DE3835958A1

DE3835958A1 - Vorrichtung zum ueberwachen des luft/kraftstoff-verhaeltnisses

Info

Publication number: DE3835958A1
Application number: DE3835958A
Authority: DE
Inventors: Masanobu Uchinami; Toshihisa Takahashi; Hitoshi Inoue; Shinichi Nishida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1989-05-03
Also published as: JPH0758053B2; US4915077A; DE3835958C2; JPH01110855A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit einem Luft/Kraft stoff-Verhältnis-Sensor von der Bauart der Sauerstoff pumpe, der einen ionenleitenden Trockenelektrolyt aufweist und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung erfaßt.

Es ist bekannt, eine Brennkraftmaschine beispielsweise für ein Kraftfahrzeug so zu überwachen, daß ein theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingehalten wird. Dabei wird ein Sauerstoffsensor verwendet, der von einer ionenleitenden Trockenmasse, wie etwa fester Zirkonerde gebildet ist, und es wird der Verbrennungszustand bei einem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage der Änderung der elektromotorischen Kraft erfaßt, welche durch die Differenz zwischen dem Partialdruck von Sauerstoff im Abgas und dem Partialdruck von Sauerstoff in der Luft herrührt. Zwar ist dann, wenn ein hohes Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F als Massenverhältnis von Luft und Kraftstoff auf einem theoretischen Wert von 14,7 liegt, ein großes Ausgangssignal erzielbar, jedoch verändert sich das Ausgangssignal in anderen Bereichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nicht wesentlich. Deshalb ist es nicht möglich, das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors zu verwenden, wenn die Brennkraftmaschine mit einem anderen als dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses betrieben wird.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in Bereichen, die sich von dem theoretischen Luft/Kraft stoff-Verhältnis unterscheiden, sowie das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfassen kann. Ferner sollen Beeinträchtigungen von Elementen des Luft/Kraft stoff-Verhältnis-Sensors unabhängig von den Betriebs bedingungen der Brennkraftmaschine ausgeschlossen sein.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeich nungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsge mäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1, in der ein für das Ausfüh rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeter Luft/Kraftstoff-Ver hältnis-Sensor dargestellt ist;

Fig. 3 eine charakteristische Kennlinie des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors nach Fig. 2; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm des Betriebs des Aus führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den Zeichnungen sind durchgehend gleiche bzw. entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. In den Fig. 1 und 2 bezeichnet Bezugszahl 1 einen Abgaskanal für eine Brennkraftmaschine und Bezugszahl 2 einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Sensor in dem Abgaskanal 1.

Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2 umfaßt eine Sauerstoffpumpe 6 mit Trockenfüllung (nachstehend als Sauerstoffpumpe bezeichnet), die eine Platte 3 aus einem flächenförmigen ionenleitenden Trocken elektrolyten (feste Zirkonerde) mit einer Dicke von etwa 0,5 mm und Elektroden 4, 5 aus Platin umfaßt, die an den beiden Seitenflächen der Platte 3 angebracht sind, und einen Elektrolyt-Sauerstoff- Sensor 10 (nachstehend als Sauerstoffsensor be zeichnet), der eine Platte 7 aus einem flächenförmigen ionenleitenden Trockenelektrolyten und Elektroden 8, 9 aus Platin umfaßt, die an den beiden Seitenflächen der Platte 7 in der gleichen Weise wie bei der Sauerstoffpumpe 6 angebracht sind. Ein Halteblock 11 trägt die Sauerstoffpumpe 6 und den Sauerstoffsensor 10 so, daß sie einander unter Bildung eines kleinen Spaltes d von etwa 0,1 mm gegenüber liegen.

Bezugszahl 12 bezeichnet eine elektronische Über wachungseinrichtung, die so aufgebaut ist, daß eine elektromotorische Kraft e, die zwischen den Elektroden 8, 9 des Sauerstoffsensors 10 erzeugt wird, einem invertierenden Eingangsanschluß (negativ) eines Operationsverstärkers A über einen Widerstand R ₁ zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Operations verstärkers A, das der Differenz zwischen einer Bezugsspannung V _s (von einer Spannungsquelle V ₁ abgegeben) an dem nicht invertierenden Eingangs anschluß (positiv) des Operationsverstärkers A und der elektromotorischen Kraft e proportional ist, steuert eine Transistorschaltung TR an, wodurch ein zwischen den Elektroden 4, 5 der Sauerstoffpumpe 6 fließender Pumpenstrom I _p überwacht wird. Somit dient die elektronische Überwachungseinrichtung 12 dazu, denjenigen Pumpenstrom I _p zu liefern, der nötig ist, um die elektromotorische Kraft e auf einem vorbestimmten Wert V _s zu halten.

Die Transistorschaltung TR umfaßt ein Paar Tran sistoren. Die Kollektoren der Transistoren TR sind über Energiequellen B an Masse angeschlossen, während die Emitter miteinander kurzgeschlossen und über einen Widerstand R ₀ an die Elektrode 4 der Sauerstoff pumpe 6 angeschlossen sind. Die beiden Endanschlüsse des Widerstandes R ₀ gehen an Eingangsanschlüsse eines Strom/Spannungs-Wandlers 13.

Der Widerstand R ₀ erzeugt ein Ausgangssignal, das dem Pumpenstrom I _p entspricht und von den Energie quellen B (Geichstromquellen) als Pumpenstromer zeugungsmitteln abgegeben wird.

Die Basen der Transistoren TR sind mit dem Kollektor eines Transistors TR1 verbunden. Der Emitter des Transistors TR1 liegt an Masse und die Basis geht an ein Ausgangsinterface 24. Der Transistor TR1 überwacht den Pumpenstrom in der Weise, daß der letztere gestoppt oder abgegeben wird. Der Tran sistor TR1 bildet Mittel zum Stoppen des Pumpenstroms und wird von einer nachstehend beschriebenen Über wachungseinrichtung 14 überwacht. Zwischen dem Ausgangsanschluß und den invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers A liegt ein Kondensator C. Nachstehend ist die Überwachungseinrichtung 14 detailliert beschrieben.

Die Überwachungseinrichtung 14 umfaßt folgende Elemente: einen A/D-Wandler 20 zum Wandeln eines Analogsignals von dem Strom/Spannungs-Wandler 13 und von Informationen betreffend die angesaugte Luftmenge in digitale Werte, einen Mikroprozessor 21 zum Durchführen arithmetischer Operationen und logischer Verarbeitungen entsprechend in einem ROM 22 gespeicherten Programmen, einen RAM 23 zum vorübergehenden Speichern von mittels des Mikro prozessors 21 verarbeiteten Werten, ein Ausgangsinter face 24 zum Empfangen von Ergebnissen der arith metischen Operationen und der logischen Verarbeitungen durch den Mikroprozessor 21. Die Überwachungsein richtung 14 gibt ein Ausgangssignal zum Ansteuern der Mittel zum Stoppen des Pumpenstroms in der elektronischen Überwachungseinrichtung 12 und ein Signal zum Überwachen von einer ein Gasgemisch erzeugenden Mitteln 15 zugeführten Kraftstoffmenge oder einer Ansaugluftmenge. Bezugszahl 25 bezeichnet ein Eingabeinterface, das ein der Maschinendrehzahl entsprechendes Signal von einem Kurbelwinkelsensor (nicht gezeigt) empfängt.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszahl 16 eine Brennkraft maschine mit innerer Verbrennung und Bezugszahl 17 einen Zündschloßschalter.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft/Kraft stoff-Verhältnis und dem von der Sauerstoffpumpe gelieferten Strom für den Fall, daß der Luft/Kraft stoff-Verhältnis-Sensor 2 in einem Benzinmotor angebracht ist.

Der Grund dafür, warum in der charakteristischen Kennlinie nach Fig. 3 der Pumpenstrom I _p sich in dem Bereich, in dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F über einem theoretischen Wert liegt, proportional zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis verhält, ist in der JP-OS 1 30 649/1981 beschrieben. Und zwar wird eine elektromotorische Kraft e in dem Sauerstoff sensor 10 erzeugt, wenn der Partialdruck von Sauer stoff in dem Abgas in dem kleinen Spalt d sich von dem Partialdruck von Sauerstoff in dem Abgas, das durch den Abgaskanal 1 strömt, unterscheidet. Der Pumpenstrom I _p verändert sich proportional zu der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, wenn der der Sauerstoffpumpe 6 zugeführte Pumpenstrom I _p so geregelt wird, daß sich die elektromotorische Kraft e einem vorbestimmten Wert annähert. Da das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im wesentlichen der Sauerstoffkonzentration proportional ist, ist auch der Pumpenstrom I _p dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F proportional.

Der Verlauf des Pumpenstroms I _p in dem Bereich von Werten, die unterhalb des theoretischen Luft/Kraft stoff-Verhältnisses liegen (vergl. Fig. 3), ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß der Luft/ Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2 auf die Konzentration von Kohlenmonoxid (CO) im Abgas reagiert.

Arbeitet der Benzinmotor normal, tritt bezüglich der Funktionen der elektronischen Überwachungsein richtung 12 kein Problem auf. Wird der Benzinmotor jedoch angehalten oder wird die Zündung mittels des Zündschloßschalters 17 eingeschaltet, um den Benzinmotor zu starten, und wird sie dann für eine bestimmte Zeitspanne gehalten, erhöht die elektronische Überwachungseinrichtung 12 den Pumpenstrom I _p, so daß die elektromotorische Kraft e des Sauerstoff sensors 10 auf einem vorbestimmten Wert V _s gehalten wird. Da jedoch die Maschine steht, ist die Sauerstoff menge bezogen auf den Betriebszustand des Motors zu groß, wodurch der Pumpenstrom I _p groß wird. Hält dieser Zustand für eine lange Zeit an, nehmen die feste Zirkonerde, die einen Teil der Sauerstoff pumpe 6 bildet, oder die Elektroden zum Abgeben des Pumpenstroms Schaden, wodurch eine weitere Verwendung des Sensors ausgeschlossen ist.

Im Hinblick darauf dient die Erfindung dazu, die Elemente des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors unabhängig von den Betriebsbedingungen der Maschine vor Beeinträchtigungen zu schützen und den Pumpenstrom dadurch zu stoppen, daß der Stillstand der Maschine erfaßt wird.

Der Pumpenstrom I _p wird mittels des Strom/Spannungs- Wandlers 13 in ein Spannungssignal gewandelt und das Ausgangssignal des Strom/Spannungs-Wandlers 13 wird der Überwachungseinrichtung 14 zugeführt. Daraufhin gibt die Überwachungseinrichtung 14 ein Signal an die Gasgemischerzeugungsmittel 15. Die Überwachungseinrichtung 14 empfängt ein Signal betreffend die Maschinendrehzahl, um zu erfassen, wenn die Maschine steht, und ggf. ein Ausgangssignal an die elektronische Überwachungseinrichtung 12 derart abzugeben, daß der Pumpenstrom gestoppt wird. Nachstehend ist der Betrieb der erfindungs gemäßen Vorrichtung zur Überwachung des Luft/Kraft stoff-Verhältnisses beschrieben.

In dem Fall, daß keine Regelung (mit Rückführung) unter Verwendung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Sensors 2 durchgeführt wird, wird ein Analogwert, der eine Information betreffend die Ansaugluftmenge wiedergibt, mittels des A/D-Wandlers 20 in einen digitalen Wert gewandelt. Der Mikroprozessor 21 ermittelt die optimale Kraftstoffzuführmenge unter Verwendung von Verfahrensschritten und Konstanten, die vorher in dem ROM 20 gespeichert worden sind.

Die durch die Verarbeitungen gewonnenen Daten werden über das Ausgangsinterface 24 den Gasgemisch erzeugungsmittels 15 zugeführt. Die durch die Ver arbeitung gewonnenen Daten entsprechen der Dauer eines Ansteuerimpulssignals für ein elektromagne tisches Kraftstoffeinspritzventil 15 in den Gas gemischerzeugnismitteln 15, wobei das Luft/Kraft stoff-Verhältnis durch die Gasgemischerzeugungs mittel 15 überwacht wird.

Wird entsprechend dem Ausgangssignal des Luft/Kraft stoff-Verhältnissensors 2, i. e. mittels des Pumpen stromes I _p eine Regelung (mit Rückführung) durchge führt, werden die ohne Rückführung durchgeführten Operationen, i.e. die Steuerung, mittels des Pumpen stromes I _p korrigiert. In diesem Fall umfaßt die Korrektur einen wellenförmigen Verlauf innerhalb einer PI-Regelung (proportional, integral).

Nachstehend ist unter Bezugnahme auf Fig. 4 die Überwachung des Pumpenstroms des Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Sensors 2 beschrieben. Wird der Zünd schloßschalter 17 beim Starten des Betriebs eines Kraftfahrzeuges eingeschaltet, wird in Schritt 401 die Maschinendrehzahl erfaßt. In Schritt 402 wird abgefragt, ob die Maschinendrehzahl über einem vorbestimmten Wert, wie etwa 30 U/min liegt. Ist der erfaßte Wert geringer als der vorbestimmte Wert, wird festgestellt, daß die Maschine gestoppt ist. In diesem Fall wird zu Schritt 403 übergegangen. Anderenfalls (Maschinendrehzahl liegt über 30 U/min) wird zu Schritt 404 übergegangen.

In Schritt 403 gibt der Mikroprozessor 21 über das Ausgangsinterface 24 ein Ausgangssignal zum Stoppen des Pumpenstroms an den Transistor TR1 in der elektronischen Überwachungseinrichtung 12, wodurch das Potential an der Basis des Transistors TR auf das Massenpotential gezogen wird, so daß der Pumpenstrom I _p gestoppt wird.

In Schritt 404 gibt der Mikroprozessor 21 über das Ausgabeinterface 24 in derselben Weise wie in Schritt 403 ein Ausgangssignal zum Zuführen eines dem erfaßten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ent sprechenden Pumpenstroms I _p an den Transistor TR1.

Demnach wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, die einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet und ein Ausgangssignal proportional zu dem Luft/Kraft stoff-Verhältnis ändert, um so ein der Brennkraft maschine mit innerer Verbrennung zugeführtes Gas gemisch zu regeln, ein Pumpenstrom von einer Sauer stoffpumpe dadurch gestoppt, daß Pumpenstromstopmittel in einer elektronischen Überwachungseinrichtung auf der Grundlage des Ausgangssignals einer anderen Überwachungseinrichtung angesteuert werden, wenn durch Erfassen der Maschinendrehzahl festgestellt worden ist, daß die Brennkraftmaschine angehalten worden ist. Daher kann eine Beeinträchtigung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor-Elementes unab hängig von Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgeschlossen werden.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren ver schiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen des Luft/Kraftstoff-Ver hältnisses, die einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis sensor (2) mit einem Spalt (d) zum Einführen von Abgas einer Brennkraftmaschine, eine Sauer stoffpumpe (6) mit einem Trockenelektrolyten zum Überwachen des Partialdrucks von Sauerstoff in dem Spalt (d) und einen Sauerstoffsensor (10) mit einem Trockenelektrolyten umfaßt, der eine elektromotorische Kraft (e) entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Spalt (d) und dem Partialdruck des Sauerstoffs außerhalb des Spaltes (d) erzeugt, gekennzeichnet durch eine elektro nische erste Überwachungseinrichtung (12) mit Pumpenstrom-Stoppmitteln (TR 1), welche einen Pumpenstrom (I _p) von der Sauerstoffpumpe (6) so überwachen, daß die von dem Sauerstoffsensor (10) erzeugte elektromotorische Kraft (e) auf einem konstanten Wert gehalten ist und daß der Pumpenstrom (I _p) nicht zugeführt wird, wenn die Brennkraftmaschine angehalten ist, und durch eine zweite Überwachungseinrichtung (14), welche die optimale Menge zugeführten Kraftstoffs ermittelt und die Kraftstoffzuführung mit Hilfe von Gas gemisch-Erzeugungsmitteln (15) dann überwacht, wenn die Brennkraftmaschine nicht auf der Grundlage eines Ausgangssignals von dem Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Sensor (2) geregelt (mit Rückführung) ist, und die Überwachung mittels Ansteuerung der Pumpenstrom-Stoppmittel (TR1) so vornimmt, daß kein Pumpenstrom (I _p) zugeführt wird, wenn festgestellt ist, daß die Maschinendrehzahl unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, d.h. daß die Brennkraftmaschine angehalten wird, wenn sie auf der Grundlage des Pumpenstroms (I _p) geregelt (mit Rückführung) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die von dem Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Sensor (10) erzeugte elektromotorische Kraft (e) mittels eines Operationsverstärkers (A) und einer Referenzspannungsquelle (V ₁) auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überwachungseinrichtung (14) ein Spannungssignal, das mittels eines Strom/Spannungs-Wandlers (13) aus dem Pumpenstrom (I _p) gewonnen ist, um so die Gasgemischerzeugungsmittel (15) anzusteuern, und ein die Maschinendrehzahl wiedergebendes Signal empfängt, um ein Ausgangssignal an die erste elektronische Überwachungseinrichtung (12) abzugeben, so daß der Pumpenstrom (I _p) gestoppt wird.