DE4429769C2

DE4429769C2 - Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor

Info

Publication number: DE4429769C2
Application number: DE4429769A
Authority: DE
Inventors: Sadayasu Ueno; Norio Hasegawa; Naoki Minami; Kanemasa Sato; Shiro Oouchi
Original assignee: Hitachi Automotive Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: US5580440A; JP2942445B2; DE4429769A1; JPH0755767A

Description

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis sensor, mit dem eine Sauerstoffkonzentration im Abgas über einen Pumpstrom von Sauerstoffionen ermittelt wird. Ein derartiger Sensor ist aus der DE 37 28 618 C1 bekannt.

Bisher sind Luft/Kraftstoff-Verhältnissensoren (λ-Sonden) bekannt, welche eine außenluftseitige Elektrode und eine abgasseitige Elektrode aufweisen. Die abgasseitige Elektro de ist mit einem Steuerelement für die Abgasdiffusionsge schwindigkeit bedeckt, welches auf einem eine Sauerstoffio nenleitfähigkeit aufweisenden Festkörperelektrolyt vorgese hen ist. Es erfolgt ein Ionenpumpen (im folgenden als "Pumpen" bezeichnet) von Sauerstoffmolekülen zwischen der außenluftseitigen Elektrode und der abgasseitigen Elektro de, wobei die Sauerstoffkonzentration des Abgases aus dem Pumpstrom erfaßt werden kann. Die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle wird aufgrund des Verhältnisses des Sauerstoffpartialdrucks zwischen der außenluftseitigen Elektrode und der abgasseitigen Elektrode induziert (beschrieben z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 128 349 (1985).

Derartige Luft/Kraftstoff-Verhältnissensoren weisen eine Abhängigkeit bezüglich des Abgasdrucks auf. Diese Abgas druckabhängigkeit ist in dem technischen Bericht von T. Kamo, et al., "Lean Mixture Sensor", SAE Paper 850380 (1985), beschrieben.

Gemäß dieser Schrift wird die Abgasdruckabhängigkeit abhän gig von dem Steuerelement für die Diffusionsgeschwindigkeit wie folgt klassifiziert.

1. Im Fall eines einfachen Porenfilms besteht die Diffu sion aus einer Nah-Molekulardiffusion (die Abgasdruck abhängigkeit weist ein geringes Niveau auf).
2. Im Fall eines porösen Films ist die Diffusion nahe der Knudsen-Diffusion (der Abgasdruck und der Pumpstrom weisen ein proportionales Verhältnis auf)

In den obigen beiden Fällen ist die Abgasdruckabhängigkeit des Ausgangs des Sensors so groß, daß eine Korrektur nötig ist. Die Abgasdruckabhängigkeit kann in zwei Komponenten aufgeteilt werden, eine Komponente, welche durch Motorpara meter und eine andere Komponente, welche durch den Außen luftdruck beeinflußt wird.

Die erstere kann aus Motorparametern bestimmt werden, wobei die letztere der Abhängigkeiten nicht korrigiert werden kann, bis der Außenluftdruck gemessen ist. Die Außenluft druckabhängigkeit weist eine derartige Tendenz auf, daß der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor, verglichen mit dem realen Wert bei einer großen Höhe, einen kleineren Wert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (fette Seite) ausgibt.

Da eine derartige Außenluftdruckabhängigkeit (Abgasdruck abhängigkeit) des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors den Fehler des Sensorausgangs erhöht, ist es notwendig den Sen sorausgang in Abhängigkeit von der Höhe zu korrigieren (Gebirgslagenkorrektur). Daher wurde in der Vergangenheit der Außenluftdruck unter Verwendung eines speziellen Außen luftdrucksensors gemessen (z. B. die japanische Offenle gungsschriften JP 1 159 435 (1989) und JP 4 134 152 (1992)).

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor zu realisieren, der es ermöglicht, den Au ßenluftdruck ohne einen speziellen Außenluftdrucksensor zu erfassen, wobei der Sensorausgang auch zur Steuerung von Motorparametern verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen An spruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen Aus führungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor weist eine atmosphärenseitige Elektrode und eine abgasseitige Elektrode auf, welche mit einem Steuerelement für die Dif fusionsgeschwindigkeit bedeckt ist, wobei das Steuerelement für die Diffusionsgeschwindigkeit auf einem Festkörperele ktrolyt vorgesehen ist, der eine Sauerstoffionenleitfähig keit aufweist. Weiterhin können Mittel zum Ionisieren und Pumpen von Sauerstoffmolekülen zwischen der außenluftseiti gen Elektrode und der abgasseitigen Elektrode derart vorge sehen sein, wobei die Sauerstoffkonzentration im Abgas über einen Pumpstrom von Sauerstoffionen ermittelt wird. Die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle wird auf grund des Verhältnisses des Sauerstoffpartialdrucks zwi schen der außenluftseitigen Elektrode und der abgasseitigen Elektrode induziert.

Weiterhin können Mittel vorgesehen sein, zum Einstellen ei nes Meßmodus für einen Außenluftdruck, unabhängig von dem Erfassungsmodus für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und zum Erfassen der elektromotorischen Kraft der Konzentrations zelle aufgrund dem Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks (im folgenden wird die elektromotorische Kraft der Konzen trationszelle als "elektromotorische Kraft der Konzentrati onszelle zum Messen des Außenluftdrucks" bezeichnet). Dies erfolgt durch das Pumpen einer gewissen Menge von Sauer stoffmolekülen von der außenluftseitigen Elektrode zu der abgasseitigen Elektrode oder durch das Pumpen bis zum Er reichen eines Gleichgewichtszustands unter Verwendung der Pumpmittel in dem Meßmodus für den Außenluftdruck. Weiter hin können Mittel zum Berechnen des Außenluftdrucks vorge sehen sein, und zwar jetzt aus der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks, welcher aktuell in dem Meßmodus für den Außenluftdruck er faßt wird und zum Berechnen eines Verhältnisses zwischen dem Außenluftdruck und der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks. Dieses Verhältnis wird im voraus durch ein Experiment mit variie renden Außenluftdrücken bei sich ändernden Höhen erhalten.

Weiterhin können Mittel vorgesehen sein, zum Einstellen ei nes Meßmodus für einen Außenluftdruck unabhängig bzw. ge trennt von dem Erfassungsmodus für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und zum Messen der erforderlichen Zeit t zum Pumpen der Sauerstoffmoleküle von der außenluftseitigen Elektrode zu der abgasseitigen Elektrode, bis die Änderung der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle einen voreingestellten Schwell- bzw. Umschlagwert erreicht, und zwar unter Verwendung der Pumpmittel in dem Meßmodus für den Außenluftdruck. Weiterhin können Mittel zum Berechnen des Außenluftdrucks aus der erforderlichen Zeit t vorgesehen sein, welche in dem Meßmodus für den Außenluft druck gemessen wird und eines Verhältnisses zwischen dem Au ßenluftdruck und der erforderlichen Zeit t, wobei das Ver hältnis im voraus durch ein Experiment mit sich ändernden Außenluftdrücken bei wechselnden Höhen erhalten wurde.

Im folgenden soll unter Bezug auf die Fig. 1 das Funktions prinzip eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors mit einer gesteuerten Diffusionsgeschwindigkeit beschrieben werden.

In der Fig. 1 ist eine außenluftseitige Elektrode 1, ein Festkörperelektrolyt 2 mit einer Ionenleitfähigkeit, eine abgasseitige Elektrode 3 und ein Steuerelement 4 für die Diffusionsgeschwindigkeit gezeigt. Das Steuerelement 4 für die Diffusionsgeschwindigkeit weist einen feinen porösen Film oder ein einfaches Porenteil auf, welche die gesamte abgasseitige Elektrode 3 überdeckt oder umgibt, um die Dif fusionsgeschwindigkeit des Abgases zu der Oberfläche der ab gasseitigen Elektrode zu unterdrücken, d. h. um die Diffu sionsgeschwindigkeit zu steuern. Um die abgasseitige Elek trode ist ein Raum 5 vorgesehen. Wenn die abgasseitige Elek trode mit einem porösen Film umgeben ist, bilden dessen Po ren selbst den Raum um die abgasseitige Elektrode. Wenn die abgasseitige Elektrode mit einem einfachen Porenteil bedeckt ist, bildet der durch das einfache Porenteil umschlossene kaum den Raum um die abgasseitige Elektrode. Die aus dem Festkörperelektrolyt gebildete Sensorzelle kann den Pump strom durch ein Erhitzen unter Verwendung eines nahegelege nen Heizelements stabil leiten.

Die elektromotorische Kraft E der Sauerstoffkonzentrations zelle zwischen den Elektroden 1 und 3, der Außenluft und dem Abgas ausgesetzt, ist durch die Nernst-Gleichung gegeben, dargestellt in der Gleichung (1):

E = (RT/4F)·ln(Pa/Pd) = 0,0496·ln(Pa/Pd) (1)

mit R als Gaskonstante, T als Absoluttemperatur der Zelle (= 1000 K), F als Faradaykonstante, Pd als Sauerstoffpar tialdruck um die abgasseitige Elektrode, und Pa als Sauer stoffpartialdruck um die außenluftseitige Elektrode.

Dadurch, daß das Steuerelement für die Diffusionsgeschwin digkeit die abgasseitige Elektrode umgibt, wird das Abgas für eine gewisse Weile eingeschlossen, wodurch die Ionisa tion des Sauerstoffgases durch die katalytische Kraft des Platins (Elektrode) beschleunigt wird, und zwar nahe dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis, so daß sich eine steile Schaltcharakteristik der elektromotorischen Kraft bezüglich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ergibt. Wenn der Sauerstoff um die abgasseitige Elektrode immer auf ei nen dünnen Zustand gepumpt wird, wird das Abgas mit dem Steuerelement für die Diffusionsgeschwindigkeit derart ge steuert, daß es frei zur abgasseitigen Elektrode diffundie ren kann. Die Sauerstoffmoleküle in dem diffusionsgeschwin digkeitsgesteuerten Abgas werden sofort ionisiert und zur abgasseitigen Elektrode gepumpt. Die gepumpten Sauerstoff ionen werden als ein Strom gemessen (im allgemeinen wird dieser als "Pumpstrom" bezeichnet). Da der Pumpstrom ein zu der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas proportionales Si gnal ist, d. h. zum Luft/Kraftstoff-Verhältnis, kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfaßt werden.

In anderen Worten werden Sauerstoffmoleküle derart ionisiert und gepumpt, daß die elektromotorische Kraft E der Konzentra tionszelle aufgrund des Sauerstoffpartialdruckverhältnis ses zwischen der außenluftseitigen Elektrode und der abgas seitigen Elektrode konstant gehalten wird, wobei durch das Messen des Pumpstroms das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in ei nem weiten Bereich erfaßt wird.

Die Diffusionsströmungsrate bzw. -geschwindigkeit des Ab gases wird durch die Form der einfachen Porensteuerdiffusion bestimmt, gegeben durch die Gleichung (2):

Ip = 4FD·(Pe-Pd)/RT·(s/l) (2)

mit Ip als Sauerstoffdiffusionsstrom, D als Diffusionskon stante des Abgasgemisches, zusammengesetzt aus verschiedenen Bestandteilen, s/l als dem Verhältnis der Querschnittsfläche s des Durchgangs und l als der Länge des Durchgangs, wenn das Steuerelement der Diffusionsgeschwindigkeit durch ein entsprechendes einzelnes Loch simuliert wird, und Pe als Sauerstoffpartialdruck in dem Abgas.

In der Fig. 1 ist ein Sensor gezeigt, bei dem die Sauerstof fionen in dem diffusionsgeschwindigkeitsgesteuerten Abgas in beide Richtungen als Pumpstrom Ip derart geführt werden, daß die elektromotorische Kraft E der Konzentrationszelle kon stant gehalten wird, wobei die elektromotorische Kraft E der Konzentrationszelle durch das Sauerstoffkonzentrationsver hältnis zwischen der außenluftseitigen Elektrode 1 und der abgasseitigen Elektrode 3 während dem normalen Erfassungsmo dus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erzeugt wird. Um dies zu realisieren, wird die Steuerspannung Vs mit einer negati ven Rückkopplung gesteuert.

Der Pumpstrom Ip wird derart zum Fließen in beide Richtungen gesteuert, daß die elektromotorische Kraft E der Konzentra tionszelle, z. B., E = 0,571 V wird, basierend auf der Nernst-Gleichung (1), während einer konstanten Betriebsbe dingung, wie der Temperatur. Zu dieser Zeit wird das Ver hältnis zwischen dem Sauerstoffpartialdruck Pd in der abgas seitigen Elektrode und dem Sauerstoffpartialdruck Pa in der außenluftseitigen Elektrode immer Pa/Pd = 10⁵, mit Pa = 2,09·10^-1 und Pd = 2,09·10^-6. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann aus dem Pumpstrom wie oben beschrieben er halten werden.

Im folgenden wird der Betrieb im Meßmodus des Außenluft drucks beschrieben.

Im Meßmodus des Außenluftdrucks wird in einem Fall des Er fassens des Außenluftdrucks der Modus von dem normalen Er fassungsmodus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu dem Meß modus für den Außenluftdruck umgeschaltet. In dem Meßmodus für den Außenluftdruck wird eine gegebene Pumpspannung Vs, welche die außenluftseitige Elektrode zum Minuspol und die abßgasseitige Elektrode zum Pluspol werden läßt, zwischen der außenluftseitigen Elektrode und der abgasseitigen Elektrode angelegt, zum Pumpen der Sauerstoffmoleküle von der außen luftseitigen Elektrode zu der abgasseitigen Elektrode mit einem gegebenen Betrag Q oder derart, daß der Gleichge wichtszustand erreicht wird. Zum Beispiel im Fall des Pum pens mit dem gegebenen Betrag Q der Sauerstoffmoleküle wird eine Steuerung des Pumpstroms mit 30 mA durchgeführt und die Pumpzeit beträgt 6 ms.

Wenn ein Pumpen bei der Höhe 0 m und mit dem Standardaußen-Luftdruck Po (=101,3 kPa) durchgeführt wird, ergibt dieses numerische Beispiel einen Sauerstoffpartialdruck von Pa/Pd = 10² und eine elektromotorische Kraft der Konzentra tionszelle von E = 0,228 V, aus der Gleichung (1).

Wenn durch das Betreiben eines Fahrzeugs eine Höhendifferenz h erzeugt wird, ändern sich der Außenluftdruck und folglich die Sauerstoffkonzentration nahe der außenluftseitigen Elek trode. Das Verhältnis zwischen der Höhe und dem Außenluft druck kann durch die Außenluftdruckhöhengleichung von Laplace ausgedrückt werden:

h = 18400·(1 + 0,00366T)·log(Po/Ph) (3)

mit h als die Höhe ausgehend vom Meeresspiegel (m), T als Durchschnittstemperatur (°C), Po als normaler Außenluftdruck auf Seehöhe und Ph als Außenluftdruck bei der Höhe h.

Da bei 20°C und einer Höhe von 3000 m Ph einen Wert von 71,4 kPa aufweist, kann die Sauerstoffkonzentration a_p in der außenluftseitigen Elektrode bei einer Höhe von 3000 m durch die Gleichung (4) ausgedrückt werden:

a_p = 2,09·10^-1·71,4/101,3 = 1,47·10^-1 (4)

Die Sauerstoffkonzentration d_p in der Nähe der abgasseitigen Elektrode bei einer Höhe von 3000 m stellt sich ungefähr in die Mitte zwischen Pd und Pa bei einer Höhe von 0 m ein, nach dem Pumpen des Sauerstoffs mit dem gegebenen Betrag Q in der Nähe der abgasseitigen Elektrode.

d_p = 2,09·10^-3 (5)

Dadurch kann die elektromotorische Kraft E_p der Konzentrati onszelle bei der Höhe 3000 m durch die Gleichung (6) ausge drückt werden:

E_p = 0,0496 ln(Pa/Pd)
= 0,0496 ln(1,47·10^-1/2,09·10^-3)
= 0,211 V.

Die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle beträgt bei der Höhe von 0 m 0,228 V und 0,211 V bei einer Höhe von 3000 m, wobei die Differenz 0,017 V ist. Aus der Differenz ist ersichtlich, daß die elektromotorische Kraft der Konzen trationszelle eine Abhängigkeit bzw. Korrelation zur Höhe (Außenluftdruck) aufweist und die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle ein zu der Höhe (Außenluftdruck) proportionales Signal ist, d. h. dem Außenluftdruck.

Durch das vorausgehende experimentelle Bestimmen, bei ver schiedenen Außenluftdrücken, welche verschiedenen Höhen ent sprechen, des Verhältnisses zwischen der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle (der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle in dem Meßmodus für den Außenluft druck), wenn die Sauerstoffmoleküle von der außenluftseiti gen Elektrode zu der abgasseitigen Elektrode mit einem gege benen Betrag Q gepumpt werden, und dem Außenluftdruck (die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle für das Mes sen des Außenluftdrucks, Erhalten von einem Experiment ist in gewisser Weise unterschiedlich von der Berechnung, und zwar wegen der Individualität des Sensors), kann der Außen luftdruck nun durch das Einsetzen des aktuellen gemessenen Werts der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle, erfaßt in dem Meßmodus für den Außenluftdruck, in diese Gleichung erhalten werden.

Wenn die Sauerstoffmoleküle von der außenluftseitigen Elek trode zu der abgasseitigen Elektrode bis zum Erhalten des Gleichgewichtszustands gepumpt werden, anstatt dem Pumpen der Sauerstoffmoleküle mit dem vorgegebenen Betrag Q, kann eine elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle auf grund des Sauerstoffpartialdruckverhältnisses zwischen den beiden Elektroden erzeugt werden, da der Gleichgewichtszu stand in diesem Fall in die Bedingung hineinreicht, in der die Sauerstoffkonzentration um die beiden Elektroden (zwi schen der außenluftseitigen Elektrode und der abgasseitigen Elektrode) aufgrund eine Leckage der Sauerstoffmoleküle, ge pumpt in die Umgebung der abgasseitigen Elektrode in dem Ab gas durch das Steuerelement der Diffusionsgeschwindigkeit, einen gewissen Wert aufweist. Daher kann der Außenluftdruck durch das Einsetzen der elektromotorischen Kraft der Konzen trationszelle, welche gerade durch den Außenluftdruckmodus erfaßt wurde, in die Korrelation erhalten werden, wenn die Korrelation zwischen der elektromotorischen Kraft der Kon zentrationszelle und dem Außenluftdruck im Gleichgewicht im voraus bestimmt wird.

Die Korrelation wird durch eine Funktion ausgedrückt, die aus der Korrelation zwischen der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle und dem Außenluftdruck am Gleichge wicht, bestimmt im voraus (die Details werden in einer Aus führungsform bezüglich experimentellen Daten der Tabelle 2 beschrieben), erhalten wird. Die Korrelation kann, z. B. durch y = ax + b, ausgedrückt werden, wobei der Außenluft druck durch das Einsetzen der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle, welche aktuell durch den Außenluft druckmodus erfaßt wurde, für x in die Gleichung berechnet werden.

Andererseits wird die Korrelation durch eine Tabelle und eine Interpolationsgleichung ausgedrückt, die aus der Korre lation zwischen der elektromotorischen Kraft der Konzentrat tionszelle und dem Außenluftdruck am Gleichgewicht, bestimmt im voraus, erhalten werden. Der Außenluftdruck kann durch das Lesen der Tabellendaten erhalten werden, unter Verwen dung der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle, aktuell erfaßt durch den Außenluftdruckmodus oder durch das Lesen der Tabellendaten und das Durchführen einer Interpola trationszelle, welche aktuell durch den Außenluftdruckmodus erfaßt wurde, zwischen diesen beiden Werten liegt.

Weiterhin können die Sauerstoffmoleküle von der außenluft seitigen Elektrode zu der abgasseitigen Elektrode gepumpt werden, bis die Änderung der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle einen voreingestellten Schwellwert er reicht, unter Verwendung der Pumpmittel in dem Meßmodus des Außenluftdrucks. Da die benötigte Zeit t zum Pumpen von dem Außenluftdruck abhängig und dazu proportional ist, wird die Korrelation zwischen dem Außenluftdruck und der benötigten Zeit t im voraus durch ein Experiment erhalten, bei dem der Außenluftdruck bei sich ändernden Höhen variiert. Der Außen luftdruck kann nun durch das Einsetzen der benötigten Zeit t, welche aktuell durch den Außenluftdruckmodus erfaßt wurde, in die Gleichung erhalten werden.

Die Korrelation kann auch durch eine funktionelle Gleichung oder eine Tabelle und eine Interpolationsgleichung auf die selbe Weise wie in der ersten Erfindung ausgedrückt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht zur Erklärung des Funktionsprinzips eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors, bei dem die Diffusionsgeschwindigkelt gesteuert wird,

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und

Fig. 3 einen zeitlichen Ablauf des Erfassungsmodus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und des Meßmodus des Au ßenluftdrucks der obigen Ausführungsform.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltungsdarstellung einer Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnis sensors.

In dieser Figur enthält ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 6 einen Festkörperelektrolyten 2 mit einer wie in der Fig. 1 dargestellten Sauerstoffionenleitfähigkeit, weiterhin eine außenluftseitige Elektrode 1, die an einer Oberfläche des Festkörperelektrolyten 2 (eine Oberfläche ist der Außenluft ausgesetzt) vorgesehen ist, eine abgasseitige Elektrode 3, welche an der anderen Oberfläche (eine Oberfläche ist dem Abgas eines Motors ausgesetzt) vorgesehen ist, ein Steuer element 4 für die Abgasdiffusionsgeschwindigkeit, welches die abgasseitige Elektrode 3 bedeckt und ein Heizelement 7 zum Steuern des Festkörperelektrolyten 2 derart, daß er eine vorgegebene Aktivierungstemperatur aufweist. Die Sensorzelle 6 ist eine Sauerstoffkonzentrationszelle mit einer Funktion zum Steuern der Abgasdiffusionsgeschwindigkeit.

Die Bezugsziffern 8 und 9 sind Stromsteuerschaltungen zum Leiten des Pumpstroms Ip mit einer gesteuerten Diffusionsge schwindigkeit in die Sensorzelle 6 in beide Richtungen. Die Bezugsziffer 10 ist ein Halbleiterschalter zum An- und Ab schalten des Stroms, die Bezugsziffer 11 ist ein D/A-Umwandler, die Bezugsziffer 12 ist ein Mikrocomputer, wel cher zum Durchführen eines normalen Erfassungsmodus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dient und zusätzlich für den Meßmodus eines Außenluftdrucks verwendet wird. Die elektro motorische Kraft (Spannung zwischen den Elektroden) E der Sauerstoffkonzentrationszelle der Sensorzelle 6 wird er faßt, wobei der Pumpstrom Ip derart gesteuert wird, daß die elektromotorische Kraft E der Konzentrationszelle einen ge gebenen Wert annimmt und die Steuerspannung Vs eine Größe erreicht, die benötigt wird, um den berechneten Stromfluß zu erzeugen. Der D/A-Umwandler 11 liest die Werte Ip und Vs und wandelt sie von Digitalsignalen in Analogsignale um.

Die Bezugsziffer 13 ist ein Transistor zum Erhitzen des Heizelements, welches die Temperatur der Sensorzelle 6 kon stant hält, mit einer negativen Rückkopplungssteuerung durch ein Erhalten des Widerstands R1 zwischen den Elektro den der Sensorzelle 6 unter Verwendung des Mikrocomputers 12. Die durch den Mikrocomputer 12 erhaltenen Ausgangs signale des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors sind ein ana loger Ausgang 14, ein PWM-Ausgang 15 und ein Schaltausgang 16 für ein theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wel ches das gleiche ist, wie für den Sauerstoffsensor.

In einem normalen Zustand, im Erfassungsmodus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, erfaßt der Mikrocomputer 12 in einem Zyklus von 8 ms die elektromotorische Kraft E der Konzentrationszelle, erzeugt durch das Sauerstoffpartial druckverhältnis zwischen der außenluftseitigen Elektrode 1 und der abgasseitigen Elektrode 3, und steuert die Strom steuerschaltungen 8 und 9 mit einer negativen Rückkopp lungssteuerung, zum Konstanthalten der elektromotorischen Kraft E, durch ein Ionisieren der Sauerstoffmoleküle in dem Abgas mit einer gesteuerten Diffusionsgeschwindigkeit und durch ein Leiten der Ionen als den Pumpstrom Ip in die bei den Richtungen.

Wie beschrieben ist, wird der Pumpstrom Ip zum Fließen in beide Richtungen derart gesteuert, daß die elektromotrische Kraft E = 0,571 V wird, basierend auf der Nernst-Gleichung (1) unter konstanten Betriebsbedingungen, wie der Temperatur. Zu dieser Zeit wird das Verhältnis des Sauerstoffpartial drucks der außenluftseitigen Elektrode und des Sauerstoffpar tialdrucks in der Nähe der abgasseitigen Elektrode 3 immer Pa/Pd = 10⁵; mit Pa = 2,09·10^-5 und Pd = 2,09·10^-6. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann aus dem Pumpstrom Ip erhalten werden.

Der Meßmodus des Außenluftdrucks wird im folgenden beschrie ben. In einem Fall des Durchführens des Meßmodus für den Au ßenluftdruck, z. B. mit einem Zyklus von 1 s, wird eine vorge gebene Menge Q an Sauerstoff von der außenluftseitigen Elek trode 1 zu der abgasseitigen Elektrode 3 gepumpt, unter Ver wendung der Stromsteuerschaltungen 8 und 9 durch das Unter brechen des Meßmodus des Außenluftdrucks unter Erhalten des Erfassungsmodus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit dem 8 ms-Zyklus. Dann wird die elektromotorische Kraft E der Kon zentrationszelle direkt nach dem Pumpen gemessen (die elek tromotorische Kraft der Konzentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks).

Der Mikrocomputer 12 ist ein Mittel zum Berechnen des Außen luftdrucks, und zwar durch das Einsetzen der aktuell in dem Meßmodus des Außenluftdrucks erfaßten elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks in die Korrelation zwischen dem Außenluftdruck, wenn sich die Höhe ändert und der elektromotorischen Kraft der Konzentrati onszelle zum Messen des Außenluftdrucks, welche durch ein vorausgehendes Experiment mit sich ändernden Außenluftdrücken erhalten wird. Die Korrelation wird später unter Bezug auf die Tabelle 2 beschrieben.

Die Fig. 3 zeigt die Steuersequenz der Außenluftdruckmessung unter Verwendung des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors, wo bei die elektromotorische Kraft E der Konzentrationszelle, der Pumpstrom Ip zwischen den Elektroden und der zeitliche Verlauf der Leistungssteuerspannung Vs des Stroms Ip dargestellt sind.

Im folgenden wird das Prinzip der Korrelation beschrieben.

Die Tabelle 1 zeigt für die Höhen 0 m und 3000 m das aus der Berechnung erhaltene Verhältnis zwischen dem Sauerstoff partialdruck Pd, wenn der gegebene Betrag Q an Sauerstoffmo lekülen von der außenluftseitigen Elektrode 1 zu der Nähe der abgasseitigen Elektrode 3 gepumpt wird (bei einem Pump strom von 30 mA und einer Pumpzeit von 8 ms), die elektromo torischen Kräfte Ep der Konzentrationszelle für jede Höhe und die Differenz der elektromotorischen Kräfte. Die Berech nung wird unter Verwendung der Gleichung durchgeführt, wel che in dem Durchführungsabschnitt der Erfindung beschrieben ist.

In dem Erfassungsmodus des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wird der Sauerstoffpartialdruck in der Nähe der abgasseiti gen Elektrode auf Pd = 2,09·10^-6 gesetzt (der Sauerstoff partialdruck Pa der außenluftseitigen Elektrode ist 2,09·10^-1). Andererseits weist der Sauerstoffpartialdruck in der Nähe der abgasseitigen Elektrode in dem Meßmodus für den Außenluftdruck einen Wert entsprechend dem Abgas auf. Obwohl der im Durchführungsabschnitt der Erfindung beschrie bene Wert bei Pd = 2,09·10^-3 liegt, kann sich die elektro motorische Kraft E bei ungefähr 0,4 V sättigen, aufgrund der Sauerstoffleckage zu der Abgasseite durch die Poren in der Nähe der abgasseitigen Elektrode, wenn ein aktuelles Pumpen durchgeführt wird.

Tabelle 1

Die Tabelle 2 zeigt Daten des Verhältnisses zwischen dem Au ßenluftdruck und der elektromotorischen Kraft Ep der Konzen trationszelle, welche durch ein Experiment erhalten werden. Die experimentellen Daten der Tabelle 2 zeigen die elektro motorischen Kräfte Ep für Außenluftdrücke bei verschiedenen Höhen und die Differenzen zwischen der elektromotorischen Kraft bei einer Höhe von 0 m und einer Höhe von 3000 m.

Tabelle 2

Gemäß der Tabelle 2 ist die aktuell gemessene Differenz der elektromotorischen Kraft 25,5 mV, was als der ungefähre Wert von 17 mV in der Tabelle 1 bestätigt ist.

Daher, unter Verwendung des Verhältnisses zwischen den Au ßenluftdrücken bei verschiedenen Höhen und der elektromoto rischen Kraft Ep, erhalten durch das Experiment, können die Außenluftdrücke durch ein Einsetzen der elektromotorischen Kraft Ep, welche aktuell in den Meßmodus für den Außenluft druck erfaßt wurde, in diese Gleichung erfaßt werden.

Zum Erfassen des Außenluftdrucks sind verschiedene Verfahren möglich:

1. Unter Verwendung der in der Tabelle 2 gezeigten experi mentellen Daten wird eine Tabelle gebildet (Außenluft druck - elektromotorische Kraft oder Außenluftdruck - Differenz der elektromotorischen Kraft) und in einen Mikrocomputer gespeichert. Die aktuell in dem Meßmodus für den Außenluftdruck erfaßte elektromotorische Kraft Ep der Konzentrationszelle wird in der Tabelle gesucht, um einen entsprechenden Außenluftdruck zu erhalten (in diesem Fall, wenn die elektromotorische Kraft Ep der Konzentrationszelle zwischen zwei Werten in der Tabelle für die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle liegt, wird der Außenluftdruck durch Interpolation be rechnet).
2. Eine das Verhältnis ausdrückende Funktion wird unter Verwendung der experimentellen Daten, wie in der Ta belle 2 gezeigt, gebildet, und zwar aus dem Außenluft druck und der elektromotorischen Kraft oder dem Außen luftdruck und der Differenz der Daten der elektromoto rischen Kraft (das Verhältnis zwischen denselben ist ungefähr proportional und kann daher als eine lineare Funktion ausgedrückt werden). Die elektromotorische Kraft oder die Differenz der elektromotorischen Kräfte der Konzentrationszelle, welche aktuell in dem Meßmodus für den Außenluftdruck erfaßt werden, werden in die obige funktionale Gleichung zur Berechnung des entspre chenden Außenluftdrucks eingesetzt.
3. Da das Verhältnis Ep/Ep₀ der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle bei einer Höhe Ep und der stan dardelektromotorischen Kraft Ep₀ der Konzentrations zelle bei einer Höhe 0 m ein normalisiertes Außenluft drucksignal wird, kann der Außenluftdruck aus der Kor relation zwischen dem Außenluftdruck und Ep/Ep₀ berech net werden. Eine derartige Berechnungsfunktion wird in dem Mikrocomputer 12 durchgeführt.

Der Unterbrechungszyklus des Verfahrens zum Erfassen des Au ßenluftdrucks (Meßmodus für den Außenluftdruck) ist von der benötigten Zuverlässigkeit bei einem sich ändernden Außen luftdruck während dem Bergauf- oder Bergabfahren abhängig. Wenn, z. B. der Luft/Kraftstoff-Verhältniserfassungszyklus konstant 8 ms beträgt, ist der Außenluftdruckerfassungszy klus wahrscheinlich innerhalb des Bereichs von 0,1 s bis 500 s. Das Timing der Unterbrechung kann ein konstanter Zy klus sein oder kann unter Verwendung eines geeigneten Ver fahrens durch die Erfassung eines Bergauf- oder Bergabzu stands gestartet werden. Dieser Zyklus und dieses Timing er geben keinen negativen Effekt auf die Luft/Kraftstoff-Ver hältniserfassungsfunktion, so daß die Außenluftdruckerfas sungsfunktion realisiert werden kann.

Obwohl ein spezifisches Verfahren für den Sauerstoffpump strom in dem Meßmodus für den Außenluftdruck vorgesehen sein kann, kann das Sauerstoffpumpen nach dem Messen des spezifi schen Widerstands durchgeführt werden, z. B. durch die Ver wendung des Stroms zum Messen des spezifischen Widerstands zwischen den Elektroden in dem Verfahren zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Damit kann der Zyklus für die Erfassung des Außenluftdrucks auf den Zyklus für die Erfas sung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wenn nötig, verkürzt werden.

Betreffend des Algorithmus für den Meßmodus des Außenluft drucks wurde ein Verfahren in der obigen Ausführungsform be schrieben, bei dem die vorgegebene Menge Q an Sauerstoff (es ist auch möglich die Menge zum Erreichen des Gleichgewichts zustands anstatt des vorgegebenen Betrags Q zu verwenden, wie in dem Durchführungsabschnitt der Erfindung beschrieben) von der außenluftseitigen Elektrode zu der abgasseitigen Elektrode gepumpt wird, wobei die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle zu dieser Zeit auf die gegebene Kor relation angewendet wird, um den Außenluftdruck entsprechend der Höhe zu erfassen.

In einem anderen anwendbaren Verfahren kann der Außenluft druck aus der zum Erzeugen einer gegebenen elektromotori schen Kraft durch Pumpen erforderlichen Zeit berechnet wer den. Insbesondere wird durch das Aufbringen einer konstanten Pumpsteuerspannung in dem Meßmodus für den Außenluftdruck die für die Differenz von E = 0,1 V der elektromotorischen Kraft der Konzentrationszelle vor und nach dem Pumpen benö tigte Zeit gemessen. In jedem dieser Verfahren liegt die Re aktion und die benötigte Zeit für die Erfassung des Außen luftdrucks in einem für die Anwendung geeigneten Bereich.

Unter Verwendung des in dem obigen Verfahren zum Erfassen des Außenluftdrucks erhaltenen Außenluftdrucksignals (Meßmo dus für den Außenluftdruck) werden die Steuerparameter oder die Informationsparameter für ein Motorkraftübertragungssy stem, wie ein Kraftstoffeinspritztiming oder ein Zündzeit punktstiming für ein Fahrzeug mit dem Korrekturkoeffizienten oder der Korrekturfunktion korrigiert, welche aus den prin zipiellen Gleichungen im voraus unter Verwendung des Mikro computers 18 erhalten wurden. Der Mikrocomputer 18 ist z. B. in einer Motorsteuereinheit 17 angeordnet. Damit kann eine Korrekturfunktion über den Außenluftdruck vorgesehen werden, ohne einen Drucksensor für die Außenluft hinzuzufügen, sogar in einem Fall eines Steuersystems ohne eine Außenluftdruck erfassungsfunktion.

Unter Verwendung des in dem obigen Erfassungsverfahren für den Außenluftdruck erhaltenen Außenluftdrucksignals wird der Sensorausgang durch den Mikrocomputer 12 korrigiert, welcher auf der Seite des Luft/Kraftstoff-Sensors angeordnet ist oder unter Verwendung des Korrektorkoeffizienten oder der Korrekturfunktion, welche aus dem Experiment oder der grund sätzlichen Gleichung im voraus erhalten werden. Die Außen luftdruckabhängigkeit der Kraftstoffsteuerung (Luft/Kraft stoff-Verhältnissteuerung) durch den Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor wird mit dem Mikrocomputer korrigiert, der auf seiten der Motorsteuereinheit 17 angeordnet ist. Damit kann die Außenluftdruckabhängigkeit des Ausgangs des Luft/Kraft stoff-Verhältnissensors korrigiert werden und die Genauig keit der Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung kann verbessert werden.

Durch das separate Ausgeben des Luft/Kraftstoff-Verhältnis signals und des Außenluftdrucksignals in dem Erfassungsver fahren für den Außenluftdruck kann das Außenluftdrucksignal für allgemeine Zwecke verwendet werden, wie zum Anzeigen, für eine Information oder die Sicherheit, sowie für die Kor rektur von Motorparametern.

Die Funktion zum Erfassen des Außenluftdrucks kann zu einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor addiert werden, ohne die Erfassungsfunktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu be einflussen. Daher kann die Außenluftdruckabhängigkeit eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors ohne einen speziellen Au ßenluftdrucksensor durch die Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors selbst korrigiert werden. Ferner können die Außenluftdruckdaten ebenso zum Korrigieren von verschie denen Betriebsbedingungen der Motorsteuerung verwendet wer den, sofern dies benötigt wird.

Claims

1. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit dem eine Sauer stoffkonzentration im Abgas über einen Pumpstrom von Sauerstoffionen ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich dazu der Außenluftdruck aus dem sich aus der Konzentrationsermittlung ergebenden Sauerstoffpar tialdruck errechnet und zur Steuerung von Betriebszu ständen des Motors verwendet wird.

2. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- Mittel vorgesehen sind, die das Pumpen einer bestimm ten Menge von ionisierten Sauerstoffmolekülen von der außenluftseitigen Elektrode (1) zur abgasseitigen Elektrode (3) steuern, wobei die bestimmte Menge eine vorbestimmte Menge ist oder eine Menge, bei der ein Gleichgewichtszustand der Konzentrationszelle vor liegt,
- Mittel vorgesehen sind, zum Messen der elektromotori schen Kraft der Konzentrationszelle nachdem die be stimmte Menge von ionisierten Sauerstoffmolekülen ge pumpt wurde, und
- Mittel vorgesehen sind, zum Berechnen des Luftdrucks als Funktion der elektromotorischen Kraft der Konzen trationszelle, gemessen nachdem die bestimmte Menge von ionisierten Sauerstoffmolekülen gepumpt wurde, wobei die Funktion experimentell bestimmt wurde.

3. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Berechnen des Außenluftdrucks das Ver hältnis zwischen der elektromotorischen Kraft der Kon zentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks und dem im voraus durch ein Experiment erhaltenen Außenluft druck unter Verwendung einer Funktionalgleichung be stimmen.

4. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Berechnen des Außenluftdrucks das Ver hältnis zwischen der elektromotorischen Kraft der Kon zentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks und des Außenluftdrucks bestimmen, der im voraus durch ein Ex periment unter Verwendung einer Tabelle und einer In terpolationsgleichung für den Wert zwischen den Werten der Tabellendaten erhalten wird.

5. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in einer derartigen Menge gepumpt wird, daß die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle zum Messen des Außenluftdrucks auf einen Punkt inner halb dem Bereich von 0,05 V bis 0,4 V beim Standardau ßenluftdruck (= 101,3 kPa) fällt.

6. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- Mittel vorgesehen sind, die das Pumpen einer bestimm ten Menge von ionisierten Sauerstoffmolekülen von der außenluftseitigen Elektrode (1) zur abgasseitigen Elektrode (3) steuern, bis sich eine elektromotori sche Kraft der Konzentrationszelle um einen bestimmten Betrag ändert,
- Mittel vorgesehen sind, zum Messen einer Zeitdauer t, die zum Pumpen von ionisierten Sauerstoffmolekülen benötigt wird, bis sich die elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle um einen vorbestimmten Betrag ändert, und
- Mittel vorgesehen sind, zum Berechnen des Luftdrucks als Funktion der Zeitdauer t, wobei die Funktion ex perimentell bestimmt wurde.

7. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Berechnen des Außenluftdrucks das Ver hältnis zwischen der erforderlichen Zeit t und dem Au ßenluftdruck ermitteln, der im voraus durch ein Experi ment unter Verwendung einer Funktionalgleichung erhal ten wird.

8. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Berechnen des Außenluftdrucks das Ver hältnis zwischen der benötigten Zeit t und dem Außen luftdruck bestimmen, der im voraus durch ein Experiment unter Verwendung einer Tabelle und einer Interpolati onsgleichung für die Werte zwischen den Werten der Ta bellendaten erhalten wird.

9. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellen des Meßmodus beschränkt ist auf einen Betriebszustand des Fahrzeugmotors dessen Luft/Kraft stoff-Verhältnis zu messen ist, und zwar bezüglich ei ner Außenluftdruckänderung, wie eine bergauf führende und/oder eine bergab führende Bedingung.

10. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Meßmodus des Außenluftdrucks in einer interaktiven (time sharing) Sequenz des Steuerns des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors gehandhabt wird oder nach einem Luft/Kraftstoff-Verhältniserfassungs prozeß in der interaktiven Sequenz, z. B., nach dem Er fassen des Pumpstroms zum Messen des spezifischen Wi derstands zwischen den Elektroden.

11. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßte Wert des Außenluftdrucks, erhalten in dem Meßmodus für den Außenluftdruck, für die Korrektur von Betriebsdaten des Motors verwendet wird, wie die Kraft stoffeinspritzrate oder die Zündzeitpunktseinstellung eines Fahrzeugs verwendet wird.

12. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßte Wert des Außenluftdrucks, erhalten in dem Meßmodus für den Außenluftdruck, für die Korrektur des Ausgangs des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors verwen det wird, welcher selbst eine Außenluftdruckabhängig keit aufweist.