DE4321243C2

DE4321243C2 - Luft-Kraftstoffverhältnissensor

Info

Publication number: DE4321243C2
Application number: DE4321243A
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2013-06-26
Also published as: US5340462A; JPH0611482A; JP2855971B2; DE4321243A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luft-Kraftstoff- Verhältnissensor mit einer Sensoreinrichtung, die in einem Abgassystem eines Motors angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung ein Sauerstoff-Pumpelement, ein Sauerstoff- Konzentrationszellen-Element und eine Diffusionskammer aufweist, einer Heizeinrichtung zum Erwärmen des Sauerstoffpumpelements und des Sauerstoff- Konzentrationszellen-Elements, wobei die Heizeinrichtung mit einer beim Starten des Motors aktivierten Leistungs- Versorgungseinrichtung verbunden ist, einer Pumpstrom-Regel- Einrichtung zum Regeln des Pumpstroms, der in das Sauerstoffpumpelement fließt, damit die Spannung an dem Sauerstoff-Konzentrationszellen-Element einen vorbestimmten Wert annimmt, und einer Pumpstrom-Erfassungs-Einrichtung zum Erfassen des Pumpstroms.

Ein derartiger Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor ist in DE 36 44 378 A1 beschrieben, wobei im einzelnen auf ein Verfahren zum Regeln eines Luft-Kraftstoff-Sensors Bezug genommen wird, bei dem die Motortemperatur erfaßt wird, und ferner eine Zeitdauer in Abhängigkeit von der erfaßten Motortemperatur bestimmt wird; ein Pumpstrom wird dem Luft- Kraftstoff-Verhältnissensor unmittelbar nach dem Ablaufen des bestimmten Zeitabschnitts zugeführt. Das Verfahren wird in einer Regeleinrichtung mit einer Sensoreinrichtung, einem Heizelement zum Heizen der Sensoreinrichtung, einer Pumpstrom-Erfassungseinrichtung und einer Pumpstrom- Regeleinrichtung eingesetzt. Gemäß dem beschriebenen Regelverfahren wird die Zufuhr des Pumpstroms während des Anlauf-Zeitabschnitts in Abhängigkeit von der Motortemperatur vor dem Anlassen unterbrochen. Nach dem Ablauf dieses Zeitabschnitts fließt der Pumpstrom ohne Unterbrechung. Die Unterbrechung der Zufuhr von Pumpstrom zu vorbestimmten Zeitabschnitten unmittelbar nach dem Beginn der Stromversorgung bei dem Heizelement ist nicht möglich.

Eine weitere Heizvorrichtung ist in DE 35 17 252 A1 beschrieben und eignet sich für einen Sauerstoffühler mit einem ersten, elektrisch betriebenen Erhitzer, einer Temperatur-Meßeinrichtung für den ersten Erhitzer und einer Regeleinrichtung zum Regeln der Zufuhr elektrischer Energie zum ersten Erhitzer.

Der im Rahmen der bekannten Technik benutzte Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor funktioniert nur, wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung etwa 400°C bis 500°C oder mehr erreicht. Daher wurde zum Erwärmen der Sensoreinrichtung eine Heizeinrichtung vorgesehen, wobei die Sensoreinrichtung bestimmungsgemäß bei der Aktivierungstemperatur bzw. einer höheren Temperatur arbeiten soll. Wenn der Motor in einem Zustand angelassen wurde, bei dem die Temperatur der Sensoreinrichtung niedrig war, bestand die Möglichkeit, daß ein Versagen des Sensors auftrat, es sei denn, daß die Sensoreinrichtung unter der Bedingung benutzt wurde, daß nach dem Einschalten der Heizeinrichtung die Temperatur der Sensoreinrichtung die Aktivierungstemperatur bzw. eine höhere Temperatur erreichte.

Es hat verschiedene Vorschläge in bezug auf die Entscheidung gegeben, daß sich der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor im Aktivierungszustand befindet. Beispielsweise wird in der japanischen unveröffentlichten Patentpublikation 241652/1986 das Ende der Aktivierung der Sensoreinrichtung unterstellt, wenn nach dem Beginn der Erwärmung der Sensoreinrichtung durch eine Heizeinrichtung eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Weiter wird in der japanischen unveröffentlichten Patentpublikation 93457/1989 der Aktivierungszustand angenommen, wenn die an den Elektroden des Zellenelementes und des Pumpelements anliegende Spannung in einen vorbestimmten Bereich gelangt, unter der Bedingung, daß ein elektrischer Strom an das Pumpelement der Sensoreinrichtung geliefert wird.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein herkömmlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor beschrieben.

Fig. 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Motorsteuersystems, bei dem die Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung unter Benutzung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors durchgeführt wird. In Fig. 6 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 einen Luft-Kraftstoffsensor, der an der Abgasleitung 31 des Motors 30 befestigt ist; 2 einen Steuerverstärker im Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor; 3 einen Motordrehzahlsensor; 4 einen Ansaugluftmengensensor; 5 einen Kühlwassertemperatursensor, der im Motor 30 angebracht ist; 6 eine Einspritzeinrichtung; 7 einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil; 8 ein Drosselventil; 9 einen Drosselpositionssensor; und 12 eine Ansaugluftleitung. Die Sensoren 3 bis 5 und 9 erfassen jeweils die Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e, die Ansaugluftmenge Q_a, die Kühlwassertemperatur WT und die Drosselposition Θ, wobei die von den Sensoren erfaßten Werte an den Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil 7 geliefert werden. Die Luft, die durch das Drosselventil 8 in die Ansaugluftleitung 32 gelangt, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Mischung aus Luft und Kraftstoff, die durch die Einspritzeinrichtung 6 eingespritzt wird, werden durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 1 erfaßt. Die erfaßte Information wird durch den Steuerverstärker 2 verstärkt, um an den Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil 7 geliefert zu werden.

Fig. 7 stellt eine Schaltung zur detaillierten Veranschaulichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1, des Steuerverstärkers 2 und des Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteils 7 dar. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 1 umfaßt eine Sensoreinrichtung 11 und eine Heizeinrichtung 12. Die Sensoreinrichtung 11 umfaßt ein Sauerstoffpumpelement 11a, ein Sauerstoff-Konzentrationszellen-Element 11b, eine Diffusionskammer 11c und eine Umgebungsluftkammer 11d. Das Sauerstoffpumpelement 11a und das Sauerstoff-Konzentrationszellen-Element 11b bestehen aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten; sie sind jeweils mit einer Elektrode versehen. Sie weisen eine zwischen sich eingefügte Diffusionskammer 11c auf, in die Abgas des Motors im diffusen Zustand eingeleitet wird.

Die Heizeinrichtung 12 dient zum Erwärmen und Aktivieren der Sensoreinrichtung 11. Der Steuerverstärker 2 umfaßt einen Differenz-Integrationsverstärker 21 als Pumpstrom-Regel-Einrichtung, einen Differentialverstärker 22 als Pumpstrom-Erfassungs-Einrichtung, einen ersten nicht invertierenden Verstärker 23, einen zweiten nicht invertierenden Verstärker 33 als Pumpspannungs-Erfassungs-Einrichtung, und eine Heizeinrichtungs-Steuerschaltung 25.

Beim Betrieb des Steuerverstärkers 2 wird eine Spannung V_S des Sauerstoff-Konzentrationszellen-Elements 11b an eine invertierende Eingangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21 angelegt, während eine Bezugsspannung V_ref an eine nicht invertierende Eingangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers angelegt wird. Das Ausgangssignal des Differenz-Integrationsverstärkers 21 wird über einen Stromerfassungswiderstand R_S an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert. Eine an beiden Enden des Stromerfassungswiderstands V_S auftretende Spannung wird an den Differenzverstärker 22 angelegt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 wird an eine nicht invertierende Eingangsklemme des nicht invertierenden Verstärkers 23 angelegt, während eine Gegenspannung V_D an eine invertierende Eingangsklemme des nicht invertierenden Verstärkers 23 angelegt wird. Weiter wird eine an das Sauerstoffpumpelement 11a anzulegende Spannung an eine nicht invertierende Eingangsklemme eines nicht invertierenden Differenzverstärkers 22 geliefert, während eine Gegenspannung V_PB an eine invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 33 angelegt wird.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil 7 umfaßt die Multiplexer 21a, 21b; die A/D-Umsetzer 72a, 72b; eine Eingangsschnittstelle 73; einen Mikroprozessor 74, einen ROM-Speicher 75; einen RAM-Speicher 76; die Ausgangsschnittstellen 77a, 77b und eine Einspritzeinrichtungs-Treiberschaltung 78. In den Mikroprozessor 74 werden eingegeben: ein Ausgangssignal N_e des Motordrehzahlsensors 3 über die Eingangsschnittstelle 73; ein Ausgangssignal Q_a des Ansaugluftmengensensors 4 über den Multiplexer 71a; ein Ausgangssignal WT des Kühlwassertemperatursensors 5 durch den Multiplexer 71a und den A/D-Umsetzer 72a; und ein Ausgangssignal V_O des nicht invertierenden Verstärkers 23 durch den Multiplexer 71b; ein Ausgangssignal V_PO des nicht invertierenden Verstärkers wird durch den Multiplexer 72b und den A/D-Umsetzer 72b eingegeben. Andererseits ist die Einspritzeinrichtung 6 an die Einspritzeinrichtungs-Treiberschaltung 78 angeschlossen, die über die Ausgangsschnittstelle 77a vom Mikroprozessor 74 gesteuert wird. Die Heizeinrichtungs-Steuerschaltung 25 wird über die Ausgangsschnittstelle 77b vom Mikroprozessor 74 gesteuert.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors unter Bezugnahme auf die Schaltung der Fig. 7 und das Zeitdiagramm der Fig. 8 beschrieben.

Mit dem Anlassen des Motors wird die Heizeinrichtung 12 des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1 eingeschaltet und durch die Heizeinrichtungs-Steuerschaltung 25 gesteuert. Wenn die Sensoreinrichtung 11 erwärmt und aktiviert ist, erzeugt die Zwischenelektrodenspannung des Sauerstoff-Konzentrationszellen-Elements 11b eine elektromotorische Kraft V_S, die dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration zwischen der Diffusionskammer 11c und der Umgebungsluftkammer 11d entspricht. Wenn ein Pumpstrom I_p an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert wird, so daß die elektromotorische Kraft V_S der Sensoreinrichtung mit Hilfe des Differenz-Integrationsverstärkers 21 einer vorbestimmten Bezugsspannung V_ref entspricht, ist der Strom I_p dem Luft-Kraftstoffverhältnis proportional. Der Strom I_p wird durch den Erfassungswiderstand R_S erfaßt, und der erfaßte Wert wird vom Differenzverstärker 22 verstärkt. Der verstärkten Komponente wird im nicht invertierenden Verstärker 23 eine Gegenspannung V_B hinzugefügt, wodurch ein Luft-Kraftstoffausgangssignal V_O gewonnen werden kann. Die Gegenspannung V_B ist so festgelegt, daß das Luft-Kraftstoffausgangssignal V_O ein positives Ausgangssignal ist, unabhängig von der Fließrichtung des Pumpstromes I_p, zumal die Richtung des Pumpstromes I_p zwischen dem fetten Bereich und dem mageren Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unterschiedlich ist.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil 7 empfängt die Daten der Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e, der Ansaugluftmenge Q_a, der Drosselposition Θ, der Kühlwassertemperatur WD, und so weiter, und sie berechnet einen Zielwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit Hilfe des Mikroprozessors 74 auf der Basis der genannten Daten sowie eines zuvor im ROM-Speicher 75 gespeicherten Programms. Weiter korrigiert der Steuerteil 7 die Zeit zum Öffnen des Ventils der Einspritzeinrichtung 6 auf der Basis des Luft-Kraftstoff-Zielverhältnisses, das aus dem Ausgangssignal V_O des durch Messen erhaltenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gewonnen wird; und er bewirkt eine Rückführungsregelung des dem Motor 30 zugeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Richtung des Luft-Kraftstoff-Zielverhältnisses durch Einspritzen von Kraftstoff während der Öffnungszeit des Ventils der Einspritzeinrichtung 6.

Der RAM-Speicher 76 speichert vorübergehend die vom Steuerteil 7 verarbeiteten Daten.

Nachfolgend wird eine Beschreibung des Zeitdiagramms der Fig. 8 für den Fall der Auslösung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1 gegeben, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nach dem Anlassen des Motors fett ist.

Beim Anlassen des Motors 30 löst die Heizeinrichtung 12 aufgrund eines vom Mikroprozessor 74 über die Ausgangsschnittstelle 77b zur Heizersteuerschaltung 25 gelieferten Befehls die Erwärmung aus.

Beim Erwärmen bleibt, wenn die Temperatur T_S der Sensoreinrichtung 11 etwa 400°C oder weniger beträgt, die elektromotorische Kraft V_S des Sauerstoff-Konzentrationszellen-Elements 11b niedrig. Infolgedessen ist die Eingang am Differenz-Integrationsverstärker 21 groß, so daß ein hohe Pumpspannung V_P an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt wird. Es erscheint eine Pumpausgangsspannung V_PO als positives Ausgangssignal, weil im nicht invertierenden Verstärker 33 die Gegenspannung V_PB der Pumpenspannung V_P hinzugefügt wird. In diesem Falle fließt nur ein kleiner Pumpstrom I_p, weil die Impedanz des Sauerstoffpumpelementes 11a groß ist, so daß die Ausgangsspannung V_O des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im wesentlichen der Gegenspannung V_B entspricht.

Wenn die Temperatur T_S der Sensoreinrichtung 11 etwa 400°C bis 500°C erreicht, steigt die elektromotorische Kraft V_S des Sauerstoff-Konzentrationszellen-Elements 11b auf ungefähr die Bezugsspannung V_ref an. In diesem Zeitpunkt wird eine Konstantregelung der elektromotorischen Kraft V_S des Sensors auf den Pegel V_ref herbeigeführt, so daß die Pumpspannung V_B allmählich so konvergiert, daß Sauerstoff an die Diffusionskammer 11c geliefert wird; das heißt, die Ausgangspumpspannung V_PO folgt der Beziehung V_PO V_PB, so daß der Pumpenstrom I_p einen Wert annimmt, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der momentan gegebenen Situation anzeigt. Die Konvergenz der Pumpspannung V_B und des Pumpstromes I_p endet, wenn die Temperatur T_S der Sensoreinrichtung 11 ungefähr 700°C erreicht.

Bei den herkömmlichen Techniken wird die Aktivierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors wie folgt angesetzt. Entsprechend der Berechnung der Zeitdauer, in der die Temperatur T_S etwa 700°C erreicht, wird eine Zeitperiode festgesetzt; und die Entscheidung über die Aktivierung erfolgt, wenn die durch den Zeitgeber gesetzte Zeitperiode abgelaufen ist. Bei einer anderen Technik erfolgt die Entscheidung über die Aktivierung dann, wenn die Ausgangspumpspannung V_PO in einem zulässigen Spannungsbereich V_PO ± V_P liegt. Bei einer weiteren Technik erfolgt die Entscheidung über die Aktivierung der Sensoreinrichtung durch eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der elektromotorischen Kraft V_F der Sensoreinrichtung sowie durch die Feststellung, daß ein Fehler V_S zwischen der elektromotorischen Kraft V_S und der Bezugsspannung V_ref in einem vorbestimmten Bereich liegt, und daß die Pumpausgangsspannung V_PO innerhalb eines vorbestimmten, zulässigen Spannungsbereiches V_PB±V_PB liegt. Die konventionellen Verfahren zur Entscheidung über die Aktivierung des Sensors weisen jedoch Nachteile auf.

Bei Feststellung des Endes der Aktivierung nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitdauer seit Beginn der Erwärmung durch die Heizeinrichtung 12 wird die Sensoreinrichtung manchmal nicht aktiviert, obwohl die durch den Zeitgeber in Abhängigkeit vom Betrieb des Motors nach dem Anlassen bestimmte Zeitperiode abgelaufen ist. Somit kann keine richtige Entscheidung über die Aktivierung getroffen werden. Dementsprechend mußte für die Zeitperiode ein großer Sicherheitsfaktor festgelegt werden, selbst wenn mit Zeitgeber gearbeitet wurde. Dies hatte eine relativ lange Zeitdauer für die Entscheidung über die Aktivierung der Sensoreinrichtung zur Folge.

Wird über die Aktivierung der Sensoreinrichtung in Abhängigkeit davon entschieden, daß die Zwischenelektrodenspannung zwischen dem Zellenelement 11b und dem Sauerstoffpumpelement 11a in einem vorbestimmten Bereich liegt, unter der Bedingung, daß elektrischer Strom an das Sauerstoffpumpelement geliefert wird, wird eine zusätzliche Erfassungsschaltung benötigt, um die Zwischenelektrodenspannung zwischen dem Zellenelementen 11b und dem Sauerstoffpumpelement 11a zu erfassen. Die zusätzliche Erfassungsschaltung vergrößert die Schaltungsstruktur. Weiter wird dauernd eine große Spannung an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt, während die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig ist, mit der Folge, daß sich die Eigenschaften der Sensoreinrichtung verschlechtern und die Dauerhaftigkeit der Sensoreinrichtung Schaden nimmt. Da weiter die Temperatur, für die die Aktivierung der Sensoreinrichtung festgesetzt ist, nur 400°C bis etwa 500°C beträgt, und die Temperatur der Sensoreinrichtung keine 700°C erreicht, was der übliche Wert ist, wird der Fehler des Luft-Kraftstoff- Ausgangsverhältnisses wegen der Temperaturabhängigkeit der Sensoreinrichtung 11 groß.

Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor zu schaffen, mit dem sich ohne eine zusätzliche Schaltung zum Erfassen der Spannung zwischen einem Zellenelement und einem Pumpelement der Aktivierungszeitpunkt des Sensors mit hoher Präzision und ohne eine Verschlechterung der Sensor-Eigenschaften und weiterhin eine Sensor-Störung erfassen lassen.

Diese Aufgabe wird für einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor der eingangs genannten Art gelöst, indem der Luft-Kraftstoff- Verhältnissensor eine Pumpstrom-Abschalteinrichtung zum intervallartigen Unterbrechen der Zufuhr des Pumpstroms innerhalb vorbestimmter Zeitintervalle enthält, wobei die Pumpstrom-Abschalteinrichtung zu Beginn der Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung betätigbar ist, und durch Regelmittel zum Regeln der Unterbrechung des Pumpstroms.

Demnach kann eine Qualitätsminderung oder ein Bruch in der Sensoreinrichtung verhindert werden, da der Pumpstrom oder der Steuerstrom während der Durchführung der Entscheidung über den aktiven Zustand der Sensoreinrichtung im wesentlichen nicht fließt. Da weiter die Entscheidung über die Aktivierung ohne die Erfassung einer Spannung in der Sensoreinrichtung durchgeführt wird, kann eine Erfassungsschaltung entfallen.

Weiter kann eine korrekte Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe erzielt werden, da diese erst nach der ausreichenden Steigerung der Temperatur der Sensoreinrichtung erfolgt. Ein Störzustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors kann in einfacher Weise ohne eine speziell hierfür vorgesehene Schaltung erfaßt werden.

Eine vollständigere Würdigung der Erfindung und vieler ihrer Vorteile ergibt sich aufgrund des besseren Verständnisses derselben unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung;

Fig. 7 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors;

Fig. 8 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise des herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors wiedergibt;

Fig. 9 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer dritten Ausführungsform des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 12 ist ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 14 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 15 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in allen verschiedenen Ansichten bezeichnen, und insbesondere bezugnehmend auf Fig. 1, zeigt diese das Schaltbild eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1, eines Steuerverstärkers 2A und eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteils 7A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das die Operation der Entscheidung über die Aktivierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1 wiedergibt; und Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, das die Operation der Bestimmung der Aktivierung wiedergibt.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 24 einen Pumpstromschalttransistor, der mit dem Kollektor an eine Ausgangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21, und mit der Basis an die Ausgangsschnittstelle 77b angeschlossen ist, so daß der Transistor ein- bzw. ausgeschaltet wird, entsprechend dem von der Ausgangsschnittstelle 77b gelieferten Ausgangssignal. Bei der ersten Ausführungsform ist kein Multiplexer 71b vorgesehen. Die anderen Bauelemente sind die gleichen wie die des herkömmlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben. Wenn der Motor 30 angelassen ist, werden Daten wie etwa die Motorumdrehungszahl N_e, die Ansaugluftmenge Q_a, und dergleichen, in den Mikroprozessor 74 im Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil 7A eingegeben; und in Schritt 101 der Fig. 2 wird ermittelt, ob der Motor 30 regelmäßig arbeitet, oder nicht. Wenn der Motor nicht regelmäßig arbeitet, wird in Schritt 102 über den Anlaßmodus entschieden. Im vorliegenden Falle wird die Entscheidung über den Anlaßmodus nicht getroffen, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e einen vorbestimmten Wert erreicht, oder darunter liegt.

Dann wird in Schritt 103 durch die Ausgangsschnittstelle 77b der Pumpstromabschalttransistor 24 im Steuerverstärker 2A eingeschaltet. Durch Einschalten des Pumpstromabschalttransistors 24 wird die Ausgangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an Masse gelegt, so daß kein Pumpstrom I_b an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert wird.

In Schritt 104 wird durch die gleiche Ausgangsschnittstelle 77b wie in Schritt 103 die Heizeinrichtungs-Steuerschaltung 25 eingeschaltet. Dadurch wird Leistung an die Heizeinrichtung 12 geliefert, so daß die Sensoreinrichtung 11 erwärmt wird.

In Schritt 105 erfolgt die Steuerung des Kraftstoffes während der Anlaufzeit des Motors im rückführungslosen (O/L) Luft/Kraftstoff (L/K) Steuermodus.

In Schritt 106 wird ein Zeitgeber auf die Zeitdauer t₀ eingestellt. Wenn in Schritt 107 die Zeitdauer t₀ im Zeitgeber abgelaufen ist, wird in Schritt 108 der Pumpstromabschalttransistor 24 abgeschaltet. Dann wird die Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an das Pumpelement 11a angelegt, so daß die Zwischenelektrodenspannung des Zellenelementes 11b die Bezugsspannung V_ref annimmt, wodurch der Pumpstrom I_p an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert wird.

In Schritt 109 wird ein Zeitgeber auf die Zeitdauer t₁ eingestellt, sobald der Pumpstromabschalttransistor 24 abgeschaltet ist, woraufhin die Zufuhr des Pumpstroms während der Betriebsdauer t₁ des Zeitgebers fortgesetzt wird. Während des Betriebs des Zeitgebers wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabesignal V_O, das dem Pumpstrom I_p entspricht, vom Analog-Digital-Umsetzer 72b entsprechend umgesetzt; und in Schritt 110 werden in Digitalform umgewandelte Datum vom Mikroprozessor 74 gelesen.

Die durch den Zeitgeber t₁ bestimmte Betriebsdauer kann einen Wert von nicht mehr als 100 msek annehmen oder noch kleiner sein, je nach der Ansprechcharakteristik des Sensors und der PI-Konstanten des Differenz-Integrationsverstärkers 21, wohingegen die Betriebsdauer des Zeitgebers t₀ auf etwa 1 sek bis etwa 2 sec festgesetzt ist.

Wenn in Schritt 111 die Betriebsdauer des Zeitgebers t₁ abgelaufen ist, wird in Schritt 112 der Pumpstromabschalttransistor 24 erneut eingeschaltet, um die Zufuhr des Pumpstroms I_p zu unterbrechen.

In Schritt 113 wird darüber entschieden, ob das Ausgangssignal V_O des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kurz vor Ende der Betriebsdauer des Zeitgebers t₁ einen vorbestimmten oder größeren Wert erreicht, das heißt, es wird darüber entschieden, ob der Absolutwert des Pumpstroms I_p einem vorbestimmten Wert entspricht oder größer als dieser ist. Wenn das Ausgangssignal V_O des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den vorbestimmten Wert nicht erreicht, werden die Prozeduren der Schritte 106 bis 113 wiederholt.

Falls jedoch das Ausgangssignal V_O des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses den vorbestimmten Wert erreicht oder größer als dieser ist, wird in Schritt 114 ein Zeitgeber auf eine Zeitdauer t₂ eingestellt. Wenn in Schritt 115 der Zeitgeber t₂ abgelaufen ist, trifft in Schritt 116 der Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteil 7A die Entscheidung, daß die Sensoreinrichtung aktiviert und der Pumpstrom abschalttransistor 24 abgeschaltet wird, um den Pumpstrom I_p zu liefern, wodurch eine gleichmäßige Regelung einer Spannung am Zellenelement 11b erfolgt.

In Schritt 117 wird der Wert des Ausgabesignals V_O des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gelesen, so daß in Schritt 118 eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Zielverhältnisses unter Benutzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabesignals V_O durchgeführt wird.

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm das angibt, wie über die Aktivierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors beim Anlassen des Motors entschieden wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis beim Anlassen fett ist. Fig. 3a zeigt, daß die Heizeinrichtung 12 beim Anlassen des Motors 30 eingeschaltet wird. Fig. 3b zeigt, daß der Pumpstrom I_p während der Zeitdauer t₁, an das Pumpelement 11a in jedem Intervall t₀ + t₁ geliefert wird. Die Fig. 3c bzw. 3d zeigen die Änderungen der Spannung V_S des Zellenelements 11b unter der Bedingung der Fig. 3 bzw. des Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabesignals V_O; und sie zeigen den oberen und den unteren Bestimmungspegel V_H und V_L für die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe V_O.

Gemäß Fig. 3 ist die Temperatur der Sensoreinrichtung während der ersten und der zweiten Zeitdauer t₁, in der der Pumpstrom I_p nach dem Anlassen des Motors geliefert wird, niedrig. Dabei ist auch die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b klein, während der Innenwiderstand des Sauerstoffspumpelements 11a zu groß ist, um den Pumpstrom I_p zu liefern. Infolgedessen verläuft das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabesignal entsprechend der Gegenspannung V_B (weil I_p=0 ist), obwohl die Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 groß ist.

In dem Maße, wie die Temperatur der Sensoreinrichtung ansteigt und die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b zunimmt, nimmt der Innenwiderstand des Sauerstoffpumpelementes 11a ab, wodurch der Pumpstrom I_p geliefert wird, um Sauerstoff freizusetzen. Wenn der Pumpstrom I_p geliefert wird, wird durch den Differenz-Integrationsverstärker 21 Spannung an das Sauerstoffpumpelement 11a gelegt, so daß Sauerstoff von der Diffusionskammer 11c zum Sauerstoffpumpelement 11a gespeist wird, mit der Folge, daß die Spannung V_S des Zellenelements 11b auf die Bezugsspannung V_ref ansteigt, so daß der Pumpstrom I_p geliefert wird. Infolgedessen wächst das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabesignal V_O allmählich relativ zur Gegenspannung V_B an.

Fig. 3d zeigt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe signal V_O einen vorbestimmten, oberen Entscheidungspegel V_OH nach dem vierten Ablauf der Zeitdauer t₁ übersteigt. Die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 liegt in diesem Moment bei 500°C oder darüber. Die Prozedur zum Unterbrechen des Pumpstromes I_p wird solange fortgesetzt, bis durch Einstellen des Zeitgebers auf die Zeitdauer t₂ die Temperatur der Sensoreinrichtung stabil wird, das heißt, etwa 700°C oder mehr annimmt, was eine in der Praxis benutzte Temperatur ist.

Bei der ersten Ausführungsform wird, wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig und die Regelung zur Stabilisierung der Spannung des Zellenelementes 11b nicht erreicht wird, die Spannung nur für eine kurze Zeit, die vom Zeitgeber t₁ bestimmt wird, an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt. Infolgedessen besteht keine Gefahr, daß eine Schädigung oder ein Bruch der Sensoreinrichtung durch die Aktivierung verursacht wird. Weiter ermöglicht die oben beschriebene erste Ausführungsform das Treffen der Entscheidung über die Aktivierung ohne eine Erfassungsschaltung zur Erfassung der Spannung V_S des Zellenelementes 11b und der Spannung V_T des Sauerstoffpumpelementes 11a.

Bei der ersten Ausführungsform wird der letzte Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabesignals, der während der Zeitdauer t₁ gemessen wurde, dazu benutzt, den Zeitgeber t₂ in Betrieb zu setzen. Da aber die Zeitdauer des Zeitgebers t₁ unveränderlich ist, kann die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe V_O benutzt werden, die nur ein einziges Mal kurz vor dem Ende der Zeitdauer t₁ gemessen wurde.

Weiter wurde bei der ersten Ausführungsform der Fall beschrieben, daß die Zeitdauer jedes Zeitgebers t₀ und t₂ fest eingestellt ist. Die Zeitdauern können jedoch entsprechend einem gegebenen Betriebszustand geändert werden, um eine schnellere Entscheidung über die Aktivierung zu erhalten. Speziell kann die Zeitdauer als eine in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur WT abnehmende Funktion festgesetzt werden.

Fig. 4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1A und eines Steuerverstärkers 2B entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor 1A umfaßt eine Sensoreinrichtung 11A und die Heizeinrichtung 2, die auch bei der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die Sensoreinrichtung 11A umfaßt ein Sauerstoffpumpelement 11a, ein Sauerstoff-Konzentrationszellen-Elemente 11b, eine Diffusionskammer 11c und einen Bezugselektrodenspalt 11e. Der Bezugselektrodenspalt 11e steht einer Elektrode gegenüber, die ein Elektrodenpaar mit einer anderen Elektrode bildet, die an der der Diffusionskammer 11c des Zellenelementes 11b gegenüberliegenden Seite befestigt ist.

Der Steuerverstärker 2B umfaßt einen Pufferspeicher 27 und eine Konstantstromquelle 28, die nicht in dem bei der ersten Ausführungsform benutzten Steuerverstärker 2A vorgesehen sind. Der Puffer 27 besitzt eine nicht invertierende Eingangsquelle, die an die Elektrode auf Seiten des Bezugselektrodenspaltes 11e des Zellenelementes 11b angeschlossen ist, sowie eine Ausgangsklemme, die an den Differenz-Integrationsverstärker 21 angeschlossen ist. Die Konstantstromquelle 28 ist mit der Elektrode auf Seiten des Bezugselektrodenspaltes 11e des Zellenelementes 11b verbunden.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das in Fig. 5 dargestellte Zeitdiagramm beschrieben. Das in Fig. 2 dargestellte Zeitdiagramm ist auch bei der zweiten Ausführungsform anwendbar.

Wenn die Sensoreinrichtung 11A aktiviert wird, fließt ein Injektionsstrom I_C von einigen 10 µA von der Konstantstromquelle 28 durch die auf Seiten des Bezugselektrodenspalts 11e des Zellenelements 11b angeordnete Elektrode zu der auf Seiten der Diffusionskammer 11e angeordnete Elektrode, wodurch der Partialdruck des Sauerstoffs auf einigen Prozent gehalten werden kann. Der Bezugselektrodenspalt 11e hat nämlich die gleiche Funktion wie die Umgebungsluftkammer 11d der ersten Ausführungsform.

Wenn der Innenwiderstand des Zellenelements 11b mit R, die elektromotorische Kraft mit E und der durch das Zellenelement fließende Strom mit I_C bezeichnet wird, kann die Spannung V_S des Zellenelementes 11b wie folgt berechnet werden:

V_S = R · I_C + E

Gemäß Fig. 5 besteht die Beziehung R·I_C » E bis zum ersten und zweiten Ablauf der Zeitdauer t₁, bei denen die Temperatur der Sensoreinrichtung niedrig ist. Entsprechend zeigt die Spannung V_S des Zellenelementes 11b einen Wert, der größer als V_ref ist, was im Gegensatz zur ersten Ausführungsform steht, wobei die Richtung der Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 derjenigen der ersten Ausführungsform entgegengesetzt ist. Dennoch fließt kein Pumpstrom I_t, weil der Innenwiderstand des Sauerstoffpumpelements 11a ebenso groß ist wie bei der ersten Ausführungsform. Infolgedessen die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O in Höhe der Gegenspannung V_B. Wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 erhöht wird, nimmt der Innenwiderstand R ab und die elektromotorische Kraft E steigt an, so daß die Spannung V_S allmählich bis zur Konvergenz mit der Abgasatmosphäre abnimmt. Fig. 5 zeigt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist und daß der Konvergenzwert etwa 1 Volt beträgt.

Wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 hoch wird, nimmt die Spannung V_S ab. Der Innenwiderstand des Sauerstoffpumpelements 11a nimmt ab und für den Transport von Sauerstoff wird der Pumpstrom I_p hindurchgeleitet. Durch den Differenz-Integrationsverstärker 21 wird während der Zeit der Zufuhr des Stromes I_p eine Spannung an das Sauerstoffpumpenelement 11a angelegt, so daß die Spannung V_S auf den Bezugswert V_ref reduziert wird. Dadurch wird der Pumpstrom I_p in der Richtung der Einspeisung des Sauerstoff in die Diffusionskammer 11c geliefert. Demgemäß steigt der Pumpstrom I_B allmählich in einer Richtung an, die dem bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Fall entgegengesetzt ist. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O wird nämlich zunehmend kleiner als die Gegenspannung V_B, so daß die Ausgangsspannung V_O niedriger als der Ausgangsentscheidungswert V_OL nach dem vierten Ablauf der Zeitdauer t₁ wird. Entsprechend kann die Entscheidung über die Aktivierung in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform getroffen werden.

Fig. 9 zeigt das Schaltbild eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors 1, eines Steuerverstärkers 2C und eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerteils 7A entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der dritten Ausführungsform ist die Schaltung des Steuerverstärkers 2C die gleiche wie die des in der zweiten Ausführungsform benutzten Steuerverstärkers 2A, außer daß ein Zwei-Richtungs-Spannungsbegrenzer 26 hinzugefügt worden ist, und daß ein Steuerstromabschalttransistor 29 anstelle des Pumpstromabschalttransistors 24 verwendet wird. Der Zwei-Richtungs-Spannungsbegrenzer 26 ist parallel an das Sauerstoffpumpelement 11a angeschlossen und besteht aus einem Paar von jeweils drei in Reihe geschalteten Dioden.

Bei der dritten Ausführungsform mit dem Zwei-Richtungs-Spannungsbegrenzer 26 kann der Bereich einer an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegten Spannung in den Grenzen von ± 1.8 Volt gesteuert werden. In der Parallelschaltung fließt der Steuerstrom I_p.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 10 beschrieben.

Wenn der Motor 30 angelassen wird, werden Informationen wie etwa die Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e, die Ansaugluftmenge Q_a, und dergleichen, an den Mikroprozessor 74 geliefert. In Schritt 201 erfolgt dann die Entscheidung darüber, ob der Motor 30 einwandfrei läuft, oder nicht. Wenn der Motor nicht regelmäßig läuft, wird in Schritt 202 darüber entschieden, ob der Motor im Startmodus läuft. Die Entscheidung über den Startmodus wird getroffen, wenn die Motorumdrehungszahl N_e einen vorbestimmten Wert aufweist oder darunterliegt.

In Schritt 203 wird der Steuerstromabschalttransistor 29 durch die Ausgangsschnittstelle 77b eingeschaltet, wodurch die Ausgangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an Masse gelegt wird, so daß sie keinen Steuerstrom an das Sauerstoffpumpelement 11a liefert.

In Schritt 204 wird eine Heizeinrichtungs-Steuerschaltung 25 eingeschaltet, um Leistung an Heizeinrichtung 12 zu liefern. Dann wird die Erwärmung der Sensoreinrichtung 11 eingeleitet. In Schritt 205 erfolgt die Kraftstoffsteuerung während der Startzeit des Motors.

In Schritt 206 wird ein Zeitgeber t₀ eingestellt. Wenn in Schritt 207 der Zeitgeber t₀ abgelaufen ist, wird in Schritt 208 der Steuerstromabschalttransistor 29 abgeschaltet. Dann wird die Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an eine Parallelschaltung angelegt, die aus dem Sauerstoffpumpelement 11a und dem Zwei-Richtungsspannungs-Begrenzer 26 besteht, so daß die Zwischenelektrodenspannung V_S des Zellenelements 11b einer Bezugsspannung V_ref entspricht und ein Steuerstrom I_p durchgeleitet wird.

In Schritt 209 wird ein Zeitgeber t₁ eingestellt. Das Auslösen der Steuerstromunterbrechungsoperation des Steuerstromabschalttransistors 29 wird während des Betriebs des Zeitgebers t₁ fortgesetzt.

In Schritt 210 wird die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O entsprechend dem Steuerstrom I_P durch einen Analog-Digitalumsetzer 72b umgewandelt, und der umgewandelte Wert wird vom Mikroprozessor 74 gelesen.

Wie bei der ersten Ausführungsform kann die Zeitdauer des Zeitgebers t₁ kurz sein und etwa 100 µsek oder weniger betragen, während die Zeitdauer des Zeitgebers t₀ im Bereich von etwa 1 bis 2 sek liegt.

Wenn in Schritt 211 die Zeitdauer des Zeitgebers t₁ abgelaufen ist, wird in Schritt 212 der Steuerstromabschalttransistor 29 erneut eingeschaltet, um die Zufuhr des Steuerstromes I_p zu unterbrechen.

In Schritt 213 erfolgt die Entscheidung darüber, ob die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O im Zeitpunkt kurz bevor die Zeitdauer des Zeitgebers t₁ abläuft, im vorbestimmten, zulässigen Bereich lag oder nicht. Wenn die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O außerhalb dieses Bereichs liegt, werden die Prozeduren der Schritte 206 bis 213 wiederholt.

Falls jedoch die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O in den zulässigen Bereich fällt, wird in Schritt 214 ein Zeitgeber t₂ eingestellt.

Wenn in Schritt 215 die Zeitdauer des Zeitgebers t₂ abgelaufen ist, wird entschieden, daß die Sensoreinrichtung 11 aktiviert worden ist. Dann wird der Steuerstromabschalttransistor 29 ausgeschaltet, um in Schritt 216 den Steuerstrom I_p durchzulassen, und am Zellenelement 11b wird eine Konstantspannungsregelung durchgeführt.

In Schritt 217 wird die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O gelesen, und in Schritt 218 wird eine Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung durchgeführt.

Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm zur Bestimmung der Aktivierung der Sensoreinrichtung beim Starten des Motors, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung zur Startzeit fett ist.

Fig. 11a zeigt, daß die Heizeinrichtung 12 mit dem Anlassen des Motors 30 eingeschaltet wird. Fig. 11b zeigt, daß der Steuerstrom während jeder Zeitdauer von t₁ im Intervall t₀ + t₁ geflossen ist. Die Fig. 11c und 11d zeigen Änderungen der Spannung V_S der Zelleneinrichtung und der Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O, sowie einen zulässigen Bereich V_OH der Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O entsprechend dem Betrieb des Steuerstromabschalttransistors 29.

Gemäß Fig. 11 ist beim ersten und zweiten Ablauf der Zeitdauer t₁, in welchem der Steuerstrom I_p durchgelassen wird, die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig. Entsprechend ist die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b niedrig und der Innenwiderstand des Sauerstoffpumpelements 11a hoch. In diesem Zustand fließt kein Pumpstrom, und entsprechend umgeht der Steuerstrom des Differenz-Integrationsverstärkers 21 den Zwei-Richtungsspannungs-Begrenzer 26, wodurch die Spannung an beiden Enden des Sauerstoffpumpelements 11a auf etwa 1.8 V gehalten wird. Demgemäß weist die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O wegen des Bypaßstromes einen hohen Wert auf.

In dem Maße, wie die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 erhöht wird, steigt die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelements 11b an, während der Innenwiderstand des Sauerstoffpumpelements 11a verringert wird und einen Pumpstrom erzeugt. Wenn der Pumpstrom zur Lieferung von Sauerstoff durchgeleitet wird, während der Auslösung der Steuerstromunterbrechungsoperation durch den Steuerstromabschalttransistor 29 wird eine Konstantspannungsregelung des Zellenelements 11b durchgeführt. Dann erreicht die Spannung an beiden Enden des Pumpelements 11a etwa 1.8 V oder weniger. Anschließend wird die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O durch den Steuerstrom bestimmt, der im Sauerstoffpumpelement 11a fließt.

Fig. 11 zeigt den Fall, daß die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O beim vierten Ablauf der Zeitdauer t₁ in den zulässigen Bereich V_OH fällt. Die Temperatur des Sensors beträgt im Falle, daß die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_A im zulässigen Bereich V_OH liegt, 500°C oder mehr. Die Zufuhr des Steuerstroms I_p wird jedoch solange fortgesetzt, bis die Temperatur durch den Zeitgeber t₂ etwa 700°C oder mehr erreicht, was der praktisch benutzte Temperaturbereich ist. Der zulässige Bereich V_OH kann unter Berücksichtigung des Bereiches der Sensorausgangsspannung in bezug auf das benutzte Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung bestimmt werden.

Bei der dritten Ausführungsform wird, wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig ist und eine Konstantspannungsregelung an dem Zellenelemente 11b nicht bewirkt wird, während einer nur kurzen Zeitdauer des Zeitgebers t₁ eine Spannung an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt. Daher besteht keine Gefahr der Beschädigung oder des Bruches der Sensoreinrichtung während der Entscheidungsfindung über die Aktivierung der Sensoreinrichtung. Weiter kann die Entscheidung über die Aktivierung ohne eine Erfassungsschaltung zur Erfassung der Spannung V_S des Zellenelementes 11b und der Pumpspannung V_t getroffen werden.

Bei der dritten Ausführungsform wird die Operationsdauer der Zeitgeber t₀ und t₂ konstant gehalten. Die Operationsdauer der Zeitgeber kann als abfallende Funktion in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur WT festgesetzt werden, so daß die Operationsdauer in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen geändert wird, um eine schnellere Entscheidung über die Aktivierung zu treffen.

Fig. 12 zeigt das Schaltbild eines Luft-Kraftstoff-Sensoreinrichtung 1A und eines Steuerverstärkers 2B gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des Steuerverstärkers 2D ist der gleiche wie der des Steuerverstärkers 2B, der bei der zweiten Ausführungsform verwendet wurde, ausgenommen, daß ein Zwei-Richtungsspannungs-Begrenzer 26 einbezogen ist. Weiter hat der Bezugselektrodenspalt 11a die gleiche Funktion wie die Umgebungsluftkammer 11d.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 10 und auf das Zeitdiagramm der Fig. 13 beschrieben.

Beim ersten und zweiten Durchlauf der Operation des Zeitgebers t₁ ist die Temperatur der Sensoreinrichtung niedrig, so daß die Beziehung R·E_C » E besteht. In diesem Falle besitzt die Spannung V_S des Zellenelementes 11b einen höheren Wert als V_ref, was im Gegensatz zu dem zum Falle der dritten Ausführungsform steht. Ein Steuerstrom des Differenz-Integrationsverstärkers 21 fließt in einer Richtung, die derjenigen des Falles der dritten Ausführungsform entgegengesetzt ist, und die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O nimmt das Massepotential an. Wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung erhöht und der Innenwiderstand R verringert und damit die elektromotorische Kraft E gesteigert wird, wird die Spannung V_S des Zellenelementes 11b allmählich kleiner, so daß die Spannung V_S zur Spannung der Umgebungsluft im Abgassystem konvergiert.

Fig. 13 zeigt den Fall, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist und der Konvergenzwert etwa 1 Volt beträgt.

Während der Dauer des vierten Durchlaufs der Operation des Zeitgebers t₁ wird die Steuerstromunterbrechungsoperation durch den Steuerstromabschalttransistor 29 unter der Bedingung ausgelöst, daß die Temperatur der Sensoreinrichtung gestiegen ist. In diesem Falle liefert das Sauerstoffpumpelement 11a Sauerstoff. Am Zellenelement 11b erfolgt eine Konstantspannungssteuerung, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis V_O nimmt einen durch den Steuerstrom bestimmten Wert an.

Bei der vierten Ausführungsform gelangt die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O in den zulässigen Bereich V_OL. Somit kann die Entscheidung über die Aktivierung der Sensoreinrichtung getroffen werden.

Fig. 14 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Operationen der Schritte 201 bis 218 sind die gleichen wie die der dritten Ausführungsform.

In Schritt 220 wird ein Zähler N rückgesetzt.

In Schritt 213 erfolgt im Falle der Fällung eines Urteils darüber, daß die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_RO außerhalb des zulässigen Bereiches liegt in Schritt 221 eine Entscheidung darüber, ob ein gegebener Wert des Zählers N einer vorbestimmten Zahl NL entspricht oder größer als diese ist. Wenn der Wert einen geringeren Betrag als NL besitzt, wird in Schritt 222 der Wert +1 dem Zähler N hinzugefügt. Dann werden die Operationen der Schritte 206 bis 213 wiederholt.

Wenn in Schritt 221 der Wert N < NL ist, wird die Entscheidung gefällt, daß die Sensoreinrichtung anormal arbeitet. Dann wird in Schritt 223 die an die Heizeinrichtung 12 gelieferte Leistung unterbrochen, woraufhin in Schritt 224 eine Behandlung der Anomalie der Sensoreinrichtung durchgeführt wird. Wenn beispielsweise beim Sauerstoffpumpelement 11a der Schaden eines Drahtbruches auftritt, wird keinerlei Steuerstrom an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert, und demgemäß wird am Zellenelemente 11b auch keine Konstantspannungsregelung durchgeführt, so daß der vom Differenz-Integrationsverstärker 21 gelieferte Steuerstrom vom Zwei-Richtungsspannungs-Begrenzer 26 absorbiert wird und die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O ungeachtet der Temperatur der Sensoreinrichtung stets den zulässigen Bereich überschreitet. In diesem Falle wird in Schritt 221 die Beziehung N < NL aufgestellt, also eine Entscheidung über die Anomalie der Sensoreinrichtung getroffen.

Gemäß der fünften Ausführungsform kann eine Störung in Hinblick auf eine Anomalie der Sensoreinrichtung, wie etwa den Drahtbruch in der Heizeinrichtung 12 oder am Sauerstoffpumpelement 11a oder eine Anomalie der elektromotorischen Kraft des Zellenelementes 11b, oder dergleichen, auch dann erfaßt werden, wenn eine Aktivierungsentscheidung abgewickelt wird, und zwar ohne die Einrichtung einer weiteren Erfassungsschaltung zur Erfassung der Anomalie der Sensoreinrichtung. Weiter kann eine rasche Anomalieentscheidung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors durch Ändern des Zählwertes NL des Zählers gemäß der Kühlwassertemperatur WT durchgeführt werden.

Fig. 15 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Operationen der Schritte 201 bis 218 und 220 bis 224 sind dieselben wie die bei der fünften Ausführungsform.

Nach der Entscheidung über das Vorliegen des regulären Betriebsmodus in Schritt 201 wird in Schritt 217 die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O gelesen. Dann wird in Schritt 230 eine Entscheidung darüber getroffen, ob die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O in den vorbestimmten Bereich fällt. Fällt die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O in den vorbestimmten Bereich, wird in Schritt 231 ein Zeitgeber t₃ eingestellt.

In Schritt 218 wird die Regelung für das Luft-Kraftstoff-Zielverhältnis durchgeführt, und die Operation kehrt nach Schritt 201 zurück.

Wenn in Schritt 230 die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O außerhalb des vorbestimmten Bereiches liegt, wird in Schritt 232 der den anormalen Zustand betreffende rückführungslose Luft-Kraftstoffregelungsmodus ohne Benutzung der Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabespannung V_O durchgeführt.

In Schritt 233 wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob die Zeitdauer des Zeitgeber t₃ abgelaufen ist, oder nicht. Im Falle der Antwort JA, wenn also die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe während des regelmäßigen Betriebs des Motors über eine vorbestimmte Zeitdauer außerhalb des zulässigen Bereiches liegt, wird in Schritt 234 der Steuerstrom unterbrochen. Dann geht die Folgeoperation nach Schritt 220 zurück, um die Entscheidung über die Aktivierung und die Entscheidung der Anomalie zu treffen.

Gemäß der sechsten Ausführungsform ist es möglich, eine Entscheidung darüber zu fällen, ob eine Anomalie durch die zeitweise Inaktivierung aufgrund der Verringerung der Temperatur der Sensoreinrichtung oder durch die Sensoreinrichtung selbst verursacht wird, und zwar im Falle, daß die Anomalie dauernd während des Betriebs des Motors bei der Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe verursacht wird.

Bei der dritten bis sechsten Ausführungsform wird als Zwei-Richtungsspannungs-Begrenzer 26 ein Paar von in Reihe geschalteten Dioden verwendet. Es kann aber auch ein anderer Typ einer Spannungsbegrenzerschaltung verwendet werden.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Qualitätsverminderung oder ein Bruch von Sensoreinrichtungen verhindert werden, weil der Pumpstrom oder der Steuerstrom während der Durchführung der Entscheidung über die Aktivierung der Sensoreinrichtung im wesentlichen nicht durchgelassen wird. Da weiter die Entscheidung über die Aktivierung ohne Erfassung einer Spannung in der Sensoreinrichtung durchgeführt werden kann, kann eine Erfassungsschaltung entfallen.

Weiter kann eine korrekte Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe erzielt werden, da die Luft-Kraftstoff-Verhältnisausgabe erst nach der ausreichenden Steigerung der Temperatur der Sensoreinrichtung verwendet wird.

Zudem wird in einem vorbestimmten Intervall seit Beginn der Leistungszufuhr an die Heizeinrichtung ein Steuerstrom geliefert. Sodann erfolgt das Urteil über die Anomalie der Sensoreinrichtung dann, wenn die Anzahl der Abläufe der sich wiederholenden Operationen eines ersten Zeitgebers eine vorbestimmte Anzahl von Abläufen erreicht, wobei die Wiederholungsoperationen wiederholt werden, wenn die Größe des Steuerstroms außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der anormale Zustand der Sensoreinrichtung leicht ohne Hinzufügen einer speziellen Schaltung zur Erfassung der Anomalie ermittelt werden.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Entscheidung über die Aktivierung und die Entscheidung über die Anomalie gleichzeitig durchgeführt, wenn die Größe des Steuerstroms während einer vorbestimmten Zeitdauer ständig außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Unterscheidung getroffen werden, ob eine Anomalie im Sensorausgangssignal durch die zeitweilige Inaktivierung aufgrund der Verringerung der Temperatur, oder durch die Sensoreinrichtung selbst verursacht wird.

Natürlich ergeben sich zahlreiche Abänderungen und Varianten der vorliegenden Erfindung aufgrund der oben mitgeteilten Lehren. Es wird daher davon ausgegangen, daß die Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche auch in anderer Weise praktiziert werden kann, als es hier im einzelnen beschrieben wurde.

Claims

1. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor (1) mit

a) einer Sensoreinrichtung (11), die in einem Abgassystem eines Motors (30) angeordnet ist, wobei die Sensoreinrichtung (11) ein Sauerstoff-Pumpelement (11a), ein Sauerstoff-Konzentrationszellen-Element (11b) und eine Diffusionskammer (11c) aufweist,
b) einer Heizeinrichtung (12) zum Erwärmen des Sauerstoffpumpelements (11a) und des Sauerstoff-Konzentrationszellen-Elements (11b), wobei die Heizeinrichtung (12) mit einer beim Starten des Motors aktivierten Leistungs-Versorgungseinrichtung verbunden ist,
c) einer Pumpstrom-Regel-Einrichtung (21) zum Regeln des Pumpstroms (I_P), der in das Sauerstoffpumpelement (11a) fließt, damit die Spannung an dem Sauerstoff-Konzentrationszellen-Element (11b) einen vorbestimmten Wert annimmt, und
d) einer Pumpstrom-Erfassungs-Einrichtung (22) zum Erfassen des Pumpstroms (I_P),
dadurch gekennzeichnet, daß
e) der Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor (1) eine Pumpstrom-Abschalteinrichtung (24; 29) zum intervallartigen Unterbrechen der Zufuhr des Pumpenstroms (I_P) innerhalb vorbestimmter Zeitintervalle (t₁, t₂) enthält, wobei die Pumpstrom-Abschalteinrichtung (24; 29) zu Beginn der Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung (12) betätigbar ist, und
f) Regelmittel (24, 77b) zum Regeln der Unterbrechung des Pumpstroms (I_P).

2. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwei-Richtungs-Spannungsbegrenzereinrichtung (26), die parallel zum Sauerstoffpumpelement (11a) geschaltet ist.

3. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Puffer (27), der mit der Sensoreinrichtung (11) und der Pumpstromregeleinrichtung (21) verbunden ist, und durch eine Konstantstromquelle (28), die an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Puffers (27) angeschlossen ist.

4. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch das Regelmittel (74, 77b) die Zufuhr des Pumpstroms (I_P) unterbrechen läßt, sobald der Pumpstrom (I_P) einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und daß sich durch das Regelmittel (74, 77b) nach dem Ablauf eines zweiten Zeitintervalls (t₂) die Optimierung der Sensoreinrichtung (11) erfassen läßt, wobei nach dem Erfassen die Zufuhr des Pumpstroms (I_P) vorgesetzt wird.

5. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch das Regelmittel (74, 77b) die Zufuhr des Pumpstroms (I_P) unterbrechen läßt, sobald der Pumpstrom (I_P) einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und daß sich durch das Regelmittel (74, 77b) nach dem Ablauf eines zweiten Zeitintervalls (t₂) die Optimierung der Sensoreinrichtung (11) erfassen läßt, wobei nach dem Erfassen die Zufuhr des Pumpstroms (I_P) vorgesetzt wird.

6. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Zähleinrichtung zum Zählen der Anzahl der Aktivierungen der Pumpstrom-Abschalteinrichtung (24), mit der sich eine Abnormalität bei Ansteigen des Zählerstandes über einen vorbestimmten Wert erfassen läßt, wodurch sich die Zufuhr von Leistung zu der Heizeinrichtung (12) im Falle der Abnormalität unterbrechen läßt.

7. Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch das Regelmittel (74, 77b) die Aktivierung oder Abnormalität erfassen läßt, wenn bei Betrieb des Motors (30) der Pumpstrom (I_P) in einem vorbestimmten Bereich über eine vorbestimmte Zeitdauer hinweg liegt.