DE3302899C2

DE3302899C2 - System mit einem Sauerstoff-Fühler zur Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3302899C2
Application number: DE3302899A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Yokohama Kitahara; Kohki Tokyo Sone; Masaaki Yokosuka Uchida
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-01-29
Filing date: 1983-01-28
Publication date: 1985-07-25
Also published as: JPS58144649A; CA1185324A; GB2115158A; US4494374A; DE3302899A1; GB2115158B; GB8302571D0

Abstract

Ein Überwachungssystem für das Luft/Brennstoffverhältnis einer Brennkraftmaschine verwendet einen Sauerstoff-Fühler der Konzentrationselement-Bauart, der ein Laminat mit einer inneren Elektrodenschicht, mit einer mikroskopisch porösen Schicht eines für Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten und mit einer äußeren, dem Abgas auszusetzenden Elektrodenschicht aufweist, sowie in Abhängigkeit von einer Änderung im Luft/Brennstoffverhältnis des Motors über ein stöchiometrisches Verhältnis hinweg eine schroffe Veränderung in seinem Ausgangsspannungspegel zeigt. Um eine genaue Überwachung des Luft/Brennstoffverhältnisses auch dann sicherzustellen, wenn der Motor unter Bedingungen betrieben wird, die einen großen Anstieg oder Abfall in einem Durchschnittspegel des Ausgangs des Sauerstoff-Fühlers hervorrufen, ist das Überwachungssystem mit einer Einrichtung zur Signalverarbeitung versehen, um eine variable Bezugsspannung, mit der der Fühlerausgang verglichen wird, zu erzeugen, indem zuerst eine bestimmte Spannung zum Ausgang des Sauerstoff-Fühlers addiert oder von diesem Ausgang subtrahiert wird, was vom Ergebnis des Vergleichs des Fühlerausgangs mit der Bezugsspannung abhängt, und dann die aus der Addition oder Subtraktion der bestimmten Spannung resultierende Spannung geglättet wird.

Description

oder Gasmolekülen durch sie hindurch bietet Deshalb entsteht, wenn eine beträchtliche Änderung in der Sauerstoffkonzentration im Abgas durch eine Änderung im Luft/Brennstoff-Verhältnis im Motor über das stöchiometrische Verhältnis hinweg hervorgerufen wird, eine große Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck an der äußeren Elektrodenschicht des Sauerstoff-Fühlers und demjenigen an der inneren Elektrodenschicht, so daß die Ausg^iigsspannung des Fühlers eine schroffe Änderung von einem hohen zu einem niedrigen Pegel — oder umgekehrt — zeigt Eine solche Änderung kann ieicht durch ein ständiges Vergleichen der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers mit einer geeignet vorbestimmten Bezugsspannung festgestellt werden. Demzufolge ist ein Sauerstoff-Fühler dieser Art zum Einsatz in einem Rückkopplungssteuersystem, das auf ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis abzielt, geeignet.

Jedoch ist die Genauigkeit in der Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses bei der oben genannten Methode dann nicht garantiert, wenn der fviüior nicht in einem steten Zustand betrieben wird. Beisp.slsweise tritt während des Motorbetriebs unter Übergangsbedingungen, also während einer Beschleunigung mit zeitweise vermehrter Brennstoffzufuhr oder während einer zeitweisen Unterbrechung der Brennstoffzufuhr, ein beträchtlicher Anstieg oder Abfall in einem durchschnittlichen Pegel der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers auf, während dabei die vorher erwähnte Sezugsspannung keiner Änderung unterliegt. Hieraus entsteht die Möglichkeit, 4aß eine Änderung im tatsächlichen, gegenwärtigen LiJft/Brennstoff-Verhältnis hinweg nicht zu einem Kreuze¹¹ der Ausgangsspannung des Fühlers mit der Bezugssp^annung führt, so daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis iiihch beurteilt wird.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes System zur Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine als Basis der Rückkopplungsteuerung des Lu^ft/Brennstoff-Verhältnisses zu schaffen, wobei ein Sftiierstoff-Fühler der erläuterten Konzentrationselement-Bauart zum Einsatz kommt, der, wenn er im Abgasstrom des Motors angeordnet ist, auf eine Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses über das stöchiometrische Verhältnis hinweg anspricht, so daß das System eine fortwährende genaue Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses bieten kann, selbst wenn der Motor unter solchen Bedingungen betrieben wird, die einen beträchtlichen Anstieg oder Abfall in einem durchschnittlichen Pegel der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers hervorrufen.

Ein System zur Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhälinisses gemäß der Erfindung hat einen Sauerstoff-Fühler der Konzentrationselement-Bauart, der im Abgaskanal der Maschine angeordnet ist, ein Laminat aus einer inneren Elektrodenschicht, einer mikroskopisch porösen, für Sauerstoffionen leitfähigen Festelektrolytschicht und einer äußeren, den Abgasen ausgesetzten Elektroiytschicht aufweist und ei'i Ausgangssignal liefert, das ein Spannungssignal hohen Pegels ist, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis unter dem stöchiometrischen Verhältnis des der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemischs liegt, und ein Spannungssignal niedrigen Pegels ist, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis über diesem stöchiometrischen Verhältnis liegt, and es hat eine Beürtcilungseinrichtung, die durch einen Vergleich des Ausgangssignals des Sauerstoff-Fühlers mil einer Bczugsspannuny ein Luft/Brennstoff-Verhältnis erzeugt, das angibl. ob das Lufi/Brcnnstoff-Verhältnis über- oder unterstöchiometrisch ist. Die Erfindung ist bei diesem System gekennzeichnet durch eine Modulationseinrichtung, die durch Subtraktion einer ersten bestimmten Spannung vom Ausgangssignal des Sauerstoff-Fühlers, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Signal angibt, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis unterstöchiometrisch ist, jedoch durch Addition einer zweiten bestimmten Spannung zum Ausgangssignal des Sauerstoff-Fühlers, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Signal angibt, daß das Luft/Brennstoff-Verhäitnis überstöchiometrisch ist, ein moduliertes Spannungssignal erzeugt und durch eine das modulierte Signal glättende Einrichtung zur Erzeugung einer geglätteten Spannung und zur Zufuhr dieser geglätteten Spannung als die Bezugsspannung zur Beurteilungseinrichtung.

In dem erfindungsgemäßen System wird die Bezugsspannung automatisch so verändert, daß sie steigt und fällt, wie die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers steigt und fällt. Demzufolge kann ein Vergleich zwisehen der Fühler-Ausgangsspannunf ;nd der Bezugsspannung sicher erreicht werden, üntf damit kann eine genaue Beurteilung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses bewerkstelligt werden, selbst wenn ein Durchschnittspegel der Fühler-Ausgangsspannung einer beträchli-

chen Änderung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors unterliegt.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines bei dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem zur Anwendung kommenden Sauerstoff-Fühlers;

Fig.2 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschinenanlage mit einem System gemäß der Erfindung zur Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des in den Abgasen einer Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoff-Fühlers von F i g. 1,
F i g. 4 ein Diagramm, das die Art der Erzeugung eines Signals über das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem früher vorgeschlagenen System, bei dem der Sauerstoff-Fühler von F i g. 1 zur Anwendung kommt, wiedergibt;
Fig.5 einen Schaltplan eines gemäß der Erfindung

aufgebauten Systems zur Überwachung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses;

Fig.6 bis 8 Diagramme zur Funktionsweise des Überwachungssystems von F i g. 5;
Fig.9 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschinenanlage mit einem System digitaler Art gemäß der Erfindung zur Überwachung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses;

^pig 10 einen Ablaufplan für das Überwachungssystem von F i g. 9.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines bei dem Erfindungsgegenstand zur Anwendung kommenden Sauerstoff-Fühlers 10, der ein als plattenförmiges Substrat 12 ausgebildetes Basisbauteil aus keramischem Material, z. B. Aluminiumoxid, besitzt.

Der empfindliche Teil des Fühlers 10 ist als Laminat von dünnen Schichten gestaltet, die mit Hilfe einer üblichen Dickschichttechnik gefertigt werden können und von dem keramischen Substrat 12 getragen werden. Das Laminat besteht aus einer inneren, auf die obere Fläche des Substrats 12 aufgtlegten Elektrodenschicht 14. die häufig als Bezugselektrodenschicht bezeichnet wird, aus einer für Sauerstoffionen leitfähigen Festelektrolytschicht 16, die beispielsweise aus Zirkonerde mit einem

geringen Anteil an stabilisierendem Oxid. z. B. Yttriumoxid oder Kalziumoxid, besteht und auf der inneren Elektrodenschicht 14 so ausgebildet ist. daß sie diese im wesentlichen gänzlich abdeckt, und aus einer äußeren Elektrodenschicht 18, die häufig als Meßelektrodenschicht bezeichnet wird und auf der oberen Fläche der Festelektrolytschicht 16 liegt. Die äußere Elektrodenschicht 18 und die Festelektrolytschicht 16 sind mikroskopisch porös und für Gasmoleküle durchlässig. Platin ist ein typisches Material für die äußere und innere Elektrodenschicht 18 bzw. 14. Das derart aufgebaute Laminat hat eine Gesamtdicke von beispielsweise etwa 70μηι. In das keramische Substrst 12 ist ein Heizelement 20 eingebettet, das entweder als eine dünne Schicht oder als dünner Draht an« geeignetem Material, z. B. Platin, ausgebildet ist, weil der Festelektrolyt 16 fast keine Aktivität bei relativ niedrigen Temperaturen, z. B. unter etwa 400"C zeigt. Die Außenflächen des Sauerstoff-Fühlers 10 sind mit einer aus keramischem Material gefertigen porösen Schutzschicht 22 bedeckt.

Die Fig. 2 zeigt eine Kiraftfahrzeug-Brennkraftmaschine 30 mit einem Ansaugkanal 32 und einem Abgaskanal 34. Dem Ansaugkanal 32 ist eine elektrisch gesteuerte Brennstoffzufuhrvorrichtung, z. B. elektronisch gesteuerte Einspritzventile, zugeordnet. Ein einen Teil des Abgaskanals 34 bildender katalytischer Konverter 38 enthält beispielsweise einen üblichen Dreiwegkatalysator.

Um eine Rück- opplungssteuerung der Brennstoffzufuhrvorrichtung 36 mit dem Ziel der Zufuhr eines opti- jo malen Luft/Brennstoff-Gemischs — in diesem Fall eines stöchiometrischen Gemisch;; — zur Maschine während deren Normalbetrieb zu erreichen und damit dem Katalysator im Konverter 38 die Möglichkeit für beste Umwandlungsleistungen zu bieten, ist der Sauerstoff-Füh- !er 10 im Abgaskanal 34 an einer stromauf vom kataiytischen Wandler 38 gelegenen Stelle angeordnet. Der Fühler 10 dient als eine Sonde, um Abweichungen des tatsächlichen Luft/Brennstoif-Verhältnisses (im folgenden der Kürze halber L/B-Verhältnis genannt) im Motor 30 vom vorgesehenen stöchiometrischen L/B-Verhältnis durch Erfassen von Änderungen in der Sauerstoff-Konzentration im Abgas festzustellen. Ein elektronisches Steuergerät 40 empfängt den Ausgang des Fühlers 10 und gibt ein Steuersignal an ein Steuer- oder Treiberorgan 42 der Brennstoffzufuhrvorrichtung 36 ab, das auf den Abweichungen des vom Ausgang des Fühlers 10 angegebenen tatsächlichen L/B-Verhältnisses gegenüber dem gewünschten L/B-Verhältnis, das durch ein Bezugssignai dargestellt wird, beruht. Die Erfindung befaßt sich in der Hauptsache mit diesem Steuergerät 40.

Der Sauerstoff-Fühler 10 von F i g. i arbeitet nach dem Prinzip eines Sauerstoff-Konzentrationselements. Im Abgaskana! 34 der Anlage von F i g. 2 tritt das Gas leicht durch die poröse Schutzschicht 22 des Fühlers 10 und gelangt zu dessen äußerer Elektrodenschicht 18. Dann diffundiert ein Teil des Abgases weiter durch die Mikroporen in der Festelektrolytschicht 16 einwärts, jedoch benötigt das Abgas gewisse Zeit, um quer durch die Festeiektrolytschicht 16 zu inneren Elektrodenschicht 14 zu gelangen, was auf der im Vergleich zur Schutzschicht 22 relativ niedrigen Porosität der Festelektrolytschicht 16 beruht.

Wie der F i g. 3 zu entnehmen ist, wird sich das tatsächliche L/B-Verhältnis oder der Gehalt an Brennstoff im Luft/Brennstoff-Gemisch, das dem Motor 30 zugeführt wird, periodisch in der Kurve L/B dargestellten Weise ändern, da das L/B-Verhältnis der Rückkopplungssteuerung mit dem Ziel eines stöchiometrischen L/B-Verhältnisses unterliegt. Wenn sich das L/B-Verhältnis im Motor 30 von der mageren zur fetten Seite über das stöchiometrische Verhältnis hinweg verschiebt, so tritt eine schroffe Abnahme im Sauersioffpartialdruck im Abgas auf. Da die Schutzschicht 22 des Fühlers 10 eine hohe Porosität hat, unterliegt ein Sauerstoffpartialdruck Po an der äußeren Elektrodenschicht 18 des Fühlers 10 einem schroffen Absinken, das dem Sauerstoffpartialdruck im den Fühler 10 umströmenden Abgas nahezu gleichartig ist. Jedoch unterliegt ein .Sauerstoffpartialdruck P; an der inneren Elektrodenschicht 114 einer beträchtlich langsameren Abnahme, was auf der relativ niedrigen Diffusionsrate von Abgas oder Sauerstoffmolekülen durch die Festeiektrolytschicht 16 beruht, die weniger porös ist als die äußere Schutz schicht 22. Demzufolge tritt eine Differenz in den Saucrstoffpartialdrücken Po an der äußeren Elekirodenschicht 18 und P/ an der inneren Elektrodenschicht 14 auf, so daß also de" Sauerstoff-Fühler 10 eine elektromotorische Kraft Ks parallel zu seiner Festeiektrolytschicht 16 erzeugt. Die Größe dieser EMK V'_s ist durch die Nernstsche Gleichung gegeben:

V~=(R 774 F) In (P₀/ Pi)
worin ist:

R — Gaskonstante,

F = Faradaysche Konstante.

T = absolute Temperatur.

Eine zwischen der inneren und äußeren Elektrode 14 und 18 gemessene Ausgangsspannung des Fühlers 10 kann als der EMK. Vj annähernd gleich angenommen werden. Wie F i g. 3 erkennen läßt, zeigt die Ausgangsspannung Vs des Fühlers 10 einen steilen Anstieg zur positiven Seite in Abhängigkeit von einer Änderung im L/B-Verhältnis des Motors über das stöchiometrische Verhältnis von der mageren zur fetten Seite hinweg und einen schroffen Abfall zur negativen Seite im Ansprechen auf eine umgekehrte Änderung im L/B-Verhältnis.

Bei dem Sauerstoff-Fühler 10 ist der auf die äußere Elektrodenschicht 18 wirkende Sauerstoffpartialdruck Po immer einem variablen Sauerstoffpartialdruck im Abgas nahezu gleich, während der auf die inneren Elektrodenschicht 14 wirkende Sauerstoffpartialdruck Pi als mittlerer Partialdruck des Sauerstoffs im Abgas . it Bezug zur Zeit anzusehen ist. Die Ausgangsspannung Kv des Fühlers 10 stellt eine Differenz zwischen den beiden Partialdrücken Pound Pimit der obigen Deutung dar.

Die Fig.4 zeigt die Art der Erzeugung eines L/B-Verhältnissignals Saunter Verwendung des Ausgangssignals Ks des Fühlers 10 bei einem bisherigen Steuergerät. Die Kurve L/B stellt den Gehalt an Brennstoff in einem tatsächlich dem Motor 30 zugeführten L/B-Gemisch dar. Die Ausgangsspannung Vs des Fühlers 10 wird nach Verstärkung in einem Verstärker (Verstärkungsfaktor 1:1) einem Vergleicher zum Vergleich mit einer Bezugsspannung eingegeben, die entweder ein Konstantspannungssignal V₁- oder ein Zweipegelspannungssignal ist, das einen hohen Pegel K_n hat, wenn dem Motor ein mageres Gemisch zugeführt wird, und einen relativ niedrigen Pegel Va hat, wenn dem Motor ein fettes Gemisch zugeführt wird. Der Vergleicher gibt ein Spannungssignal Sf ab. das einen hohen Pegel (z. B. + 5 V) hat, wenn das L/B-Verhältnis unter stöchiome-

trisch, d. h. das Gemisch fett ist, weil dann die Ausgangsspannung Vs des Sauerstoff-Fühlers über der Bezugsspannung Vcoder Vci liegt, und das einen niedrigen Pegel (z. B. -5 V) hat, wenn das L/B-Verhältnis überstöchiometrisch, d. h. das Gemisch mager ist. weil dann Vsunter V₁ oder Vn liegt.

Das ,/ )f diese Weise erzeugte L/F5-Verhältnissignal wird dazii verwendet, die Zufuhrmenge an Brennstoff zum Motor so einzustellen, daß der Brennstoff vermindert wird, wenn das Signal S/ ein fettes Gemij-.'h anzeigt, jedoch vermehrt wird, wenn das Signal Si ein mageres Gemisch angibt, um damit Abweichungen des tatsächlichen L/B-Verhältnisses im Motor von dem vorgesehenen siöchiometrischen Verhältnis auf einen Minimalwert bringen.

Das Erfassen des L/B-Verhäitnisses mit diesem Verfahren kann jedoch möglicherweise während betriebli-

während einer Beschleunigung mit zeitweise erhöhter Brennstoffzufuhr oder während zeitweise abgestellter Brennstoffzufuhr, ungenau werden. Unter solchen Betriebsbedingungen tritt ein erheblicher Anstieg oder Abfall im Durchschnittpegel der Ausgangsspannung V₅ des ! iihlers 10 auf. wobei aber die Bezugsspannung V_c oder Vn und Vf₇ auf einem festen Pegel bleiben. Dann tritt die Möglichkeit ein, daß eine Änderung im tatsächlichen L/B-Verhältnis über das stöchiometrische Verhältnis hinweg während des Betriebs des Motors unter diesen Bedingungen oder unmittelbar danach nicht dazu führt, ^aß die Ausgangsspannung Vv des Fühlers die Bezugsspannung Vc, Vn oder Vd kreuzt, was zu einer Fehlbeurteilung des L/B-Verhältnisses führt. Die Erfindung hat zum Ziel, dieses Problem bei dem in Fig.4 dargestellten Erfassungsverfahren für das L/B-Verhältnis zu lösen.

Eine die Erfindung verkörpernde Überwachungsschaltung für das L/B-Verhältnis, die ein primäres Teil des Steuergeräts 40 von F i g. 2 ist, ist in F i g. 5 gezeigt. In dieser Schaltung wird die Ausgangsspannung V₅ des Sauerstoff-Fühlers 10 (F i g. 2) über einen Verstärker 50 mit dem Verstärkungsfaktor 1 :1 in einen Vergleicher 52 eingegeben, der ein Bezugsspannungssignal V_a empfängt, das in dieser Schaltung in noch zu erläuternder Weise erzeugt wird. Der Vergleicher 52 gibt ein L/B-Verhältnis S; auf der Grundlage eines Vergleichs der Fühlcr-Ausgangsspannung Vv mit der Bezugsspannung V₄ ab. Das L/B-Verhältnissignal Sf ist ein Zweipegelspannungssignal, das auf einen hohen Pegel (z. B. +5 V) geht, der für die Zufuhr eines an Brennstoff reichen Gemischs zum Motor 30 kennzeichnend ist, wenn Vv> Va ist, das aber auf einen niedrigen Pegel (z. B. — 5 V) geht, der für die Zufuhr eines mageren Gemischs zum Motor kennzeichnend ist, wenn Vs< Va ist. Über eine Ausgangsklemme 53 wird das L/B-Verhältnissignal Sr zu einem weiteren Teil des Steuergeräts 40 übertragen, um ein Steuersignal zu erzeugen, das dem Steuerorgan 42 der Brennstoffzufuhrvorrichtung 36 (F i g. 2) zugeleitet werden soll.

Die Schaltung von F i g. 5 enthält zwei Verstärker 54, 56 sowie Widerstände 58, 60, 62 und 64, um zwei verschiedenartige Festspannungen — Vr und Vt zu erzeugen, die zur Lieferung der vorher erwähnten Bezugsspannung Va unter Verwendung des L/B-Verhältnissignals Sf herangezogen werden. Dieses Signal Sf wird über den Widerstand 58 an den Verstärker 54 und über die Widerstände 58 und 60 auch an den Verstärker 56 gelegt. Wenn das L/B-Verhältnissignal Sf das vorher erwähnte Signal mit hohem Pegel ist, das für die Zufuhr eines fetten Gemischs zum Motor kennzeichnend ist, so gibt der Verstärker 54 eine Festspannung — V« ab, und wenn dieses Signal Sr ein solches mit niedrigem Pegel ist, das für ein mageres Gemisch kennzeichnend ist, so gibt der Verstärker 56 eine andere Festspannung V;. ab. Der absolute Wert der Spannung — V_K ist dem absoluten Wert der Spannung V; nahezu gleich.

An die beiden Verstärker 54, 56 schließt eine Addierschaltung an, die aus einem rückgekoppelten Verstärker

ίο 72 und Widersländen 74, 76, 78 gebildet ist. Die Ausgangsspannung — V_K des Verstärkers 54 wird dem negativen Eingangsanschluß des rückgekoppelten Verstärkers 72 über den Widerstand 74, die Ausgangsspannung Vf. des Verstärkers 56 wird dem positiven Eingangsan-Schluß dieses Verstärkers 72 über den Widerstand 76 zugeführt. Zusätzlich wird die durch den Verstärker 50 bearbeitete Fühler-Ausgangsspannung V_s dem positi

sn^änschiü

des Verstärkers 72 ίΦ

^n Widerstand 78 zugeführt. Der Ausgang dieses Verstärkers 72 wird über den Rückkopplungswiderstand 80 einer Rückkopplung zum negativen Verstärkereingang unterworfen. Demzufolge wird der Ausgang dss rückgekoppelten Verstärkers 72 eine Spannung, die durch die Addition von entweder der negativen Spannung — Vr oder der positiven Spannung Vi. zur Fühler-Ausgangsspannung Vv gegeben ist. Das bedeutet, daß der Ausgang dieser Addierschaltung eine Spannung Vs- V« ist, während das L/B-Verhältnissignal Sf auf einem hohen, ein fettes Gemisch kennzeichenden Pegel ist, jedoch zu

JO einer Spannung Vs+ V;. wird, während das L/B-Verhältnissignal Sf auf einem niedrigen, ein mageres Gemisch kennzeichnenden Pegel ist.

Der Ausgang des Verstärkers 72, ob Vs,- Vr oder Vs+ V/., wird über einen Widerstand 84 einem Kondensator 82 eingegeben, der dazu dient, die Spannung Vs-V« oder Vs+ Vj. auf eine Spannung V.\ zu glätten, die, wie der Fig.6 zu entnehmen ist, in Abhängigkeit von der Fühler-Ausgangsspannung Vs leicht veränderbar ist. Die geglättete Spannung V_A wird dem Vergleicher 52 als die Bezugsspannung zugeführt, mit der die Fühler-Ausgangsspannung Vs verglichen wird. Wie erwähnt wurde und in Fig. 6 gezeigt ist, wird das L/B-Verhältnissignal Sf als Ausgang des Vergleichers 52 zu einem Signal mit hohem Pegel (kennzeichnend für ein fettes Gemisch), während die Fühler-Ausgangsspannung Vj über der Bezugsspannung V₁ liegt, und zu einem Signal mit niedrigem Pegel (kennzeichnend für ein mageres Gemisch), während V₅ unter V_A liegt.

Wenn, wie Fig. 7 erkennen läßt, ein Durchschnitts-L/B-Verhältnis im Motor von stöchiometrischen Verhältnis auf Grund eines Motorbetriebs unter Übergangsbedingungen beispielsweise zur fetten oder zur mageren Seite abweicht und das L/B-Verhältnis unter der Rückkopplungsteuerung darin fortfährt, sich periodisch über das stöchiometrische Verhältnis hinweg zu ändern, wobei unter diesen Bedingungen die Dauer jeder unterstöchiometrischen Periode sich von der Dauer der vorhergehenden oder folgenden überstöchiometrischen Periode unterscheiden wird, so wird der hohe und/oder niedrige Pegel der Fühler-Ausgangsspannung Vs im absoluten Wert beträchtlich variieren. Dann ändert sich die in der Überwachungsschaltung von F i g. 5 für das L/B-Verhältnis erzeugte und verwendete Bezugsspannung Va, so daß sie größer oder kleiner wird, während der Pegel der Fühler-Ausgangsspannung V_s größer oder kleiner wird, weil diese Bezugsspannung V_A grundsätzlich durch Addieren einer bestimmten Spannung zu oder Subtrahieren einer bestimmten Spannung

von der Fühler-Ausgangsspannung V_s erzeugt wird. Somit gibt das L/B-Verhältnissignal Sf, das durch einen Vergleich zwischen der Fühler-Ausgangsspannung Ks und dieser Bezugsspannung V^ erzeugt wurde, ganz genau an, ob das tatsächliche L/B-Verhältnis im Motor über oder unter dem vorgesehenen stöchiometrischen Verhältnis is; und zwa^r ohne Rücksicht auf die Betriebsbedingungen des Motors.

Die Art und Weise der Überwachung des L/B-Verhältnisses gemäß der Erfindung hat einen zusätzlichen Vorteil, der unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert wird.

Bei dem Sauerstoff-Fühler 10 von F i g. 1 wird die Diffusionsrate von Abgas oder .Sauerstoffmolekülen durch die Festelektrolytschicht 16 in Abhängigkeit von der Porosität dieser Schicht 16 und auch von deren Temperatur variieren. Ist die Gasdiffusionsrate in der Fcsteiektrolvtschiehl 16 relativ hoch, so verschiebt sii-h die Ausgangsspannung Vs des Sauerstoff-Fühlers rapid vom hohen oder niedrigen Pegel auf den Null-Volt-Pegel als Ergebnis einer Änderung im L/B-Verhältnis quer über das stöchiometrische Verhältnis, wie durch die Kurve Vs(A) in Fig. 8 dargestellt ist. Eine derartige Wellenform der Fühler-Ausgangsspannung wird im allgemeinen als eine Ausgangscharakteristik differentieller Art bezeichnet. Ist die Gasdiffusionsrate in der Festelektrolyischicht sehr niedrig, so bleibt die Ausgangsspannung Vs beinahe unverändert auf einem maximal hohen oder minimal niedrigen Pegel, während das L/B-Verhältnis unter oder über dem stöchiometrischen Verhältnis ist. wie die Kurve Vs(B) in Fig. 8 zeigt. Eine solche Wellenform der Fühler-Ausgangsspannung wird allgemein als eine Ausgangscharakteristik integraler Art bezeichnet. Da die Temperatur des Sauerstoff-Fühlers und die Betriebsbedingungen des Motors die Gasdiffusionsrate in der Festelektrolytschicht 16 beeinflussen, wird die Ausgangscharakteristik eines jeden einzelnen Sauerstoff-Fühlers 10 möglicherweise von einer der beiden Arten V^(A) und V₁J(B) in Fig. 8 zur anderen oder zu einer dazwischenliegenden Art abweichen.

Um eine genaue Rückkopplungsteuerung des L/B-Verhältnisses zu ereichen, ist es erwünscht, einen Vergleich zwischen der Fühler-Ausgangsspannung V_s und der Bezugsspannung K₁ ohne eine längere Verzögerung von einer Änderung im tatsächlichen L/B-Verhältnis über das stöchiometrische Verhältnis hinweg auszuführen. Das heißt mit anderen Worten, daß es erwünscht ist, daß die Kurve V_S{A) oder K,(ß der Fühler-Ausgangsspannung Ks die Kurve der Bezugsspannung in den Bereichen Ar und Ai. oder Br und Bl schneidet, wie durch die Pfeile in Fig. 8 angedeutet ist. Durch die Erfindung kann diesem Wunsch Rechnung getragen werden, ob die Ausgangscharakteristik des Sauerstoff-Fühlers differentieller oder integraler Art ist. da die Bezugsspannung K₁ auf der Grundlage der Fühler-Ausgangsspannung Vs veränderlich bestimmt ist.

Wie die Fig.9 und 10 zeigen, ist es möglich, eine digitale Schaltung zu erstellen, bei der ein Microcomputer zur Anwendung kommt und die im wesentlichen der gleichen Funktion wie die analoge Schaltung von F i g. 5 dient.

Gemäß F i g. 9 wird die Ausgangsspannung Kvdes im Auslaßkanal oder -sammler 34 des Motors 30 angeordneten Sauerstoff-Fühlers 10 in einem Analog/Digital-Wandier 90 in ein digitales Signal umgewandelt, das über eine Ein-Ausgabe-Schnittstelle 92 einer Zentraleinheit (CPU) 94 eines Microcomputers zugeführt wird. Die CPU 94 führt eine Reihe von in einem Soeicher 96 vorprogrammit. ten Befehlen aus. um den Wert der Bezugsspannung K₁ zu bestimmen und eine Beurteilung aus der Beziehung zwischen der Fühler-Ausgangsspannung Ks und der Bezugsspannung V'., zu treffen, ob das tatsächliche L/B-Verhältnis über oder unter dem stöchiometrischen Verhältnis liegt. Der Ablaufplan von F i g. 10 zeigt die Arbeitsweise der CPU 94 im einzelnen. Im Ablaufplan gibt η eine Konstante an, die größer ;ils Null und kleiner als Eins ist. Die Routine von Fig. 10 wird in vorbestimmten Zeitintervallen oder alternativ einmal pro Motorumdrehung durchlaufen. Auf der Grundlage der vorher erwähnten Beurteilung liefert die CPU 94 über die Schnittstelle 92 ein Steuersignal für die zuzuführende Brennstoffmenge an das Steuerorgan 42 der Brennstoffzufuhrvorrichtung 36. Üblicherwel··.? empfängt der Mikrocomputer zusätzliche Eingangssignale, die für einige Parameter der Motorbetricbsbeitin-(Tlinppn Ί R Hip ΝΛρηίΤΓ¹ :in Hern ΥΛ,λι/-*γ ßiiirftii'iYir-ictr· Ι^ίίίϊ die Drehzahl des Motors, die Kiihlwassertcmpcratur und das Maß der öffnung der Drosselklappe, kenn zeichnend sind, um Basismengen für die Brennstoffzufuhr unter den jeweiligen Motorbetriebsbedingungen zu bestimmen.

Wenn eine solche, einen Mikrocomputer einschlicßende digitale Schaltung in einem Überwachungssystem gemäß der Erfindung für ein L/B-Verhältnis eingesetzt wird, so ist es möglich, wiederholt die geglättete Bezugsspannung K₁ synchron mit der Motorumdrehung einzustellen, so daß die Rückkopplungsfrequcnz während eines Motorbetriebs mit hoher Geschwindigkeit erhöht werden kann, was eine Steigerung im Ansprechen und Folgen der Bezugsspannung K, an die Ausgangsspannung Vs des Sauerstoff-Fühlers zum Ergebnis hat.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Überwachung de» Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zügeführten Luft/Brennstoff-Gemisches mit einem Sauerstoff-Fühler der Konzentrationselement-Bauart, der im Abgaskanal der Maschine angeordnet ist, ein Laminat aus einer inneren Elektrodenschicht, einer mikroskopisch porösen, für Sauerstoffionen Ieitfähigen Festelektrolytschicht und einer äußeren, den Abgasen ausgesetzten Elektrodenschicht aufweist, sowie ein Ausgangssignal liefert, das ein Spannungssignal hohen Pegels ist, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis unter dem stöchiometrischen Verhältnis des der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemischs liegt, und das ein Spannungssignal niedrigen Pegels ist, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis über diesem stöciiometrischen Verhältnis liegt, und mit einer Beuneüungseinrichtar.g, die durch einer: Vergleich des Ausgangssignals des Sauerstoff-Fühlers mit einer Bezugsspannung ein Luft/Sauerstoff-Verhältnis erzeugt, das angibt, ob das Luft/Brennstoff-Verhältnis über oder unter dem stöchiometrischen Verhältnis liegt, gekennzeichnet durch eine Modulationseinrichtung (72), die durch Subtraktion einer ersten bestimmten Spannung (Vr) vom Ausgangssignal (Vs)- des Sauerstoff-Fühlers (10), wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Signal (Sf) angibt, daß das Luft/Rrsnnstoff-Verhältnis unterstöchiometrisch ist. und durch Addition einer zweiten bestimmten Spannung (Vi) zum Ausgangsignal des Sauerstoff-Fühlers, wenn das Lufi-Brennstoff-Verhältnis-Signal (Sf) angibt, daß das Luft/urennstoff-Verhältnis überstöchiometrisch ist, ein moduliertes Spannungssignal (V_s— Vr. Vs+ V_l) erzeugt, und durch eine das modulierte Spannungssignal glättende Einrichtung (82) zur Erzeugung einer geglätteten Spannung (Ki) und Zufuhr der geglätteten Spannung zur Beurteilungseinrichtung (52) als die Bezugsspannung.

2. System nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung (52) derart arbeitet, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Signal (Sf) ein Spannungssignal hohen Pegels ist, wenn das Ausgangssignal (Vs) des Sauerstoff-Fühlers über der Bezugsspannung (V_A) liegt, und ein Spannungssignal niedrigen Pegels ist, wenn das Ausgangssignal (Vs) des Sauerstoff-Fühlers unter der Bezugsspannung liegt.

3. System nach Anspruch 2. gekennzeichnet durch Spannungserzeugungseinrichtungen (54, 56), die die erste und zweite bestimmte Spannung ( Vr, Vt) durch Verstärkung des Spannungssignals hohen und niedrigen Pegels des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Signals erzeugen.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung (52), die Modulationseinrichtung (72) und die Glättungseinrichtung (82) sämtlich analoge Signale verarbeitende Einrich- t>o Hingen sind.

5. System nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung, die Modulationseinrichtung und die Glättungseinrichtung in einen digitalen Mikrocomputer einbezogen sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Überwachung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine unter Einsatz eines Sauerstoff-Fühlers der Konzentrationselement-Bauart, der im Abgasstrom liegt.

Bei heutigen Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren, ist es weit verbreitet, das Luft/ Brennstoff-Mischungsverhältnis genau auf einen vorbestimmten optimalen Wert mit Hilfe einer Rückkopplungssteuerung einzuregeln. Vielen Fällen ist der als Ziel angestrebte Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unter Rückkopplungssteuerung ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis. Wenn beispielsweise ein sogenannter Dreiwegekatalysator im Abgassystem zur Anwendung kommt, um eine Reduktion von NO* und Oxydation von CO und HC gleichzeitig zu erreichen, so muß das Luft/Brennstoff-Verhältnis genau auf ein stöchiometrisches Verhältnis eingeregelt werden, weil dieser Katalysator die besten Umwandlungsleistungen in einen- durch Verbrennung eines siöchiometrischen Luft/Brennstoff-Gemisches erzeugten Abgas bringt

Bei den gegenwärtigen Rückkopplungssteuersystemen für diesen Zweck ist es üblich, ein für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemischs, das tatsächlich dem Motor zugeführt wird kennzeichnendes Rückkoppluiigssignal zu erzeugen, indem die Sauerstoffkonzentration im Abgas erfühlt oder erfaßt wird, weil es eine ganz bestimmte Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis im Motor und dem Sauerstoffgehalt im Abgas gibt.

Soweit die Vorrichtung zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Abgas betroffen ist, um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis im Motor zu überwachen, ist es üblich, einen Sauerstoff-Fühler der Konzentrationselement Bauart zu verwenden, der eine Schicht eines für Sauerstoffionen leitfähigen Feststoffelektrolyten, ζ. Β. mit Kalziumoxid oder Yttriumoxid stabilisierter Zirkonerde, und zwei Elektrodenschichten, irren eine an der äußeren, deren andere an der inneren Fläche des Fcststoffelektrolyten ausgebildet ist. hat. Ein Sauerstoff-Fühler dieser Art erzeugt eine elektromotorische Krafi. wenn eine Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas, dem die äußere Elektrodenschicht ausgesetzt ist, und einem Sauerstoffpartialdruck an der innere Elektrodenschicht vorhanden ist.

Auf diesem Gebiet geht der Trend in jüngerer Zeit dahin, den Sauerstoff-Fühler zu miniaturisieren, indem man ihn als Laminat aus dünnen, film- oder folienartigen Lagen bzw. Schichten auf einem plattenförmigen keramischen Substrat von sehr geringer Größe aufbaut und ind~m man eine bestimmte Methode für die Erzeugung eines Sauerstoffpartialdrucks von geeigneter Höhe an der inneren Elektrodenschicht des Fühlers ohne Verwendung eines externen Sauerstoffquellenstoffs — wie z.B. Luft — entwickelt. Bei einem Sauerstoff-Fühler diese Art wird die Festelsktrolyt-Schicht mikroskopisch porös und für Gasmoleküle durchlässig gemacht. Wird dieser Sauerstoff-Fühler im Abgas angeordnet, so wirkt ein Sauerstoffpartialdruck. der demjenigen im Abgas nahezu gleich ist, ständig -mf die äußere Elekrodenschicht. Ferner wird auch an der inneren Elckrodcnschicht auf Grund der einwärts gerichteten Diffusion des etwas Sauerstoff enthaltenden Abgases durch die poröse Festelektrolytschicht ein Sauerstoffpartialdruck erzeugt. Jedoch ist der Sauerstoffpartialdruck an der inneren Elektrodenschicht gleich, weil die Festelekrolytschicht eine niedrige Porosität hat und somit einen gewissen Widerstand gegenüber der Diffusion von Abgas