DE3840247A1 - Messvorrichtung fuer das luft-kraftstoff-mischungsverhaeltnis fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents
Messvorrichtung fuer das luft-kraftstoff-mischungsverhaeltnis fuer eine brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für das Luft-
Kraftstoff-Mischungsverhältnis für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die
Erindung auf eine Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-
Mischungsverhältnis für den Motor eines Kraftfahrzeugs.
In jüngerer Zeit sind Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnisdetektoren
in die Auspuffkrümmer von Brennkraftmaschinen
bzw. Motoren eingebaut worden, um das Luft-Kraftstoff-
Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches genau zu steuern,
das in die Zylinder von Brennkraftmaschinen eintritt. Die
Komponenten des Abgases eines Motors, die mit dem Luft-
Kraftstoff-Verhältnis in Korrelation stehen, werden mit
dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektor abgetastet, und die
Kraftstoffzuführung wird durch eine Rückkopplungsschleife
gesteuert, um einen Sollwert für das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis
zu erzielen.
Diese Art von Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektor hat im
allgemeinen ein Meßelement und eine Heizung, welche das
Abtastelement auf eine Aktivierungstemperatur aufheizt. Ein
Sensor dieser Bauart ist in der JP-Patentanmeldung Nr.
60-58 548 beschrieben.
Die Temperatur des Abgases eines Motors hängt stark vom
Betriebszustand des Motors (ausgedrückt durch Parameter wie
z. B. Motordrehzahl, Ansaugluftdurchsatz und Ansaugluftdruck),
Temperaturparametern, wie z. B. Motorkühlwassertemperatur und
Ansauglufttemperatur, sowie der Fahrzeuggeschwindigkeit ab.
Da ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektor im Inneren des
Auspuffkrümmers eines Motors angeordnet ist, ist er dem
Abgas ausgesetzt, dessen Temperatur sich stark ändert. Um
daher die Temperatur des Meßelementes des Luft-Kraftstoff-
Verhältnisdetektors über einer Aktivierungstemperatur zu halten
und dennoch das Meßelement nicht zu überheizen, ist es erforderlich,
das Ausgangssignal der Heizung für das Meßelement in
Abhängigkeit von der Abgastemperatur einzustellen.
Bei einem herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektor
wird das Ausgangssignal der Heizung für das Meßelement in
Abhängigkeit von der Abgastemperatur gesteuert, die durch
den Ansaugluftdurchsatz in den Motor bestimmt ist. Wenn der
Ansaugluftdurchsatz unter einem vorgegebenen Wert liegt,
wird dies als Anzeichen dafür genommen, daß die Abgastemperatur
unter einer vorgeschriebenen Temperatur liegt,
und die Heizung für das Meßelement wird eingeschaltet. Wenn
andererseits der Ansaugluftdurchsatz über dem vorgeschriebenen
Wert liegt, wird dies als Anzeichen dafür genommen, daß die
Abgastemperatur über der vorgeschriebenen Temperatur liegt,
und die Heizung für das Meßelement wird abgeschaltet.
Dieses Verfahren für die Heizungssteuerung ist jedoch nicht
ausreichend genau, denn in der oben angegebenen Weise hängt
die Abgastemperatur eines Motors von einer großen Anzahl
von Parametern außer dem Ansaugluftdurchsatz ab, so daß auch
bei einem konstanten Ansaugluftdurchsatz die Abgastemperatur
sich ändern kann. Mit diesem herkömmlichen Verfahren der
Heizungssteuerung kann somit die Temperatur des Meßelementes
nicht konstant gehalten werden.
Über den gesamten Betriebsbereich des Motors genommen, liegen
Schwankungen der Abgastemperatur aufgrund von sich ändernden
Betriebsbedingungen normalerweise über 800°C. Der Bereich der
Schwankungen von Abgastemperaturen zwischen den Zuständen,
wo die Heizung eines herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektors
eingeschaltet und wo sie ausgeschaltet ist, ist
zu groß, die Änderung der Temperatur des Luft-Kraftstoff-
Verhältnisdetektors wird zu groß, und die Temperaturabhängigkeit
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektors kann nicht mehr
ignoriert werden. Somit wird die genaue Messung des Luft-
Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas extrem schwierig.
Bei einem herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektor
tritt außerdem das Problem auf, daß die Spannung der Batterie
des Fahrzeugs direkt an die Heizung für das Meßelement angelegt
wird. Während des Fahrzeugbetriebes kann sich die
Batteriespannung ändern, und so kann es in Abhängigkeit von
der Abgastemperatur unmöglich werden, die Temperatur des
Meßelementes über seiner Aktivierungstemperatur zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Meßvorrichtung für
das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis anzugeben, bei der
die Temperatur seines Meßelementes auf einer konstanten
Temperatur über seiner Aktivierungstemperatur gehalten werden
kann, und zwar über einen großen Bereich von Motorbetriebsbedingungen
und Temperaturen, so daß das Luft-Kraftstoff-
Mischungsverhältnis genau bestimmt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird das Ausgangsverhältnis der Heizung
für das Meßelement einer Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-
Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
des Motors, einem Luft-Kraftstoff-Sollwertverhältnis
und mindestens einem Parameter gesteuert, der gewählt wird
aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, in welches die
Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingebaut
ist, und einem Temperaturparameter.
Durch Steuerung des Heizungsausgangssignals auf der Basis
einer großen Anzahl von Parametern, anstatt lediglich in
Abhängigkeit von dem Ansaugluftdurchsatz wie beim Stand der
Technik, kann die Temperatur des Meßelementes über einer
Aktivierungstemperatur konstant gehalten werden, und zwar
trotz Schwankungen der Motorbetriebsbedingungen, der Temperaturzustände,
der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Batteriespannung.
Die Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis
für einen Motor gemäß der Erfindung weist folgendes auf:
ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Meßelement, das ein elektrisches
Ausgangssignal entsprechend der Konzentration einer Komponente
im Abgas des Motors des Fahrzeugs erzeugt; eine elektrische
Heizung, die in der Nähe des Meßelementes angeordnet und in
der Lage ist, das Meßelement auf eine Aktivierungstemperatur
aufzuheizen; und eine Steuerung zum Steuern des Ausgangssignals
der Heizung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
des Motors, einem Luft-Kraftstoff-Sollwertverhältnis und
mindestens einem Parameter, der aus der Geschwindigkeit des
Fahrzeugs und einem Temperaturparameter ausgewählt ist.
Das Ausgangssignal der Heizung für das Meßelement kann mit
verschiedenen Methoden gesteuert werden. Bei einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung sorgt die Steuerung für eine Veränderung
oder Einstellung des Wertes der Spannung, der an die Heizung
angelegt wird. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der
Erfindung wird eine Spannung mit konstantem Wert an die
Heizung in Form von Impulsen angelegt, wobei die Steuerung
die Länge der Impulse steuert, um ein geeignetes Heizungsausgangssignal
zu erhalten.
Der oben angegebene Betriebszustand, auf dessen Basis die
Heizungssteuerung durchgeführt wird, wird angegeben durch
mindestens einen Parameter, der ausgewählt ist aus der
Drehzahl des Motors, dem Durchsatz der Ansaugluft in den Motor,
dem Druck der Ansaugluft und dem Öffnungsgrad einer Drosselklappe
des Motors.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Teiles
eines Motors, der mit einer Meßvorrichtung
für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß
der Erfindung ausgerüstet ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Luft-
Kraftstoff-Verhältnissensors der Ausführungsform
gemäß Fig. 1 sowie einer dazugehörigen
Abtastschaltung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Luft-Kraftstoff-
Verhältnissteuerung, ausgerüstet mit einer
ersten Ausführungsform einer Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Luft-Kraftstoff-
Verhältnissteuerung, ausgerüstet mit einer
zweiten Ausführungsform der Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Luft-Kraftstoff-
Verhältnissteuerung, ausgerüstet mit einer
dritten Ausführungsform der Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung,
Fig. 6a ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges
zwischen der Motorlast und der
Motordrehzahl für verschiedene Werte der
Heizungsbedarfsspannung,
Fig. 6b ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges
zwischen der Heizungsbedarfsspannung
und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
Fig. 6c ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges
zwischen der Heizungsbedarfsspannung
und der Motorkühlwassertemperatur und in
Fig. 7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebes
der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung gemäß
Fig. 3 bei Berechnung der Heizungsbedarfsspannung.
Bei der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung werden durchgehend gleiche Bezugszeichen
für gleiche oder entsprechende Teile verwendet. Dabei
zeigt Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Teiles
einer Brennkraftmaschine oder eines Motors für ein Kraftfahrzeug,
das mit einer Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung ausgerüstet
ist, die eine Heizungssteuerung gemäß der Erfindung
verwendet. Obwohl die Erfindung nachstehend bei ihrer Anwendung
auf eine Brennkraftmaschine oder einen Motor für ein Kraftfahrzeug
beschrieben wird, ist sie selbstverständlich auch
für alle anderen Arten von Brennkraftmaschinen oder Motoren
für andere Zwecke geeignet.
Wie in Fig. 1 angedeutet, hat ein Fahrzeugmotor 1 einen
Kolben 1 a, Einlaß- und Auslaßventile 1 b sowie eine Zündkerze 1 c,
die in einem Motorzylinder 1 d in herkömmlicher Weise eingebaut
sind. Der Einfachheit halber ist nur ein einziger Zylinder
1 d dargestellt, wobei der Motor 1 selbstverständlich mit
einer Vielzahl von Motorzylindern 1 d mit gleichem Aufbau
ausgerüstet sein kann.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 3 ist am Auspuffkrümmer 2
des Motors 1 angebracht. Ein Ansaugrohr 4, das sich in den
Innenraum des Zylinders 1 d öffnet, hat einen Ansaugluftdurchsatzsensor
5, der darin installiert ist und der ein
elektrisches Ausgangssignal liefert, welches dem Durchsatz
entspricht, mit dem Luft in dem Ansaugrohr 4 strömt. Ein
Luftfilter 13 ist am Einlaß des Ansaugrohres 4 montiert.
Ein Ansauglufttemperatursensor 6, der ebenfalls am Ansaugrohr
4 montiert ist, mißt die Temperatur der Ansaugluft
und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal.
Eine Drosselklappe 7 ist im Inneraum des Ansaugrohres 4
montiert, und ein Drosselklappenöffnungssensor 8, der am
Ansaugrohr 4 montiert ist, mißt den Öffnungsgrad der Drosselklappe
7 und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal.
Ein Drehzahlsensor 9, der am Motor 1 montiert ist,
mißt dessen Drehzahl und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal.
Die Temperatur des Kühlwassers für den Motor 1 wird
von einem Kühlwassertemperatursensor 10 gemessen, der am
Motorblock montiert ist und der ein entsprechendes elektrisches
Ausgangssignal erzeugt.
Die Ausgangssignale von den Sensoren 3, 5, 6, 8, 9 und 10
werden als Eingangssignale für eine Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung
50 zur Verfügung gestellt, die von der Batterie 12
des Fahrzeugs mit Energie versorgt wird. Die Steuerung 50
steuert den Betrieb einer Kraftstoffeinspritzdüse 11, die
am Ansaugrohr 4 montiert ist. Die Steuerung 50 fungiert auch
als Steuerung für die Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-
Mischungsverhältnis gemäß der Erfindung.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 3 weist ein Meßelement
31 und eine Heizung 32 auf, die in Fig. 2 schematisch und
zusammen mit einer dazugehörigen Abtastschaltung 51 dargestellt
sind, die im Innenraum der Steuerung 50 untergebracht
ist. Das Meßelemente 31 ist von herkömmlicher Bauweise und
beispielsweise in der JP-Patentanmeldung Nr. 60-1 69 751
beschrieben.
Das Meßelement 31 weist folgendes auf: eine Sauerstoffpumpe
31 a, eine Sauerstoffkonzentrationszelle 31 b, die der Sauerstoffpumpe
31 a gegenüberliegt, einen Abgasdiffusor 31 c, der
zwischen der Sauerstoffpumpe 31 a und der Sauerstoffkonzentrationszelle
31 b ausgebildet ist, und ein Sauerstoffreferenzteil 31 d,
das zur Atmosphäre offen ist. Für eine ordnungsgemäße Funktion
muß das Meßelement 31 über eine vorgeschriebene Aktivierungstemperatur
aufgeheizt werden, und zwar mit einer in seiner
Nähe angeordneten Heizung 32. Die Heizung 32 ist mit zwei
Leitungen 32 a und 32 b versehen, über welche eine Heizspannung
angelegt wird.
Wenn der Motor in Betrieb ist und das Meßelement 31 im
aktivierten Zustand ist, erzeugt die Sauerstoffkonzentrationszelle
31 b eine elektromotorische Kraft Vs, die der Differenz
zwischen der Sauerstoffkonzentration in dem Abgasdiffusor 31 c
und der entsprechenden Konzentration in dem Sauerstoffreferenzteil
31 d entspricht. Diese elektromotorische Kraft Vs wird an
den nicht invertierenden Eingang eines Vorverstärkers 5 a
der Abtastschaltung 51 angelegt. Das verstärkte Ausgangssignal
des Vorverstärkers 51 wird an den invertierenden Eingang eines
Differentialintegrators 51 b angelegt, an dessen nicht-invertierenden
Eingang eine Referenzspannung Vref angelegt wird.
Das Ausgangssignal des Differentialintegrators 51 b wird an
den nicht-invertierenden Eingang einer Folgestufe 51 c angelegt,
und das Ausgangssignal der Folgestufe 51 c wird an den invertierenden
Eingang eines Differenzverstärkers 51 d sowie an
seinen nicht-invertierenden Eingang über einen Widerstand Rs
angelegt. Man läßt einen Steuerstrom Ip durch die Sauerstoffpumpe
31 a fließen, und zwar in Abhängigkeit von der Differenz
zwischen der Referenzspannung Vref und der Spannung, die an
den invertierenden Eingang des Integrators 51 b angelegt wird.
Der Steuerstrom Ip ist proportional zur Konzentration der
Komponenten im Abgas, die mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
zusammenhängen.
Der Wert der Referenzspannung Vref wird so gewählt, daß der
Steuerstrom Ip negativ ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch
mager ist, daß der Steuerstrom Ip positiv ist, wenn das
Luft-Kraftstoff-Gemisch fett ist, und daß der Steuerstrom Ip
für ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis
Null ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 51 d,
das proportional zum Steuerstrom Ip ist, wird an den invertierenden
Eingang eines Verstärkers 51 e angelegt, dessen
nicht-invertierender Eingang mit einer Referenzspannung Vo
verbunden ist, die einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-
Mischungsverhältnis entspricht. Die positive Ausgangsspannung
Vout des Verstärkers 51 e gibt das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis
an.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung
50 gemäß Fig. 1, die auch als Steuerung
für eine erste Ausführungsform der Meßvorrichtung für das
Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis gemäß der Erfindung dient.
Analog/Digital-Wandler oder kurz A/D-Wandler 50 a bis 50 e
sind zwischen eine Eingangsstufe 55 sowie den Ansaugluftdurchsatzsensor
5, den Drosselklappenöffnungssensor 8, den
Ansauglufttemperatursensor 6, den Kühlwassertemperatursensor
10 und die Batterie 12 geschaltet. Das Ausgangssignal des
Drehzahlsensors 9 wird direkt an die Eingangsstufe 55 angelegt.
Ein weiterer A/D-Wandler 50 f ist zwischen den Ausgang der
Abtastschaltung 51 gemäß Fig. 2 und die Eingangsstufe 55
geschaltet.
Die Eingangsstufe 55 ist mit einem Mikroprozessor 52 verbunden,
der an einen ROM 53, eine RAM 54 und eine Ausgangsstufe 56
angeschlossen ist. Der RAM 54 wird zur vorübergehenden
Speicherung von Daten während der Durchführung von Berechnungen
verwendet. Die Ausgangsstufe 56 ist an einen Verstärker 50 h
über einen D/A-Wandler 50 g angeschlossen. Der Ausgang des
Verstärkers 50 h ist mit der Basis eines Transistors Tr 1
verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr 1 ist an die
Batterie 12 angeschlossen, und sein Emitter ist an die
eine Leitung 32a der Heizung 32 sowie an den invertierenden
Eingang des Verstärkers 50 h als Rückkopplungssignal angeschlossen.
Mit einer derartigen Anordnung wird die Spannung, die an die
Heizung 32 angelegt wird, stets gleich der Spannung gehalten,
die an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 50 h
angelegt wird, unabhängig von Schwankungen der Batteriespannung
Vb der Batterie 12. Die Ausgangsstufe 56 ist außerdem
an die Kraftstoffeinspritzdüse 11 angeschlossen, und
zwar über eine Kraftstoffsteuerschaltung 57.
Wie oben erläutert, hängt die Spannung, die an die Heizung
32 angelegt werden muß, um die Temperatur Ts des Meßelementes
31 auf einer vorgeschriebenen Temperatur zu halten, die
mindestens so hoch ist wie die Aktivierungstemperatur, von
den Betriebszuständen des Motors ab. Diese Spannung wird
nachstehend als Heizungsbedarfsspannung Vh bezeichnet.
Fig. 6a zeigt die Heizungsbedarfsspannung Vh für einen
konstanten Wert der Sensortemperatur Ts als Funktion der
Drehzahl Ne des Motors und der Motorlast Pb. Aus dem Diagramm
ist ersichtlich, daß die Heizungsbedarfsspannung Vh zunimmt,
wenn die Drehzahl Ne oder die Motorlast Pb zunimmt. Sie nimmt
auch zu, wenn die Abgastemperatur ansteigt.
Fig. 6b zeigt den Zusammenhang zwischen der Heizungsbedarfsspannung
Vh und dem Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis A/F
für eine konstante Sensortemperatur Ts. Die Abgastemperatur
ist ein Maximum für ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-
Verhältnis, und sie nimmt ab, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch
entweder fett oder mager ist. Die Heizungsbedarfsspannung Vh
ist daher ein Minimum für ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-
Verhältnis, und sie nimmt in den Bereichen zu, wo das
Gemisch entweder mager oder fett ist.
Fig. 6c zeigt den Zusammenhang zwischen der Heizungsbedarfsspannung
Vh und der Kühlwassertemperatur Tw des Motors für
einen konstanten Wert der Sensortemperatur Ts. Die Abgastemperatur
ist grob proportional zur Kühlwassertemperatur Tw,
so daß die Heizungsbedarfsspannung Vh grob gesprochen
umgekehrt proportional zur Kühlwassertemperatur Tw ist.
Der Zusammenhang zwischen der Heizungsbedarfsspannung Vh und
der Ansauglufttemperatur Ta zeigt grob gesagt die gleiche
Tendenz.
Die Zusammenhänge, die in den Fig. 6a bis 6c dargestellt sind,
sind in dem ROM 53 der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung 50
gemäß Fig. 3 gespeichert und werden verwendet, um die Heizungsbedarfsspannung
Vh auf der Basis der Eingangssignale von den
verschiedenen Sensoren zu der Steuerung 50 zu berechnen.
Als nächstes wird der Betrieb der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung
50 für den Fall beschrieben, wo die Motordrehzahl
Ne und der Ansaugluftdurchsatz Qa als Parameter verwendet
werden, die den Motorbetriebszustand angeben. Auf der Basis
eines im ROM 53 gespeicherten Programms werden die Eingangssignale,
die der Motordrehzahl Ne und dem Ansaugluftdurchsatz
Qa entsprechen, in den Mikroprozessor 52 eingegeben, der die
Motorlast entsprechend der Formel Pb=Qa/Ne berechnet. Dann
wird ein Anfangssollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
der dem berechneten Wert von Pb entspricht, aus dem ROM 53
gelesen.
Als nächstes werden Signale, die der Ansauglufttemperatur Ta
und der Kühlwassertemperatur Tw entsprechen, in den Mikroprozessor
52 eingegeben, und auf der Basis dieser Temperaturen
wird der Anfangssollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
korrigiert, um den endgültigen Sollwert des Luft-Kraftstoff-
Verhältnisses zu erhalten. Das tatsächliche Luft-Kraftstoff-
Verhältnis unter den herrschenden Betriebsbedingungen wird
von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 3 gemessen, und ein
entsprechendes Ausgangssignal Vout wird von der Abtastschaltung
51 erzeugt. Dieses Signal wird in den A/D-Wandler
50 f eingegeben, und ein digitalisiertes Signal wird über die
Eingangsstufe 55 in den Mikroprozessor 52 eingegeben.
Der Mikroprozessor 52 vergleicht den endgültigen Sollwert des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit dem tatsächlichen Luft-
Kraftstoff-Verhältnis, und die Betriebszeit für die
Kraftstoffeinsspritzdüse 11 wird berechnet, so daß das
tatsächliche Luft-Kraftstoff-Gemisch gleich dem endgültigen
Sollwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird. Ein entsprechendes
Steuersignal wird über die Ausgangsstufe 56 an
die Kraftstoffsteuerschaltung 57 gegeben, und die Kraftstoffeinspritzdüse
11 wird so betrieben, daß Kraftstoff für die
berechnete Zeitdauer eingespritzt wird.
Während der Beschleunigung oder Abbremsung wird die Drosselklappenöffnung
R für eine Mitkopplungssteuerung verwendet,
bei der die Menge des Kraftstoffes vorübergehend vergrößert
oder verringert wird.
Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm für den Betriebsablauf, der
von der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung 50 durchgeführt
wird, um die Heizungsbedarfsspannung Vh zu berechnen. Nach
dem Start werden zunächst beim Schritt 101 elektrische Signale,
die dem Ansaugluftdurchsatz Qa und der Motordrehzahl Ne entsprechen,
von dem Ansaugluftdurchsatzsensor 5 bzw. dem
Drehzahlsensor 9 in den Mikroprozessor 52 eingegeben. Diese
beiden Werte Qa und Ne werden als Parameter verwendet, welche
den Betriebszustand des Motors angeben. Beim Schritt 102
berechnet der Mikroprozessor 52 dann die Motorlast Pb gemäß
der Formel Pb=Qa/Ne.
Dann wird beim Schritt 103 der Wert eines Korrekturfaktors
CNA für die Heizungsbedarfsspannung Vh, der eine Funktion
von Ne und Pb ist, aus dem ROM 53 in den Mikroprozessor 52
eingelesen.
Beim Schritt 104 wird ein Signal, das dem Wert der Ansauglufttemperatur
Ta entspricht, von dem Ansauglufttemperatursensor
6 in den Mikroprozessor 52 eingegeben. Beim Schritt
105 wird ein Korrekturfaktor CTA für die Heizungsbedarfsspannung
Vh, der eine Funktion der Ansauglufttemperatur Ta
ist, aus dem ROM 53 in den Mikroprozessor 52 eingelesen.
In ähnlicher Weise wird beim Schritt 106 ein Signal, das der
Kühlwassertemperatur Tw entspricht, von dem Kühlwassertemperatursensor
10 in den Mikroprozessor 52 eingegeben;
und ein Korrekturfaktor CTW für die Heizungsbedarfsspannung Vh,
der eine Funktion der Kühlwassertemperatur Tw ist, wird
aus dem ROM 53 in den Mikroprozessor 52 eingelesen.
Dann wird beim Schritt 108 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-
Sollwert TAF auf der Basis der Werte von Ne, Pb, Ta und Tw
berechnet. Beim Schritt 109 wird ein Korrekturfaktor CAF,
der dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert TAF entspricht,
aus dem ROM 53 ausgelesen.
Beim Schritt 110 werden die oben angegebenen Korrekturfaktoren
CNA, CTA, CTW und CAF miteinander kombiniert, um einen Gesamtkorrekturfaktor
CT zu bilden. Im allgemeinen wird der Gesamtkorrekturfaktor
CT durch eine Funktion bestimmt, die CNT, CTA,
CTW und CAF als Variable hat. Beispielsweise ist CT durch
die nachstehenden Formeln gegeben:
CT = CNA · CTA · CTW · CAF oder
Beim Schritt 111 wird eine Heizungsreferenzspannung Vhc, die
den vorgeschriebenen Referenzwerten für die Parameter Ne, Pb,
Ta, Tw und TAF entspricht, aus dem ROM 53 in den Mikroprozessor
52 eingelesen, und beim Schritt 112 wird die Heizungsreferenzspannung
Vhc korrigiert, also mit dem Gesamtkorrekturfaktor
CT multipliziert, um eine Heizungsbedarfsspannung Vh zu
liefern, und ein Digitalsignal, das dem Wert der Heizungsbedarfsspannung
Vh entspricht, wird an die Ausgangsstufe 56
abgegeben.
Der D/A-Wandler 50 g wandelt dieses Digitalsignal in ein
Analogsignal mit einem Wert von Vh um und legt es an den
nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 50 h an. Aufgrund
der Rückkopplung vom Transistor Tr 1 zum Verstärker 50h wird
die Emitterspannung des Transistors Tr 1 stets gleich der
Heizungsbedarfsspannung Vh gehalten. Auch wenn daher Änderungen
im Betriebszustand des Motors dafür sorgen, daß sich die
Abgastemperatur ändert, kann die Temperatur Ts des Meßelementes
31 des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 3 stets auf einem
konstanten Pegel gehalten werden, der über einer Aktivierungstemperatur
liegt. Infolgedessen kann stets eine genaue Messung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Motorabgases durchgeführt
werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die
Geschwindigkeit des Fahrzeugs nur insofern berücksichtigt,
als sie sich in den verschiedenen Betriebsparametern äußert.
Für einen konstanten Motorbetriebszustand ist es jedoch möglich,
daß sich die Fahrzeuggeschwindigkeit ändert. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit
ansteigt, nimmt die Kühlung des Auspuffkrümmers
2 zu, und zwar wegen der zunehmenden Luftströmung
über seiner Außenoberfläche, und seine Temperatur nimmt ab.
Infolgedessen nimmt der Wert der Wärmeabgabe vom Abgas zum
Auspuffkrümmer 2 zu, und die Temperatur der Abgase fällt.
Außerdem nimmt auch der Wert der Wärmeübertragung vom Luft-
Kraftstoff-Verhältnissensor 3 zum Auspuffkrümmer 2 zu, wenn
die Fahrzeuggeschwindigkeit ansteigt. Somit nimmt die
Temperatur Ts des Kraftstoff-Meßelementes 31 ab, so daß die
Heizungsbedarfsspannung Vh erhöht werden muß, um die Sensortemperatur
Ts konstantzuhalten.
Fig. 4 zeigt eine Steuerung 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-
Mischungsverhältnis gemäß der Erfindung; diese Ausführungsform
ist zusätzlich mit einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
14 ausgerüstet, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt,
welches der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs entspricht. Dieses
Signal wird über die Eingangsstufe 55 in den Mikroprozessor 52
eingegeben. Im übrigen hat diese Ausführungsform gleichen Aufbau
wie die oben beschriebene Ausführungsform gemäß Fig. 3.
Der ROM 53 speichert Korrekturfaktordaten CV im Hinblick auf
Änderungen der Heizungsbedarfsspannung Vh aufgrund von
Änderungen der Temperatur des Meßelementes 31, die von der
Geschwindigkeit v des Fahrzeugs abhängen. Nachdem die
Heizungsbedarfsspannung Vh berechnet worden ist, wie es
das Flußdiagramm in Fig. 7 zeigt, wird sie außerdem in
Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit v korrigiert,
und zwar durch den Korrekturfaktor CV; der der von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
14 gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit
v entspricht.
Vorzugsweise ist der Korrekturfaktor CV bestimmt durch die
Motorlast Pb und die Fahrzeuggeschwindigkeit v. Beispielsweise
ist der Korrekturfaktor CV gegeben als ein Punkt g (Pb, v)
in einer zweidimensionalen Kennlinie, die durch die Motorlast
Pb und die Fahrzeuggeschwindigkeit v bestimmt ist. Infolgedessen
kann die Temperatur des Meßelementes 31 noch besser konstant
gehalten werden, und die Genauigkeit der Steuerung des Luft-
Kraftstoff-Verhältnisses wird weiter verbessert.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Heizungsreferenzspannung
Vhc eine Maximalspannung, die dem Fall entspricht,
wo die Abgastemperatur auf einem Minimum ist. Ferner
liegt sie unter der zulässigen Maximalspannung für die Heizung
32. Außerdem hat der Gesamtkorrekturfaktor CT einen Wert von
höchstens 1. Somit ist die Heizungsbedarfsspannung Vh, die
beim Schritt 112 berechnet wird, stets kleiner als die oder
gleich der Heizungsreferenzspannung Vhc und somit kleiner als
die zulässige Maximalspannung für die Heizung 32.
Auch wenn der Gesamtkorrekturfaktor CT aufgrund der Fehlfunktion
von einem der Sensoren einen falschen Wert annimmt, wird
infolgedessen die zulässige Maximalspannung für die Heizung
32 niemals überschritten, und es kann eine Beschädigung der
Heizung 32 durch Überheizen zuverlässig verhindert werden.
Bei den beschriebenen beiden Ausführungsformen wird das
Ausgangssignal der Heizung 32 geregelt durch die Steuerung
des Wertes der Spannung, die daran angelegt wird. Bei einer
dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird eine konstante
Spannung an die Heizung 32 angelegt, und das Ausgangssignal
der Heizung 32 wird geregelt, indem man die Länge der
Zeitspanne steuert, für die diese konstante Spannung an die
Heizung 32 angelegt wird.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild für eine Luft-Kraftstoff-
Verhältnissteuerung gemäß einer dritten Ausführungsform.
Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 dadurch, daß der D/A-Wandler 50 g
weggelassen und eine Referenzspannung Vhc an den nicht-
invertierenden Eingang des Verstärkers 50 h angelegt ist. Der
Kollektor eines zweiten Transistors Tr 2 ist mit dem Emitter
des Transistors Tr 1 verbunden, und die Emitterspannung des
Transistors Tr 1 wird als Rückkopplungssignal an den invertierenden
Eingang des Verstärkers 50h angelegt. Die Basis des
zweiten Transistors Tr 2 ist mit der Ausgangsstufe 56 verbunden.
Die Emitterspannung des Transistors Tr 1, die an die Heizung 32
angelegt wird, ist daher stets gleich dem Wert der Referenzspannung
Vhc. Im übrigen ist der Aufbau dieser Ausführungsform
der gleiche wie der der Ausführungsform gemäß Fig. 3.
Auf der Basis des Motorbetriebszustandes, des Luft-Kraftstoff-
Verhältnis-Sollwertes und der Temperatur des Motors, angegeben
durch Ta und Tw, berechnet der Mikroprozessor 52 einen Prozentsatz
für die Zeit, für die die Heizung 32 eingeschaltet werden
soll. Dieser Prozentsatz entspricht dem Gesamtkorrekturfaktor
CT. Die Ausgangsstufe 56 liegt ein Ausgangssignal "Null"
für diesen Prozentsatz der Zeit an die Basis des zweiten
Transistors Tr 2 an, und für den Rest der Zeit wird ein
Impuls niedriger Spannung an die Basis des zweiten Transistors
Tr 2 angelegt, um ihn einzuschalten bzw. durchzuschalten.
Strom fließt durch die Heizung 32 nur dann, wenn der zweite
Transistor Tr 2 abgeschaltet ist bzw. sperrt, so daß während
des Prozentsatzes oder Zeitintervalls der Zeit, wo das
Ausgangssignal der Ausgangsstufe 56 auf niedrigem Pegel ist,
die Referenzspannung Vhc an die Heizung 32 angelegt wird.
Somit wird bei dieser Ausführungsform die Temperatur Ts des
Meßelementes 31, die von der Heizung 32 erzeugt wird, gesteuert
durch die Verwendung einer konstanten Referenzspannung
Vhc und durch Einstellen der Länge der Zeitspanne, für die
diese Spannung angelegt wird. Bei dieser Ausführungsform kann
ebenso wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die
Temperatur Ts des Meßelementes 31 des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors
3 konstant gehalten werden.
Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
werden die Motordrehzahl Ne und der Ansaugluftdurchsatz Qa
verwendet als Motorbetriebsparameter, die der Abgastemperatur
entsprechen. Anstelle des Ansaugluftdurchsatzes Qa ist es
jedoch möglich, den Ansaugluftdruck oder den Öffnungsgrad
der Drosselklappe 7 als Betriebsparameter zu verwenden,
um die gleiche Wirkung zu erzielen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die
Heizungsreferenzspannung Vhc korrigiert auf der Basis von
der Ansauglufttemperatur Ta und der Kühlwassertemperatur Tw.
Es ist jedoch auch möglich, die Temperatur des Meßelementes
31 in angemessener Weise konstantzuhalten, indem man nur
eine von diesen beiden Temperaturen verwendet. Außerdem kann u. U.
eine ausreichende Steuerung der Heizung 32 auch dann durchgeführt
werden, wenn nur ein Parameter aus der Fahrzeuggeschwindigkeit
und den Motortemperaturparametern verwendet
wird.
Claims (6)
1. Meßvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis
für einen Motor, gekennzeichnet durch
- - ein Meßelement (31), das ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welches der Konzentration einer Komponente im Abgas des Motors (1) eines Fahrzeugs entspricht;
- - eine elektrische Heizung (32), die in der Nähe des Meßelementes (31) angeordnet und in der Lage ist, das Meßelement (31) auf eine Aktivierungstemperatur aufzuheizen; und
- - eine Steuerung (50), um das Ausgangssignal der Heizung (32) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors (1), einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sollwert und mindestens einem Parameter zu steuern, der gewählt ist aus der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und einem Temperaturparameter (Ta, Tw), um die Temperatur (Ts) des Meßelementes (31) auf einem konstanten Pegel von zumindest der Aktivierungstemperatur zu halten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung (50) Einrichtungen (50 g, 50 h, Tr 1) aufweist,
um eine variable Spannung an die elektrische Heizung (32)
anzulegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung (50) Einrichtungen (50 h, Tr 1, Tr 2, Vhc)
aufweist, um eine konstante Spannung an die elektrische
Heizung (32) für eine variable Zeitdauer anzulegen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannung, die an die Heizung (32) angelegt wird,
in Form von Impulsen zur Verfügung steht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Betriebszustand bestimmt ist durch mindestens einen
Parameter, der gewählt ist aus der Drehzahl (Ne) des Motors
(1), dem Ansaugluftströmungsdurchsatz (Qa) in den Motor (1),
dem Druck der Ansaugluft und dem Öffnungsgrad ( R ) einer
Drosselklappe (7) des Motors (1).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperaturparameter einer der Parameter ist, die
gegeben sind durch die Ansauglufttemperatur (Ta) und die
Kühlwassertemperatur (Tw) des Motors (1).
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