DE3933830A1

DE3933830A1 - Luft/kraftstoffverhaeltnis-steuervorrichtung fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3933830A1
Application number: DE3933830A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Itsuji; Sadayasu Ueno; Norio Ichikawa
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1988-10-11
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1990-04-12
Also published as: KR0145087B1; JPH0760141B2; GB2224848A; GB8922932D0; DE3933830C2; GB2224848B; KR900006653A; US4944274A; JPH02102447A

Description

Die Erfindung betrifft eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuervorrichtung für Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuervorrichtung, die eine Einrichtung zum Kalibrieren der Ausgangskennlinie eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors, die sich infolge jeglichen Schmutzes oder der Verunreinigung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors mit der Zeit ändert, aufweist.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus JP 58-57050-A bekannt; in dieser Vorrichtung ist ein Meßgerät vorgesehen, das zur Kalibrierung der zeitlichen Veränderung der Ausgangskennlinie eines Luft/Kraftstoffverhältnisses auf die Atmosphäre als bekanntes Luft/Kraftstoffverhältnis zurückgreift, um so zu ermitteln, ob die Sensorumgebung mit Luft gefüllt ist, wobei durch das Meßgerät die Berechnung eines Korrekturfaktors für die Ausgangskennlinie des Luft/Kraftstoffverhältnissensors und die Ausführung der gewünschten Kalibrierung ausgelöst wird, wenn die Umgebung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors mit Luft gefüllt ist.

Da es praktisch sehr unwahrscheinlich ist, daß bei der oben erwähnten, herkömmlichen Technik die Sensorumgebung mit Luft gefüllt ist, entsteht die Situation, daß die Ausgangskennlinie des Sensors für einen langen Zeitabschnitt nicht kalibriert wird. Dabei entsteht insbesondere bei Automobilen mit automatischer Kraftübertragung oder bei Automobilen, deren Fahrer keine Motorbremse verwendet, ein Problem.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuervorrichtung zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß die Ausgangskennlinie eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors sicher kalibriert und dadurch das Gemisch für den Motor genau gesteuert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuervorrichtung für Verbrennungsmotoren gelöst, in der der in einem Luft/Kraftstoffverhältnissensor fließende Sauerstoffpumpstrom unterbrochen und die Rückstellzeit der elektromotorischen Kraft gemessen wird, um die Ausgangskennlinie des Luft/Kraftstoffverhältnissensors auf der Grundlage des Meßergebnisses zu kalibrieren.

Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor wird durch den Sauerstoffpumpstrom so gesteuert, daß die elektromotorische Kraft zwischen der Meßelektrode des Sensors und der Bezugselektrode bzw. die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden einen gegebenen Wert erreichen. Diese Steuerung ist äquivalent zu einer Steuerung, durch die der Sauerstoffpartialdruck in der Diffusionswiderstandsschicht bzw. der Sauerstoffpartialdruck auf der Bezugselektrodenseite gegebene Werte erreichen. Wenn somit der Sauerstoffpumpstrom unterbrochen wird, wird die elektromotorische Kraft von diesem Steuerwert auf einen Wert geändert, der dem Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas entspricht, d. h. die elektromotorische Kraft wird auf im wesentlichen 0 V geändert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist, während sie auf im wesentlichen 1 V geändert wird, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist. Daher diffundieren die verschiedenen im Abgas enthaltenen Gase in die Diffusionswiderstandsschicht, so daß das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Diffusionswiderstandsschicht gleich demjenigen des Abgases wird, so daß der Sauerstoffpartialdruck in der Diffusionswiderstandsschicht sich demjenigen der Atmosphäre annähert, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist, während der Sauerstoffpartialdruck in der Diffusionswiderstandsschicht sehr klein wird, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist. Zwischen den Elektroden wird daher eine elektromotorische Kraft erzeugt, die proportional ist im wesentlichen zur Differenz zwischen den Sauerstoffpartialdrücken in der Nähe der Elektroden. Folglich wird nach der Unterbrechung des Sauerstoffpumpstromes die elektromotorische Kraft auf einen Wert rückgestellt, der dem Luft/Kraftstoffverhältnis in der Diffusionswiderstandsschicht entspricht. Aufgrund dieser Änderung der Rückstellzeit der elektromotorischen Kraft kennt man die Änderungsrate der Diffusionskonstanten der Diffusionswiderstandsschicht. Da ferner bekannt ist, daß die Menge des Sauerstoffpumpstroms bei gleichem Luft/Kraftstoffverhältnis durch die Diffusionskonstante bestimmmt wird, sofern die Elektrodenflächen und die Sensortemperatur gleich sind, kann die Ausgangskennlinie des Luft/Kraftstoffsensors kalibriert werden, falls die Änderungsrate der Diffusionskonstanten bekannt ist, wodurch eine genaue Luft/Kraftstoffverhältnissteuerung ausgeführt werden kann.

Nun wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Flußdiagramm für die Kalibrierung des Sensors, das den Ablauf in einer Ausführungsform der Erfindung erläutert;

Fig. 2 eine Darstellung eines Motorsteuerungssystems;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Steuereinheit;

Fig. 4 eine das Prinzip des Luft/Kraftstoffverhältnissensors erläuternde Darstellung;

Fig. 5 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor angelegten Spannung und dem Sauerstoffpumpstrom;

Fig. 6 eine detaillierte Darstellung der verwendeten Spannungs/Sauerstoffpumpstrom-Kennlinie;

Fig. 7 ein Kennliniendiagramm der elektromotorischen Kraft des Luft/Kraftstoffverhältnissensors;

Fig. 8 ein Schaltbild einer Treiberschaltung, die in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wird;

Fig. 9 ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Kennliniendiagramm des Luft/Kraftstoffverhältnissensors;

Fig. 10 ein Kennliniendiagramm der Rückstellzeit der elektromotorischen Kraft des Luft/Kraftstoffverhältnissensors; und

Fig. 11 ein Flußdiagramm für die Regelung des Motorkraftstoffs.

In dem in Fig. 2 gezeigten System berechnet eine Steuereinheit 6 aufgrund der Signale von einem auf der Ansaugseite eines Verbrennungsmotors angebrachten Luftströmungsmesser 5, von einem die Öffnung der Drosselklappe angebenden Drosselklappensensor 8 und von einem die Drehzahl und den Drehwinkel des Motors 1 ermittelnden Kurbelwinkelsensor 7 die Kraftstoffeinspritzzeit, die Kraftstoffzuführungszeit oder die Ansaugluftmenge, so daß entsprechend dem berechneten Wert mittels einer Kraftstoffeinspritzdüse 4 oder irgendeines anderen Betätigungselementes der Kraftstoff zugeführt und mit der Ansaugluft gemischt wird und dabei ein Gemisch bildet. Das Gemisch wird in einen Zylinder 10 eingeblasen und dort durch eine Zündkerze 9 gezündet und zur Explosion gebracht. Die bei der Explosion entstehenden Abgase werden über ein Auspuffsammelrohr 2 ausgestoßen. Von einem am Auspuffsammelrohr 2 angebrachten Luft/Kraftstoffverhältnissensor 3 wird das Luft/Kraftstoffverhältnis der Auspuffgase ermittelt, so daß die Steuereinheit 6 entsprechend diesem Ermittlungssignal die Abweichung vom gewünschten Luft/Kraftstoffverhältnis berechnet und damit die Kraftstoffeinspritzzeit, die Kraftstoffzuführzeit oder ähnliches korrigiert wird.

In Fig. 3 ist ein detailliertes Blockschaltbild der Steuereinheit 6 gezeigt. Das vom Luftströmungsmesser 5 ausgegebene Signal wird mittels eines A/D-Wandlers 15 in ein digitales Signal umgewandelt und anschließend an einen E/A-Anschluß geschickt. Das vom Kurbelwinkelsensor 7 ausgegebene Signal wird direkt an den E/A-Anschluß 16 geschickt, wo die Anzahl der Impulse gezählt und daraus die Drehzahl des Motors 1 ermittelt wird. Auf der Grundlage dieser beiden Signale berechnet eine CPU 20 entsprechend einem in einem ROM 18 gespeicherten Programm mittels eines wohlbekannten Verfahrens eine Grundeinspritzzeit.

Außerdem ist eine Sensortreiberschaltung 14 über einen Schalter 22 mit dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 3 verbunden, um den Zustand der Auspuffgase zu ermitteln, so daß das Ermittlungssignal V₀ vom Sensor 3 an den A/D-Wandler 15 geschickt wird, der dieses Signal wiederum in ein digitales Signal umwandelt. Dieses digitale Signal wird dann über den E/A-Anschluß 16 in die CPU 20 eingelesen. Wie später beschrieben wird, wird aufgrund dieses Wertes und der Signale von den anderen Sensoren 7, 8, 11 und 12 ein Korrekturfaktor für die Grundeinspritzzeit berechnet und die richtige Einspritzzeit bestimmt, wodurch der Motor 1 mit dem richtigen Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird.

Der Aufbau und der Betrieb des Luft/Kraftstoffverhältnissensors wird nun mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 beschrieben. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 3 weist eine Sensorzelle 31 und ein Heizelement 32 auf. Die Zelle 31 weist einen Festkörperelektrolyten 33 vom Sauerstoffionenleitungstyp, Elektroden 34 und 35 mit katalytischer Wirkung, die jeweils an den Seiten des Festkörperelektrolyten 33 angeordnet sind, und eine poröse oder einzeln gelochte Diffusionswiderstandsschicht 36, die an der Elektrode 34 so angeordnet ist, daß sie dem Auspuffgas ausgesetzt ist, auf. Die andere Elektrode 35 ist der als Bezugsgas dienenden Atmosphäre ausgesetzt. Das Auspuffgas und das Atmosphärengas sind voneinander abgeschirmt, um zu verhindern, daß sie sich miteinander vermischen. Das Heizelement 32 und die Heizelementsteuerung 13 regeln die Temperatur in der Sensorzelle 31 auf einen gegebenen, voreingestellten Wert innerhalb des Betriebstemperaturbereichs zwischen 600°C bis 900°C ein. Wenn der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 3 auf der gegebenen Temperatur gehalten wird und wenn eine Spannung (mit positiver Polarität gegenüber der Elektrode 35) über den Elektroden 34 und 35 in einer Richtung angelegt wird, daß Sauerstoff auf der Diffusionswiderstandsschichtseite durch den Festkörperelektrolyten in die Atmosphäre gepumpt wird, fließt ein Strom, wie der in Fig. 5 gezeigt ist. Dieser Strom wird als Sauerstoffpumpstrom bezeichnet, sein flacher Abschnitt ändert sich zwischen den hohen und niedrigen Pegeln in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases. Somit ist es durch Ermittlung des flachen Teils des Sauerstoffpumpstroms möglich, das Luft/Kraftstoffverhältnis zu ermitteln. Der Sauerstoffpumpstrom wird mit Bezug auf Fig. 6 im einzelnen erläutert werden. Da die Sensorzelle einen Innenwiderstand R _i besitzt, bewirkt der Fluß des Sauerstoffpumpstromes I _p in dem Bereich, wo die Zwischenelektrodenpotentialdifferenz V _s klein ist, einen Spannungsabfall von R _iI_p. Wenn die Zwischenelektrodenpotentialdifferenz V _s größer als ein gewisser Wert wird, kommt der Sauerstoffpumpstrom in den Sättigungsbereich und zeigt eine flache Kennlinie. Der Grund hierfür ist, daß die Diffusionsrate des Sauerstoffs zur Oberfläche der Elektrode 34 über die Diffusionswiderstandsschicht 36 von der Diffusionswiderstandsschicht 36 einer Bestimmung unterworfen wird, so daß der Sauerstoffpumpstrom I _p selbst dann konstant gehalten wird, wenn die Spannung ansteigt. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist, wird jedoch die Diffusionsrate unverbrannter Gase im Abgas einer Bestimmung unterworfen, so daß der Sauerstoffpartialdruck in der Nähe der diffusionswiderstandsseitigen Elektrode 34 auf nahezu Null verringert und eine vom bezugselektrodenseitigen Sauerstoffpartialdruck abhängige elektromotorische Kraft erzeugt wird. Diese elektromotorische Kraft ist gleich derjenigen elektromotorischen Kraft E, die durch die Manerunst-Beziehung bekannt ist und durch die folgende Gleichung gegeben ist:

Hierbei ist Pd der Sauerstoffpartialdruck in der Diffusionsschicht. Pa der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre. R die Gaskonstante, T die Temperatur und F die Faraday-Konstante.

Die Zwischenelektrodenspannung V _s wird von der Summe des Spannungsabfalls infolge des Sauerstoffpumpstromes und der elektromotorischen Kraft E gebildet und ist daher durch die folgende Beziehung gegeben:

Wie in Fig. 7 gezeigt, ändert sich die elektromotorische Kraft in der Nähe des Punktes des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ = 1) sprunghaft, so daß ihr Wert 1 V ist, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist, während ihr Wert 0 V ist, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist.

Wie in Fig. 8 gezeigt, wird der Umschaltvorgang der Schalter 22 durch das Signal Sin, das vom E/A-Anschluß 16 kommend an der Klemme 23 anliegt, bewirkt. Wenn die Schalter 22 in der geeigneten Stellung sind, ist der Luft/Kraftstoffverhältnissensor mit der Treiberschaltung 14 verbunden, so daß das Luft/Kraftstoffverhältnis erfindungsgemäß ermittelt wird. Wenn die beweglichen Kontakte der Schalter 22 in die unteren Positionen bewegt werden, wird die Rückstellzeit zur Bestimmung eines Korrekturfaktors, der infolge der Alterung des Diffusionswiderstandes notwendig wird, gemessen.

Ein Steuersignalgenerator 61 schaltet in Intervallen in der Größenordnung von einigen Millisekunden die Schalter 63 und 65 ein und aus. Während der EIN-Periode des Schalters 65 wird eine Spannung, die durch Überlagerung einer von einer Gleichspannungsquelle 66 gelieferten Spannung auf die Zwischenelektrodenspannung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 3 erhalten wird, abgetastet und im Kondensator 67 gespeichert. Eine Klemme der Spannungsversorgung der Motorsteuervorrichtung ist normalerweise geerdet, weshalb die vom Luft/Kraftstoffverhältnissensor ausgeführte Messung nur entweder auf der fetten oder auf der mageren Seite vorgenommen werden kann, da die Sensorausgabe auf der jeweils anderen der fetten bzw. mageren Seiten von einem negativen Potential gebildet wird. Um die Messung sowohl auf der fetten als auch auf der mageren Seite ausführen zu können, wird eine von einer Gleichspannungsquelle 66 gelieferte Spannung an eine Elektrode des Sensors 3 angelegt, um den Spannungspegel der einen Elektrode um die von der Gleichspannungsquelle 66 gelieferte Spannung über das Erdpotential anzuheben. Folglich wird die durch Überlagerung der von der Gleichspannungsquelle 66 gelieferten Spannung mit der Zwischenelektrodenspannung des Sensors 3 erhaltene Spannung in den Kondensator 67 geladen und von diesem gespeichert. Diese Abtast-Halte-Spannung wird durch einen Operationsverstärker 68 (der Eingangswiderstand des Verstärkers 68 ist im wesentlichen unendlich, während dessen Verstärkungsgrad im wesentlichen 1 ist) verstärkt und dann an die negative Klemme eines Differenzverstärkers 70 angelegt, wodurch die Spannung mit der gewünschten Spannung einer Spannungsquelle 69, die geregelt werden muß, verglichen wird.

Die Ausgabe des einen Kondensator 71 aufweisenden Differenzverstärkers 70 ist im wesentlichen gleich der Spannung, die durch Überlagerung der von der Spannungsquelle 66 gelieferten Spannung mit der in Fig. 6 gezeigten Zwischenelektrodenspannung V _{s 1} erhalten wird. Wenn anschließend der Schalter 65 geöffnet und der Schalter 63 geschlossen wird, wird die Spannung, die durch Überlagerung der von der Spannungsquelle 66 gelieferten Spannung mit der in Fig. 6 gezeigten Spannung V _{s 1} erhalten wird, an den Sensor 3 geliefert, so daß die Zwischenelektrodenspannung im wesentlichen gleich der Spannung V _{s 1} ist. Folglich wird der Pumpstrom I _p durch das Luft/Kraftstoffverhältnis des zu messenden Gases bestimmt. Der Strom I _p wird durch einen Widerstand 64 in einen Spannungswert umgewandelt und dann über einen Ausgabebaustein 61 an den A/D-Wandler geliefert, um dort in einen digitalen Wert umgewandelt zu werden. Die Beziehung zwischen dem Strom I _p und dem Luft/Kraftstoffverhältnis ist in Fig. 9 gezeigt. Die in Fig. 9 durch die durchgezogene Linie gekennzeichnete Datenkurve wird in dem in Fig. 3 gezeigten Speicher ROM 18 gespeichert. Auf der Grundlage des Pumpstromes I _p und der Datenkurve wird ein momentanes Luft/Kraftstoffverhältnis berechnet. Ein Zielwert des Luft/Kraftstoffverhältnisses wird auf den dem momentanen Betriebszustand entsprechenden Bestwert gesetzt. Die in den Motor eingespritzte Kraftstoffmenge wird so geregelt, daß das auf der Grundlage des Stroms I _p berechnete Luft/Kraftstoffverhältnis mit dem festgesetzten Bestwert des Luft/Kraftstoffverhältnisses übereinstimmt.

Es wird angestrebt, daß sich die in Fig. 6 gezeigte Spannung V _{s 1} entlang der mittleren unterbrochenen Linie ändert und daß die im Kondensator 67 gespeicherte Spannung entsprechend der Änderung des Luft/Kraftstoffverhältnisses erneuert wird. Um die Spannung des Kondensators 67 zu erneuern, werden die Schalter 63 und 65 abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um die Spannung V _{s 1} zu halten und um die Messung des Pumpstromes I _p zu wiederholen. Für die Schalter 63 und 65 werden Halbleiterschalter verwendet.

Bei der obigen Beschreibung wurde vorausgesetzt, daß die Beziehung zwischen dem Pumpstrom I _p und dem Luft/Kraftstoffverhältnis konstant ist; tatsächlich aber verändert sich diese Beziehung. Die vorliegende Erfindung betrifft die Kalibrierung einer solchen Beziehung, wie später beschrieben werden wird.

Wenn die Diffusionswiderstandsschicht 36 des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 3 durch Unreinheiten wie etwa Kohlenstoff, die während der Auspuffphase erzeugt werden, verschmutzt oder verschmiert wird oder wenn durch einen Wärmeschock oder ähnliches in der Diffusionswiderstandsschicht 36 ein Sprung entsteht, wird die Diffusionskonstante der Diffusionswiderstandsschicht 36 verändert. Wenn dieser Fall eintritt, ist es nicht länger möglich, das dem Sauerstoffpumpstromwert entsprechende genaue Luft/Kraftstoffverhältnis zu ermitteln, was dazu führt, daß eine richtige Luft/Kraftstoffverhältnissteuerung nicht mehr ausgeführt werden kann.

In Fig. 9 sind die Ausgabe-(Sauerstoffpumpstrom-) oder Luftüberschußverhältnis-Kennlinien eines neuen und eines verschmierten Luft/Kraftstoffverhältnissensors gezeigt. Der Unterschied zwischen den Kennlinien wird durch unterschiedliche Diffusionskonstanten der beiden Sensoren hervorgerufen. Selbst wenn der Unterschied zwischen den Kennlinien unterschiedliche Luftüberschußverhältnis-Kennlinien bewirkt, bleiben die Änderungsraten K des Luftüberschußverhältnisses für die jeweiligen Luft/Kraftstoffverhältnisse gleich. Genauer ist, wie in Fig. 9 gezeigt, bei Luftüberschußverhältnissen von 1,5 bzw. 1,25 bzw. 0,85 das Verhältnis zwischen den jeweiligen Pumpströmen K₁ und K₂ bzw. K₁′ und K₂′ bzw. K₁′′ und K₂′′ der beiden Kennlinien gleich dem konstanten Wert K:

Das bedeutet, daß die Änderungsrate K des Luftüberschußverhältnisses proportional zur Änderungsrate D der Diffusionskonstanten ist; daher gilt die folgende Beziehung:

K = aD (4)

wobei a eine Konstante ist.

In Fig. 10 ist ein Verfahren gezeigt, mit dem die Diffusionskonstante der Diffusionswiderstandsschicht 36 aus der Rückstellzeit der elektromotorischen Kraft erhalten wird. In dem in Fig. 10 gezeigten Fall ist das Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases mager. Die durch Gleichung (2) gegebene Spannung wird als Potentialdifferenz V _s zwischen den Elektroden 34 und 35 der Sensorzelle 31 angelegt. Wenn nun der Sauerstoffpumpstrom unterbrochen wird, wird die Zwischenelektrodenpotentialdifferenz lediglich von der gesteuerten elektromotorischen Kraft E₀ gebildet. Die Unterbrechung des Sauerstoffpumpstromes I _p bewirkt jedoch eine natürliche Diffusion der verschiedenen im Abgas enthaltenen Gase. Daher erreicht das Luft/Kraftstoffverhältnis der Diffusionswiderstandsschicht 36 allmählich das Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases. Da das Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases zu diesem Zeitpunkt mager ist, nimmt die elektromotorische Kraft E in Richtung der Rückstellspannung auf 0 V ab. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist, wird die elektromotorische Kraft E auf 1 V rückgestellt. Die Änderungsrate T der Rückstellzeit zwischen dem neuen und dem verschmierten Sensor ist auf der Grundlage der Zeitpunkte t₁ und t₂, die jeweils das Zeitintervall zwischen der Unterbrechung des Sauerstoffpumpstromes und dem Zeitpunkt, zu dem die Zwischenelektrodenpotentialdifferenz die gegebene rückgestellte Spannung El erreichen, angeben, durch die folgende Gleichung gegeben:

T = t₂/t₁ (5)

wobei t₁ die Rückstellzeit des neuen Sensors und t₂ die Rückstellzeit des verschmierten Sensors ist.

Daraus wird deutlich, daß die Änderungsrate D der Diffusionskonstanten proportional zur Änderungsrate T der Rückstellzeit ist:

D = bT (6)

wobei b eine Konstante ist.

Daher kann die Änderungsrate K der Ausgabe durch die Rückstellzeit der elektromotorischen Kraft durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

wobei α = ab eine Konstante ist.

Nun wird der Ablauf mit Bezug auf das in Fig. 1 gezeigte Flußdiagramm beschrieben. Zunächst wird festgestellt, daß, falls sich das Luft/Kraftstoffverhältnis während der Messung der Rückstellzeit von einem fetten zu einem mageren Zustand oder von einem mageren zu einem fetten Zustand ändert, die rückgestellte elektromotorische Kraft verändert wird, was eine fehlerhafte Messung der genauen Rückstellzeit zur Folge hätte. Daher wird angestrebt, das Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases konstant zu halten. Aus diesem Grund wird, obwohl die Messung in jedem Betriebszustand, in dem das Luft/Kraftstoffverhältnis stabil ist, ausgeführt werden kann, die Rückstellzeit während derjenigen Zeitperiode gemessen, in der der Motor stillsteht, da während dieser Periode das Luft/Kraftstoffverhältnis noch stabiler ist. Daher wird in einem Schritt 40 festgestellt, daß der Zündschalter 12 offen ist, woraufhin in einem Schritt 41 der Stillstand des Motors bestätigt wird. Im Schritt 42 wird festgestellt, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases mager oder fett ist. Diese Bestimmung kann aufgrund der Strömungsrichtung des Sauerstoffpumpstromes erfolgen. Das heißt, wie aus Fig. 5 ersichtlich, daß dann, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist, der Sauerstoffpartialdruck im Auspuffgas hoch ist, so daß der Sauerstoffpumpstrom positiv wird, während dann, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist, der Sauerstoffpumpstrom negativ wird. Da außerdem der Sauerstoffpumpstrom auf Null verringert wird, wenn keine Diffusion des Sauerstoffs in die Diffusionswiderstandsschicht auftritt und folglich der Sauerstoffpartialdruck stabil ist, kann die Bestimmung davon abhängig gemacht werden, ob die Ermittlungsausgangsspannung V₀ höher oder niedriger ist als die in einem solchen Fall erhaltene Spannung. In den Schritten 43 und 44 werden die rückgestellte elektromotorische Kraft El und eine neue Sensorrückstellzeit t₁, die dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Auspuffgases entsprechen, aus dem Speicher entsprechend der Magerzustand-Steuerspannung VL oder der Fettzustand-Steuerspannung VR ausgelesen. Es wird festgestellt, daß die Rückstellzeit t₁ des neuen Sensors vor dessen erster Verwendung mittels des gleichen Verfahrens, wie in den Schritten 40 bis 50 beschrieben, gemessen wird und daß das Meßergebnis im Schritt 57 im ROM 18 gespeichert wird. Außerdem können im ROM 18 Daten eines Standardsensors ebenso wie ein Programm gespeichert werden. Da sich aufgrund der Rückstellung die elektromotorische Kraft E₀ logarithmisch mit der Zeit ändert, tritt die unerwünschte Situation auf, daß dann, wenn die elektromotorische Kraft El auf den Grenzwert, das heißt auf 0 V gesetzt wird, die Rückstellzeit nicht nur übermäßig lang, sondern auch ungenau wird. Daher sollte die rückgestellte elektromotorische Kraft El vorzugsweise so in Beziehung zur geregelten elektromotorischen Kraft E₀ gesetzt werden, daß E₀ < El < 0 gilt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist, bzw. daß E₀ < El < 1 (V) gilt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis fett ist.

Wenn außerdem die Rückstellzeit t₁ des neuen Sensors sowohl für das magere als auch für das fette Luft/Kraftstoffverhältnis auf den gleichen Wert gesetzt wird, ist ein einziger Speicherwert für die Rückstellzeit t₁ ausreichend. Im Schritt 45 wird die Umschaltung zwischen den Schaltern 22 von Fig. 8 ausgeführt, so daß die Zuführung des Sauerstoffpumpstromes unterbrochen wird. Gleichzeitig wird der Sensor 3 mit der Schaltung zur Messung der elektromotorischen Kraft verbunden. Wenn jedoch während der Lieferung des Sauerstoffpumpstromes die elektromotorische Kraft gemessen worden ist, muß die Umschaltung nicht ausgeführt werden. Im Schritt 46 wird der Zeitgeber gestartet. In den Schritten 47 und 48 wird die elektromotorische Kraft E₀ so lange gemessen, bis sie gleich der rückgestellten elektromotorischen Kraft El wird. Nach der Rückstellung wird zu einem Schritt 49 übergegangen, wo der Zeitgeber angehalten wird. Im Schritt 50 wird die Rückstellzeit t₂ bestimmt. Im Schritt 51 wird entsprechend der Rückstellzeit t₂ und der Rückstellzeit t₁ des neuen Sensors eine Änderungsrate K₂ der Ausgabe bestimmt, die als Korrekturfaktor verwendet wird. Im Schritt 52 wird die Verarbeitung beendet, falls der Korrekturfaktor K₂ gleich dem vorangehenden Korrekturfaktor K₁ ist. Wenn keine Übereinstimmung besteht, wird in den Schritten 53 und 54 der Speicher überschrieben und dann die Verarbeitung abgeschlossen. Dann wird von der Kalibrierungsunterroutine zur Hauptroutine des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 3 zurückgekehrt, woraufhin die Luft/Kraftstoffverhältnissteuerung des Motors ausgeführt wird.

Entsprechend dieser Ausführungsform wird jegliche Alterung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors kalibriert und somit der Motor stets mit dem richtigen Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert.

Durch die Berechnung eines Korrekturfaktors gemäß dem oben beschriebenen Verfahren kann aus der in Fig. 9 gezeigten Kennlinie des verschmierten Sensors die Kennlinie eines neuen Sensors rechnerisch bestimmt werden.

In Fig. 11 ist ein Motorsteuerungs-Flußdiagramm gezeigt, in dem die anhand des in Fig. 1 gezeigten Ablaufs ermittelte Änderungsrate D des Diffusionskoeffizienten dazu verwendet wird, die Ausgabe des Luft/Kraftstoffverhältnissensors zu korrigieren und in dem die korrigierte Ausgabe dazu verwendet wird, die zugeführte Kraftstoffmenge zu korrigieren. In Intervallen vorgegebener Länge wird ein Programm 110 abgearbeitet. Im Schritt 112 wird die erforderliche Information zum Betreiben des Motors wie etwa die Ansaugluftströmung Q und die Motordrehzahl N gemessen. Im Schritt 114 wird aus den Meßwerten gemäß einem bekannten Verfahren eine Kraftstoffzuführungsgrundmenge berechnet. Im Schritt 116 wird die Ausgabe des Luft/Kraftstoffverhältnissensors ermittelt. Im Schritt 118 wird die anhand des in Fig. 1 gezeigten Ablaufes ermittelte Änderungsrate D des Diffusionswiderstandes aus dem Speicher ausgelesen, um den ermittelten Wert des Luft/Kraftstoffverhältnissensors entsprechend Gleichung (3) im Schritt 120 zu korrigieren. Das heißt, daß der ermittelte Wert des Luft/Kraftstoffverhältnissensors durch Multiplikation mit der Änderungsrate K korrigiert wird. Im Schritt 122 wird entsprechend dem korrigierten Luft/Kraftstoffverhältnis die Kraftstoffzuführungsgrundmenge durch das bekannte Verfahren korrigiert, dann wird im Schritt 124 der korrigierte Wert im Zähler 17, der in Fig. 3 gezeigt ist, gesetzt und schließlich wird der Kraftstoff zugeführt.

Erfindungsgemäß wird die Wirkung erzielt, daß selbst bei einem gealterten Luft/Kraftstoffverhältnissensor eine gewünschte Kalibrierung ausgeführt werden kann, ohne daß auf ein Bezugsgas zurückgegriffen werden muß und daß der Motor stets mit dem richtigen Luft/Kraftstoffverhältnis gesteuert werden kann.

Claims

1. Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor (1),
gekennzeichnet durch
einen Festkörperelektrolyten (33) mit einer ersten auf einer seiner Seiten angeordneten und mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Elektrode (35) und einer zweiten auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche angeordneten und über einen Diffusionswiderstand (36) mit dem Auspuffgas des Motors (1) in Verbindung stehenden Elektrode (34), auf einen gegebenen Wert zurückgestellt wird;
eine Einrichtung (14) zum Anlegen einer Spannung über die ersten und zweiten Elektroden (35, 34), um einen durch den Festkörperelektrolyten (33) fließenden Sauerstoffpumpstrom zu ermitteln;
Einrichtungen (40 bis 54) zum Berechnen eines sich auf die Änderung eines Diffusionskoeffizienten des Diffusionswiderstandes (36) beziehenden Korrekturfaktors; und
Einrichtungen (120, 122) zur Bestimmung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses des Auspuffgases entsprechend dem Korrekturfaktor und dem durch die Ermittlungseinrichtung (14) ermittelten Sauerstoffpumpstrom.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfaktorberechnungseinrichtung Einrichtungen (40 bis 54) zur Bestimmung des Korrekturfaktors entsprechend einer Rückstellzeit, die für die Rückstellung der elektromotorischen Kraft über den ersten und zweiten Elektroden (35, 34) nach dem Anhalten des Sauerstoffpumpstromes erforderlich ist, aufweist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfaktorberechnungseinrichtung erste Ermittlungseinrichtungen (40 bis 50) zur Ermittlung einer Rückstellzeit (t₁), die für eine nach dem Unterbrechen des Sauerstoffpumpstromes auf einen gegebenen Wert rückgestellte elektromotorische Kraft über die ersten und zweiten Elektroden (35, 34) erforderlich ist, wenn der Festkörperelektrolyt (33) ungebraucht ist;
einen Speicher (18) zum Speichern der von der ersten Ermittlungseinrichtung ermittelten Rückstellzeit;
eine zweite Ermittlungseinrichtung (40 bis 50), mit der während der Berechnung eines Korrekturfaktors eine Rückstellzeit (t₁) ermittelt wird, die für eine nach dem Unterbrechen des Sauerstoffpumpstromes auf einen gegebenen Wert rückgestellte elektromotorische Kraft über die ersten und zweiten Elektroden (35, 34) erforderlich ist; und
eine Einrichtung (51) zum Bestimmen des Korrekturfaktors entsprechend dem Verhältnis der von der zweiten Ermittlungseinrichtung erhaltenen Rückstellzeit zu der von der ersten Ermittlungseinrichtung erhaltenen Rückstellzeit, aufweist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfaktorberechnungseinrichtung eine Einrichtung (34) zum Einschreiben des durch die Bestimmungseinrichtung (51) erhaltenen Korrekturfaktors in einen weiteren Speicher aufweist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfaktorberechnungseinrichtung Einrichtungen (53, 54) zum Überschreiben des vorher von der Bestimmungseinrichtung (51) erhaltenen und in dem weiteren Speicher gespeicherten Korrekturfaktors.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungseinrichtung (51) eine Einrichtung (120) zum Korrigieren des von der Ermittlungseinrichtung (14) ermittelten Sauerstoffpumpstromes entsprechend dem Korrekturfaktor und eine Einrichtung (122) zur Bestimmung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses des Auspuffgases entsprechend dem von der Korrektureinrichtung (120) korrigierten Sauerstoffpumpstromes aufweist.

7. Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuereinrichtung für einen Verbrennungsmotor (1), gekennzeichnet durch
einen Sensor (3) zum Ermitteln eines Luft/Kraftstoffverhältnisses im Auspuffgas des Motors (1), wobei der Sensor einen Festkörperelektrolyten (33) mit einer ersten auf einer seiner Oberflächen angeordneten und mit der Atmosphäre in Kontakt befindlichen Elektrode (35) und einer zweiten auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche angeordneten und mit dem Auspuffgas des Motors (1) über einen Diffusionswiderstand (36) in Kontakt befindlichen Elektrode (34) aufweist;
eine Einrichtung (40 bis 51) zum Berechnen eines Korrekturfaktors zur Korrektur des vom Sensor (3) ermittelten Luft/Kraftstoffverhältnisses entsprechend der zeitlichen Veränderung des Diffusionskoeffizienten des Diffusionswiderstandes (36) des Sensors (3);
eine Einrichtung (120) zur Korrektur des vom Sensor (3) ermittelten Luft/Kraftstoffverhältnisses entsprechend dem von der Berechnungseinrichtung berechneten Korrekturfaktor; und
Einrichtungen (122, 124) zur Steuerung der dem Motor (1) zugeführten Kraftstoffmenge entsprechend dem durch die Korrektureinrichtung (120) korrigierten Luft/Kraftstoffverhältnis.

8. Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor (1), gekennzeichnet durch
einen Sensor (3) zur Ermittlung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses im Auspuffgas des Motors (1), wobei der Sensor (3) einen Festkörperelektrolyten (33) mit einer ersten auf einer seiner Oberflächen angeordneten und in Kontakt mit der Atmosphäre befindlichen Elektrode (35) und einer zweiten auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche angeordneten und mit dem Auspuffgas vom Motor (1) über einen Diffusionswiderstand (36) in Kontakt befindlichen Elektrode (34) aufweist;
eine Einrichtung (40 bis 50) zum Ermitteln einer Diffusionszeit des Auspuffgases in den Diffusionswiderstand (36) des Sensors (3);
eine Einrichtung (40 bis 51) zum Berechnen eines Korrekturfaktors entsprechend der Diffusionszeit; und
Einrichtungen (122, 124) zum Steuern der dem Motor (1) zugeführten Kraftstoffmenge entsprechend dem von der Berechnungseinrichtung berechneten Korrekturfaktor.