DE3106211C2

DE3106211C2 - Regelungsvorrichtung mit Rückführung für das Kraftstoff/Luftverhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches

Info

Publication number: DE3106211C2
Application number: DE3106211A
Authority: DE
Inventors: Sone Tokio/Tokyo Kohiki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1981-02-19
Publication date: 1986-07-24
Also published as: FR2489887A1; GB2083629B; DE3106211A1; JPS5748649A; FR2489887B1; GB2083629A; US4365604A

Abstract

Vorrichtung zur Regelung mit Rückführung des Kraftstoff/Luftverhältnisses einer Brennkraftmaschine unter Verwendung einer sauerstoffempfindlichen Einrichtung (30), die mit einer Heizung versehen ist und im Abgas angeordnet ist, um ein Rückführungssignal zu liefern. Die sauerstoffempfindliche Einrichtung (30) weist eine poröse feste Elektrolytschicht mit einer auf der Außenseite befindlichen Meßelektrodenschicht und einer auf der Innenseite, die einem Substrat gegenüberliegt, vorgesehenen Vergleichselektrodenschicht auf. Die Regelungsvorrichtung ist mit einer Hilfseinrichtung (26) versehen, die eine Spannung an die Heizung legt und zwangsweise einen Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht fließen läßt, um eine Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht zu bewirken und dadurch einen Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Innenseite der festen Elektrolytschicht aufzubauen. Um größere Änderungen im Vergleichssauerstoffpartialdruck durch den Einfluß der Abgastemperatur zu vermeiden, umfaßt die Hilfseinrichtung Sensoren (24), die die Arbeitsverhältnisse der Maschine wahrnehmen, und eine Steuereinrichtung (86), die allmählich sowohl die Spannung als auch den Strom nach Maßgabe der wahrgenommenen Änderungen der Arbeitsverhältnisse der Maschine ändert. Beispielsweise können die Spannung und der Strom jeweils durch die Verwendung einer Kombination aus einem veränderlichen Widerstand und einem Schrittmotor (76, 82) oder einer Kombination fester Widerstände ..

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelungsvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einer solchen, mit der DE-OS 30 40 260 angegebenen Regelungsvorrichtung wird der durch die feste Elektrolytschicht des sauerstoffempfindlichen Elementes hindurchfließende Gleichstrom immer dann um einen bestimmten Betrag vermindert, wenn festgestellt wird, daß die Temperatur des sauerstoffempfindlichen Elementes und damit auch die Temperatur der Abgase unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, was wiederum ein Kriterium dafür ist, daß der Innenwiderstand des sauerstoffempfindlichen Elementes zu groß ist, um ein Tür die Rüokkopplungsregelung oder Regelung mit geschlossener Regelschleife brauchbares Ausgangssignal von dem sauerstoffempfindlichen Element zu erhalten. Durch die Herabsetzung des durch die Elektrolytschicht fließenden Gleichstroms auf einen entsprechend niedrigen Wert wird sichergestellt, daß trotz eines relatt'/ hohen innenwiderstanJes des sauerstoffempfindlichen Elementes seine Ausgangsspannung einen bestirnten Wert nicht überschreiten kann. Andererseits wird durch die Herabsetzung des Gleichstromes auch der Vergleichssaueraoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht nicht übermäßig stark erhöht, was zu einer fehlerhaften Arbeitsweise des sauerstoffempfindlichen Elementes auch dann noch führen würde, wenn die Temperatur des Abgases bzw. des sauerstoffempfindlichen Elementes ausgehend von einer zu niedrigen Temperatur die Arbeitstemperatur des sauerstoffempfindlichen Elementes erreichen würde. Bei der bekannten Regelvorrichtung findet daher eine Herabsetzung des durch die Elektrolytschicht fließenden Gleichstromes um einen bestimmten festen Wert statt, wenn die Temperatur des sauerstofTcmpfindüchen Elementes eine ganz bestimmte Temperatur unterschritten hat.

Mit der DE-OS 3028 274 wird eine Regelungsvorrichtung vergleichbarer Art beschrieben, die jedoch zwei sauerstoffempfindliche Elemente in zusammengebauter Form aufweist, wobei jedes dieser einzelnen sauerstoffempfindlichen Elemente einen im wesentlichen gleichen Aufbau zeigt, wie das bei der vorliegenden Regelungsvorrichtung benutzte Element. Die Ausgangsspannungen beider Elemente werden in bestimmter Weise zusammengefaßt, um sie mit einer festen Bezugsspannung zu vergleichen und das Ergebnis dieses Vergleiches das Regelsignal angibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelungsvorrichtung der im Obergriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß der Vergleichssauerstoffpartialdruck selbst dann auf einer bestimmten Höhe gehalten wird, wenn die Brennkraftmaschine unterschiedlichste Werte von verschiedenen Betriebsparametern hat, die wiederum stark unterschiedlichen Last- bzw. Arbeitsverhältnissen der Brennkraftmaschine zugeordnet sind.

Bei einer Regelungsvorrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus. daß neben eine;· Stromsteuerung des durch die Elektrolytschicht fließenden Gleichstroms auch noch eine Spannungssteuerung der Speisespannung der Heizung vorgenommen wird. Sowohl die Strom-als auch die Spannungssteuerung erfolgen dabei schrittweise oder kontinuierlich innerhalb eines bestimmten Bereiches, um die jeweilige Speisespannung für die Heizung und auch die jeweilige Stärke für den durch die Elektrolytschicht fließenden Gleichstrom optimal hinsichtlich ihrer Größe an die jeweils festgestellten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine anpassen zu können. Im Gegensatz zum früheren Vorschlag findet also nicht nur eine einmalige Herabsetzung des durch die Elektrolytschicht fließenden Gleichstromes um einen festen Wert statt, sondern dieser Gleichstrom wird vielmehr kontinuierlich oder schrittweise nach Maßgabe einer entsprechenden Änderung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geändert, um damit den Vergleichssauerstoffpartiaidruck optimal und feinfühlig an die jeweiligen Betriebsparamei°.r der Brennkraftmaschine anpassen zu können. Gleichzeitig mit einer solchen Änderung des Gleichstromes erfolgt auch eine geeignete Änderung der Speisespannung der Heizung, um die Temperatur des sauerstoffempfindlichen Elementes möglichst schnell auf eine optimale Arbeitstemperatur bringen und dann auf dieser halten zu können.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regel u ngs vorric ht u ng,

Fig. 2 schematisch einen Schnitt eines sauerstoffempfindlichen Elementes, das als Detektor für das Kraftstoff/Luftverhältnis bei dem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung benutzt wird,

Fig. 3 einen La'r2sschnitt eines Fühlers für das Kraftstoff/Luftverhältnis mit dem in Fig. 2 dargestellten säuefstoffempfindlichen Element,

Fig. 4 schematisch Strom- und Spamumgssteuereinrichtungen als Hilfseinrichtung bei der in Fig. 1 dargestellten Regelungsvorrichtung,

Fig. 5 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der in Fig. 4 dargestellten Hilfseinrichtung,

Fi g. 6 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel von Spannungs- und Stromsteuereinrichtungen als

Hilfseinrichtung bei der in Fig. 1 dargestellten Regelungsvorrichtung und

F i g. 7 ein Schaltbild des Aufbaues der in F i g. 6 dargestellten Hilfseinrichtung.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10für ein Kraftfahrzeug mit einem Ansaugkanal 12 und einem Abgaskanal 14 dargestellt. Eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffversorgungseinrichtung 16 wird beispielsweise von elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzventilen gebildet. Als wahlweise vorgesehenes Element nimmt ein katalytischer Wandler 18 einen Teil des Abgaskanales 14 ein, wobei der Wandler 18 beispielsweise einen herkömmlichen Dreiwegkatalysator enthält.

Zur Regelung mit Rückführung der Kraftstoffversorgungseinrichtung 16 mit dem Ziel der Zuführung eines optimalen Kraftstoff/Luftgemisches, in diesem Fall des stöchiometrischen Gemisches, zur Maschine 10 während des normalen Betriebs, damit der Katalysator im Wandler 18 seinen besten Urnwandlurigswirkiingsgrad hat, ist ein Fühler 20 für das Kraftstoff/Luftverhältnis, der im Prinzip ein Sauerstoffsensor ist, im Abgaskanal 14 an einem Teil stromaufwärts vom katalystischen Wandler 18 angeordnet. Eine elektronische Steuereinheit 22 empfängt das Ausgangssignal vom Fühler 20 für das Kraitstofi/Luftverhältnis und liefert ein Steuersignal der Kraftstoffversorgungseinrichtung 16 auf der Grundlage der Stärke der Abweichung des tatsächlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses, das vom Ausgangssignal der Sonde 20angegeben wird, von dem beabsichtigten Kraftstoff/Luftverhältnis. Wie es später im einzelnen dargestellt ist. umfaßt der Fühler 20 ein sauerstoffempfindliches Element von einem Typ, der eine Gleichstromversorgung zur Bildung eines Vergleichssauerstoffpartialdruckes und eine elektrische Heizung benötigt, die für diese Element vorgesehen ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemSßen Regelungsvorrichtung für das Kraftstoff/Luftverhältnis weist einen Satz von Sensoren 24 auf, die gewählte Parameter der Arbeitsverhältnisse der Maschine 10 im Hinblick auf eine Abschätzung der augenblicklichen Temperatur des Abgases an der Stelle des Fühlers 20 und möglicherweise der Höhe der Sauerstoffkonzentration im Abgas aufnehmen, sowie eine Steuerschaltung 26, an der die Signale für die Arbeitsverhältnisse von den Sensoren 24 liegen und die sowohl die Stärke des dem Hauptteil des sauerstoffempfindlichen Elementes im Fühler 20 zugeführten Gleichstromes als auch die Höhe der Spannung an der Heizung im Fühler 20 nach Maßgabe der Arbeitsverhältnisse der Maschine oder der Temperatur des Abgases regulieren, die durch die empfangenen Signale angegeben werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel des Aufbaues eines sauerstoffempfindlichen Elementes 30, das als Fühler 20 für das Kraftstoff/Luftverhältnis bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwandt wird. Dieses Element 30 ist von einem Typ, der in den US-PS 4207159 und 4224113 beschrieben wird.

Das Grundbauelement dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 30 ist ein Substrat 32 aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Tonerde. Ein Heizelement 34 ist in das Substrat 32 aus dem im vorhergehenden beschriebenen Grund eingebettet.

In der Praxis wird dieses Substrat 32 dadurch hergestellt, daß zwei Tonerdeplatten Seite an Seite miteinander verbunden werden, von denen eine vorher mit dem Heizelement 34 beispielsweise in Form eines Platindrahtes oder einer dünnen Platinschicht in einem geeigneten Muster versehen ist, das durch Drucken einer Platinpaste und durch Sintern des Platinpulvcrs in der Druckpaste gebildet wird. Die Heizung 34 ist so ausgelegt, daß sie das Element 30 dann, wenn es in einem Verbrennungsgas, beispielsweise im Abgas einer Maschine angeordnet ist, auf einer Temperatur von über etwa 600⁰C durch das Anliegen einer passenden Spannung an der Heizung 34 halten kann.

Eine Elektrodenschicht 36, die als Vergleichselektrodenschicht bezeichnet wird, ist auf einer Hauptaußenfläche des Substrates 32 ausgebildet und eine Schicht 38 aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten, beispielsweise aus mit Y2O1 stabilisiertem ZrO: ist auf derselben Seite des Substrates 32 so ausgebildet, daß sie im wesentlichen die gesamte Fläche der Vcrgleichselektrodenschicht 36 überdeckt. Eine weitere Elektrodenschicht 4Ci, die als Meßelektrodenschicht bezeichnet wird, liegt auf der Außenfläche der festen Elektrolytschich! M- Platin ist ein typisches Beispiel für geeignete Materialien der beiden Elektrodenschichten 36 und 40.

Jede dieser drei Schichten 36,38,40 ist in Form einer dünnen filmartigen Schicht ausgebildet, obwohl sie auf dem Gebiet der Elektronik als Dickschicht zu bezeichnen ist, so daß die Gesamtstärke dieser drei Schichten nur etwa 50 μΐη beispielsweise beträgt. Makroskopisch ist die Vergleichselektrodenschicht 36 vollständig gegenüber der Außenluft durch das Substrat 32 und die feste Elektrolytschicht 38 abgeschirmt. Sowohl die feste Elektrolytschicht 38 als auch die Meßelektrodenschicht 40 (auch die Vergleichselektrodenschicht 36) sind jedoch mikroskopisch porös und für Gasmoleküle durchlässig.

Wie es allgemein bekannt ist, bilden diese drei Schichten 36,38,40 eine Sauerstoffkonzentrationszelle, die eine elektromotorische Kraft erzeugt, wenn ein Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Vergleichselektrodenseite und der Meßelektrodenseite der festen Elektrolytschicht 38 auftritt. Das Element 30 ist so ausgebildet, dall es einen Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht 36 und der festen Elektroiytschicht 38 dadurch aufbaut, daß von außen ein Gleichstrom der Konzentrationszelle so zugeführt wird, daß der Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht 38 zwischen den beiden Elektrodenschichten 36 und 40 fließt, während die Meßelektrodenschicht 40 dem zu messenden Gas, beispielsweise dem Abgas ausgesetzt wird, das im Abgaskanal 14 in Fig. 1 strömt.

Am Substrat 32 sind drei elekrische Zuleitungen 44, 46 und 48 angebracht Die Vergleichselektrod«· ischicht 36 und die Meßelektrodenschicht 40 sind elektrisch mit der Leitung 44 und der Leitung 46 jeweils verbunden. Das Heizelement 34 ist mit den Leitungen 46 und 48 verbunden, so daß die Leitung 46 als Masseanschluß gemeinsam für die Heizung 34 und die Sauerstoffkonzentrationszelle im Element 30 dient. Der genannte Gleichstrom wird der Konzentrationszelle so zugeführt, daß er von der Leitung 44 zur Masseleitung 46 über die feste Elektrolytschicht 38 fließt, wobei die Ausgangsspannung des sauerstoffempfindlichen Elementes 30 zwischen diesen beiden Leitungen 44 und 46 gemessen wird. Die Ausgangsspannung dieses Elementes 30 stimmt nicht genau mit der elektromotorischen Kraft überein, die durch die Arbeit dieses Elementes 30 als Konzentrationszelie erzeugt wird, sondern wird gleich der Summe der elektromotorischen Kraft und einer Spannung, die über der festen Elektrolytschicht 38, die

einen beträchtlichen Widerstand hat, durch den hindurchgehenden Gleichstrom entwickelt wird.

In üblicher Weise sind die Außenflächen des Konzentrationszellenteiles oder alle Außenflächen des sauerstolTcmpfinulichen Elementes 30 mit einer gasdurchlässigen porösen Schutzschicht 42 aus einem keramischen Material, beispielsweise aus Tonerde oder CaI-ciumzirkonat überzogen.

Das /\rbeitsprinzip dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 30 wurde bereits beschrieben.

Der Fühler 20 Tür das Kraftstoff/Luftverhältnis, der in Fig. I dargestellt ist, kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Das sauerstoffempfindliche Element 30 von Fig. 2 ist fest an einer Stirnfläche eines Mullitstabes 52 angebracht, der drei axiale Bohrungen aufweist, durch die Leitungen 44,46,48 des Elementes 30 rühren. Der Mullitstab 52 ist dicht in einem rohrförmigen Halter 54 aus Edelstahl eingesetzt und eine Edelstahlkappe 56, die mit Öffnungen 57 versehen ist, ist am vorderen Ende des Halters 54 befestigt, so daß das sauerstoffempfindliche Element 30 darin eingeschlossen ist. Ein Hohlraum, der im hinteren Endabschnitt des Mullitstabes 52 ausgebildet ist, ist mit Tonerdepulver 58 und einem Dichtungsmateria! 59 gefüllt. Ein Kabel 62, das mit einem rohförmigen Drahtgeflecht ummantelt ist, verbindet die Leitungen 44, 46 und 48 mit einem elektrischen Verbindungselement 60. Dieses Kabel 62 ist fest am Halter 54 unter Verwendung einer Buchse 64, einem isolierenden Dichtungsmaterial 66 und einem Metallrohr 68 angebracht. Ein mit einem Gewinde und einem Flansch versehenes mutterartiges Befestigungselement 70 ist an der vorderen Seite des Halters 54 befestigt, um diesen Fühler an einem Ansatz anzubringen, der an einem Abgasrohr vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spannungs- und Stromsteuerschaltung 26 der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung. In dem Schaltbild von Fig. 4 istdieSauerstoffkonzcntrationszcüc im sauerstoffernpfiridüchen Element 30 mit 38, d. h. so wie die feste Elektrolytschicht in Fig. 2 bezeichnet.

Eine Gleichstromquelle 72, beispielsweise die Batterie in einem Kraftfahrzeug, deren Spannung mit V_B wiedergegeben ist, dient als Versorgung der Heizung 34 im sauerstofTempfindlichen Element 30 mit einer gesteuerten Spannung Vn und der Konzentrationszelle 38 des Elementes 30 mit einem gesteuerten Strom I_c.

Ein veränderlicher Widerstand 74 ist zwischen die Batterie 72 und die Leitung 48 für die Heizung 34 und in Reihe damit geschaltet. Der effektive Widerstandswert dieses Widerstandes 74 ist durch die Lage eines drehbaren Kontaktes 74abestimmt, der in Fig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden kann, um allmählich den effektiven Widerstand über einen Servomotor 76 zu erhöhen. Wenn der Kontakt 74a an eine Klemme 746 kommt, wird die Verbindung zwischen der Batterie 72 und der Heizung 34 unterbrochen. Der Servomotor 76 wird über ein Befehlssignal betrieben, das von einer Befehlsschaltung 86 kommt, wobei die Ausgangssignale der Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine an der Befehisschaltung 86 liegen.

In bekannter Weise dient ein Feldeffekttransistor 80 dazu, einen Grundpegel des Gleichstromes Ic zu bestimmen, der der Sauerstoffkonzentrationszelle 38 geliefert wird. Der Drain dieses Feldeffekttransistors 80 ist mit der positiven Klemme der Batterie 72 verbunden, während seine Source mit der Leitung 44 für die Konzentrationszelle 38 über einen veränderlichen Widerstand 82 verbunden ist. Der effektive Widerstandswert dieses Widerstandes 82 ist durch die Lage eines drehbaren Kontaktes 82a bestimmt, der in Fig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden kann, um allmählich den effektiven Widerstand über einen Servomotor 84 herabzusetzen. Auch dieser Servomotor 84 wird über ein Befehlssignal betrieben, das von der Befehlsschaltung 86 kommt.

Wie es eingangs bereits dargestellt wurde, arbeitet die Befehlsschaltung 86 so, daß sie den effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 74 klein macht, um dadurch die Heizspannung Vη zu erhöhen, und gleichzeitig den effektiven Widerstandswert des anderen veränderlichen Widerstandes 82 groß macht, um dadurch den Zellenbetriebsstrom k herabzusetzen, wenn die von den Sensoren 24 anliegenden Signale anzeigen, daß die Maschine 10 unter Arbeitsverhältnissen arbeitet, bei denen die Maschine ein Abgas mit niedriger Temperatur abgibt. Wenn die aus den Signalen von den Sensoren 24 geschätzte Temperatur des Abgases ansteigt, befiehlt die Schaltung 86 dem Servomotor 76, allmählich den effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 74 zu erhöhen, und dem anderen Servomotor 84, allmählich den effektiven Widerstandswert des anderen veränderlichen Widerstandes 82 herabzusetzen, so daß die Heizspannung V_n allmählich mit steigender Abgastemperatur abnimmt, während der Zellenbetriebsstrom Ic allmählich zunimmt.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel des Aufbaues der in Fig. 4 dargestellten Befehlsschaltung 86, wenn Schrittmotoren als Servomotoren 76 und 84 verwandt werden.

In dieser Schaltung 86 sind vier in Reihe geschaltete Widerstände 88Λ, 885, 88C und 90 vorgesehen, die einen Schaltkreis zwischen einer Energiequelle mit einer festen Spannung Vb, die die Batterie 72 in Fig. 4 sein kann, und Masse liefern. Um eine geteilte Spannung an die Schrittmotoren 76 und 84 zu legen, ist der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen RRC und 90 mit den Eingangsklemmen dieser Schrittmotoren 86 und 84 verbunden. Ein als Schließer ausgebildeter und elektrisch steuerbarer Schalter 92A, beispielsweise ein elektromagnetisches Relais oder ein Schalttranistor, ist parrallel zum Widerstand 88Λ geschaltet. Wenn dieser Schalter 92/1 geschlossen wird, wird der Widerstand 88Λ unwirksam. In ähnlicher Weise sind zwei als Schließer ausgebildete und elekrisch steuerbare Schalter 92Sund 92Cparallel zu den beiden Widerständen 885 und 88C jeweils geschaltet.

In diesem Fall umfassen die Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine einen Sensor, der ein Signal N erzeugt, das die Drehzahl der Maschine 10 wiedergibt, und einen weiteren Sensor, der ein Signal T erzeugt, das die Impulsdauer eines Impulssignales wiedergibt, das durch die Steuereinheit 22 in Fig. 1 erzeugt wird, um die Arbeit der Kraftstoffeinspritzventile 16 zu steuern. Die Befehlsschaltung 86 weist drei Komparatoren 94A> 94ß und 94Cauf, von denen jeder einen Vergleich zwischen dem Signal N für die Drehzahl der Maschine und einer vorbestimmten Drehzahl durchführt, die beim ersten Komparator 94A 1000 U/min, beim zweiten Komparator 94Z? 2400 U/min und beim dritten Komparator 94C 4000 U/min beträgt, wobei jeder Komparator ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann ausgibt, wenn die Drehzahl der Maschine, die durch das Signal N wiedergegeben wird, größer als die vorbestimmte Drehzahl ist. Es sind drei weitere Komparatoren 96A, 965 und 96C vorgesehen, von denen jeder einen Vergleich zwischen dem Signal T

für die Impulsdauer und einer vorbestimmten Dauer durchführt, die beim vierten Komparator 96/4 4 ms, beim fünften Komparator 965 6 ms und beim sechsten Komparator 96C 8 ms beträgt, wobei jeder Komparator ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann ausgibt, wenn die durch das Signal T wiedergegebene Dauer größer als die vorbestimmte Dauer ist.

Ein erstes UND-Glied 98/4 ist mit den Ausgangsklemmen des ersten und vierten Komparators 94A und 96/4 verbunden, um nur dann ein Signal auszugeben, das bewirkt, daß der erste Schalter 92/4 schließt, wenn diese beide Komparatoren 94,4 und 96/4 gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. Ein zweites UND-Glied 985 ist mit dem zweiten und fünften Komparator 94fiund 965 verbunden, um nur dann ein Signal auszugeben, das bewirkt, daß der zweite Schalter 925 schließt, wenn diese beiden Komparatoren 94ßund 965 gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. In ähnlicher weise bewirkt ein drittes UND-Glied 98C, daß der dritte Schalter 92Cschließt, wenn der dritte und sechste Komparator 94Cund 96C gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben.

Wenn das Signal JV eine Maschinendrehzahl anzeigt, die unter 1000 U/min liegt, bleiben alle drei Schalter 92/4 925, 92Cgeöffnet, so daß die Höhe der Spannung an den Schrittmotoren 76 und 84 ein Minimum hat. Der effektive Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 44 hat dementsprechend ein Minimum, so daß die Höhe der Heizspannung Vh ein Maximum hat, wohingegen der effektive Widerstand des anderen veränderlichen Widerstandes 82 ein Maximum hat, so daß die Stärke des Zellenbetriebsstromes Ic ein Minimum hat. Wenn beispielsweise das Signal eine Maschinendrehzahl von 1500 U/min und eine Impulsdauer von 5 ms angibt, wird der Widerstand 88/4 durch den geschlossenen ersten Schalter 92/4 kurzgeschlossen, während die Widerstände 885 und 88C wirksam bleiben. Dementsprechend führt jeder der beiden Schrittmotoren 76 und 84 eine bestimmte Winkelbewegung aus, die zu einer bestimmten Zunahme im effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 74 mit einer entsprechenden Abnahme der Heizspannung V_H\ina zu einer bestimmten Abnahme des effektiven Widerstandswertes des anderen veränderlichen Widerstandes 82 mit einer entsprechenden Zunahme des Zellenarbeitsstromes /_c führt. Wenn das Signal N eine Maschinendrehzahl von mehr als 4000 U/min anzeigt und das Signal Teine Impulsdauer von mehr als S ms angibt, werden alle drei Widerstände 88/4,885und 88C kurzgeschlossen, so daß die Heizspannung Vh ein Minimum hat, während der Zellenarbeitsstrom Ic ein Maximum hat. In dieser Weise werden somit sowohl die Heizspannung Vh als auch der Zellenarbeitsstrom Ic schrittweise in Abhängigkeit von den Werten der aufgenommenen Parameter der Maschinenarbeitsverhältnisse geändert, wobei diese Werte die Temperatur des Abgases und sogar die Sauerstoffkonzentration im Abgas angeben.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung 26.

Auch bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein Feldeffekttransistor 80 dazu, einen Grundpegel des Zellenarbeits- oder Steuerstromes Ic festzulegen, wobei jedoch die Source des Feldeffekttransistors 80 mit der Zelle 38 über vier in Reihe geschaltete Widerstände 100/4,1005, lOOCvnd lOOflverbunden ist und vier als Schließer ausgebildete und elektrisch steuerbare Schalter 102/t 1025. 102 C und 102Z) jeweils parallel zu den vier Widerständen 100/4, 1005, lOOC und lOOD geschaltet sind. Jeder dieser Schalter 102/4 bis 102Z) wird auf ein bestimmtes Signal von der Befehlsschaltung 86 ansprechend geschlossen, um den zugehörigen Widerstand der vier Widerstände 100/4 bis lOOZ)kurzzuschließen. Die Befehlsschaltung 86 arbeitet so, daß sie den Anteil der kurzgeschlossenen Widerstände unter den vier Widersländen 100/4 bis lOOZ) erhöht, wenn die von den Signalen, die von den Sensoren 24 kommen, angegebene Abgastemperatur höher wird, um dadurch den Zellenarbeitsstrom Ic schrittweise zu erhöhen.

Die Batterie 72 ist über drei Widerstände 104/1,1045, 104Cund einen als Öffner ausgebildeten und elektrisch steuerbaren Schalter 106, die alle in Reihe geschaltet sind, mit der Heizung 34 verbunden. Drei als Öffner ?*isgebildete und elektrisch steuerbare Schalter 108/4,1085, 108C sind jeweils parallel zu den drei Widerständen 104/4, 1045 und 104C geschaltet, so daü diese Widerstände 104/4,1045 und 104CaIIe kurzgeschlossen sind. Jeder dieser drei Schalter 108/1, 1085, 108C ölTnet jedoch auf ein bestimmtes Signal ansprechend, das von der Befehlsschaltung 86 kommt, um den kurzgeschlossenen Zustand des zugehörigen Widerstandes der drei Widerstände 104.4, 1045 und 104C aufzuheben. Die Befehlsschaltung 86 arbeitet so, daß sie die vier Schalter 106, 108/4, 1085 und 108C geschlossen hält, wenn die Abgastemperatur sehr niedrig ist, damit die Heizspannung V_n ein Maximum hat, und daß sie den Anteil der kurzgeschlossenen Widerstände unter den drei Widerständen 104/4,1045 und 104C herabsetzt, wenn die von den Signalen der Sensoren 24 angegebene Abgastemperatur höher wird, um dadurch die Heizspannung Vn schrittweise herabzusetzen. Wenn die Abgastemperatur extrem hoch wird, befiehlt die Befehlsschaltung 86 dem Schalter 106 zu öffnen, um dadurch das Anliegen der Heizspannung F#an der Heizung 34 zu unterbrechen.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel des Aufbaues der Befehlsschaltung 86 in der Spannungs- und Stromsteuerschaltung 26 in Fig. 6.

Auch bei diesem Ausführungsbeispie) umfassen die Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine einen Sensor, der das Signal N für die Drehzahl der Maschine erzeugt, und einen Sensor, der das Signal T für die Impulsdauer erzeugt.

In diesem Fall weist die Befehlsschaltung 86 Komparatoren 110/4,1105, HOCund HODauf. Der erste Komparator 110/4 führt einen Vergleich zwischen dem Signal N für die Drehzahl der Maschine und einer bestimmten Drehzahl durch, die bei diesem Ausführungsbeispiel 1000 U/min beträgt, wobei der erste Komparator 110/1 ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann ausgibt, wenn die durch das Signal angegebene Drehzahl unter 1000 U/min liegt. Der zweite, dritte und vierte Komparator 1105, HOC, HOZ) führen einen Vergleich zwischen dem Signal N und einer bestimmten Drehzahl durch, die beim zweiten Komparator 1105 1000 U/min, beim dritten Komparator 110C2400 U/min und beim vierten Komparator 110.D4000 U/min beträgt, wobei die Komparatoren 1105, HOC, llOflnur dann ein Signal mit dem logischen Wert 1 ausgeben, wenn die durch das Signal N angegebene Drehzahl über der vorbestimmten Drehzahl liegt. Es sind weitere vier Komparatoren 112/4, 1125,112Cund 112Dvorgesehen. Der fünfte Komparator 112/4 führt einen Vergleich zwischen dem Signal Tfür die Impulsdauer und einer vorbestimmten Impulsdauer durch, die bei diesem Beispiel 4 ms beträgt und gibt ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann aus, wenn die

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jurch das Signal 7angegebene Dauer kleiner als 4 ms st. Der sechste, der siebte und der achte Komparator 1125, WlC, UlD führen einen Vergleich zwischen dem Signal T und einer bestimmten Dauer durch, die beim sechsten Komparator 1125 4 ms, beim siebten Komparator 112C 6 ms und beim achten Komparator 112Z) 8 ms beträgt, wobei die Komparatoren 1125, 112C, 112/) ein Signal mit dem logischen Wert 1 ausgeben, wenn die durch das Signal Γ angegebene Impulsdauer größer als die vorbestimmte Dauer ist.

Ein ODER-Glied 114 ist mit den Ausgangsklemmen des ersten und fünften Komparators 110.4 und WlA verbunden, um ein Signal auszugeben, das dazu fuhrt, daß der erste als Schließer ausgebildete Schalter 102Λ schließt und gleichzeitig der erste, als Öffner ausgebildete Schalter 108/4 öffnet, wenn einer der beiden Komparatoren 110/4, WlA ein Signal mit dem logischen Wert 1 ausgibt. Dann wird der Widerstand 100/1, der den Ze!!cri2rbeit5slrcrn Ic ändert kurz°eschlossen und wird der Widerstand 104A wirksam, der die Heizspannung Vu ändert.

Ein erstes UND-Glied 116/4 ist mit den Ausgangsklemmen des zweiten und sechsten Komparators 1105 und WlB verbunden, um ein Signal auszugeben, das bewirkt, daß der zweite als Schließer ausgebildete Schalter 1025 schließt und gleichzeitig der zweite als Öffner ausgebildete Schalter 1085 öffnet, wenn diese beiden Komparatoren 110Ä und 1125 gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert! ausgeben. Ein zweites UND-Glied 1165 gibt ein Signal aus, das dazu führt, daß der dritte als Schließer ausgebildete Schalter 102C schließt und der dritte als Öffner ausgebildete Schalter 108C öffnet, wenn der dritte und der siebte Komparator HOC und 112C gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. In ähnlicher Weise bewirkt ein drittes UND-Glied 116C ein Schließen des vierten als Schließer ausgebildeten Schalters 102Z) und ein Öffnen des als Öffner ausgebildeten Schalters 106, wenn diese beiden Komparatoren llOZ) und WlD gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben.

Die Befehlsschaltung 86 in Fig. 7 arbeitet somit so, daß sie die Widerstände 100/1 bis WQD nacheinander mit steigender Abgastemperatur kurzschließt, um dadurch schrittweise den Strom Ic zu erhöhen, und gleichzeitig den kurzgeschlossenen Zustand der Widerstände 104/4, 1045, 104C nacheinander aufhebt, um dadurch die Heizspannung Vh schrittweise herabzusetzen.

Als elektrisch steuerbare Schalter in Fig. 6 und 7 können entweder elektromagnetische Relais oder Halbleiterschalter wie beispielsweise Schalttransistoren verwandt werden. Wenn Halbleiterschalter verwandt werden, hat die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Spannungs- und Strornsteuerschaltung ein schnelleres Ansprechvermögen und eine höhere Genauigkeit in der Steuerung der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltung mit Schrittmotoren.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen wurden die Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine so beschrieben, daß sie die Drehzahl der Maschine und die Impulsdauereines Kraftstoffeinspritzsteuersignales aufnehmen, die erfindungsgemäße Ausbildung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Es können auch andere Parameter als diese beiden Parameter, d. h. wenigstens einer der Parameter, Höhe des Ansaugunterdruckes, Öffnungsgrad des Hauptdrosselventiles und Durchsatz der in den Ansaugkanal eingesaugten Luft wahrgenommen und in der Befehlsschaltung 86 verwandt werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelungsvorrichtung mit Rückführung für das Kraftstoff/Luftverhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches mit einer elektrisch steuerbaren Kraftstoffversorgungseinrichtung (16), die im Ansaugsystem der Maschine vorgesehen ist, einem Fühler (20) für das Kraftstoff/Luftverhältnis, der in einen Abgaskanal der Maschine eingebaut ist und ein sauerstoffempfindliches Element (30) vom Typ einer Konzentrationszelle mit einem Substrat (32), einer Vergleichselektrodenschicht (36), die auf dem Substrat liegt, einer mikroskopisch porösen Schicht (38) aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten, die auf dem Substrat so ausgebildet ist, daß sie die Vergleichselektrodenschicht im wesentlichen vollständig überdeckt, einer mikroskopisch porösen Meßelektiodenschicht (40), die auf der festen Elektroiytschicht ausgebildet ist, und eine elektrische Heizung (34) aufweist, ferner mit einer Steuereinrichtung (22) für die Kraftstoffversorgung, die ein Steuersignal der Kraftstoffversorgungseinrichtung liefert, um die Größe der Kraftstoff-Versorgung so zu steuern, daß ein gewünschtes Kraftstoff/Luftverhältnis beibehalten wird, indem das Ausgangssignal des Fühlers für das Kraftstoff/ Luftverhältnis als Rückführungssignal verwandt wird, mit einer Energieversorgungseinrichtung, die die elekti.sche Heizung (34) mit Energie versorgt und zwangsweise einen Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht (38^ des sauerstoffempfindlichen Elementes fließen läßl, urn sine Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht von der Vergieichselekirodenschicht oder der McB-elektrodenschicht zu der jeweils anderen Schicht hervorzurufen, um dadurch einen Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht aufzubauen, weiterhin mit einer Sensoreinrichtung (24), die wenigstens ein elektrisches Informationssignal (N, T) erzeugt, von denen jedes augenblickliche Werte eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine wiedergibt, die mit der Temperatur des Abgases in Beziehung stehen, und mit einer Hilfseinrichtung, die den Vergleichssauerstoffpartialdruck auf einer bestimmten Höhe während der Arbeit der Regelungsvorrichtung mit Rückführung hält und die eine Stromsteuereinrichtung (26) aufweist, die die Stärke des Gleichstromes, der zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht fließt, nach Maßgabe der sich ändernden Betriebsparameter ändert, die durch das wenigstens eine Informationssignal wiedergegeben werden, um dadurch erhebliche Änderungen in der Höhe des Vergleichssauerstoffpartialdrucks aufgrund des Einflusses der Abgastemperatur zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Stromsteuereinrichtung (26) auch eine Spannungssteuereinrichtung (26) vorgesehen ist, mit der auch die Höhe der Spannung, die an der elektrischen Heizung (34) liegt, ebenso wie die Stärke des Stromes kontinuierlich oder schrittweise zwischen einer Vielzahl unterschiedlicher Werte innerhalb eines bestimmten Bereiches änderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gleichstrom zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht von der Vergleichselektrodenschicht (36) zur Meßelektrodenschicht (40) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) so arbeitet, daß sie nach Maßgabe der sich ändernden Betriebsparameter die Stärke des Gleichstromes allmählich erhöht und die Höhe der Spannung allmählich herabsetzt, wenn ein Anstieg der Abgastemperatur auftritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) einen ersten Widerstandsschaltkreis (82; 100/1 bis WOD), der zwischen einer Gleichstromquelle (72) und dem sauerstoffempfindlichen Element (30) liegt, um die Stärke des Gleichstroms zu bestimmen, eine Einrichtung, die allmählich den Gesamtwiderstandswert des ersten Widerstandsschaltkreises auf das wenigstens eine Informationssignal (N, T) ansprechend ändert, einen zweiten Widerstandsschaltkreis (74; 104Λ bis 104C), der zwischen der Gleichstromquelle (72) und der elektrischen Heizung (34) liegt, und eine Einrichtung umfaßt, die allmählich den Gesamtwiderstand des zweiten Widerstandsschaltkreises auf das wenigstens eine Informationssignal ansprechend ändert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Widerstandsschaltkreis jeweils einen veränderlichen Widerstand (82, 74) aufweisen und daß die erste und die zweite Widerstandsänderungseinrichtung jeweils einen Servomotor (84, 76) aufweist, der dem veränderlichen Widerstand zugeordnet ist, um den wirksamen Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes auf ein Steuersignal ansprechend zu ändern, das durch die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen Informationssignals erzeugt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Widerstandsschaltkreis jeweils eine Vielzahl fester Widerslände (100/4 bis 104Ö, 104/1 bis 104C) und eine Vielzahl elektrisch steuerbarer Schalter (100/1 bis 102A 108/1 bis 108C) aufweisen, die jeweils parallel zu den festen Widerständen geschaltet sind, und daß die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) so arbeitet, daß sie wahlweise die Schalter des ersten und zweiten Widerstandsschaltkreises auf das wenigstens eine Informationssignal ansprechend öffnet und schließt, um dadurch den Anteil des kurzgeschlossenen Teils der festen Widerstände des ersten und des zweiten Widerstandsschaltkreises zu ändern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befehlsschaltung (86) eine Spannungsteilerschaltung mit einer Vielzahl von Widerständen (88Λ bis 88C), die alle in Reihe geschaltet sind, eine Vielzahl elektrisch steuerbarer Schalter (92Λ bis 92C), die jeweils parallel zu den Widerständen geschalte' sind, und eine logische Schaltungseinrichtung (94, 96, 98) aufweist, um wahlweise eine gewählte Anzahl der Schalter aufgrund der Betriebsparameter zu schließen, die durch das wenigstens eine Informationssignal angegeben werden, und dadurch ein Befehlssignal als Änderung der Höhe und Speisespannung am ersten und zweiten Servomotor (84, 76) über die Spannungsteilerschaltung zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-1 zeichnet, daß das wenigstens eine Informationssignal

ein Signal (Λ0 fur die Drehzahl der Maschine und ein Signal (T) für die Größe der Kraftstoffversorgung umfaßt, daß die Befehlsschaltung (86) eine Vielzahl von ersten Komparatoren (94A bis 94C; IMM bis HOZ)), von denen jeder ein bestimmtes logisches Signal abgibt, wenn eine bestimmte Beziehung zwischen dem Signal für die Drehzahl der Maschine und einer Vergleichsdrehzahl erfüllt ist, die fürjeden ersten Komparator vorgeschrieben ist, eine Vielzahl zweiter Komparatoren (96A bis 96C; IUA bis 112/)), von denen jeder ein bestimmtes logisches Signal abgibt, wenn eine bestimmte Beziehung zwischen dem Signal für die Größe der Kraftstoffversorgung und einer Vergleichsgröße der Kraftstofrversorgung erfüllt ist, die für jeden zweiten Komparator vorbestimmt ist, und eine Vielzahl logischer Verknüpfungsglieder (98Λ bis 98C; 114,U6A bis 116C) aufweist, von denen jedes bewirkt, daß einer der Schalter (92A bis 92C; 102Λ bis 102Z), 108Λ bis 108Z)) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eines bestimmten Komparator« und eines bestimmten zweiten !Comparators öffnet oder schließ?