DE4219586A1

DE4219586A1 - Verfahren zur kompensation des ausgangs eines luft/kraftstoff-verhaeltnisfuehlers

Info

Publication number: DE4219586A1
Application number: DE4219586A
Authority: DE
Inventors: Usami Jun; Nishiwaki Motohiro
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2012-06-16
Also published as: US5265458A; GB9212507D0; JP2902162B2; DE4219586C2; GB2256929B; GB2256929A; JPH04369472A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Kompensation des Ausgangs eines Abgas- oder Luft/Kraftstoff- Verhältnisfühlers und insbesondere auf ein Verfahren zur Kompensation des Ausgangs eines solchen Luft/Kraftstoff- Verhältnisfühlers, um eine gesteigerte Genauigkeit in der Messung bzw. Bestimmung oder eine verbesserte Regelung bzw. Kontrolle des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft- Kraftstoff-Gemischs, das einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder einem Industrieofen zugeführt wird, zu erzielen.

In der Technik des Messens eines Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses (im folgenden als L/K-Verhältnis bezeichnet) oder eines anderen Parameters eines für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine oder einen Industrieofen verwendeten Luft- Kraftstoff-Gemisches ist ein Abgasfühler oder ein L/K-Verhältnisfühler einer sog. Doppelzellen-Bauart bekannt, welcher eine elektrochemische Zelle in Form einer Sauerstoff- Konzentration-Meßzelle in Kombination mit einer anderen elektrochemischen Zelle in Form einer Sauerstoff-Pumpzelle verwendet. Im Gebrauch wird der L/K-Verhältnisfühler einem als Ergebis einer Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugten Abgas ausgesetzt. Da der Pegel des Ausgangssignals des L/K-Verhältnisfühlers bekannte Beziehungen mit den Gehalten der einzelnen Komponenten des Abgases hat, kann oder können ein Parameter oder Parameter des Luft-Kraftstoffgemischs, wie das L/K-Verhältnis (L/K), das Sauerstoff- Überschußverhältnis (λ) und die Sauerstoffkonzentration (+O₂ oder -O₂) auf der Grundlage des Ausgangssignals des Fühlers bestimmt werden.

Jede der beiden elektrochemischen Zellen des L/K-Verhältnisfühlers der Doppelzellen-Bauart verwendet einen für Sauerstoffionen leitfähigen Festelektrolytkörper und wenigstens ein Paar von an diesem Körper vorgesehenen Elektroden. Zwischen den beiden elektrochemischen Zellen wird ein Innenraum gebildet, in welchen das der Messung unterliegende Abgas unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeführt wird. Die erste oder Sauerstoffkonzentration-Meßzelle, die im folgenden als "Meßzelle" bezeichnet wird, erzeugt in Abhängigkeit von dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem Innenraum in Übereinstimmung mit der Nernst-Gleichung eine elektromotorische Kraft (EMK), während die zweite oder Sauerstoff- Pumpzelle, die im folgenden als "Pumpzelle" bezeichnet wird, arbeitet, um zur Regelung des Sauerstoff-Partialdrucks innerhalb des Innenraumes des Fühlers eine Sauerstoff- Pumpwirkung hervorzurufen, so daß die durch die Meßzelle induzierte EMK auf einem vorbestimmten, konstanten Niveau gehalten wird, das dem stöchiometrischen Punkt (L/K =14,6; λ=1) entspricht. Der an die Pumpzelle gelegte Pumpstrom wird als der Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers verwendet, welcher die Zusammensetzung des Abgases widerspiegelt.

Im einzelnen wird der an die Pumpzelle dieses L/K-Verhältnisfühlers der Doppelzellen-Bauart gelegte Pumpstrom Ip nach der folgenden Gleichung (1) erhalten:

Ip = KO₂ · PO₂ - KCO - KH₂ · PH₂ (1)

KO₂: O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PO₂: Partialdruck von O₂ im Abgas,
KCO: CO-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PCO: Partialdruck von CO im Abgas,
KH₂: H₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PH₂: Partialdruck von H₂ im Abgas.

Der Ausgang des Fühlers in Form des Pumpstroms Ip wird dann gemäß den folgenden Formeln (2A) sowie (2B) und der Gleichung (3) verarbeitet, um das L/K-Verhältnis usw. zu berechnen. Die Formeln (2A) und (2B) sind mit den Zahlenwerten der einzelnen Komponenten des Luft-Kraftstoff-Gemischs vor einer Verbrennung und denjenigen des als Ergebnis einer Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugten Abgases verknüpft.

i) Luft-Kraftstoff-Gemisch vor einer Verbrennung: CmHn + λ · [O₂ + (m + n/4) · (79,05/20,95) · N₂] (2A)
ii) Durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugtes Abgas: A₁ · CO + A₂ · CO₂ + A₃ · H₂ + A₄ · H₂O + A₅ · O₂ + A₆ · N₂ (2B)hierin ist
CmHn: Kohlenstoff-Wasserstoff-Kraftstoff,
m: Anzahl der Kohlenstoffkomponenten in 1 Mol des Kraftstoffs,
n: Anzahl der Wasserstoffkomponenten in 1 Mol des Kraftstoffs,
λ: Luft-Überschußverhältnis,
A₁-A₆: Anzahl der angemessenen Komponenten im Abgas.

Im allgemeinen sind A₁ · CO und A₃ · H₂ annähernd 0%, wenn λ≧1 ist, und sie sind nicht 0%, wenn λ< ist.

K(t) = (PCO · PH₂)/(PCO₂ · PH₂) (3)

hierin ist
PCO: Partialdruck von CO im Abgas,
PH₂O: Partialdruck von H₂O im Abgas,
PCO₂: Partialdruck von CO₂ im Abgas,
PH₂: Partiladruck von H₂ im Abgas.

Die Stromempfindlichkeitsbeiwerte KO₂, KCO und KH₂ in der Gleichung (1) sind Empfindlichkeitsbeiwerte des Pumpstroms Ip zu den Konzentrationen der Gaskomponenten O₂, CO und H₂ des Abgases. Diese Beiwerte KO₂, KCO und KH₂ sind Konstante, die durch spezifische Kennwerte der einzelnen Fühler bestimmt sowie beeinflußt werden, z. B. den Diffusionswiderstand, unter welchem das Abgas in den Innenraum des Fühlers eingeführt wird. Das heißt mit anderen Worten, daß die tatsächlichen Stromempfindlichkeitsbeiwerte von einem Fühler zu denjenigen eines anderen Fühlers unterschiedlich sind, da die einzelnen Fühler mehr oder weniger Dimensions- oder andere Fertigungsfehler oder -abweichungen von den Nenn- oder Sollwerten haben.

Deshalb sollten die Ausgänge der einzelnen Fühler für die Schwankungen in den tatsächlichen Stromempfindlichkeitsbeiwerten der Gaskomponenten des Abgases kompensiert werden, indem tatsächlich solche Stromempfindlichkeitsbeiwerte gemessen werden, wenn die Fühler einem Eich- oder Prüfgas ausgesetzt werden. Andererseits kann der Ausgang von einem Fühler zu demjenigen eines anderen Fühlers unterschiedlich sein, selbst wenn das von diesen Fühlern zu messende Abgas dieselbe Zusammensetzung hat. Folglich sollten die einzelnen Fühler für eine Kompensation oder Abgleich ihrer Ausgänge in bezug auf den Unterschied in den tatsächlichen Stromempfindlichkeitsbeiwerten der einzelnen Fühler geeicht werden.

Die (1987 veröffentlichte) JP-Patent-OS Nr. 62-2 57 056 offenbart ein Beispiel von in jüngerer Zeit vorgeschlagenen Methoden für eine einfache und genaue Kompensation der Ausgänge der einzelnen Fühler in bezug auf den Unterschied in den tatsächlichen Empfindlichkeitsbeiwerten des Pumpenstroms gegenüber den Gaskomponenten des Abgases. Bei der in dieser Schrift beschriebenen Methode wird das analoge Ausgangssignal des Fühlers zuerst durch einen Analog-Digital- Wandler (A/D-Wandler) in ein Digitalsignal umgesetzt, worauf das Dititalsignal zur Kompensation des Fühlerausgangs in Übereinstimmung mit den tatsächlichen Stromempfindlichkeitsbeiwerten des Fühlers verarbeitet wird.

Bei Vorliegen eines Unterschiedes in den tatsächlichen Stromempfindlichkeitsbeiwerten der einzelnen Fühler kann der Bereich, in welchem sich der Ausgangspegel eines bestimmten Fühlers im Betrieb ändert, erheblich von einem solchen eines anderen Fühlers abweichen. Bei der oben angegebenen Methode kann deshalb der Änderungsbereich im Ausgangspegel eines Fühlers extrem enger als im Nennbereich FSR des Eingangssignals des A/D-Wandlers sein, welches durch die Maximum- oder Miniumumpegel des eingegebenen Analogsignals, das der Ausgang des Fühlers, üblicherweise in Form eines Spannungssignals, ist, bestimmt ist. In diesem Fall wird ein Quantisierungsfehler, der bei Umwandeln des Analogsignals in ein Digitalsignal durch den A/D-Wandler auftritt, einen erheblich großen Einfluß auf den digitalen Ausgang des A/D-Wandlers haben, so daß die Meßgenauigkeit des Fühlers verschlechtert wird.

Wenn beispielsweise der mit Bezug auf ein gegebenes Eichgas erhaltene maximale Pumpstrom (Ipmax) 10 mA für den einen Fühler und aufgrund von unterschiedlichen Stromempfindlichkeitsbeiwerten der beiden Fühler 2 mA für einen anderen Fühler beträgt, so ist der maximale Pegel des an den A/D-Wandler für den erstgenannten Fühler gelegten analogen Spannungssignals fünfmal so hoch wie derjenige des an den A/D-Wandler für den letztgenannten Fühler angelegten analogen Spannungssignals. In diesem Fall ist der in dem erhaltenen digitalen Ausgangssignal des A/D-Wandlers für den letztgenannten Fühler aufgrund des Quantisierungsfehlers enthaltene Fehlerwert fünfmal so groß wie derjenige für den erstgenannten Fühler.

Bisher wurden keine Lösungen vorgeschlagen, um wirksam die Verschlechterung der Meßgenauigkeit der bekannten L/K-Verhältnisfühler, die auf den Quantisierungsfehler zurückzuführen ist, wie oben beschrieben wurde, zu meistern. Die einzige Methode, um diese Verschlechterung in der Genauigkeit zu vermeiden, ist diejenige gewesen, die tatsächlichen Ausgangskennwerte der einzelnen Fühler zu messen oder zu ermitteln und lediglich diejenigen Fühler zu verwenden, deren Ausgangskennwerte die vorbestimmten Normen erfüllen.

Ein A/D-Wandler hat im allgemeinen eine elektrische Tendenz, daß der Quantisierungsfehler überaus groß wird, wenn der Pegel des analogen Eingangssignals kleiner als 1/5 des nominellen Eingangssignalbereichs FSR des Wandlers ist. Wenn der Fühler als ein L/K-Verhältnisfühler verwendet wird, der einem Abgas eines Kraftfahrzeugmotors ausgesetzt wird, so tendiert die Meßgenauigkeit dazu, vergleichsweise niedrig zu sein, weil der Pegel des eingegebenen Analogsignals des A/D-Wandlers relativ niedrig ist, da das L/K-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, welches das Abgas erzeugt, so geregelt wird, daß es nahe dem stöchiometrischen Punkt (14,6) ist, und das bedeutet, daß der Eingangspegel des A/D-Wandlers und der Ausgangspegel des L/K-Verhältnisfühlers üblicherweise Null oder nahe an Null sind. Demzufolge weist der Fühler den Nachteil einer niedrigen Meßgenauigkeit aufgrund eines großen Einflusses des Quantisierungsfehlers des A/D-Wandlers auf.

Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf die oben beschriebenen, dem Stand der Technik eigenen Nachteile konzipiert. Es ist deshalb die primäre Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Kompensation eines L/K-Verhältnisfühlers für eine gesteigerte Meßgenauigkeit oder Bestimmung des L/K-Verhältnisses oder eines anderen Parameters bzw. von anderen Parametern eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, indem die im Stand der Technik bisher aufgetretenen Meßfehler minimiert oder eliminiert werden, aufzuzeigen.

Die obige Aufgabe kann gemäß einem Gesichtspunkt dieser Erfindung gelöst werden. Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Kompensation eines Ausgangssignals (YA) eines Luft/ Kraftstoff-Verhältnisfühlers an, der einem als Ergebnis einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugten Abgas ausgesetzt ist, einen Innenraum besitzt, in welchen das Abgas unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeführt wird, sowie eine erste und eine zweite elektrochemische Zelle aufweist, von denen jede wenigstens einen für Sauerstoffionen leitfähigen Festelektrolytkörper und wenigstens ein Paar von Elektroden umfaßt, wobei die erste elektrochemische Zelle als eine Sauerstoffkonzentration-Meßzelle arbeitet, um eine elektromotorische Kraft (Vs) zu erzeugen, die einem Sauerstoff-Partialdruck in dem Innenraum entspricht, die zweite elektrochemische Zelle eine Sauerstoff- Pumpwirkung mit einem an diese angelegten Pumpstrom (Ip) herbeiführt, um den Sauerstoff-Partialdruck in dem Innenraum so zu regeln, daß die elektromotorische Kraft im wesentlichen auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird, und das Ausgangssignal dem Pumpstrom entspricht sowie einen Parameter des Luft-Kraftstoff-Gemischs darstellt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch die Schritte aus: des Umwandelns des in Form eines Analogsignals (YA) vorliegenden Ausgangssignals in ein Digitalsignal (YD) durch einen Analog-Digital-Wandler und des Unterwerfens des Analogsignals einer ersten Empfindlichkeitskompensation, um dadurch das Digitalsignal zu kompensieren, indem ein Eingangssignalbereich (FSR) des Analog-Digital-Wandlers entsprechend einem ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert (KA), welcher einem Empfindlichkeitsbeiwert (KO₂) des Pumpstroms (Ip) des Fühlers zu einer O₂-Konzentration des Abgases entspricht, justiert wird.

Bei dem Ausgang-Kompensationsverfahren der vorliegenden Erfindung, das oben beschrieben wurde, wird der Eingangssignalbereich FSR des A/D-Wandlers in Abhängigkeit von dem ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA, welcher dem Empfindlichkeitsbeiwert KO₂ des Pumpstroms Ip der Pumpzelle des Fühlers zur Sauerstoffkonzentration des Abgases entspricht, justiert. Das bedeutet, daß der Eingangssignalbereich FSR des A/D-Wandlers in Übereinstimmung mit dem Empfindlichkeitsbeiwert des Pumpstroms des speziellen Fühlers zur Sauerstoffkonzentration des Abgases festgesetzt wird. Demzufolge kann der aufgrund der Abweichung des O₂- Empfindlichkeitsbeiwerts des Fühlers vom Sollwert im Ausgangssignal des Fühlers enthaltene Fehler wirksam durch die erste Empfindlichkeitskompensation unter Verwendung des ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwerts eliminiert oder minimiert werden. Ferner vermindert die erfindungsgemäße Anordnung den Einfluß des Quantisierungsfehlers des A/D- Wandlers auf das Digitalsignal, das letztlich verarbeitet werden kann, um ein Ausgangssignal eines Fühl- oder Meßsystems zu liefern. Das Meßsystem enthält den Fühler, die Einrichtungen zur Kompensation des Ausgangssignals des Fühlers und Einrichtungen zur Verarbeitung des kompensierten Digitalsignals. Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren eines Ausgangs gewährleistet eine gesteigerte Meßstabilität und -genauigkeit des Meß- oder Fühlsystems.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren ferner den Schritt des Unterwerfens des durch den ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA kompensierten Digitalsignals unter eine Fehler- oder Vorspannungskompensation durch einen Wert YO, der gleich einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Ausgang sowie einem theoretischen Ausgang des Fühlers ist, wenn das Fühler- Luft-Kraftstoff-Gemisch ein stöchiometrisches Luft/ Kraftstoff-Verhältnis hat. Diese Vorspannungskompensation ist von Nutzen, weil der Ausgangspegel des Fühlers, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch das stöchiometrische L/K- Verhältnis hat, üblicherweise vom theoretischen Wert abweichen kann.

Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung dieser Erfindung umfaßt das Verfahren ferner den Schritt des Unterwerfens des Digitalsignals YD unter eine zweite Empfindlichkeitskompensation durch einen zweiten Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwert KM, der den Empfindlichkeitsbeiwerten KH₂ und KCO₂ des Pumpstroms des Fühlers zu H₂- und CO₂-Konzentrationen des Abgases entspricht, wenn das Digitalsignal anzeigt, daß ein L/K-Verhältnis des Luft-Kraftstoff- Gemischs kleiner ist als ein stöchiometrischer Punkt. Diese zweite Empfindlichkeitskompensation, die von den Empfindlichkeitsbeiwerten KH₂ und KCO₂ abhängt, gewährleistet in ausreichender Weise hohe Grade einer Meßstabilität und -genauigkeit, selbst wenn der Fühler als ein Fettverbrennungsfühler zur Regelung des L/K-Verhältnisses des Luft- Kraftstoff-Gemischs verwendet wird, so daß das Gemisch als ein kraftstoffreiches Gemisch aufrechterhalten wird.

Bei der obigen Ausgestaltung der Erfindung kann der Schritt des Unterwerfens des Digitalsignals YD unter eine zweite Empfindlichkeitskompensation umfassen: das Einführen eines Eichgases, dessen H₂- und CO₂-Konzentrationen bekannt sind, in den erwähnten Innenraum des Fühlers, das Ermitteln eines aktuellen Pegels des Digitalsignals YD, während der Fühler dem Eichgas ausgesetzt ist, und das Bestimmen des zweiten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwerts KM auf der Grundlage eines Verhältnisses des aktuellen Pegels zu einem theoretischen Pegel, der auf den H₂- und CO₂-Konzentrationen des Eichgases basierend berechnet wird. Das Digitalsignal YD kann der zweiten Empfindlichkeitskompensation unterworfen werden, nachdem das Digitalsignal der Fehler- oder Vorspannungskompensation unterworfen wurde.

In einer weiteren bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung umfaßt das Verfahren ferner die Schritte des Ermittelns eines Pegels des Ausgangssignals und des Verstärkens des Ausgangssignals mit einem Verstärkungsfaktor, der durch den ermittelten Pegel des Ausgangssignals bestimmt wird. In diesem Fall kann der Schritt des Ermittelns eines Pegels des Ausgangssignals das Bestimmen, ob der Pegel des Ausgangssignals kleiner als ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist oder nicht, umfassen und kann der Schritt des Verstärkens des Ausgangssignals das Verstärken dieses Signals mit einem ersten Verstärkungsfaktor von 1, wenn der Pegel des Ausgangssignals nicht kleiner als der vorbestimmte untere Grenzwert ist, und das Verstärken dieses Ausgangssignals mit einem zweiten Verstärkungsfaktor, der größer als 1 ist, wenn der Pegel des Ausgangssignals kleiner als der vorbestimmte untere Grenzwert ist, einschließen. Der vorbestimmte untere Grenzwert kann gleich 1/N eines Nennpegels des Ausgangssignals sein, und der zweite Verstärkungsfaktor ist gleich N. Diese Anordnung gewährleistet eine hohe Meßgenauigkeit, selbst wenn der Pegel des Ausgangssignals relativ klein ist, d. h. selbst wenn das L/K-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs nahe am stöchiometrischen Punkt ist. Diese Ausgestaltung ist bemerkenswert, weil das L/K- Verhältnis üblicherweise so geregelt wird, daß es zum stöchiometrischen Punkt nahe ist.

Die Aufgabe und weitere Ziele sowie die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Meß- oder Fühlsystems sowie schematisch ein Verfahren zur Kompensation eines Ausgangs eines L/K-Verhältnisfühlers des Meßsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockbild, das eine Art des Verfahrens von Fig. 1 darstellt, wobei ein A/D-Wandler als eine erste Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung verwendet wird,

Fig. 3 ein schematisches Blockbild für ein Kompensationsverfahren eines Ausgangs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Blockbild, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei der Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers kein Spannungssignal wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1-3, sondern ein Stromsignal ist.

In Fig. 1 weist ein L/K-Verhältnisfühler 10 die Form eines Sauerstoffühlers auf, der als ein Teil eines Meß- oder Fühlsystems vorgesehen ist. Der Sauerstoffühler 10 ist ein sog. Doppelzellenfühler, der imstande ist, eine Sauerstoffkonzentration eines von einer Brennkraftmaschine als Ergebnis einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugten Abgases zu ermitteln. Der Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers, der ein L/K-Verhältnis sowie andere Parameter des Luft-Kraftstoff-Gemischs wiedergibt, worauf noch eingegangen werden wird, wird gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung für eine gesteigerte Meßgenauigkeit kompensiert.

Der L/K-Verhältnisfühler 10 der Doppelzellen-Bauart weist wie in der einschlägigen Technik bekannt ist, eine Fühl- oder Meßzelle 12 und eine Pumpzelle 14 auf. Die Meßzelle 12 erzeugt in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration einer Atmosphäre, die in einen Innenraum im Fühler unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingführt wird, eine elektromotorische Kraft Vs, während die Pumpzelle 14 arbeitet, um eine Sauerstoff-Pumpwirkung herbeizuführen, so daß Sauerstoff in den und aus dem Innenraum gepumpt wird. Der Fühler 10 schließt einen Ip-Regler 18 ein, der einen der Pumpzelle 14 zuzuführenden Pumpstrom Ip so regelt, daß die durch die Meßzelle 12 induzierte EMK Vs gleich einem von einem Bezugswert-Einstellelement 16 gelieferten vorbestimmten Bezugswert SV ist. Da der Pumpstrom Ip somit in einer Rückkopplungsweise durch den Ip-Regler 18 geregelt wird, wird ein Analogsignal YA, das dem Pumpstrom Ip entspricht, vom Ip-Regler 18 als das Ausgangssignal des L/K- Verhältnisfühlers erzeugt.

Bei diesem L/K-Verhältnisfühler 10 ist das analoge Ausgangssignal YA ein Spannungssignal, das an einen Spannung-Strom- Wandler (V/I-Wandler) 20 gelegt wird, so daß das Spannungssignal YA in den an die Pumpzelle 14 zu legenden Pumpstrom Ip umgesetzt wird.

Der Ip-Regler 18 ist auch mit einem A/D-Wandler 22 verbunden, so daß das analoge Ausgangssignal YA des Fühlers 10, das sich mit der Sauerstoffkonzentration des Abgases ändert, in ein Digitalsignal YD durch den A/D-Wandler 22 umgeformt wird. Das Digitalsignal YD wird einer Signalverarbeitungseinheit 24 des Meß- oder Fühlsystems zugeführt. Diese Signalverarbeitungseinheit 24 verarbeitet das empfangene digitale Eingangssignal YD, um Ausgangssignale zu liefern, die für die Sauerstoffkonzentrationen +O₂ und -O₂, das L/K-Verhältnis, das Sauerstoff-Überschußverhältnis λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs kennzeichnend sind, und zwar nach bekannten Beziehungen zwischen dem Pegel des Ausgangssignals YA (YD) des Fühlers 10 und den geeigneten Parametern +O₂, -O₂, λ sowie L/K des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit 24 werden einer externen Ausgabevorrichtung 25 zugeführt, die eine Sichtanzeige zur Darstellung der berechneten Parameter einschließt.

Im allgemeinen arbeitet die Signalverarbeitungseinheit so, daß sie zuerst auf der Grundlage des Digitalsignals YD vom A/D-Wandler 22 gemäß den Gleichungen und Formeln (1), (2A), (2B) und (3), die oben angegeben wurden, die Sauerstoffkonzentrationen +O₂ sowie -O₂ berechnet. Wenn der Wert des digitalen Ausgangssignals YD Null oder positiv ist (YD≧0), d. h. wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch ein mageres Kraftstoffgemisch (Mager-Brenngemisch) ist, das ein L/K-Verhältnis hat, welches gleich dem oder größer als der stöchiometrische Punkt ist, wird das Digitalsignal YD durch das O₂- Berechnungsglied 26 verarbeitet, um die Sauerstoffkonzentration (+O₂) nach der folgenden Gleichung (4) zu berechnen:

YD/KO₂ = PO₂ (4)

hierin ist
YD: Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers,
KO₂: O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PO₂: Partialdruck von O₂ im Abgas.

Wenn der Wert des digitalen Ausgangssignals YD negativ ist (YD<0), d. h. wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch ein kraftstoffreiches Gemisch (Fett-Brenngemisch) ist, das ein L/K- Verhältnis kleiner als der stöchiometrische Punkt hat, so wird andererseits das Digitalsignal YD an das -O2- Brechungsglied 28 für eine Berechnung der Sauerstoffkonzentration (-O₂) nach den folgenden Gleichungen (5A) und (5B) gelegt:

YD = KO₂ (KCO · PCO + KH₂ · PH₂) (5A)

PO₂ = - (PCO + PH₂)/2 (5B)

hierin ist
YD: Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers,
KO₂: O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
KCO: CO-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PCO: Partialdruck von CO im Abgas,
KH₂: H₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PH₂: Partialdruck von H₂ im Abgas,
PO₂: Partialdruck von O₂ im Abgas.

Aus den Gleichungen (4) sowie (5A) und (5B) wird klar, daß die Berechnung der Sauerstoffkonzentration (O₂), wenn YD ≧0 ist, relativ einfach ist, während die Berechnung der Sauerstoffkonzentration (-O₂), wenn YD<0 ist, erheblich kompliziert ist. Für die Berechnung der Sauerstoffkonzentration (-O₂) ist es deshalb vorzuziehen, eine Reziprok-Linearisierungsfunktion F^-1( ), die gemäß der folgenden Gleichung (6) aus einer Linearisierungsfunktion F( ) in Form einer Annäherungskurve oder einer mehrdimensionalen Polynomfunktion erhalten wird, welche eine Beziehung zwischen dem Pegel des Digitalsignals YD und dem Partial-Sauerstoffdruck P(-O₂) wiedergibt, welcher dem Wasserstoff/Kohlenstoff- Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs entspricht, zu verwenden:

YD/KO₂ = KCO · PCO + KH₂ · PH₂ = F(P(-O₂)) (6)

hieraus folgt:

F^-1(YD/KO₂) = P(-O₂)

hierin ist
YD: Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers,
KO₂: O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
KCO: CO-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PCO: Partialdruck von CO im Abgas,
KH₂: H₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert,
PH₂: Partialdruck von H₂ im Abgas,
P(-O₂): Partialdruck von -O₂ im Abgas,
F( ): Linearisierungsfunktion,
F^-1( ): Reziprok-Linearisierungsfunktion.

Zur Berechnung des Sauerstoff-Überschußverhältnisses λ des Luft-Kraftstoff-Gemischs werden die Ausgänge der Berechnungsglieder 26 und 28, die die Sauerstoffkonzentrationswerte O₂ und -O₂ darstellen, durch ein Magerverbrennung- λ-Berechnungsglied 30 bzw. ein Fettverbrennung- λ-Berechnungsglied 32 berechnet. Ferner werden die Ausgänge des Mager- sowie Fettverbrennungs-λ-Berechnungsglieds 30 und 32 durch ein L/K-Verhältnis-Berechnungsglied 34 verwendet, um das L/K-Verhältnis L/K des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu berechnen. Diese Berechnungen werden gemäß bekannten Gleichungen ausgeführt, und die berechneten Parameter O₂, -O₂, λ sowie L/K werden selektiv oder gleichzeitig an der Sichtanzeige der externen Ausgabevorrichtung 25 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem ist die erste Empfindlichkeit- Kompensationseinrichtung 36 mit dem A/D-Wandler 22 verbunden, so daß das diesem Wandler 22 zugeführte Ausgangssignal YA des Fühlers 10 durch die erste Empfindlichkeit- Kompensationseinrichtung 36 kompensiert wird, wodurch das der Signalverarbeitungseinheit 24 zugeführte Digitalsignal YD entsprechend kompensiert wird. Diese erste Empfindlichkeitskompensation des Ausgangssignals YA des Fühlers 10 durch die erste Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36 wird bewirkt, um den Meßfühler des Fühlers 10, d. h. Fehler der Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit 24, die aus einer Änderung im Empfindlichkeitsbeiwert KO₂ des Pumpstroms Ip der individuellen Fühler 10 zur O₂-Konzentration des Abgases entstehen, zu minimieren. Der Empfindlichkeitsbeiwert KO₂ wird in der Gleichung (4) zur Berechnung des Sauerstoff-Partialdrucks des Abgases verwendet. Die Änderung im Beiwert KO₂, die aus Fertigungsfehlern der Fühler entspringt, bewirkt eine Änderung im Bereich, in welchem sich die Pegel der Ausgangssignale YA der einzelnen Fühler 10 im Betrieb verändern.

Im einzelnen wird die erste Empfindlichkeitskompensation durch die erste Kompensationseinrichtung 36 erreicht, indem der Eingangsspannungsbereich FSR des A/D-Wandlers 22 in Abhängigkeit von dem O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert KO₂ eines jeden spezifischen Fühlers 10 festgesetzt wird. Zuerst werden die Ausgangssignalpegel der Signalverarbeitungseinheit 24 tatsächlich ermittelt, während der Fühler 10 dem Eichgas ausgesetzt wird, das eine bekannte Zusammensetzung hat, die YD≧0 erfüllt. Ferner werden die theoretischen Ausgangssignalpegel der Signalverarbeitungseinheit 24 auf der Grundlage der bekannten Zusammensetzung des Eichgases berechnet. Der Eingangsspannungsbereich SFR des A/D-Wandlers 22 wird so justiert, daß die tatsächlich ermittelten Ausgangssignalpegel der Signalverarbeitungseinheit 24 mit den berechneten theoretischen Pegeln übereinstimmen.

Als Ergebnis der ersten Empfindlichkeitskompensation durch geeignetes Justieren des Eingangsspannungsbereich FSR des A/D-Wandlers 22 wird das analoge Ausgangssignal YA durch 1/K verstärkt, wie durch die folgende Gleichung (7) angegeben ist, und zwar vor einer Umwandlung des Signals YA in das Digitalsignal YD, wobei der Bereich FSR gleich 1/KA eines Nominal- oder Bezugswerts für den Fühler ist, welcher die gewünschten oder Soll-Ausgangskennwerte zeigt. Der Wert KA wird als ein erster Empfindlichkeits-Kompensationsbeiwert bezeichnet.

YD = YA/KA (7)

Auf diese Weise wird das an die Signalverarbeitungseinheit 24 gelegte Ausgangssignal YD kompensiert, so daß die tatsächlich ermittelten Ausgangspegel der Signalverarbeitungseinheit 24 mit den theoretischen oder nominellen Pegeln übereinstimmen, wenn YD≧0 ist.

Der erste Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA, der für die erste Empfindlichkeitskompensation durch die erste Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36 verwendet wird, entspricht der Änderung im Stromempfindlichkeitsbeiwert KO₂ der einzelnen Fühler 10, der mit der O₂-Konzentration des Abgases verknüpft ist. Der Beiwert KA wirkt dahingehend, die Änderung in den Ausgangspegeln der einzelnen Fühler 10, die auf der Änderung im Beiwert KO₂ beruht, wenn YD≧0 ist, zu eliminieren.

Es dürfte klar sein, daß der Eingangsspannungsbereich SFR des A/D-Wandlers 22 durch die erste Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung justiert wird, und zwar in Abhängigkeit von dem O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert KO₂ des speziellen Fühlers 10, d. h. in Abhängigkeit von den maximalen und minimalen Pegeln des Ausgangssignals YA des Fühlers 10. Deshalb wird, selbst wenn der Pegel des Ausgangssignals YA des speziellen Fühlers 10 niedriger als der Soll- oder Nennwert ist, der Quantisierungsfehler bei einer Umwandlung des analogen Eingangssignals YA in das digitale Ausgangssignal YD durch den A/D-Wandler 22 einen wirksam verminderten Einfluß auf die Ausgangssignale (+O₂, -O₂, λ und L/K) der Signalverarbeitungseinheit 24 haben.

Nimmt man an, daß die Pegel der Ausgangssignale YA der beiden Fühler 10, die als Fühler α und β bezeichnet werden, jeweils z. B. 10 V bzw. 2 V sind, so wird, wenn diese Fühler demselben Eichgas (das die Zusammensetzung für YD≧0 hat) ausgesetzt werden, der Eingangsspannungsbereich FSR des A/D-Wandlers 22 des Fühlers β auf 1/5 von demjenigen des Fühlers α festgesetzt, wobei der erste Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwert KA für den Fühler α mit "5" (KA=5) bestimmt wird. Als Ergebnis dieser ersten Empfindlichkeitskompensation durch die Kompensationseinrichtung 36 werden die Pegel der von den A/D-Wandlern 22 der beiden Fühler α und β erhaltenen Digitalsignale YD im wesentlichen gleich, und aufgrund des Unterschiedes im O₂-Konzentration- Stoßempfindlichkeitsbeiwert KO₂ der beiden Fühler α und β sind die Digitalsignale YD der beiden Fühler im wesentlichen frei von Fehlern, so daß die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit 24, die von diesen Signalen YD der beiden Fühler erhalten werden, im wesentlichen dieselben (und ausreichend kleinen) Fehlerwerte aufgrund des Quantisierungsfehlers der A/D-Wandler 22 enthalten.

Die erste Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36 kann ein Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) 38 sein, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wobei die von der Berechnungseinheit 24 erzeugten Ausgangssignale digitale Signale sind wie bei der Anordnung, die in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall befaßt sich der D/A-Wandler 38 mit derselben Anzahl (n) von Bits (Binärziffern) wie der A/D-Wandler 22. Wenn angenommen wird, daß ein digitales Ausgangssignal SD von der Signalverarbeitungseinheit 24 erhalten wird, wird auf der Grundlage des Digitalsignals SD ein Eingangssignalbereich FSR₀ des D/A-Wandlers 38 geändert, um einen Eingangsspannungsbereich FSR₁ des A/D-Wandlers 22 zu ändern, und zwar nach der folgenden Gleichung (8):

FSR₁ = (SD · FSR₀)/(2ⁿ - 1) (8)

hierin ist
FSR₁: FSR des A/D-Wandlers 22,
FSR₀: FSR des D/A-Wandlers 38,
SD: gemessenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
n: Anzahl der Bits.

In diesem Fall ist SD/(2ⁿ-1) der oben angegebene erste Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA.

Das digitale Ausgangssignal YD des A/D-Wandlers 22, das durch den ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA mittels der ersten Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36 kompensiert worden ist, wird ferner durch die Vorspannung- oder Fehler-Kompensationseinrichtung 40, die zwischen den A/D-Wandler 22 und die Signalverarbeitungseinheit 24 eingesetzt ist, kompensiert. Das bedeutet, daß die Fertigungsfehler des speziellen Fühlers 10 nicht nur die Änderung im O₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwert KO₂ bewirken, was oben besprochen wurde, sondern auch einen Vorspannungsfehler des digitalen Signals YD hervorrufen, der eine Abweichung des Pegels des Signals YD vom theoretischen oder nominellen Wert ist, wenn das Sauerstoff- Überschußverhältnis λ=1 ist. Die Vorspannung-Kompensationseinrichtung 40 kompensiert das Signal YD für diesen Vorspannungsfehler.

Der Pegel des Ausgangssignals der Signalverarbeitungseinheit 24 wird tatsächlich ermittelt, wenn der Fühler 10 dem Eichgas ausgesetzt wird, dessen Kompensation dem stöchiometrischen Punkt (λ=1) des Luft-Kraftstoff-Gemischs entspricht. Ein Vorspannung-Kompensationswert YO, der von der Vorspannung-Kompensationseinrichtung 40 zur Kompensation des digitalen Werts YD verwendet wird, wird so bestimmt, daß der tatsächlich ermittelte Ausgangssignalpegel der Signalverarbeitungseinheit 24 mit dem theoretischen Wert übereinstimmt. Das bedeutet, daß das durch den ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA, der in der obigen Gleichung (7) verwendet wird, kompensierte Digitalsignal YD des weiteren durch die Vorspannung-Kompensationseinrichtung 40 kompensiert wird, wie durch die folgende Gleichung (9), die ferner den Vorspannung-Kompensationswert YO enthält, angegeben ist:

YD = (YA - YO)/KA (9)

Somit wird der ansonsten im Digitalsignal YD enthaltene Vorspannungsfehler eliminiert oder minimiert, so daß der dem stöchiometrischen Sauerstoff-Überschußverhältnis λ=1 entsprechende Pegel des Signals YD mit dem theoretischen Pegel übereinstimmt.

Das auf diese Weise der ersten Empfindlichkeitskompensation und der Vorspannungsfehlerkompensation durch die Kompensationseinrichtungen 36 und 40 unterworfene Digitalsignal YD wird der Signalverarbeitungseinheit 24 zugeführt. Wenn der Wert des Signals YD Null oder positiv ist (falls das Luft-Kraftstoff-Gemisch ein Mager-Brenngemisch ist), wird das Signal YD durch das O₂-Berechnungsglied 26 verarbeitet. Ist der Wert des Signals YD negativ (wenn das Luft-Kraftstoff- Gemisch ein Fett-Brenngemisch ist), so wird das Signal YD durch das -O₂-Berechnungsglied 28 verarbeitet. Die Signalverarbeitungseinheit 24 enthält eine zweite Empfindlichkeit- Kompensationseinrichtung 42, um eine zweite Empfindlichkeitskompensation des Signals YD zu bewirken, was erläutert werden wird.

Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das ein durch den Fühler 10 zu ermittelndes Abgas erzeugt, ein fettes Gemisch oder ein Fett-Brenngemisch ist, das ein L/K-Verhältnis kleiner als der stöchiomerische Punkt (14,6) hat, wird der Ausgang des Fühlers durch die Beiwerte KH₂ und KCO₂ der Empfindlichkeit des Pumpstroms Ip zu den Konzentrationen der H₂- und CO₂-Komponenten beeinflußt. Diese Stromempfindlichkeitsbeiwerte KH₂ und KCO₂ unterscheiden sich von denjenigen des einen Fühlers gegenüber denjenigen eines anderen Fühlers, was auf die Fertigungsfehler der einzelnen Fühler zurückzuführen ist. Die zweite Empfindlichkeitskompensation durch die zweite Empfindlichkeit- Kompensationseinrichtung 42 wird bewirkt, um den Fehler des Fühlerausgangs zu minimieren, der auf der Änderung oder dem Unterschied in den Stromempfindlichkeitsbeiwerten KH₂ und KCO₂, welche mit den H₂- und CO₂-Konzentrationen des Abgases verknüpft sind, beruht.

Um die zweite Empfindlichkeitskompensation auszuführen, werden die Pegel der Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit 24 erfaßt, wenn der in Rede stehende Fühler dem Eichgas ausgesetzt wird, dessen H₂- und CO₂-Konzentrationen bekannt sind. Ein zweiter Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KM wird so bestimmt, daß die ermittelten Ausgangspegel mit den dem Eichgas entsprechenden theoretischen oder nominellen Pegeln übereinstimmen. Das bedeutet, daß der zweite Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KM auf der Grundlage eines Verhältnisses der ermittelten Ausgangspegel zu den theoretischen Pegeln, welche auf der Grundlage der H₂- und CO₂-Konzentrationen des Eichgases berechnet werden, bestimmt wird. Das Digitalsignal YD, welches durch den ersten Kompensationsbeiwert KA sowie den Vorspannung-Kompensationswert YD kompensiert worden ist, welche Werte in der obigen Gleichung (9) enthalten sind, wird des weiteren durch die zweite Empfindlichkeit- Kompensationseinrichtung 42 kompensiert, wie durch die folgende Gleichung (10), die ferner den zweiten Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwert KM enthält, angegeben ist:

YD = (YA - YO)/(KA · KM) (10)

Der für die zweite Empfindlichkeitskompensation durch die zweite Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 42 verwendete Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KM entspricht den Änderungen in den Stromempfindlichkeitsbeiwerten KH₂ und KCO₂ der einzelnen Fühler 10, die mit den H₂- und CO₂-Konzentrationen des Abgases verknüpft sind. Der Beiwert KM wirkt dahin, die Änderung in den Ausgangspegeln der einzelnen Fühler 10, die auf der Änderung in den Beiwerten KH₂ sowie KCO₂ beruhen, wenn YD≧0 ist, zu eliminieren.

Gemäß der oben beschriebenen zweiten Empfindlichkeitskompensation wird das digitale Ausgangssignal YD des Fühlers 10 durch den zweiten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KM kompensiert, welcher auf der Grundlage des tatsächlich ermittelten Ausgangs der Signalverarbeitungseinheit 24 erhalten wird, um so die Änderungen in den Stromempfindlichkeitsbeiwerten KH₂ und KCO₂ des speziellen Fühlers 10 von den Nenn- oder Sollwerten zu eliminieren. Diese zweite Empfindlichkeitskompensation gewährleistet eine leichtere, wirksamere und genauere Kompensation des Fühlerausgangs für die KH₂- und KCO₂-Änderungen als diejenige Kompensation, die eine für eine kompensierende Kurve oder ein kompensierendes Schema gespeicherte Datentafel verwendet.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Ausgangssignal YA des Fühlers 10 der ersten Empfindlichkeitskompensation unter Verwendung des ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwerts KA, der Vorspannungsfehlerkompensation unter Verwendung des Vorspannungs-Kompensationswerts YO und der zweiten Empfindlichkeitskompensation unter Verwendung des zweiten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwerts KM unterworfen. Als Ergebnis dessen wird der Sauerstoff-Partialdruck PO₂ des durch ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugten Abgases, der ansonsten nach der Gleichung (4) berechnet wird, durch das O₂-Berechnungsglied 26 nach der folgenden Gleichung (11) berechnet, während der Sauerstoff-Partialdruck P(-O₂) des durch ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugten Abgases, der ansonsten nach der Gleichung (6) berechnet wird, durch das -O₂-Berechnungsglied 32 nach der folgenden Gleichung (12) berechnet wird:

(YD - YO)/KA = PO₂ (11)

hierin ist
YD: Ausgang des Luft/Kraftstoff-Verhältnisfühlers,
YO: Vorspannung-Kompensationswert,
KA: erster Empfindlichkeitsbeiwert,
PO₂: Partialdruck von O₂ im Abgas,

F^-1[(YD - YO)/(KA · KM)] = P(-O₂) (12)

hierin ist
YD: Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers,
YO: Vorspannung-Kompensationswert,
KA: erster Empfindlichkeitsbeiwert,
KM: zweiter Empfindlichkeitsbeiwert,
F^-1( ): Reziprok-Linearisierungsfunktion,
P(-O₂): Partialdruck von -O₂ im Abgas.

Es dürfte klar sein, daß die durch das O₂-Berechnungsglied 26 verwendete Gleichung (11) den ersten Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwert KA sowie den Vorspannung-Kompensationswert YO enthält, während die vom -O₂-Berechnungsglied 32 verwendete Gleichung (12) den ersten sowie zweiten Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwert KA sowie KM und den Vorspannung- Kompensationswert YO einschließt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder System zur Kompensation des Ausgangs des L/K-Verhältnisfühlers werden die Ausgänge der einzelnen Fühler 10 wirksam und in geeigneter Weise für die Änderungen in den Empfindlichkeitsbeiwerten KO₂, KH₂ und KCO₂ der Fühler 10, welche mit den Konzentrationen von O₂, H₂ und CO₂ des Abgases verknüpft sind, und für die Änderung des Vorspannungsfehlers, d. h. die Änderung im Ausgangspegel, wenn das Luft-Kraftstoff- Gemisch das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K=14,6) oder Sauerstoff-Überschußverhältnis (λ=1) hat, kompensiert. Die erste Empfindlichkeitskompensation, die den Beiwert KA zur Justierung des Eingangsspannungsbereichs FSR des A/D-Wandlers 22 verwendet, gewährleistet einen minimalen Ausgangsfehler eines jeden Fühlers 10, der auf dem Quantisierungsfehler bei einer Umwandlung des Analogsignals YA in das Digitalsignal YD durch den A/D-Wandler 22 beruht.

Unter Bezugnahme auf das Blockbild der Fig. 3 wird eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben, wobei dieselben Bezugszahlen wie in der Fig. 1 zur Kennzeichnung von funktionell einander entsprechenden Elementen verwendet werden, die insofern nicht nochmals erläutert werden.

Bei der zweiten Ausführungsform werden zusätzlich zu den für die erste Ausführungsform von Fig. 1 vorgesehenen Elementen ein 1/N-Pegeldetektor 46 und ein selektiver Verstärker 44 verwendet. Der 1/N-Pegeldetektor 46 arbeitet, um zu bestimmen, ob der Pegel des analogen Ausgangssignals YA des Fühlers 10 geringer als ein vorbestimmter unterer Grenzwert von 1/N des Nenn- oder Sollwerts, z. B. 1/5 des Nennwerts (Pegel des Signals YA des nominellen Fühlers 10) ist. Das für diese Bestimmung kennzeichnende Ausgangssignal des 1/N-Pegeldetektors 46 wird an den selektiven Verstärker 44 gelegt, der das analoge Ausgangssignal YA durch den N-fachen Wert verstärkt, wenn der Pegel des Analogsignals YA geringer ist als 1/N des nominellen Werts. Das bedeutet, daß ein Verstärkungsfaktor G des selektiven Verstärkers 44 gleich 1 ist, wenn der ermittelte Pegel des Ausgangssignals YA nicht kleiner als 1/N des nominellen Werts ist, und der Faktor G ist gleich N, wenn der ermittelte Ausgangspegel kleiner ist als 1/N des nominellen Werts.

Wenn beispielsweise der 1/N-Pegeldetektor 46 bestimmt, daß das Ausgangssignal YA des Fühlers 10 kleiner als 1/5 des nominellen Werts ist, arbeitet der selektive Verstärker 44, um das Signal AY fünfmal zu verstärken, oder es wird der Verstärkungsfaktor G des Verstärkers 44 mit 5 festgesetzt, wenn das Ausgangssignal vom Detektor 46 angibt, daß das Signal YA kleiner als 1/5 des nominellen Werts ist.

Das Ausgangssignal des 1/N-Pegeldetektors 46 wird auch der Vorspannung-Kompensationseinrichtung 40 und dem O₂- sowie -O₂-Berechnungsglied 26, 28 zugeführt.

Wenn das Ausgangssignal vom Detektor 46 angibt, daß der Ausgang YA kleiner ist als 1/N des nominellen Werts, so modifiziert die Vorspannung-Kompensationseinrichtung 40 den Vorspannungs-Kompensationswert YO gemäß dem Verstärkungsfaktor G des selektiven Verstärkers 44 zu YO′, wie durch die folgenden Gleichungen (13A) und (13B) angegeben ist:

YD = (YA - YO′)/KA (13A)

YO′ = YO · G (13B)

Da der Vorspannungsfehler des digitalen Ausgangssignals YD des A/D-Wandlers 22 größer wird, wenn der selektive Verstärker 44 mit dem Verstärkungsfaktor G arbeitet, sollte der Vorspannung-Kompensationswert YO entsprechend dem Verstärkungsfaktor G vergrößert werden, wie durch die Gleichung (13B) angegeben ist.

Ferner wird der Pegel des Digitalsignals YD (genauer YD -YO′), das an das O₂- und -O₂-Berechnungsglied 26 und 28 gelegt wird, wenn der selektive Verstärker 44 mit dem Verstärkungsfaktor G arbeitet, durch den Verstärkungsfaktor G dividiert, wie durch die folgenden Gleichungen (14) und (15) angegeben ist, um den Einfluß der Verstärkung des Signals YA durch den selektiven Verstärker 44 zu eliminieren.

(YD - YO′)/(KA · G) = PO₂ (14)

hierin ist
YD: Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers,
YO′: Vorspannung-Kompensationswert,
G: Verstärkungsfaktor des selektiven Verstärkers,
KA: erster Empfindlichkeitsbeiwert,
PO₂: Partialdruck von O₂ im Abgas.

F^-1(YD - YO′)/(KA · KM · G) = P(-O₂) (15)

hierin ist
YD: Ausgang des L/K-Verhältnisfühlers,
YO′: Vorspannung-Kompensationswert,
G: Verstärkungsfaktor des selektiven Verstärkers,
KA: erster Empfindlichkeitsbeiwert,
KM: zweiter Empfindlichkeitsbeiwert,
F^-1( ): Reziprok-Linearisierungsfunktion,
P(-O₂): Partialdruck von -O₂ im Abgas.

Bei dieser zweiten Ausführungsform wird das digitale Ausgangssignal YA durch den selektiven Verstärker 44 verstärkt, bevor es an den A/D-Wandler 22 gelegt wird, wenn der Pegel des Signals YA kleiner ist als ein vorbestimmter unterer Grenzwert, d. h. wenn das L/K-Verhältnis des Luft-Kraftstoff- Gemischs relativ nahe am stöchiometrischen Punkt liegt. Folglich wird, selbst wenn der Pegel des Ausgangssignals YA relativ niedrig ist, der Einfluß des Quantisierungsfehlers auf das digitale Ausgangssignal YD des A/D- Wandlers 22 wirksam minimiert, wodurch eine gesteigerte Meßgenauigkeit des Fühlers 10 gewährleistet wird.

Die Verwendung des 1/N-Pegeldetektors 46 und des selektiven Verstärkers 44 ist für eine verbesserte Meßstabilität und -genauigkeit wirksam, und zwar vor allem weil das dem Fahrzeugmotor zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch im allgemeinen so geregelt wird, daß das Gemisch ein L/K-Verhältnis gleich dem oder nahe dem stöchiometrischen Punkt hat. Das heißt mit anderen Worten, daß der Fühler 10 in geeigneter Weise verwendet werden kann, um das L/K-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf einem gewünschten Wert nahe dem stöchiometrischen Punkt zu halten.

Wenngleich die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf ihre gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen, jedoch lediglich zu Erläuterungszwecken beschreiben wurde, so sollte klar sein, daß die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.

Bei der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 werden die erste Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36, die Vorspannung-Kompensationseinrichtung 40 sowie die zweite Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 42 verwendet, während die zweite Ausführungsform von Fig. 3 eine andere Kompensationseinrichtung in Form des selektiven Verstärkers 44 zusätzlich zu den drei Kompensationseinrichtungen 36, 40 und 42 verwendet. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung erfordert jedoch nicht die Verwendung von drei oder von allen diesen vier Kompensatonseinrichtungen 36, 40, 42 und 44 in Kombinaton miteinander, sondern läßt die Verwendung von irgendeiner dieser Kompensationseinrichtungen, z. B. der ersten Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36 allein, zu.

Bei den erläuterten Ausführungsformen werden der erste Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA, der dem mit der O₂-Konzentration des Abgases verknüpften Stromempfindlichkeitsbeiwert KO₂ entspricht, und der zweite Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwert KM, der den mit den H₂- und CO₂-Konzentrationen des Abgases verknüpften Stromempfindlichkeitsbeiwerten KH₂ sowie KCO₂ entspricht, gemäß der obigen Erläuterung auf der Grundlage der Ausgänge der Signalverarbeitungseinheit 24, welche tatsächlich ermittelt werden, wenn der Fühler 10 dem Eichgas ausgesetzt wird, dessen O₂-Konzentration oder H₂- und CO₂-Konzentrationen bekannt ist bzw. sind, bestimmt. Jedoch können diese Empfindlichkeit- Kompensationsbeiwerte KA und KM auf der Grundlage der O₂-, H₂- und CO₂-Konzentration-Stromempfindlichkeitsbeiwerte KO₂, KH₂ sowie KCO₂ eines jeden spezifischen Fühlers 10, die tatsächlich gemessen werden, bevor der Fühler 10 in das Meß- oder Fühlsystem eingegliedert wird, bestimmt werden. Die bestimmten Beiwerte KA und KM werden in das Meßsystem eingegeben, so daß diese Beiwerte von der ersten und zweiten Empfindlichkeit-Kompensationseinrichtung 36 und 42 verwendet werden.

Wenngleich die dargestellten Ausführungsformen nach den Fig. 1-3 derart eingerichtet sind, daß das vom A/D-Wandler 22 erzeugte Digitalsignal YD der Vorspannungskompensation durch die Vorspannung- oder Fehler-Kompensationseinrichtung 40 unterworfen wird, so kann die Vorspannungskompensation mit Bezug auf das Digitalsignal YA durchgeführt werden, bevor das Signal YA an den A/D-Wandler 22 gelegt wird.

Der Fühler 10 bei den in Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsformen erzeugt ein analoges Ausgangssignal als das Spannungssignal YA, welches der Ausgang des Ip-Reglers 18 ist. Wenn der Ip-Regler 18 die Pumpzelle 14 durch unmittelbares Anlegen eines Stromsignals Ip an die Zelle 14 regelt, so kann dieses Stromsignal Ip als das Ausgangssignal des Fühlers 10 verwendet werden. In diesem Fall wird das Stromsignal Ip, wie in Fig. 4 gezeigt ist, an einen Strom-Spannung- Wandler (I/V-Wandler) 48 gelegt. Dieser I/V-Wandler 48 setzt das empfangene Stromsignal Ip in ein Spannungssignal YA um, das dann an den A/D-Wandler 22 gelegt wird. Das Spannungssignal YD wird in derselben Weise wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1-3 verarbeitet.

Bei der Ausführungsform von Fig. 3 hat der selektive Verstärker 44 zwei Stellungen, nämlich eine erste Stellung, in welcher das empfangene Signal YA nicht verstärkt wird (Verstärkungsfaktor = 1), und eine zweite Stellung, in welcher das empfangene Signal YA mit dem Verstärkungsfaktor G=N verstärkt wird. Diese zwei Stellungen werden in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des 1/N-Pegeldetektors 46 gewählt. Jedoch kann der selektive Verstärker 44 durch einen variablen Verstärker ersetzt werden, dessen Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit vom Pegel des Eingangssignals Ya in drei oder mehr Stufen veränderbar ist.

Das den Fühler 10 einschließende Meßsystem, das vorstehend beschrieben wurde, kann zur Ermittlung des L/K-Verhältnisses oder anderer Parameter eines Luft-Kraftstoff-Gemischs für einen Fahrzeugmotor, welches Gemisch Alkohol enthält, verwendet werden. In diesem Fall ändert sich das Wasserstoff/ Kohlenstoff-Verhältnis des Kraftstoffs mit den Verhältnissen H/C und O/C des Benzins sowie Alkohols und des Benzin/Alkohol-Verhältnisses des Kraftstoffs, weshalb das -O₂-Berechnungsglied 28 bevorzugterweise so ausgestaltet wird, daß es in Abhängigkeit vom Wasserstoff/Kohlenstoff- Verhältnis des Kraftstoffs arbeitet, welches durch geeignete Einrichtungen zur Ermittlung der Alkoholkonzentration des Kraftstoffs festgestellt wird.

Es sollte klar sein, daß das Verfahren zur Kompensation eines Fühlerausgangs in weitem Umfang zur Messung oder Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen oder verschiedenen Industrieöfen zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemischs verwendet werden kann.

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Kompensation eines Ausgangssignals YA eines Fühlers 10, der einem aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugten Abgas ausgesetzt wird. Der Fühler umfaßt eine elektrochemische Meßzelle 12, die eine einem Sauerstoff-Partialdruck in einem Innenraum, in welchen das Abgas mit einem vorbestimmten Widerstand diffundiert, entsprechende elektromotorische Kraft Vs erzeugt, und eine Sauerstoff-Pumpzelle 14, an welche ein Pumpstrom Ip gelegt wird, um den Sauerstoff-Partialdruck in dem Innenraum so zu regeln, daß die elektromotorische Kraft auf einem konstanten Wert gehalten wird. Das Ausgangssignal entspricht dem Pumpstrom. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Umwandeln des analogen Ausgangssignals YA in ein digitales Signal YD durch einen A/D-Wandler 22 und Unterwerfen des Analogsignals unter eine erste Empfindlichkeitskompensation, indem ein Eingangssignalbereich FSR des A/D-Wandlers gemäß einem ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert KA, welcher einem Empfindlichkeitsbeiwert KO₂ des Pumpstroms des Fühlers zu der O₂-Konzentration des Abgases entspricht, justiert wird.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation eines Ausgangssignals (YA) eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisfühlers (10), der einem als Ergebnis einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff- Gemischs erzeugten Abgas ausgesetzt ist, einen Innenraum besitzt, in welchen das Abgas unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeführt wird, sowie eine erste und eine zweite elektrochemische Zelle (12, 14) aufweist, von denen jede wenigstens einen für Sauerstoffionen leitfähigen Festelektrolytkörper und wenigstens ein Paar von Elektroden umfaßt, wobei die erste elektrochemische Zelle (12) als eine Sauerstoffkonzentration-Meßzelle arbeitet, um eine elektromotorische Kraft (Vs) zu erzeugen, die einem Sauerstoff-Partialdruck in dem Inneraum entspricht, die zweite elektrochemische Zelle (14) eine Sauerstoff-Pumpwirkung mit einem an diese angelegten Pumpstrom (Ip) herbeiführt, um den Sauerstoff- Partialdruck in dem Innenraum so zu regeln, daß die elektromotorische Kraft im wesentlichen auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird, und das Ausgangssignal dem Pumpstrom entspricht sowie einen Parameter des Luft-Kraftstoff-Gemischs darstellt, gekennzeichnet durch die Schritte:

- des Umwandelns des in Form eines Analogsignals (YA) vorliegenden Ausgangssignals in ein Digitalsignal (YD) durch einen Analog-Digital-Wandler (22) und
- des Unterwerfens des Analogsignals einer ersten Empfindlichkeitskompensation, um dadurch das Digitalsignal zu kompensiren, indem ein Eingangssignalbereich (FSR) des Analog-Digital-Wandlers entsprechend einem ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert (KA), welcher einem Empfindlichkeitsbeiwert (KO₂) des Pumpstroms (Ip) des Fühlers zu einer O₂-Konzentration des Abgases entspricht, justiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Unterwerfens des durch den ersten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert (KA) kompensierten Digitalsignals unter eine Vorspannungskompensation mit einem Wert (YO), der einem Unterschied zwischen einem tatsächlichen Ausgang und einem theoretischen Ausgang des Fühlers gleich ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch des Fühlers ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff- Verhältnis hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Unterwerfens des Digitalsignals (YD) unter eine zweite Empfindlichkeitskompensation durch einen zweiten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwert (KM), der den Empfindlichkeitsbeiwerten (KH₂, KCO₂) des Pumpstroms (Ip) des Fühlers zu H₂- und CO₂-Konzentrationen des Abgases entspricht, wenn das Digitalsignal angibt, daß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff- Gemischs kleiner als ein stöchiometrischer Punkt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Unterwerfens des Digitalsignals (YD) unter eine zweite Empfindlichkeitskompensation umfaßt:

- Einführen eines Eichgases, dessen H₂- und CO₂-Konzentrationen bekannt sind, in den Innenraum des Fühlers (10),
- Ermitteln eines aktuellen Pegels des Digitalsignals (VD), während der Fühler dem Eichgas ausgesetzt ist, und
- Bestimmen des zweiten Empfindlichkeit-Kompensationsbeiwerts (KM) auf der Grundlage eines Verhältnisses des aktuellen Pegels zu einem theoretischen Pegel, der auf den H₂- und CO₂-Konzentrationen des Eichgases basierend berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Digitalsignal (YD) der zweiten Empfindlichkeitskompensation unterworfen wird, nachdem das Digitalsignal der Vorspannungskompensation unterworfen wurde.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte des Ermittelns eines Pegels des Ausgangssignals und des Verstärkens des Ausgangssignals mit einem Verstärkungsfaktor, der durch den ermittelten Pegel des Ausgangssignals bestimmt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Ermittelns eines Pegels des Ausgangssignals das Bestimmen, ob der Pegel des Ausgangssignals kleiner als ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist oder nicht, umfaßt und daß der Schritt des Verstärkens des Ausgangssignals das Verstärken des Ausgangssignals mit einem ersten Verstärkungsfaktor von 1, wenn der Pegel des Ausgangssignals nicht kleiner als der vorbestimmte untere Grenzwert ist, und das Verstärken des Ausgangssignals mit einem zweiten Verstärkungsfaktor, der größer als 1 ist, wenn der Pegel des Ausgangssignals kleiner als der vorbestimmte untere Grenzwert ist, einschließt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte untere Grenzwert gleich 1/N des Soll- Pegels des Ausgangssignals und der zweite Verstärkungsfaktor gleich N ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal (VA) mit dem Verstärkungsfaktor verstärkt wird, bevor das Analogsignal an den Analog-Digital-Wandler (22) gelegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (10) durch den Analog- Digital-Wandler mit einer Signalverarbeitungseinheit (24) verbunden ist, die das wenigstens der ersten Empfindlichkeitskompensation unterworfene Digitalsignal verarbeitet und Einrichtungen (34) zur Berechnung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (L/K) des Luft-Kraftstoff- Gemischs als den erwähnten Parameter enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit ferner Glieder (30, 32) zur Berechnung eines Sauerstoff-Überschußverhältnisses (λ) des Luft-Kraftstoff-Gemischs als den Parameter enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit ferner Glieder (26, 28) zur Berechnung einer Sauerstoffkonzentration (O₂, -O₂) des Abgases enthält.