstoffzufuhr unter Verwendung eines Auspuffgas-Sensors durchzuführen, der auf einen bestimmten Bestandteil der Auspuffgase anspricht und ein elektrische.¹) Signal

ίο liefert, das repräsentativ ist für das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches. Auf diese Weise ist es möglich, die Maschine mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch eines genau festgelegten Mischungsverhältnisses zu betreiben und eine ausreichende Reinigung der Auspuffgase durchzuführen sowie die Leistung bzw. den Wirkungsgrad der Maschine zu steigern. Das genannte Verfahren ist bereits in der Praxis eingesetzt und für elektronisch gesteuerte Einspritzanlagen und Vergaser verwendet worden.

Als Auspuffgassensor der genannten Art ist nahezu ausschließlich ein Sauerstoff-Sensor in der Form einer Sauerstoff-Konzentrationszelle eingesetzt worden, der im wesentlichen aus einer Schicht eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie etwa Zirkonoxid, stabilisiert mit Calciumoxid, und zwei Elektrodenschichten auf den beiden gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht besteht. Wie in F i g. 1 der Zeichnung gezeigt ist, auf die bereits hier zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen werden soll, ist die Festelektrolytschicht eines in der Praxis verwendeten Sauerstoff-Sensors 10 übh'cherweise in der Form eines Rohres 12 mit einem geschlossenen Ende ausgebildet Eine schichtförmige Meßelektrode 16, üblicherweise aus Platin, die dem zu prüfenden Gas ausgesetzt wird, befindet sich auf der Außenseite des Rohres 12 und weist eine gasdurchlässige, poröse Struktur auf. Eine ebenfalls gasdurchlässige, poröse, schien tförmige Bezugselektrode 14 befindet sich auf der inneren Oberfläche des Rohres 12. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas,, v/ie etwa Luft wird in das Innere des Rohres 12 eingeleitet und bildet einen als Bezugsdruck dienenden Sauerstoff-Partialdruck auf der Seite der Bezugselektrode der Festelektrolytschicht 12. Ein derartiger Sauerstoff-Sensor 10 erzeugt eine elektromotorische Kraft, wenn eine Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck auf der Bezugsdruckseite und auf der Seite der Meßelektrode auftritt. Diese elektromotorische Kraft wird zwischen zwei Ausgangsklemmen 15 und 17 gemessen bzw. als Signal abgegeben, das repräsentativ ist für die Sauerstoffkonzentra-

5J tion in dem untersuchten Gas.

Wenn ein derartiger Sauerstoff-Sensor 10 an einem Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine derart angebracht wird, daß die Meßelektrode 16 dem Auspuffgas ausgesetzt ist, während die Bezugselektrode 14 der Atmosphärenluft zugewandt ist, ist die Größe der elektromotorische Kraft des Sauerstoff-Sensors 10 ein Maß für das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten Gemisches, jedoch nicht proportional zu diesem. Wie in F i g. 2 gezeigt ist, verbleibt die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Sensors 10 im wesentlichen konstant auf einem Maximalwert, während sieh das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (etwa 14,7 bei einem Luft-Benzin-Gemisch) befindet, d. h., solange ein fettes Gemisch zugeführt wird. Andererseits verbleibt das Ausgangssignal im wesentlichen konstant auf einem Minimalwert, während das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, d. h., während ein

mageres Gemisch zugeführt wird. Weiterhin ergibt sich eine scharfe Änderung der Ausgangsspannung bei einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses über das stöchiometrische Verhältnis hinweg. Bei Auspuffgasen liefert ein derartiger Sauerstoff-Sensor 10 im wesentlichen eine EIN-AUS-Charakteristik. Im Hinblick auf eine Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses liefert dieser Sensor 10 daher praktisch nur an einem Punkt, nämlich an dem stöchiometrischen Punkt eine genaue Information. Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis abweicht, ist es möglich, zu beurteilen, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur fetten Seite abgewichen ist, da die Ausgangsspannung des Sensors in diesem Falle oberhalb einer bestimmten Bezugsspannung (0,5 V in F i g. 2) Hegt Wenn die Abweichung zur mageren Seite hin erfolgt ist, liegt die Ausgangsspannung unterhalb des Bezugswertes. Es ist jedoch nicht möglich, numerische Werte bei nicht stöchiometrischen Gemischen zu ermitteln.

Daher ist die Anwendung eines Sauerstoff-Sensors der genannten Art für die Rückkopplungs-Regelung der Brennstoffzufuhr einer Brennkraftmaschine auf den Fall beschränkt, daß eine Aufrechterhaltung oder zumindest annähernde Aufrechterhaltung des stöchionretrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses erwünscht ist Ein praktisches Anwendungsbeispiel ist eine Maschine mit einem katalytischen Konverter im Auspuffsystem, der einen sogenannten Dreiwege-Katalysator einschließt der gleichzeitig die Reduktion von NOx und die Oxidation von CO und HC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) katalysiert und die höchste Umwandlungsfähigkeit bei Auspuffgasen aufweist die aus der Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Gemisches entstehen.

F i g. 3 zeigt eine herkömmliche Brennkraftmaschine mit Dreiwege-Katalysator und Rückkopplungs-Regeiung der Brennstoffzufuhr. Mit 20 ist die Brennkraftmaschine als solche bezeichnet Ein Ansaugrohr 22 beginnt bei einem Luftfilter 24 und schließt einen Luftdurchsatz-Sensor 26 stromaufwärts einer Drosselklappe 28 sowie Brennstoff-Einspritzventile 30 unmittelbar angrenzend an die Brennkammer der Brennkraftmaschine 20 ein. Eine Regelschaltung 32 nimmt das Ausgangssignal des Luftdurchsatz-Sensors 26 zusammen mit Signalen S_r und S, auf, die der Maschinendrehzahl und der Lufttemperatur entsprechen, und liefert ein Steuersignal an die Einspritzventile 30 zur Sicherung einer optimalen Brennstoffzufuhr auf der Grundlage der eingegebenen Signale. Im Auspuffrohr 34 ist ein katalytischer Konverter 36 mit einem Drei wege.-Katalysator vorgesehen, und ein Sauerstoff-Sensor 38 des in Fig. 1 gezeigten Typs befindet sich im Auspuffrohr 34 stromaufwärts des Konverters 36 zur Lieferung des Ausgangssignales an die Regelschaltung 32. Bei diesem System besteht das Ziel der Steuerung der Brennstoffzufuhr in einer Aufrechterhaltung eines stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses, bei dem der Dreiwege-Katalysator seine beste Leistung erbringt und das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 34 dient als Rückkopplungssignal, das genau anzeigt, ob sich das Luft-Brennstoff-Gemisch auf dem stöchiometrischen Wert befindet oder nicht. Wenn dieses Rückkopplungssignal eine Abweichung des Luft-Brennstoff-Gemisches von dem stöchiometrischen Gemisch anzeigt, läuft in der Regelschaltung 32 ein Prozeß ab, bei dem das den Einspritzventilen 301 zugeführte Signal derart geändert wird, daß das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis in Richtung des stöchiometrischen Verhältnisses korrigiert wird, bis das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 38 den stöchiometrischen Wert anzeigt Ein Sauerstoffsensor gemäß F i g. 1 spielt daher eire wesentliche Rolle für Steuersystem der Fig. 3.

In der Automobilindustrie ist der Dreiwege-Katalysator jedoch nur in begrenztem Rahmen verwendbar, da zur Herstellung dieses Katalysators Rhodium erforderlich ist das kostspielig ist und kaum in ausreichendem Maße zur Verfügung steht Die am meisten vorherrschende Methode zur Reinigung der Auspuffgase besteht in der Verwendung eines Oxidations-Katalysators in Kombination mit einer geeigneten Maßnahme zur Reduzierung des Ausstoßes von NOx, wie etwa einer teilweisen Rezirkulation der Auspuffgase zur Ansaugseite. Bei Verwendung eines Oxidations-Katalysators ist es üblich, die Maschine mit einem verhältnismäßig fetten Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 13,5 zu versorgen. In diesem Faile isi es nicht möglich, eine RückkoppJungs-Regelung des Luft-Brennstoff- Verhältnisses unter Verwendung eines Sauerstoff-Sensors 10 gemäß F i g. 1 durchZw uhren, da gemäß Fig.2 die Ausgangsspannung dieses Sensors im wesentlichen konstant auf dem Maximalwert verbleibt wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis 13,5 beträgt oder erheblich von diesem Wert beispielsweise um 1,0 zur oberen oder unteren Seite abweicht Dieser Sauerstoff-Sensor 10 ist daher nicht auf eine Maschine anwendbar, die einen thermischen Reaktor aufweist obgleich die Verwendung eines thermischen Reaktors wegen ungünstiger Verbrauchswerte nicht unbedingt vordringlich ist Bei Verwendung eines thermischen Reaktors wird üblicherweise ein sehr fettes Gemisch, etwa im Bereich von 123. bezogen auf das Luft-Brennstoff-Verhältnis zugeführt Wie aus F i g. 2 hervorgeht liefert der Sauerstoffsensor 10 bei einem derartig fetten Gemisch keine verwertbare Information.

Bei einem System mit einem kataiytischen Konverter, der einen Oxidations-Katalysator oder einen thermischen Reaktor enthält ist es üblich, Sekundärluft in das Auspuffsystem einzulassen, die eine vollständige Oxidation der großen Anteile von CO und HC in den Auspuffgasen in dem Konverter oder Reaktor ermöglicht. Die Menge der Sekundärluft wird derart gesteuert, daß das verdünnte Auspuffgas einem Auspuffgas entspricht, das entsteht durch Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemisches mit einem Mischungsverhältnis von etwa 16,5, da sich bei dieser Verdünnung der beste Reinigungseffekt ergibt. Wenn der Sauerstoffsensor 10 in derartigen verdünnten Auspuffgasen angeordnet ist, bleibt das Ausgangssignal konstant auf dem Minimalwert gemäß F i g. 2, so daß eine numerische Aussage über das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht möglich ist

Es kann als wünschenswert angesehen werden, eine RückKopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses einer Maschine durchzuführen, die die erwähnten Oxidations-Katalysatoren aufweist, jedoch sieht bisher in der Praxis kein Auspuffgassensor zur Verfügung, durch den ein Luft-Brennstoff-Verhältnis außerhalb des stöchiometrischen Bereichs genau erfaßt werden kann. Es ist daher ein erheblicher Aufwand zur Entwicklung eines möglichst wirksamen und haltbaren katalytischen Konverters getrieben worden, der einer. Oxidations-Katalysator enthält und mit Brennstoffzufuhreinrichtungen der verschiedenen Automobile kombiniert ist. Insbesondere sind Crennstoffzufuhreinrichtungen entwickelt worden, deren Mischungscharakteristik für Luft und Brennstoff gut auf die neueren Maschinen und die Oxidations-Katalysatoren abgestimmt ist, da nicht nur

die Wirksamkeit der Auspuffgasreinigung, sondern auch der mechanische und thermische Wirkungsgrad der Maschine durch diese Abstimmung beeinflußt werden. Im übrigen wird die Massenproduktion der neueren Brennstoffzufuhreinrichtungen und der wesentlichen Teile dieser Einrichtungen unter außerordentlich genauen Qualitätskontrollen durchgeführt, so daß die Unterschiede in der Arbeitsweise der einzelnen Produkte möglichst gering sind. Dadurch erhöhen sich zwangsläufig die Herstellungskosten erheblich. Trotzdem haben sich bei der Verbesserung des Verbrauchsverhaltens der Maschine mit einem Oxidations-Katalysator oder thermischen Reaktor Grenzen gezeigt, da es nicht möglich ist, eine Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen.

Es besteht daher erheblicher Bedarf nach einem neuartigen Gas-Abtastverfahren, das eine genaue Erfassung nicht-stöchiometrischer Luft-Brennstoff-Verhältnisse ermöglicht. In der dem Oberbegriff des Hauptanspruchs entsprechender DE-OS 29 17 160 wird vorgeschlagen, das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines mageren Gemisches oder eines fetten Gemisches mit Hilfe einer weiterentwickelten, sauerstoff-empfindlichen Abtasteinrichtung zu erfassen, die eine modifizierte Konzentrationszelle darstellt und eine Ausgangscharaktertistik aufweist, wenn sie sich in den Auspuffgasen befindet und mit einem konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke versorgt wird. Der Aufbau einer derartigen Abtasteinrichtung soll anhand von F i g. 4 bis 6 beschrieben werden.

Ein Sauerstoff empfindliches Element 50 gemäß F i g. 4 besteht aus einem keramischen Substrat 52, beispielsweise aus Aluminiumoxid, und einer mikroskopisch-porösen Schicht 54 eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie etwa Ζ1Ό2, stabilisiert mit Y2O3 auf einer Seite des Substrats 52. Eine schichtförmige Platinelektrode 56, die als Meßelektrode bezeichnet werden soll, befindet sich auf der äußeren Oberfläche der Festelektrolytschicht 54. Die Meßelektrode 56 weist eine gasdurchlässige, poröse Struktur auf, so daß das zu messende Gas nicht nur die äußere Oberfläche dieser Meßelektrode 56 berührt, sondern in die Festelektrolytschicht 54 diffundiert Eine weitere Platinelektrode, die als Bezugselektrode 58 bezeichnet werden soll, befindet sich auf der anderen Oberfläche der Festelektrolytschicht 54 in Sandwich-Anordnung zwischen dieser Schicht und dem Substrat 52 und ist makroskopisch vollständig gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch das Substrat 52 und die Festelektrolytschicht 54 abgeschirmt. Die drei Schichten 54, 56 und 58 bilden eine Sauerstoff-Konzentrationszelle, Üblicherweise ist jede dieser drei Schichten 54,56 und 58 als dünne, filmartige Schicht ausgebildet Ein elektrisches Heizelement 60 ist in das Substrat 52 eingebettet, da die Konzentrationszelle nur bei einer ausreichend hohen Temperatur arbeitet Mit 62 sind Leitungen zur Zufuhr eines Heizstromes zu dem Heizelement und mit 64 und 66 Leitungen in Verbindung mit den Elektrodenschichten 56 und 58 bezeichnet

Zur Erfassung eines Mischungsverhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches, das in einer Brennkraftmaschine verbrannt wird, wird das sauerstoffempfind'iche Element 50 vollständig innerhalb des Auspuffgases angeordnet Anstelle der Verwendung einer Bezugs-Sauerstoffquelle, wie etwa Luft wird eine Gleichstromquel-Ie 70 mit den Leitungen 64 und 66 und damit mit den Elektroden 56 und 58 verbunden, wie in F i g. 5 gezeigt ist so daß ein Gleichstrom geeigneter Stärke (z. B.

3—10μΑ) durch die Festelektrolytschicht 54 zwischen den Elektroden 56 und 58 hindurchgeleitet wird. In F i g. 5 ist mit 72 ein Stellwiderstand zur Steuerung der Stromstärke bezeichnet. Der Zweck der Zufuhr eines elektrischen Stromes zu dem sauerstoffempfindiichen Element 50 besteht darin, daß ein Sauerstoff-Partialdruck als Bezugsdruck in der Zwischenfläche zwischen der Bezugselektrode 58 und der Festelektrolytschicht 54 erzeugt wird, während die Meßelektrode 56 direkt den Auspuffgasen ausgesetzt ist. Die Leitungen 64 und 66 sind ebenfalls mit Ausgangsklemmen 76 verbunden, an denen eine elektromotorische Kraft gemessen wird, die zwischen den Elektroden 56 und 58 über die Festelektrolytschicht 54 hinweg erzeugt wird.

Die Größe der elektromotorischen Kraft hängt ab von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des verbrannten Gemisches, und die Art der Abhängigkeit wird im wesentlichen durch die Strömungsrichtung des Stromes innerhalb des sauerstoffempfindlichen Elements 50 bestimmt. Gemäß F i g. 5 wird ein zweipoliger Doppelschalter 74 zur Verbindung der Stromquelle 70 mit dem sauerstoffempfindlichen Element 50 verwendet. In der dargestellten Ausführung werden die Elektroden 56 und 58 mit den positiven und negativen Klemmen der Gleichstromquelle 70 unter Verwendung von Kontakten 74a und 746 des Doppelschalters 74 derart verbunden, daß der Strom durch die Festelektrolytschicht 54 von der Meßelektrode 56 in Richtung der Bezugselektrode 5β fließt

Da die Meßelektrode 56 aus Platin besteht und als Katalysator dient, werden CO und HC in den Auspuffgasen einer Oxidations-Reaktion auf der Oberfläche der Meßelektrode ausgesetzt, so daß der in den Auspuffgasen enthaltene Sauerstoff verbraucht wird. An der Bezugselektrode 58, die mit der negativen Klemme der Gleichspannungsquelle 70 verbunden ist, besteht die Tendenz, das gasförmiger Sauerstoff, der in Richtung der Elektrode 58 durch die poröse Fesielckifulyischicht 54 diffundiert, ionisiert wird, so daß anschließend Sauerstoffionen in Richtung der Meßelektrode 56 fließen.

Während ein brennstoffreiches Gemisch der Maschine zugeführt wird, ist die Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 56 nahezu vernachlässigbar, da der verhältnismäßig geringfügige Sauerstoff, der in den Auspuffgasen enthalten ist, nahezu vollständig durch die Oxidations-Reaktion an der Oberfläche der Meßelektrode 56 verbraucht wird. Daher weicht der Sauerstoff-Partialdruck auf der Bezugsseite der Festelektrolytschicht 54 nicht wesentlich von dem Sauerstoff-Partialdruck auf der Meßelektrodenseite ab, so daß die Ausgangsspannung des Elements 50 sehr gering ist vd sich nicht nennenswert ändert, wenn Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des fetten Gemisches eintreten.

Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis über den stöchiometrischen Wert ansteigt, wird der Verbrauch des Sauerstoffs in der Oxidations-Reaktion unerheblich, da die Gesamtmenge von CO und HC in dem Auspuffgas erheblich abnimmt während die Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 58 eine Rolle spielt Daher erzeugt das Element 50 eine maximal hohe Ausgangsspannung, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis geringfügig über dem stöchiometrischen Wert liegt Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des nunmehr mageren Gemisches steigt nimmt der Sauerstoff-Partialdruck an der Bezugselektrode 58 nach und nach zu und nähert sich dem Sauerstoff-Partialdruck in dem Auspuffgas, da zunehmend gasförmiger Sauerstoff durch

die Festelektrolytschicht in Richtung der Bezugselektrode 58 diffundiert. Daher ist die Ausgangsspannung des Elements 50 mit zunehmendem Luft-Brennstoff-Verhältnis nach und nach geringer, wie die Kurve A in Fig.6 andeutet. Das Element 50 weist daher eine geneigte Ausgangscharakteristik auf, wenn es sich in dem Auspuffgas eines mageren Gemisches befindet und ein kons.enter Gleichstrom geeigneter Stärke von der Meßelektrode 56 in Richtung der Bezugselektrode 58 fließt. Wenn dagegen die Stromstärke oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt, beispielsweise oberhalb von etwa 15 μΑ, bleibt die Ausgangsspannung des Elements 50 konstant auf einem Maximalwert, während sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert, jedoch oberhalb des stöchiometrischen Wertes verbleibt, da die Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 58 beträchtlich zunimmt. In diesem Falle weist das Element 50 einem EIN-AUS-Charakteristik auf, so daß es zur A'uiasiuiig des iiuChiOiVicU iSühcM VcrliäiiiiiSScS geeignet ist.

Wenn die Elektrode 56 und 58 des Elements 50 mit der negativen und positiven Ausgangsklemme der Gleichstromquelle 70 unter Verwendung der Kontakte 74c und 74c/des Schalters 74 verbunden werden, so daß der konstante Strom durch die Festelektrolytschicht 54 von der Bezugsseite zu der Meßseite fließt, weist das Element 50 eine Ausgangscharakteristik auf, die der Kurve B in F i g. 6 entspricht, wie anschließend erläutert werden soll.

In diesem Falle tritt eine Ionisation des Sauerstoffs an der .vleßelektrode 56 auf, der ein Eintreten der Sauerstoffionen in Richtung der Bezugselektrode 58 folgt. Während ein mageres Gemisch zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung des Elements 50 im wesentlichen konstant bei einem niedrigen Wert, da unter diesen Bedingungen ein Sauerstoff-Partialdruck auf der Bezugsseite der Festelektrolytschicht 54 im wesentlichen durch Diffusion von gasförmigem Sauerstoff durch die Festelektrolytschicht 54 bestimmt wird und im wesentlichen dem Sauerstoff-Partialdruck in den Auspuffgasen angeglichen wird.

Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt, wird der Verbrauch des Sauerstoffs durch Oxidations-Reaktionen an der Oberfläche der Meßelektrode 56 erheblich, so daß der Sauerstoff-Partialdruck an dieser Elektrode sinkt und die Ausgangsspannung auf einen maximal hohen Wert ansteigt. Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis weiter abnimmt, sinkt der Sauerstoff-Partialdruck an der Bezugselektrode 58 nach und nach ab, da die Diffusion von gasförmigern Sauerstoff in Richtung der Bezugselektrode 58 erheblich abnimmt, so daß die Ausgangsspannung des Elements 50 nach und nach absinkt.

Wenn dagegen die Stromstärke oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt verbleibt die Ausgangsspannung konstant auf einem maximal hohen Wert, während das Luft-Brennstoff-Verhältnis verändert wird, jedoch stets unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt.

Es ist daher möglich, dem sauerstoffempfindlichen Element 50 eine der drei Ausgangscharakteristika zu erteilten, die durch die Kurven A und B in F i g. 6 und die Kurve in F i g. 2 wiedergegeben werden, so daß das Element 50 als Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei mageren Gemischen oder bei Fettgemischen eingesetzt werden kann, wenn es derart verwendet wird, daß es eine geneigte Ausgangscharakteristik eemäß den Kurven A oder B aufweist Die geneigte Ausgangscharakteristik dieses Sensors 50 hat jedoch den Nachteil, daß eine Ausgangsspannung des Sensors nicht nur einem bestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht. Im Falle der Kurve A wird beispielsweise die Ausgangsspannung V₀I nicht nur bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 16,5, d.h. am Punkt P in der Kurve A, sondern auch bei einem Gemischverhältnis von 14,7, d.h. dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis, am Punkt Q der Kurve erreicht. Wenn der Zielwert der Luft-Brennstoff-Steuerung 16,5 ist, besteht die Möglichkeit der irrtümlichen Angabe, daß dieser Zielwert erreicht sei, obgleich das tatsächliche Mischungsverhältnis 14,7 beträgt. Im Falle der Kurve 5 wird die Ausgangsspannung V02 bei Mischungsverhältnissen von 13,5 (Punkt R) oder 14,5 (Punkt S, annähernd stöchiometrisches Verhältnis) erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Regelvorrichtung derart zu verbessern, daß das Lufi-Brenrisioff-Verhältnis zuverlässig auf einen beliebig vorgebbaren Zielwert eingeregelt werden kann und daß insbesondere Störungen vermieden werden, die sich durch Fehlinterpretation des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors ergeben.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des neuen Hauptanspruchs gelöst.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich zu dem Sauerstoffsensor mit der oben beschriebenen Ausgangscharakteristik ein zweiter Sauerstoffsensor vorgesehen, der eine Ein-Aus-Charakteristik liefert, so daß die Größe seines Ausgangssignals einer scharfen Änderung zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert bei einer Änderung des Gemischs über den stöchiometrischen Wert hinweg unterliegt. Die Regeleinrichtung ist mit einer Trennschaltung versehen, die das zweideutige Ausgangssignal des ersten Sauerstoffsensors mit Hilfe des Signals des zweiten Sauerstoffsensors interpretiert.

Bevorzugt umfaßt die Trennschaltung eine Transistorschaltung, die bei einer Abweichung des Signals des zweiten Sensors von dem Maximalwert oder dem Minimalwert das Ausgangssignal des ersten Sauerstoffsensors unterbricht.

Aus der DE-OS 26 17 347 ist bereits eine Regelvorrichtung mit zwei Abgassensoren bekannt. In diesem FaIi dient die Verwendung von zwei Sensoren jedoch zur Kompensation von temperaturabhängigen Änderungen der Ausgangscharakteristik, und der Regelung wird die Differenz der Ausgangssignale der beiden Sensoren zugrunde gelegt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch einsn herkömmlichen Sauerstoffsensor;

Fig.2 veranschaulicht die Ausgangscharakteristik des Sauerstoffsensors der F i g. 1 bei Verwendung in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine;

Fig.3 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Regelsystems für das Luft-Brennstoff-Verhältnis einer Brennkraftmaschine;

F i g. 4 zeigt schematisch im Schnitt den Grundaufbau eines sauerstoffempfindlichen Sensors für das Luft-Brennstoff-Verhältnis, wie er im Rahmen der Erfindung verwendet wird;

F i g. 5 zeigt schematisch die Anwendung des Sensors der F i g. 4;

F i g. 6 zeigt die Ausgangscharakteristika des Sensors der Fig.4 bei Verwendung in Maschinen-Auspuffgasen:

Fig.7 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Regelsystems für das Luft-Brennstoff-Verhältnis;

Fig.8 ist ein Blockdiagramm, das eine Abwandlung gegenüber F i g. 7 veranschaulicht;

F i g. 9 ist eine schematische Schnittdarstellung durch das Ansaug- und Auspuffsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 10 veranschaulicht eine geringfügige Abwandlung gegenüber F i g. 9.

Eine erfindungsgemäße RUckkopplungs- Regelung wird üblicherweise für Brennkraftmaschinen verwendet, die entweder mit einem mageren oder mit einem fetten Gemisch arbeiten, obgleich das System auch innerhalb des stöchiometrischen Bereiches einsetzbar ist. Der erste Sensor für das Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht der in F i g. 4 und 5 dargestellten Art. Das erfindungsgemäße Regelsystem umfaßt im übrigen einen zweiten sauerstoffempfindlichen Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der eine Ausgangscharakteristik gemäß F i g. 2 aufweist und ermittelt, ob das Ausgangssignal des ersten Sensors dem geneigten Bereich der Charakteristik entspricht. Wenn beispielsweise der erste Sensor auf die erste geneigte Ausgangscharakteristik der Kurve A in Fig.6 eingestellt ist und eine Ausgangsspannung Voi gemäß Fig.6 liefert, kann festgestellt werden, daß die Ausgangsspannung Voi am Punkt P der Kurve A abgegeben wird, indem bestätigt wird, daß der Ausgang des zweiten Sensors gleichzeitig auf niedrigem Ausgangswert liegt. Wenn der Ausgangswert des Ausgangssignals des zweiten Sensors oberhalb des Minimaiwertes liegt, so muß die Ausgangsspannung Voi des ersten Sensors dem Punkt Q der Kurve A zugeordnet werden.

Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit, eine Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Gemischcs sowoh! bei einem mageren als auch bei einem fetten Gemisch durchzuführen, ohne daß es zu einer Fehlbeurteilung kommen kann, indem beispielsweise angenommen wird, daß das gewünschte Mischungsverhältnis erreicht ist, obwohl das tatsächliche Verhältnis erheblich abweicht und in der Nähe des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses liegt.

Der zweite Sensor kann entweder ein herkömmlicher Sauerstoffsensor gemäß F i g. 1 oder ein fortentwickelter Sensor gemäß F i g. 4 und 5 sein.

F i g. 7 zeigt das erfindungsgemäße Regelsystem in Anwendung auf eine Brennkraftmaschine 80, die bei einem fetten Gemisch betrieben wird und bei der ein Mischungsverhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes, beispielsweise im Bereich von 3,5 aufrechterhalten werden soll.

Die Steuervorrichtung umfaßt einen ersten sauerstoffempfindlichen Sensor 86 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der dem Element 50 in F i g. 4 entspricht, und einen zweiten sauerstoffempfindlichen Sensor 90 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses. Beide Sensoren sind in dem Auspuffsystem der Brennkraftmaschine 80 angeordnet Eine Regelschaltung 84 liefert ein Steuersignal an eine Brennstoffzufuhreinrichtung 82, die ein Betätigungsorgan, wie etwa ein elektromagnetisches Ventil zur Veränderung des Brennstoffdurchsatzes auf direktem Wege oder durch Einleitung einer veränderlichen Menge von Hilfs'uft in den Brennstoff umfaßt. Eine Stromquelle 88 liefert einen konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke ün den ersten Sensor 86, so daß dieser eine geneigte Ausgangscharakteristik gemäß der Kurve B in F i g. 6 aufweist. Der zweite Sensor 90 liefert eine EIN-AUS-Charakteristik entsprechend der Kurve in F i g. 2. Wenn der zweite Sensor 90 ebenfalls ein Sensor gemäß F i g. 5 ist, wird er ebenfalls mit einem Gleichstrom aus der Stromquelle 88 versorgt.

Als ein Teil der Regelschaltung 84 ist eine Unterscheidungs- oder Trennschaltung vorgesehen, die einen Transistor 92 und Verstärker 94 und 96 einschließt. Das

ίο Ausgangssignal des ersten Sensors 86 wird dem Kollektor des Transistors 92 zugeführt, während das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 an die Basis des Transistors 92 über den Verstärker 94 gelangt.
Wenn ein im gewünschten Sinne fettes Gemisch dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine zugeführt wird, so daß die Ausgangsspannung V₀? des ersten Sensors 86 dem Punkt R in der Kurve B der Fig.6 entspricht, befindet sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 auf maximaler Höhe. Folglich gelangt der Transistor 92 ein hohes Basispotentiai, so daß er leitend wird. Daher wird die Ausgangsspannung V₀2 des ersten Sensors 86 an den Hauptteil der Regelschaltung 84 übertragen, durch die ein geeignetes Steuersignal auf der Basis der Spannung V₀₂ erzeugt wird. Wenn ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Gemisch der Brennkraftmaschine 80 zugeführt wird, entspricht die Ausgangsspannung Vo2 des ersten Sensors 86 dem Punkt S in der Kurve B. In diesem Falle befindet sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 unterhalb der maximalen Höhe, so daß der Transistor 92 nicht leitend wird. Daher wird die Ausgangsspannung V02 des ersten Sensors 96 nicht dem Hauptteil der Regelschaltung 84 zugeführt. Die Regelschaltung 84 ermittelt, daß das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis oberhalb des Zielwertes liegt und gibt einen Befehl an die Zufuhreinrichtung 92 zur laufenden Erhöhung des Brennstoffdurchsatzes, bis der Transistor 92 leitend wird und die Übertragung des Ausgangssignals des ersten Sensors 96 an die Regelschaltung 84 wieder aufnimmt

Fig.8 veranschaulicht die Anwendung einer ähnlichen Rückkopplung-Regelung auf eine Brennkraftmaschine 80Λ, die mit einem mageren Gemisch läuft. Bei diesem System umfaßt die Unterscheidungs- oder Trennschaltung einen zusätzlichen Transistor 98, und der Ausgang des zweiten Sensors 90 ist mit der Basis dieses Transistors 98 verbunden. Der Kollektor des Transistors 98 ist mit der Basis des Transistors 92 verbunden, so daß eine Source-Spannung an die Basis des Transistors 92 gelangt, wenn der Transistor 98 nicht

so leitend ist

Wenn ein in gewünschter Weise mageres Gemisch im Ansaugsystem zugeführt wird, liegt die Ausgangsspannung V₀I des ersten Sensors 86 im Punkt Pder Kurve A in F i g. 6. In diesem Falle befindet sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 auf einem minimal niedrigen Wert, so daß der Transistor 98 nicht leitend ist Folglich gelangt die Source-Spannung an die Basis des Transistors 92, so daß dieser leitend wird. Dementsprechend wird die Ausgangsspannung Vbi des ersten Sensors 86 über den Transistor 92 an den Hauptbereich der Regelschaltung 84 übertragen. Wenn ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird, entspricht die Ausgangsspannung V₀\ des ersten Sensors 86 dem Punkt Q in der Kurve A, so daß das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 oberhalb des minimal niedrigen Wertes liegt und der Transistor 98 leitend wird. In diesem Falle wird der Transistor 92 nicht leitend und unterbricht die Übertragung der Ausgangs-

spannung VOi des ersten Sensors 86 an den Hauptbereich der Regelschaltung 84.

Die Stromquelle 88 kann einen Schalter umfassen, der dem Schalter 74 gemäß Fi g. 5 entspricht und zur Umschaltung der Richtung des Stromflusses in drn ersten Sensor 86 dient. Die Beziehung zwischen der Richtung des Stromflusses und der Ausgangscharakteristik des Sensors 86 wurde zuvor unter Bezugnahme auf F i g. 4 bis 6 erläutert. In diesem Falle umfaßt die Regelschaltung 84 beide Trennschaltungen gemäß F i g. 7 und 8.

Die Stromquelle 88 und die Regelschaltung 84 gemäß F i g. 7 und 8 sind vorzugsweise derart aufgebaut, daß die Stromstärke, die dem ersten Sensor 86 zugeführt wird, entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine geändtxi wird. Wenn beispielsweise die Maschine im Beschleunigungsbetrieb oder im vollständig gedrosselten Betrieb läuft und ein fettes Gemisch benötigt, das beispielsweise ein Mischungsverhältnis von 13,5 aufweist, sollte die Stromstärke auf etwa 10 μΑ erhöht werden, so daß die Stärke des Ausgangssignals des ersten Sensors 86 yergrößert wird. Wenn die Maschine ein weniger fettes Gemisch benötigt, das beispielsweise bei 14,5 liegt, beträgt eine geeignete Stromstärke etwa 5μΑ.

F i g. 9 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine Benzin-Brennkraftmaschine 100 mit einem Vergaser 102. Eine Hauptbrennstoffdüse 106 am Ende eines Hauptbrennstoffkanals 108 in dem Vergaser 102 mündet in die Ansaugleitung 104 in einem Venturi-Abschnitt 110 stromaufwärts einer Drosselklappe 112, und eine Leerlaufdüse 114 am Ende eines Leerlauf-Brennstoff kanals 116 mündet in die Ansaugleitung 104 in der Nähe der Drosselklappe 112. Der Hauptbrennstoffkanal 108 ist mit einer Hauptluftdüse 118 in üblicher Weise versehen, und der Leerlauf-Brennstoffkanal 116 ist ebenfalls mit einer Hauptluftdüse 120 ausgerüstet. Eine Hilfsluftdüse 122 befindet sich ebenfalls im Hauptbrennstoffkanal 108, und eine weitere Hilfsluftdüse 124 ist im Leerlauf-Brennstoffkanal 116 vorgesehen. Elektromagnetische Steuerventile 126 und 126', die vollständig geöffnet oder geschlossen werden können, sind in Verbindung mit den Hilfsluftdüsen 122 und 124 vorgesehen, so daß der Eintritt von Luft durch diese Hilfsluftdüsen 122,124 entsprechend einem Steuersignal einer Steuereinheit 130 gesteuert werden kann.

Ein katalytischer Konverter 134 mit einem Oxidations-Katalysator befindet sich in dem Auspuffsystem 132 der Brennkraftmaschine 100. Stromaufwärts des katalytischen Konverters 134 ist ein erster sauerstoffempfindlicher Sensor 136 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Auspuffkanal vorgesehen. In dessen Nähe befindet sich ein weiterer sauerstoffempfindlicher Sensor 138 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses. Der erste Sensor 136 entspricht der Darstellung der F i g. 4 und 5. Die Steuereinheit 130 liefert einen konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke an den Sensor 136. Der Strom fließt in einer derartigen Richtung, daß der Sensor 136 eine geneigte Kennlinie gemäß der Kurve A in F i g. 6 aufweist Der zweite Sensor 138 weist eine Kennlinie gemäß F i g. 2 auf. Wenn der zweite Sensor 138 ähnlich aufgebaut ist wie der erste Sensor 136, führt die Steuereinheit 130 auch dem zweiten Sensor einen Gleichstrom zu, der stärker als der Gleichstrom des ersten Sensors 136 ist, so daß der zweite Sensor 138 eine EIN-AUS-Charakteristik aufweist

Die Steuereinheit 130 nimmt die Ausgangssignale des ersten Sensors 136 und des zweiten Sensors 138 auf und erzeugt im wesentlichen auf der Basis des Ausgangssignals des ersten Sensors 136 ein Steuersignal zur Steuerung des Verhältnisses des geschlossenen und offenen Zustandes der elektromagnetischen Ventile 126 und 126', so daß ein vorgegebenes Luft-Brennstoff-Mischupgsverhältnis erreicht werden kann. In diesem Falle liegt der Zielwert des Luft-Brennstoff-Verliältiusses bei etwa 16,5, und zwar in erster Linie unter Berücksichtigung der Wirksamkeit des Oxidations-Katalysators in dem Konverter 134. Die Steuereinheit 130 steuert die elektromagnetischen Ventile 126 und 126' und läßt eine erhöhte Luftmenge ein, während die Ausgangsspannung des ersten Sensors 136 oberhalb einer Vergleichsspannung liegt, die in diesem Falle etwa 0,55 V entsprechend der Spannung V01 in Fig.6 beträgt. Eine verringerte Luftmenge wird eingelassen, wenn das Ausgangssignal des ersten Sensors 136 unter dieser Vergleichsspannung liegt. Die Steuereinheit 130 umfaßt eine Unterscheidungs- oder Trennschaltung gemäß Fig.8, durch die stets sichergestellt wird, daß die Bedeutung des Ausgangssignals des ersten Sensors 136 unter Verwendung des Ausgangssignals des zweiten Sensors 138 richtig erkannt wird.

Da ein Gaskanal beträchtlicher Länge zwischen dem Vergaser 102 und dem Sensor 136 liegt, in dem sich die Brennkammern der Brennkraftmaschine 100 befinden, und da der Sensor 136 zudem eine gewisse Ansprechzeit aufweist, ist es unvermeidlich, daß die Korrektur des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit Zeitverzögerung gegenüber der Erzeugung des Steuersignals durch die Steuereinheit 130 erreicht wird. Die Länge dieser Zeitverzögerung unterscheidet sich nicht wesentlich, wenn der Sensor 136 einerseits eine geneigte Ausgangskennlinie oder andererseits eine herkömmliche EIN-AUS-Charakteristik aufweist und liegt üblicherweise bei 200—300 ms bis zu höchstens 900 ms. Wegen dieser Zeitverzögerung im Ansprechen des Steuersystems kann das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei Rückkopplungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht exakt auf dem Zielwert von 16.5 gehalten werden. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert sich weiterhin um den Zielwert herum nach oben und unten, und die maximale Fluktuationsbreite beträgt etwa ± 0,25. Bei Kraftfahrzeugen mit einem katalytischen Konverter, der einen Oxidations-Katalysator einschließt, ergibt i.ch eine ausreichende Reinigungswirkung für die Auspuffgase insoweit, als Fehler in der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von 16,5 im Bereich von 0,5 liegt. Daher kann die Genauigkeit der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durch die Erfindung wesentlich verbessert werden.

Bei heutigen Kraftfahrzeugen ist es vielfach üblich, die Abgabe von NOx durch Rückleitung eines Teils der Auspuffgase zur Saugseite zu verringern, während die Abgabe von CO und HC mit Hilfe eines Oxidations-Katalysators oder thermischen Reaktors verringert wird. Zur Erzielung einer möglichst hohen Rückleitungsmenge der Auspuffgase unter Beibehaltung eines stabilen Maschinenbetriebs ist es zweckmäßig, der Maschine ein fettes Gemisch zuzuführen. Zur Erhaltung einer hohen Wirksamkeit des Katalysators oder des Reaktors besteht die Notwendigkeit, Luft in die Auspuffgase mit Hilfe einer sekundären Luftzufuhreinrichtung einzuleiten, die in F i g. 9 mit 140 bezeichnet ist. Dadurch wird das Gesamtverhältnis des Luft-Brennstoff-Gemisches, d. h. das Gewichtsverhältnis der Summe der in dem fetten Gemisch enthaltenen Luft und der Sekundärluft zu dem Brennstoff in dem fetten Gemisch auf etwa 16,5 eingestellt Wenn ein hoher Anteil des Auspuffgases zu-

rückgeführt, wird und Sekundärluft den Auspuffgasen zugeführt wird, liegt ein geeigneter Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines fetten Gemisches bei etwa 134 im Falle der Verwendung eines Oxidations-Katalysators und bei etwa 125 im Falle eines thermischen Reaktors. Obgleich der Vergaser 102 eingestellt ist auf ein Luft-Brennstoff-Verhältnis von 13,5 oder 124, ist das Steuersystem der F i g. 9 derart ausgelegt, daß die erwähnte Steuerung auf einen Ziehvert von 16,5 erfolgt, sofern Sekundärluft zugeführt wird. Es wird daher die to geneigte Kennlinie des ersten Sensors 136 gemäß der Kurve A in F i g. 6 verwendet. In diesem Falle wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht genau auf 134 oder 12^ eingeregelt, jedoch kann die Zusammensetzung der Auspuffgase, die in den katalytischen Konverter 134 oder einen alternativen thermischen Reaktor eintreten, im gewünschten Sinne gesteuert werden.

Fig. 10 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Systems der F i g. 9 mit einer Zufuhr von Sekundärluft zu den Auspuffgasen. In diesem Falle ist eine Luft- zuführeinrichtung 1404 derart angeordnet, daß sie Luft in das Auspuffsystem 132 in einem Bereich stromabwärts der Sensoren 136 und 138, jedoch stromaufwärts des katalytischen Konverters 134 einleiteL Die Brennkraftmaschine 100 wird mit einem fetten Gemisch be- schickt, dessen Luft-Brennstoff-Verhältnis bei 134 liegen solL Auspuffgase werden zur Saugseite zurückgeführt, und das Steuersystem ist darauf eingerichtet, ein Luft-Brennstoff-Verhältnis von 134 zu verwirklichen. Daher weist der erste Sensor 136 die geneigte Kennlinie ao der Kurve B in F i g. 6 auf. Die Luftzufuhreinrichtung 140/4 wird derart eingestellt, daß das erwähnte Gesamtverhältnis des Luft-Brennstoff-Gemisches etwa 164 beträgt Daher ist die Wirkung der Luft-Brennstoff-Steuerung der Ausführungsform der F i g. 10 in bezug auf den katalytischen Konverter 134 ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9, jedoch wird es ermöglicht, das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten fetten Gemisches exakt abzutasten.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine genaue Rüekkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen, und zwar auch und insbesondere bei Zufuhr eines fetten oder mageren Gemisches, so daß die Wirksamkeit von Oxidations-Katalysatoren und thermischen Reaktoren zur Auspuffgasreinigung beträchtlich erhöhl werden kann. Im übrigen bietet die Erfindung eine Verbesserung des thermischen und mechanischen Wirkungsgrades der Maschine, da mit magerem Gemisch laufende Maschinen im allgemeinen einen hohen thermischen Wirkungsgrad und mit fettem Ge- so misch laufende Maschinen einen hohen mechanischen Wirkungsgrad aufweisea

Die Erfindung ist sowohl auf Benzin- als auch auf Diesel-Brennkraftmaschinen anwendbar. Im übrigen ist eine Anwendung möglich auf weiterentwickelte Brennkraftmaschinen, die mit magerem Gemisch laufen und deren Brennkammern jeweils eine Zündvorkammer aufweisen, im übrigen auf Brennkraftmaschinen, deren Brennkammern zwei Zündkerzen enthalten und eine sehr rasche Auspuffgasrückführung unter Verwendung eines leicht fetten Gemisches zur Aufrechterhaltung guter Laufeigenschaften aufweisen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bieten Maschinen mit katalytischem Konverter, die einen Dreiwege-Katalysator einschließen, Maschinen mit einem Höhenausgleichssystem so- es wie elektronisch gesteuerte Maschinen mit einem Mikrocomputer zur erheblichen Veränderung der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine. In allen genannten Fällen kann die Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit verbesserter Genauigkeit erfolgen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches, mit einer elektrisch steuerbaren Brennstoffzufuhreinrichtung zum Zuführen von Brennstoff in den Ansaugkanal der Maschine, einem ersten sauerstoffempfindlichen Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Auspuffkanal der Brennkraftmaschine mit einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht und zwei Elektrodenschichten auf der Festelektrolytschicht, welcher Sensor derart steuerbar ist, daß er selektiv eine erste Ausgangscharakteristik, bei der sich das Ausgangssignal allmählich in Abhängigkeit von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert, sofern das Luft-Brennstoff-Verhältnis oberhalb des stöchiometrischen Wertes liegt, oder eine zweite Aus^angscharakteristik aufweist, bei der sich das Ausgasgssignal allmählich in Abhängigkeit von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert, sofern das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt sowie mit einer Stromquelle, zur Einleitung eines konstanten Gleichstroms vorgegebener Stärke durch die Festelektrolytschicht des ersten Sensors zwischen den beiden Elektrodenschichten, und einer Regeleinrichtung zur Lieferung eines Steuersignals an die Brennstoffzufuhreinrichtung unter Verwendung des Ausgangssignak des ersten Sensors als Rückkopplungssignal zur Korrektur von Abweichungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses vor einem vorgegebenen Wert, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter sauerstoffempfindliche: Sensor (90,138) zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Auspuffsystem in der Nähe des ersten Sensors (50, 86,136) angeordnet ist welcher zweite Sensor eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht (12, 54) und zwei Elektrodenschichten (14,16,56,58) auf der Festelektrolytschicht umfaßt und eine Ein-Aus-Ausgangscharakteristik aufweist, und daß die Regeleinrichtung (84,130) eine Trennschaltung (92,98) zur Identifizierung von verschiedenen, durch das gleiche Ausgangssignal repräsentierten Zuständen des ersten Sensors anhand des Ausgangssignals des zweiten Sensors umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung eine durch das Ausgangssignal des zweiten Sensors (90) angesteuerte Transistorschaltung (92, 98) aufweist, die die Übertragung des Ausgangssignals des ersten Sensors (86) unterbricht, wenn das Ausgangssignal des zweiten Sensors von einem vorgegebenen Maximaloder Minimalwert abweicht.