DE4317942C2 - Anordnung und Verfahren zur Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Anordnung und Verfahren zur Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses für Verbrennungskraftmaschinen

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfas­ sen des Verbrennungsluftverhältnisses durch Verwenden eines Verbren­ nungsluft-Sensors mit Diffusionsunterdrückung, der anwendbar ist für eine Verbrennungsluft-Steuereinheit für eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren dafür, und bezieht sich insbesondere auf eine Anordnung zur Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses durch Verwenden eines Verbrennungsluft-Sensors mit Diffusionsunterdrückung, der anwendbar ist für eine Verbrennungsluft-Steuereinheit für eine Verbrennungskraftmaschi­ ne mit elektronischer Brennstoffeinspritzung, für ein Motorfahrzeug sowie das Verfahren dafür.
Die Ausgangskennlinien eines Verbrennungsluft-Sensors mit Diffusions­ unterdrückung variieren während eines Langzeiteinsatzes wegen des Verstopfens von dessen porösem Abschnitt der Gasdiffusionsunterdrückung durch Anlagerung von Abgasbestandteilen und Erzeugung eines Risses darin infolge von durch Verbrennungsgas verursachten Temperaturschock. Des weiteren variieren die Ausgangskennlinien eines Luftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung in Abhängigkeit vom Atmosphärendruck, was Fehler im erfaßten Verbrennungsluftverhältnis in solch einer Art ver­ ursacht, daß ein für das Motorfahrzeug eingestelltes Verbrennungsluft­ verhältnis sich in Richtung einer Magerseite verschiebt, wodurch das Antriebsverhalten des Motorfahrzeuges verschlechtert wird.
JP-A-62-79344 (1987), die der US-PS Nr. 4,676,213 entspricht, offenbart eine Kalibrierung einer Änderung der Ausgangskennlinien eines Ver­ brennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung infolge einer sekulären Änderung der Diffusionsschicht, wobei dessen maximale Aus­ gaben aufgenommen und durch die letzte Ausgabe erneuert wird, und die Ausgabekennlinie des Sensors jedesmal kalibriert wird, wenn die maximale Ausgabe mit der erneuerten maximalen Ausgabe erneuert wird, um so eine sekuläre Änderung der Diffusionsschicht auszugleichen.
JP-A-62-267544 (1987) offenbart auch eine Kalibrierung einer Änderung einer Ausgangskennlinie eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung infolge einer sekulären Änderung der Diffusions­ schicht, wobei Erfassungssignale bei einem vorbestimmten Verbrennungs­ luftverhältnis anders als beim stöchiometrischen Verbrennungsverhältnis abgelesen und mit dem Wert des Anfangserfassungssignals verglichen werden, um die Sensorausgangskennlinie zu kalibrieren, um so eine sekuläre Änderung der Diffusionsschicht auszugleichen.
JP-A-2-102447 (1990), die der US-PS Nr. 4,944,274 entspricht, offenbart auch eine Kalibrierung einer Änderung einer Ausgabekennlinie eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung infolge einer sekulären Änderung der Diffusionsschicht, wobei eine Variation des Diffusionskoeffizienten von einem Anfangswert erfaßt wird und die Ausgangskennlinie des Sensors auf der Basis der erfaßten Variation kalibriert wird, um so eine sekuläre Änderung der Diffusionsschicht auszugleichen. In den oben genannten Verbrennungsluftverhältnis-Sensoren mit Diffusionsunterdrückung des Standes der Technik wird die Kali­ brierung einer Änderung einer Ausgabekennlinie prinzipiell auf der Basis einer sekulären Änderung der Diffusionsschicht bestimmt, und andere Parameter, die die Erfassungsgenauigkeit solcher Verbrennungsluftverhält­ nis-Sensoren mit Diffusionsunterdrückung beeinflussen, werden nicht ausreichend berücksichtigt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Anordnung und ein Ver­ fahren zur Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses für eine Ver­ brennungskraftmaschine mit einer hohen Erfassungsgenauigkeit während einer langen Verwendungszeit davon zu gewährleisten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das oben genann­ te Ziel erreicht, indem in eine Erfassungseinrichtung des Verbrennungs­ luftverhältnisses eine Umgebungsluftdruck-Korrektureinrichtung in einer Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinrichtung zum Korrigieren eines darin erarbeiteten Ausgangsspannungssignals auf der Basis einer Änderung im Umgebungsluftdruck eingegliedert wird, die erfaßt wird, wenn ein vor­ bestimmter Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine zusätzlich zu einer Luftkalibriereinrichtung erfüllt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Ziel erreicht, indem in einer Erfassungseinrichtung für das Verbrennungsluftverhältnis eine Korrektureinrichtung für eine sekuläre Änderung eingegliedert ist, wobei die Korrektureinrichtung in eine Signal­ verarbeitungs- und -ausgabeeinrichtung zum Erfassen einer Änderung einer elektromotorischen Kraft eines Konzentrationszellen-Abschnittes eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung einschließt, wenn ein vorbestimmtes fettes Verbrennungsluftverhältnis erreicht ist, und zum Korrigieren einer Referenzspannung für den Ver­ brennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung auf der Basis der erfaßten Änderung der elektromotorischen Kraft des Konzentrations­ zellen-Abschnittes zusätzlich zu einer Luftkalibriereinrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Ziel erreicht, indem in ein Erfassungsverfahren für das Ver­ brennungsluftverhältnis der Schritt des Bestimmens einer Änderung des Umgebungsluftdruckes eingegliedert ist, wenn ein vorbestimmter Betriebs­ zustand einer Verbrennungskraftmaschine erfüllt ist, der Schritt eines Korrigierens eines Ausgabespannungssignals, das durch Verarbeiten eines Signals erhalten wird, das sich auf ein Verbrennungsluftverhältnis von einem Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung auf der Basis der bestimmten Änderung des Umgebungsluftdruckes bezieht, der Schritt eines Bestimmens einer sekulären Änderung einer elektromo­ torischen Kraft eines Konzentrationszellen-Abschnittes des Verbrennungs­ luftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung, wenn ein vorbestimmtes fettes Verbrennungsluftverhältnis erreicht ist, und der Schritt eines Kor­ rigierens einer Referenzspannung für den Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung auf der Basis der bestimmten sekulä­ ren Änderung der elektromotorischen Kraft des Konzentrationszellen-Ab­ schnittes zusätzlich zu dem Schritt des Kalibrierens des Ausgabespannungs­ signals auf der Basis einer Kalibrierung durch Umgebungsluft.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform von Erfassungs­ anordnungen für das Verbrennungsluftverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Graph zum Erklären der Umgebungsluftdruckkorrektur, die in einem Mikrocomputer 40 zur Antriebssteuerung und Signalverarbeitung eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors 10 mit Diffusionsunterdrückung ausgeführt wird, insbesondere in einer Umgebungsluftdruckkorrektur 44, wie in Fig. 1 gezeigt;
Fig. 3 ist ein Graph zum Erklären einer Luftkalibrierung, die in dem Mikrocomputer 40 zur Antriebssteuerung und Signalverarbeitung des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors 10 mit Diffusionsunter­ drückung, insbesondere in einer Luftkalibrierung 42, wie in Fig. 1 gezeigt, ausgeführt wird;
Fig. 4 ist ein Graph zum Erklären einer sekulären Änderungskorrektur, die in dem Mikrocomputer 40 zur Antriebssteuerung und Signal­ verarbeitung des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors 10 mit Diffu­ sionsunterdrückung, insbesondere in einer sekulären Änderungs­ korrektur 46, wie in Fig. 1 gezeigt, durchgeführt wird; und
Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) sind drei Beispiele von Kompaktauslegungen der Erfassungs­ anordnung des Verbrennungsluftverhältnisses gemäß der vorlie­ genden Erfindung in bezug auf einen Hauptmikrocomputer für eine Motorsteuereinheit für eine Verbrennungskraftmaschine.
Hiernachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform von Anordnungen zur Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses und Verfahren dafür für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Fig. 1 bis 4 erklärt.
In Fig. 1 ist ein Verbrennungsluftverhältnis-Sensor 10 mit Diffusionsunter­ drückung aufgebaut aus einem Konzentrationszellen-Abschnitt einschließ­ lich eines röhrenförmigen Zirkoniumelektrolyten 12, der teilweise mit Yttrium stabilisiert ist, eine Referenzelektrode 14 aus porösem Platin, die auf einer Oberfläche des röhrenförmigen Zirkoniumelektrolyten 12 ausge­ bildet ist und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, einer Erfassungselektrode 16 aus porösem Platin, die auf der anderen Oberfläche der röhrenförmi­ gen Zirkoniumelektrode 12 gebildet ist, eine Diffusionsschicht 18, die die Erfassungselektrode 16 abdeckt und dem Verbrennungsgas, das durch eine Abgasleitung hindurchgeht, ausgesetzt ist zum Begrenzen der Gasdif­ fusion und einer Diffusionskammer 20, die zwischen der Erfassungselek­ trode 16 und der Diffusionsschicht 18 gebildet ist, und einem Erwärmer­ abschnitt 22 zum Einhalten der Temperatur des röhrenförmigen Zirkoni­ umelektrolyten 12, der schichtenartig zwischen der Bezugs- und der Erfassungselektrode 14 und 16 angeordnet ist, und zwar bei einem vorbestimmten Bereich wie z. B. 650°C bis ± 80°C.
Eine Antriebsschaltung des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors 10 mit Diffusionsunterdrückung weist auf: ein erstes und ein zweites Paar Transistoren 24 und 26, die in komplementärer Art verbunden sind, um einem bidirektionalen Stromfluß durch den röhrenförmigen Zirkonium­ elektrolyten 12 zu erlauben, einen Widerstand 28 zur Erfassung des Diffusionsstromes, der mit dem ersten Paar Transistoren 24 verbunden ist, ein Schalttransistorpaar 30, das zwischen dem Widerstand 28 zur Erfassung des Diffusionsstromes und der Referenzelektrode 14 zum Schalten zwischen einem weiten Bereich einer linearen Verbrennungsluft­ verhältnis-Erfassung und einer schrittweisen Verbrennungsluftverhältnis-Erfassung mit dem Verbrennungsluftverhältnis-Sensor 10 mit Diffusions­ unterdrückung verbunden ist, eine Zweitor-Schaltung 32, die digitale Ausgangssignale von einem Mikrocomputer 40 für den Verbrennungsluft­ verhältnis-Sensor 10 mit Diffusionsunterdrückung in analoge Signale umwandelt und einen Leistungstransistor 34 zum Steuern eines Stromes, der durch den Erwärmerabschnitt 22 fließt. In der Sensorantriebsschal­ tung wird die Erfassungselektrode 16 auf einem Massepotential von 2,5 V gehalten.
Während des weiten Bereiches der linearen Erfassung des Verbrennungs­ luftverhältnisses ist das Schalttransistorpaar 30 eingeschaltet, der Diffu­ sionsstrom Ip, der durch den Zirkoniumelektrolyten 12 zwischen der Referenz- und den Erfassungselektroden 14 und 16 fließt, wird durch den Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 in solch einer Weise gesteuert, daß die elektromotorische Kraft des Konzentrationszellen-Abschnittes konstant gehalten wird, z. B. bei 0,5 V in anderen Worten ein Verhältnis zwischen Sauerstoffpartialdruck Pa in der atmosphärischen Umgebung (2,09×10-1 atm) und Sauerstoffpartialdruck Pd in der Diffusionskammer (2,09×10-11 atm) wird konstant gehalten, z. B. bei 1010. Wenn das Abgas, das durch die Abgasleitung strömt, in einem mageren Zustand ist, strömt ein durch ausgezogene Pfeile bezeichneter Diffusionsstrom durch die Sensorantriebs­ schaltung, und wenn das Abgas in einem fetten Zustand ist, strömt ein durch gepunktete Pfeile bezeichneter Diffusionsstrom durch die Sensor­ antriebsschaltung, und des weiteren, wenn das Abgas in dem stöchiome­ trischen Zustand ist, fließt kein Diffusionsstrom. Die Größe und Rich­ tung der Diffusionsströme, die ein Verbrennungsluftverhältnis anzeigen, werden erfaßt und in dem Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 ver­ arbeitet und ausgegeben, wie z. B. in einer Form eines A/F-PWM-Signals davon in einer ersten vorbestimmten Periode.
Während der schrittweisen Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses ist das Schalttransistorpaar 30 ausgeschaltet, um eine erzwungene Diffusionsstromsteuerung zu beseitigen, und eine elektromotorische Kraft, die in dem Konzentrationszellen-Abschnitt durch eine Sauerstoffdruckdifferenz zwischen einem Sauerstoffpartialdruck Pa in der atmosphärischen Umge­ bung und einem Sauerstoffpartialdruck Pe in der Abgasleitung wird erfaßt und in dem Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 verarbeitet, um einen fetten oder mageren Zustand unter Bezug auf ein Referenzsignal­ pegel zu bestimmen, der an den Verbrennungsluftverhältnis-Sensor 10 mit Diffusionsunterdrückung angelegt ist und als ein O2-Mager- oder O2-Fett- Schaltsignal davon ausgegeben wird. Während des weiten Bereiches einer linearen Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses wird der innere Widerstand Ri des Konzentrationszellen-Abschnittes des Sensors 10 erfaßt und in dem Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 bei einer zweiten vorbestimmten Periode bestimmt, die länger bestimmt wird als die erste vorbestimmte Periode für das Ausgeben des Verbrennungsluftverhältnisses, indem der Diffusionsstrom Ip und die Spannung, die über der Referenz- und den Erfassungselektroden 14 und 16 erscheint, ver­ wendet werden. Auf der Basis des bestimmten inneren Widerstandes Ri steuert eine Erwärmersteuerung 48 in dem Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 den Ein- und den Aus-Betrieb des Leistungstransistors 34, um so den inneren Widerstand Ri in einem vorbestimmten Bereich zu halten, in anderen Worten, um die Temperatur des Zirkoniumelektrolyten 12 in einem vorbestimmten Bereich zu halten, und zwar während sowohl eines Weitbereich-Betriebes einer linearen Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses als auch eines schrittweisen Betriebes einer Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses.
Der Mikrocomputer 40, der die Sensorantriebsschaltung steuert und die Signale von dem Verbrennungsluftverhältnis-Sensor 10 mit Diffusionsunter­ drückung verarbeitet, weist des weiteren eine Luftkalibrierfunktion 42, eine Umgebungsdruckkorrekturfunktion 44 und eine sekuläre Änderungs­ korrekturfunktion 46 auf und empfängt Signale, die auf den momentanen Motorbetriebszustand bezogen sind, wie z. B. Luftströmungsrate AFM, Brennstoffeinspritzzeit Tp, Motordrehzahl REV, Brennstoffunterbrechung FC und Batteriespannung BATT von einem Hauptmikrocomputer 50 für die Motorsteuereinheit, deren Signale verwendet werden, um ein Timing zum Einleiten der Luftkalibrierung oder der Atmosphärendruckkorrektur zu bestimmen.
Nun wird die Atmosphärendruckkorrektur 44 in dem Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 unter Bezug auf Fig. 2 erklärt, die eine allgemeine Reduzierungstendenz einer Grundbrennstoffeinspritzzeit darstellt, z. B. von einer Tp1 auf Meereshöhe zu einer anderen Tp2 bei einer größeren Höhe unter einem gleichen Motorbetriebszustand, der bestimmt ist durch z. B. Luftströmungsrate Q, Motordrehzahl N, Drosselventil-Öffnungsgrad R, Einlaßlufttemperatur t, Kühlwassertemperatur Tw und Batteriespannung VB. Die Atmosphärendrucksteuerung 44 liest eine Grundbrennstoffein­ spritzzeit Tp2 ab, wenn ein vorbestimmter Motorbetriebszustand erfüllt ist und vergleicht selbigen mit einer Referenz-Brennstoffgrundeinspritzzeit Tp1, die bei Meereshöhe unter dem gleichen Motorbetriebszustand erhalten wird, um Atmosphärendruck zu jenem Zeitpunkt zu bestimmen, und liest einen Korrekturkoeffizienten eines Verbrennungsluftverhältnis- Signales aus einer Tabelle heraus, die vorher durch Experimente erhalten wurde und in einem Speicher in dem Mikrocomputer 40 auf der Basis des bestimmten Atmosphärendruckes gespeichert wurde, und das auszu­ gebende verarbeitete Verbrennungsluftverhältnis-Signal, wie z. B. ein A/F- PWM-Signal, wird dann auf der Basis des herausgelesenen Korrekturkoef­ fizienten korrigiert. Dementsprechend wird die Abhängigkeit vom Atmo­ sphärendruck in der Ausgabekennlinie eines Verbrennungsluftverhältnis- Sensors korrigiert, und ein geeignetes Antriebsverhalten des Motorfahr­ zeuges, das solch einen Verbrennungsluftverhältnis-Sensor anwendet, wird erhalten.
Die Luftkalibrierung 42 in dem Mikrocomputer 40 für den Sensor 10 wird nun unter Bezug auf Fig. 3 erklärt, die einen Diffusionsstrom IP oder Pumpstrom darstellt, der durch den Zirkoniumelektrolyten 12 strömt, und zwar bezüglich des stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ und des Verbrennungsluftverhältnisses und die ein Signal der Sensor­ ausgangsspannung darstellt, das umgewandelt ist und aus dem entspre­ chenden erfaßten Diffusionsstrom Ip bezüglich des stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ und des Verbrennungsluftverhältnisses entwickelt wurde.
Die durchgezogene Kurve λ=F(Ip) zeigt eine Anfangscharakteristik des Diffusionsstromes eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusions­ unterdrückung, der in einer in Fig. 1 gezeigten Erfassungsanordnung des Verbrennungsluftverhältnisses installiert ist, oder eine Standardkennlinie des Diffusionsstromes eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffu­ sionsunterdrückung desselben Typs. Der Diffusionsstrom Ip, der dem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ von etwa 0,8 bis 1,5 entspricht, wird umgewandelt und in ein Ausgangsspannungssignal der Sensoreinheit entwickelt, um im wesentlichen die volle Spanne von 0 bis 5 V abzudecken.
Jedesmal wenn die Erfassungselektrode 16 des Verbrennungsluftverhältnis- Sensors 10 atmosphärischer Luft ausgesetzt ist durch die Diffusionsschicht 18, in anderen Worten, wenn die Abgasleitung mit Atmosphärenluft verbunden ist, wie z. B. über Brennstoffabschaltung der Verbrennungs­ kraftmaschine, wird ein Diffusionsstrom Ip2 erfaßt, um den Anfangs­ diffusionsstrom Ip₁, bei der Referenzbedingung zu kalibrieren. Das heißt ein Korrekturkoeffizient α=Ip1/Ip2 wird erhalten, und danach wird ein erfaßter Diffusionsstrom korrigiert, indem der zuletzt erhaltene Korrektur­ koeffizient α=Ip1/Ip2 verwendet wird, und dann wird ein entsprechen­ des Ausgangsspannungssignal der Sensoreinheit auf der Basis des kor­ rigierten Diffusionsstromes bestimmt.
Der gestrichelte Diffusionsstrom zeigt einen geschätzten Strom, der beschrieben ist gemäß dem erfaßten Diffusionsstrom Ip2, der einige Zeit nach der Erfassung des Anfangsdiffusionsstromes Ip1 erhalten wird.
In Fig. 3 überdeckt die volle Spanne des Bereiches von 0 bis 5 V des Ausgangsspannungssignales der Sensoreinheit ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λ von 0,8 bis 1,5, die volle Spanne des Abdeckungs­ bereiches kann jedoch abhängig von den Motortypen variiert wer­ den, für die die gegenwärtige Erfassungsanordnung des Verbrennungsluftverhältnisses angewendet wird, wie z. B. einen Magerverbrennungs-Benzin­ motor und einen -Dieselmotor, und abhängig von einer benötigen Auflö­ sung des Ausgangsspannungssignals der Sensoreinheit.
Des weiteren kann, obwohl der innere Widerstand des Konzentrationszellen- Abschnittes im wesentlichen durch Steuern der Temperatur des Zirkoniumelektrolyten 12 innerhalb eines vorbestimmten Bereiches wie z. B. 650°C ± 80°C im wesentlichen konstant gehalten wird, was durch einen Steuerstrom ausgeführt wird, der durch den Leistungstransistor 34 für den Erwärmerabschnitt 22 mittels einer Ein/Aus-Betriebssteuerung des Leistungstransistors 34 fließt, der vorbestimmte innere Widerstand des Konzentrationszellen-Abschnittes abhängig von den benötigten Motorbe­ triebszuständen, wie z. B. einer Reduzierung des elektrischen Leistungsver­ brauchs des Erwärmerstromes, von einer Erfassung der Genauigkeit des Diffusionsstromes, wie z. B. einer Auflösung des Diffusionsstromes, und von der Umgebungstemperatur variiert werden.
Des weiteren wird, wenn eine Standardkennlinienkurve des Diffusionsstromes eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung desselben Typs in einem Speicher des Mikrocomputers 40 für den Sensor 10 vor dem Installieren eines spezifischen Sensors 10 in der Erfassungsanordnung des Verbrennungsluftverhältnisses gespeichert wird, eine Diffusionsstrom-Kennlinie des neu installierten spezifischen Sensors kalibriert, wenn die Abgasleitung zuerst mit Atmosphärenluft verbunden ist, und der neu installierte Sensor wird der Atmosphärenluft während eines Betriebes der Verbrennungskraftmaschine so ausgesetzt, daß eine Anfangsstreuung der Diffusionsstrom-Kennlinien von jeweiligen Sensoren leicht ausgeglichen wird.
Schließlich wird die sekuläre Änderungskorrektur 46 in dem Mikrocompu­ ter 40 für den Sensor 10 mit Bezug auf Fig. 4 erklärt, die eine Sensor EMK darstellt, wenn der Verbrennungsluftverhältnis-Sensor 10 als ein gewöhnlicher O2-Sensor betrieben wird, und zwar bezüglich eines stöchio­ metrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ und eines Verbrennungsluftverhältnisses, zusätzlich zu derselben Diffusionsstromkurve λ=F(Ip) bezüglich eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ und eines Verbrennungsluftverhältnisses wie in Fig. 3 dargestellt.
Die in dem Konzentrationszellen-Abschnitt erzeugte elektromotorische Kraft verringert sich während ihres Langzeiteinsatzes infolge Verschlechte­ rung, insbesondere der Referenz- und Erfassungselektroden 14 und 16 von porösem Platin, das auch als ein Katalysator dient. Die durch­ gezogene stufenweise Kurve stellt eine Anfangs-EMK-Kurve des Sensors bezüglich eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ und eines Verbrennungsluftverhältnisses dar, und die gestrichelte stufenweise Kurve stellt eine geschätzte EMK-Kurve des Sensors nach einem Lang­ zeiteinsatz dar. Wenn eine Verbrennungskraftmaschine mit Rückkopplung gesteuert ist, um bei λ=1 zu verbleiben, indem eine durch A-B hin­ durchgehende Schnittlinie ohne Berücksichtigen der sekulären Änderung der EMK-Kurve, wie z. B. durch die gestrichelte stufenweise Kurve darge­ stellt, verwendet wird, wird die Rückkopplungssteuerung ausgeführt, und zwar bezüglich des Punktes B etwas zur fetten Seite vom Punkt A von λ=1 verschoben.
Zur Vermeidung der oben genannten Unzweckmäßigkeit infolge der sekulären Änderung der Sensor-EMK wird eine Sensor-EMK B1, die einem vorbestimmten fetten stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis wie z. B. λ=0,8 entspricht, erfaßt, wenn das vorbestimmte λ=0,8 erreicht ist, und wird mit einer anfänglichen Sensor-EMK A1 verglichen, und auf der Basis des Vergleiches wird das Ergebnis einer A1/B1-Größe einer Verschiebung von Punkt A zu Punkt B aus den geschätzten EMK- Kurven des Sensors bestimmt, die im voraus durch Experimente bezüglich der Sensor-EMKs bei einem vorbestimmten fetten stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis wie z. B. λ=0,8 vorbereitet wurden, und dann wird auf der Basis der bestimmten verschobenen Größe das Schnittniveau korrigiert, z. B. von dem durch A-B hindurchgehenden Schnittniveau zu dem durch Punkt C hindurchgehenden Schnittniveau unter Bezug auf eine Beziehung zwischen der Verschiebungsgröße und dem Schnittniveau, was auch im voraus durch Experimente aufbereitet wurde.
Des weiteren kann durch Verwenden der vorbestimmten sekulären Ände­ rung der elektromotorischen Kraft in dem Konzentrationszellen-Abschnitt das Niveau der vorbestimmten elektromotorischen Kraft, die während eines weiten Bereiches einer linearen Erfassung des Verbrennungsluftverhältnisses konstant gehalten wird, geändert werden.
Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) sind drei Beispiele von Kompaktauslegungen der hierzuvor erklärten Erfassungsanordnung des Verbrennungsluftverhältnisses in bezug auf den Hauptmikrocomputer 50 in der Motorsteuereinheit für eine Verbrennungskraftmaschine.
Fig. 5(a) zeigt eine für sich stehende Erfassungsanordnung des Verbren­ nungsluftverhältnisses bezüglich des Hauptmikrocomputers 50 in der Motorsteuereinheit, die ähnlich der in Fig. 1 illustrierten ist. Die in Fig. 5(a) gezeigte Kompaktauslegung ist zweckmäßig, wenn die Erfassungs­ anordnung des Verbrennungsluftverhältnisses gemäß der vorliegenden Erfindung dazu benötigt wird, mit einer bereits installierten Motorsteuer­ einheit kombiniert zu werden.
Fig. 5(b) zeigt eine eingebaute Erfassungsanordnung des Verbrennungsluftverhältnisses bezüglich des Hauptmikrocomputers 50 in der Motor­ steuereinheit, wobei die Sensorantriebsschaltung und der Mikrocomputer für den Sensor an einer gedruckten Hilfsschaltungsplatine montiert sind und die mit der gedruckten Hauptschaltungsplatine für die Motorsteuer­ einheit kombiniert ist.
Fig. 5(c) zeigt eine integrierte Erfassungsanordnung des Verbrennungsluftverhältnisses, in der der Hauptmikrocomputer 50 für die Motorsteuer­ einheit entworfen ist, um auch als der Mikrocomputer 40 für den Ver­ brennungsluftverhältnis-Sensor 10 zu dienen.

Claims (11)

1. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine, die aufweist:
einen Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung, der einen Konzentrationszellen-Abschnitt und einen Erwärmerab­ schnitt zum Regeln der Temperatur des Konzentrationszellen-Ab­ schnittes hat, wobei der Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffu­ sionsunterdrückung in einer Abgasleitung der Verbrennungskraftma­ schine angeordnet ist, und ausgelegt ist, um im wesentlichen lineare Ausgangssignale von fett zu mager, die Verbrennungsluftverhältnisse eines Einlaßluft/Brennstoffgemisches anzeigen, und schrittweise Aus­ gangssignale bereitzustellen, die Stöchiometrie eines Einlaßluft/Brennstoffgemisches anzeigen, und zwar auf der Basis eines Sauerstoff­ gehaltes und eines Gehaltes unverbrannten Gases in dem durch die Abgasleitung strömenden Abgas;
eine Sensorantriebseinrichtung zum Treiben des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung in einen ersten An­ triebszustand zum Erzeugen der im wesentlichen linearen Ausgangs­ signale von fett zu mager, die Verbrennungsluftverhältnisse eines Luft/Brennstoffgemisches anzeigen, und des weiteren zum Treiben des Diffusions-Verbrennungsluftverhältnis-Sensors in einen zweiten Antriebszustand zum Erzeugen der schrittweisen Ausgangssignale, die Stöchiometrie eines Einlaßluft/Brennstoffgemisches anzeigen;
eine Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinrichtung zum Verarbeiten der im wesentlichen linearen Ausgangssignale und der schrittweisen Ausgangssignale von dem Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung, die durch die Sensorantriebseinrichtung erzeugt werden, und zum Ausgeben im wesentlichen linearer Aus­ gangsspannungssignale und schrittweiser Ausgangssignale mit entweder einem hohen Spannungsniveau oder niedrigem Spannungsniveau zu einer ersten vorbestimmten Periode, wobei die Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinrichtung eine Luftkalibriereinrichtung zum Kalibrieren eines Referenzniveaus des im wesentlichen linearen Ausgangssignals des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung aufweist, das atmosphärischer Luft entspricht, wenn die Abgasleitung mit atmosphärischer Luft verbunden ist, und zum Korrigieren der Niveaus der im wesentlichen linearen Ausgangsspannungssignale, die auf der Basis des kalibrierten Referenzniveaus ausgegeben werden, und die weiterhin eine Atmosphärendruck-Korrektureinrichtung auf­ weist zum Bestimmen einer Atmosphärendruckänderung, wenn ein vorbestimmter Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erfüllt ist, und zum Korrigieren des Niveaus der im wesentlichen linearen Ausgangsspannungssignale, die auf der Basis der bestimmten Atmo­ sphärendruckänderung ausgegeben werden.
2. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Signalver­ arbeitungs- und -ausgabeeinrichtung des weiteren eine zeitliche Änderungskorrektureinrichtung für den Verbrennungsluftverhältnis- Sensor mit Diffusionsunterdrückung zum Erfassen eines hohen Ni­ veaus der schrittweisen Ausgangssignale aufweist, wenn ein vorbe­ stimmter Zustand eines fetten Verbrennungsluftverhältnisses erreicht ist, zum Vergleichen des erfaßten hohen Niveaus mit einem vorheri­ gen Niveau bei dem gleichen vorbestimmten Zustand eines fetten Verbrennungsluftverhältnisses und zum Korrigieren einer Referenz­ spannung, die zum Betreiben des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung auf der Basis des Vergleichsergebnisses bestimmt wird.
3. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der erste An­ triebszustand der Sensorantriebseinrichtung durch Aufrechterhalten der elektromotorischen Kraft in dem Konzentrationszellen-Abschnitt des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung durch Steuern der Größe und Richtung des Diffusionsstromes, der durch ihn hindurchfließt, erreicht wird, und der zweite Antriebs­ zustand durch Entfernen der konstanten elektromotorischen Kraft erreicht wird, während der innere Widerstand des Konzentrationszellen- Abschnittes im wesentlichen konstant gehalten wird.
4. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei ein Bereich der im wesentlichen linearen Ausgangsspannungssignale bestimmt wird, um 0 V bis 5 V zu überspannen.
5. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei die Korrektur des Niveaus der im wesentlichen linearen Ausgangsspannungssignale durch die Atmosphärendruck-Korrektureinrichtung unterdrückt wird, wenn die Atmosphärendruckänderung unterhalb eines vorbestimmten Wertes ist.
6. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei das Niveau des im wesentlichen linearen Ausgangsspannungssignals, das von der Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinrichtung ausgegeben wird, kor­ rigiert wird, indem ein Korrekturkoeffizient in einer darin abgespei­ cherten Tabelle für die Atmosphärendruckänderung verwendet wird, die durch die Atmosphärendruck-Korrektureinrichtung bestimmt wird.
7. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Luftkalibrier­ einrichtung aktiviert wird, wenn zu der Verbrennungskraftmaschine geleiteter Brennstoff unterbrochen wird.
8. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Sensoran­ triebseinrichtung des weiteren einen Widerstand des Zellen-Abschnit­ tes des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrüc­ kung zu einer zweiten vorbestimmten Periode erfaßt, um die Tempe­ ratur des Konzentrationszellen-Abschnittes zu bestimmen, und einen Erwärmerstrom steuert, der durch den Erwärmerabschnitt zum Hal­ ten der Temperatur des Konzentrationszellen-Abschnittes auf einer ersten vorbestimmten Temperatur auf der Basis der bestimmten Temperatur fließt.
9. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, wobei die erste vor­ bestimmte Temperatur für die Konzentrationszelle des Verbrennungs­ luftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung in eine zweite vorbestimmte Temperatur abhängig von der Umgebungstemperatur geändert wird.
10. Erfassungsanordnung für das Verbrennungsluftverhältnis für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, wobei die zweite vorbestimmte Periode zum Bestimmen der Temperatur des Konzen­ trationszellen-Abschnittes des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung länger als die der ersten vorbestimmten Periode zum Ausgeben der im wesentlichen linearen Ausgangsspan­ nungssignale und der schrittweisen Ausgangssignale eingestellt ist, die entweder ein hohes Spannungsniveau oder ein niedriges Spannungs­ niveau von der Signalverarbeitungs- und -ausgabeeinrichtung haben.
11. Verbrennungsluftverhältnis-Erfassungsverfahren für eine Verbrennungs­ kraftmaschine, das die Schritte aufweist:
Antreiben eines Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusions­ unterdrückung, der einen Konzentrationszellen-Abschnitt und einen Erwärmerabschnitt zum Steuern der Temperatur des Konzentrations­ zellen-Abschnittes hat, der in einer Abgasleitung der Verbrennungs­ kraftmaschine angeordnet ist, und zwar in solch einer Art, daß die elektromotorische Kraft, die in dem Konzentrationszellen-Abschnitt erzeugt wird, beibehalten wird durch Steuern der Größe und Rich­ tung des Diffusionsstromes, der durch ihn fließt, während der innere Widerstand des Konzentrationszellen-Abschnittes im wesentlichen konstant gehalten wird;
des weiteren Antreiben des Verbrennungsluftverhältnis-Sensors mit Diffusionsunterdrückung in solch einer Art, daß die Diffusionsstromsteuerung entfernt wird, um eine elektromotorische Kraft zu erfassen, die durch einen Sauerstoffgehalt im Abgas, das durch die Abgaslei­ tung hindurchgeht, erzeugt wird, während auch der innere Wider­ stand des Konzentrationszellen-Abschnittes im wesentlichen konstant gehalten wird;
Verarbeiten der Größe und Richtung des Diffusionsstromsignals von dem Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung während des ersten Antriebsschrittes und des erzeugten elektromoto­ rischen Kraftsignals davon während des zweiten Antriebsschrittes in Signale, die zum Ausgeben geeignet sind;
Kalibrieren eines Referenzniveaus des Diffusionsstromsignals, wenn der Verbrennungsluftverhältnis-Sensor mit Diffusionsunterdrückung atmosphärischer Luft ausgesetzt ist, und Korrigieren der verarbeiteten Signale, die den Diffusionsstromsignalen entsprechen, die auf der Basis des kalibrierten Referenzniveaus ausgegeben werden;
Bestimmen einer Atmosphärendruckänderung, wenn ein vorbestimmter Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erfüllt ist, und Kor­ rigieren der verarbeiteten Signale entsprechend den Diffusionsstromsi­ gnalen, die auf der Basis der bestimmten Atmosphärendruckänderung ausgegeben werden; und
Erfassen einer zeitlichen Änderung der elektromotorischen Kraft des Konzentrationszellen-Abschnittes, wenn ein vorbestimmter Zustand eines fetten Verbrennungsluftverhältnisses erreicht ist, und Korrigie­ ren einer Referenzspannung, die für den Verbrennungsluftverhältnis- Sensor mit Diffusionsunterdrückung auf der Basis der erfaßten zeitlichen Änderung eingestellt ist.
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