DE3715461C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor, der für einen verbrennungssteuernden Betrieb verwendet wird, und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, die in geeigneter Weise zur Regulierung der Temperatur eines Luft/Brennstoff- Verhältnis-Sensors verwendet wird.
Herkömmliche Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren zur Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses aus den gasförmigen Komponenten in einem Abgas sind beispielsweise beschrieben in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 69 690/1977 (veröffentlicht am 9. Juni 1977) mit dem Titel "Apparatus for Measuring Partial Pressure of Predetermined Gaseous Components in Monitored Gas Environment", und in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 66 292/1978 (veröffentlicht am 13. Juni 1978) mit dem Titel "Inflammable Substance Sensor", in welchen eine konstante oder variable Spannung auf eine Zelle zur Erfassung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses gegeben wird, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Basis der erhaltenen Stromstärke zu bestimmen. Diese Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren hängen stark von der Temperatur ab, so daß sie bei einer hohen Temperatur betrieben werden müssen. Die Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensors weisen ein Verfahren auf, eine Spannung, in welcher eine Wechselspannungs- Komponente einer Gleichspannung überlagert ist, an eine Erfassungszelle anzulegen und die Temperatur auf der Basis der Temperaturabhängigkeits-Information von der Wechselspannungs-Komponente zu steuern, und ein Verfahren zur Bestimmung des inneren Widerstandes einer Erfassungszelle auf der Basis einer Wechselspannungs-Komponente und zur Steuerung der Temperatur auf der Basis des inneren Widerstandes, wie beschrieben in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 1 87 646/1982 (veröffentlicht am 18. November 1982) mit dem Titel "Method of an Apparatus for Measuring Temperature of Threshold Current Sonde or Oxygen Sonde", und in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 1 92 852/1982 (veröffentlicht am 27. November 1982) mit dem Titel "Temperature-controlled Threshold Current Type Oxygen Concentration Detector". In der offengelegten japanischen Patentanmeldung 1 92 849/1982 mit dem Titel "Measuring Output Temperatur compensated Threshold Current Type Oxygen Concentration Detector" (veröffentlicht am 27. November 1982) ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Schritte des Anlegens einer Spannung an eine Erfassungszelle, um einen Schwellenstrom zu messen, und des Bestimmens des inneren Widerstandes wiederholt ausgeführt werden. Bei diesem Verfahren geschieht die Signalverarbeitung durch Bestimmung eines Temperatur-Kompensationsfaktors und nachfolgendem Ausführen von Berechnungen.
In herkömmlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren, in denen die Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und die Gewinnung der Temperaturinformation auf der Basis einer Gleichspannungs-Komponente und einer Wechselspannungs-Komponente jeweils ausgeführt werden, ist es jedoch notwendig, daß die Wechselspannungs-Komponente, welche der Gleichspannungs- Komponente überlagert ist, von ihr getrennt wird, um einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Ausgang von den Luft/Brennstoff- Verhältnis-Sensoren zu erhalten. Dies macht es erforderlich, einen speziellen Signal-Prozessor oder ein Berechnungselement bereitzustellen.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung 1 63 862/1982 (veröffentlicht am 8. Oktober 1982) mit dem Titel "Detecting Circuit for Oxygen Concentration Sensor" offenbart eine Schaltungsstruktur zur Ausgabe eines Signals, das die Möglichkeit darstellt, daß die Erfassungszelle normal betrieben wird, auf der Basis des inneren Widerstandes einer Erfassungszelle, und zur Ausgabe eines von der Erfassungszelle erhaltenen Signals. Die Steuerung der Temperatur einer Erfassungszelle ist in der herkömmlichen Schaltung jedoch nicht offenbart.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 34 08 491 erhält man ein Luft/Brennstoff-Verhältnis von einem Strom I1, der durch die Zelle strömt, wenn eine positive Vorspannung V1 an der Zelle angelegt wird. Danach wird der innere Widerstand der Zelle aufgrund eines Stromes I2 erfaßt, welcher in der entgegengesetzten Richtung des Stromes I1 fließt, wenn eine negative Vorspannung V2 an der Zelle angelegt wird. Dieses Luft/ Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsverfahren wird abwechselnd wiederholt und die Zellentemperatur auf eine vorbestimmte Höhentemperatur hält sich durch Regelung des Wertes des Stromes I2 zu einem Wert in einem vorbestimmten Bereich gelegen.
Das Dokument DE-OS 34 45 754 weist eine Luft/Brennstoff- Verhältnis-Erfassung auf, wobei ein Pumpelement und ein Zellensensorelement angewendet werden. Dieses Dokument weist jedoch keine Temperaturregelung der Zelle auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor zu schaffen, der zur Erfassung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses und zur Steuerung einer Temperatur auf der Basis allein der Gleichspannungs- Komponente in der Lage ist, und der eine Verringerung in der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses verhindert, die auf dem inneren Widerstand der Erfassungszelle und der Ausgangsschwingung zum Zeitpunkt des Eintritts in einem Elektronenleitungs-Bereich beruht, wobei keine speziellen Signal-Prozessoren vorgesehen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, welche aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich hervorgeht, wird eine Brückenschaltung gebildet, welche die elektromotorische Kraft einer Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle in einem Zweig der Brückenschaltung verwendet, und eine Heizeinrichtung, die in der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle enthalten ist, wird auf der Basis eines Unterschieds in den elektrischen Potentialen an den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung gesteuert, um dadurch die Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle auf einem bestimmten Pegel zu regulieren.
Dank dieser Struktur kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit, die einem Spannungsabfall aufgrund des inneren Widerstandes der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle zuzuschreiben ist, und das Auftreten einer Ausgangsschwingung vermieden werden.
Eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle gemäß den vorliegenden Erfindung wird in den Ansprüchen definiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Grundschaltung in der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A zeigt schematisch den Aufbau einer grundierten (bottomed tube) Rohrtyp-Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2B zeigt schematisch den Aufbau einer Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle vom Platten-Typ, die durch ein Dickfilm-Verfahren und ein Dünnfilm-Verfahren gemacht wurde;
Fig. 3 zeigt eine Kennlinie der Temperaturabhängigkeit des Pumpstroms im Hinblick auf die Anregungsspannung der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle;
Fig. 4 zeigt eine Kennlinie des inneren Widerstandes der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle im Hinblick auf ihre Temperatur;
Fig. 5 zeigt eine Kennlinie einer Ausgangsspannung im Hinblick auf die Temperatur eines Abgases;
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Grundschaltung der Fig. 1, welche die Steuerung der Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle in allen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Bereichen gestattet;
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines veränderlichen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektors, der eine elektromotorische Kraft steuert;
Fig. 8 und 9 zeigen Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die Bezugszeichen und Buchstaben in Fig. 1 bezeichnen wie folgt, 1 eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle, A1, A2, A3 Differentialverstärker, SW1, SW2 Schalter, die elektrisch an- und abschaltbar sind, R1, R2, R3, r2 Widerstände, C1, C2 Kondensatoren, 3 eine Heizeinrichtung, 4 einen Steuerzeit-Generator, e einen Steuerwert der elektromotorischen Kraft, VPG Massepotential, Tr einen Transistor und V0 eine Ausgangsspannung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 11, 11′ Festelektrolyten aus Zirkonoxid, 12, 12′ atmosphärische luftkontaktierte Platinelektroden, 13, 13′ abgaskontaktierende Platinelektroden, 14, 14′ Gasdiffusions-Widerstände, und 3, 3′ eingebaute Heizeinrichtungen, und die Teile jedes Typs von Erfassungszelle können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Erfassung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses wird ausgeführt unter Ausnützung des Sauerstoff-Pumpphänomens und der Kennlinien der elektromotorischen Kraft des Festelektrolyts aus Zirkonoxid.
In der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1 hat eine graduelle elektromotorische Kraft E im wesentlichen 0 Volt in einem mageren Bereich (Überschußluft-Verhältnis λ <1) der sich auf einer Seite einer Linie λ = 1 befindet und hat 1 Volt in einem fetten Bereich (λ <1), der sich auf der anderen Seite dieser Linie befindet, wie durch die Nernst- Gleichung (1) bekannt ist.
wobei F die Faraday-Konstante ist, R eine Gaskonstante, T eine absolute Temperatur, Pa ist die Konzentration von Sauerstoff in der atmosphärischen Luft, und Pe die Sauerstoffkonzentration auf der abgasseitigen Elektrodenschnittstelle. Die chemische Reaktionsformel für diesen Fall lautet:
2 CO + O₂ ⇆ 2 CO₂ (2)
Dementsprechend wird die Sauerstoffkonzentration auf der abgasseitigen Elektrodenschnittstelle so gesteuert, daß eine vorherbestimmte elektromotorische Kraft E (vorzugsweise 0.5 Volt) in allen Bereichen von λ auftritt. Durch das Sauerstoff-Pumpphänomen wird nämlich der Sauerstoff auf der abgasseitigen Elektrodenschnittstelle zur atmosphärischen Luft entladen wenn λ <1, um die darauf befindliche Sauerstoffkonzentration zu vermindern, und umgekehrt wird Sauerstoff aus der atmosphärischen Luft in die Schnittstelle eingebracht wenn λ <1, um die darauf befindliche Sauerstoffkonzentration zu erhöhen, wodurch die elektromotorische Kraft E der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle so gesteuert wird, daß sie konstant ist. Daher kann die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas auf der Basis der Pump-Stromstärke bestimmt werden, welche der Sauerstoff- Injektionsrate oder Sauerstoff-Entladungsrate entspricht, die erforderlich ist, um die elektromotorische Kraft E auf einem vorherbestimmten Pegel einzustellen. Die Polaritäten des Pumpstroms bei λ <1 und λ <1 werden einander entgegengesetzt. Wenn nämlich λ <1, wird eine positive Pump-Stromstärke IP erreicht, und wenn λ <1, eine negative Pump-Stromstärke IP.
Unter Bezug auf Fig. 1 gibt der Steuerzeit-Generator 4 ein Signal der Meßzeit der elektromotorischen Kraft t (the) aus, dessen Pegel hoch ist in der Zeitzone zur Messung der elektromotorischen Kraft der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1, und gibt ein Signal der Steuerzeit tp aus, dessen Pegel hoch ist in der Zeitzone zur Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und zur Steuerung der Heizeinrichtung. Wenn t auf einem hohen Pegel ist, ist tp auf einem tiefen Pegel, und umgekehrt ist tp auf einem hohen Pegel, wenn t auf einem tiefen Pegel ist.
Eine Spannungsquelle für ein Automobil hat ungefähr 14 Volt und positive und negative Pumpströme fließen durch einen in der vorliegenden Erfindung verwendeten Sensor, so daß eine virtuelle Masse erforderlich ist, die höher als der Erdpegel ist. Daher ist es notwendig, daß die Kathode, die abgasseitige Elektrode, der Luft/Brennstoff-Erfassungszelle ein Massepotential hat, das höher als der Erdpegel ist. Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1 kann elektrisch dargestellt werden durch eine äquivalente Schaltung, die eine Serienschaltung aus elektromotorischer Kraft E und einem inneren Widerstand r aufweist, welche in den Figuren nicht gezeigt sind.
Wenn t auf einem hohen Pegel ist, wobei tp auf einem tiefen Level ist, werden SW2, SW1 jeweils an- und abgeschaltet, wobei der Pumpstrom für die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1 abgeschnitten wird. Dementsprechend tritt die Summe von elektromotorischer Kraft E und Massepotential VPG, d. h. das elektrische Potential E+VPG in der Anode der Erfassungszelle 1 auf und wird in einer Abtast/Halte-Schaltung gehalten (welche im folgenden als S/H-Schaltung bezeichnet wird) und in einem Integrierer eingegeben, der aus R3, C2, A1 besteht.
Wenn tp auf einem hohen Pegel ist, wobei t auf einem niedrigen Pegel ist, werden SW1, SW2 jeweils an- und abgeschaltet. In dem Integrierer werden ein Steuerwert e der elektromotorischen Kraft und einen Halte-Wert Vs in der S/H-Schaltung miteinander verglichen, um die Flußrate des Pumpstroms durch die Luft/Brennstoff-Erfassungszelle 1 auf der Basis eines Unterschieds zwischen ihnen zu regulieren. Wenn dieser Steuerbetrieb wiederholt wird, wird der Halte- Wert auf VS = e gesteuert, und die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas, d. h. das Luft/Brennstoff-Verhältnis kann auf der Basis einer Schwellenstromstärke des Pumpstroms Ip zu dieser Zeit bestimmt werden. Es ist natürlich notwendig, daß der Steuerwert e der elektromotorischen Kraft auf einen Pegel eingestellt wird, der durch Addition von VPG bestimmt wird.
Die Steuerung der Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle wird nun beschrieben. Die Erfassung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses in dieser Ausführungsform wird durchgeführt, indem man ein Sauerstoff-Pumpphänomen des Festelektrolyten aus Zirkonoxid ausnützt, wie vorausgehend erwähnt wurde. Dementsprechend ist es notwendig, daß der innere Widerstand des Zirkonoxids vermindert wird, d. h., daß das Zirkonoxid durch die eingebaute Heizeinrichtung auf eine hohe konstante Temperatur aufgeheizt wird.
Um diese Bedingung einzuhalten, ist die S/H-Schaltung, welche aus dem Schalter SW2, dem Kondensator C1 und dem Differentialverstärker A2 besteht, mit der Brückenschaltung verbunden, welche aus dem Lastwiderstand R2 und dem die Temperatur einstellenden Widerstand r2 parallel zu dem den Pumpstrom Ip erfassenden Widerstand R1 und der Luft/Brennstoff- Verhältnis-Erfassungszelle 1 besteht, und die eingebaute Heizeinrichtung wird durch den Differentialverstärker A3 so gesteuert, daß die Brückenschaltung abgeglichen ist.
Wenn der Pumpstrom Ip fließt, wobei der Pegel des Signals der Zeit tp zur Steuerung der Temperatur der Heizeinrichtung hoch ist, werden SW1, SW2 jeweils an- und abgeschaltet. Die Spannung VL am anodenseitigen Anschluß der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle zu dieser Zeit wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
VL = VPG + Ip · r + E (3)
Wie der Gleichung (3) zu entnehmen ist, fallen die Spannungen an beiden Anschlüssen der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle aufgrund von Ip ab, und bestehen aus Komponenten der elektromotorischen Kraft, so daß eine Seite der Brücke, die der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1 entgegengesetzt ist, ebenso Komponenten benötigt, welche Ip×r und E entsprechen. Daher ist es notwendig, r2 in Gegenschaltung (opposition) zu r auszulegen, und den Ausgang Vs der S/H-Schaltung in Gegenschaltung zu E. Wenn e⁺ und e- gleich sind jeweils der positiven Eingangsspannung und der negativen Eingangsspannung des Differentialverstärkers A3, können die folgenden Gleichungen aufgestellt werden:
Die Gleichungen (4), (5) lauten wie folgt im Hinblick auf die Stabilisierungsbedingungen für den Differentialverstärker A3.
Dementsprechend kann die folgende Gleichung erhalten werden, wenn Gleichung (6) reduziert wird:
Somit sind die Abgleichbedingungen für die Brückenschaltung aufgestellt. Wenn die Stromstärke des Stromes, welcher an die eingebaute Heizeinrichtung 3 angelegt wird, durch den Transistor Tr reguliert wird, so daß die Gleichung (7) aufgestellt wird, wird der in Fig. 4 gezeigte innere Widerstand der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1 gleich dem die Temperatur einstellenden Widerstand r2, so daß die Regulierung der Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle 1 möglich wird.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine Schwellenstromstärke, bei welcher der Pumpstrom Ip gesättigt ist, in Abhängigkeit von der Temperaturen veränderlich. Dementsprechend ist es notwendig, daß die Luft/Brennstoff-Erfassungszelle 1 auf eine hohe und konstante Temperatur aufgeheizt und gesteuert wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 zeigt die durchgezogene Linie die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Abgas- Temperatur, die in dem Fall bestimmt ist, wo die Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle auf einer hohen konstanten Temperatur reguliert wird, und die gestrichelte Linie zeigt die gleiche Beziehung, welche in dem Fall bestimmt ist, bei dem eine solche Regulierung der Temperatur nicht durchgeführt wird. Die Figur zeigt, daß eine stabile Ausgangsspannung bei einer Abgastemperatur von höher als ungefähr 100°C erhalten wird.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Bereiche eines Automobils bestehen aus einem mageren Bereich von λ ≦λτ 1 auf der einen Seite der Linie λ = 1, und einem fetten Bereich von λ ≦ωτ 1 auf der anderen Seite dieser Linie, und die Polaritäten des Pumpstroms Ip kehren sich in diesen Bereichen wie vorausgehend erwähnt um. Um die Temperatur in allen Luft/Brennstoff- Verhältnis-Bereichen stabil zu steuern, müssen daher die zwei Eingangssignale e⁺, e- in dem Differentialverstärker A3 wie in Fig. 1 gezeigt auf beiden Seiten der Linie λ = 0 wie in Fig. 6 gezeigt, geschaltet werden. Wenn in Fig. 1 r ≦λτ r2, ist die Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle 1 gering, so daß es notwendig ist, die Erfassungszelle 1 durch die eingebaute Heizeinrichtung zu erhitzen. Der Pumpstrom Ip in einem mageren Bereich fließt von V0 bis VPG. Folglich sind die Ausgänge e⁺, e- von der Brückenschaltung so, daß e⁺ ≦λτ e-, und der Differentialverstärker A3 erzeugt ein Ausgangssignal von hohem Pegel, wobei ein elektrischer Strom der Heizeinrichtung zugeführt wird, um die Zelle 1 zu erhitzen. Umgekehrt fließt der Pumpstrom Ip in dem fetten Bereich von VPG bis V0. Daher werden die Ausgänge e⁺, e- von der Brückenschaltung so, daß e⁺ ≦ωτ e-, wenn r ≦λτ r2, so daß die Erhitzung der Zelle 1 nicht stattfinden kann. Dies macht es notwendig, eine Wechseleinrichtung vorzusehen, um die Polarität eines Eingangs in dem Differentialverstärker A3 in dem fetten Bereich umzukehren.
Die in Fig. 1 gezeigte Temperatur-Steuereinheit ist so gebildet, daß sie ein Luft/Brennstoff-Verhältnis allein in einem mageren Bereich erfaßt, und sie ist für die Steuerung der Temperatur in allen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Bereichen ungeeignet. Die Ausführungsform der Fig. 6 benutzt keinen Schalter als Wechseleinrichtung zur Umkehrung der Polarität eines Eingangs in den Differentialverstärker A3 anders als die vorher beschriebene Ausführungsform, aber sie ist so gebildet, daß die Steuerung der Temperatur kontinuierlich stattfinden kann.
In Fig. 6 bezeichnen die Bezugsbuchstaben B1, B2, B3, B4 Vergleicher vom offenen Kollektortyp; D1, D2 Dioden, und RS1, RS2, Rb, Ra Widerstände, wobei dieselben Bezugszeichen und -buchstaben wie in Fig. 1 auch dieselben darin gezeigten Teile bezeichnen. Die Vorgänge in der Ausführungsform der Fig. 6 mit Ausnahme des temperatursteuernden Betriebs sind identisch mit den vorhergehend beschriebenen, und die Beschreibung der Vorgänge wird ausgelassen.
Wenn die Ausgangssignale e⁺, e- von der Brückenschaltung in dem fetten und mageren Bereich geschaltet werden, werden die Vergleicher B1, B2 benutzt. Die Vergleicher B1, B2 geben "hoch"- oder "tief"-Signale in Übereinstimmung mit den Pegeln der Signale e⁺, e- aus.
In die Vergleicher B3, B4 wird Vref entsprechend dem Wert von V0, der erreicht wird, wenn λ = 1, in einen Eingangsanschluß eingegeben, und der Wert von V0 in den anderen Eingangsanschluß. In Übereinstimmung mit dem Pegel des Eingangssignals von V0 wird ein "hoch"- oder "tief"-Signal von den Ausgangsanschlüssen der Vergleicher B3, B4, ausgegeben. Wenn ein "hoch"-Signal von dem Vergleicher B3 ausgegeben wird, ist λ ≦λτ 1, und umgekehrt, wenn ein "hoch"-Signal von dem Vergleicher B4 ausgegeben wird, ist λ ≦λτ 1.
Daher werden eine UND-Schaltung, welche aus den Vergleichern B1, B3, und dem Widerstand RS1 besteht, und eine UND-Schaltung, welche aus den Vergleichern B2, B4 und dem Widerstand RS2 besteht, gebildet. Die Pegel der Ausgänge von diesen UND-Schaltungen werden "hoch", wenn sowohl B1 als auch B3 in dem mageren Bereich "hoch" sind oder wenn sowohl B2 als auch B4 "hoch" geworden sind in dem fetten Bereich.
Eine ODER-Schaltung, welche aus D1, D2, Tr besteht, ist so eingerichtet, daß sie einen elektrischen Strom der Heizeinrichtung 3 zuführt, wenn eine der beiden UND-Schaltungen "hoch" geworden ist, um die Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle 1 zu erhitzen. Umgekehrt, wenn beide UND-Schaltungen auf einem "tief"-Pegel sind, wird die Zufuhr von elektrischem Strom zu der Heizeinrichtung 3 unterbrochen.
Diese Vorgänge werden wiederholt, so daß die Heizeinrichtung 3 erhitzt und gekühlt wird (mit der natürlichen Kühlungswärme in diesem Fall). Folglich wird der innere Widerstand, d. h. die Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungszelle 1 auf einem konstanten Pegel gesteuert.
Gemäß der oben beschriebenen Anordnung kann ein temperatur­ steuernder Betrieb kontinuierlich in allen Luft/Brennstoff- Verhältnis-Bereichen durchgeführt werden.
Das oben beschriebene Verfahren wird ausgeführt, wobei der Steuerwert der elektromotorischen Kraft e konstant gehalten wird. Wenn e veränderlich eingestellt wird, kann die Temperatur der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle 1 auf einem geringeren Pegel gesteuert werden, und die Verminderung der durch die Heizeinrichtung benötigten elektrischen Leistung und die Verbesserung der Effizienz des Tieftemperatur-Betriebs kann wirksam geschehen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 können die Widerstände R10, R20, R30, R40, R50, R60 und ein Differentialverstärker A4 hinzugefügt werden, um den Steuerwert der elektromotorischen Kraft veränderlich zu steuern. Da die Betriebsvorgänge mit Ausnahme der Betriebsvorgänge dieser Teile identisch mit den vorher unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 6 beschriebenen sind, wird ihre Beschreibung ausgelassen.
Ein Steuerwert e′ der elektromotorischen Kraft, welcher gewonnen wird durch Division einer Ausgangsspannung V0, die sich in Übereinstimmung mit einem Überschußluft-Verhältnis λ durch die Widerstände R10, R20 verändert, wird auf einen Eingangsanschluß eines Addierers gegeben, der aus R30-R60 und A4 besteht. Wenn ein Wert von VPG in den anderen Eingangsanschluß eingegeben wird, kann ein Ausgang von dem Differentialverstärker A4 zu dieser Zeit, d. h. ein Steuerwert e der elektromotorischen Kraft durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
wobei R100 = R30 = R40 = R60. Dementsprechend ist e = VPG + e′, wenn R50 = R100, und allein e′ verändert sich mit V0. Daher verändert sich der Steuerwert e der elektromotorischen Kraft wesentlich. Der Steuerwert e′ der elektromotorischen Kraft kann zu dieser Zeit so eingestellt werden, daß er ungefähr 0.2-0.3 Volt beträgt, wenn λ = 0.5, und ungefähr 0.6-0.7 Volt beträgt, wenn λ = 1.5. Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung wird vorteilhaft verwendet, um das Luft/Brennstoff- Verhältnis in einem Abgas zu bestimmen, in welchem die Menge der Luft sich aufgrund der in das Abgas strömenden Luft zeitweise erhöht hat, nachdem beispielsweise die Zuführung des Brennstoffs in den Motor unterbrochen wurde.
Eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle vom Plattentyp mit Heizeinrichtung, wie in Fig. 8 gezeigt, wird gebildet durch eine Einheitsverbindung eines Zellelements und der Heizeinrichtung, und gestattet eine Vereinfachung des Temperatursteuer-Verfahrens und der Schaltungsstruktur, so daß diese Erfassungszelle miniaturisiert werden kann. Die in Fig. 8 gezeigten Elemente 3, 11, 12, 13, 14 entsprechen jeweils den Elementen 3′, 11′, 12′, 13′, 14′, wie in Fig. 2 gezeigt. Unter diesen Elementen besteht die Heizeinrichtung 3 beispielsweise aus einer Platin-Heizeinrichtung. Dementsprechend wird eine Brückenschaltung durch die in der Figur gezeigten Widerstände R1, R2, r2 gebildet, wenn die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes RH der Heizeinrichtung 3 aufgrund des Platins bestimmt ist, und diese Schaltung kann durch einen Differentialverstärker A3 und einen Transistor Tr so gesteuert werden, daß die Abgleichbedingungen in Form der folgenden Gleichung eingehalten werden können.
Daher ist es nicht notwendig, eine veränderte Brückenschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, an welcher eine elektromotorische Kraft angreift. Dies gestattet, die Schaltung zu vereinfachen, die Wärmestrahlungsrate zu minimieren und die Erfassungsgenauigkeit leicht zu verbessern.
In der Fig. 9 bezeichnen die Bezugsbuchstaben R100, R200 Widerstände, und A6, A7 Differentialverstärker, wobei die anderen Bezugszeichen und -buchstaben dieselben Elemente bezeichnen wie die gleichen Bezugszeichen und -buchstaben in Fig. 8.
In diesem Verfahren wird der Heizstrom IH dem Widerstand R1 und einer Heizeinrichtung 3 durch den Transistor Tr zugeführt, so daß der Grad des Spannungsabfalls an dem Widerstand R1 und der Grad des Spannungsabfalls an der Heizeinrichtung 3 gleich werden. Wenn RH gleich dem Widerstandswert der zu steuernden Heizeinrichtung 3 ist, können der Spannungsabfall VR1, VRH bei VR1, VRH durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
VR1 = IH · R1 (10)
VRH = IH · RH (11)
In dem Differentialverstärker A7 wird VR1 erfaßt, und ein Steuerungsantrieb wird durchgeführt, so daß die Gleichungen (10), (11) gleich bei A6 werden. Folglich wird VR1 gleich VRH. Folglich werden R1, RH so gesteuert, daß sie gleich sind, unabhängig von dem Heizstrom IH.
Daher kann ein Widerstandswert R1 gleich einem gewünschten RH auf der Basis der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes RH der Platin-Heizeinrichtung 3 eingestellt werden. Um die Erzeugung von Hitze an R1 zu vermeiden, wird R1 auf einen kleinen Wert eingestellt, um die Verstärkung des Differentialverstärkers A7 dementsprechend zu erhöhen. Als Ergebnis kann dieselbe Wirkung wie in der Erläuterung zu der Ausführungsform von Fig. 8 erhalten werden.

Claims (7)

1. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor mit
  • - einem ersten Zweig, der eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle (1), die einen inneren Widerstand r aufweist, und einen Widerstand (R₁) zur Erfassung eines elektrischen Stroms aufweist, der in Reihe zwischen der Erfassungszelle (1) und einer Leistungsquelle (V₀) geschaltet ist, zum Erfassen eines Pumpstroms,
  • - einem zweiten Zweig, der einen Lastwiderstand zwischen (R₂), der mit der Leistungsquelle (V₀) verbunden ist und einen temperatureinstellenden Widerstand (R₂) und einer Abtast/Halte-Spannung (V₅) aufweist, die in Reihe mit dem Lastwiderstand (R₂) geschaltet sind, und
  • - einer Brückenschaltung, die den ersten Zweig mit dem zweiten Zweig parallel verbindet und einen ersten Schaltungsknoten zwischen dem Widerstand (R₁) und der Erfassungszelle (1) und einen zweiten Schaltungsknoten zwischen dem Lastwiderstand (R₂) und dem temperatureinstellenden Widerstand (r₂) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor weiter eine Einrichtung (Tr) zur Steuerung eines elektrischen Stromes aufweist, der in einer Heizeinrichtung strömt, die in der Erfassungszelle enthalten ist, auf der Basis eines Ausgangs von einem Differentialverstärker (A₃), der ein Ausgangssignal (e⁺) vom ersten Schaltungsknoten und ein Ausgangssignal (e) vom zweiten Schaltungsknoten vergleicht, so daß der innere Widerstand (r) der Erfassungszelle gleich dem die temperatureinstellenden Widerstand (r₂) wird.
2. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Potentialmasse (VPG) mit einer Katode der Erfassungszelle verbunden ist.
3. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf Basis eines Pumpstroms (IP) detektiert wird, der durch den Widerstand (R₁) fließt, daß eine elektromotorische Kraft (E) der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungszelle (1) auf Basis einer Ausgangsspannung der Abtast-Halte-Schaltung (SW₂, C₁, A₂) detektiert wird, und daß ein Steuerzeit-Generator (4) das Luft/Brennstoff- Verhältnis und die elektromotorische Kraft wechselnd erfaßt.
4. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung der Leistungsquelle von einem Ausgangsanschluß der Vergleichseinrichtung zugeführt wird.
5. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker (A₃) aus einer ersten Gruppe von zwei Vergleichern (B1, B2) besteht, die komplementär mit den Spannungen verbunden sind und ein "hoch"- oder "tief"-Signal in Übereinstimmung mit dem Pegel der Spannungen ausgeben können, wobei die Vergleichseinrichtung des weiteren mit einer zweiten Gruppe von zwei komplementär-verbundenen Vergleichern (B3, B4) versehen ist, die an einem Eingangsanschluß eine Spannung (Vref) empfangen können, welche einer Ausgangsspannung des Differentialverstärkers (A₃) entspricht, wenn ein Überschußluft-Verhältnis 1 ist, und an dem anderen Eingangsanschluß eine Ausgangsspannung (V0) von dem Differentialverstärker, und ein "hoch"- oder "tief"-Signal in Übereinstimmung mit dem Pegel der Ausgangsspannung (V0) ausgeben können, wobei eine erste UND-Schaltung geeignet ist, einen UND-Betrieb des Vergleichers (B1) auszuführen, der in der ersten Gruppe von Vergleichern enthalten ist, und der ein "hoch"-Signal in Übereinstimmung mit dem Pegel der Spannungen ausgeben kann, und des Vergleichers (B3), der in der zweiten Gruppe von Vergleichern enthalten ist und ein "hoch"-Signal in Übereinstimmung mit dem Pegel der Ausgangsspannung ausgeben kann, wobei eine zweite UND-Schaltung geeignet ist, einen UND-Betrieb des Vergleichers (B2) auszuführen, der in der ersten Gruppe von Vergleichern enthalten ist und der ein "hoch"-Signal in Übereinstimmung mit dem Pegel der Spannungen ausgeben kann, und des Vergleichers (B4), der in der zweiten Gruppe von Vergleichern enthalten ist und der ein "hoch"-Signal in Übereinstimmung mit dem Pegel der Ausgangsspannung ausgeben kann, und wobei eine Einrichtung (D1, D2) zum Betrieb der Steuereinrichtung (Tr) für den elektrischen Strom auf der Basis des Ausgangssignals von sowohl der ersten als auch der zweiten UND-Schaltung vorgesehen ist.
6. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Steuerung des Steuerwertes (e) zwischen der Vergleichseinrichtung (A₁), der Leistungsquelle (V₀) und der Potentialmasse (VPG) geschaltet ist.
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