DE3626162C2

DE3626162C2 -

Info

Publication number: DE3626162C2
Application number: DE3626162A
Authority: DE
Inventors: Seikoo Hitachiota Jp Suzuki; Masayuki Katsuta Jp Miki; Takao Tarrytown N.Y. Us Sasayama; Minoru Osuga; Yoshishige Katsuta Jp Oyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1986-08-01
Publication date: 1990-04-26
Also published as: US4882030A; JPS6230948A; JPH0616025B2; KR870002449A; KR950014742B1; DE3626162A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luft-Kraftstoff- Verhältnisermittlungssystem, oder insbesondere ein Ermittlungssystem zum Ermitteln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Auspuffgases eines Motors.

Konventionelle Motor-Luft-Kraftstoff-Ermittlungssysteme zum Ermitteln des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses werden in weiten Bereichen verwendet, um die Verbrennungskraftmaschinen zu steuern.

In den vergangenen Jahres ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisermittlungssystem für magere Verbrennungssteuerung entwickelt worden zum Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Als ein Beispiel offenbart die US-PS 42 82 080 ein System, das in weiten Bereichen bekannt ist zum Ermitteln des Magergemisch Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus dem kritischen Strom, der fließt, wenn Sauerstoff, der von einem Diffusionswiderstand diffundiert, durch eine EMK- Sonde aufgenommen wird.

In einem anderen bekannten System, wie in der US-PS 41 58 166 (JP-A-78-66 292) offenbart, wird auf der anderen Seite das Kohlenmonoxid oder ähnliches, das von einem Diffusionswiderstand diffundiert, in Reaktion gebracht mit dem Sauerstoff, der durch eine EMK-Sonde gesammelt wird, und das Fett-Gemisch Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird ermittelt durch den kritischen Strom, der in dem Trockenelektrolyt in diesem Verfahren fließt.

Aus der DE-OS 30 10 632 ist ein polarographischer Meß fühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen bekannt, bei dem eine erste Elektroden-Trockenelektrolyt- Einheit zum Erfassen des Sauerstoffgehalts für λ<1 mit beiden Elektroden im Gas angeordnet ist.

In der DE-OS 29 23 483 ist ein spezieller polarographischer Meßfühler und ein Verfahren zur Herstellung des Meßfühlers beschrieben. Über eine Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Ver hältnisses wird nichts ausgesagt.

Aus der DE-OS 29 06 459 ist eine Vorrichtung zur Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Fluid bekannt. Der ein gesetzte Meßfühler ist lediglich zur Bestimmung des stöchio metrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses geeignet.

Aus der Druckschrift (5) EP-O 1 44 057 A2 ist ein Meßfühler bekannt, bei dem beide Elektroden dem Verbrennungsgas ausge setzt sind, wobei eine Elektrode in einer Diffusionskammer angeordnet ist, die über ein Gasdiffusionsloch zugängig ist. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird im Magerbereich aus dem Strom durch den Meßfühler bestimmt. Der Fettgemischbereich kann nicht bestimmt werden.

In der DE-OS 29 22 218 ist ein Überwachungsgerät beschrieben, mit dem zwar das Luft-Kraftstoff- Verhältnis sowohl im mageren wie auch im fetten Bereich bestimmt werden kann, aber die Auswertung der EMK im mageren Bereich hat eine niedrige Empfindlichkeit und eine schlechte Line arität (logarithmisch), wodurch eine exakte Bestimmung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses im mageren Bereich erschwert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Luft- Kraftstoff-Verhältnisermittlungssystem anzugeben, das in der Lage ist, das Luft-Kraftstoffverhältnis über einen weiten Bereich von mageren bis fetten Luft-Kraftstoff- Gemischen linear und mit verbesserter Empfindlichkeit zu ermitteln.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Luft-Kraftstoff- Verhältnissermittlungssystem angegeben mit Einrichtungen zum Messen der elektromotorischen Kraft, die zwischen einer ersten und zweiten Elektrode, die auf einem Trocken elektrolyt gebildet sind, während einer ersten Periode erzeugt wird, Einrichtungen zum Steuern der Spannung oder des Stroms, der an die erste und zweite Elektrode angelegt wird, um einen vorbestimmten Wert der elektromotorischen Kraft während einer zweiten Periode zu erreichen, und Ein richtungen zum Erzeugen der Spannung oder des Stromes als ein Signal, das ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis wiedergibt.

Die Erfindung weist in Verbindung mit den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen folgende Vorteile auf:

(1) Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann über einen weiten Bereich vom Magergemisch- bis zum Fettgemischbereich ermittelt werden.
(2) Der elektromotorische Kraft E( λ ) wird ermittelt und die Erregungsspannung V _p wird in solch einer Art gesteuert, daß der Wert E( λ ) konstant ist. Als ein Ergebnis ist, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 11 erläutert, eine Messung möglich, selbst wenn die Temperatur des Trockenelektrolyts niedrig (ungefähr 600°C) ist und der innere Widerstand vergleichsweise hoch ist. Die erforderliche Leistung des Heizers kann somit einer seits vermindert werden und die Lebensdauer des Sensors wird andererseits verbessert. Der Zuführstrom I _p kann anstelle der Erregungsspannung V _p gesteuert werden.
(3) Ebenfalls kann, wie unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert, der Zuführstrom I _p alternativ gesteuert werden, wie oben erwähnt, da die Erregungsspannung Ver änderungen unterworfen ist und deswegen die Ausgangs verstärkung unverändert mit dem Ansteigen des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses bleibt.
(4) Das Trockenelektrolyt verstärkt die Elektronenleit fähigkeit, falls es für längere Zeit in dem Fettge mischbereich verwendet wird, und seine Ausgangskennlinie entwickelt eine Hysterese. In solch einem Fall wird die Elektronenleitung verhindert in der Time- Sharing-Art durch Vermindern des Stromes auf Null, der in dem Trockenelektrolyt fließt.
(5) Die Temperatur des Trockenelektrolytes wird konstant gehalten und die Ermittlungsgenauigkeit verbessert durch Steuerung der Anregung des Heizers durch Ver wenden des inneren Widerstandwertes des Trockenelektrolyts.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Luft-Kraftstoff-Ver hältnis über einen weiten Bereich vom Magergemisch- bis zum Fettgemischbereich ermittelt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht, teilweise im Aufriß, die ein Beispiel eines Sensors zeigt, der in der vor liegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht, die ein weiteres Beispiel eines Sensors zeigt, der in dieser Erfindung verwendet wird,

Fig. 3, 4 und 5 graphische Darstellungen zum Erläutern des Betriebsprinzips der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 7 bis 12 graphische Darstellungen zum Erläutern der Betriebsweise und der Kennlinien einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 13 die Konstruktion einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 14 eine graphische Darstellung, die das Ergebnis eines Experiments zeigt, die mit dieser durchgeführt wurde,

Fig. 15 bis 17 graphische Darstellungen zum Erläutern einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 18 und 19 graphische Darstellungen zum Erläutern einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 20 und 21 graphische Darstellungen zum Erläutern einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Fig. 22 eine graphische Darstellung zum Erläutern einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Zuerst wird eine Erläuterung anhand eines Beispiels eines Sensors vorgenommen, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, unter Bezugnahme auf Fig. 1. Ein röhrenförmiger Detektor 10 ist innerhalb einer Schutzröhre 12 angeordnet, die Öffnungen 11 hat, und innerhalb eines Bolzengliedes befestigt, das eine Schrauben 13 hat. Die Öffnungen 11 können verschiedene Formen annehmen. Diese Zusammenstellung ist auf einem Auspuffrohr 15 montiert, in dem Auspuffgas fließt. Bezugszeichen 16 bezeichnet Elektroanschlüsse und Bezugszeichen 17 Heizeranschlüsse, durch die der Detektor mit einer elektronischen Schaltung verbunden ist. Das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt 10, das den röhrenförmigen Detektor bildet, hat in sich einen länglichen Heizer 40 (einen W-Heizer, der auf einer Aluminiumstange gebildet ist) zum Heizen des Detektors montiert. Der Heizer 40 kann alternativ dazu außerhalb des Zirkoniumoxidtrockenelektrolyts 10 gelegen sein. Dieser Heizer 40 ist vorgesehen für den Zweck des Heizers des Zirkononiumtrockenelektrolyts des Detektors auf eine hohe Temperatur von mindestens 600°C, um die Impedanz von ihm zu vermindern. Dieser Heizer ist empfohlen, aber ist nicht absolut notwendig. Der Detektor 10 weist Elektroden (z. B. aus Platin) sowohl auf dem Inneren als auch auf dem Äußeren des röhrenförmigen Zirkoniumoxidtrockenelektrolyts und einen porös diffundierten Widerstand, der auf dem äußeren Elektrolyt gebildet ist auf. Die atmosphärische Luft wird in das Trockenelektrolyt eingeführt und das Äußere davon wird der Auspuffgasumgebung ausgesetzt.

Ein weiteres Beispiel des Sensors, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Zeichnung zeigt den Fall, indem das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt flach ist und der diffundierte Widerstand lediglich eine Öffnung hat. Die atmosphärische Luft wird durch einen Pfad 32 in das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt in die erste Elektrode 22 eingeführt. Der Rest-Sauerstoff und das unverbrannte Gas in dem Auspuffgas fließen durch die Diffusion in die zweite Elektrode 23 durch den porösen Diffusionswiderstand 24. Das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt 20 wird gesteuert, indem es auf eine hohe Temperatur durch einen Heizer 212 in der Aluminiumisolierschicht 211 geheizt wird, die an dem Elektrolyt 20 befestigt ist.

Auf jeden Fall kann das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt im Prinzip jede Forderung annehmen, soweit es ein Paar von Elektroden hat und so konstruiert ist, daß die atmosphärische Luft in eine von ihnen eingeführt wird und das Auspuffgas durch den Diffusionswiderstand in die andere fließt.

Das Betriebsprinzip der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 3.

In Fig. 3A und 3B bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Trockenelektrode, die leitfähig für Sauerstoffionen ist, mit Platinelektroden 3 a, 3 b, die auf beiden Seiten von ihnen gebildet sind. Die Elektrode 3 a ist in Kontakt mit der Atmosphäre und die Elektrode 3 b mit dem Auspuffgas durch den porösen Diffusionswiderstand 2.

In diesem Ermittlungssystem werden der Betrieb zum Aufbringen der Spannung V auf das Trockenelektrolyt 1, um den Strom I _P zum Laden und Entladen von Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 2, wie in Fig. 3A gezeigt, zu veranlassen und der Betrieb zum Messen lediglich der elektromotorischen Kraft E, die in dem Trockenelektrolyt 1 erzeugt wird, abwechselnd durchgeführt durch Schalten von Schaltungen dieser beiden Funktionen in einer Time-Sharing-Art. Der Strom I _P, der in Fig. 3A gezeigt ist, ändert den absoluten Wert und die Richtung mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dies erfolgt wegen der Tatsache, daß der Wert der Spannung V sich ändert, um den Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 2 zu laden und zu entladen, so daß die elektromotorische Kraft E, die während der Periode, die in Fig. 3B gezeigt ist, gemessen wird, immer konstant gehalten werden kann. Wie in Fig. 3C gezeigt, ändert sich die Anschlußspannung der Elektrode 3 a mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, während der Periode t _e wenn der Strom I _P fließt (wie durch V ₁ und V ₂ angezeigt). Die Spannung während der Periode t _e, wenn die elektromotorische Kraft E gemessen wird, verbleibt auf der anderen Seite konstant bei E mit der Änderung im Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die angelegte Spannung der Fig. 3A wird verändert, um die elektromotorische Kraft E konstant zu halten.

Im folgenden wird die Beziehung zwischen der Veränderung in der Sauerstoffkonzentrationsverteilung in dem Diffusionswiderstand 2 mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Bewegung von Sauerstoff oder Strom I _P unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert. Fig. 4A zeigt den Betrieb in dem mageren Bereich, in dem der Strom I _P, die Bewegung von Sauerstoff und die Sauerstoffkonzentrationsverteilung für das Luft- Kraftstoff-Verhältnis, das kleiner ist als ein vorbestimmter Wert λ, in durchgezogenen Linien gezeigt werden, und diese Größen für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das einen anderen Wert λ′ annimmt, durch gestrichelte Linien. In dieser Zeichnung wird angenommen, daß die Beziehungen in λ′ ≦λτ λ ≦λτ 1 gelten. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ ist, ist die Sauerstoffkonzentration des Auspuffgases P ₀₂, und die Sauerstoffkonzentration auf der Auspuffgasseite des Diffusionswiderstands 2 nimmt ebenfalls den Wert P ₀₂ an. Der Strom I _P wird in solch einer Art aufgebracht, daß die elektromotorisch Kraft E einen vorbestimmten Wert auf der Basis der elektromotorischen Kraft E annimmt, die während eines vorangehenden Zeitpunkts gemessen wurde, und deswegen wird der Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 2 nach außen in die Atmosphäre gezogen mit dem Ergebnis, daß die Sauerstoffkonzentration in der Nachbarschaft der Elektrode 3 b auf dem vorbestimmten Wert P ₀ verbleibt. Wenn die elektromotorische Kraft E z. B. 0,5 V ist, ist der Wert P ₀ ungefähr 10^-12%. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich zu λ′ (λ′ ≦λτ λ) verändert, steigt die Sauerstoffkonzentration auf der Auspuffseite des Diffusionswiderstandes 2 auf P ₀₂′. Da der Strom I _P′, der größer ist als I _P, angelegt wird, um die elektromotorische Kraft E konstant zu halten, wird die Sauerstoffkonzentration in der Nachbarschaft der Elektrode 3 b auf einem vorbestimmten Wert P ₀ gehalten. Auf diese Art ist es, in dem Fall, wo die Sauerstoffkonzentration sich von P ₀₂ in P ₀₂′ (P ₀₂ ≦ωτ P ₀₂′) verändert notwendig, einen großen Betrag von Sauerstoff zu bewegen, um P ₀ konstant zu halten. Genauer gesagt wird die Spannung V verändert in V′ (V′ ≦λτ V), um dabei I _P zu I _P′ (I _P′ ≦λτ I _P) zu vergrößern. Als ein Ergebnis ist der Stromwert, d. h. der bedingte Spannungswert, proportional zu dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis.

Fig. 4B zeigt den Betrieb in dem Fettgemischbereich. In diesem Fettgemischbereich, wo das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ″ (λ″ ≦ωτ 1), wird Verbrennungsgas, wie CO, erzeugt, und deswegen ist, falls die Sauerstoffkonzentration in der Nachbarschaft der Elektrode 3 b P _O sein muß, es notwendig, Sauerstoffgas von der Atmosphäre in die Auspuffseite zuzuführen. Für diesen Zweck wird die Polarität der an das Trockenelektrolyt 1 angelegten Spannung reversiert und der Strom I _P″ wird in der zu der dem Magergemischbereich umgekehrten Richtung angelegt. Diese Betriebsweise hält die Sauerstoffkonzentration in der Nachbarschaft der Elektrode 3 b bei P _O. Die durchgezogene Linie in dem Diffusionwiderstand 2 stellt die Konzentrationsverteilung von Kohlenmonoxid CO dar, das P _CO auf der Auspuffseite ist, wobei P _O im wesentlichen 0 auf der Seite der Elektrode 3 b ist. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich weiter von λ″ vermindert, kommt ein großer Betrag von CO zur Entstehung und diffundiert in dem Diffusionwiderstand 2 und deswegen muß, falls die Sauerstoffkonzentration in der Nähe der Elektrode 3 b auf P _O gehalten werden muß, eine vergrößerte Menge von Sauerstoff zugeführt werden. Für diesen Zweck wird die Spannung V″ vergrößert, um den Strom I _P″ zu vergrößern. Mit anderen Worten, die Spannung V″ ändert sich mit dem Luft- Kraftstoff-Verhältnis.

Auf diesem Prinzip ist es möglich, das Luft-Kraftstoff- Verhältnis von Fettgemisch- zu Magergemischbereichen zu messen. Es ist jedoch notwendig, die Richtung des Stromes zu reversieren. Diese Operation wird automatisch in der unten beschriebenen Ausführungsform durchgeführt, ohne den Punkt von λ = 1,0 zu ermitteln. Eine solche Ausführungsform wird jetzt im folgenden beschrieben.

Fig. 5A zeigt eine graphische Darstellung zum Erläutern des Betriebs des Magergemischbereichs. Die Elektrode 3 b auf der Auspuffseite ist verbunden mit einer Potentialmasse 4, die ein vorbestimmtes Potential V _PG hat. Zum Zuführen des Stromes I _P in Richtung des Pfeiles in dem Magergemischbereich wird die Spannung V _P der Elektrode 3 a höher gehalten als V _PG. Genauer gesagt wird Sauerstoff aus dem Diffusionswiderstand 2 in Richtung auf die Atmosphäre unter der Bedingung gezogen, wenn V _P höher ist als V _PG. In dem Fettgemischbereich, der in Fig. 5B gezeigt ist, wird auf der anderen Seite die Spannung V _P kleiner gehalten als V _PG, so daß der Strom I _P in die Richtung entgegengesetzt zu der für den Magergemischbereich fließt, um dabei Sauerstoff in den Diffusionswiderstand 2 zuzuführen.

Wie oben erläutert, kann durch Verbinden der Elektrode 3 b mit der Potentialmasse 4 und Ändern der Spannung auf der Seite der Elektrode 3 b die Richtung des Stromes I _P automatisch reversiert werden. Die Konstruktion dieser Potentialmasse wird später beschrieben werden.

Eine allgemeine Anordnung der Treiberschaltung für das Ermittlungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 6 gezeigt. Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Mikrocomputer zum abwechselnden Anlegen eines An-Aus-Signals an die Anschlüsse A und B. Dieser Mikrocomputer kann mit gleicher Wirkung durch einen einfachen Oszillator oder einer Oszillatorschaltung ersetzt werden, die einen Kondensator und einen Widerstand aufweisen, Wenn das An-Signal an den Anschluß A angelegt wird, wird der Schalter SW ₁ angeschaltet (leitet), während ein Aus-Signal an den Anschluß B angelegt wird, um dabei den Schalter SW ₂ abzuschalten (abzuschneiden). Wenn der Schalter SW ₁ angeschaltet ist, fließt der Strom I _P in das Trockenelektrolyt 1. Während der folgenden Periode werden die An-Aus-Zustände der Anschlüsse A und B reversiert, so daß der Schalter SW ₂ angeschaltet wird, während der Schalter SW ₁ abgeschaltet wird. Während der Periode, wenn der Schalter SW ₂ an ist, wird die elektromotorische Kraft E gemessen. Die elektromotorische Kraft E, die während dieser Periode ermittelt wird, wird durch einen Haltekreis 6 gehalten, und die elektromotorische Kraft E wird somit bei einem vorbestimmten Wert aufrechterhalten, selbst wenn der Schalter SW ₂ abgeschaltet wird. Im nächsten Moment vergleicht eine Differential-Integrations-Schaltung 7 die elektromotorische Kraft E mit einem Referenzwert E _ref, und wenn die erstere kleiner ist als die letztere wächst der Ausgang V _PH der Differential-Integrations-Schaltung 7 weiter. Diese Spannung V _P wird an das Trockenelektrolyt 1 angelegt, wenn der Schalter SW ₁ angeschaltet wird. In dem Fall, wo die Spannung E höher ist als E _ref, nimmt im Gegensatz dazu der Ausgang V _P des Differential-Integrator 7 weiter ab. Auf diese Art erfährt der Ausgang V _PH eine Veränderung, um den Strom I _P in solch eine Art zu steuern, daß die elektromotorische Kraft E sich E _ref annähert. In dem Fettgemischbereich wird, nebenbei gesagt, der Ausgang V _P vermindert, um kleiner zu werden als V _PG, wie oben erwähnt.

Um einen Schaltungsausgang zu erhalten, wird ein fester Widerstand R ₁ zwischen der Potentialmasse 4 und der Elektrode 3 b eingefügt, und die Anschlußspannung wird durch einen Haltekreis 8 gehalten, um dabei ein Ausgang V _out zu erzeugen. Die Potentialmasse 4 ist eine konstante Spannungsquelle, die immer mit einer konstanten Spannung versorgt wird. Da der Widerstand R ₁ im Wert fest ist, nimmt der Ausgang V _out einen Wert an, der proportional zu dem Strom I _P ist.

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung zum Erläutern der Signalpegel von verschiedenen Teilen und den Betrieb der Schalter SW ₁ und SW ₂, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Fettgemisch- zu Magergemischbereichen ändert. Fig. 7A zeigt eine tatsächliche Veränderung im Luft-Kraftstoffverhältnis von einem Punkt kleiner als 1 zu einem Punkt größer als 1. Fig. 7B zeigt V _P′, die an die Elektrode 3 a durch den Schalter SW ₁ angelegt wird, und Fig. 7C die elektromotorische Kraft E, die an die Differential-Integrations- Schaltung angelegt wird. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis eine plötzliche Veränderung in den Magergemischbereich erfährt, steigt der Betrag von Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 2, und deswegen nimmt die elektromo torische Kraft E unterhalb der Spannung E _ref ab. Als ein Ergebnis wächst der Ausgang V _P der Differential-Integrations- Schaltung 17 weiter. Wenn sich das Luft-Kraftstoff- Verhältnis bald auf einem bestimmten Wert festsetzt, konvergiert der Ausgang V _P ebenfalls zu einem vorbestimmten Wert. In dem Verfahren konvergiert die elektromotorische Kraft E zu E _ref. Fig. 7C und 7D zeigen die Perioden, während denen die Schalter SW ₁ und SW ₂ jeweils angeschaltet werden. Die An-Aus-Perioden dieser Schalter sollten ausreichend kurz sein, verglichen mit der normalen Zeit der Luft-Kraftstoff-Verhältnisänderung. Fig. 7E zeigt die Spannung V _out, die kleiner ist als V _PG in dem Fettgemischbereich und höher wird als V _PG in dem Magergemischbereich.

Wie oben erwähnt ändert die Schaltung den Ausgang V _P in solch einer Art, daß die elektromotorische Kraft E zu E _ref gemacht wird. In dem Fall, wo das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich von dem Magergemisch- in den Fettgemischbereich verändert, nimmt auf der anderen Seite der Ausgang V _P ab, ebenso wie der Ausgang V _out.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis (Luftüberschußrate) λ und der Spannung V _out. Wenn λ 1,0 ist, ist der Strom I _P theoretisch gleich Null und deswegen ist V _out gleich V _PG. Wenn λ kleiner als 1 ist, ist V _out kleiner als V _PG, während, wenn λ größer als 1 ist, die Spannung V _out größer als V _PG ist. Genauer gesagt reversiert die Richtung des Stromes I _P automatisch bei den λ-Werten von 1,0, wobei sie es dabei möglich macht, kontinuierlich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Festgemisch- zu Magergemischbereichen zu messen.

Die physikalische Bedeutung der Betriebsweise des Ermittlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird erläutert. Fig. 9 ist ein Kennliniendiagramm, das den Stromwert I zeigt, der sich mit dem Wachsen in der Spannung V verändert, die an das Trockenelektrolyt angelegt wird. Wenn die Spannung V von Null vergrößert wird, wächst der Strom I im Verhältnis zu der Spannung V durch die Leitung von Sauerstoffionen in dem Bereich (a). Mit weiterem Anwachsen der Spannung V wird der Fluß von Sauerstoff gesteuert durch die Funktion des Diffusionswiderstandes 2, und der Strom I ändert sich zweifellos nicht mit dem Anwachsen der Spannung V (Bereich (b)). Unter dieser Bedingung nimmt der Strom I einen Wert an, der kritischer Wert genannt wird.

Das Betriebsprinzip der Schaltung, die in Fig. 6 mit dem Luft-Kraftstoffverhältnis, das auf einem vorbestimmten Wert fixiert ist, gezeigt ist, wird erläutert unter Bezugnahme auf die Kennlinie, die durch eine durchgezogene Linie in Fig. 9 dargestellt ist. Es sei angenommen, daß der Ausgang V _P der Differential-Integrations-Schaltung 7 in dem Bereich (a) enthalten ist. Die elektromotorische Kraft E, die zwischen den Anschlüssen erzeugt wird, ist im wesentlichen Null. Als ein Ergebnis vergrößert die Differential-Integrations- Schaltung 7 den Ausgang V _P. Bald darauf, wenn der Ausgang V in den Bereich (b) einzudringen beginnt, beginnt eine elektromotorische Kraft über die Anschlüsse ebenfalls erzeugt zu werden, und wenn die elektromotorische Kraft E _ref wird, hört der Ausgang V _P auf zu wachsen, und konvergiert auf V _C. Unter dieser Bedingung fließt der Strom I _P in das Trockenelektrolyt. Dieser Strom I _P ist gleich zu dem oben erwähnten kritischen Stromwert und nimmt einen Wert an, der proportional zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.

Die Kennlinie, die durch die gestrichelte Linie in Fig. 9 dargestellt ist, ist auf der anderen Seite niedrigen Temperaturen des Trockenelektrolyts 1 zugeordnet. Falls der Ausgang V _P auf V _C verbleibt, ist der Stromwert I _L, was nicht ein kritischer Strom ist. In der Schaltung der vorliegenden Erfindung wird E jedoch als beinah Null entschieden, wenn V _P gleich zu V _C ist, und deswegen wächst der Ausgang V _P weiter, bis er zu V _C′ konvergiert, wo die elektromotorische Kraft E gleich E _ref ist. Als ein Ergebnis nimmt der Strom, der in dem Trockenelektrolyt unter dieser Bedingung fließt, ebenfalls einen kritischen Stromwert an. Auf diese Art wird in dem Ermittlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Strom, der äquivalent zu dem kritischen Strom ist, immer an das Trockenelektrolyt 1 angelegt gegen die Variationen in der Temperatur des Trockenelektrolytes 1.

Fig. 10 ist ein Kennliniendiagramm für verschiedene Werte λ ₁, λ ₂, λ ₃ und λ ₄ (λ ₁ ≦λτ λ ₂ ≦λτ λ ₃ ≦λτ λ ₄) des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses λ mit der Temperatur des Trockenelektrolytes 1 konstant gehalten. Wenn das Luft- Kraftstoff-Verhältnis λ ₁ ist, ist es notwendig, die Spannung V _P1 an das Trockenelektrolyt 1 anzulegen, falls die elektromotorische Kraft über die Anschlüsse E _ref sein muß, und deswegen steigt der Ausgang V _PH auf V _P1 und konvergiert zu V _P1. Unter dieser Bedingung fließt der Strom I _P1, der übereinstimmt mit dem kritischen Stromwert für das Luft- Kraftstoff-Verhältnis λ ₁. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich auf λ ₂ verändert, nimmt auf der anderen Seite der Ausgang V _PH ab und konvergiert auf V _P2, und der Strom nimmt einen Wert von I _P2 an. Auf ähnliche Weise fließen, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ₃ und λ ₄ ist, die kritische Ströme I _P3 und I _P4 jeweils in dem Trockenelektrolyt 1. Die Schaltung, die in Fig. 6 gezeigt ist, erzeugt einen Ausgang proportional zu solch einem Strom und ist deswegen immer in der Lage den kritischen Stromwert zu überwachen.

Fig. 11 zeigt Variationen im Ausgang über der Temperatur T des Trockenelektrolyts 1. In diesem Fall wird das Luft- Kraftstoff-Verhältnis konstant gehalten. Fig. 11B zeigt eine Kennlinie mit einer konstanten Spannung V _C, die an das Trockenelektrolyt 1 angelegt ist, wie aus Fig. 9 zu sehen, und Fig. 11A eine Ausgangskennlinie des Ermittlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie oben beschrieben ist die Temperaturabhängigkeit des Ausgangs klein, da der kritische Stromwert gegen Veränderungen in der Temperatur T überwacht werden kann.

Fig. 12 zeigt eine Ausgangskennlinie über das veränderte Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ bei einer konstanten Temperatur T. Eine Kennlinie mit einer konstanten Spannung, die an das Trockenelektrolyt 1 angelegt ist, ist in Fig. 12B gezeigt. Wie aus Fig. 10 zu sehen, wird es, z. B. wenn die Spannung bei V _P3 fixiert ist, unmöglich, den kritischen Strom mit dem Anwachsen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu messen mit dem Ergebnis, daß, wie in Fig. 12B gezeigt, die Verstärkung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ vermindert wird für einen großen Wert des letzteren. Die Kennlinie, die in Fig. 12A gezeigt ist, ist die des Ermittelungsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, die anzeigt, daß, selbst wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis verändert, die Spannung V _P verändert wird, um den kritischen Stromwert zu messen, so daß die Verstärkung des Ausgangswertes über das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ die gleiche bleibt mit dem Anwachsen von λ.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel einer speziellen Schaltungsanordnung des Ermittlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Microcomputer oder einen Oszillator zum Erzeugen eines Umschaltsignals. Ein Haltekreis 6 weist einen Kondensator C ₁ und einen Pufferverstärker A ₁ auf. Die elektromotorische Kraft E, die beim Haltekreis 6 gehalten wird, wird an eine Differential- Integrations-Schaltung 7 angelegt. Diese Differential- Integrations-Schaltung 7 vergleicht die elektromotorische Kraft E mit der Referenzspannung E _ref. Wenn E kleiner ist als E _ref wächst die Spannung V _P weiter, während, wenn E größer ist als E _ref, die Spannung V _P weiter abnimmt. Diese Integrationsbetriebsweise wird fortgesetzt, bis die elektromotorische Kraft E zu E _ref konvergiert und nachdem E so konvergiert, läßt sich die Spannung V _P ebenfalls auf einem vorbestimmten Wert nieder. Diese Spannung V _P wird durch einen Pufferverstärker A ₂ und einen Schalter SW ₁ an die Elektrode 3 a angelegt. Die Potentialmasse 4 weist auf der anderen Seite einen Pufferverstärker A ₃ auf und erzeugt eine konstante Spannung V _PG. Es sei angenommen, daß der Schalter SW ₁ angeschaltet ist, und die Spannung V _P wird an das Trockenelektrolyt 1 angelegt. Wenn V _P höher ist als V _PG, fließt der Strom durch den Pufferverstärker A ₂ und das Trockenelektrolyt 1 und fällt auf Masse in dem Pufferverstärker A ₃. Die Potentialmasse wird jedoch konstant bei V _PG gehalten. In dem Fall, wo V _P kleiner ist als V _PG, fließt auf der anderen Seite der Strom durch den Pufferverstärker A ₃ und das Trockenelektrolyt 1 und fällt auf den Massepegel in dem Pufferverstärker A ₂, obwohl der Ausgang des Pufferverstärkers A ₂ konstant bei V _P gehalten wird. Die Anschlußspannung (V _out) des Widerstandes R ₁ mit dem angeschalteten Schalter SW ₁ wird gehalten und erzeugt durch den Pufferverstärker A ₄ und den Kondensator C ₁ der Ausgangsschaltung 8. Diese Schaltung erlaubt die Ermittlung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 14 zeigt das Ergebnis des tatsächlichen Motorauspuffgases gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnt ist. Der Sensor in dem Ermittlungssystem ist in der Auspuffleitung des Motors montiert, der bei der Geschwindigkeit von 1250 U/min und einem konstanten Moment von 3 kg.m angetrieben wird. In Fig. 14 stellt die Abzisse das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ und die Ordinate den Ausgang dar. Wie aus Fig. 14 zu sehen, kann das Luft- Kraftstoff-Verhältnis gemessen werden über einen weiten Bereich von einem kleiner als 1 bis größer als 1. Die Verstärkung des Ausgangswertes ändert sich bei dem Luft- Kraftstoff-Verhältnis von 1. Dies erfolgt hinsichtlich der Tatsache, daß, wenn λ größer ist als 1, der kritische Strom I _P von der Sauerstoffkonzentration des Auspuffgases abhängt, während in dem Bereich von λ kleiner als 1 der Strom I _P abhängig ist von den Verbrennungsgasen CO, HC und H₂ in dem Auspuffgas. Insbesondere wegen der sehr hohen Diffusionsrate von H₂ in dem Auspuffgas (ungefähr 4 × die von CO und O₂) ist ein großer Strombetrag erforderlich, was zu einem großen Ausgang führt.

Im folgenden wird ein Temperatursteuerungsverfahren erläutert, durch das der innere Widerstand r konstant gehalten wird, um die Temperatur des Trockenelektrolyts 1 konstant zu halten. Fig. 15A zeigt die Betriebsweise für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als 1. In diesem Fall fließt der Strom I _P entlang der Richtung des Pfeiles in der Zeichnung und die Beziehung V _P ≦λτ V _H ≦λτ V _PG gilt, worin V _P die Spannung auf der Elektrode 3 a, V _H die Spannung auf der Seite der Elektrode 3 b und V _PG die Spannung auf der Seite der Potentialmasse 4 des Widerstandes R ₁ ist. Die Werte V _P, V _H und V _PG sind untereinander korreliert, wie unten gezeigt.

V _P - V_H = E + rI _P (1)

V _H - V_PG = rc · I_P (2)

Worin E die elektromotorische Kraft und rc der Widerstandswert des Widerstandes R ₁ ist. Aus Gleichung (1) oben wird der innere Widerstand r gegeben als

In dieser Gleichung ist V _H bekannt, da es immer als Ausgang gemessen wird und E ist ebenfalls bekannt, da es immer auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird. Unter der Annahme daß

V* = V _H + E (4)

wird die Gleichung (3) neu geschrieben als

oder von Gleichung (2) wird I _P ausgedrückt als

Da die Werte V _H, V _PG und rc bekannt sind, ist I _P ebenfalls bekannt. Als ein Ergebnis kann der innere Widerstand r des Trockenelektrolytes 1 von Gleichungen (5) und (6) berechnet werden.

Die Betriebsweise in dem Fall λ kleiner als 1 ist in Fig. 15B gezeigt. In diesem Fall fließt der Strom I _P in die Richtung entgegengesetzt zu der in Fig. 15A und deswegen gelten für die Spannungen an den jeweiligen Teilen die Beziehung V _P ≦ωτ V _H ≦ωτ V _PG. Nach den Berechnungen der Gleichungen (1) bis (6) ist die Beziehung zwischen V _P, V _H und V _PG als

V _P - V_H = E - rI_P (7)

V _PG - V_H = rc · I_P (8)

Gleichung (7) wird neu geschrieben von Gleichung (4) als

Von Gleichung (8) wird auf der anderen Seite I _P ausgedrückt als

Da V _PG, V _H, rc undV* bekannt sind, wird der innere Widerstand r erhalten von Gleichungen (9) und (10). Durch Berechnen des inneren Widerstandes r wird der Heizer gesteuert, um dabei den inneren Widerstand r konstant zu halten. Fig. 16 zeigt den Fluß der Heizersteuerung. Diese Berechnung ist unterschiedlich zwischen den Werten λ größer und kleiner als 1. Zuerst wird diese Entscheidung gemacht durch die Tatsache, daß die relativen Größen von V _H und V _PG sich abhängig von der Richtung des Stromes I _P ändern (Schritt 101). Wenn λ größer ist als 1, ist V _H größer als V _PG und deswegen wird der Strom I _P berechnet von Gleichung (6) (Schritt 102). Dann wird der innere Widerstand r berechnet von diesem Strom I _P und Gleichung (5) (Schritt 103). Dieser innere Widerstand r wird verglichen mit dem Widerstandswert r _ref, anzusteuernden (Schritt 104). Wenn r größer ist als r _ref, ist die Temperatur des Trockenelektrolytes 1 niedriger als ein vorgegebener Wert und deswegen wird ein Signal Hi zum Anstellen des Heizers erzeugt, um dabei das Trockenelektrolyt 1 zu heizen (Schritt 105). Wenn r kleiner ist als r _ref, ist im Gegensatz dazu T größer als ein vorgegebener Wert und deswegen wird ein Signal Lo zum Abschalten erzeugt (Schritt 106). Danach kehrt das Verfahren zu Schritt 101 zurück.

In dem Fall, wo V _H kleiner ist als V _PG, ist auf der anderen Seite λ kleiner als 1,0 und deswegen wird der Strom I _P berechnet von Gleichung (10) (Schritt 107). Von diesem I _P und Gleichung (9) wird der innere Widerstand berechnet (Schritt 108). Nachdem der innere Widerstand auf diese Art erhalten wurde, geht das Verfahren zu Schritt 104 weiter, gefolgt von dem gleichen Ablauf von Schritten wie zuvor zum Steuern des Heizers. Obwohl dieser Betriebsablauf durch eine analoge Schaltung bearbeitet werden kann, ist es vorteilhafter, eine digitale Schaltung mit A/D-Wandlung verbunden mit dem Mikrocomputer 5 zu verwenden.

Fig. 17 ist ein Verkabelungsdiagramm für eine Schaltung zum Steuern des Heizers. Die oben erwähnten Ausgänge V _PH und V _H werden an einen A/D-Wandler 42 von einer Treiberschaltung 41 des Ermittlungssystems angelegt. Digitale Werte, die V _PH und V _H entsprechen, werden an den Mikrocomputer 5 angelegt. In dem Mikrocomputer 5 wird der Betriebsablauf, der in Fig. 16 gezeigt ist, ausgeführt und Signale Hi und Lo werden an den Komparator 43 angelegt. Wenn ein Signal Hi erzeugt wird, legt der Komparator 43 ein Signal Lo an die Basis des Transistors T _r1 an, so daß der Transistor T _r1 zu leiten beginnt und Strom in den Heizer 40 fließt, um so das Trockenelektrolyt 1 zu heizen.

Wenn ein Signal Lo von dem Mikrocomputer 5 erzeugt wird, erzeugt im Gegensatz dazu der Komparator 43 ein Signal Hi mit dem Ergebnis, daß der Transistor T _rl abgeschaltet wird, so daß kein Strom in den Heizer 40 fließt. Auf diese Art wird die Heizersteuerung ausgeführt durch Hardware, um so die Temperatur des Trockenelektrolyts 1 immer konstant zu halten.

Ein weiteres Verfahren zum Steuern des Heizers ist in Fig. 18 gezeigt. Dieses Verfahren ist so, daß, wie in Fig. 18A gezeigt, eine Periode t _h zum Messen des inneren Widerstands r des Trockenelektrolyts 1 durch Zuführen eines vorbestimmten Stromwertes neuerlich vorgesehen ist zusätzlich zu der Periode t _i zum Zuführen des Stromes I _P und der Periode t _e zum Messen der elektromotorischen Kraft E. Wie in Fig. 18B gezeigt, wird der konstante Strom I _H während der Periode t _h zugeführt und durch Ermitteln der bewirkten Anschlußspannung V _HC wird der innere Widerstand r gemessen. In dem Verfahren, wie in Fig. 18C gezeigt, wird der Strom I _H in solch eine Richtung zugeführt, um Sauerstoff in den Diffusionswiderstand 2 zuzuführen. Die Anschlußspannung V _HC wird somit ausgedrückt als

V _HC = rI_H - E (11)

V _HC ∞ r (12)

Wie von Gleichung (12) zu sehen, ist die Spannung V _HC eine Funktion des inneren Widerstandes r, da die Werte I _H und E bekannt sind. Genauer gesagt, wenn der Heizer in solch einer Art gesteuert wird, daß die Spannung V _HC durch Messung gehalten wird, ist eine genaue Temperatursteuerung möglich. Die durchgezogenen Linien in Fig. 18A und 18B stellen den Fall da, wo λ größer ist als 1 und die strichpunktierten Linien den Fall, wo λ kleiner als 1 ist, die in Fig. 18B gezeigt, ist, falls λ kleiner als 1 ist, die Richtung des Stromes I _P entgegengesetzt zu dem Fall, wo λ größer als 1 ist, und ist deswegen mit einem Minuszeichen gezeigt.

Während der Periode t _h, wenn der Strom I _H in der Richtung der Fig. 18C zugeführt wird, wird Sauerstoff zu der Auspuffseite zugeführt, was die Tatsache anzeigt, daß das Trockenelektrolyt 1 in dem Fettgemischbereich abgeschirmt ist.

Fig. 19 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Realisieren der Betriebsweise, die in Fig. 18 erläutert ist. Ein Signal zum Anschalten während der Periode t _i wird von dem Anschluß A des Mikrocomputers 5 erzeugt, ein Signal zum Anschalten während der Periode t _e von dem Anschluß B und ein Signal zum Anschalten während der Periode t _h von dem Anschluß C. Als ein Ergebnis wird lediglich der Schalter SW ₃ angeschaltet, während der Periode t _h. Bei Leitung dieses Schalters SW ₃ fließt ein konstanter Strom I _H von einer Konstantstromquelle 44 zu dem Trockenelektrolyt 1. Die Anschlußspannung V _HC, die unter dieser Bedingung erzeugt wird, wird abgetastet und gehalten durch einen Kondensator C ₃ und einen Pufferverstärker A ₅. Selbst in dem Fall, wo der Schalter SW ₃ nicht leitend ist, wird deswegen der Ausgang des Pufferverstärkers A ₅ bei V _HC gehalten. Dieser Ausgang V _HC wird verglichen mit der Referenzspannung V _ref, und wenn V _HC größer ist als V _ref, wird ein Aus-Signal von dem Komparator 45 an die Basis des Transistors T _r2 angelegt. Als ein Ergebnis beginnt der Transistor T _r2 zu leiten, so daß Strom zu dem Heizer 40 zugeführt wird, um dabei das Trockenelektrolyt 1 zu heizen. Wenn V _HC kleiner ist als V _ref, wird im Gegensatz dazu ein An-Signal von dem Komparator 45 erzeugt und deswegen der Transistor T _r2 abgeschaltet mit dem Ergebnis, daß der Strom aufhört in den Heizer 40 zu fließen. Ein Wert von V _ref, der dem gewünschten inneren Widerstand r entspricht, wird im voraus durch Gleichung (11) bestimmt. Auf diese Art wird, während der innere Widerstand r des Trockenelektrolyts 1 überwacht wird, eine hoch genaue Temperatursteuerung möglich.

Die allgemeine Anordnung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 20. Die Potentialmassenschaltung 84, die eine Spannungsquelle 64 für das potentiale V _PG und einen Pufferverstärker 65 aufweist, hält die Ausgangsspannung des Verstärkers 65 auf einen um V _PG höheren Wert als die Schaltungsmasse. Als eine Folge ist das Potential der Elektrode 53, die in Kontakt mit der Auspuffgasumgebung über den Diffusionswiderstand 54 aus porösem Material ist, immer höher als die Schaltungsmasse, so daß es möglich ist, die positiven und negativen Pumpströme I _P, die sich in dem Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt 50 bewegen, zu messen. Der Widerstand 66 ist zum Ermitteln des Pumpstromes I _P und durch Konvertieren des Stromes I _P in eine Ausgangsspannung e ₀, wird er an den Mikrocomputer zur Motorsteuerung von der Schaltung 88 angeregt, die den Pufferverstärker 67 und den Kondensator 62 aufweist.

Es sei angenommen, daß eine Pulsfolge A eines Time-Sharing- Signalgenerators 85 aus ist und eine Pulsfolge B an. Die Schalter 68 und 69, die CMOS aufweisen, sind abgeschaltet. Mit dem Abschalten des Schalters 69 gibt es keine Erregungsspannung, die von der Integratorschaltung 87 zur Elektrode 52 zugeführt wird, um dabei gewaltsam den Pumpstrom I _P, der in der Zirkoniumoxidtrockenelektrode fließt, auf Null zu vermindern. Unter dieser Bedingung ist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden begrenzt auf die Komponente der elektromotorischen Kraft e λ und deswegen wird diese Komponente ermittelt durch eine Differentialverstärkerschaltung 89, die Widerstände 71 bis 74 und einen Verstärker 75 aufweist. Es ist somit möglich, die elektromotorische Kraft e λ mit hoher Geschwindigkeit zu ermitteln, ohne durch große Ohm'sche Verlustspannung beeinträchtigt zu werden. Da der Schalter 76 an ist, wird der Wert e λ, der durch die Differentialverstärkerschaltung 89 ermittelt wird, schnell zu einem Haltekreis 86 übertragen, der einen Kondensator 77 und einen Verstärker 78 aufweist. Dieser Wert e λ wird an eine Integratorschaltung 87 angelegt und wird verglichen mit der Referenzspannung E _ref. Die Zeitkonstante τ der Integratorschaltung 87 wird bestimmt von dem Werten des Widerstandes 79 und des Kondensators 80 und ist auf einen Wert von einigen Zehntel ms gesetzt. Die Referenzspannung E _ref ist auf der anderen Seite gesetzt auf einen Wert von 0,3 bis 0,6 Volt. Wenn e λ kleiner ist als E _ref, funktioniert die Schaltung, um die Erregungsspannung, die an der Elektrode 52 angelegt wird, zu vergrößern, während, wenn e λ größer ist als E _ref, die Schaltung arbeitet, um die Erregungsspannung zu vermindern.

Wenn die Pulsfolgen A und B des Time-Sharing-Signalgenerators 85 reversiert werden, wird der Schalter 69 angeschaltet und die Erregungsspannung wird von der Integratorschaltung 87 an die Elektrode 52 angelegt. Wenn e λ kleiner ist als E _ref, wird die Erregungsspannung hoch, so daß die Schaltung arbeitet, um viel Sauerstoff von der Elektrode 53 im Fettgemischzustand herauszuziehen, während der Betrag von Sauerstoff, der zu der Elektrode 53 im Fettgemischzustand zugeführt wird, reduziert wird, wobei die Erregungsspannung der Rückführsteuerung unterworfen ist, um e λ gleich mit E _ref zu machen.

Wenn e λ größer ist als E _ref, wird die Erregungsspannung im Gegensatz dazu klein, und deswegen wird ein kleinerer Betrag von Sauerstoff von der Elektrode 53 im Magergemischzustand herausgezogen, während ein größerer Betrag von Sauerstoff zu der Elektrode 53 im Fettgemischzustand zugeführt wird. Auf ähnliche Weise wird die Erregungsspannung durch Rückführung gesteuert, so daß e λ gleich mit E _ref sein kann. Die Rückführsteuerung wird bewirkt in einen Gleichgewichtszustand durch die elektrochemische Sauerstoffpumptätigkeit. Damit die Erregungsspannung nicht abgetastet werden kann, wird der Schalter 76 abgeschaltet, während der Schalter 68 angeschaltet wird, mit dem Ergebnis, daß eine Spannung, die dem Pumpstrom I _P entspricht, der durch den Ermittlungswiderstand 66 ermittelt wird, abgetastet wird und als Ausgangsspannung V _out von der Ausgangsschaltung 88 erzeugt wird, die den Kondensator 62 und den Pufferverstärker 67 aufweist. Durch diese abwechselnden sich wiederholenden Tätigkeiten ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Fettgemischbereich, dem stöchiometrischen Bereich und dem Magergemischbereich kontinuierlich zu ermitteln.

Es ist notwendig, daß die Zeit zum Ermitteln der elektromotorischen Kraft unterhalb von einigen ms gehalten wird im Hinblick auf die Tatsache, daß die elektromotorische Kraft e λ einer langsamen Änderung durch die Gasdiffusion in dem Diffusionswiderstand 54 unterworfen ist.

In dem Fall, wo der Diffusionswiderstand 54 mit dem Schalter 69 aus CMOS erzeugt wird, um den kritischen Stromwert I _P z. B. zu erhöhen, ist der Spannungsabfall durch den inneren Widerstand davon beträchtlich und deswegen ist ein Schalter wie ein Transistor wünschenswert. In solch einem Fall ist erforderlich, daß der Strom in zwei Richtung (positiv und negativ) mit einem Paar von Transistoren zugeführt wird, um eine bidirektionale Bewegung des Stromes möglich zu machen.

Die Integratorschaltung 87 kann einen Differentialverstärker mit geeigneter Verstärkung aufweisen.

Auf jeden Fall kann die Luftüberschußrate λ mit hoher Genauigkeit durch die Anordnung, die in Fig. 20 gezeigt ist, ermittelt werden, selbst wenn die Erregungsspannung zwischen den Elektrodenspannung einige Male höher wird als die elektromotorische Kraft e λ.

Als ein Ergebnis wird selbst in dem Fall, wo die Temperatur des Zirkoniumoxidtrockenelektrolyts 50 niedrig ist (600°C oder höher gemäß Experimenten), die Heizerleistung vermindert, um dadurch seine Lebensdauer im Betrieb zu verlängern.

Gemäß unseren Experimenten entwickelt in dem Fall, daß der Sensor kontinuierlich einer Umgebung eines fetten Gemisches für einige 10 Minuten bis zu einigen Stunden ausgesetzt ist, die Ausgangskennlinie eine Hysterese, wahrscheinlich wegen der lokalen Elektronenleitung des Zirkoniumoxidtrockenelektrolyts 50 in der Nachbarschaft der Elektrode 53. Ein Beispiel des Ergebnisses dieser Bewertung ist in Fig. 21 gezeigt. Beim Verwenden eines synthetischen Gases wurde die Luftüberschußrate λ vermindert mit gleichförmiger Geschwindigkeit von 1,5 bis sie nach ungefähr 10 Minuten 0,73 wurde. Nachdem der Sensor für ungefähr 70 Minuten in einer Fettgemischumgebung von 0,73 in λ stehengelassen wurde, wurde dieser Wert λ vergrößert mit gleichförmiger Geschwindigkeit bis er auf 1,5 in ungefähr 10 Minuten angewachsen war. Die resultierende Hysterese ist in der Zeichnung gezeigt. Wie aus der Zeichnung zu sehen ist, entwickelte die Ausgangsspannungskennlinie eine Hysterese. Die Hysterese wurde je größer gefunden je länger der Sensor in einer Fettgemischumgebung stehengelassen wurde oder je kleiner der Wert von λ der Umgebung war, in welcher er stehengelassen wurde.

Ein möglicher Motor kann für eine lange Zeit eine Fettgemischumgebung ausgesetzt sein abhängig von den Betriebsbedingungen und deswegen ist diese Hysterese natürlich nicht wünschenswert für den Zweck der Steuerung.

Diese experimentielle Tatsache deutet im Prinzip an, daß die Zeit, während der die Erregungsspannung an das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt 50 in einer Fettgemischumgebung angelegt wird, verkürzt werden sollte. Dieses abhelfende Verfahren wurde an die Schaltungsanordnung, die in Fig. 20 gezeigt ist, angewendet.

Das gleiche abhelfende Verfahren wird erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 22. In diesem Verfahren wird ein Time- Sharing-Signalgenerator 85 in Übereinstimmung mit der Größe der Ausgangsspannung V _out gesteuert, um dabei die Pulszüge A und B intermittierend zu unterbrechen, wie im Abschnitt Z gezeigt. Als ein Ergebnis wird der Schalter 69 in Fig. 20 ausgeschaltet gelassen für eine vergleichsweise lange Zeit (einige 10 bis 100 ms) in Übereinstimmung mit dem Abschnitt Z und während dieser Zeit wird die Anlegung der Erregungsspannung an das Zirkoniumoxidtrockenelektrolyt 50 ausgesetzt. Es ist effektiver, wenn die Länge des Abschnitts Z vergrößert wird und mit der Abnahme von V _out öfters erfolgt, d. h. mit der Abnahme des Wertes. Obwohl dieses Verfahren die Messung der Luftüberschußrate zu jedem Moment zu einem gewissen Grad opfert, kann dieser Nachteil kompensiert werden durch Verbessern der Steuergenauigkeit zu einem praktisch genügendem Ausmaß durch Einfügen von neuen Einrichtungen in den Steueralgorhythmus.

Im folgenden werden die Vorteile der Anmeldung erklärt, der erhalten werden, wenn das Ermittlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung für die Motorluft-Kraftstoff- Verhältnis-Steuerung verwendet wird.

In dem Fall, wo der Diffusionswiderstand 2 diese Ermittlungssystems seine Qualität wegen Verstopfung oder ähnlichem über die Zeit verändert, erfährt ein Ausgang ebenfalls eine Veränderung. Da I _P Null ist, wenn λ gleich 1,0, nimmt jedoch der Ausgang V _out den Wert gleich V _PG an. Mit anderen Worten, da der Strom I _P zu diesem Zeitpunkt nicht zugeführt wird, verbleibt der Ausgang bei V _PG unabhängig von den Bedingungen des Diffusionswiderstandes 2. Genauer gesagt wird, wenn λ gleich 1, die Sauerstoffkonzentrationsverteilung in dem Diffusionswiderstand 2 bei P _O konstant gehalten (P _O ≠ 0), obwohl der Strom I _P nicht zugeführt wird und deswegen kein Sauerstoff bewegt wird. Dies erfolgt aufgrund der Tatsache, daß die Sauerstoffverteilung in dem Auspuffgas bereits P _O ist. Wie oben erwähnt verbleibt, wenn λ gleich 1,0 ist, die Spannung immer konstant bei V _PG trotz der profaner Veränderungen des Diffusionswiderstandes 2 aus Mangel an Sauerstoffbewegung.

Selbst wenn der Ausgang sich mit der Zeit verändert, verbleibt der Ausgang bei V _PG wenn λ gleich 1,0 ist. D. h., daß in dem Ermittlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ von 1,0 mit der gleichen Genauigkeit gemessen werden kann wie ein konventioneller Sauerstoffsensor zum Erfassen des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Aus diesem Grund wird, wenn das Motor-Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend der Last verändert wird, der Kompensationsbetrag für die Einspritzmenge des Kraftstoffeinspritzventils bestimmt zur Zeit der Steuerung des Wertes λ auf 1,0.

In diesem Verfahren ist die Injektionsbreite T _P gegeben als

T _P = T _E (1 + K ₁ + K ₂ + .......) (13)

wobei K ₁: Kompensationsfaktor durch den Luft-Kraftstoff- Verhältnisdetektor und
K ₂ usw.: Kompensationsfaktoren durch andere Einflußgrößen als den Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektor (so wie durch Ermittlung der Wassertemperatur)

Der Wert K ₁ wird für den λ-Wert von 1 bestimmt und dieser Wert wird verwendet zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf anderen Pegeln.

Auf diese Art wird die Kompensation des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses mit hoher Genauigkeit möglich gemacht.

Claims

1. Luft-Kraftstoff-Ermittlungssystem, das aufweist einen Trockenelektrolyt (1), erste und zweite Elektroden (3 a, 3 b), die auf der Oberfläche des Trockenelektrolyten (1) gebildet sind, damit durch den Trockenelektrolyt (1) ein Strom (I _p) fließt, wobei eine der Elektroden der atmosphärischen Luft ausgesetzt ist, einen Diffusions widerstand (2), der auf der ersten Elektrode (3 b) zum Steuern der Gasdiffusion in die erste Elektrode (3 b) gebildet ist, und eine Ermittlungsschaltung (5, 6, 7, 8, SW₁, SW₂, R₁) zum Ermitteln der Bedingungen des Motorauspuffgases, um dabei das Luft-Kraftstoffver hältnis ( λ ) zu ermitteln, wobei die Ermittlungsschaltung aufweist,

- eine erste Einrichtung (6), die die elektro motorische Kraft an den beiden Elektroden während einer ersten Periode ermittelt,
- eine zweite Einrichtung (8, R₁), die den Strom (I _p) durch den Trockenelektrolyten (1) während einer zweiten nachfolgenden Periode (T _i) ermittelt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungsschaltung weiterhin auf weist,

- eine Konstantspannungsquelle (4), die eine Konstantspannung (VPG) an eine der beiden Elektroden während der zweiten Periode (T _i) abgibt,
- eine Steuereinrichtung (7), die während der zweiten Periode (T _i) in Abhängigkeit von der während der ersten Periode (T _e) gemessenen elektromotorischen Kraft (E) eine Spannung (V _p) erzeugt, die an der anderen der beiden Elektroden anliegt, wodurch der Strom (I _p) als ein Maß für das Luft-Kraftstoffverhältnis ( λ ) eingestellt wird,
- eine erste Schalteinrichtung (SW₂), die nur während der ersten Periode in einem "Ein"- Zustand ist und dabei die erste Einrichtung (6) mit den beiden Elektroden (3 a, 3 b) verbindet,
- eine zweite Schalteinrichtung (SW₁), die dagegen nur während der zweiten Periode im "Ein"-Zustand ist und dabei die Steuereinrichtung (7) und die Konstantspannungsquelle (4) mit der ihnen jeweils zugeordneten Elektrode verbindet und die als zweite Einrichtung (8, R₁) zum Ermitteln des Stromes durch den Trockenelektrolyten zuschaltet,
- eine Oszillatorschaltung (5), die zyklisch bei jeder Ermittlung des Luft-Kraftstoffver hältnisses ( λ ) zuerst die erste Schalteinrich tung (SW₂) zur Ermittlung der elektromotorischen Kraft während der ersten Periode in den "Ein"-Zustand steuert und dann nachfolgend die zweite Schalteinrichtung (SW₁) in den "Ein"-Zustand zur Ermittlung des Stromes (I _p) durch den Trockenelektrolyten als Maß für das Luft-Kraftstoffverhältnis steuert.

2. Luft-Kraftstoff-Verhältnisermittlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungsschaltung (5) eine Abtast-Halte-Schaltung (6), die während der ersten Periode betrieben wird, und eine Schaltung (7) zum Vergleichen des Ausgangs der Abtast- Halte-Schaltung (6) mit einem Bezugswert und zum Erzeugen eines integrierten Ausgangs, der die Differenz dazwischen während der zweiten Periode darstellt, aufweist.

3. Luft-Kraftstoff-Verhältnisermittlungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (3 b) auf einer Potentialmasse (4) gehalten wird, deren Potential höher ist als eine Schaltungsmasse.

4. Luft-Kraftstoff-Ermittlungssystem nach Anspruch 1, dort gekennzeichnet durch Einrichtungen (103, 108) zum Ermitteln des inneren Widerstandes des Trockenelektrolyts (1) und Steuern der Anregung eines Heizers (40), der in der Nachbarschaft des Trockenelektrolyts (1) angeordnet ist, um dessen inneren Widerstand konstant zu halten.

5. Luft-Kraftstoff-Verhältnisermittlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Widerstand auf der Basis des Potentials der ersten Elektrode (3 b) des Potentials der zweiten Elektrode (3 a), des Widerstandswerts eines Stromermittlungswiderstandes (66) und der gesteuerten elektromotorischen Kraft (E) ermittelt wird.

6. Luft-Kraftstoff-Verhältnisermittlungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (3 b) auf der Potentialmasse (4) gehalten wird und der innere Widerstand ermittelt wird auf der Basis des Potentials der Potentialmasse (4) zusätzlich zu dem Potential der ersten Elektrode (3 b), dem Potential der zweiten Elektrode (3 a), dem Widerstandswert des Stromermittlungswiderstandes (66) und der gesteuerten elektromotorischen Kraft (E).

7. Luft-Kraftstoff-Ermittlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter Wert zwischen den ersten und zweiten Elektroden (3 a, 3 b) angelegt wird und der innere Widerstand des Trockenelektrolytes (1) von dem Potential zwischen den Elektroden (3 a, 3 b) in dem Verfahren ermittelt wird.

8. Luft-Kraftstoff-Ermittlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen der Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden (3 a, 3 b) intermittierend ausgesetzt wird auf der Basis des ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, insbesondere in dem Fettgemisch Luft-Kraftstoff-Verhältnis.