DE3310336A1

DE3310336A1 - Verfahren zum messen einer sauerstoffkonzentration und verfahren zum regeln eines luft/brennstoff-verhaeltnisses aufgrund der gemessenen sauerstoffkonzentration

Info

Publication number: DE3310336A1
Application number: DE19833310336
Authority: DE
Inventors: Takashi Kamo; Shirou Kimura; Shigenori Sakurai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1982-03-23
Filing date: 1983-03-22
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE3310336C2; US4553424A

Description

HEDTKE - DUHLING - IVNfJE -^m. WRUPE :. : Vertreter beim EPA If Pellmann - Grams-Struif SS^Ä, ^J

-6- Dipl.-Ing. R. Kinne

Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 2i 8000 München 2

Tel.: 089-539653 Telex: 5-24 845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Mi

22. März 198 3 DE 2858 case GF-2513/82-DT-426

Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Toyota-shi, Japan

Verfahren zum Messen einer SauerstofPkonzentrat ion und Verfahren zum Regeln eines Luft/BrennstofΓ-Verhältn isses aufgrund der gemessenen Sauerstoffkonzentration.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Konzentration des Sauerstoffs in einem zu messenden Gas und ferner auf ein Verfahren zum Regeln des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses in einer Maschine aufgrund der gemessenen Sauerstoffkonzentration. Im einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen der Konzentration von Sauerstoff in einem MeGgas unter Verwendung eines Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers und ein Verfahren zum Regeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in der Maschine aufgrund der gemessenen Sauerstoffkonzentration.

Zum Messen der Sauerstoffkonzentration in einem Meßgas wurden üblicherweise Strombegrenzunqs-Sauerstoffmeßfühler v/erwendet. Bei den St rombegrenzunqs-Saue rs to f fmeOfiJhlern ist ein Sensorelement-Körper aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen Feststoff-Elektrolyt hergestellt, wobei an einander gegenüberliegenden Flächen

A/25

Dfeidner Benk (München) KIo 3939 844 Beyer Voreinsbank (München) Klo 508 941 Posischeck (München) Klo 670-43-804

»ι» «■» β

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des Sensorelement-Körpers Plattenelektroden angebracht ° sind, von denen eine (als Negativ-Elektrode) mit einer porösen Keramikschicht beschichtet ist, welche dicker als die Abdeckung der anderen (positiven) Elektrode ist.

Im Einsatz wird der Sauerstoffmeßfühler mit dem dermaßen aufqebauten Sensorelement an einer bestimmten Stelle so angebracht, daß das Sensorelement mit einem zu messenden bzw. Meßgas in Berührung kommt. Das Anlegen einer Spannung an die Plattenelektroden bewirkt, daß über das Sensorelement ein Begrenzungsstrom in Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffs in dem Gas fließt. Daher wird die Stärke dieses won dem Sensorelement abgegebenen Stroms gemessen, um dadurch die Konzentration des Sauerstoffs in dem Meßgas zu ermitteln.

Das herkömmliche Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration unter Verwendung eines derartigen Strombegrenzungs-Meßfühlers wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 der Zeichnung beschrieben.

Die Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der an den Sauerstoffmeßfühler angelegten Spannung und dem von dem Meßfühler abgegebenen Strom veranschaulicht. Kurven 1, 2 und 3 stellen jeweils die Spannungs/Strom-Kennlinie bei einer Sauerstoffkonzentration von 1%, 5% bzw. 10% m dem Meßgas dar.

Wenn an die einander gegenüberliegenden Plattenelektroden des Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers eine Spannung

angelegt wird, wird an der negativen Elektrode der Sauer-35

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stoff in dem MeOgas ionisiert, so daß er durch das S e η sorelernent hindurch zu der positiven Elektrode durchdringt. Mit der Zunahme der an das Sensorelement angelegten Spannung steigt der Ausgangsstrom entsprechend bzw. proportional an. In der Fig. 1 sind mit la, 2a und 3a erste Anstiegsflankenstufen bzw. Anstiegsabschnitte d_er Kennlinien 1, 2 bzw. 3 für die jeweiligen Sauerstoffkonzentrationen bezeichnet. Wenn die an das Sensorelement angelegte Spannung einen bestimmten Wert übersteigt, wird die Menge des von der negativen zu der positiven Elektrode durchtretenden Sauerstoffs begrenzt, da die negative Elektrode des Sensorelements mit der porösen Keramikschicht abgedeckt ist. Auf diese Weise wird bei einer weiteren Steigerung der angelegten Spannung der erzielte Strom konstant gehalten, nämlich der sog. Begrenzungsstrom abgegeben. Mit Ib, 2b und 3b sind jeweils die fla- chen Abschnitte der Kennlinien 1, 2 bzw. 3 bei den verschiedenen Sauerstoffkonzentrat ionen bezeichnet. Die Begrenzungsstrom-Werte ändern sich proportional zu den Sauerstoffkonzentrat ionen, wobei ferner von der Sauerstoffkonzentration der Bereich der Spannung abhängt, die einen Begrenzungsstrom ergibt. Wenn die angelegte Spannung über diesen den Begrenzungsstrom ergebenden Bereich ansteigt, beginnt der abgegebene Strom wieder mit der angelegten Spannung zu steigen. Mit Ic, 2c und 3c sind jeweils zweite Anstiegsabschnitte der Kennlinien bei den verschiedenen Sauerstoffkonzentrat ionen bezeichnet.

Es sei angenommen, daß eine Spannung gewählt wird, die in den Spannungsbereich fällt, welcher bei allen der jeweils verschiedenen Sauerstoffkonzentrat ionen die Stromstärken 35

OO IUOOO

ι * α

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an den flachen Abschnitten Ib, 2b bzw. 3b ergibt, und daO diese Spannung an das Sensorelement angelegt wird. Die Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas kann dann durch das Messen des abgegebenen Stroms ermittelt werden, da das Sensorelement einen zur Sauerstoffkonzentration proportionalen Begrenzungsstrom ergibt. Die die flachen Abschnitte der Kennlinien ergebenden Spannungsbereiche verschieben sich jedoch nach und nach bei den verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen.

Wenn daher an die einander gegenüberliegenden Elektroden des Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers eine Spannung einer bestimmten Höhe gemäß der Darstellung durch die vertikale Linie B in Fig. 1 angelegt wird und die Sauerstoffkonzentration auf beispielsweise \%, 5?ό oder 10?ό gehalten wird, ergibt der Sauerstoffmeßfühler einen Strom mit der Stärke an einer Ordinate des Schnittpunkts der Linie B und der Kennlinie 1, 2 bzw. 3. Der Zusammenhang ,zwischen dem abgegebenen Strom und den verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen wird im voraus ermittelt. Dann wird die Konzentration des in dem Meßgas enthaltenen Sauerstoffs anhand des im voraus ermittelten Zusammenhangs zwischen dem abgegebenen Strom und der Sauerstoffkonzentration ermittelt. Da jedoch nach dem herkömmlichen Verfahren die an das Sensorelement angelegte Spannung konstant eingestellt wird, ist die genaue Ermittlung der Sauerstoffkonzentration nur bedingt möglich, da in manchen Fällen nicht der der bestimmten Sauerstoffkonzentration entsprechende Begrenzungsstrom abgegeben wird.

Wenn beispielsweise die angelegte Spannung auf den kon-35

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stanten Wert χ, gemäß der Darstellung durch die vertikale ·*■

Linie B eingestellt wird, ergibt der Sauerstoffmeßfühler bei einer Sauerstoffkonzentration von 5% bzw. 10Λ (gemäß den Kennlinien 2 bzw. 3) einen genauen Begrenzungsstrom mit der Stärke y„ bzw. y, für diese Sauerstoffkonzentra-

tionen, da die Linie B die Kennlinie 2 bzw. 3 an dem 10

flachen Abschnitt 2b bzw. 3b schneidet, nämlich die angelegte Spannung in den bestimmten Bereich fällt, der den flachen Abschnitt 2b bzw. 3b entstehen läßt. Wenn andererseits die Sauerstoffkonzentration 1% ist, schneidet die

vertikale Linie B die Kennlinie 1 nicht an dem flachen 15

Abschnitt Ib, sondern an einem gekrümmten Abschnitt, nämlich dem zweiten Anstiegsabschnitt Ic. Infolgedessen ist die Stärke y, des von dem Sauerstoffmeßfühler abgegebenen Stroms höher als diejenige des Begrenzungsstroms yi2. Daher ergibt der Sauerstoffmeßfühler eine ungenaue Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas.

Die Fig. 2 veranschaulicht mit einer strichpunktierten Linie B. den Zusammenhang zwischen dem von dem Sauerstoff-

meQfühler abgegebenen Strom und der Sauerstoffkonzentra-25

tion für den Fall, daß die an das, Sensorelement angelegte Spannung konstant gemäß der Darstellung durch die Linie B in Fig. 1 eingestellt wird. Die strichpunktierte Linie B, entspricht einem Zustand, bei dem die Linie B nach

rechts gemäß der Darstellung in Fig. 1 versetzt ist. Im 30

Gegensatz dazu entspricht eine Doppelpunkt-Strich-Lin 1e B einem Zustand, bei dem die Linie B abweichend von der Linie B nach Fig. 1 nach links versetzt ist.

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Der abgegebene Strom wird aufgrund dieser Kurve B (B, oder ° B„) in die Sauerstoffkonzentration umgesetzt. Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Linienverlauf der Stromabgabe/Sauerstoff konzentration-Umsetzungslinie B bei der geringen Konzentration nach oben versetzt ist, !während er bei einer Sauerstoffkonzentration von mehr als 10% nach unten auf die Linie B~ versetzt ist, da der flache Abschnitt der entsprechenden Kennlinie nach rechts in Fig. 1 abweicht; infolgedessen imird der bei der angelegten Spannung χ abgegebene Strom höher oder niedriger als der Begrenzungsstrom.

Da auf diese Weise beim konstanten Einstellen der an den Sauers toffmeß fühler angelegten Spannung der Bereich der Sauerstoffkonzentrationen eingeengt ist, bei denen sich die entsprechenden Begrenzungsströme ergeben, kann das herkömmliche Verfahren keine genaue Messung der Sauerstoff konzentrat ionen ergeben, wenn sich diese über einen weiten Bereich ändern.

Ferner können die Spannungsbereiche, die bei den Kennlinien die flachen Abschnitte für den Begrenzungsstrom ergeben, voneinander aufgrund von Abweichungen der Eigenschaften verschiedener Sauerstoffmeßfühler verschieden sein. Einer derartigen Abweichung kann mit dem vorstehend herkömmlichen Verfahren nicht in zufriedenstellender Weise begegnet werden.

Ein weiteres Problem besteht in der Schwierigkeit, bei einem System, bei dem der proportional zu der Sauerstoffkonzentration in einem Meßgas abgegebene Strom unter Ver-35

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wendunq des Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers ermittelt wird und in eine Brennstoffzuführvorrichtunq ein auf dem abgegebenen Strom beruhendes Steuersignal zum Steuern des Lu ft/Brennstof fverhältmsses in einer Maschine ein-, gegeben wird, eine zufriedenstellende Regelung des Luft/ Brennstoffverhältnisses zu erzielen. 10

Zur Ausschaltung der bei dem herkömmlichen Verfahren anzutreffenden Probleme ist es vorzugsweise in Betracht zu ziehen, die flachen Abschnitte der Kennlinien zu verbreitern. Bei dem gegenwärtigen Stand der Technologie ist dies jedoch schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen einer Sauerstoffkonzentration in pinem M e G q a s unter Verwendung des Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers _Zu schaffen, das frei von den Unzulänglichkeiten ist, die bei dem herkömmlichen Verfahren anzutreffen sind, gemäß dem eine konstante Spannung den Sauerstoffmeßfühl er angelegt wird.

Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren eine genaue Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Gas über einen weiten Bereich der Sauerstoffkonzentration ergeben.

Ferner soll bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren die Linearität zwischen dem von dem Saiiors t.of fmeßf ühlor abgegebenen Strom und der zu erfassenden Sauerstoffkonzentration gewährleistet sein.

OO IUOOU

Weiterhin soll nach dem erfindungsgemäGen Verfahren die Konzentration des Sauerstoffs in dem Gas trotz gegenseitiger Abweichungen von SauerstoffmeOfühlern genau meßbar sein.

Weiterhin soll mit ei er Erfindung ein Verfahren zum Regeln eines L u Γ t / β r e η η s to ff Verhältnisses einer Maschine unter Verwendung des 5trombegrenzungs-Sauerstοffmeßfühlers geschaffen i-j erden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Meßverfahren, bei dem der 5

Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühler verwendet wird, wird der lineare Zusammenhang zwischen der an den Sauerstoffmeßfühler angelegten Spannung und dem von demselben abgegebenen Strom (Begrenzungsstrom) durch eine lineare Funktion bestimmt, die durch die flachen (Strombegrenzungs-)Abschnιtte der Spannungs/Strom-Kennlinien bei den verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen verläuft, wonach aus diesem dermaßen bestimmten linearen Zusammenhang und den Kennlinien der Zusammenhang zwischen dem abgegebenen

Strom und der Sauerstoffkonzentration bestimmt wird. Dann 25

wird eine Spannung einer vorgegebenen Größe an das Sauersto ffmeß fühler-E1ement angelegt, wobei die Stärke des sich aus dem Element ergebenden Stroms gemessen wird. Unter Bezugnahme auf den abgegebenen Strom und die g e nannte lineare Funktion, bei der der Sauers to ffmeß fühl er den Begrenzungsstrom ergibt, wird die Spannung auf eine geeignete Spannung korrigiert, die dann an das Sauerstoffmeßfühler-Element angelegt wird, um den Begrenzungsstrom bei dieser korrigierten Spannung zu erhalten. Schließlich

wird unter den Begrenzungsstromabgabe-Bedingungen die 35

-14- Ol 2H'jH

Stärke des abgegebenen Stroms gemäß dem linearen Zusammenhang zwischen dem von dem Sauerstoffmeßfühler abgegebenen Strom und den Sauerstoffkonzentrat ionen in die Sauerstoffkonzentration umgesetzt.

Weiterhin wird erfindungsgemäß eine gemäß den vorstehenden Ausführungen in einem zu erfassenden Gas in einer Maschine unter vorgegebenen Bedingungen ermittelte Sauerstoffkonzentration mit derjenigen für ein beabsichtigtes Luft/Brennstoffverhältnis in der Maschine verglichen, wobei die Menge des der Maschine zugeführten Brennstoffs so geregelt wird, daß das tatsächliche Luft/Brennstoffverhältnis das beabsichtigte Verhältnis erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die für einen Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühler Kennlinien für die an ein Sauerstoffmeßfühler-Element angelegte' Spannung und den von dem Element abgege

benen Strom sowie eine schräge Spannungs-Strom-Gerade zeigt.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem von dem Sauerstoffmeßfühler-

Element abgegebenen Strom und der Sauerstoffkonzentration zeigt.

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Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren gemäß ° einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Systems zur Ausführung des Verfahrens.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Luft/Brennstoff-Regelsystems in einer Maschine.

Fig. 6 ist ein Schaltbild, das das Verfahren zum Regeln

des Luft/Brennstoff-Verhältnisses veranschaulicht 15

Das Verfahren wird in Einzelheiten anhand der Zeichnung beschrieben, in welcher die Fig. 1 den Zusammenhang zwischen der an einen SauerstoffmeOfühler in Strombegrenzungs-Ausfuhrung angelegten Spannung und dem von dem Meßfühler abgegebenen Strom bei verschiedenen Sauerstoffkonzeiit rat ionen als Kennlinien zeigt. Aus diesen wird eine schräge Gerade A bestimmt, die durch flache Strombegrenzungs-Abschnitte der Spannungs/Strom-Kennlinien bei diesen verschiedenen Sauerstoffkonzentrat ionen verläuft. Ferner wird eine Stromabgabe/Sauerstoffkonzentrat ion Umsetzungslinie Ä gemäß der Darstellung in Fig. 2 bestimmt .

Als nächstes wird durch Anlegen einer Spannung einer bestimmten Höhe an das Meßfühler- bzw. Sensorelement ein Strom abgegeben, wonach unter Heranziehen des vorstehend genannten Schräggeraden-Zusammenhangs zwischen der Spannung und dem Strom die angelegte Spannung korrigiert wird.

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Dann wird die korrigierte Spannung an das Sensorelement ° angelegt und von diesem ein Strom abgegeben, dessen Stärke unter Heranziehen des durch die Gerade Ä in Fig. 2 gezeigten linearen Zusammenhangs zwischen dem Strom und der Sauerstoffkonzentration in die Sauerstoffkonzentration in dem MeQgas umgesetzt wird. 10

Nachstehend werden eine schräge Gerade für den Zusammenhang zwischen der Spannung und dem Strom sowie eine Stromabgabe/Sauerstoffkonzentrat lon-Umsetzungsgerade erläutert, die für die Ausführung des Meßverfahrens herangezogen werden.

In der Fig. 1 ist mit A eine schräge Gerade bezeichnet, deren Variable die an das Sensorelement angelegte Spannung X und der von dem Element abgegebene Strom Y sind und die eine lineare Funktion Y = mX + η (m, η = konstant, m > 0, η <. 0) darstellt. Die lineare Funktion wird so bestimmt, daß die Gerade durch die flachen Abschnitte Ib, 2b und 3b der Kennlinien 1, 2 und 3 für die verschiedenen Sauerstoffkonzentrat ionen hindurch verläuft. D.h., diese lineare Funktion wird so festgelegt, daß die an das Sensorelement anzulegende Spannung X in den Spannungsbereich fällt, bei dem sich der flache Abschnitt Ib, 2b bzw. 3b ergibt. Allgemein kann die an das Sensorelement anzulegende Spannung auf 0,2 bis 1,0 V eingestellt werden. Die Konstante m kann in geeigneter Weise durch Verändern eines in dem Sauerstoffmeßfühler angebrachten voränderbaren Widerstands oder dergleichen gewählt werden, wobei sie vorzugsweise so gewählt wird, daß sich im wesentlichen

die gleiche Steigung wie an den Anstiegsabschnitten la, 35

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2a und 3a der Kennlinien 1, 2 und 3 ergibt. Wenn die Konstante m auf diese Steigung der Anstiegsabschnitte eingestellt wird, kann selbst bei einer allmählichen Verschiebung des flachen Bereichs der Kennlinie mit einer Zunahme der Sauerstoffkonzentration die schräge Gerade A dementsprechend extrapoliert werden, so daß die Gerade A von den niedrigeren bis zu den höheren Konzentrationen durch die flachen Abschnitte der Kennlinien hindurch verläuft.

Der Zusammenhang zwischen der Spannung und dem Strom gemäQ der schrägen Geraden A (Y =' mx + n) wird mittels einer geeigneten Maßnahme wie eines Tabellenverfahren unter Verwendung eines Integrierschaltungs-Speichers, eines Funktionsgenerators oder dergleichen in einen Speicher einer in Fig. 4 gezeigten Steuereinrichtung 20 eingespeichert; sobald es erforderlich ist, wird für die Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Gas der abgespeicherte Zusammenhang herangezogen.

Aus den Kennlinien 1, 2 und 3 sowie der schrägen Geraden A wird die Stromabgabe/Sauerstoffkonzentratlons-Umsetzungslinie Ä nach Fig. 2 dermaßen bestimmt, daß an den Schnittpunkten zwischen den Kennlinien 1, 2 und 3 und der schrägen Geraden A die-Stärken y,o» y? ^unc* y3 ^υηε* ^ie entsprechenden Sauers to ffkonzentrat ionen z,, z, und Z_1n ermittelt werden, diese Werte für die Ströme und die Sauerstoffkonzentrationen gemäß der Darstellung in der Fig. 2 auf einer Ordinate bzw. einer Abszisse aufgetragen werden und durch Verbinden der Auftragsorte Linien gezogen werden. Alle diese Werte der abgegebenen Ströme für die Gerade A sind

Begrenzungsströme. Infolgedessen kann die Linearität dieser 35

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Umsetzungslmie bzw. Umsetzungsgeraden Ä über einen weiten Bereich von den niedrigeren bis zu den höheren Sauerstoffkonzentrationen sichergestellt werden.

Der Zusammenhang für die Gerade Ä wird gleichermaßen wie

der Zusammenhang für die Gerade A in einen Speicher der 10

Steuereinrichtung 20 als eine lineare Funktion Y =- aZ (mit a = konstant) eingegeben; sobald es erforderlich ist, wird für die Messung der Sauerstoffkonzentration der abgespeicherte Zusammenhang herangezogen.

Die Steuereinrichtung 20 weist eine Steuereinheit 21, eine Recheneinheit 22, einen Digital/Analog-Wandler 23 und einen Analog/Digital-Wandler 24 auf. "Mit der Steuereinheit 21 sind die Recheneinheit 22, der Digital/Analog-

Wandler 23 und der Analog/Digital-Wandler 24 entsprechend 20

der in Fig. 3 gezeigten Ablauffolge steuerbar, wobei an den Digital/Analog-Wandler 23 und beispielsweise an ein Maschinen-Brennstoffeinspritz-System (EFI-System) 25 ein Signal abgegeben wird. Der Digital/Analog-Wandler 23 ist zum Einstellen der an den Sauerstoffmeßfühler anzuleqen-

den Spannung x, ausgebildet. Die Stärke y, des von dem

Sauerstoffmeßfühler abgegebenen Stroms wird in den Analog/ Digital-Wandler 24 zur Analog/Digital-Umsetzung eingegeben. Danach wird das umgesetzte Signal in die Recheneinheit 22 einqeqeben, in der nach der linearen Funktion 30

X = (Y - b)/a aufgrund des eingegebenen Signals die Spannung χ „ bestimmt wird. Im weiteren wird die Stärke y,„ des beim Anlegen der Spannung x„ an den Sauerstoffmeßfühler abgegebenen Stroms in den Analog/Digital-Wandler

24 eingegeben, wonach das umgesetzte Signal in die Rechen-35

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einheit 22 eingegeben wird, in der nach der linearen Funktion Z - Y.„/a die
Meßgas ermittelt wird.

Funktion Z = Y.„/a die Sauerstoffkonzentration in dem

Das Meßverfahren wird anhand der oder aufgrund der Kennlinien 1, 2 und 3, der schrägen Geraden A und der Umsetzungsgeraden Ä ausgeführt. Das Verfahren wird in größeren Einzelheiten anhand eines Beispiels erläutert, welches ein Verfahren zum Messen der Konzentration des Sauerstoffs im Abgas einer Brennkraftmaschine betrifft.

An einem Auspuffrohr der Brennkraftmaschine wird ein Sauerstoffmeßfühler der Strombegrenzungs-Ausführung in der Weise angebracht, daß das Sensorelement des Sauerstoffmeßfühlers mit dem Abgas der Maschine in Berührung gebracht ist. Dann wird an das Sensorelement eine Spannung einer bestimmten Höhe x, angelegt. Diese Spannung wird gewöhnlich auf einen bestimmten Wert von 0,2 bis 1,0 V eingestellt, mit dem der Sauerstoffmeßfühler üblicherweise gespeist wird. Gemäß der Darstellung in der Fig. 1 ergibt dann bei einer Sauerstoffkonzentration von \% (Kennlinie 1) das Sensorelement den Strom y.. Das Signal für den Ausgangsstrom y, wird in die Steuereinrichtung 20 eingegeben, in welche im voraus der Zusammenhang der Geraden A eingegeben wurde, so daß dann die Spannung x„ bestimmt wird. Auf diese Weise wird die an

^QU das Sensorelement anzulegende Spannung von der Spannung x, auf die Spannung x„ korrigiert. Dann wird die korrigierte Spannung x„ an das Sensorelement angelegt, wonach schließlich aufgrund des von dem Element abgegebenen Stroms

yl2 aus dem Zusammenhang für die Umsetzungsgerade Ä 35

-2Q- DL ZBbB

nach Fig. 2 die Sauerstoffkonzentration ermittelt wird. ° Die vorstehend genannten Meßschritte werden als ein Zyklus zur Messung der Sauerstoffkonzentration ausgeführt. Dieser Zyklus wird 0,1-mal bis 10-mal je Sekunde wiederholt, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas fortlaufend zu

erfassen.
10

Wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas 1Q% beträgt, bewirkt das Anlegen der Spannung χ., daß das Sensorelement den Strom y, abgibt. In diesem Fall ist keine Korrektur der Spannung erforderlich, da für den Strom y., die Spannung auf der Geraden A gleich x, ist. Aus dem Strom y, wird ohne Spannungskorrektur anhand der Umsetzungsgeraden Ä die Sauerstoffkonzentration Z_1n ermittelt.

Hinsichtlich der anfänglich an das Sensorelement angelegten Spannung besteht nicht unbedingt eine Einschränkung auf eine bestimmte Spannung; vielmehr kann die Spannung auf eine geeignete Höhe innerhalb des Spannungsbereichs eingestellt werden, bei dem das Sensorelement gewöhnlich betrieben wird. Ferner kann die korrigierte Spannung an das Sensorelement mittels einer üblicherweise verwendeten Schaltung mit einem Mikrocomputer, einem Digital/Analog-Wandler, einem Ausgangsverstärker usw. angelegt werden.

3® Gemäß den vorangehenden Ausführungen wird bei dem Meßverfahren die an das Sauerstoffmeßfühlerelement bzw. Sensorelement anzulegende Spannung auf den besonderen Bereich gesteuert, in welchem bei den verschiedenen Sauerstoff konzentrat ionen immer die Begrenzungsströme abgegeben werden. Aufgrund des von dem Sensorelement abgegebenen

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Stroms ist es daher möglich, die Sauerstoffkonzentration 5

genau zu ermitteln.

Da ferner bei Schwankungen der Begrenzungsstrom-Eigenschaften der SauerstοffmeßfühIer-E1emente die schrage Spannungs/Strom-Gerade durch Datenanalyse so festgelegt werden kann, daß einer derartigen Abweichung begegnet ist, ist die Linearität der Geraden A gewährleistet.

Das Meßverfahren ist nicht nur zu dem vorstehend beschriebenen Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer 15

Brennkraftmaschine anwendbar, sondern auch zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Warmwasserbereiters, einer Feuerungsanlage oder dergleichen mit üblicher Brennstoff-Verbrennung;

Gemäß einer anderen Gestaltung des beschriebenen Meßverfahrens ist es möglich, unter Verwendung des Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren auf genaue Weise das Luft/Brennstoff-

Verhältnis einer Maschine zu reqeln. 25

Zuerst werden für verschiedenerlei Fahrzustände erwünschte oder beabsichtigte Luft/Brennstoff-Verhältnisse festgelegt (die nachstehend als Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnisse bezeichnet werden). Dann wird die an das Sensorelement anzulegende Spannung in Abhängigkeit von dem Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis verändert und die Stärke des beim Anlegen dieser Spannung von dem Sensorelement abgegebenen Stroms mit derjenigen eines Bezugsstroms für das

SoIl-Luft/Brennstoffverhältnis verglichen, wobei aufgrund 35

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eines Vergleichssignals durch Einregeln der Brennstoff- ° zufuhr das Luft/Brennstoff-Verhältnis geregelt wird.

Im einzelnen wird dieses Regelverfahren folgendermaßen ausgeführt:

Zuerst werden gemäß den Ausführungen zu dem vorangehend beschriebenen Meßverfahren die schräge Gerade A und die Stromabgabe/Sauerstoffkonzentratlon-Umsetzungsgerade Ä bestimmt. Dann werden die (jeweils dem Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechenden) Soll-Sauerstoffkonzentrationen in dem zu messenden Abgas der Maschine unter Bezugnahme auf die jeweiligen Fahrzustände bestimmt, wonach für die Soll-Sauerstoffkonzentrat ion aus der Stromabgabe/Sauerstoffkonzentration-Umsetzungsgeraden Ä und der schrägen Geraden A die an den Sauerstoffmeßfühler anzulegende Spannung und der Bezugsstrom bestimmt werden. Als nächstes wird die auf diese Weise bestimmte Spannung an das Sensorelement angelegt, so daß dieses.einen Strom ergibt, dessen Stärke mit derjenigen des Bezugsstroms verglichen wird, um ein Vergleichssignal zu erhalten, das zum Regeln der Brennstoffzufuhr eingesetzt wird.

Das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Regelverfahr en gemäß einem Ausführungsbeispiel wird in größeren Einzelheiten anhand

der Zeichnung, insbesondere der Fig. 5 und 6 erläutert. 30

Die Fig. 5 zeigt schematisch die Hauptteile eines Systems zum Regeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses gemäß dem Regelverfahren, wobei mit 30, 31, 32 und 33 jeweils ein

Motorblock, ein Wassertemperaturfühler zum Erfassen der 35

V ί V S/ V/

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Temperatur des Maschinenkühl wassers, ein Verteiler für ° die Erfassung der Maschinendrehzahl bzw. ein Luftstrommesser bezeichnet sind. Die Meßsignale aus dem Wassertemperaturfühler 31, dem Verteiler 32 und dem Luftstrommesser 33 werden in eine Steuerschaltung 34 eingegeben. Die Steuerschaltung 34 ist elektrisch mit einer Einspritzvorrichtung 37 und einem an einem Auspuffrohr 35 angebrachten Saue rs to ff rneG fühler }6 verbunden. Von der Steuerschaltung 34 wird in den Sauerstoffmeßfühler 36 ein Steuersignal eingegeben, während in die Einspritzvorrichtung ein Signal zum Steuern der Brennstoffeinspritzung eingegeben wird. Mit 38 und 39 sind eine Drosselklappe bzw. eine Zündkerze bezeichnet.

Bei der derart gestalteten Brennkraftmaschine wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis entsprechend der Betriebsablauffolge des in Fig. 6 gezeigten Systems geregelt.

Zuerst wird bei einem bestimmten Fahrzustand mittels des Luftstrommessers 33 die in die Maschine gesaugte Luftmenge erfaßt, während mittels des Verteilers 32 die Maschinendrehzahl erfaßt wird. Das mittels einer Meßschaltung 41 erfaßte Signal hinsichtlich der Ansaugluftmenge und das mittels einer Meßschaltung 42 erfaßte Signal hinsichtlich der Maschinendrehzahl sowie das mittels des Wassertemperaturfühlers 31 aufgenommene Signal hinsichtlich der

^ou Maschinenkühlwasser-Temperatür werden für das Soll-Luft/ Brennstοff-Verhältnis in eine Rechenschaltung 43 eingegeben, in der das Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis bei der fahrbedingung festgelegt ist. Zugleich damit wird

aus den Meßsignalen hinsichtlich der Ansaugluftmenge und 35

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der Maschinendrehzahl mittels einer Grundmengen-Rechenschaltung 44 ein Grund-Volumen des der Einspritzvorrichtung 37 zugeführten Brennstoffs bestimmt. Das Soll-Luft/ Brennstoff-Verhältnis wird mit einer Soll-0_?-Konzentra-. tions-Bestimmungsschaltung 50 in die Soll-Sauerstoffkonzentration umgesetzt. Diese Umsetzung erfolgt in der Weise, daß das aufgrund der Meßsignale aus den Meßfühlern bestimmte Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis nach einer Funktion für die Umsetzung von dem Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis auf die Soll-Sauerstoffkonzentration verarbeitet wird, wobei die Funktion im voraus in einen Speicher der Schaltung 50 eingespeichert ist.

Wenn die Soll-Sauerstoffkonzentrat ion bestimmt ist, wird aus einem Signal für die Soll-Sauerstoffkonzentrati on und der vorangehend genannten Umsetzungsgeraden Ä mittels einer Bezugsstrom-Rechenschaltung 45 ein der Soll-Sauersto ff konzentrat ion entsprechender Strom bzw. Bezugsstrom bestimmt. Dann wird mittels einer Anfangsspannungs-Rechenschaltung 46 aus dem auf diese Weise erhaltenen Bezugsstrom und der im voraus in den Speicher eingegebenen schrägen Geraden A die an das SauerstoffmeGfühler-Sensorelement anzulegende Spannung bestimmt.

/\is nächstes wird die dermaßen bestimmte Spannung an den Sauerstoffmeßfüh1 er 36 angelegt, so daß dieser einen Strom bzw. Ausgangsstrom abgibt. Die Stärke des Ausgangsstroms und diejenige des Bezugsstroms werden miteinander in einer Vergleichsschaltung 47 verglichen. Wenn in diesem

"^ Fall der Ausgangsstrom geringer als der Bezugsstrom ist, wird von e ι η π r Brenηstoffeinπρritzkοrroktur-Befehlssehaltung 48 ein Korrektursignal zum Verringern der Grund-

-25- DE 2858

Brennstoffeinspntzmenge abgegeben und über eine Änderungs-Schaltung 4 9 in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 3 7 eingegeben, um die Brennstoffeinspritzmenge zu verringern. Dadurch wird die eingespritzte Brennstoffmenge verringert, so daß dementsprechend die Sauerstoffkonzentration im Abgas ansteigt. Der Stärkevergleich zwischen dem Bezugsstrom und dem Ausgangsstrom sowie der Steuerungsschritt für das Verringern der Brennstoffzufuhr bilden einen Zyklus, welcher zum Annähern der Stärke des Ausgangsstroms an diejenige des Bezugsstroms wiederholt wird, wodurch

das System dermaßen geregelt wird, daß das tatsächliche 15

Luft/Brennstoff-Verhältnis das Soll-Verhältnis erreicht.

Wenn der Ausgangsstrom stärker als der Bezugsstrom ist, wird in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 37 ein Korrektursignal zum Steigern der Brennstoffeinspritzmenge eingegeben. Der Vergleich zwischen dem Bezugsstrom und dem Ausgangsstrom sowie die Schritte der Steigerung der Brennstoffeinspritzung werden wiederholt ausgeführt, so daß das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis das Soll-Verhältnis erreicht.
25

Gemäß den vorstehenden Ausführungen ermöglicht es das Rege 1 verfahren zum Regeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, auf automatische Weise eine an das Sauerstoffmeßfühler-Sensorelement entsprechend der Sol1-Sauerstoff-30

konzentration oder dem Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis anzulegende Spannung zu bestimmen.

Ferner kann aufgrund der in Verbindung mit dem vorangehend beschriebenen Sauerstoffkonzentrations-Meßverfahren

angeführten Vorteile eine genauere Regelung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses erzielt werden.

Es wird ein Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration in einem Meßgas unter Verwendung eines Strombeqrenzungs-Sauerstofffühlers angegeben. Ein Schritt des Verfahrens besteht darin, daß die Beziehungen zwischen den an den Sauerstoffmeßfühler angelegten Spannungen und den von dem Meßfühler abgegebenen Strömen als eine schräge Gerade derart bestimmt werden, daß die schräge Gerade in Spannungs/Strom-Kennlinien bei den unterschiedlichen Sauers to ffkonzentrat ionen durch flache Abschnitte für den Begrenzungsstrom hindurch verläuft. Der Zusammenhang zwischen abgegebenen Strömen und Sauerstoffkonzentrationen an den flachen Abschnitten wird dadurch erreicht, daß dann, wenn eine Spannung einer vorgegebenen Höhe an den Sauerstoffmeßfühler angelegt wird, damit dieser einen Strom abgibt, eine diesem Strom an der schrägen Geraden entsprechende Spannung bestimmt wird. Die auf diese Weise bestimmte Spannung wird an den Sauerstoffmeßfühler angelegt, damit dieser einen Strom abgibt. Aus dem dermaßen abgegebenen Strom wird unter Bezugnahme auf eine Stromabgabe/Sauerstoffkonzentration-Umsetzungsgerade die Sauerstoffkonzentration bestimmt. Ferner wird ein Verfahren zum Regeln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses im Gemisch einer Maschine unter Heranziehen der Spannungs/Strom-Kennlinien, der schrägen Geraden und der Stromabgabe/ Sauerstoffkonzentration-Umsetzungsgeraden angegeben.

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Claims

- ^J yj » υ ο ο υ IEDTKE - BüHLSWG "» KfNWfe·* ©RtlPE*':. ": 5ί52ϊ2Κ EM Dipl.-Ing. H.Tiedtke Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif Bavariaring 4, Postfach 2024 8000 München 2 Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 iipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent Munch 22. März 1983 DE 2858 case GF-2513/82-DT-4 Patentansprüche

1.) Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration

in einem Meßgas unter Verwendung eines Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlersj der einen der Sauerstoffkonzentration im Gas entsprechenden Strom abgibt und dessen Kennlinie zwischen der an den Sauerstoffmeßfühler angelegten Spannung und dem von demselben abgegebenen Strom aus einem ersten Anstiegsabschnitt, bei dem innerhalb eines Spannungsbereichs unter einem ersten Spannungswert die Stromstärke mit dem Anstieg der Spannung zunimmt, einem flachen Abschnitt, bei dem von dem ersten Spannungswert bis zu einem zweiten Spannungswert selbst bei dem Anstieg der Spannung eine im wesentlichen konstante Stromstärke vorliegt, und einem zweiten Anstiegsabschnitt bei einer Spannung oberhalb des zweiten Spannungswerts besteht, wobei sich bei dem Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühler der die flachen Abschnitte der Spannungs/Strom-Kennlinien ergebende Spannungsbereich von dem ersten zu dem zweiten Anstiegsabschnitt in Abhängigkeit von unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrat ionen in dem Gas verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und die Steigung einer schrägen Geraden, deren Variable die an den Sauerstoffmeßfühler angelegte Spannung und der von dem Sauerstoffmeßfühler abgegebene Strom sind, in der Weise bestimmt werden, daß die an den Sauerstoffmeßfühler angelegten und längs der schrägen Geraden bei

Dresdner Bank (München) KIo 3939844 Bayer VsroinsbanN (P-iOncficn) «tp. 503 941 Fcsiachsck (München) Wo. 670-43-804

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unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrat ionen abgenommenen Spannungen jeweils in den bestimmten Spannungsbereich fallen, der bei der jeweiligen Sauerstoffkonzentration den flachen Abschnitt ergibt,

daß der Zusammenhang einer Stromabgabe/Sauerstoffkonzentrat lon-Umsetzungsgeraden mit der Spannungs/Strom-Kennlinie und der schrägen Geraden bestimmt wird, daß eine Anfangsspannung vorgegebener Höhe an den Sauersto ffmeGfühler angelegt wird, damit dieser einen Strom abgibt,
daß aufgrund des abgegebenen Stroms unter Bezug auf die schräge Gerade die Anfangsspannung korrigiert wird, daß die korrigierte Spannung an den Sauerstoffmeßfühler angelegt wird, damit dieser einen Strom abgibt, und daß aus dem auf diese Weise durch das Anlegen der korrigierten Spannung abgegebenen Strom unter Bezug auf die Stromabgabe/Sauerstoffkonzentration-Umsetzungsgerade die Sauerstoffkonzentration in dem Gas bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schrägen Geraden im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Anstiegsabschnitte der Spannungs/Strom-Kennlinien ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Anfangsspannung 0,2 bis 1,0 V beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration mittels eines Systems bestimmt wird, das den Strombegren-

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zungs-Sauerstoffmeßfühler , einen Analog/Digital-Wandler, 5

der ein analoges Signal aus dem Sauerstoffmeßfühler in ein erstes digitales Signal umsetzt, eine Recheneinheit, die die Abhängigkeiten der schrägen Geraden und der Stromabgabe/Sauers to ffkonzentration-Urnsetzungsgeraden speichert, aufgrund der gespeicherten Abhängigkeiten das erste digi-

tale Signal zum Erzeugen eines zweiten digitalen Signals verarbeitet und ein Signal an ein externes System abgibt, einen Digital/Analog-Wandler, der das zweite digitale Signal in ein analoges Signal umsetzt und das auf diese Weise umgesetzte analoge Signal an den Sauerstoffmeß-

fühler abgibt, und eine Steuereinheit aufweist, die den Analog/Digital-Wandler, die Recheneinheit und den Digital/Analog-Wandler so steuert, daß die Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Gas ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet,

daß das externe System ein Maschinen-Brennstoffeinspritzungs-System ist.

6. Verfahren zum Regeln eines Luft/Brennstoff-Verhält-

nisses eines einer Maschine zugeführten Gasgemisches unter Verwendung eines Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühlers, der einen der Sauerstoffkonzentration in einem Gas entsprechenden Strom abgibt und der eine Kennlinie zwischen der an den Sauerstoffmeßfühler angelegten Spannung und dem von demselben abgegebenen Strom hat, die aus einem ersten Anstiegsabschnitt, bei dem innerhalb eines Spannungsbereichs unter einem ersten Spannungswert mit dem Anstieg der an den Sauerstoffmeßfühler angelegten Spannung die Stromstärke zunimmt, einem flachen Abschnitt,

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bei dem won dem ersten Spannungswert bis zu einem zweiten ° Spannungswert selbst bei dem Anstieg der Spannung eine im wesentlichen konstante Stromstärke vorliegt, und einem zweiten Anstiegsabschnitt für eine Spannung oberhalb des zweiten Spannungswerts besteht, wobei sich bei dem Strombegrenzungs-Sauerstoffmeßfühler der jeweils die flachen Abschnitte der Spannungs/Strom-Kennlinien von dem ersten Anstiegsabschnitt bis zu dem zweiten Anstiegsabschnitt ergebende Spannungsbereich in Abhängigkeit von unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrat ionen in dem Gas verschiebt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lage und die Steigung einer schrägen Geraden, deren Variable die an den Sauerstoffmeßfühler angelegte Spannung und der von dem SauerstoffmeQfühler abgegebene Strom sind, in der Weise bestimmt werden, daß'die an den Sauerstoffmeßfühler angelegten und längs der schrägen Geraden bei unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen abgenommenen Spannungen jeweils in den bestimmten Spannungsbereich fallen, der bei der jeweiligen Sauerstoffkonzentration den flachen Abschnitt ergibt, daß die Zusammenhänge einer Stromabgabe/Sauerstoffkonzentration-Umsetzungsgeraden mit den Spannungs/Strom-Kennlinien und der schrägen Geraden bestimmt werden, daß unter Bezugnahme auf die der Maschine zugeführte Luftmenge, die Maschinendrehzahl und die Temperatur des Maschinenkühlwassers ein beabsichtigtes Sol1-Luft/Brennstoff-Verhältnis bestimmt wird,

daß unter Bezugnahme auf die zugeführte Luftmenge und die Maschinendrehzahl eine Grund-Einsprltzmenge des in die Maschine einzuspritzenden Brennstoffs bestimmt wird, daß das Soll-Luft/Brennstoffverhältnis in eine SoIl-

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Sauerstoffkonzentration umgesetzt wird, daß unter Bezugnahme auf die Stromabgabe/Sauerstoffkonzentrat lon-Umsetzungsgeraden aus der Sol!-Sauerstoffkonzentration die Stärke eines Bezugsstroms bestimmt wird, daß unter Bezugnahme auf die schräge Gerade aus der Stärke des Bezugsstroms eine an den Sauerstoffmeßfühler anzulegende Spannung bestimmt wird, daß die auf diese Weise bestimmte Spannung an den Sauerstoffmeßfühler angelegt wird, damit der Meßfühler einen Strom abgibt, und

daß der auf diese Weise abgegebene Strom und der Bezugsstrom verglichen werden, wobei die Grund-Emspr itzmenge in Abhängigkeit davon verringert oder gesteigert wird, ob der abgegebene Strom geringer oder höher als der Bezugsstrom ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schrägen Geraden im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Anstiegsabschnitte der Spannungs/ Strorn-Kennl mien ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anfänglich an den Sauerstoffmeßfühler angelegte Spannung 0,2 bis 1,0 V beträgt»