DE60019002T2

DE60019002T2 - Verfahren und Vorrichtung zum exakten Steuern des Luftkraftstoffverhältnisses in einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors

Info

Publication number: DE60019002T2
Application number: DE60019002T
Authority: DE
Inventors: Yoshikuni Mizuho-ku Sato; Noboru Mizuho-ku Ishida; Hideki Mizuho-ku Ishikawa; Takafumi Mizuho-ku Oshima; Yasushi Mizuho-ku Sato
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: EP1022451A3; JP3495935B2; US6568240B1; EP1022451B1; DE60019002D1; EP1022451A2; JP2000206094A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Luft/Treibstoff-Verhältnisses durch Verwendung eines Gaskonzentrationssensors in einem Treibstoffzufuhrsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Gaskonzentration eines brennbaren Gases, wie zum Beispiel eines Benzindampfgases, das aus einem Kanister ausgespült wird und mit einer Ansaugluft gemischt wird, die einem Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotorzylinders durch Öffnen eines Drosselventils zugeführt wird, wobei der Sensor zwischen dem Motorzylinder und einem Einlaß für das Dampfgas angeordnet ist, welches aus dem Kanister gespült wird und dem Drosselventil nachgeordnet eingeführt wird.
Herkömmlich umfaßt ein Treibstoffzufuhrsystem zum Zuführen von Treibstoff aus einem Treibstofftank in den Verbrennungsmotor ein erstes Zufuhrsystem, das in einer Weise funktioniert, daß eine Treibstoffflüssigkeit, wie zum Beispiel Benzin, aus dem Treibstofftank durch ein Treibstoffrohr zu einer Treibstoffeinspritzvorrichtung gepumpt wird, die an einem Verbrennungsmotorzylinder mittels einer Treibstoffpumpe befestigt ist.
Das Treibstoffzufuhrsystem umfaßt weiterhin ein zweites Zufuhrsystem, das in einer Weise funktioniert, daß ein Treibstoffdampf, der in dem Treib stofftank erzeugt wird, zeitweilig absorbiert oder mittels eines Kanisters gespeichert wird und der Treibstoffdampf dann durch den Kanister gespült wird und als ein Spülgas in den Ansaugkrümmer geschickt wird, um sich mit der Ansaugluft zu mischen, die von dem Drosselventil eintritt.
Mit anderen Worten wird der Treibstoffdampf, der von dem Treibstofftank verdampft wird, zusätzlich zu der von der Düse in den Motorzylinder eingespritzten Treibstoffflüssigkeit gespült und mit der Ansaugluft gemischt, um eine Gasmischung zu bilden, die die Treibstoffflüssigkeit einspritzt, um in dem Motorzylinder zerstäubt zu werden. Ein solcher Treibstoffdampf, der in dem Treibstofftank verdampft wird, kann nachfolgend als „Spülgas" bezeichnet werden.
Als ein Resultat einer Zufuhr des Spülgases zu dem Motor zusätzlich zu dem eingespritzten Treibstoff, wird ein Luft/Treibstoff-Verhältnis, welches durch ein Drosselventil aufrechterhalten oder bestimmt wird, wobei das Verhältnis basierend auf einer Einspritzmenge des Treibstoffs gesteuert wird, beeinflußt oder eher von einem Zielwert, wie zum Beispiel einem theoretischen Wert, entfernt, wobei eine Reinigungsfähigkeit eines Drei-Wege-Katalysator-Abgasreinigungssystems zum Reduzieren schädlicher Gase, wie zum Beispiel CO, HC und NOx gemindert wird.
Wenn weiterhin das Spülgas zum Zeitpunkt des Motorstartens als ein Hauptanteil eines Treibstoffes zum Verbrennen verwendet wird und/oder wenn ein Drei-Wege-Katalysator des Abgasreinigungssystems aufgrund kalten Wetters in einem inaktiven Zustand ist, tritt ein Aussetzer oder eine unvollständige Verbrennung ein, sofern nicht die Spülgaskonzentration mit hoher Genauigkeit gemessen wird und der Zufuhranteil des Spülgases optimal gesteuert wird.
Verschiedene Sensoren, die Oberflächencharakteristika verwenden, wie zum Beispiel ein Ultraschallsensor und ein Oxidhalbleitersensor mit Elektroden auf seiner Oberfläche wurden zum Messen einer Konzentration eines solchen Spülgases vorgeschlagen, das in dem Gasgemisch enthalten ist, bevor das Gasgemisch den flüssigen Treibstoff durch die Treibstoffeinspritzvorrichtung zerstäubt. Ein zufriedenstellender Sensor zum genauen Messen der Spülgasmenge oder einer Konzentration wurde jedoch bisher nicht entwickelt, weil zusätzlich zu einer Variation des Ausgangssignals eines solchen Sensors über der Zeit Ausgangssignalfehler aufgrund eines Anhaftens von fremden Substanzen an einer Oberfläche des Ultraschallsensors und/oder aufgrund von Feuchtigkeit und verschiedenen Gasen, die in der angesaugten Luft enthalten sind, immer eine genaue Messung der Spülgaskonzentration verhindert haben.
Deshalb ist es schwierig, präzise oder genaue Messungen einer Spülgaskonzentration des Gasgemischs zu erhalten, welches aus dem Spülgas und der Ansaugluft gebildet ist, die in dem Ansaugkrümmer oder einem Ansaugrohr strömt, bevor der flüssige Treibstoff mit dem Gasgemisch durch eine Treibstoffeinspritzvorrichtung zerstäubt wird oder bevor er in den Motorzylinder eingespritzt wird.
US-A-5,823,171 offenbart ein System, das ähnlich mit dem oben beschriebenen ist, in welchem Spülgas in einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Ein Kohlenwasserstoffsensor wird verwendet, um das Luft/Treibstoff-Verhältnis zu messen und somit die Treibstoffflußrate in dem Spülgas. Diese Messung wird dann verwendet, um die Treibstoffzufuhr einzustellen, um die gewünschten Verbrennungsbedingungen beizubehalten.
EP-A-0 089 630, EP-A-0 571 783 und DE-195 19076 offenbaren eine Nullpunktkorrektur von Sensoren, zum Beispiel Sauerstoffkonzentrationssensoren zum Messen einer Sauerstoffkonzentration in Abgasen. Außenluft wird zur Kalibrierung verwendet.
US-A-4,924,837 offenbart eine Verwendung eines Sauerstoffsensors in dem Lufteinlaß für einen Verbrennungsmotor zum Steuern der Menge einer Treibstoffeinspritzung.
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welches) einen Gaskonzentrationssensor zum Messen der Konzentration eines Treibstoffdampfes (oder eher eines Spülgases) verwendet, der in eine Ansaugluft gemischt ist, wobei durch das Verfahren und die Vorrichtung eine genaue Messung der Konzentration solch eines Treibstoff-verdampften Spülgases erreicht wird, das in einen Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors eintritt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Treibstoffzufuhrsystem bereitzustellen, das einen Gaskonzentrationssensor zum genauen Steuern eines Luft/Treibstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors verwendet, wobei der Sensor in einem Ansaugkrümmer (oder einem Luftansaugrohr) angeordnet ist, der zwischen einem Drosselventil und einer Treibstoffeinspritzvorrichtung des Verbrennungsmotors positioniert ist. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verwenden eines Gaskonzentrationssensors bereit, der in einem Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, um eine Konzentration eines spezifischen Spülgases zu messen, das in einer Ansaugluft enthalten ist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Erfassen des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors vor Zufuhr des spezifischen Spülgases zum Ansaugrohr, wobei eine Variation im Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors während des Motorstartens erfaßt wird, unmittelbar nachdem ein Zündschlüssel gedreht worden ist; und
Verwenden der erfaßten Variation zum Zwecke einer Nullpunktkorrektur des Gaskonzentrationssensors.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, welches) einen Gaskonzentrationssensor zum Messen einer Konzentration eines Spülgases (das heißt ein von einem flüssigen Treibstoff zerstäubtes Dampfgas), welches gespült und in einem Gasgemisch enthalten ist, das aus dem Spülgas und Außenluft besteht, bevor das Gasgemisch den flüssigen Treibstoff durch eine Treibstoffeinspritzvorrichtung zer stäubt: wobei der Gaskonzentrationssensor in einem Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors oder einem Rohr, das mit dem Ansaugkrümmer verbunden ist, angeordnet ist, um eine Konzentration des Spülgases zu messen; und wobei die Konzentration des Spülgases durch Vergleichen von zwei Ausgangssignalwerten des Gaskonzentrationssensors ermittelt wird, wobei der eine Ausgangssignalwert gemessen wird, bevor das Spülgas in den Ansaugkrümmer oder das Ansaugrohr zugeführt wird, während der andere Ausgangssignalwert gemessen wird, nachdem das Spülgas dem Ansaugkrümmer oder dem Ansaugrohr zugeführt wurde. In einem Aspekt der Erfindung wird ein Grad einer Schwächung oder eher Schädigung des Gaskonzentrationssensors vorgeprüft, wenn der Sensor die Konzentration des Spülgases zum Berechnen der Konzentration ausgibt. Mit anderen Worten wird eine Nullpunktkorrektur des Gaskonzentrationssensors jedesmal erneuert, wenn Spülgas aus dem Ansaugkrümmer evakuiert wird, in dem der Sensor angeordnet ist.
In der vorliegenden Erfindung wird das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors voreingestellt oder ausgeglichen, um ein Nullniveauausgangssignal (V0) zu sein, das mit einer relativen Gaskonzentration von 0% korrespondiert, während das spezifische Spülgas nicht aus dem Kanister zugeführt wird und deshalb die Konzentration des Spülgases, welches mit der in die Treibstoffeinspritzvorrichtung zum Zerstäuben des flüssigen Treibstoffs eintretenden Ansaugluft gemischt wird, Null sein soll.
Bei einer tatsächlichen Verwendung wird der Gaskonzentrationssensor nicht nur durch seine Variation über der Zeit beeinflußt, sondern auch durch verschiedene Gase und/oder fremde Substanzen, umfassend Feuchtigkeit der angesaugten oder von dem flüssigen Brennstoff verdampfenden Luft, so daß das Sensorausgangssignal oft von dem vorgegebenen Wert (V0) abweicht, selbst wenn die Spülgaskonzentration 0% ist. Wenn das Sensorausgangssignal eine Abweichung von V0 zeigt, die mit der spezifischen Spülgaskonzentration von 0% korrespondiert, repräsentiert ein bestimmter Verschiebungsbetrag (ΔV), nämlich eine Subtraktion von V0 von dem Sensorausgangswert V1 (V1 – V0 = ΔV), entweder einen wahren Konzentrationswert des Spülgases in dem Gasgemisch oder eine verringerte oder verschlechterte Leistung des Sensors aufgrund einer solchen Variation oder eines solchen Einflusses.
Deshalb ist das Verfahren und die Vorrichtung, welches) einen Gaskonzentrationssensor zum Messen des Spülgases gemäß der Erfindung verwendet dadurch gekennzeichnet, daß eine Nullpunktkorrektur des Sensorausgangssignals durchgeführt wird, bevor das Sensorausgangssignal Gegenstand einer Berechnung der Spülgaskonzentration ist, ungeachtet dessen, daß der Gaskonzentrationssensor eine Verschlechterung oder dergleichen erlitten hat, um einen Offset-Korrekturbetrag zu minimieren.
Zum Beispiel wird das Sensorausgangssignal V1, das scheinbar durch eine Variation über der Zeit oder andere Ursachen bewirkt wird, immer um den Änderungsbetrag ΔV verringert, der erneuert oder optimiert wird durch den letzten Offset-Nullpunktwert V0. (Der Änderungsbetrag ΔV ist das letzte Sensorausgangssignal V1, welches um das zuletzt gemessene V0 verringert wird.) Das als Referenz zu verwendende Nullpunktniveau V0 der Konzentration des Gassensors wird also mit den neuesten oder letzten gemessenen Daten von V1 korrigiert, die gemessen werden, wenn das Spülgas aus dem Ansaugkrümmer gemäß der Erfindung evakuiert wird.
In einem Aspekt der Erfindung wird ΔV berücksichtigt, um Einflüsse von Variationen über der Zeit und dergleichen zu eliminieren. V0 (oder V1) ist ein Offset-Ausgangssignalwert des Gaskonzentrationssensors wenn das spezifische Spülgas abwesend ist und die Nullpunktkorrektur für den Sensor auf der Basis eines solchen V0 und V1 durchgeführt wird.
Ein alternativer Weg für die Nullpunktkorrektur kann beschritten werden durch Verwenden eines Mittelwertes, der mit wenigstens zwei Offset-Werten V0 (oder V1) berechnet wird. Ein Vorteil dieses alternativen Wegs ist, daß wenn der Gaskonzentrationssensor ein abrupt variierendes Signal von V0 zu einem Zeitpunkt ausgibt, wird eine Luft/Treibstoff-Verhältnissteuerung nur einen durchschnittlichen Wert von mehreren V0-Werten verwenden, um jedes Risiko eines solchen abrupten Nullpunktreferenzwechsels zu vermeiden.
Wenn die Konzentration des spezifischen Spülgases zur Messung eingeführt wird, wird die Gaskonzentration durch einen Ausgangssignalwert V2 (ausgegeben von dem Sensor) ermittelt, der um den Offset-Wert V0 (Nullpunktwert) subtrahiert wird, der mittels des letzten gemessenen Offset-Werts (V1) korrigiert wird.
Ein zweiter alternativer Weg kann sein, daß nur wenn der vorhergehend ermittelte Offset-Wert (V0) des Gaskonzentrationssensors, der mit einer Gaskonzentration von Null korrespondiert, geringer ist als ein bestimmter Offset-Ausgangssignalwert (V1) (das heißt wenn V1 > V0), und wenn das Sensorausgangssignal (V2), das mit der spezifischen Spülgaskonzentration korrespondiert, um ΔV (= V1 – V0) erhöht wird, wird die Differenz (V2 – ΔV) als ein Wert verwendet, der mit der tatsächlichen Spülgaskonzentration korrespondiert. Die somit durch Bezugnahme auf den Ausgangssignalwert (V2 – ΔV) des Sensors ermittelte Gaskonzentration kann durch Verwendung eines Speichermediums vorteilhaft unterstützt werden, das eine Abbildung aufzeichnet, in der das Sensorausgangssignal als eine Funktion der tatsächlichen Spülgaskonzentration des Gasgemischs gezeigt ist.
Das Ausgangssignal des verschlechterten Gaskonzentrationssensors kann durch eine Vielzahl der Abbildungen korrigiert werden oder gemäß des Korrekturbetrags selektiv korrigiert werden.
Sobald die Konzentration des spezifischen Spülgases durch die Nullpunktkorrektur stabil erhalten wird, kann eine Zufuhr des spezifischen Spülgases zur Steuerung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses und/oder zur Nachverbrennungssteuerung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses genau gemessen werden.
Desweiteren kann eine Steuerung der Zufuhr des spezifischen Spülgases gemäß einer Methode und einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einfacher gemacht werden, falls ein zusätzlicher Schritt durchgeführt wird, in welchem die Öffnung des Spülventils auf der Basis des Sensorausgangssignals gesteuert wird, um die Zufuhr (oder Flußrate) des Spülgases zu regulieren.
Arten der spezifischen Spülgase können ein brennbares Gas umfassen, wie zum Beispiel Treibstoffdampf, der von einem Kanister in die Ansaugluft zugeführt wird, und unverbranntes Gas von einem EGR-System.
Ein wichtiges Merkmal ist eine Zeiteinstellung, zu der das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors für einen Nullpunkt-Offset des Sensors erfaßt wird. Die beste Zeiteinstellung ist, während die Ansaugluft, die als Basisgas für das Luft/Brennstoff-Verhältnis dient, mit keinem spezifischen Spülgas gemischt ist. Eine solche Zeiteinstellung ist während einer Anlaßperiode eines Motors oder während der Startperiode, in welcher die Aktivität des Katalysators gering ist. Die Nullpunktkorrektur, in welcher der Verschiebungsbetrag des Sensorausgangssignals berücksichtigt wird, wird vorzugsweise unmittelbar nach einer Erfassung einer beliebigen Verschlechterung des Sensors durchgeführt. Es ist bevorzugt, daß die Nullpunktkorrektur zu einer beliebigen Zeit beim Messen einer tatsächlichen Gaskonzentration durchgeführt wird, bevor Dampfgas aus einem Kanister gespült wird.
Es kann das Beste sein, das Offset-Nullpunktniveau während einer Spüloperation direkt nachdem der Zündschlüssel gedreht wird anzupassen.
Wenn der Spülvorgang zuerst ausgeführt wird, nachdem der Zündschlüssel gedreht wird, kann der Einfluß eines Anhaftens von Brennstoff an einem Spülgaszufuhrdurchgang auf der in Bezug auf das Spülventil nachgeschalteten Seite eliminiert werden, um den Grad der Verschlechterung des Gaskonzentrationssensors genauer zu ermitteln, und um die Nullpunktkorrektur genauer durchzuführen.
Die Erfassung des Grades der Verschlechterung des Gaskonzentrationssensors kann durchgeführt werden, während ein Signal von einer ECU oder eines der Signale von verschiedenen Sensoren, die an dem Fahrzeug befestigt sind, als Trigger-Signal verwendet wird.
Ein Ultraschallsensor, der Ultraschallwellen derart verwendet, daß sich ihre Geschwindigkeit im Zusammenhang mit der Konzentration des spezifischen Spülgases in der Ansaugluft ändert, kann vorzugsweise als der Gaskonzentrationssensor verwendet werden, der in dem Verfahren und in der Vorrichtung der Erfindung verwendet wird. In einem solchen Ultraschallsensor werden die Ultraschallwellen gegen die Ansaugluft gesendet und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit (das heißt eine Ausbreitungszeit) der Ultraschallwellen wird erfaßt, um die Konzentration des spezifischen Spülgases zu ermitteln.
Ein anderer Typ des Gaskonzentrationssensors, der in dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung verwendbar ist, umfaßt ein Element, das aus einem Oxidhalbleiter, wie zum Beispiel ein Zinnoxid, gebildet ist und nutzt ein Phänomen, das sich die Menge von absorbiertem Sauerstoff auf der Elementoberfläche aufgrund der Oxidation des spezifischen Spülgases auf der Elementoberfläche ändert. Ein elektrischer Oberflächenwiderstand des Elements ändert sich aufgrund einer Variationen der Anzahl von freien Elektronen. Die Konzentration des spezifischen Spülgases wird ermittelt durch Erfassung der Variation in dem elektrischen Widerstand durch Elektroden, die auf der Elementoberfläche gebildet sind.
Ein anderer Sensor für diese Verwendung kann ein Element umfassen, das aus einem festen Elektrolyt gebildet ist, in welchem die Konzentration des spezifischen Spülgases durch Erfassung eines gemischten Elektrodenpotentials relativ zu einer Referenzelektrode ermittelt wird, durch eine Reaktion zwischen dem spezifischen Spülgas und einem Katalysator, der auf der Elementoberfläche aufgetragen ist, oder durch eine Potentialdifferenz, die gemäß der Nernst-Gleichung variiert.
Ein anderer Gaskonzentrationssensor, der möglicherweise für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, kann vom Typ eines Heizelements sein, das zum Beispiel einen Platindraht verwendet, wobei die Menge der erzeugten Wärme aufgrund von Oxidation des spezifischen Spülgases auf der Oberfläche des Platindrahts basierend auf einer Variation des elektrischen Widerstands des Platindrahts erfaßt wird, so daß die Konzentration des spezifischen Spülgases ermittelt wird. Ein anderer Typ des Sensors, der für die vorliegende Erfindung geeignet ist, kann eine elektrostatische Kapazität ausnutzen, die zwischen paarweisen Elektroden gemessen wird, die in einer Meßkammer angeordnet sind, in welche das spezifische Spülgas eingebracht wird. Die Konzentration des spezifischen Spülgases wird durch Erfassung der elektrostatischen Kapazität zwischen den paarweisen Elektroden zu dem Zeitpunkt ermittelt, wenn das spezifische Spülgas eingebracht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Steuerung für ein Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors bereit, umfassend: ein Speichermittel zum Speichern eines Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors als ein Referenzausgangssignal, wenn die Konzentration des spezifischen Spülgases 0% ist; Ausgangssignalerfassungsmittel zum Erfassen eines tatsächlichen Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors basierend auf einem Ausgangssignal eines Gaskonzentrationssensors, welches während des Motorstartens unmittelbar nachdem ein Zündschlüssel gedreht worden ist erfaßt wird, bevor das spezifische Spülgas zugeführt worden ist; und Nullpunktkorrekturmittel zum Vergleichen des Referenzausgangssignals und des tatsächlichen Ausgangssignals um den Nullpunkt des Gaskonzentrationssensors zu korrigieren. In dieser Steuerung gemäß der Erfindung speichert das darin befindliche Speichermittel ein Referenzausgangssignal, welches ein Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors ist, wenn die Konzentration des spezifischen Spülgases 0% ist. Das Ausgangssignalerfassungsmittel erfaßt auf der Basis eines Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors ein tatsächliches Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors, welches mit der 0%-Konzentration korrespondiert, bevor das spezifische Spülgas zugeführt wird. Anschließend vergleicht das Nullpunktkorrekturmittel das Referenzausgangssignal und das tatsächliche Ausgangssignal, um deren Differenz zu ermitteln, auf deren Basis der Nullpunkt des Gaskonzentrationssensors korrigiert wird.
Die Steuerung kann weiterhin ein Meßmittel zum Bestimmen der Konzentration des spezifischen Spülgases auf der Basis des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors umfassen, welcher der Nullpunktkorrektur unterzogen wurde. Die Konzentration des spezifischen Spülgases wird auf der Basis des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors ermittelt, nachdem er der Nullpunktkorrektur unterzogen wurde. Deshalb kann die Konzentration des spezifischen Spülgases genau ermittelt werden, während Einflüsse einer Variation über der Zeit und dergleichen eliminiert werden.
Die Steuerung kann weiterhin ein Einstellmittel (zum Beispiel ein Spülventil) zum Einstellen einer Zufuhr des spezifischen Spülgases auf der Basis des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors umfassen, welcher der Nullpunktkorrektur unterzogen wurde. Die Gaskonzentration kann auf der Basis des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors präzise gemessen werden, nachdem er der Nullpunktkorrektur unterzogen wurde. Deshalb kann eine benötigte Menge des spezifischen Spülgases durch eine auf der Basis der präzisen Gaskonzentration durchgeführte Steuerung des Einstellmittels genau zugeführt werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Systemdiagramm ist, das ein vollständiges System zeigt, welches eine Steuerung für einen Gaskonzentrationssensor umfaßt, der in einem Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors bereitgestellt ist, wobei ein Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors gemäß der Erfindung korrigiert wird;
2(a) eine erläuternde Ansicht ist, die ein Prinzip des Messens des Gaskonzentrationssensors zeigt, der in dem System wie in 1 gezeigt verwendet wird, wobei ein Spülgas nicht in das Ansaugrohr durch ein röhrenförmiges Rohr des Gaskonzentrationssensors eingespeist wird, welcher einen Ultraschallsensor auf dem röhrenförmigen Rohr gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat;
2(b) eine erläuternde Ansicht ist, die ein Prinzip des Messens des Gaskonzentrationssensors zeigt, der in dem System wie in 1 gezeigt verwendet wird, wobei ein Spülgas in das Ansaugrohr durch ein röhrenförmiges Rohr des Gaskonzentrationssensors eingespeist wird, welcher einen Ultraschallsensor auf dem röhrenförmigen Rohr gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat;
3 ein Graph ist, der eine Empfindlichkeitscharakteristik des Gaskonzentrationssensors mit einem Ultraschallelement zeigt, wenn ein Butangas in das Ansaugrohr eingespeist wird;
4 ein Graph ist, der eine Differenz der Empfindlichkeitscharakteristik des Gaskonzentrationssensors mit einem Ultraschallelement zeigt, wobei eine Empfindlichkeitscharakteristik zeigt, wenn ein trockenes Gas in das Ansaugrohr eingespeist wird, und die andere Empfindlichkeitscharakteristik zeigt, wenn ein nasses oder feuchtes Gas in das Ansaugrohr eingespeist wird, was eine Notwendigkeit für eine Nullpunktkorrektur gemäß der Erfindung anzeigt;
5(a) eine erläuternde Ansicht ist, die einen Gaskonzentrationssensor mit einem Ultraschallelement zeigt, wobei eine innere Wand des Gaskonzentrationssensors mit einem fremden Materialprodukt ausgestattet ist, wobei eine akustische Beschleunigung zwischen den Ultraschallelementen und eine ungenaue Messung des Gases bewirkt wird, welches innerhalb der inneren Wand strömt;
5(b) eine erläuternde Ansicht ist, die einen Gaskonzentrationssensor mit Ultraschallelementen zeigt, wobei eine innere Wand des Gaskonzentrationssensors nicht mit einem fremden Materialprodukt ausgestattet ist;
6 eine erläuternde Illustration ist, die eine Variation in einem Sensorausgangssignal aufgrund einer Nullpunktkorrektur gemäß der Erfindung zeigt;
7 ein Flußdiagramm ist, welches einen Steuerprozeß zum Steuern einer Treibstoffeinspritzmenge zeigt, wobei ein Ausgangssignal eines Gaskonzentrationssensors, der in einem Ansaugrohr bereitgestellt ist, basierend auf einer Nullpunktkorrektur korrigiert wird, bevor ein Spülgas in das Ansaugrohr gemäß der Erfindung zugeführt wird;
8 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen einer Konzentration von verdampftem Treibstoff und einem Öffnungsanteil eines Spülgasventils zeigt;
9 ein Graph ist, der ein Testergebnis zeigt, wobei ein Luft/Brennstoff-Verhältnis λ nicht kritisch variiert, wenn das vorliegende Verfahren des Verwendens eines Gaskonzentrationssensors basierend auf einer Nullpunktkorrektur angewandt wird;
10 eine erläuternde Ansicht ist, die einen Gaskonzentrationssensor zeigt, der einen Oberflächenwiderstand zwischen Oberflächenelektroden verwendet, die auf einem Halbleitersubstrat gebildet sind;
11 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen einer Gaskonzentration und einem Ausgangssignal eines solchen Gaskonzentrationssensors zeigt, wie er in 10 gezeigt ist;
12(a) ein Graph ist, der Beispiele einer Verringerung oder Verschlechterung einer Genauigkeit des in 10 gezeigten Gaskonzentrationssensors zeigt, die einen Einfluß von Feuchtigkeit zeigen;
12(b) ein Graph ist, der eine Verringerung oder Verschlechterung einer Genauigkeit des in 10 gezeigten Gaskonzentrationssensors zeigt, der einen Einfluß einer Variation über der Zeit zeigt.
In den Zeichnungen verwendete Referenznummern bezeichnen Gegenstände wie folgt:

1: Motor
2: Ansaugrohr
3: Drosselventil
4: Gaskonzentrationssensor
6: Einspritzvorrichtung
7: Abgasrohr
8: Sauerstoffsensor
9: Drei-Wege-Katalysator
10: Luftflußmeter
11: Benzintank
12: erster Zufuhrpfad
13: zweiter Zufuhrpfad
14: Kanister
16: dritter Zufuhrpfad
17: Spülventil
19: elektronische Steuereinheit (ECU)

Erste Ausführungsform
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf eine Technik zum Messen einer Konzentration von verdampftem Treibstoff unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gerichtet, der Ultraschallwellen ausnutzt.
a) Zunächst wird die Konfiguration eines Systems gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das eine Systemkonfiguration zeigt, die einen Gaskonzentrationssensor und eine Steuerung dafür umfaßt.
Wie in 1 gezeigt, sind in der vorliegenden Ausführungsform ein Drosselventil 3, ein Gaskonzentrationssensor 4 und eine Einspritzvorrichtung 6 in Flußrichtung an einem Ansaugrohr 2 eines Motors 1 angeordnet. Währenddessen sind ein Sauerstoffsensor (vollständiger Luft/Treibstoff-Verhältnis-Sensor) 8 und ein Drei-Wege-Katalysator 9 in Flußrichtung an einem Abgasrohr 7 des Motors 1 angeordnet.
Weiterhin umfaßt ein Pfad zur Zufuhr von Treibstoff zu dem Motor 1 ein erstes Zufuhrsystem zum Zuführen von flüssigem Treibstoff und ein zweites Zufuhrsystem zum Zuführen von Treibstoffgas.
In dem ersten Zufuhrsystem ist ein Benzintank 11 über einen ersten Zufuhrpfad 12 und eine Treibstoffpumpe 15 mit der Einspritzvorrichtung 6 verbunden. Treibstoff wird über den ersten Zufuhrpfad von dem Benzintank 11 zu der Einspritzvorrichtung 6 mittels der Treibstoffpumpe 15 zugeführt. Dann wird Treibstoff von der Einspritzvorrichtung 6 in das Ansaugrohr 2 eingespritzt.
In dem zweiten Zufuhrsystem ist der Benzintank 11 mit einem Kanister 14 über einen zweiten Zufuhrpfad 13 verbunden. Der Kanister 14 ist über einen dritten Zufuhrpfad 16 und ein Spülventil 17 mit einem Abschnitt des Ansaugrohrs 2 verbunden, der sich zwischen dem Drosselventil 3 und dem Gaskonzentrationssensor 4 erstreckt. Entsprechend wird Treibstoff, der von dem Benzintank 11 verdampft ist, einmalig von dem Kanister 14 absorbiert. Außenluft wird geeignet in den Kanister 14 eingeführt, um dadurch Treib stoff zu spülen (Verdampfen von Treibstoff aus dem Kanister 14). Der somit gespülte, verdampfte Treibstoff (Spülgas) wird einer Flußsteuerung in dem Spülventil 17 unterzogen und wird dann in einen Abschnitt des Ansaugkrümmers oder -rohrs 2 zugeführt, der sich zwischen dem Drosselventil 3 und dem Gaskonzentrationssensor 4 erstreckt.
Dieses System verwendet eine elektrische Steuereinheit (ECU) 19, um eine Spülgaszufuhr und ein Luft/Treibstoff-Verhältnis zu steuern. Die ECU 19 empfängt Signale von verschiedenen Sensoren, wie zum Beispiel dem Gaskonzentrationssensor 4, dem Sauerstoffsensor 8 und einem Luftflußmesser 10. Die ECU 19 gibt Steuersignale an verschiedene Stellglieder aus, wie zum Beispiel das Spülventil 17, das Drosselventil 3 und die Einspritzvorrichtung 6. Die ECU 19 gibt auch ein Steuersignal aus, wie zum Beispiel ein An/Aus-Signal an den Gaskonzentrationssensor 4.
b) Als nächstes wird die Struktur und das Prinzip des Gaskonzentrationssensors 4 beschrieben.
Der Gaskonzentrationssensor 4, der in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist ein Gaskonzentrationssensor vom Ultraschalltyp, der ein Ultraschallelement nutzt, das Ultraschallwellen durch Verwendung eines piezoelektrischen Elements erzeugt. Wie in 2 gezeigt, umfaßt der Gaskonzentrationssensor 4 ein Ultraschallsenderelement 4b und ein Ultraschallempfängerelement 4a, die rechtwinklig zu dem Durchfluß von Ansaugluft angeordnet sind. Jedes Element, das geeignet ist, Ultraschallwellen zu senden und zu empfangen, kann als der Gaskonzentrationssensor 4 verwendet werden.
Wenn eine Konzentrationsmessung unter Verwendung des Gaskonzentrationssensors 4 durchgeführt wird, wird das Senderelement 4b betrieben, um eine Ultraschallwelle zu senden, und das Empfängerelement 4a wird betrieben, um die Ultraschallwelle zu empfangen. Zu diesem Zeitpunkt verschiebt sich die Wellenform der empfangenen Ultraschallwelle relativ zu der Wellenform der gesendeten Ultraschallwelle durch eine Ausbreitungszeit, die mit der Konzentration des Spülgases korrespondiert, welches in der Ansaugluft enthalten ist. Wenn zum Beispiel wie in 2(a) gezeigt, die Konzentration des Spülgases gering ist, wird die Ausbreitungszeit – welche der Zeitabstand ist, um den die Wellenform der empfangenen Ultraschallwelle relativ zu der Wellenform der gesendeten Ultraschallwelle verschoben ist – gering (T1). Demgegenüber wird, wie in 2(b) gezeigt, die Fortschreitzeit hoch (T2), wenn die Konzentration des Spülgases hoch ist. Deshalb kann die Gaskonzentration auf der Basis eines Sensorausgangssignals erfaßt werden, welches die Ausbreitungszeit wiedergibt.
In einem beispielhaften Fall, in welchem wie in 3 gezeigt ein verdampfter Treibstoff Butan ist, existiert eine lineare Beziehung zwischen einem Sensorausgangssignal und einer Gaskonzentration. Entsprechend kann die Gaskonzentration des verdampften Treibstoffs auf der Basis des Sensorausgangssignals gemessen werden. Es ist anzumerken, daß 3 den Fall zeigt, in welchem Ansaugluft in einem trockenen Zustand ist (absolute Feuchtigkeit: 0%).
c) Als nächstes wird das Prinzip der Nullpunktkorrektur (Offset-Einstellung) des Gaskonzentrationssensors 4 beschrieben.
In dem Fall des Gaskonzentrationssensors 4 des oben beschriebenen Ultraschalltyps verschlechtert sich die Sensorgenauigkeit aufgrund der folgenden Faktoren; das heißt, (1) H₂O-Gehalt (Feuchtigkeit) und (2) Ablagerungen auf dem Sensor:
(1) Wenn der Gehalt von H₂O (Feuchtigkeit), welches ein geringeres Molekulargewicht als Luft hat, ansteigt, erhöht sich eine Ausbreitungsgeschwindigkeit (Ausbreitungszeit reduziert sich) mit dem Ergebnis, daß das Sensorausgangssignal ansteigt und die offensichtliche Butankonzentration abnimmt.
In 4, welche eine Butan-Empfindlichkeitscharakteristik zeigt, wird die Charakteristik für den Fall, wenn eine Ansaugluft trocken ist (trocken; absolute Feuchtigkeit: 0%) durch Verwendung von weißen rechteckigen Blöcken charakterisiert, und die Charakteristik für den Fall, wenn eine Ansaugluft ein hohes Feuchtigkeitsniveau hat (naß; absolute Feuchtigkeit: 12,5%, relative Feuchtigkeit bei 50°C: ungefähr 99 RH%) wird durch Verwendung von weißen dreieckigen Blöcken repräsentiert. Wie aus 4 offensichtlich hervorgeht, steigt das Sensorausgangssignal an, wenn die Feuchtigkeit ansteigt, mit einer resultierenden Abnahme in einer offensichtlichen Butankonzentration.
(2) Wenn eine feste Substanz (Ablagerung) wie in 5(a) gezeigt auf der Oberfläche oder dergleichen des Senderelements 4b und des Empfängerelements 4a des Gaskonzentrationssensors 4 vorhanden ist, breiten sich Ultraschallwellen durch die Ablagerung mit einer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit aus, so daß die Ausbreitungszeit kürzer wird. Als ein Ergebnis wird die Ausbreitungszeit T1 in diesem Fall kürzer als die Ausbreitungszeit T2 in dem in 5(b) gezeigten Fall, in welchem keine Ablagerungen vorhanden sind. Deshalb erhöht sich wie in dem oben beschriebenen Fall (1) das Sensorausgangssignal, mit einer resultierenden Abnahme einer offensichtlichen Butankonzentration.
Dementsprechend wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Nullpunktkorrektur (Offset-Einstellung) des Gaskonzentrationssensors 4 unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Charakteristika durchgeführt.
Insbesondere wenn ein Zündschlüssel gedreht wird und somit Ansaugluft in den Motor 1 eingeführt wird, wird eine Spülgaskonzentrationsmessung in einem Zustand durchgeführt, in welchem Spülgas nicht in das Ansaugrohr eingeführt wurde.
In diesem Zustand muß das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors 4 ungefähr 4,2 V werden, was anzeigt, daß die Konzentration eines Spülgases 0% ist, weil kein Spülgas in der Ansaugluft vorhanden ist. Wenn jedoch die oben beschriebene Feuchtigkeit oder Ablagerungen den Sensor beeinträchtigen, ändert sich das Sensorausgangssignal wie in 4 gezeigt.
Wenn dementsprechend die Konzentration eines Spülgases in einem Zustand gemessen wird, in welchem Spülgas tatsächlich zugeführt wird, werden Fehler des Sensorausgangssignals korrigiert (Nullpunktkorrektur), um eine Gaskonzentration genau zu messen.
In einem beispielhaften in 6 gezeigten Fall, in welchem der Sensor 4,8 V ausgibt, wenn kein Spülgas vorhanden ist (vor einer Kalibrierung), wird eine Differenz (0,6 V) zwischen dem Ausgangssignal und einem korrigierten Ausgangssignal (4,2 V) zunächst als Fehler erhalten. Wenn ein Spülgas in das Ansaugrohr zugeführt wird und die Konzentration des Spülgases gemessen wird, wird das Ausgangssignal des Sensors unter Berücksichtigung des Fehlers korrigiert (in diesem Fall wird 0,6 V von dem Ausgangssignal subtrahiert). Eine Gaskonzentration (A%) wird basierend auf dem somit korrigierten Sensorausgangssignal (nach einer Kalibrierung) erhalten.
d) Als nächstes wird neben einer in der ECU 19 durchgeführten Verarbeitung eine Verarbeitung im Hinblick auf den Gaskonzentrationssensor 4 mit Bezug auf das in 7 gezeigte Flußdiagramm beschrieben.
Wenn der Zündschlüssel gedreht wird (Schlüssel-An), um den Motor 1 zu starten, oder während eines Motorstartens wird in Schritt 100 eine Beurteilung auf der Basis eines Signals von dem Luftflußmeter 10 durchgeführt, ob die Luftflußrate ein vorgegebenes Niveau erreicht. Wenn das Ergebnis der Beurteilung "Ja" ist, fährt die Verarbeitung mit Schritt S110 fort.
In Schritt 110 wird eine Verarbeitung zur Nullpunktkorrektur des Gassensors 4 durchgeführt.
Insbesondere ist in einem Zustand, in welchem das Spülventil 17 geschlossen ist, Ansauggas, welches kein Spülgas enthält, Gegenstand einer Messung durch Verwendung des Gaskonzentrationssensors 4, und es wird zu diesem Zeitpunkt ein Sensorausgangssignal S1 erhalten. Das Sensorausgangssignal S1 beinhaltet Fehler, die von Feuchtigkeit und Variationen über der Zeit und dergleichen stammen. Anschließend wird das Sensorausgangssignal S1 mit einem korrekten Sensorausgangssignal S0 verglichen, um deren Differenz ΔS zu erhalten. Die Sensorausgangssignaldifferenz ΔS wird als Korrekturdaten für eine Nullpunktkorrektur gespeichert.
Dementsprechend wird während einer nachfolgenden Gaskonzentrationsmessung ein Wert S3 als ein korrigiertes Sensorausgangssignal verwendet, der durch Subtraktion der Differenz ΔS von einem erhaltenen Sensorausgangssignal S2 erhalten wird.
Im nachfolgenden Schritt 120 wird die Zufuhrmenge von Spülgas erhalten; das heißt, die Konzentration (zum Beispiel Butankonzentration von A%) des zuzuführenden Spülgases. Zum Zeitpunkt eines Startens wird die Menge eines zuzuführenden Spülgases gemäß des Motortyps, Kühlwassertemperatur, etc., korrekt ermittelt, und nach dem Starten wird die Menge des zuzuführenden Spülgases gemäß der Motorgeschwindigkeit, etc. korrekt ermittelt.
Im nachfolgenden Schritt 130 wird das Spülventil 17 betrieben, um Spülgas in das Ansaugrohr 2 in der oben beschriebenen benötigten Menge (A%) zuzuführen.
Das heißt, die ECU 19 speichert darin eine Abbildung, die die Beziehung zwischen der Öffnung des Spülventils 17 und der Zufuhrmenge (zum Beispiel Konzentration) von Spülgas zeigt. Deshalb wird die Öffnung des Spülventils 17 auf zum Beispiel a% unter Verwendung einer theoretischen (idealen) Beziehung eingestellt, die durch die Linie 1 in 8 angezeigt wird, wenn Spülgas in einem Umfang von A% zugeführt werden muß. Anschließend wird das Spülventil 17 so betrieben, daß die Ventilöffnung a% wird. Die Öffnung des Spülventils 17 wird durch Steuerung des Betriebsverhältnisses (D/T) eines Stroms zum Betreiben des Spülventils 17 eingestellt.
Im nachfolgenden Schritt 140 wird in dem Zustand, in welchem Spülgas dem Ansaugrohr zugeführt wurde, der Gaskonzentrationssensor 4 betrie ben, um die Konzentration des Spülgases zu messen, welches in einer Ansaugluft enthalten ist, bevor das Spülgas verbrannt wird.
In diesem Meßschritt wird wie oben beschrieben die Differenz ΔS zur Nullpunktkorrektur von dem tatsächlichen Sensorausgangssignal S2 subtrahiert, um ein korrektes (präzises) Sensorausgangssignal S3 zu erhalten. Auf der Basis des Sensorausgangssignals S3 wird eine präzise Gaskonzentration (zum Beispiel RA%) durch Verwendung der Abbildung erhalten, die die Beziehung der 3 repräsentiert.
Im nachfolgenden Schritt S150 wird eine Beurteilung durchgeführt, ob die genaue Gaskonzentration (RA%) von Spülgas, welche durch eine Nullpunktkorrektur erhalten wurde, mit einer Zielgaskonzentration (A%) übereinstimmt, die in Schritt 120 berechnet wird. Wenn das Ergebnis der Beurteilung "Ja" ist, fährt die Verarbeitung mit Schritt 160 fort, und wenn das Ergebnis der Beurteilung "Nein" ist, fährt die Verarbeitung mit Schritt 190 fort.
In Schritt 160 wird eine Zündsteuerung durchgeführt, um Treibstoff in einem Zylinder des Motors 1 zu verbrennen.
Im nachfolgenden Schritt 170 wird die Konzentration von Sauerstoff in Abgasen auf der Basis eines Signals von dem Sauerstoffsensor 8 gemessen, und das Luft/Treibstoff-Verhältnis des Treibstoffgemischs wird ermittelt.
Im nachfolgenden Schritt 180 wird die Menge an Treibstoff, die von der Einspritzvorrichtung 6 eingespritzt wird, auf der Basis des Luft/Treibstoff-Verhältnisses, der Drosselöffnung und einer Motorgeschwindigkeit ermittelt. Anschließend kehrt die Verarbeitung zurück zu Schritt 120. Die Einspritzmenge von Treibstoff wird durch Subtraktion der Zufuhrmenge von Spülgas von einer benötigten Treibstoffzufuhrmenge erhalten.
Wenn das Resultat der Beurteilung in Schritt 150 "Nein" ist, das heißt, wenn die genaue Gaskonzentration (RA%) von Spülgas nicht mit der Zielgaskonzentration (A%) wie oben beschrieben übereinstimmt, fährt die Verarbeitung demgegenüber mit Schritt 190 fort, um die Öffnung des Spülventils 17 zu korrigieren, um die Zielgaskonzentration (A%) zu erhalten.
Das heißt, die Zielgaskonzentration (A%) wird erhalten, wenn die Ventilöffnung auf a% gestellt wird, falls die Beziehung zwischen einer Gaskonzentration und einer Ventilöffnung eine theoretische, wie in 8 durch Linie 1 gezeigte Beziehung ist. In Wirklichkeit kann die Zielgaskonzentration (A%) jedoch nicht erhalten werden, weil die Gaskonzentration auf der Zufuhrseite (zum Beispiel der Kanisterseite) unbekannt und begrenzt ist. Deshalb wird die Ventilöffnung korrigiert, um die Zielgaskonzentration vor einer Verbrennung zu erhalten.
Insbesondere wenn die tatsächliche Gaskonzentration (RA%) geringer ist als die Zielgaskonzentration (A%), wird die Beziehung zwischen der Gas konzentration und der Ventilöffnung wie in 8 durch Linie 2 angezeigt geändert, und das Spülventil 17 wird in Übereinstimmung mit der somit geänderten Abbildung gesteuert. Deshalb wird in diesem Fall das Spülventil 17 so geregelt, daß die Ventilöffnung b% wird. Mit dieser Steuerung wird eine erforderliche Menge von Spülgas dem Ansaugrohr 2 zugeführt, um die Zielgaskonzentration (A%) zu realisieren.
e) Als nächstes wird ein Test beschrieben, der zum Bestätigen des Effekts der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
Ein Auto mit einer geraden 6-Zylinder/2,0-Liter Maschine wurde als Testfahrzeug verwendet, und der Modus wurde bei einer Frequenz von 3 Hz so gesteuert, daß das Luft/Treibstoff-Verhältnis λ 1 ± 0,03 wurde.
Die durchgezogene Linie in 9 zeigt das Testergebnis für den Fall, daß eine Nullpunktkorrektur durchgeführt wurde, und die strichlinierte Linie in 9 zeigt das Testergebnis für den Fall, daß eine Nullpunktkorrektur nicht durchgeführt wurde.
Verdampfter Treibstoff wird zugeführt wenn das Spülventil geöffnet ist. Wie in 9 deutlich wird, überschießt zu diesem Zeitpunkt in dem Fall, in dem eine Nullpunktkorrektur nicht durchgeführt wird, das Sensorausgangssignal zu sehr in Richtung der reichen Seite (λ < 1), und die Konver genzzeit, nämlich die Zeit, die zum Erreichen des Zielpunkts (λ = 1) erforderlich ist, erhöht sich, was nicht bevorzugt ist.
Im Unterschied dazu ist der Grad des Überschießens gering und weniger als 10% in dem Fall, in welchem eine Nullpunktkorrektur wie in der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, und die Konvergenzzeit, nämlich die Zeit, die zum Erreichen des Zielpunkts benötigt wird, wird gering, was bevorzugt ist.
Wie oben beschrieben wird in der vorliegenden Ausführungsform während eines Motorstartens zum Zeitpunkt des Anschaltens die Spülgaskonzentrationsmessung durchgeführt, bevor Spülgas zugeführt wird, und der Nullpunkt des Gaskonzentrationssensors wird basierend auf Daten korrigiert, die durch die Messung erhalten werden. Deshalb kann, wenn tatsächlich Spülgas zugeführt wird und seine Gaskonzentration gemessen wird, die Konzentration des Spülgases genau gemessen werden, während der Einfluß von Feuchtigkeit und Ablagerung eliminiert wird.
Deshalb kann, wenn das Spülventil 17 basierend auf der genauen Gaskonzentration gesteuert wird, eine erforderliche Menge von Spülgas genau zugeführt werden, so daß ein Luft/Treibstoff-Verhältnis-Steuerung und andere Steuerungen genau durchgeführt werden können.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß ein anderer Typ eines Gaskonzentrationssensors verwendet wird. Beschreibungen für die gleichen Abschnitte wie diejenigen der ersten Ausführungsform werden unterlassen oder vereinfacht.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet einen Oxidhalbleitersensor (insbesondere einen Sensor, dessen empfindlicher Abschnitt Zinnoxid als eine Hauptkomponente umfaßt) wie in 10 gezeigt.
In dem Oxidhalbleitersensor des oben beschriebenen Typs bewirkt wie in 11 gezeigt verdampfter Treibstoff (zum Beispiel Spülgas) eine Oxidationsreaktion auf der Oberfläche des Sensors, so daß sich die Menge von absorbiertem Sauerstoff ändert und der elektrische Widerstand des Elements sich ändert. Als ein Ergebnis ändert sich das Sensorausgangssignal. Die Gaskonzentration (zum Beispiel Butankonzentration) wird auf der Basis der Änderung des Sensorausgangssignals gemessen.
Jedoch umfaßt wie im Fall des Ultraschallsensors der ersten Ausführungsform das Sensorausgangssignal Fehler, die von Variationen in dem Gehalt von H₂O (Feuchtigkeit) und von einer Nullpunktverschiebung des Sensors über der Zeit stammen. Das heißt, wenn wie in 2(a) gezeigt, H₂O an der Oberfläche des Sensors haftet, erhöht sich das Sensorausgangssignal mit dem Ergebnis, daß die Gaskonzentration geringer gemessen wird, als das tatsächliche Niveau. Wie in 12(b) gezeigt, erhöht sich das Sensorausgangssignal weiter, wenn sich die Ausgangssignalstabilität über der Zeit verschlechtert, mit dem Ergebnis, daß die Gaskonzentration geringer gemessen wird, als das tatsächliche Niveau.
Deshalb kann auch in der vorliegenden Ausführungsform der Einfluß von Feuchtigkeit und einer Nullpunktverschiebung über der Zeit eliminiert werden, wenn eine Nullpunktkorrektur in der gleichen Weise wie in der erste Ausführungsform durchgeführt wird, so daß die Konzentration von Spülgas genau gemessen werden kann. Dementsprechend kann die Konzentration von Spülgas korrekt gesteuert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Oxidhalbleitersensor beschrieben, der Zinnoxid nutzt. Die oben beschriebene Nullpunktkorrektur kann jedoch auch auf einen Sensor vom Kontakt-Verbrennungstyp und ähnliche Sensoren angewandt werden.
In dem Sensor des Kontakt-Verbrennungstyps wird ein Basismaterial, wie zum Beispiel Platin, mit einer großen Anzahl von Katalysatorelementen beschichtet, und es wird eine Variation eines elektrischen Widerstandes bei einer Absorption und Freisetzungen von Gas in und aus der Oberfläche des Sensors erfaßt. Da Sensoren dieses Typs die gleichen Probleme haben, ermöglicht die oben beschriebene Nullpunktkorrektur eine genaue Messung der Gaskonzentration.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform darin, daß ein verschiedener Typ eines Gaskonzentrationssensors verwendet wird. Beschreibungen der gleichen Abschnitte wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsform werden unterlassen oder vereinfacht.
Die vorliegende Ausführungsform nutzt einen Gaskonzentrationssensor, der ein Element verwendet, welches aus einem festen Elektrolyt, wie zum Beispiel Zirkoniumkeramik, gebildet ist und bei dem eine Variation einer elektromotorischen Kraft ausgenutzt wird.
Bei dem Gaskonzentrationssensor des oben beschriebenen Typs wird durch eine Gasreaktion ein Unterschied in der Gaskonzentration zwischen einer Reaktionselektrode und einer Referenzelektrode erzeugt, die eine Konzent rationszelle bilden, und der somit erzeugte Unterschied wird als elektromotorische Kraft der Konzentrationszelle erfaßt. Sensoren dieses Typs haben auch ein Problem des Erzeugens von Fehlern aufgrund einer Instabilität (Variation über der Zeit) des Sensorausgangssignals und eines Einflusses von Feuchtigkeit und dergleichen. Deshalb ermöglicht die oben beschriebene Nullpunktkorrektur eine präzise Messung einer Gaskonzentration.
Vierte Ausführungsform
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten bis dritten Ausführungsform darin, daß ein verschiedener Typ eines Gaskonzentrationssensors verwendet wird. Beschreibungen der gleichen Abschnitte wie diejenigen der ersten bis dritten Ausführungsform werden unterlassen oder vereinfacht.
Die vorliegende Ausführungsform nutzt einen Gaskonzentrationssensor eines FET-Typs, bei welchem sich die Gatterspannung mit einer Gaskonzentration ändert.
In dem Gaskonzentrationssensor ist ein organischer Film auf der Gatterelektrode gebildet, der mit dem oben beschriebenen Gas reagiert. Wenn sich die Gaskonzentration ändert, ändert sich die Gatterspannung aufgrund einer Differenz der Menge der Ionen, so daß sich der Quellen-Drainstrom mit der Gatterspannung ändert. Die Veränderung des Quellen-Drainstroms wird zum Messen einer Gaskonzentration verwendet. Sensoren dieses Typs sind auch anfällig für eine Beeinflussung durch Feuchtigkeit. Deshalb ermöglicht die oben beschriebene Nullpunktkorrektur eine genaue Messung der Gaskonzentration.
Fünfte Ausführungsform
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten bis vierten Ausführungsform darin, daß ein verschiedener Typ eines Gaskonzentrationssensors verwendet wird. Beschreibungen der gleichen Abschnitte wie diejenigen der ersten bis vierten Ausführungsform werden unterlassen oder vereinfacht.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet einen Gaskonzentrationssensor eines kalorimetrischen Typs, bei dem ein Heizelement verwendet wird.
Bei dem Gaskonzentrationssensor wird Gas mittels einer Katalysatorschicht oxidiert, die auf einem Platinheizelement gebildet ist, und Unterschiede der Menge der erzeugten Wärme aufgrund der Oxidationsreaktion werden durch Erfassung einer Variation des elektrischen Widerstands des Heizelements gemessen. Sensoren dieses Typs haben auch ein Problem, daß sie durch Feuchtigkeit und Variationen über der Zeit beeinflußt werden. Deshalb ermöglicht die oben beschriebene Nullpunktkorrektur eine genaue Messung der Gaskonzentration.
Sechste Ausführungsform
Als nächstes wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten bis fünften Ausführungsform darin, daß ein verschiedener Typ eines Gaskonzentrationssensors verwendet wird. Beschreibungen der gleichen Abschnitte wie diejenigen der ersten bis fünften Ausführungsform werden unterlassen oder vereinfacht.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet einen Gaskonzentrationssensor eines Typs, bei dem sich eine elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden ändert, wenn verdampfter Treibstoff in den Sensor eintritt.
Bei dem Gaskonzentrationssensor werden zwei Elektroden innerhalb eines Gasdurchgangs angeordnet. Durch Ausnutzen der Tatsache, daß sich die Dielektrizitätskonstante mit einer Gaskonzentration ändert, wird eine Veränderung einer Gaskonzentration in Form einer Variation der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden erfaßt. Sensoren dieses Typs haben auch ein Problem des Erzeugens von Fehlern aufgrund eines Einflusses von Feuchtigkeit und Substanzen, die sich auf der Oberfläche der Elektroden während einer Langzeitbenutzung absetzen. Deshalb ermöglicht die oben beschriebene Nullpunktkorrektur eine präzise Messung einer Gaskonzentration.
Die vorliegende Erfindung ist auf die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkt und kann innerhalb der beiliegenden Ansprüche auf verschiedene Weisen angewandt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine Konzentration eines Spülgases zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemessen. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf andere Fälle übertragen werden, wie zum Beispiel auf einem Fall, bei dem die Konzentration von verdampftem Treibstoff gemessen wird, der von einem Treibstoffverdampfungsgenerator zugeführt wird.
Wie oben bei dem Verfahren des Verwendens eines Gaskonzentrationssensors und der Steuerung für einen Gaskonzentrationssensor gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, wird ein Referenzgas (zum Beispiel nur Ansaugluft) durch Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemessen, bevor ein spezifisches Spülgas, wie zum Beispiel Spülgas, zugeführt wird. Deshalb kann der Grad einer Verschlechterung des Gaskonzentrationssensors und der Grad eines Einflusses von verschiedenen Gasen und dergleichen erfaßt werden.
Dementsprechend kann eine Gaskonzentration genau ermittelt werden, wobei ein Einfluß von Feuchtigkeit, Ablagerung und dergleichen eliminiert wird, wenn eine Nullpunktkorrektur gemäß des Grades einer Verschlechterung und eines Einflusses von verschiedenen Gasen und dergleichen durchgeführt wird.
Dementsprechend kann die Menge eines zuzuführenden spezifischen Spülgases auf der Basis der genauen Konzentration des spezifischen Spülgases genau eingestellt werden, so daß eine Luft/Treibstoff-Verhältnissteuerung und andere verschiedene Steuerungen genau durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors (4), welcher in einem Ansaugrohr (2) eines Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist, um eine Konzentration eines spezifischen Spülgases zu messen, welches in der Ansaugluft enthalten ist, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors (4) vor der Zufuhr des spezifischen Spülgases zum Ansaugrohr (2), wobei eine Variation im Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors während des Motorstartens erfasst wird, unmittelbar nachdem ein Zündschlüssel gedreht worden ist; und Durchführen einer Nullpunktskorrektur gemäß der Variation im Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors (4).
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignalwert des Gaskonzentrationssensors (4) vor der Zufuhr des spezifischen Spülgases mit einem Ausgangssignalwert verglichen wird, welchen der Gaskonzentrationssensor (4) ausgeben muss, wenn das spezifische Spülgas nicht vorliegt, und wobei die Nullpunktskorrektur auf der Basis der Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalwerten durchgeführt wird.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des spezifischen Spülgases in einem Zustand gemessen wird, in dem das spezifische Spülgas zugeführt wird, wobei die Konzentration des spezifischen Spülgases unter Berücksichtigung des Betrages der Nullpunktskorrektur bestimmt wird.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das spezifische Spülgas ein brennbares Gas ist.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation im Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors (4) erfasst wird, bevor brennbares Gas aus einem Kanister (14) entleert wird.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation im Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors (4) erfasst wird, bevor brennbares Gas von einem Kanister (14) durch einen Spülvorgang zuerst zugeführt wird, wobei dies durchgeführt wird, wenn der Zündschlüssel gedreht worden ist.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskonzentrationssensor (4) die Konzentration des spezifischen Spülgases auf Basis einer Variation in der Schallgeschwindigkeit misst.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskonzentrationssensor (4) die Konzentration des spezifischen Spülgases auf Basis einer Variation im elektrischen Widerstand eines Sensorelementes misst.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskonzentrationssensor (4) die Konzentration des spezifischen Spülgases auf Basis einer Variation einer elektromotorischen Kraft eines Sensorelementes misst.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskonzentrationssensor (4) die Konzentration des spezifischen Spülgases auf Basis einer Variation in einer erzeugten Wärmemenge in einem Sensorelement misst.
Verfahren zur Verwendung eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskonzentrationssensor (4) die Konzentration des spezifischen Spülgases auf Basis einer Variation in einer elektrostatischen Kapazität misst.
Steuerung (19) für einen Gaskonzentrationssensor (4), wobei der Sensor in einem Ansaugrohr (2) einer Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, um eine Konzentration eines spezifischen Spülgases, welches in einer Ansaugluft enthalten ist, zu messen gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: Speichermittel zum Speichern, als ein Referenzausgangssignal, eines Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors (4), wenn die Konzentration des spezifischen Spülgases 0% ist; Ausgangssignalerfassungsmittel zum Erfassen eines tatsächlichen Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors (4), welches während des Motorstartens erfasst wird, unmittelbar nachdem ein Zündschlüssel gedreht worden ist, bevor das spezifische Spülgas in das Ansaugrohr (2) zugeführt worden ist; und Nullpunktskorrekturmittel zum Vergleichen des Referenzausgangssignals und des tatsächlichen Ausgangssignals, um den Nullpunkt des Gaskonzentrationssensors zu korrigieren.
Steuerung für einen Gaskonzentrationssensor gemäß Anspruch 12, welche ferner umfasst: Messmittel zum Bestimmen der Konzentration des spezifischen Spülgases auf der Basis des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors, welches der Nullpunktskorrektur unterzogen wurde.
Steuerung für einen Gaskonzentrationssensor gemäß Anspruch 12 oder 13, welche ferner umfasst: Einstellmittel (17) zum Einstellen einer Zufuhr des spezifischen Spülgases auf der Basis des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors, welches der Nullpunktskorrektur unterzogen wurde.