DE3023430A1

DE3023430A1 - Vorrichtung zur rueckkopplungsregelung der gemischzufuhr einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3023430A1
Application number: DE19803023430
Authority: DE
Inventors: Kenji Masaki; Kohki Sone; Sadao Takase
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1980-06-23
Publication date: 1981-01-08
Also published as: FR2459888A1; US4359989A; GB2052108B; DE3023430C2; GB2052108A; FR2459888B1; JPS562438A

Description

TER MEER ■ MÜLLER · STEINiViEISTER Nissan G061-80

BESCHREIBUNG

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

Die Erfindung befaßt sich im einzelnen mit einer derartigen Vorrichtung, für die ein Gassensor verwendet wird, der auf einen bestimmten Bestandteil des aus dem Luft-Brennstoff-Gemisch erzeugten Verbrennungsgases anspricht und ein Rückkopplungssignal entsprechend dem jeweiligen Mischungsverhältnis liefert.

Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, besteht eine wesentliche neuere Entwicklung darin, daß die Brennstoffzufuhr durch Rückkopplung unter Verwendung eines Auspuffgassensors geregelt wird, der auf einen bestimmten Bestandteil der Auspuffgase anspricht und ein elektrisches Signal liefert, das repräsentativ ist für die jeweilige Zusammensetzung des der Maschine zugeführten Gemisches. Auf diese Weise wird die Maschine mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch betrieben, das ein genau gesteuertes Mischungsverhältnis aufweist, so daß eine zufriedenstellende Reinigung der Auspuffgase und eine gute Leistungsfähigkeit der Maschine gewährleistet sind. Dieses Verfahren ist bereits in der Praxis angewendet worden, und zwar sowohl für elektronisch gesteuerte Einspritzanlagen als auch für Vergaser.

Als ein Auspuffgassensor der erwähnten Art ist nahezu ausschließlich ein Sauerstoffsensor in der Form einer Konzentrationszelle verwendet worden, der im wesentlichen aus einer Schicht aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie etwa Zirkonoxid, stabilisiert mit Calciumoxid, einer Meßelektrodenschicht, üblicherweise aus Platin, in poröser Form auf einer Seite der Festelektrolytschicht

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und einer Bezugselektrodenschicht auf der anderen Seite der Festelektrolytschicht besteht. Ein derartiger Sauerstoffsensor erzeugt eine elektromotorische Kraft, wenn ein Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck auf der Seite der Bezugselektrode und einem veränderlichen Sauerstoffpartialdruck auf der Seite der Meßelektrode besteht. Wie aus Fig. 1 der Zeichnung, auf die hier bereits zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen werden soll, hervorgeht, besteht die Festelektrolytschicht üblicherweise aus einem Rohr 12 mit einem geschlossenen Ende, so daß die Bezugselektrodenschicht 14 auf der Innenseite Luft als Bezugsquelle des Sauerstoffpartialdrucks ausgesetzt werden kann, während sich die Meßelektrodenschicht 16 auf der Aussenseite innerhalb des Auspuffgases in einem Auspuffrohr befindet. Bei einer herkömmlichen Rückkopplungsregelung, zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird die elektromotorische Kraft, die durch den Sauerstoffsensor in dem Auspuffrohr erzeugt wird, an eine elektronische Regelschaltung abgegeben, die ein Steuersignal an eine Brennstoffzuführeinrichtung auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen einer vorgegebenen Bezugsspannung und der elektromotorischen Kraft liefert.

Die Größe der elektromotorischen Kraft, die durch den Sauerstoffsensor 10 in den Auspuffgasen erzeugt wird, hängt ab von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches, ist jedoch nicht proportional zu diesem. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verbleibt die elektromotorische Kraft praktisch konstant auf einem hohen Wert, während sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses von etwa 14,7 bei einem Luft-Benzin-Gemisch befindet, d.h., während ein fettes Gemisch der Maschine zugeführt wird. Andererseits verbleibt die elektromotorische Kraft praktisch konstant auf einem sehr niedrigen Wert, während das Luft-^Brennstoff-Verhältnis oberhalb des stöchiometrischen Wertes liegt, d.h. bei einem mageren Gemisch. Eine scharfe Änderung des

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Wertes der elektromotorischen Kraft tritt auf beim Wechsel des Mischungsverhältnisses über den stöchiometrischen Wert hinweg. Die Verwendung eines derartigen Sensors ist daher äußerst günstig, wenn das Ziel darin besteht, das Mischungsverhältnis auf den stöchiometrischen Wert einzuregeln, wie es etwa bei Verwendung sogenannter Dreiwege-Katalysatoren ist, die sowohl NOx reduzieren als auch CO und HC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) oxidieren und ihre größte Wirksamkeit bei einem Auspuffgas aufweisen, das aus einem stöchiometrischen Verbrennungsgemisch entstanden ist. Wenn jedoch der Regelpunkt für das Luft-Brennstoff-Verhältnis erheblich von dem stöchiometrischen Verhältnis abweicht, ist ein Sauerstoffsensor 10 der beschriebenen Art nicht verwendbar.

In der AutomobilIndustrie besteht das am meisten vorherrschende Verfahren zur Reinigung der Auspuffgase in der Verwendung eines Oxidations-Katalysators in Kombination mit einer geeigneten Maßnahme zur Reduzierung des Ausstoßes von NOx, wie etwa einer Rückführung eines Teils der Auspuffgase zur Ansaugseite der Brennkraftmaschine. Die Verwendung eines Dreiwege-Katalysators ist nur in begrenztem Umfange möglich, da zur Herstellung eines derartigen Katalysators Rhodium erforderlich ist, das ein kostspieliges Material darstellt und voraussichtlich nicht in den Mengen zur Verfügung steht, die für einen weltweiten Bedarf bei einer sehr großen Anzahl von Kraftfahrzeugen notwendig wäre. Die Verwendung eines thermischen Reaktors ist weniger häufig, und zwar entweder wegen des Nachteils eines zunehmenden Brennstoffverbrauchs, da die Maschine mit einem fetten Gemisch arbeiten muß, oder wegen der Unerläßlichkeit der Verwendung kostspieliger hitze- und korrosionsbeständiger Legierungen als Material zur Herstellung des Reaktors.

Im Fall der Verwendung eines Oxidations-Katalysators ist es üblicherweise notwendig, ein nicht-stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Gemisch mit Einhaltung eines optimalen Mi-

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schungsverhältnisses zu verwenden, wenn der Katalysator seine maximale Wirksamkeit zeigen soll. Es ist daher wünschenswert, eine Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen, jedoch kann diese Zielsetzung kaum erreicht werden, weil kein praktisch verwendbarer Auspuffgassensor zur Verfügung steht, durch den Luft-Brennstoff-Verhältnisses außerhalb des stöchiometrischen Bereiches zuverlässig erfaßt werden können. Es ist daher ein erheblicher Aufwand zur Entwicklung möglichst wirksamer und haltbarer katalytischer Konverter mit einem Oxidations-Katalysator und BrennstoffZufuhreinrichtungen in Kombination mit einem derartigen katalytischen Konverter für jedes Modell der in letzter Zeit hergestellten Kraftfahrzeuge getrieben worden. Im übrigen erfolgt die Massenproduktion derartiger Einrichtungen und ihrer wesentlichen Teile unter außerordentlich genauen Qualitätskontrollen, damit in jedem Falle die bestmöglichen Eigenschaften sichergestellt sind und eine unterschiedliche Arbeitsweise ausgeschlossen wird. Im übrigen wird bei der Montage von Kraftfahrzeugen ein erheblicher Aufwand getrieben, damit eine möglichst günstige Koordinierung der Maschine und der Brennstoffzuführeinrichtung in jedem einzelnen Wagen erreicht werden kann, und zwar nicht nur im Hinblick auf die wirksame Reinigung der Auspuffgase, sonder auch hinsichtlich der mechanischen und thermischen

Leistungsfähigkeit der Maschine, die von einer derartigen Abstimmung in erheblichem Maße abhängen. Es liegt auf der Hand, daß damit unvermeidlich erhebliche Kosten verbunden s ind.
30

Es besteht daher eine dringende Nachfrage nach einem Verfahren zur Gasabtastung, das eine Ermittlung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses im gesamten in der Praxis auftretenden Mischungsbereich ermöglicht. 35

In diesem Zusammenhang schlägt die US-Patentanmeldung 28.747 vom 10. April 1979 vor, das Luft-Brennstoff-Ver-

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hältnis entweder eines mageren oder eines fetten Gemisches mit Hilfe einer auf Sauerstoff ansprechenden Einrichtung in der Form einer abgewandelten Konzentrationszelle zu erfassen, die die gewünschten Ausgangscharakteristika liefert, wenn sie sich in einem Auspuffgas befindet und mit einem konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke versorgt wird. Die Einzelheiten einer derartigen Vorrichtung sollen anschließend beschrieben werden.

Wenn eine Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines herkömmlichen Sauerstoffsensors gemäß Fig. 1 oder einer in der US-Patentanmeldung vorgeschlagenen Einrichtung durchgeführt wird, besteht ein nach wie vor offenes Problem darin, daß eine erhebliche Zeitverzögerung bei der Erzeugung eines Rückkopplungssignals gegenüber der Erzeugung des Steuersignals oder im Hinblick auf die Rückkehr eines unerwünschten Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu dem Zielwert der Steuerung nach Einleitung der Korrektur entsteht, da der geschlossene Regelkreis des Regelsystems eine beträchtliche Länge aufweist und eine Anzahl von Funktionselementen einschließt. Wegen dieser Zeitverzögerung kann das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht exakt auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden, so daß oszillierende Fluktuationen gemäß Fig. 3 eintreten. Numerisch handelt es sich um einen Bereich von etwa - 0,25 in bezug auf das gewünschte stöchiometrische Verhältnis von 14,7. Nähere Einzelheiten zu einer derartigen zeitlichen Verzögerung sollen anschließend im Zusammenhang mit einer Erläuterung des herkömmlichen Regelsystems der Fig. 4 dargestellt werden.

In Fig. 4 ist mit der Bezugsziffer 20 eine lediglich angedeutete Brennkraftmaschine mit einem Vergaser 18 bezeichnet. Eine Hauptbrennstoffdüse 28 befindet sich am Ende eines Hauptbrennstoffkanals 27 in dem Vergaser 18 und mündet in den Ansaugkanal 22 in einem Venturi-Abschnitt 26 stromaufwärts der Drosselklappe 24. In der üblichen Weise

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befindet sich eine Hauptluftdüse 30 in dem Ansaugkanal 27, Im übrigen ist eine Hilfsluftdüse 32 in dem Hauptbrennstoffkanal 27 vorgesehen, die mit Hilfe eines elektromagnetischen Ventils 34 zur Steuerung des Lufteintritts durch die Hilfsluftdüse entsprechend einem von einer Steuerschaltung 40 zugeführten Signal geöffnet und geschlossen werden kann. Ein Sauerstoffsensor 38, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, befindet sich in einem Auspuffkanal 36 und liefert ein Rückkopplungssignal an die Steuerschaltung 40.

Wenn das Rückkopplungssignal die Zufuhr eines fetten Gemisches zu der Brennkraftmaschine 20 anzeigt, bewirkt die Steuerschaltung 40, daß bei dem elektromagnetischen Ventil 34 das Verhältnis der Dauer der offenen Stellung zu derjenigen der geschlossenen Stellung vergrößert wird, so daß eine relativ große Luftmenge in den Hauptbrennstoffkanal 27 durch die Hilfsluftdüse 32 gelangt, bis das Rückkopplungssignal ein Ansteigen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf den beabsichtigten stöchiometrischen Wert wiedergibt. Während das Rückkopplungssignal die Zufuhr eines mageren Gemisches anzeigt, wird bei dem elektromagnetischen Ventil 34 die Zufuhr von Luft durch die Hilfsluftdüse 32 verringert.

Während der Korrektur einer Abweichung besteht bei diesem Rückkopplungs-Regelsystem eine zeitliche Verzögerung in dem Ansprechen oder der Funktion der einzelnen Elemente des Regelsystems. Die folgende Tabelle 1 enthält experimentell bestätigte Werte einer derartigen zeitlichen Verzögerung für eine Benzin-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzzeuge mit zwei Litern Hubraum und 6 Zylindern bei einer konstanten Drehzahl von 2.000 1/min. bei einer Last, die einem Ansaugunterdruck von -200 iranHg entspricht. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis wurde innerhalb des Bereiches von 12,7 bis 16,7 geändert.

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-11-TABELLE

	Verzögerungs zeit	Hoch-* Niedrig
Richtung der Änderung des	Niedrig—* Hoch	(Mager -» Fett)
Mischungsverhältnisses	(Fett-» Mager)	4 ms
Steuerschaltung - Elektro magnetisches Ventil	6 ms	3 ms
Elektromagnetisches Ventil - Hauptbrennstoffdüse	4 ms	1 5 ms
Hauptbrennstoffdüse - Einlaß ventil	1 5 ms	0-60 ms
Wartezeit für Öffnung des Einlaßventils	0-60 ms	32 ms
Brennkaimer	32 ms	6 ms
Auslaßventil - CL-Sensor	6 ms	1 5 ms
Ansprechzeit des CL-Sensors	20 ms	135 ms (max.)
Gesamte Ansprechverzögerung	143 ms (max.)	etwa 210 ms
Zeit zur Korrektur des ab weichenden Mischungsverhält nisses auf den stöchiometri- schen Wert	etwa 250 ms	etwa
Gesamte Steuerverzögerung	etwa	345 ms (max.)
	393 ms (max.)

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In Tabelle 1 bezieht sich die Gesamtverzogerungszeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Sauerstoffsensor 38 ein Signal abgibt, das die Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Wert wiedergibt, bis zum dem Zeitpunkt, an dem der Sauerstoffsensor 38 ein Signal abgibt, das einem Eintreffen von Auspuffgas aus einer Verbrennung des korrigierten Luft-Brennstoff-Gemisches entspricht. Dieser Zeitraum kann als Verzögerungszeit bezeichnet werden. Dies bedeutet jedoch nicht, daß das abweichende Mischungsverhältnis innerhalb des genannten Zeitraums auf das gewünschte stöchiometrische Verhältnis geändert wird. Die Steuerschaltung 40 ist so aufgebaut, daß sie beispielsweise einen Proportional-Integral-Steuerprozeß derart durchführt, daß das Mischungsverhältnis nach und nach in Richtung des stöchiometrischen Wertes angehoben oder abgesenkt wird. Obgleich das stöchiometrische Verhältnis in einer kurzen Zeit erreicht wird, beendet die Steuerschaltung 40 üblicherweise die Gemischregelung nicht sofort, sondern sie setzt den Vorgang fort, bis die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 38 unter der vorgegebenen Vergleichsspannung liegt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Steuerschaltung 40 mit der Abgabe eines invertierten Steuersignals zur Senkung des übermäßig angestiegenen Mischungsverhältnisses. Es vergehen daher etwa 250 ms (oder etwa 210 ms),bis das abgewichene Mischungsverhältnis auf den stöchiometrischen Wert zurückgekehrt ist, und zwar zusätzlich zu der'erwähnten Verzögerungszeit. Die Summe der Verzögerungszeit und der zusätzlich erforderlichen Zeit von 250 oder 210 ms kann als Rege!verzögerung bezeichnet werden.

In der Automobilindustrie ist es ein wesentlicher Gesichtspunkt, derartige Regelungsverzögerungen bei Rückkopplungsregelungen einzuschränken, so daß umfangreiche Versuche in dieser Richtung durchgeführt worden sind, um das Ansprechverhalten des Regelsystems zu verbessern und die Gesamtlänge des geschlossenen Regelkreises zu verkürzen.

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Die Erfindung ist darauf gerichtet, ein gattungsgemäßes Rückkopplungssystem zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses für Brennkraftmaschinen zu schaffen, das bei jedem in der Praxis für Benzin- und Dieselkraftmaschinen verwendbaren Mischungsverhältnis als Regelziel arbeitet und im übrigen eine größere Genauigkeit bei verkürzter Ansprech- und Steuerverzögerung bietet.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Steuerung des Mischungsverhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine. Die Regelvorrichtung umfaßt eine elektrisch steuerbare Brennstoffzuführeinrichtung zum Einleiten von Brennstoff in den Ansaugkanal, einen sauerstoffempfindlichen Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der in dem Ansaugkanal in einer Position stromabwärts der Brennstoffzuführeinrichtung angeordnet ist, eine Steuerschaltung zur Lieferung eines Steuersignals an die Brennstoffzuführeinrichtung auf der Grundlage eines Rückkopplungssignals des Sauerstoffsensors zur Korrektur einer Abweichung des Mischungsverhältnisses von einem vorgegebenen Wert entsprechend dem Rückkopplungssignal·.

Der Sauerstoffsensor umfaßt eine Schicht aus einem sauerstoff ionenieitenden Festelektrolyten, die auf einem Substrat ausgebildet ist, sowie zwei Elektrodenschichten auf der Festelektrolytschicht. Weiterhin umfaßt das Regelsystem eine Zündeinrichtung zur Verbrennung eines Anteils des in dem Ansaugkanal strömenden Luft-Brennstoff-Gemisches, dessen Verbrennungsgasen der Sauerstoffsensor ausgesetzt wird, und eine Stromquelle, die einen konstanten Gleichstrom vorgegebener Stärke durch den Festelektrolyten des Sensors zwischen den beiden Elektrodenschichten hindurch- leitet und dadurch selektiv die Möglichkeit bietet, dem Sensor eine der folgenden Charakteristika zu verleihen. Entweder kann das Ausgangssignal des Sensors eine EIN-AUS-

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Charakteristik aufweisen, d.h., die Größe des Ausgangssignals des Sensors kann einer scharfen Änderung zwischen einem maximal hohen Wert und einem minimal niedrigen Wert unterliegen, wenn sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis über den stöchiometrischen Wert hinweg ändert. Weiterhin kann das Ausgangssignal des Sensors eine erste geneigte Ausgangskennlinie aufweisen, d.h., das Ausgangssignal kann sich nach und nach ändern, wenn sich das Mischungsverhältnis ändert, jedoch oberhalb des stöchiometrischen Wertes verbleibt. Schließlich kann der Sensor eine zweite geneigte Kennlinie aufweisen, so daß sich das Ausgangssignal nach und nach ändert, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis geändert wird, jedoch unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses verbleibt.

Wenn der Sensor mit der ersten oder zweiten geneigten Ausgangskennlinie verwendet wird, ist vorzugsweise ein weiterer, zweiter, sauerstoffempfindlicher Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses vorgesehen, der die zunächst erwähnte EIN-AüS-Charakteristik aufweist, wenn er den Verbrennungsgasen im Ansaugkanal in einer Position in der Nähe des ersten Sensors ausgesetzt wird. Die Regelschaltung kann die zusätzliche Funktion aufweisen, daß unterschieden wird, ob das Ausgangssignal des ersten Sensors tatsächlich der geneigten Ausgangskennlxnie dieses Sensors entspricht, indem gleichzeitig ein Ausgangssignal des zweiten Sensors erzeugt wird. In diesem Falle ist es vorteilhaft, erste und zweite Sensoren gleichen Typs zu verwenden, die zu einer Einheit mit zwei Festelektrolytschichten auf einem zusammenhängenden Substrat hergestellt werden.

Da die Gesamtlänge der geschlossenen Regelschleife der Rückkopplungsregelung der Erfindung wesentlich geringer wird als bei einer herkömmlichen Regelung des Luft-KBrennstoff-Verhältnisses, arbeitet das erfindungsgemäße System mit einer verkürzten Steuerverzögerung und damit mit einer

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höheren Genauigkeit. Im übrigen ist das System unabhängig von dem als Zielsetzung gewählten Mischungsverhältnis anwendbar .

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch einen herkömmlichen Sauer

stoff sensor;

Fig. 2 zeigt die Ausgangskennlinie des Sensors der Fig. 1 bei Verwendung in den Auspuffgasen einer Brennkraftma

schine ;

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung

der Änderungen des Mischungsverhältnisses des Gemisches bei einer her

kömmlichen Rückkopplungsregelung;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Gemischregelung für 5 Brennkraftmaschinen;

Fig. 5 zeigt in einem schematischen Schnitt wesentliche Bestandteile einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 30

Fig. 6 zeigt die Ausgangskennlinie des Sauerstoff sensors gemäß Fig. 5 bei Verwendung in den Auspuffgasen;

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Gemisch-Abtasteinrichtung mit einem Sauerstoffsensor gemäß Fig. 5;

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Fig. 8 zeigt einen Schnitt eines Teiles

des Ansaugsystems einer Bezing-Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Gemisch-Regelsystem; 5

Fig. 9 zeigt schematisch im Schnitt wesentliche Teile einer Gemisch-Abtasteinrichtung für das Regelsystem der Fig. 8;
10

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung

einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelsystems;

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm mit einer Abwandlung gegenüber Fig. 10;

Fig. 12 zeigt in schematischem Schnitt einen kombinierten Sauerstoffsensor mit zwei unterschiedlichen Typen von

Ausgangscharakteristika zur Verwendung im Zusammenhang mit der Erfindung;

Fig. 13 ist ein schematischer Schnitt eines

Teilbereichs der Gemisch-Abtasteinrichtung mit dem Sauerstoffsensor der Fig. 12;

Fig. 14 und 15 sind Blockdiagramme zur Erläuterung

der Arbeitsweise von zwei Brennkraftmaschinen mit erfindungsgemäßem Gemischregelsystem.

Auf die Figuren 1 bis 4 wurde bereits bei Erläuterung des

Standes der Technik eingegangen. Anschließend soll zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 7 die Gemischabtasteinrich-

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tung der erwähnten US-Patentanmeldung 28..747, die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet wird, erläutert werden.

Fig. 5 zeigt einen Sauerstoffsensor 50 als wesentlichen Bestandteil der Gemisch-Abtasteinrichtung. Der Sauerstoffsensor 50 umfaßt ein keramisches Substrat 52, etwa aus Aluminiumoxid, und eine mikroskopisch poröse Schicht 54 aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie etwa ZrO₂, stabilisiert mit Yo°3 ^{auf einer} Seite des Substrats 52. Eine erste Elektrodenschicht 56 aus Platin befindet sich auf der äußeren Seite der Festelektrolytschicht 54. Diese Elektrodenschicht 56 weist eine gasdurchlässige, poröse Struktur auf, so daß das zu messende Gas nicht nur die äußere Oberfläche dieser Elektrodenschicht 56 berührt, sondern in die Festelektrolytschicht 54 diffundiert.

Eine zweite Elektrodenschicht 58 aus Platin befindet sich auf der anderen Seiten der Festelektrolytschicht 54 sandwichartig zwischen dieser und dem Substrat 52 und ist somit makroskopisch vollständig gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch das Substrat oder die Grundplatte 52 und die Festelektrolytschicht 54 abgeschirmt. Die drei Schichten 54,56 und 58 bilden eine Sauerstoff-Konzentrationszelle. Üblicherweise sind die drei Schichten 54,56 und 58 als dünne, filmartige Schicht ausgebildet. Ein elektrisches Heizelement 60 ist in die Grundplatte oder das Substrat 52 eingebettet, da die Konzentrationszelle nur bei einer ausreichend hohen Temperatur zufriedenstellend arbeitet. Mit 62 sind Leitungen zur Stromversorgung des Heizelements 60, und mit 64 und 66 Leitungen in Verbindung mit den ersten und zweiten Elektrodenschichten 56 und 58 bezeichnet.

Zur Abtastung des Mischungsverhältnisses eines Luft*-Brennstoff-Gemisches, das in einem Brennraum, wie etwa der Brennkammer einer Brennkraftmaschine verbrannt wird, wird der Sauerstoffsensor 50 vollständig innerhalb des durch die

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Verbrennung erzeugten Verbrennungsgases angeordnet, ohne daß eine Sauer stoff-Bezugsquelle, wie etwa Luft verwendet wird.. Eine Gleichstromquelle 70 wird mit den Leitungen 64 und 66 ' und damit mit den Elektrodenschichten 56 und 58 verbunden, wie Fig. 7 zeigt, und leitet einen konstanten Gleichstrom angemessener Stärke von beispielsweise 3 bis 10 μΑ durch die Festelektrolytschicht zwischen den Elektrodenschichten 56 und 58. In Fig. 7 ist mit 72 ein Stellwiderstand zur Regelung der Stromstärke bezeichnet. Der Zweck der Zufuhr eines elektrischen Stroms zu dem Sauerstoffsensor 50 besteht darin, daß ein Sauerstoff-Partialdruck als Bezugsdruck an der Zwischenfläche zwischen der zweiten Elektrodenschicht 58 und der Festelektrolytschicht 54 ausgebildet wird, wie später näher erläutert werden soll. Folglich kann die zweite Elektrodenschicht 58 als Bezugselektrode bezeichnet werden, während die erste Elektrodenschicht 56, die direkt den Verbrennungsgasen ausgesetzt wird, die Meßelektrode darstellen. Die Leitungen 64 und 66 sind ebenfalls mit Ausgangsklemmen 76 verbunden, an denen eine elektromotorische Kraft gemessen werden kann, die über die Festelektrolytschicht 54 zwischen den Elektroden 56 und 58 erzeugt wird.

Die Stärke der elektromotorischen Kraft hängt ab von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des verbrannten Gemisches, und die Abhängigkeit wird im einzelnen im wesentlichen bestimmt durch die Flußrichtung des Stromes an dem Sauerstoffsensor 50. In Fig. 7 ist ein zweipoliger Doppelschalter 74 gezeigt, der die Gleichstromquelle 70 mit dem Sauerstoffsensor 50 verbindet. Im dargestellten Falle sind die Meßelektrode 56 und die Bezugselektrode 58 verbunden mit der positiven und der negativen Klemme der Gleichstromquelle 70 unter Verwendung der Kontakte 74a und 74b des Doppelschalters 74, so daß der Strom durch die Festelektrolytschicht 54 von der Meßelektrode 56 in Richtung zu der Bezugselektro- de 58 fließt. In diesem Falle weist der Sauerstoffsensor 50 eine Ausgangskennlinie auf, die der Kurve A in Fig. 6 entspricht, wie anschließend erläutert werden soll.

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Bei Verbrennung eines brennstoffreichen oder fetten Gemisches enthalten die Verbrennungsgase beträchtliche Mengen an CO und HC. Da die Meßelektrode 56 aus Platin besteht, das als Katalysator wirkt, unterliegen CO und HC den Verbrennungsgasen einer Oxidations-Reaktion an der Oberfläche dieser Meßelektrode 56, so daß O^ aus den Verbrennungsgasen verbraucht wird. Daher entsteht ein sehr geringer Sauerstoff-Partialdruck auf der Seite der Meßelektrode der Festelektrolytschicht 54. Die Verbrennungsgase diffundieren durch die poröse Festelektrolytschicht 54 und erreichen die Bezugselektrode 58. Da die Bezugselektrode 58 mit der negativen Klemme der Gleichstromquelle 70 verbunden ist, besteht die Tendenz, daß Sauerstoff an dieser Elektrode 58 ionisiert wird und anschließend ionisierter Sauerstoff in Richtung der Meßelektrodenschicht 56 austritt. Dies ergibt eine weitere Absenkung des Sauerstoff-Partialdrucks an der Bezugselektrode 58, jedoch ist diese Erscheinung nahezu vernachlässigbar, da nur wenige Sauerstoffmoleküle in den Verbrennungsgasen enthalten sind, die in Richtung der Bezugselektrode 58 diffundiert sind, nachdem die Oxidationsreaktion an der Meßelektrode 56 stattgefunden hat. Daher unterscheidet sich der Sauerstoff-Partialdruck auf der Seite der Bezugselektrode der Festelektrolytschicht 54 nicht wesentlich von dem Sauerstoff-Partialdruck auf der Meßelektrodenseite, so daß die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 sehr niedrig ist und sich auch mit Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des fetten Gemisches nicht wesentlich ändert.

Wenn dagegen das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Gemisches oberhalb des stöchiometrischen Wertes von etwa 14,7 für ein Luft-Benzin-Gemisch liegt, d.h., bei einem mageren Gemisch, nimmt die Gesamtmenge von CO und HC in den Verbrennungsgasen sofort stark ab. Der Verbrauch von Sauerstoff durch die erwähnte Oxidations-Reaktion an der Oberfläche der Meßelektrode 56 wird vernachlässigbar, so daß der Sauerstoff-Partialdruck an der Zwischenfläche zwischen der Festelek-

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trolytschicht 54 und der Meßelektrode 56 im wesentlichen gleich dem Sauerstoffpartialdruck in den Verbrennungsgasen wird. An der Bezugselektrode 58 tritt eine Ionisation von

2— O„ ein, das in den Verbrennungsgasen enthalten ist, und 0 Ionen, die an dieser Elektrode 58 gebildet werden, wandern durch die Festelektrolytschicht 54 in Richtung der Meßelektrode 56. Folglich wird der Sauerstoff-Partialdruck auf der Seite der Bezugselektrode der Festelektrolytschicht 54 wesentlich geringer als der Sauerstoff-Partialdruck in den Verbrennungsgasen, solange das Luft-Brennstoff-Verhältnis über dem stöchiometrischen Wert liegt, jedoch nicht stark von diesem abweicht. In diesem Bereich ergibt sich daher eine maximal hohe Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50. Der Sauerstoff-Partialdruck an der Bezugselektrode 58 nimmt jedoch allmählich und und nähert sich dem Sauerstof fpartialdruck in den Verbrennungsgasen, wenn das Luft-Brennstoff -Verhältnis des Gemisches, das nunmehr als mageres Gemisch bezeichnet werden" kann, steigt, da die Diffusionsrate des O₂ durch die Festelektrolytschicht 54 in Richtung der Bezugselektrode 58 nach und nach zunimmt, wenn das Gemisch magerer wird, während die Ionisationsrate des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 58 durch die Intensität des Stromes bestimmt wird, der dem Sauerstoffsensor 50 zugeführt wird, und damit konstant bleibt. Folglich nimmt die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 nach und nach ab, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis steigt. Der Sauerstoffsensor 50 weist somit eine geneigte Ausgangskennlinie auf, wenn er sich in einem Verbrennungsgas eines mageren Gemisches befindet und mit einem konstanten Strom geeigneter Stärke versorgt wird, der zwischen der Meßelektrode 56 und der Bezugselektrode 58 fließt. Wenn dagegen die Stärke des konstanten Stromes über einem bestimmten kritischen Wert, beispielsweise 15μΑ liegt, bleibt die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 konstant auf dem Maximalwert, und zwar auch dann, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses geändert wird, da die Ionisationsrate des Sauerstoffs an

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der Bezugselektrodenschicht 58 so verstärkt wird, daß der Sauerstoffpartialdruck an dieser Elektrode 58 kaum durch Änderungen der Diffusionsrate des gasförmigen Sauerstoffs durch die Festelektrolytschicht 54 beeinflußt wird. In diesem Falle weist daher der Sauerstoffsensor 50 eine EIN-AUS-Charakteristik auf, die durch eine Kurve wiedergegeben wird, die im wesentlichen symmetrisch zu der Kennlinie der Fig. 2 ist und für einen herkömmlichen Sauerstoff sensor 10 gemäß Fig. 1 gilt. In diesem Falle ist der Sensor für die Abtastung des stöchiometrischen Luft-Brennstoff -Verhältnisses geeignet.

Wenn die Meßelektrode 56 und die Bezugselektrode 58 des Sauerstoffsensors 50 gemäß Fig. 7 mit der negativen bzw. positiven Klemme der Stromquelle 70 unter Verwendung der Kontakte 74c und 74d des Doppelschalters 74 verbunden werden und der konstante Strom somit durch die Festelektrolytschicht 54 von der Bezugselektrode 58 in Richtung der Meßelektrode 56 fließt, weist der Sauerstoffsensor 50 in einem Verbrennungsgas eine Ausgangskennlinie auf, die der Kurve B in Fig. 6 entspricht.

In diesem Falle erfolgt eine Ionisation des Sauerstoffs

2-an der Meßelektrode 56 und eine Wanderung von O -Ionen durch die Festelektrolytschicht 54 von der Meßelektrode 56 in Richtung der Bezugselektrode 58. Wenn ein mageres Gemisch verbrannt wird, ist die Differenz des Sauerstoff-Partialdrucks an der Seite der Meßelektrode und der Seite der Bezugselektrode der Festelektrolytschicht 54 sehr gering, da der Sauerstoff in den Verbrennungsgasen kaum durch die Oxidations-Reaktionen verbraucht wird und der Effekt des Eintritts von Sauerstoffionen in Richtung der Bezugselektrode 58 gering im Vergleich zu der Diffusion von relativ großen Mengen von gasförmigem Sauerstoff durch die Festelektrolytschicht 54 ist« Folglich ist die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 im wesentlichen konstant und sehr gering.

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Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt, wird der Verbrauch des Sauerstoffs durch Oxidations-Reaktionen von CO und HC an der Oberfläche der Meßelektrode 56 erheblich, so daß der Sauerstoff-Par— tialdruck an der Seite der Meßelektrode wesentlich geringer als der Sauerstoff-Partialdruck an der Seite der Bezugselektrode ist. Daher liegt die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 auf ihrem Maximalwert. Wenn das Luft-Brennstoff -Verhältnis weiter zunimmt, sinkt der Sauerstoff-Partialdruck an der Bezugselektrode 58 nach und nach, da die Ionisation des Sauerstoffs an der Meßelektrode 56 und der anschließende Eintritt der Sauerstoffionen in Richtung der Bezugselektrode 58 eine geringere Bedeutung im Vergleich zu der erheblich abnehmenden Diffusion von gasförmigem Sauerstoff durch die Festelektrolytschicht 54 in Richtung der Bezugselektrode 58 annimmt. Folglich sinkt die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 nach und nach mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis ab. Dies bedeutet, daß der Sauerstoffsensor 50 eine geneigte Kennlinie aufweist, wenn er sich in den Verbrennungsgasen eines fetten Gemisches befindet. Wenn dagegen die Stärke des konstanten Stromes oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt, bleibt die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors 50 konstant auf dem Maximalwert, und zwar unabhängig von Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unterhalb des stöchiometrischen Wertes, da der Eintritt von Sauerstoffionen in Richtung der Bezugselektrode 58 in erheblichem Maße zunimmt. Dies bedeutet, daß der Sauerstoffsensor 50 auf diese Weise eine EIN-AÜS-Charakteristik erlangen kann, die im wesentlichen übereinstimmt mit dem herkömmlichen Sauerstoffsensor 10 gemäß Fig. 1, dessen Kennlinie in Fig. 2 dargestellt ist.

Es ist daher möglich, zu bewirken, daß der Sauerstoffsensor 50 eine der drei Ausgangscharakteristika der Kurve A und B in Fig. 6 oder der Kurve in Fig. 2 aufweist.

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Erfindungsgemäß ist in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine ein Sensor gemäß Fig, 5 und 7 in Kombination mit einer Zündeinrichtung zur Verbrennung eines Teils des Luft-^ Brennstoff-Gemisches in dem Ansaugrohr vorgesehen, so daß der Sauerstoffsensor in dem entstehenden Verbrennungsgas arbeitet und das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors als Rückkopplungssignal verwendet werden kann, das das tatsächliche Mischungsverhältnis des Gemisches anzeigt. Daher liegt die erfindungsgemäße Rückkopplungsregelung außerhalb der Brennkammern oder des Auspuffsystems der Maschine.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Ein Vergaser ist mit 80 bezeichnet und an einer Ansaugleitung 82 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine angebracht. Stromabwärts einer Drosselklappe 84 ist die Ansaugleitung 82 mit einem Heizmantel 85 umgeben, durch den das Kühlwasser der Maschine in erwärmtem Zustand strömt, so daß die Vernebelung des Brennstoffs in einem Luft-Brennstoff-Gemisch beschleunigt wird, das in Richtung der Brennkammern strömt. Eine Hauptbrennstoffdüse 90 befindet sich am Ende eines Hauptbrennstoffkanals 92 in dem Vergaser 80 und mündet in die Ansaugleitung 82 in einem Venturi-Abschnitt 88 stromaufwärts der Drosselklappe 84. Eine Leerlaufbohrung oder -düse 98 befindet sich am Ende eines Leerlauf-Brennstoffkanals und mündet in die Ansaugleitung 82 in der Nähe der Drosselklappe 84. Der Hauptbrennstoffkanal 92 ist mit einer Hauptluftdüse 94 in der üblichen Weise versehen, und der Leerlauf-Brennstoffkanal 96 weist eine Hauptluftdüse 100 auf. Außerdem ist eine Hilfsluftdüse 102 in dem Hauptbrennstoff kanal 92 und eine ähnliche Hilfsluftdüse 104 in dem Leerlauf-Brennstoffkanal 96 vorgesehen. Ein elektromagnetisches Steuerventil 106 mit offener und geschlossener Stellung ist mit den beiden Hilfsluftdüsen 102 und 104 ver- bunden, so daß der Eintritt von Luft durch diese Hilfsluftdüsen 102'und 104 entsprechend einem Steuersignal einer Steuereinheit 108 eingestellt werden kann.

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In einem Abschnitt stromabwärts der Drosselklappe 84 befindet sich in der Ansaugleitung ein Sensor 110 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der einen Sauerstoffsensor gemäß Fig. 5 umfaßt. Prallplatten 86 liegen zwisehen der Drosselklappe 84 und dem Sensor 110 und dienen zur Homogenisierung des Luft-Brennstoff-Gemisches vor dem Eintreffen in der Position des Sensors 110. Die Steuereinheit 108 liefert einen konstanten Gleichstrom vorgegebener Stärke an den Sauerstoffsensor 50 des Sensors 110, so daß der Sauerstoffsensor 50 die gewünschte Ausgangscharakteristik aufweist. Die Steuereinheit 108 liefert im übrigen einen Heizstrom an den Sauerstoffsensor 50 und nimmt dessen Ausgangsspannung auf, aus der ein Steuersignal erzeugt wird, das zur Steuerung des Verhältnisses der Öffnungs- und Schließzeiten des elektromagnetischen Ventils 106 dient. Auf diese Weise kann ein vorgegebenes Luft-Brennstoff-Verhältnis eingestellt werden, für dessen Steuerung das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 50 als Rückkopplungssignal verwendet wird, das das tatsächliche Mischungsverhältnis wiedergibt.

Gemäß Fig. 9 befindet sich der Sauerstoffsensor 50 in einem kleinen Rohr 114 aus Metall, das durch eine rohrförmige, aus Metall bestehende Stütze 112 abgestützt wird und im Mittelbereich der Ansaugleitung 82 sowie in Strömungsrichtung des Gemisches liegt. Die Leitungen 62,64 und 66 des Sensors 110 erstrecken sich durch die Stütze 112, deren Inneres im übrigen mit einem Isoliermaterial 113 ausgefüllt ist. In dem Rohr 114 befindet sich ein Heizelement 116 stromaufwärts des Sauerstoffsensors 50. Eine Leitung 120 überträgt einen Heizstrom von der Steuereinheit 108 an das Heizelement 116 und erstreckt sich durch eine weitere rohrförmige Stütze 118 aus Metall, Diese Stütze 118 ist im übrigen ebenfalls mit einem Isoliermaterial 119 ausgefüllt. Das Rohr 1t4 weist offene Enden auf, so daß ein Teil des Luft-Brennstoff-Gemisches in dieses Rohr 114 eintreten kann und durch das Heizelement 116 gezündet

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wird. Folglich ist der Sauerstoffsensor 50 einem Verbrennungsgas ausgesetzt, das erzeugt wird aus dem Luft-Brennstoff-Gemisch, obgleich der Sensor in der Ansaugleitung 82 angeordnet ist. Wenn der Sauerstoffsensor 50, der als Konzentrationszelle ausgebildet ist, in einem unverbrannten Luft-Brennstoff-Gemisch angeordnet wird, kann das Luft-Brennstoff -Verhältnis nicht abgetastet werden, da der Sauer stoff -Partialdruck des Gemisches zu hoch ist. Der Sauerstoff sensor 50, der eine Sauerstoff-Konzentrationszelle darstellt, ist daher in dem angesaugten Gemisch nicht in der Lage, eine elektromotorische Kraft veränderlicher und ausreichender Stärke zu erzeugen. Die Einlaßöffnung des Rohres 114 ist mit einem Drahtnetz 117 zur Vermeidung von Zündrückschlägen abgedeckt.

Das Heizelement 116 besteht vorzugsweise aus Platin, das eine katalytische Wirkung im Hinblick auf die Oxidation 'von Kohlenwasserstoffen ausübt; Alternativ kann ein nichtkatalytisches Heizelement 116 in eine geringe Masse einer katalytischen Substanz eingebettet oder eingeschlossen sein.

Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 4 und Fig. 8 hervorgeht, ist der erfindungsgemäße geschlossene Regelkreis erheblich kürzer in seiner Gesamtlänge als der herkömmliehe Regelkreis gemäß Fig. 4. Die Ansprechverzögerung und die Steuerverzögerung des erfindungsgemäßen Regelsystems sind daher geringer als bei herkömmlichen Systemen. Die im Folgenden wiedergegebene Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung des Regelsystems der Fig. 8 in Anwendung auf dieselbe Maschine, die der Untersuchung gemäß Tabelle 1 zugrunde gelegen hat. Als Zielvorgabe wurde ein stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis gesetzt. In Tabelle 2 werden die Daten des herkömmlichen Systems aus Tabelle 1 übernommen.

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- 26 TABELLE 2

	Verzögerungszeit	Hoch-> Niedrig
Richtung der Änderung des	Niedrig-> Hoch	(Mager—*- Fett)
rlischungsverhältnisses	(Fett-» Mager)	6 ms
Steuerschaltung - Elektro magnetisches Ventil	6 ms	4 ms
Elektranagnetisches Ventil =- Hauptbrennstoff düse	4 ms	15 ms
Hauptbrennstoffdüse - Einlaßventil	15 ms	0-60 ms
Wartezeit für Öffnung des Einlaßventils	0-60 ms	0
Brennkammer	32 ms	0
Auslaßventil - CL-Sensor	6 ms	20 ms
Ansprechzeit des CL-Sensors	20 ms	105 ms (max.)
Gesamte Ansprechverzögerung	143 ms (max.)	etwa 185 ms
Zeit zur Korrektur des ab weichenden Mischungsver hältnisses auf den stöchio- metrischen ifert	etwa 250 ms	etwa
Gesamte Steuerverzögerung	etwa	290 ms (max.)
	393 ms (max.)

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Wie aus den Daten der Tabelle 2 zu entnehmen ist, ermöglicht die Erfindung eine Verkürzung der gesamten Steuerverzögerung von 20% gegenüber einer herkömmlichen oder Rückkopplungsregelung mit einem Sauerstoffsensor im Auspuffsystem. Im Falle der Anwendung der Erfindung auf eine Maschine mit einem Vergaser wird das Ansprechverhalten vergleichbar mit demjenigen Falle, in dem sich ein Einspritzventil in den einzelnen Einlassen befindet. Bei einer Rückkopplungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung werden oszillie- rende Veränderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, in Fig. 1 dargestellt sind, wesentlich geringer, und der Fluktuationsbereich des Gemisches liegt bei etwa - 0,2 oder unter diesem Wert, bezogen auf ein vorgegebenes Mischungsverhältnis.

Die dargestellte Ausführungsform bezieht sich auf ein Brennstoffsystem mit einem Vergaser, jedoch ist die Erfindung auch auf ein System mit Brennstoffeinspritzung anwendbar, bei dem sich eine weitere Verringerung der Steuerverzögerung ergibt.

Der Sensor gemäß Fig. 5 und 7 weist zweifellos Vorteile gegegenüber dem herkömmlichen Sensor gemäß Fig. 1 auf. Wenn jedoch dieser vorteilhafte Sensor eine geneigte Kennlinie gemäß Kurve A oder Kurve B in Fig. 6 aufweist, besteht der Nachteil, daß die Ausgangsspannung nicht nur einem bestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht. Im Falle der Kurve A entspricht beispielsweise die Ausgangsspannung V₀₁ nicht nur einem Gemischverhältnis von 16,5 (Punkt P der Kurve A), sondern auch einem Gemischverhältnis von 14,7 (stöchiometrisches Verhältnis, Punkt Q in der Kurve A), Wenn die Zielvorgabe des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei 16,5 liegt, besteht die Möglichkeit, daß irrtümlich angenommen wird, dieser Wert sei erreicht, obgleich das wahre Mischungsverhältnis bei 14,7 liegt. Im Falle der Kurve B ergibt sich beispielsweise die Ausgangsspannung V_Q2 bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 13,5 (Punkt R auf der

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Kurve B) oder 14,5 ( in der Nähe des stöchiometrischen Wertes, Punkt S). Es ist möglich, die Steuerschaltung so zu verbessern, daß sie eine Unterscheidung zwischen den Punkten P und Q gestattet, da der Punkt P in dem langsam abfallenden Bereich der Kurve A liegt, während sich der Punkt Q in dem steilen finderungsbereich um das stöchiometrische Verhältnis herum befindet. Die Erfindung schlägt jedoch vor, die Unterscheidung in einfacherer, praktikabler und zuverlässiger Weise wie folgt zu lösen.

Wenn die Zielsetzung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses erfindungsgemäß einem Mischungsverhältnis oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses entspricht, ist es vorzuziehen, das System mit zwei sauerstoffempfindlichen Sensoren zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Ansaugsystem zu versehen. Einer dieser Sensoren, der als erster Sensor bezeichnet wird, entspricht dem Sensor 110 gemäß Fig. 8 und dient zur Abgabe einer geneigten Ausgangskennlinie.

Der andere oder zweite Sensor ist ein Sensor in der Form einer Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einer EIN-AUS-Charakteristik des Ausgangssignals bei Einsatz in einem Verbrennungsgas, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Als

25' zweiter Sensor kann entweder ein weiterentwickelter Sensor gemäß Fig. 5 und 7 oder ein herkömmlicher Sensor 10 gemäß Fig. 1 verwendet werden. In jedem Falle muß der zweite Sensor dem Verbrennungsgas innerhalb der Ansaugleitung ausgesetzt und in der Nähe des ersten Sensors angeordnet sein. Beispielsweise kann sich der zweite Sensor in dem Rohr 114 gemäß Fig. 8 in Kombination mit dem ersten Sensor 50 befinden, oder er kann alternativ in einem getrennten Rohr angeordnet sein, das sich in der Nähe des ersten Rohres 114 befindet und eine Zündeinrichtung enthält, die dem Heizelement 116 des ersten Rohres 114 entspricht. Das Ausgangssignal des ersten Sensors und das Ausgangssignal· des zweiten Sensors werden gleichzeitig

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einer einzigen Steuereinheit zugeführt, die eine Unter scheidungs- oder Trennschaltung einschließt, wie später näher erläutert werden soll.

Fig. 10 veranschaulicht an einem Flußdiagramm die Verwendung von zwei sauerstoffempfindlichen Sensoren 110 und zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einer Rückkopplungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Regelung wird auf eine Brennkraftmaschine 130 angewendet, die mit einem fetten Gemisch betrieben wird, und es wird angestrebt, das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrisehen Wertes, beispielsweise bei 13,5 zu halten. Die beiden Sensoren 110 und 124 befinden sich in dem Ansaugkanal, wie es oben erläutert wurde. Eine Regelschaltung 134 liefert ein Steuersignal an eine Brennstoffzuführeinrichtung 132 zur Herstellung des Gemisches, die ein Betätigungsglied, wie ein elektromagnetisches Ventil zur Veränderung des Brennstoffdurchsatzes auf direktem Wege oder indirekt durch Einlassen von Hilfsluft in den Brennstoff umfaßt. Eine Stromquelle 136 liefert einen konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke an den ersten Sensor 110, der gemäß Fig. 5 ausgebildet ist, so daß dieser Sensor eine geneigte Ausgangskennlinie gemäß der Kurve B in Fig. 6 aufweist. Der zweite Sensor 124 weist eine EIN-AUS-Charakteristik gemäß Fig. 2 auf. Wenn der zweite Sensor 124 ebenfalls ein Sensor gemäß Fig. 5 ist, liefert die Stromquelle 136 einen konstanten Gleichstrom erheblich größerer Stärke an diesen Sensor 124, so daß auch dieser Sensor eine EIN-AUS-Charakteristik aufweist.

Als Teil der Regeleinheit 134 ist eine Unterscheidungsoder Trennschaltung vorgesehen, die einen Transistor 140 sowie Verstärker 138 und 142 umfaßt. Das Ausgangssignal des ersten Sensors 110 gelangt an den Kollektor des Transistors 140, während das Ausgangssignal des zweiten Sensors 124 an die Basis des Transistors 140 über den Verstärker 138 angelegt wird.

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Wenn beispielsweise ein in gewünschtem Maße fettes Gemisch durch den Ansaugkanal strömt, wird die Ausgangsspannung V„2 des ersten Sensors 110 entsprechend dem Punkt R der Kurve B erzeugt. In diesem Fall befindet sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 124 auf dem maximalen Höchstwert. Folglich ist das Basispotential des Transistors 140 hoch, so daß dieser leitend ist. Daher wird die Ausgangsspannung ν»- des ersten Sensors 110 an den Hauptbereich der Regeleinheit 134 übertragen, durch den ein geeignetes Steuersignal auf der Grundlage der Spannung V₀- erzeugt wird. Wenn ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft-Brennstoff -Gemisch durch den Ansaugkanal strömt, wird die Ausgangsspannung V„„ des ersten Sensors 110 entsprechend dem Punkt S in der Kurve B erzeugt, und die Ausgangsspannung des zweiten Sensors 124 liegt unterhalb des maximalen Höchstwertes, so daß der Transistor 140 nicht leitend ist. Folglich gelangt die Ausgangsspannung V_Q2 des ersten Sensors 110 nicht an den Hauptbereich der Regeleinheit 134. Die Regeleinheit 134 ermittelt somit, daß das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis oberhalb des Zielwertes liegt, und sie gibt fortlaufende Befehle an die Brennstoff zuführeinrichtung 132 zur Erhöhung der Brennstoffzufuhr, bis der Transistor 140 wiederum leitend wird und die Übertragung des Ausgangssignals des ersten Sensors 110 an die Steuereinheit 134 wieder aufnimmt.

Fig. 11 zeigt ein weiteres Flußdiagramm zur Erläuterung der Anwendung einer ähnlichen Rückkopplungsregelung auf eine Brennkraftmaschine 130A₇ die mit einem mageren Gemisch betrieben werden soll. In diesem System ist eine unterscheidungs- oder Trennschaltung vorgesehen, die einen zusätzli chen Transistor 144 im Vergleich zu Fig, 10 aufweist. Der Ausgang des zweiten Sensors 124 gelangt an die Basis dieses Transistors 144. Der Kollektor des Transistors 144 ist mit der Basis des Transistors 144 verbunden, so daß eine Source- Spannung an die Basis des Transistors 144 gelangt, wenn der Transistor 144 nicht leitend ist.

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Wenn beispielsweise in gewünschtem Maße ein mageres Gemisch durch den Ansaugkanal strömt, wird die Ausgangsspannung V_n1 des ersten Sensors 110 entsprechend dem Punkt P der Kurve A in Fig. 6 erzeugt. In diesem Falle befindet sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 124 auf seinem minimalen Tiefstwert, so daß der Transistor 144 nicht leitend ist. Folglich gelangt die Source-Spannung an die Basis des Transistors 144, so daß dieser leitend wird und die Ausgangsspannung V₀₁ des ersten Sensors 110 an den Hauptbereich der Regeleinheit 134 überträgt. Wenn im wesentlichen ein stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis im Ansaugkanal vorliegt, entspricht die Ausgangsspannung V_n1 des ersten Sensors 110 dem Punkt Q der Kurve A, so daß die Ausgangsspannung des zweiten Sensors 124 über dem minimalen Tiefstwert liegt und der Transistor 144 leitend wird. In diesem Falle wird der Transistor 144 nicht leitend, so daß er die Übertragung der Ausgangsspannung des ersten Sensors 110 an den Hauptbereich der Regeleinheit 134 unterbricht.

Die Stromquelle 136 und die Regeleinheit 134 in Fig. 10 und 11 sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Stromstärke, die an den ersten Sensor 110 gelangt, zeitweilig entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine geändert werden kann. Wenn beispielsweise die Maschine im Beschleunigungsbetrieb oder im vollständig gedrosselten Betrieb läuft und ein fettes Gemisch benötigt, beispielsweise ein Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von etwa 13,5, ist es zweckmäßig, die Stromstärke auf etwa 10μΑ zu erhöhen und damit das Ausgangssignal des ersten Sensors 110 zu verstärken. Wenn die Maschine ein weniger fettes Gemisch, beispielsweise mit einem Mischungsverhältnis von 14,5 benötigt, liegt eine geeignete Stromstärke bei etwa 5μΑ.

Im Falle der Verwendung von zwei sauerstoffempfindlichen Sensoren zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einem erfindungsgemäßen Steuersystem, bei dem ein Sensor eine geneigte Ausgangskennlinie und der andere Sensor

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eine EIN-AUS-Kennlinie aufweist, ist es zweckmäßig, beide Sensoren gemäß Fig. 5 auszubilden, und es ist weiterhin zweckmäßig, die Sensoren als zusammenhängende Vorrichtung herzustellen.
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Fig. 12 zeigt einen Doppelzellen-Sauerstoffsensor 150, der sich im wesentlichen ergeben hat durch Hinzufügung einer Sauerstoff-Konzentrationszelle zu dem Sauerstoffsensor gemäß Fig. 5. Auf der nicht abgedeckten Seite der Grundplatte oder des Substrats 52 befindet sich eine Bezugselektrode 158, eine mikroskopisch poröse Festelektrolytschicht 154 und eine poröse Meßelektrode 156 in einer übereinander liegenden Anordnung, die im wesentlichen den Schichten 58,54 und 56 auf der anderen Seite der Grundplatte 52 entspricht. Nach Anbringung geeigneter Leitungen für die Elektroden werden die äußeren Oberflächen der gesamten Konzentrationszelle mit einer porösen Schutzschicht 160 überzogen.

Fig. 13 zeigt einen Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines Doppelzellenelements 150 gemäß Fig. 12 als Sensor. Der Sauerstoffsensor 150 ist an einem Ende einer zylindrischen Stange 164 aus Mullit angebracht, die eng in einen Halter 166 aus nichtrostendem Stahl eingepaßt ist. Die Stange 164 weist Axialbohrungen auf, durch die sich Leitungen 159 zu dem Sauerstoffsensor 150 erstrecken. Ein rückwärtiger Abschnitt des Inneren des Halters 166 ist mit einem hitzebeständigen Isoliermaterial 174 gefüllt, wie etwa pulverförmigem Aluminiumoxid, das rückwärtige Ende des Halters 166 ist mit Hilfe eines Stopfen 176 aus synthetischem Harz verschlossen. Anstelle des metallischen Rohres 114 gemäß Fig. 9 ist eine zylindrische Kappe 170 aus nichtrostendem Stahl auf die Stange 164 aufgepaßt und mit dem Halter 166 unter Einfügung eines Ringes 168 verschweißt, so daß der Sauerstoffsensor 150 in einem Endbereich in diese Kappe 170 eingeschlossen ist. In diesem Endbereich weist die Kappe eine Anzahl von Bohrungen 171 auf, die als

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Gaseinlässe und Gasauslässe dienen. Im Inneren der Kappe 170 befindet sich ein Heizelement 172 aus Platin in der Nähe des Sauerstoffsensors 150. Leitungen 173 zur Versorgung des Heizelements 170 erstrecken sich durch die Axialbohrungen der Stange 164. Ein vorderer Endbereich des Sensors ist in die Ansaugleitung 82 durch eine Bohrung 181 hindurch eingefügt, die sich in der Wand 180 der Ansaugleitung befindet. Der Sensor ist an der Wand 180 mit Hilfe einer Mutter 182 befestigt.

Eine der beiden Konzentrationszellen des Sauerstoffsensors 150 weist eine geneigte Kennlinie auf und nimmt einen Gleichstrom geeigneter Stärke auf, während die andere Konzentrationszelle eine EIN-AUS-Charakteristik aufweist und mit einem Gleichstrom höherer Stärke versorgt wird.

Der Zielwert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird in erster Linie bestimmt anhand der Art der verwendeten Auspuffgas-Reinigungsanlage .

Fig. 14 zeigt eine Maschinenanlage mit einem katalytischen Konverter 194, der einen Oxidations-Katalysator enthält. Weiterhin ist eine Auspuffgas-Rückleitung 196 vorgesehen, mit der Auspuffleitung 192 ist eine Zufuhreinrichtung 198 für Sekundärluft verbunden. In diesem Falle ist es wünschenswert, die Rückkopplungsregelung derart auszuführen, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Vergaser 80 bei etwa 13,5 eingestellt wird, so daß den Brennkammern der Maschine 190 ein in erheblichem Maße fettes Gemisch zugeführt wird.

Da in beträchtlichem Umfange eine Auspuffgas-Rückleitung zur Ansaugseite bei einem derartigen Maschinensystem erforderlich ist, um die Bildung von NOx zu unterdrücken, ergibt sich bei einem niedrigeren Luft-Brennstoff-Verhältnis die Unmöglichkeit, einen stabilen Maschinenlauf aufrecht zu erhalten. Andererseits können CO und HC durch den Oxidations-Katalysator nicht wirksam ausgeschaltet werden, wenn ein fettes Gemisch zugeführt wird. Daher wird Sekundärluft ·

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in die Auspuffleitung 192 eingeleitet, so daß das verdünnte Auspuffgas, das in den katalytischen Konverter 194 eintritt, dem Auspuffgas entspricht, das bei einem mageren Gemisch entstehen würde. Der katalytische Konverter 194 kann durch einen thermischen Reaktor ersetzt werden. In diesem Falle ist es wünschenswert, das Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Vergaser 80 auf einen noch niedrigeren Wert von etwa 12,5 zu regeln. Die Sekundärluftzufuhr mit Hilfe der Zufuhreinrichtung 198 dient dazu, das Gewichtsverhältnis der Summe der Luft in dem fetten Gemisch und der Sekundärluft zu dem Gewicht des Brennstoffs in dem fetten Gemisch auf etwa 16,5 einzustellen. Der erste Sensor 110 der Maschine gemäß Fig. 14 weist eine geneigte Charakteristik gemäß der Kurve B in Fig. 6 auf.

Bei einem System gemäß Fig. 15 weist die Maschine 190A verbesserte Brennkammern auf, die eine verbesserte Verbrennungscharakteristik liefern, so daß ein stabiler und wirksamer Maschinenbetrieb auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn ein sehr mageres Gemisch vorliegt und eine größere Auspuffgasmenge gleichzeitig zurückgeführt wird. In diesem Falle erfolgt die erfindungsgemäße Rückkopplungsregelung derart, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Vergaser 80 auf etwa 16,5 eingestellt wird, und zwar gleichgültig, ob die Auspuffgas-Reinigungseinrichtung ein thermischer Reaktor oder ein ein katalytischer Konverter ist, der einen Oxidations-Katalysator enthält. Wegen der Verwendung eines derart mageren Gemisches ist bei dem System der Fig. 15 eine Sekundärluftzufuhr nicht erforderlieh. Der erste Sensor 110 gemäß Fig. 15 weist eine geneigte Ausgangskennlinie gemäß Kurve A in Fig. 6 auf.

Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, eine Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Gemisches sowohl bei einem fetten als auch bei einem mageren Gemisch durchzu führen, die erheblich von dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis abweichen. Selbst wenn eine andere Auspuffgas-

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Reinigungsanlage als ein Dreiwegekatalysator verwendet wird, besteht die Möglichkeit einer wirksamen Reinigung der Auspuffgase ohne Beeinträchtigung der Leistung oder der Wirtschaftlichkeit der Maschine.
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Die Erfindung ist anwendbar auf moderne Brennkraftmaschinen, etwa Maschinen, die in mageres Gemisch verbrennen und Vorkammern aufweisen, Maschinen mit zwei Zündkerzen in jeder Brennkammer und sehr starker Auspuffgasrückführung bei Verwendung eines leicht fetten Gemisches zur Aufrechterhaltung guter Laufeigenschaften, Maschinen mit einem katalytischen Konverter, der einen Dreiwege-Katalysator enthält, und Maschinen mit Höhenausgleichssystem. Ferner ist die Erfindung anwendbar auf elektronisch gesteuerte Maschinen mit Mikrocomputern, die eine sehr variable Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Maschine ermöglichen. In jedem Falle ergibt sich eine verbesserte und genauere Regelung und ein verbessertes Ansprechverhalten.

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Claims

TER MEER - MÜLLER - STEIN M EISTER

Beim Europäischen Palentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandataires agrees pres !Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister Dipl.-lng F. E. Müller siekerwall 7

Triftstrasse 4, Siekerwall 7,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

G061-80

st/ri 23. Juni 1980

NISSAN MOTOR CO., LTD.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama City, Japan

VORRICHTUNG ZUR RÜCKKOPPLUNGSREGELUNG DER GEMISCHZUFUHR EINER BRENNKRAFTMASCHINE

PRIORITÄT: 22. Juni 1979, Japan, No. 54-78698

PATENTANSPRÜCHE

/ 1J Vorrichtung zur Rückkopplungsregelung des Mischungsverhältnisses eines einer Brennkraftmaschine durch eine Ansaugleitung zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisches, mit einer elektrisch steuerbaren Brennstoffzuführeinrichtung zum Einleiten von Brennstoff in die Ansaugleitung, gekennzeichnet durch einen sauerstoffempfindlichen Sensor (110) zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht und zwei Elektrodenschichten (56,58) auf dieser aufweist und in der Ansaugleitung stromabwärts der

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Brennstoffzuführeinrichtung (80) angeordnet ist, eine Regel- oder Steuereinheit (108) zur Abgabe eines Steuersignals an die Brennstoffzuführeinrichtung auf der Grundlage eines Rückkopplungssignals des Sensors zur Korrektur einer Abweichung des durch das Rückkopplungssignal angezeigten Luft-Brennstoff-Verhältnisses von einem vorgegebenen Mischungsverhältnis, eine Zündeinrichtung (116) zur Verbrennung eines Teils des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Ansaugleitung, deren Verbrennungsgasen der Sensor ausgesetzt ist, und eine Stromquelle (108) in Verbindung mit dem Sensor, die einen konstanten Gleichstrom vorgegebener Stärke zwischen den Elektroden (56 und 58) durch die Pestelektrolytschicht (54) leitet, wobei der Sensor durch Änderung der Stromstärke bzw. Stromrichtung derart einstellbar ist, daß er entweder (a) eine EIN-AüS-Charakteristik mit scharfer Änderung des Ausgangssignals zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert im Bereich des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses oder (b) eine erste Art einer geneigten Ausgangskennlinie bei einem Mischungsverhältnis oberhalb des stöchiometrischen Wertes oder (c) eine zweite Art einer geneigten Ausgangskennlinie bei einem Mischungsverhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Festelektrolytschxcht (54) des Sensors (110) eine mikroskopisch poröse Schicht ist, die auf einer im wesentlichen flachen Grundplatte (52) angeordnet ist, daß eine erste Elektrode (56) als mikroskopisch poröse dünne Schicht auf der äußeren Seite der Festelektrolytschicht angebracht ist, daß eine zweite Elektrode (58) als dünne Schicht auf der inneren Seite der Festelektrolytschicht angebracht und makroskopisch vollständig gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch die Grundplatte und die Festelektrolytschicht abgeschirmt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (110) ein elektrisches

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Heizelement (60) auf v/eist _; das in die Grundplatte (52) eingebettet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (110) elektrisch mit der Stromquelle (108,70,136) derart verbunden ist, daß bei einem Mischungsverhältnis oberhalb des stöchiometrischen Wertes der Gleichstrom durch die Festelektrolytschicht (54) von der ersten Elektrode (56) zu der zweiten Elektrode (58) fließt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (110) mit der elektrischen Stromquelle (108,70,136) derart verbunden ist, daß bei einem vorgegebenen Mischungsverhältnis unter dem stöchiometrischen Wert der Gleichstrom durch die Festelektrolytschicht von der zweiten Elektrode (58) zu der ersten Elektrode (56) fließt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen weiteren sauerstoffempfindlichen Sensor (124) zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in der Nähe des ersten Sensors (110) in der Ansaugleitung, welcher zweite Sensor eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht und zwei Elektrodenschichten auf der Festelektrolytschicht aufweist und eine EIN-AUS-Kennlinie liefert, wobei die Zündeinrichtung (116,172) derart angeordnet ist, daß sich beide Sensoren (110,124) im Verbrennungsgas befinden, und wobei die Steuer- oder Regeleinheit eine Trennschaltung (140,144) einschließt, die die Auswertung des Rückkopplungssignals des ersten Sensors (110) mit Hilfe des Ausgangssignals des zweiten Sensors (124) beurteilt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (124) im wesentlichen ebenso aufgebaut ist wie der erste Sensor (110) und

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mit der Stromquelle (136) derart verbunden ist, daß ein Gleichstrom durch die Festelektrolytschicht zwischen den Elektroden fließt, dessen Stärke höher als diejenige des Gleichstroms in dem ersten Sensor (110) ist. 5
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Grundplatte (52) des ersten Sensors (110) zugleich die Grundplatte des zweiten Sensors (124) bildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschxcht (154) und die beiden Elektrodenschichten (156,158) des zweiten Sensors auf der Grundplatte (52) des ersten Sensors gegenüber der Festelektrolytschicht (54) und den beiden Elektroden (56,58) angeordnet sind.

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