DE4124080A1

DE4124080A1 - Luft-brennstoff-verhaeltnis-nachweisvorrichtung

Info

Publication number: DE4124080A1
Application number: DE4124080A
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Ishida
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1992-01-23
Anticipated expiration: 2011-07-20
Also published as: JP2600453B2; US5289717A; JPH0480653A; KR920002917A; KR940010728B1; DE4124080C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luft-Brennstoff-Verhältnis- Nachweisvorrichtung zur Bestimmung des Luft-Brennstoff- Verhältnisses (A/F) eines Luft-Brennstoff-Gemisches, welches einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden soll.

Im Stand der Technik wurde ein linearer A/F-Sensor vorgeschlagen, der das Sauerstoffkonzentrationszellen-Vermögen von Zirkonerde (Zirkondioxid) und deren Sauerstoffionen-Pumpvermögen ausnutzt, um zu bestimmen, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einer magereren oder fetteren Seite eines stöchiometrischen Verhältnisses liegt, und um weiterhin den Wert des Luft- Brennstoff-Verhältnisses zu bestimmen (siehe die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 63 (1988)-36 140).

Nachstehend wird unter Bezug auf die Fig. 7 bis 10 der beigefügten Zeichnungen ein konventioneller linearer A/F-Sensor beschrieben. Fig. 7 zeigt einen linearen A/F-Sensor, der eine Sensorzelle 20 und eine Pumpzelle 21 aufweist, die voneinander getrennt dargestellt sind, und jede Zelle weist eine Vorrichtung aus stabilisierter Zirkonerde auf. Die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 sind miteinander über eine Isolierschicht 22 gekoppelt. Die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 weisen jeweils in ihnen ausgebildete Diffusionslöcher 23, 24 auf, um hierdurch Auspuffgase von einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zu leiten. Die Isolierschicht 22 ist mit einem Nachweishohlraum 25 versehen, der in der Isolierschicht ausgebildet ist, in welchen Auspuffgase durch die Diffusionslöcher 23, 24 durch die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 eingeführt werden können. Die Diffusionslöcher 23, 24 und der Nachweishohlraum 25 dienen zusammen als ein Element zur Kontrolle der Geschwindigkeit, mit welcher die Auspuffgase diffundiert werden. Die Isolierschicht 22 ist weiterhin mit einer Differenzkammer 25a versehen, die unterhalb des Nachweishohlraums 25 und von diesem beabstandet angeordnet ist, wobei die Differenzkammer 25a zwischen der Sensorzelle 20 und der Pumpzelle 21 ausgebildet ist. Ein Referenzgas wie beispielsweise Atmosphärenluft wird in die Referenzkammer 25a durch ein (nicht dargestelltes) Verbindungsloch eingeführt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, weist die Sensorzelle 20 poröse Elektroden 26, 27 aus Platin auf, und die Pumpzelle 21 ist mit porösen Elektroden 28, 29 aus Platin versehen, wobei die Elektroden 26, 27 28, 29 auch als Katalysator dienen. Die Senorzelle 20 ist mit einer elektrischen Heizung 30 versehen, um sich auf einen bestimmten Temperaturbereich zu erhitzen, beispielsweise 800 ±100°C, um die Sensorzelle 20 aktiv zu halten.

Die Sensorzelle 20 arbeitet als ein konventioneller O₂-Sensor, um eine elektromotorische Kraft zu entwickeln, falls eine Sauerstoffkonzentrations-Differenz zwischen den Elektroden 26, 27 auftritt. Die Pumpzelle 21 weist die gleichen Eigenschaften auf wie die Sensorzelle 20 und dient zum Pumpen von Sauerstoff von einer negativen Elektrode zu einer positiven Elektrode, wenn man einen elektrischen Strom (Pumpstrom Ip) zwischen den Elektroden 28, 29 fließen läßt.

Eine Steuereinrichtung 31 stellt eine elektromotorische Kraft Vs fest, die von der Sensorzelle 20 entwickelt wird, und steuert weiterhin den Pumpstrom Ip über eine Rückkopplungsschleife, um die elektromotorische Kraft Vs konstant zu halten, also um eine Sauerstoffkonzentration aufrecht zu erhalten, die einem stöchiometrischen Verhältnis in dem Hohlraum 25 oder den Diffusionslöchern 23, 24 entspricht. Das sich der Pumpstrom Ip kontinuierlich in bezug auf das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert, wie in Fig. 9 gezeigt, kann das Luft-Brennstoff-Verhältnis aus dem Pumpstrom Ip berechnet werden.

Im einzelnen weist die Steuereinrichtung 31 einen Komparator 1 und einen Integrierverstärker 2 mit einer positiven und einer negativen Stromversorgung auf. Der Komparator 1 vergleicht die elektromotorische Kraft Vs mit einer Referenzspannung Vref, die dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Das Ausgangssignal von dem Komparator 1 wird durch den Integrierverstärker 2 integriert, dessen integriertes Ausgangssignal als der Pumpstrom Ip über einen Widerstand 5 der Pumpzelle 21 zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Spannungsabfall über den Widerstand 5 durch einen Stromdetektor 3 nachgewiesen, der ein Spannungssignal erzeugt, welches dem Pumpstrom Ip entspricht. Daher wird der Pumpstrom Ip indirekt durch den Stromdetektor 3 nachgewiesen. Das Ausgangssignal des Stromdetektors 3 wird an einen Addierer 4 angelegt, welcher dann ein Ausgangssignal Vout erzeugt, in dem Bereich von 0-5 V, welches das Luft-Brennstoff-Verhältnis repräsentiert gemäß der nachstehenden Gleichung:

Vout = G × Ip + Vstp

wobei G die Strom-Spannungs-Wandlerverstärkung eines Strom- Spannungs-Wandlers bezeichnet, der aus dem Widerstand 5 und dem Stromdetektor 3 besteht, und Vstp eine erhöhte Spannung in dem Bereich von 0-5 V ist.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten konventionellen System wird der Spannungsabfall über den Widerstand 5 an einen Strominversions- Detektor 6 angelegt, um die Richtung festzustellen, in welcher der Pumpstrom fließt, wodurch ein stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis Vstc erzeugt wird (vgl. Fig. 10.).

Bei dem linearen A/F-Sensor weist der Pumpstrom Ip einen Wert auf, welcher der Sauerstoffkonzentration entspricht (welche dann, wenn sie größer wird, das Luft-Brennstoff-Verhältnis magerer macht) in dem Auspuffgas, und den Konzentrationen von A₂, CO entspricht, welche dann, wenn sie höher sind, das Luft- Brennstoff-Verhältnis fetter machen, und weist eine Charakteristik auf, die aus der folgenden Gleichung (1) hervorgeht:

Ip ∞ (K₁ × T^0,75 × S/L + K₂ × T^-0,5 × Pg × S/L) (1)

wobei K₁ und K₂ Konstanten sind, die sich in Abhängigkeit von dem Aufbau des linearen A/F-Sensors ändern, T die absolute Temperatur ist, Pg der Partialdruck von Sauerstoff in dem gemessenen Auspuffgas ist, S die Querschnittsfläche des Diffusionsloches in der die Gasdiffusion begrenzenden Schicht ist, und L die Dicke der Gasdiffusionsbegrenzungsschicht ist.

Es ist bekannt, daß in dem Falle, in welchem der lineare A/F- Sensor einen solchen Aufbau aufweist, daß er hauptsächlich das Gas mit Molekülen diffundiert, die Konstante K₁ größer ist als die Konstante K₂, was bei der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information eine hohe Abhängigkeit von der Temperatur hervorruft, und daß dann, falls der lineare A/F-Sensor einen solchen Aufbau aufweist, daß er hauptsächlich das Gas durch kleine Löcher diffundiert, die Konstante K₂ größer ist als die Konstante K₁, was zu einer starken Abhängigkeit der Luft-Brennstoff- Verhältnis-Information von dem Druck führt.

In dem Fall, in welchem der lineare A/F-Sensor mit einem Aufbau eingesetzt wird, bei welchem hauptsächlich das Gas durch kleine Löcher diffundiert wird, wurde herausgefunden, daß gemäß der Darstellung in Fig. 9 die Kurve b, welche den Pumpstrom gegenüber dem Luft-Brennstoff-Verhältnis darstellt, die unter einem Referenzdruck aufgezeichnet wurde, der auf den Sensor in einer Referenzumgebung wirkt, stark von der Kurve a abweicht, welche den Pumpstrom gegenüber dem Luft-Brennstoff- Verhältnis zeigt, die unter einem gemessenen Druck auf den Sensor auf beiden Seiten des stöchiometrischen Luft-Brennstoff- Verhältnisses aufgezeigt wurde, wobei der Pumpstrom Ip Null ist, wobei die Abweichung größer wird, wenn der Absolutwert des Pumpstroms Ip größer wird.

Bei dem linearen A/F-Sensor, der einen Aufbau aufweist, bei welchem das Gas hauptsächlich durch kleine Löcher diffundiert wird, wurde bislang der Abhängigkeit der von dem Sensor erzeugten Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information von dem Druck und der Temperatur keine Beachtung geschenkt. Es war üblich, das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Brennstoff-Einspritzvorrichtung über eine Rückkopplungs-Steuerschleife zu steuern auf der Grundlage der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information, die nicht korrigiert war.

Eine exakte Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, so daß dieses einen Zielwert erreicht, während die Brennkraftmaschine in Betrieb ist, ist äußerst wichtig für eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs, eine vergrößerte Motorausgangsleistung, eine stabilere Leerlaufgeschwindigkeit des Motors, reinere Auspuffgase, und verbesserte Fahreigenschaften. Allerdings stellte sich heraus, daß das voranstehend beschriebene konventionelle Luft-Brennstoff-Verhältnis-Steuerverfahren unzureichend ist.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung, um äußerst verläßlich das Luft-Brennstoff-Verhältnis einer Luft-Brennstoff-Mischung festzustellen, über die Korrektur des Luft-Brennstoff-Verhälnisses auf der Grundlage des Druckes in einem Auspuffrohr, um es hierdurch zu ermöglichen, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis daraufhin äußerst genau gesteuert wird, um einen verringerten Brennstoffverbrauch zu erreichen, eine vergrößerte Motorausgangsleistung, eine stabilere Motorleerlaufgeschwindigkeit, reinere Auspuffgase sowie verbesserte Fahreigenschaften.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Luft-Brennstoff- Verhältnis-Nachweisvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zur Verfügung gestellt, die einen Luft- Brennstoff-Verhältnis-Sensor aufweist, um eine Luft-Brennstoff- Verhältnis-Information zu erzeugen, welche die Sauerstoffkonzentration in einem Auspuffgas anzeigt, welches von einer verbrannten Luft-Brennstoff-Mischung in der Brennkraftmaschine erzeugt wurde, mit einer Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung zur Berechnung eines Druckes in dem Auspuffgas, einer Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung zur Berechnung der Druckdifferenz zwischen dem Druck und einem Referenzdruck, der auf den Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor wirkt, um den Luft- Brennstoff-Verhältnis-Sensor zu veranlassen, daß er Referenzausgangssignal- Eigenschaften aufweist, wenn der Luft-Brennstoff- Verhätnis-Sensor in eine Referenzatmosphäre gebracht wird, und mit einer Luft-Brennstoff-Verhältnis-Berechnungseinrichtung zur Berechnung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf der Grundlage der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information, und zur Korrektur des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit der Druckdifferenz, die von der Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung berechnet wurde, wodurch ein druckkorrigiertes Luft- Brennstoff-Verhältnis erzeugt wird.

Die Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information von dem Luft-Brennstoff- Verhältnis-Sensor wird in Abhängigkeit von dem Druck in dem Auspuffrohr des Motors korrigiert, wodurch das Luft-Brennstoff- Verhältnis so korrigiert wird, daß es dem Referenzdruck entspricht.

Da das korrigierte Luft-Brennstoff-Verhältnis äußerst exakt auf einem Zielwert für das Luft-Brennstoff-Verhältnis gehalten wird, ist die Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung äußerst wirksam bezüglich eines verbesserten (verringerten) Brennstoffverbrauchs, einer erhöhten Motorausgangsleistung, einer stabileren Motorleerlaufgeschwindigkeit, einer verbesserten Reinigung der Auspuffgase, und verbesserter Fahreigenschaften.

Die voranstehenden und weiteren Vorteile, Merkmale und Zielsetzung der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlich, die beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutern. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Luft-Brennstoff- Verhältnis-Nachweisvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Korrekturverfahrens für ein Luft-Brennstoff-Verhältnis, welches von einem Luft- Brennstoff-Sensor mit der Luft-Brennstoff-Verhältnis- Nachweisvorrichtung erzeugt wird;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, teilweise im Schnitt, eines Brennstoffeinspritz-Steuersystems, bei welchem das Verfahren zur Korrektur eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses gemäß Fig. 2 durchgeführt werden kann;

Fig. 4(a) bis 4(c) Flußdiagramme eines Luft-Brennstoff-Verhältnis-Steuerprogramms, welches durch eine Steuerung in dem in Fig. 3 dargestellten Brennstoffeinspritz-Steuersystem ausgeführt wird;

Fig. 5 ein Diagramm in einer Darstellung einer Zuordnung von Motordrehmomenten, Motorgeschwindigkeiten und Auspuffdrucken;

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Darstellung von Zuordnungen von Auspuffdrucken und Einlaßluftmengen;

Fig. 7 eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung eines konventionellen Luft-Brennstoff-Verhältnis- Sensors;

Fig. 8 eine schematische Ansicht, teilweise als Blockschaltbild, des in Fig. 7 gezeigten konventionellen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors;

Fig. 9 ein Diagramm mit einer Darstellung der Beziehung zwischen einem Pumpstrom und einem Luft-Brennstoff- Verhältnis; und

Fig. 10 ein Diagramm mit einer Darstellung eines stöchiometrischen Verhältnissignals, dessen Pegel von der Richtung des Pumpstroms abhängt.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild eine Luft-Brennstoff-Verhältnis- Nachweisvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist die Luft-Brennstoff-Verhältnis- Nachweisvorrichtung einen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor auf, um eine Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information Ss abzugeben, entsprechend dem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Signal Vout in Fig. 8, welche das Luft-Brennstoff-Verhältnis repräsentiert, das in dem Auspuffrohr einer Brennstoffmaschine mit innerer Verbrennung festgestellt wurde, weist eine Druckinformations- Ausgabeeinrichtung auf, die nahe dem Luft-Brennstoff- Sensor angeordnet ist, um den Druck eines Auspuffgases festzustellen, in welchem der Luft-Brennstoff-Sensor angeordnet ist, weist eine Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung auf, um einen Auspuffdruck Pk aus einer vorbestimmten Zuordnung (Tabelle, Abbildung) oder dergleichen zu berechnen in Abhängigkeit von der Druckinformation von der Druckinformations-Ausgabeeinrichtung, weist eine Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung auf, um die Differenz ΔP zwischen dem Auspuffdruck Pk und einem Referenzdruck Po festzustellen, und weist eine Luft-Brennstoff- Verhältnis-Berechnungseinrichtung auf, um die Luft-Brennstoff- Verhältnis-Information Ss mit der Druckdifferenz ΔP zu korrigieren und ein korrigiertes Luft-Brennstoff-Verhältnis-Signal auszugeben.

Das korrigierte Luft-Brennstoff-Verhältnis-Signal wird einem Rückkopplungs-Steuersystem zugeführt, welches das korrigierte Luft-Brennstoff-Verhältnis-Signal verwendet, also dem Brennstoffeinspritz- Steuersystem einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung.

Fig. 2 zeigt eine Sequenz von Bearbeitungsschritten, die von der in Fig. 1 dargestellten Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung ausgeführt wird. Bei der Verarbeitungssequenz wird die Druckdifferenz ΔP zwischen dem Auspuffdruck Pk, der von der Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung ausgegeben wird, und dem Referenzdruck Po in einer Referenzumgebung zunächst berechnet. Dann wird die Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information Ss von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor korrigiert. Im einzelnen wird die Druckdifferenz ΔP (=Pk-Po) multipliziert mit einer Korrekturkonstanten G, und die Luft-Brennstoff- Verhältnis-Information Ss von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis- Sensor wird durch eine Korrektur Ss korrigiert, die von der Druckdifferenz ΔP abhängt, wodurch eine druckkorrigierte Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information So erzeugt wird. Auf diese Weise wird die druckkorrigierte Luft-Brennstoff- Verhältnis-Information So gemäß der nachstehenden Gleichung (2) berechnet:

So = G × (Pk - Po) × Ss (2)

Beispielsweise kann die Kurve b für den Pumpenstrom gegenüber dem Luft-Brennstoff-Verhältnis gemäß Fig. 9 durch die voranstehend beschriebene Bearbeitungssequenz wie folgt korrigiert werden:

Die Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information Ss1 auf der Kurve b wird durch die Druckkorrektur ΔS korrigiert in die korrigierte Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information So1 auf der Kurve a für den Pumpenstrom gegenüber dem Luft-Brennstoff- Verhältnis, wodurch ein Luft-Brennstoff-Verhältnis unter dem Referenzdruck erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt ein Brennstoffeinspritz-Steuersystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung. Das in Fig. 3 gezeigte Verfahren zur Korrektur eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses kann bei dem Brennstoffeinspritz-Steuersystem verwendet werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist das Brennstoffeinspritz-Steuersystem einen linearen A/F-Sensor 14 auf, der in einem Auspuffkanal 11 einer Brennkraftmaschine 10 angeordnet ist. Eine Information Ss bezüglich des Luft-Brennstoff-Verhältnisses (A/F), welche von dem linearen A/F-Sensor 14 erzeugt wird, wird zu einer Motorsteuerung 12 ausgegeben. Die Motorsteuerung 12 berechnet dann eine Brennstoffrate, die dem Motor 10 zugeführt werden soll, und zwar auf der Grundlage der Luft- Brennstoff-Verhältnis-Information Ss. Das Brennstoffeinspritz- Steuersystem weist eine Brennstoff-Einspritzdüse N auf, um die berechnete Brennstoffrate in einen Einlaßkanal 13 des Motors 10 einzuspritzen.

Der lineare A/F-Sensor 14 und eine Steuereinrichtung 15 für diesen, wie in Fig. 11 gezeigt ist, weisen dieselbe Anordnung auf wie der lineare A/F-Sensor und die Steuereinrichtung 31 des in Fig. 8 gezeigten konventionellen Systems und werden nicht im einzelnen beschrieben.

In Fig. 3 bilden daher der lineare A/F-Sensor 14 und die zugehörige Steuereinrichtung 15 den Luft-Brennstoff-Verhältnis- Sensor (vgl. Fig. 1). Der lineare A/F-Sensor 14 ist mit der Motorsteuerung 12 über die Steuereinrichtung 15 verbunden, und liefert ein Luft-Brennstoff-Verhältnis-Signal Ss in dem Bereich von 0 bis 5 V an die Motorsteuerung 12.

Ein Starterschalter 16 ist in einer Kombinationsschalteranordnung (nicht dargestellt) des Motors vorgesehen und legt eine EIN- oder ein AUS-Signal an die Steuerung 12 an. Ein Luftflußsensor 17 gibt ein die Lufteinlaßraten-Information anzeigendes Signal an die Steuerung 12. Ein Motordrehgeschwindigkeits- Sensor 18 legt ein Motordrehgeschwindigkeits-Information anzeigendes Signal an die Steuerung 12 an. Ein Atmosphärendruck- Sensor 19 liefert ein Signal, welches Atmosphärendruck-Information anzeigt, an die Steuerung 12. Ein Drucksensor 20, der als die Druckinformations-Ausgabeeinrichtung dient (vgl. Fig. 1), gibt Auspuffdruck-Information an die Steuerung 12. Der Drucksensor 20 ist in dem Auslaßkanal 11 in der Nähe des linearen A/F-Sensors 14 angeordnet.

Die Steuerung 12 besteht hauptsächlich aus einem Mikrocomputer und weist einen Treiber 121 auf, um die Brennstoff-Einspritzdüse N zu bestätigen, eine Eingangs/Ausgangsschnittstelle 123, um unterschiedliche Ausgangssignale zu empfangen und ein Steuersignal an den Treiber 121 anzulegen, einen Speicher 123, der ein Steuerprogramm zum Steuern des Luft-Brennstoff-Verhältnisses speichert (vgl. Fig. 4(a) bis 4(c)), sowie eine Steuereinheit 124 zur Berechnung von Steuerwerten entsprechend dem Steuerprogramm.

Die Funktionen der Steuerung 12, also die Funktionen der Auspuffdruck- Berechnungseinrichtung, der Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung, und der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Berechnungseinrichtung werden nachstehend beschrieben. Zusätzlich zu diesen Funktionen weist die Steuerung 12 weiterhin eine Einrichtung zum Steuern der Brennstoffrate auf, die eingespritzt werden soll, mittels einer Rückkopplungs-Steuerung auf der Grundlage des korrigierten Luft-Brennstoff-Verhältnisses.

Ein Verfahren zur Korrektur eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor wird nachstehend unter Bezug auf das in den Fig. 4(a) bis 4(c) gezeigte Steuerprogramm beschrieben. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis-Steuerverfahren wird gleichzeitig mit einem Verfahren zum Steuern der einzuspritzenden Brennstoffrate durchgeführt (über eine Rückkopplungs-Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses und eine rückkopplungsfreie Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses (ohne Rückkopplung)), mittels der Steuerung 12.

Das Steuerprogramm weist eine Hauptroutine auf, die in Fig. 4(a) und 4(b) gezeigt ist, welche mit ihrer Ausführung durch die Steuerung 12 beginnt, wenn der Starterschalter 16 eingeschaltet wird. Wird der Starterschalter 16 eingeschaltet, so wird eine Startermarke gesetzt, wie in Fig. 4(c) gezeigt. In der Hauptroutine wird die Heizung 30 (vgl. Fig. 8) in einem Schritt a1 eingeschaltet, gefolgt von einem Schritt a2, welcher bestimmt, ob die Startermarke 1 ist oder nicht. Ist die Startermarke nicht 1, dann springt die Steuerung zu einem Schritt a7, und wenn die Startermarke 1 ist, dann geht die Steuerung mit einem Schritt a3 weiter.

Die Startermarke wird auf Null in dem Schritt a3 zurückgesetzt, und eine Pumpenzellen-Betriebsmarke, die eine Zuführung des Pumpenstroms Ip gestattet (vgl. Fig. 9), wird in einem Schritt a4 zurückgesetzt. In einem Schritt a6 wird ein Sensorstartzeitgeber zurückgesetzt, der eine Zeit zum Starten des linearen A/F-Sensors 14 festgelegt. Daraufhin wird der Sensorstartzeitgeber in einem Schritt a6 gestartet.

Ein nächster Schritt a7 legt fest, ob der Zählwert des Sensorstartzeitgebers einen vorbestimmten Wert R überschreitet, der auf ein Zeitintervall gesetzt wurde, das genügend lang ist, um den Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor zu aktivieren, während der Motor sich erwärmt. Wenn der Zählwert des Sensorstartzeitgebers nicht den vorbestimmten Wert R überschreitet, dann geht die Steuerung zu einem Schritt a15 über, in welchem ein Luft- Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerkoeffizient K_FB gesetzt wird. Dann wird der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuervorgang in einem Schritt a16 unterbunden. Dann geht die Steuerung in einem Schritt a17 weiter, in welchem eine Brennstoff-Einspritzrate Fuel berechnet wird. Im einzelnen wird eine einzuspritzende Brennstoffrate aus einer vorbestimmten Zuordnung festgelegt, die von der Motordrehgeschwindigkeit N und der Motorbelastung A/N abhängt, und die ermittelte Brennstoff-Einspritzrate Fuel wird in einem vorbestimmten Speicherbereich gespeichert. Mit anderen Worten wird der rückkopplungsfreie Vorgang zur Steuerung der einzuspritzenden Brennstoffrate in dem Schritt a17 ausgeführt. Daraufhin kehrt die Steuerung von dem Schritt a17 zum Schritt a1 der Hauptroutine zurück. In einer (nicht dargestellten) Brennstoff-Einspritzroutine, die sich dem voranstehendend beschriebenen Verfahren anschließt, wird die einzuspritzende Brennstoffrate in Reaktion auf eine Unterbrechung (Interrupt) bei einem bestimmten Kurbelwellenwinkel festgelegt, und Brennstoff wird mit der so festgelegten Rate eingespritzt, um ein Luft-Brennstoff- Zielverhältnis (ein angestrebtes Luft-Brennstoff-Verhältnis) zu erreichen, welches durch das Luft-Brennstoff-Verhältnis- Steuerverfahren ohne Rückkopplung festgelegt ist.

Überschreitet der Zählwert des Sensorstartzeitgebers den vorbestimmten Wert R in dem Schritt 7, dann geht die Steuerung mit einem Schritt a8 weiter. Falls der Sensorstartzeitgeber immer noch im Betrieb ist, wird in dem Schritt a8 dessen Zählbetrieb angehalten, während der bislang erreichte Zählwert beibehalten wird. Dann geht die Steuerung von dem Schritt a8 zu einem Schritt a9 über.

Der Schritt a9 legt fest, ob die Pumpenzellen-Betriebsmarke 1 ist oder nicht. Ist die Pumpenzellen-Betriebsmarke nicht 1, dann geht die Steuerung zu einem Schritt a10 über, in welchem die Pumpenzellen 21 betätigt wird. Dann wird die Pumpenzellen- Betriebsmarke auf 1 in einem Schritt a11 gesetzt, auf welchen ein Schritt a12 folgt, in welchem ein Pumpenzellen-Betriebszeitgeber gestartet wird. Ein Schritt a13 stellt fest, ob der Zählwert des Pumpenzellen-Betriebszeitgebers einen vorbestimmten Wert ε überschreitet, der auf ein genügend langes Zeitintervall gesetzt wurde, damit sich das Ausgangssignal des Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors stabilisieren kann. Wenn der Zählwert des Pumpenzellen-Betriebszeitgebers nicht den vorbestimmten Wert ε überschreitet, dann geht die Steuerung zu dem Schritt a15 über, um mit dem rückkopplungsfreien Steuerverfahren weiterzumachen. Wenn der Zählwert des Pumpenzellen- Betriebszeitgebers den vorbestimmten Wert ε überschreitet, also wenn der Sensorausgang stabil wird und der Pumpenstrom Ip verläßlich wird, dann geht die Steuerung von dem Schritt a13 zu einem Schritt a14 über. Wenn der Pumpenzellen-Betriebszeitgeber immer noch in Betrieb ist, so wird in dem Schritt a14 dessen Zählbetrieb angehalten, während der bis dahin erreichte Zählwert beibehalten wird. Dann geht die Steuerung von dem Schritt a14 zu einem Schritt a18 über.

Der Schritt a18 legt fest, ob die momentanen Betriebsbedingungen des Motors in einen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerbereich fallen oder nicht. Liegen sie nicht in dem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerbereich, dann geht die Steuerung zu dem Schritt a15 über, um das rückkopplungsfreie Luft-Brennstoff-Verhältnis-Steuerverfahren durchzuführen.

Wenn die momentanen Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs in dem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerbereich im Schritt a18 liegen, dann geht die Steuerung mit einem Schritt a19 weiter. In dem Schritt a19 liest die Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung den Druck in dem Auslaßkanal, wie er von dem Drucksensor 20 festgestellt wird, und berechnet einen Druck Pk auf den linearen A/F-Sensor 14 aus dem abgelesenen Druck. In dem Schritt a19 erzeugt die Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung die Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck Pk und einem Referenzdruck Po auf den linearen A/F-Sensor 14. Dann wird die Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information Ss von dem Luft-Brennstoff- Verhältnis-Sensor durch die Druckdifferenz ΔP entsprechend Gleichung (2) in einem Schritt a20 korrigiert, wodurch die korrigierte Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information So erzeugt wird.

Daraufhin geht die Steuerung von dem Schritt a20 zu einem Schritt a21 über. Der Schritt a21 berechnet ein aktuelles Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F)₂, auf der Grundlage der korrigierten Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information So entsprechend der Gleichung

(A/F)₂ = f(So)

Dann wird ein Zielwert für das Luft-Brennstoff-Verhältnis A/F, welcher bereits abhängig von Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs bestimmt wurde, bei welchem der Motor mit der Luft- Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung vorgesehen ist, gelesen, und es wird ein Fehler oder eine Differenz ε berechnet zwischen dem gelesenen Zielwert für das Luft-Brennstoff- Verhältnis A/F und dem aktuellen Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F)₂, und ebenso eine Differenz Δε zwischen dem momentan berechneten Fehler ε und dem vorher berechneten Fehler. Schließlich wird in dem Schritt a21 ein Korrekturkoeffizient K_FB berechnet für die Steuerung einer Brennstoff-Einspritzrate auf der Grundlage des Luft-Brennstoff-Verhältnisses.

Der Korrekturkoeffizient K_FB wird als die Summe oder Differenz berechnet aus einem proportionalen Term KA(ε) einer Verstärkung abhängig von dem Fehlerpegel ε, einem Offset Kp zur Verhinderung einer Antwortverzögerung infolge des Drei-Wege-Katalysators, einem differentiellen Term K_D (Δε) abhängig von der Differenz Δε, einem integralen Term ΣK_I( _ε _{, tFB)}, und 1.

Daraufhin geht die Steuerung zu dem Schritt a17 über, in welchem eine geeignete Brennstoffrate, die zu diesem Zeitpunkt zugeführt werden soll, aus den Korrekturkoeffizienten K_FB, K, und der grundlegenden Brennstoff-Einspritzrate F(A/N, N) berechnet wird. Dann kehrt die Steuerung zu dem Schritt a1 in der Hauptroutine zurück.

Die zuzuführende Brennstoffrate, die auf diese Weise in der in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigten Routine bestimmt wird, wird in der Brennstoff-Einspritzroutine aufgerufen, die zum Zeitpunkt einer Unterbrechung (Interrupt) ausgeführt wird, die in Reaktion auf ein Kurbelwellenwinkel-Signal durchgeführt wird, welches in der Hauptroutine erzeugt wird. Dann wird die Brennstoff- Einspritzdüse N durch den Treiber 121 für einen Zeitraum betätigt, welcher der festgelegten zuzuführenden Brennstoffrate entspricht, wodurch Brennstoff mit der Rate eingespritzt wird, mit welcher das gewünschte Luft-Brennstoff-Verhältnis erhalten wird.

Bei der voranstehenden Ausführungsform wird die Druckinformation von dem Drucksensor 20 als der Druckinformations-Ausgabeeinrichtung durch die Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung gelesen. Die Druckinformation kann jedoch auf irgendeine andere Weise bereitgestellt werden.

Beispielsweise kann die Druckinformations-Ausgabeeinrichtung aus dem Motordrehgeschwindigkeits-Sensor 18 und dem Luftflußsensor 17 bestehen, und die Druckinformation in dem Auslaßkanal kann auf der Grundlage der Motordrehgeschwindigkeit und der Lufteinlaßrate erhalten werden, die in dem Einlaßkanal eingezogen wurde. Im einzelnen speichert der Speicher 123 der Steuerung 12 eine dreidimensionale Zuordnung oder Karte von Motordrehgeschwindigkeiten Ne, Motordrehmomenten T, und Auspuffdrucken P_N, wie in Fig. 5 gezeigt, wobei die Zuordnung als die Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung dient. Zunächst wird die Motordrehgeschwindigkeit Ne und die Menge A an Einlaßluft bestimmt, dann wird die Lufteinlaßrate A/N aus der Motordrehgeschwindigkeit Ne und der Einlaßluftmenge A berechnet, und das Motordrehmoment T wird aus der Lufteinlaßrate A/N und der Motordrehgeschwindigkeit Ne berechnet. Daraufhin werden der Auspuffdruck P_M in Abhängigkeit von der Motordrehgeschwindigkeit Ne und dem Motordrehmoment T aus der in Fig. 5 gezeigten dreidimensionalen Zuordnung festgelegt. Sind keine exakten Druckdaten bei dieser Zuordnung verfügbar, dann werden diese Daten zwischen am engsten benachbarten Punkten auf der Zuordnung interpoliert. Beispielsweise können Auspuffdruckdaten bei der Motordrehgeschwindigkeit Ne1 und dem Motordrehmoment T1 in Fig. 5 wie nachstehend angegeben interpoliert werden:

{n1/(n1 + n2)} × (50 - 10) + 10 = P_M.

Dann wird der Atmosphärendruck P_A von dem Atmosphärendruck- Sensor 19 gelesen, und es wird ein Druck Pk berechnet (=P_M+P_A). Der auf diese Weise bestimmte Druck Pk wird in dem Schritt a19 der Hauptroutine verwendet. Falls der Atmosphärendruck- Sensor 19 nicht vorhanden ist, dann kann der Druck P_M als der Druck Pk verwendet werden.

In dem Falle, in welchem die Druckinformations-Ausgabeeinrichtung aus dem Motordrehgeschwindigkeits-Sensor und dem Luftflußsensor besteht, so kann der Drucksensor 20 entfallen, und daher läßt sich die Anzahl verwendeter Teile verringern.

Falls die in Fig. 5 gezeigte Zuordnung nicht erhältlich ist, dann kann der Atmosphärendruck P_A von dem Atmosphärendruck- Sensor 19 gelesen werden, der Druck Pk (=P_A) kann berechnet werden, und dann kann der Druck Pk in dem Schritt a19 der Hauptroutine verwendet werden.

Alternativ hierzu kann die Druckinformations-Ausgabeeinrichtung den Luftflußsensor 17 aufweisen. Im einzelnen speichert der Speicher 123 der Steuerung 12 eine Zuordnung (Karte) von Lufteinlaßraten Q und Auspuffdrucken P_M in dem Auspuffkanal, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wobei die Zuordnung als die Auspuffdruck- Berechnungseinrichtung dient. Die Steuerung 12 bestimmt die Einlaßluft-Rate Q (=A/N) aus der Motordrehgeschwindigkeit Ne und der Einlaßluftmenge A, bestimmt einen Auspuffdruck P_M1 von der Zuordnung entsprechend der Lufteinlaßrate Q, und berechnet Druckinformation Pk (=PM1). Die Korrelation zwischen Lufteinlaßraten Q (=A/N) und Auspuffdrucken P_M1 in dem Auspuffkanal wird experimentell bestimmt.

Wenn die Steuerung 12 dem Atmosphärendruck-Sensor 19 zugeordnet ist, dann kann der Auspuffdruck P_M1 aus der in Fig. 6 dargestellten Zuordnung (Karte) bestimmt werden, der Atmosphärendruck P_A kann von dem Atmosphärendruck-Sensor 19 gelesen werden, die Druckinformation Pk (=PA+PM1) kann berechnet werden, und die Druckinformation kann in dem Schritt a19 der Hauptroutine verwendet werden.

Zwar wurden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen gezeigt und beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem sich aus der Gesamtheit der Anmeldeunterlagen ergebenden Schutzumfang abzuweichen.

Claims

1. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, gekennzeichnet durch,
einen Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor zur Erzeugung einer Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information, welche die Konzentration von Sauerstoff in einem Auspuffgas anzeigt, welches von einer verbrannten Luft-Brennstoff-Mischung in der Brennkraftmaschine erzeugt wird;
eine Auspuffdruck-Berechnungseinrichtung zur Berechnung eines Druckes in einem Auspuffgas;
eine Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung zur Berechnung der Druckdifferenz zwischen dem Druck und einem Referenzdruck, der auf den Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor wirkt, um den Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor zu veranlassen, Referenzausgangssignal-Eigenschaften aufzuweisen, wenn der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor in eine Referenzatmosphäre verbracht wird; und
eine Luft-Brennstoff-Verhältnis-Berechnungseinrichtung zur Berechnung eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf der Grundlage der Luft-Brennstoff-Verhältnis-Information und zur Korrektur des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit der Druckdifferenz, die von der Druckdifferenz-Berechnungseinrichtung berechnet wurde, wodurch ein druckkorrigiertes Luft-Brennstoff-Verhältnis erzeugt wird.

2. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft-Brennstoff- Verhältnis-Sensor einen Aufbau aufweist, bei welchem das Auspuffgas hauptsächlich durch kleine Löcher diffundiert wird.

3. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffdruck- Berechnungseinrichtung eine Druckinformations-Ausgabeeinrichtung aufweist, um Druckinformation in Abhängigkeit von dem Druck des Auspuffgases festzustellen, und eine Einrichtung zur Berechnung des Druckes auf der Grundlage zumindest der Druckinformation aufweist.

4. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckinformations- Ausgabeeinrichtung einen Drucksensor aufweist, der in einem Auspuffkanal der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, um den Druck des Auspuffgases direkt zu bestimmen.

5. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckinformations- Ausgabeeinrichtung eine Einrichtung zur Ausgabe von Druckinformation aufweist auf der Grundlage des Druckes des Auspuffgases, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine.

6. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand zumindest die Motordrehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine und/oder Information ist, welche die Rate an Einlaßluft anzeigt, die in die Brennkraftmaschine eingeführt wird.

7. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffdruck- Berechnungseinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung von Atmosphärendruck-Information und zur Berechnung des Druckes auf der Grundlage der Atmosphärendruck-Information und der Druckinformation aufweist.

8. Luft-Brennstoff-Verhältnis-Nachweisvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffdruck- Berechnungseinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung von Atmosphärendruck-Information und zur Berechnung des Druckes auf der Grundlage der Atmosphärendruck-Information aufweist.