DE3728335A1 - Messsystem zur bestimmung des luft-kraftstoff-verhaeltnisses - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Meßsystem, und insbesondere ein Luft-Kratstoff- Verhältnis-Meßsystem, das geeignet ist, ein Luft-Kraft­ stoff-Verhältns aus den Komponenten der Verbrennungsgase in Automobilen zu erfassen.

In einem herkömmlichen System zur Erfassung von mageren und stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen ohne Schaltung von Stromkreisen wird im allgemeinen eine spe­ zifizierte Spannung, welche niedriger ist als eine elek­ tromotorische Kraft, entsprechend dem fetten Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Betrieb, und höher ist als eine Einprä­ gungs-Spannung zur Erzeugung eines Schwellenstrom-Wertes, wobei ein Pumpenstrom einen bestimmten Wert annimmt, ein­ geprägt zwischen zwei Elektroden eines Detektor-Elements, und das magere Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist dadurch als ein Linear-Ausgang von 0 nach plus erfaßt. Ein reiches bzw. fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist als eine negative Spannung entsprechend der Differenz zwischen der in einem Sensor erzeugten elektromotorischen Kraft und der erwähn­ ten Einprägungs-Spannung, welche einem Pumpenstrom in eine umgekehrte Richtung bezüglich des Pumpenstroms in einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Betrieb entspricht, und das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist durch einen Ausgang erfaßt, welcher sich von 0 nach minus stark verändert, wie z. B. beschrieben in Fig. 4 und 7 der japa­ nischen Patent-Ofenlegungsschrift 1 79 351/1983 mit dem Titel "Oxygen Density Detecting Method", welche am 20. Oktober 1983 offengelegt wurde.

Da ein Signal eines fetten Bereichs mit dem stöchiometri­ schen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) ein negativer Aus­ gang ist, wie in Fig. 5 und 6 der oben beschriebenen Druck­ schrift gezeigt, muß der fette Bereich in ein positives Signal invertiert werden, um durch einen Computer verar­ beitet zu werden. Weiterhin sind zwei unterschiedliche Ausgangswerte bei λ = 1 vorhanden, im Lauf von der fet­ ten Seite zu λ = 1 und im Lauf von der mageren Seite zu λ = 1, da ein Signal auf der fetten Seite und ein Signal auf der mageren Seite sich an dem stöchiometrischen Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Punkt stark verändern. Demgemäß er­ gibt sich der Nachteil, daß die Verarbeitung des Signals für λ = 1 kompliziert ist. Weiter, wenn der negative Aus­ gang auf der fetten Seite zu einem positiven Ausgang in­ vertiert wird, um zwei positive Ausgänge zu erhalten, muß festgestellt werden, ob der erwähnte Ausgang einer für die fette Seite ist.

Das oben beschriebene Problem ist durch einen Sensor-Verar­ beitungsstromkreis gelöst, in welchem ein Erdpotential (Masse) V _PG von 0 bis zu einem positiven Wert zu einem Referenz-Potential eines O₂-Sensors addiert wird über alle Bereiche von fett bis mager, um eine lineare positive Ausgangsspannung zu erhalten, wie z. B. gezeigt in Fig. 1 der japanischen Patent-Offenlegungsschrit 1 80 131/1986 mit dem Titel "Tri-state Air Fuel Ratio Sensor for Automobile", welche am 12. August 1986 offengelegt wurde.

Jedoch kann auch dieses bekannte Beispiel der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 1 80 131/1986 nicht das Fehlver­ halten beseitigen, welches es unmöglich macht, ein Stufensignal an dem Punkt (λ = 1) des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu erhalten, wie mit dem vorliegenden O₂-Sensor, während der weitgehend lineare Ausgang des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gewonnen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weit­ gehend linearen Ausgang eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis­ ses, eine Funktion zur Ausgabe eines Stufensignals, das nur einen stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Punkt zeigt, und ein Steuersignal für λ = 1, wobei der katalytische Reinigungswirkungsgrad zur Reinigung von CO, NO _x und HC in einem Abgas den besten Wert annehmen kann, zu erhalten.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rich­ tung eines durch Sauerstoff-Ionen verursachten Pumpenstro­ mes verändert wird gemäß der Veränderung eines Luft-Kraft­ stoff-Verhältnisses von fett bis mager und von mager bis fett, und durch den Vergleich der gegenüberliegenden End­ spannungen eines Widerstandes, welcher eine Pumpenstrom- Detektoreinrichtung darstellt, z. B. mittels eines Kompara­ tors mit der Funktion der Differentialverstärkung.

Das Stufensignal, welches dem des bestehenden O₂-Sensors des elektromotorischen Krafttyps äquivalent ist, kann durch die Einstellung eines Eingangs zu dem Ausgang von einem Komparator erhalten werden, so daß der Ausgang nie­ drig für den mageren Bereich ist, d. h. für den Fall, daß der Pumpenstrom positiv ist, und daß er hoch für den fet­ ten Bereich ist, d. h. für den Fall, daß der Pumpenstrom negativ ist, wie in der nachfolgenden Beschreibung ver­ deutlicht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Signalausgang entsprechend λ = 1 erhalten werden, während das fette zu dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis als ein kontinuier­ licher Linear-Ausgang gemessen wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbin­ dung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist ein Stromkreisdiagramm für die Ausbildung des Sensor-Antriebsstromkreises nach einer Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ist ein V/I -Charakteristik-Diagramm für das Verhältnis zwischen einem Pumpenstrom des Detek­ tor-Elements und einer Sensor-Zwischenpol-Span­ nung,

Fig. 3 ist ein Charakteristik-Diagramm für eine Ausgangs- Charakteristik des Sensor-Antriebsstromkreises nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4 zeigt experimentelle Daten, erhalten durch den gleichzeitigen Vergleich von Ausgangs-Charakte­ ristiken bei der stöchiometrischen Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Steuerung in einem tatsächli­ chen Motor.

In bezug auf Fig. 1 ist ein röhrenförmiges Sack-Detektor- Element als ein Detektor-Element 6 verwendet, wie gezeigt in Fig. 1 der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 1 55 853/1986 mit dem Titel "Element for Measuring Oxygen Density", welche am 15. Juli 1986 offengelegt wurde. Fig. 1 zeigt einen Teil des Detektors 6. Eine Detektor-Elektrode 6 c und eine Referenz-Elektrode 6 d, jede ausgebildet durch eine nicht-elektrische Plattierung mit Platin oder der­ gleichen, sind auf den gegenüberliegenden Seiten eines festen Zirkonerde-Elektrolyten 6 b angeordnet, welcher ein fester Sauerstoff-Ion-Leiter ist, und eine Diffusions- Widerstandsschicht 6 a, welche die Diffusions-Geschwindigkeit eines Gases reguliert, ist um die Detektor-Elektrode herum vorgesehen. Die Spannung Ve der Detektor-Elektrode 6 c ist als Negativwert zu einem Verstärker 2 zurückgeführt, und ein Strom durch einen Transistor 3 ist derart durch den Verstärker 2 gesteuert, daß dieser Strom gleich einer Refenzspannung V _PG ge­ stellt wird, auch wenn ein Pumpenstrom I _P durch das Detek­ tor-Element 6 variiert. Auf der anderen Seite ist die Spannung Va der Referenz-Elektrode 6 d auf den Wert V _PG + V _S gesteuert, und ein Strom, welcher bewirkt, daß die Sauerstoff-Ionen zwischen der Detektor-Elektrode 6 c und der Referenz-Elektrode 6 d in dem Detektor-Element 6 flie­ ßen, d. h. der Pumpenstrom I _P , ist durch einen Antriebs­ stromkreis des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Meßsystems der vorliegenden Erfindung gesteuert. Dabei ist der Spannungs­ unterschied zwischen den Elektroden des Detektor-Elements auf V _S gehalten. Die Referenz-Spannung V _PG ist durch eine Referenz-Spannungs-Erzeugungsquelle 1 a erzeugt, und die Referenz-Spannung V _PG und eine Zwischenpol-Spannung V _S sind durch eine Referenz-Spannung + Zwischenpol-Spannung-Erzeu­ gungsquelle 1 b erzeugt. Die Zwischenpol-Spannung V _S wird dabei auf einen Wert eingestellt, der innerhalb eines Be­ reiches liegt, wo der Pumpenstrom I _P einen Schwellenstrom zeigt, z. B. 0,4 V in der V/I-Charakteristik, gezeigt in Fig. 2. Wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, wird die Zwischenpol-Spannung des Detektor-Elements 6 niedriger als V _S , und daher fließen die Sauerstoff-Ionen von der Detek­ tor-Elektrode 6 c nach der Referenz-Elektrode 6 d, um V _S = 0,4 V zu erfüllen. In anderen Worten, der Pumpenstrom I _P ist gezwungen, von der Referenz-Elektrode 6 d nach der Detek­ tor-Elektrode 6 c durch den Verstärker 4 zu fließen. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Richtung fett variiert, wird die Zwischenpol-Spannung in diesem Fall höher als V _S , und daher bewegen sich die Sauerstoff-Ionen in die umge­ kehrte Richtung zu der bei mageren Verhältnissen. In ande­ ren Worten, der Pumpenstrom I _P wird gezwungen, von der Detektor-Elektrode zu der Referenz-Elektrode 6 d durch den Verstärker 2 zu fließen. Ein breitbandiger Linear-Ausgang V _o kann, entsprechend dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, aufgrund des Pumpenstroms durch einen I _P -Detektor-Widerstand Rs durch die folgende Gleichung ermittelt werden.

V _o = V _a + I _p · Rs
= (V _PG + V _s ) + I _p · rs . . .(1)

Da V _PG , V _s und Rs in dieser Gleichung Konstante sind, va­ riiert V _o nur in Abhängigkeit von I _p . Der Pumpenstrom I _p nimmt gemäß dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftüberschuß­ rate λ) einen bestimmten Wert an, nach der V/I-Charakte­ ristik des Detektor-Elements 6, gezeigt in Fig. 2, und daher kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch die Erfas­ sung des Pumpenstroms I _p gemessen werden. Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß I _p = 0 bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F = 14,7), I _p < 0 in dem ma­ geren Bereich und I _p < 0 in dem fetten Bereich liegen. An­ genommen, daß V _PG = 2,1 V und V _S = 0,4 V in der Gleichung 1 sind, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis als ein Linear- Ausgang gemessen werden, welcher V _o = 2,5 V bei I _p = 0 be­ trägt, d. h. bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis, wie in Fig. 3 gezeigt. Unter Verwendung dieses Linear-Ausgangs kann eine beliebige Steuerung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt werden. Eine Be­ schreibung einer Methode zur Gewinnung eines stufenförmi­ gen Ein-Aus-Signals folgt. Diese entspricht der des her­ kömmlichen O₂-Sensors des elektromotorischen Krafttyps zum Zwecke einer ternären Rückkopplungs-Steuerung (stöchio­ metrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt-Steuerung), welche die Realisierung des besten Reinigungs-Wirkungs­ grades eines Katalysators ermöglicht.

Wie oben beschrieben, ändert sich das Vorzeichen des Pum­ penstromwertes I _p , wobei das stöchiometrische Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis eine Grenze darstellt. In anderen Worten, hier wechselt die Richtung des Flusses I _p , wie in Fig. 1 gezeigt. Demgemäß sind eine Richtung zur Erfas­ sung dieses Zustands der Richtungsveränderung des Pumpen­ stromes und eine Einrichtung zur Weitergabe des Zustands als ein Stufensignal-Ausgang vorgesehen, um einen Ausgang zu erhalten, der sich von dem vorher erwähnten breitbandi­ gen Linear-Ausgang V _o unterscheidet. Konkret in Fig. 1 ist der Vergleich durch den Komparator 5 zwischen den gegen­ überliegenden Endspannungen Va und V _o eines I _p -Detektor- Widerstands zum Erfassen des Pumpenstrom-Werts als eine Einrichtung zum Erfassen der Richtungsveränderung des Pumpenstroms I _p ausgebildet und ein Stromkreis-Aufbau ist angenommen, in welchem ein Differentialverstärker als der Komparator verwendet wird, um ein Stufensignal zu erhal­ ten. Da der Pumpenstrom I _p von der Detektor-Elektrode 6 nach der Referenz-Elektrode 6 d im fetten Bereich fließt, gilt V _o kleiner Va gemäß dieses einfachen Stromkreis-Auf­ baus. Wenn der Komparator 5 zum Vergleichen der gegenüber­ liegenden Endspannungen des I _p -Detektor-Widerstands so verbunden ist, daß seine Plus-Eingangs-Spannung V _o ist und seine Minus-Eingangs-Spannung Va ist, wird ein λ = 1-Signal­ ausgang, d. h. V λ, ausgegeben vom Komparator 5 mit einer Funktion der Differentialverstärkung, ein hoher Ausgang für den fetten Bereich, wie in Fig. 3 gezeigt. Im Gegen­ satz dazu ist V _o größer als Va für den mageren Bereich, und der Signalausgang wird ein niedriger Ausgang.

Durch den oben beschriebenen Stromkreis-Aufbau kann der λ = 1-Signalausgang V λ, welcher stufenweise bei dem stöchio­ metrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (g = 1) variiert, deutlich und getrennt von dem breitbandigen Linear-Ausgang V _o erhalten werden.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel (die Charakteristik, wenn Road/Load, R/L, entsprechend 60 km/h eingestellt ist) der Ergebnisse eines Versuchs, wobei die ternäre Rückkopplungs- Steuerung (λ = 1-Steuerung) durchgeführt wurde unter Verwendung des herkömmlichen elektromotorischen Krafttyps O₂-Sensors in einem Viertakt 2,0 l-Motor. Beim Versuch wurden der Signalausgang von V λ sowie Veränderungen in dem breitbandigen Ausgang V _o und der elektromotorischen Kraft des O₂-Sensors durch ein Wellen-Speicherregister aufgenommen. Diese Ausgänge stellen Veränderungen in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis dar, welche beobachtet werden, wenn eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung durch den O₂-Sensor durchgeführt ist.

Der breitbandige Ausgang V _o ist so eingestellt, daß er 2,5 V beträgt bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff- Verhältnis A/F = 14,7 (λ = 1), wie in Fig. 3 gezeigt. Ober­ halb und unterhalb von V _o = 2,5 V oszilliert der λ = 1- Signalausgang V λ zwischen einem hohen Ausgang (I _p < 0, für den fetten Bereich) und einem niedrigen Ausgang (I _p < 0, für den mageren Bereich), entsprechend dem Richtungs­ wechsel des Pumpenstroms I _p . Der Zyklus der Oszillation bzw. Wiederholung beträgt 600 bis 700 ms. Die Veränderung des Ausgangs des O₂-Sensors ist mit der Veränderung von V synchron, und es wurde auch bestätigt, daß der Zyklus hier­ von 600 bis 700 ms betragen hat. Außerdem war der Wert V λ reduziert um ein Fünftel, für das Ein/Aus-Signal des O₂-Sensors substituiert, und die ternäre Rückkopplung wurde bezüglich des vorher erwähnten Motors durchgeführt. Dabei wurden Ergebnisse entsprechend denen in Fig. 4 erhalten, in welchen die Zehn-Modus-Kraftstoff-Kosten (Verbrauch) 10,5 km/l waren, während Zehn-Modus-Abgaswerte 0,82 g/km CO, 0,14 g/km HC und 0,19 g/km NO _x waren. So könnten Er­ gebnisse erzielt werden, die denen mit der Steuerung durch den O₂-Sensor entsprechen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Signalausgang entsprechend λ = 1 und unabhängig von dem breitbandigen Linear-Ausgang erhalten werden allein durch die zusätzli­ che Verwendung eines einfachen Stromkreis-Aufbaus.

Weiterhin kann als weiterer Effekt ein Signal entspre­ chend einem des bestehenden O₂-Sensors des elektromotori­ schen Krafttyps erhalten werden, und dieses kann auch als Signal zur ternären Rückkopplung-Steuerung ausschließlich verwendet werden, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf den stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt einzustellen, bei welchem der Reinigungswirkungsgrad des Katalysators maximal ist.

Claims (3)

1. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Meßsystem zum Messen des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses eines Kraftstoffgases als ein Linearausgang (V _o ) für alle fetten, stöchiometrischen und mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisse mittels eines Detektor- Elements (6), welches einen festen Zirkonerde-Elektrolyten (6 b) sowie eine Referenz-Elektrode (6 d) und eine Detektor- Elektrode (6 a) an den gegenüberliegenden Seiten des Elek­ trolyten aufweist, und mit einer Diffusions-Schicht (6 a) zur Regulierung der Geschwindigkeit der Gasdiffusion um die Detektor-Elektrode, und mittels eines Antriebsstrom­ kreises (1 b, 4) zum Einprägen einer Spannung zwischen den zwei Elektroden derart, daß Sauerstoff-Ionen in zwei Rich­ tungen gepumpt werden, um einen Schwellenstrom zu erfas­ sen, gekennzeichnet durch eine weitere Einrichtung (Rs), um einen Zustand zu erfas­ sen, in dem die Flußrichtung eines Sauerstoff-Ion-Pumpen­ stroms (I _p ) gewechselt hat, und eine Einrichtung (5) zum Ausgeben dieses Zustands als ein Stufensignal (V λ ), wo­ bei der Linear-Ausgang und der Stufensignal-Ausgang unter­ schiedlich voneinander ausgegeben werden.

2. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichs-Einrichtung mit einem Komparator (5) zwischen den gegenüberliegenden Endspannungen eines Widerstands (Rs) zum Erfassen eines Pumpenstrom-Wertes verwendet wird als eine Einrichtung zum Erfassen des Richtungswechsels des Pumpenstroms.

3. Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Meßsystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Differential- Verstärkers (5) für den Komparator als eine Einrichtung zum Ausgeben des Stufensignals.