DE3036356A1

DE3036356A1 - System fuer die rueckkopplungs-regelung des luft/kraftstoff-verhaeltnisses in einem verbrennungsmotor mit einer einrichtung fuer die zufuehrung eines gesteuerten stroms zu einem sauerstoff-fuehler

Info

Publication number: DE3036356A1
Application number: DE19803036356
Authority: DE
Inventors: Toyoaki Nakagawa; Kenji Okamura; Kohki Sone
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1981-04-16
Also published as: GB2059645B; FR2466624A1; DE3036356C2; JPS5652258U; GB2059645A; FR2466624B1; JPS6042367Y2; US4363306A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein System für die Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor, wobei dieses System einen Luft/ Kraftstoff-Verhältnisdetektor mit einem sauerstoff empfindlichen Element nach Art einer Meßzelle für die Sauerstoff-Konzentration enthält, das durch einen Gleichstrom gespeist wird, um in dem Element einen als Bezugspunkt dienenden Sauerstoff-Partialdruck aufzubauen, und insbesondere eine verbesserte Stromregelung für die Steuerung der Stromzuführung zu dem sauerstoffempfindlichen Element.

In letzter Zeit wird in zunehmendem Maße bei Verbrennungsmotoren und hier wiederum bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge das Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnis sehr exakt auf einen vorgegebenen, optimalen Wert eingestellt, wobei eine Rückkopplungs-Regelung durchgeführt wird, um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern und die Emission an gesundheitsschädlichen oder in anderer Weise bedenklichen Substanzen zu verringern, die sich im Abgas befinden.

So sind beispielsweise Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge entwickelt worden, die im Abgas-Durchgang einen katalytischen Konverter enthalten; dieser katalytisGhe Konvertor enthält einen sogenannten "Dreiweg-Katalysator", der sowohl die Reduktion der Stickoxide als auch die Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen katalysieren kann. Bei einem solchen Verbrennungsmotor sollte das Luft/Kraftstoff-Mischungsverhältnis auf das stöchiometrische Verhältnis eingestellt werden, wei dieser Katalysator seinen höchsten Umwandlungswirkungsgrad in einem Abgas hat, das durch die Verbrennung eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-

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Gemisches erzeugt, wird» Außerdem ist die Vervrendung eines stöchiometrischen Mischungsverhältnisses für die Realisierung eines hohen mechanischen und thermischen Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors günstig. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem solchen Verbrennungsmotorsystem unter.Verwendung einer Art von Sauerstoffühler durchzuführen, der in dem Abgasdurchgang in Strömungsrichtung vor dem katalytischen Konverter eingebaut ist. Dabei handelt es sich um eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Rückkopplungssignals, das ein Maß für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Luft/Kraftstoff-Gemisches darstellt, das zu diesem Zeitpunkt dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Auf der Basis dieses Rückkopplungssignals stellt eine Steuerschaltung die Kraftstoffzuführung ein, wie beispielsweise elektronisch gesteuerte Kraftstoff-Einspritzventile, um die Geschwindigkeit der Kraftstoffzuführung zu dem Verbrennungsmotor so zu steuern, daß Abweichungen des tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von dem angestrebten stöchiomefcrischen Verhältnis nicht auftreten, oder nur minimal sind.

üblicherweise handelt es sich bei dem erwähnten Sauerstoffühler um eine Meßzelle für die Sauerstoff-Konzentration, die einen Sauerstoffionen-leitenden, festen Elektrolyten verwendet, beispielsweise aus Zirkonoxid, das mit Calciumoxid (calcia) stabilisiert ist; üblicherweise wird der Fühler aus einer festen Elektrolytschicht in Form eines Rohrs gebildet, das an einem Ende geschlossen ist. Eine Meßelektrodenschicht wird porös auf der Außenseite des Rohrs aus dem festen Elektrolyten ausgebildet; auf der Innenseite des Rohrs wird eine Bezugselektronenschicht ausgebildet. Wenn

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Wenn eine Partialdruck-Differenz zwischen der Bezugselektrodenseite und der Meßelektrodenseite des Rohrs aus dem festen Elektrolyten besteht, erzeugt dieser Fühler eine elektromotorische Kraft zwischen den beiden Elektrodenschichten. Wenn ein solcher Fühler als Detektor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingesetzt wird, wird die Meßelektrode den Abgasen des Verbrennungsmotors ausgesetzt, während die Bezugselektrode auf der Innenseite der Luftatmosphäre ausgesetzt wird, die als Quelle für einen Bezugs-Sauerstoffpartialdruck dient. Dabei zeigt die Größe der von diesem Fühler erzeugten elektromotorischen Kraft eine hohe und scharfe Änderung zwischen einem maximal hohen Pegel und einem sehr niedrigen Pegel jedesmal dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemischs den Wert des stöchiometrischen Verhältnisses durchläuft, also genau dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Dadurch wird es möglich, basierend auf dem Ergebnis eines Vergleiches zwischen dem Ausgangssignal· des Sauerstoff-Fühlers und einer Bezugsspannung, die auf die Mitte des hohen und niedrigen Pegels des Ausgangssignals des Fühlers eingestellt worden ist, ein Steuersignal für die Zuführgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu erzeugen.

Ein solcher Sauerstoff-Fühler hat jedoch den Nachteil, daß die Kennlinie seines Ausgangssignals eine sehr starke Temperaturabhängigkeit hat; dies bedeutet, daß ein Bezugsgas, wie beispielsweise Luft, verwendet werden muß; außerdem ist dieser Fühler relativ groß, wobei eine Verringerung seiner Größe zu konstruktiven Problemen führt; und schließlich hat ein solcher Fühler eine relativ geringe mechanische Festigkeit.

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Um diese Nachteile des herkömmlichen Sauerstoff-Fühlers zu vermeiden, wird in der US-PS 4 207 159 eine verbesserte Einrichtung mit einem sauerstoffempfindlichen Element vorgeschlagen, bei dem die Meßzelle für die Sauerstoff-Konzentration durch eine flache und mikroskopisch poröse Schicht aus einem festen Elektrolyten, einer Meßelektrodenschicht, die porös auf einer Seite der Schicht aus dem festen Elektrolyten ausgebildet ist und durch eine Bezugselektrodenschicht gebildet wird, die auf der anderen Seite auf einer Grundplatte oder einem Substrat in der Weise ausgebildet ist, daß sich die Bezugselektrodenschicht zwischen dem Substrat und der Schicht aus dem festen Elektrolyten befindet und makroskopisch gegen die Umgebungsatmosphäre abgeschirmt ist. Jede der drei Schichten auf dem Substrat kann als dünne, filmähnliche Schicht ausgebildet werden. Diese Einrichtung benötigt kein Bezugsgas. Statt dessen ist eine Gleichspannungsquelle mit dem sauerstoffempfindlichen Element verbunden, so daß ein konstanter Gleichstrom (beispielsweise ein Strom mit einer Intensität von ungefähr 10 μ A) zwischen den beiden Elektrodenschichten durch die Schicht aus dem festen Elektrolyten fließen kann , wodurch Sauerstoffionen in einer ausgewählten Richtung durch die Schicht aus dem festen Elektrolyten wandern; als Ergebnis hiervon wird ein als Bezugspunkt dienender Sauerstoff-Partialdruck an der Grenzfläche zwischen der Schicht aus dem festen Elektrolyten und der Bezugselektrodenschicht aufgebaut, während die Meß— elektrodenschicht in Kontakt mit dem Abgas eines Verbrennungsmotors kommt. Wenn der Strom von der Bezugselektrodenschicht durch die Schicht aus dem festen Elektrolyten zu der Meßelektrodenschicht fließt, tritt eine Ionisation des in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffs an der Meßelektrode auf, und die negativ geladenen Sauerstoffionen wandern durch die Schicht aus dem

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festen Elektrolyten zu der Bezugselektrode. Die Zuführgeschwindigkeit des in Ionenform vorliegenden Sauerstoffs zu der Bezugselektrode wird im wesentlichen durch die Intensität des Stroms bestimmt. Die an der Bezugselektrodenschicht ankommenden Sauerstoffionen geben Elektronen ab und wandeln sich in Sauerstoff-Moleküle um, so daß es auf der Bezugselektrodenseite der Konzentrationsmeßzelle zu einer Ansammlung von gasförmigem Sauerstoff kommt. Ein Teil der angesammelten Sauerstoffmoleküle diffundiert jedoch durch die mikroskopischen Gasdurchgänge in der Schicht aus dem festen Elektrolyten nach außen. Deshalb wird es möglich, durch die Verwendung einer geeigneten Stromintensität unter entsprechender Berücksichtigung der mikroskopischen Struktur und Aktivität der Schicht aus dem festen Elektrolyten an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und der Schicht aus dem festen Elektrolyten einen konstanten und relativ hohen Sauerstoffpartialdruck aufrechtzuerhalten, der als Bezugs-Sauerstoffpartialdruck dienen kann. Dadurch wird also zwischen der Be-zugselektrodenschicht und der Meßelektrodenschicht dieses sauerstoffempfindlichen Elementes eine elektromotorische Kraft erzeugt, deren Größe in einer definierten Beziehung zu der Zusammensetzung des Abgases und damit zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches steht, aus dem das Abgas erzeugt wird. Weiterhin ist es möglich, dieses sauerstoffempfindliche Element zu betreiben, indem ein Stromfluß von der Meßelektrodenschicht zu der Bezugselektrodenschicht erzeugt wird. In diesem Fall kann ein konstanter und relativ niedriger Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und der Schicht aus dem festen Elektrolyten aufrechterhalten werden.

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Um einen Gleichstrom mit genau konstanter Intensität zuzuführen, wird ein Konstantstrom-Speisestromkreis verwendet, der eine herkömmliche elektronische Steuerung enthält.

Die Einrichtung nach der US-PS 4 207 159 hat folgende Vorteile: Es muß kein Bezugsgas verwendet werden, sie kann mit relativ geringer Größe hergestellt werden, und sie hat eine gute Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Erschütterungen und Schwindungen.

Bei der Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem Maschinensystem , wie es oben erwähnt wurde, unter Verwendung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors nach der US-PS 4 207 T59 (wie auch im Falle eines herkömmlichen Sauerstoff-Fühlers) ist es üblich, die Kraftstoffzuführung zu dem Motor bei bestimmten Betriebsbedingungen des Motors zu unterbrechen. Zu diesen Bedingungen gehört insbesondere ein rasches Abbremsen des Motors, d.h. eine starke Verringerung seiner Drehzahl, um den unnützen Kraftstoffverbrauch zu vermeiden; gleichzeitig wird auch die Rückkopplungsregelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unterbrochen. Bei diesen Bedingungen tritt jedoch eine beträchtliche Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Abgas und eine Verringerung der Temperatur des Abgases und des sauerstoff empfindlichen Elementes auf, so daß die Gefahr besteht, daß die Aktivität der Schicht aus dem festen Elektrolyten in dem Element sinkt. Dann tritt eine Erhöhung der Menge an Sauerstoffionen, die der Bezugselektrodenschicht zugeführt werden, relativ zu der Menge an SauerStoffmolekülen auf, die durch die Poren in der Schicht aus dem festen Elektrolyten· nach außen diffundieren, obwohl die Intensität des dem Element zugeführten Gleichstroms unverändert gehalten wird; dies hat die Wirkung, daß die Größe des Sauerstoff-

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Partialdrucks auf der Seite der Bezugselektrode sehr viel größer als der ursprünglich angestrebte Wert wird. Wenn dieser Sauerstoff-Partialdruck weiter über einen bestimmten, kritischen Pegel hinaus ansteigt, besteht die erhöhte Wahrscheinlichkeit, daß das sauerstoff empfindliche Element , das durch sehr dünne Schichten gebildet wird, beschädigt oder gar zerstört wird. Eine ähnliche Gefahr besteht auch, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu hoch wird, obwohl die Kraftstoffzuführung nicht vollständig unterbrochen wird, und/oder die Temperatur des Abgases während des Betriebes des sauerstoffempfindlichen Elementes sehr niedrig wird.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für die Rückkopplungs-Regelung des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor zu schaffen, das einen sauerstoffempfindlichen Luft/ Kraftstoff-Verhältnisdetektor des Typs verwendet, wie er in der US-PS 4 207 159 vorgeschlagen wird; dieser sauerstoffempfindliche Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor befindet sich in einem Abgasdurchgang und weist eine zusätzliche Regelschleife auf, um einen unerwünscht starken Anstieg eines Bezugs-Sauerstoff-Partialdrucks zu verhindern, wie er in dem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor dann auftritt, wenn die Kraftstoffzuführung zu dem laufenden Motor unterbrochen wird oder wenn die Zuführgeschwindigkeit des Kraftstoffs so verringert wird, daß sich ein zu hohes Luft/Kraftstoff-Verhältnis einstellt und/oder die Abgastemperatur sehr gering ist.

Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine unerwünscht starke Erhöhung der Größe des Bezugs^Sauerstoffpartialdrucks in dem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor während der Unterbrechung der Kraft-

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stoffzuführung zu dem laufenden Motor zu verhindern. Dies wird durch das erfindungsgemäße System vollständig erreicht. Darüber hinaus können mit dem Regelsystem nach der vorliegenden Erfindung ähnlich unerwünschte Anstiegstendenzen des Bezugs-Sauerstof fpartialdrucks bei bestimmten Betriebsbedingungen , die neben einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr auftreten, verhindert werden.

Das Rückkopplungs-Regelsystem nach der vorliegenden Erfindung weist eine elektrisch steuerbare Kraftstoffzuführung, die in dem Ansaugsystem des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, einen Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor, der in einem Abgasdurchgang für den Motor angeordnet ist und ein sauerstoffempfindliches Element nach Art einer Konzentrationsmeßzelle mit einem Substrat, mit einer mikroskopisch porösen Bezugselektrodenschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist, mit einer mikroskopisch porösen Schicht aus einem Sauerstoffionen-leitenden , festen Elektrolyten, der auf dem Substrat so ausgebildet ist, daß die Bezugselektrodenschicht im wesentlichen vollständig bedeckt ist und mit einer mikroskopisch porösen Meßelektrodenschicht enthält, die auf der Schicht aus dem festen Elektrolyten ausgebildet ist, weiterhin einen Detektor für die Betriebsbedingungen, um ein extrem hohes Luft/Kraftstoff-Verhältnis , wie es dann auftritt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Verbrennungsmotor über einen oberen Grenzwert eines erwarteten Bereiches von Fluktuationen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei der Rückkopplungsregelung und. im Extremfall praktisch im Unendlichen liegt, und/oder eine extrem niedrige Abgastemperatur festzustellen, sobald die Temperatur des Abgases in dem Abgasdurchgang unter einer unteren Grenze des Temperaturbereiches für die effektive Funktion des sauerstoffempfindlichen Elements liegt,

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wobei dieser Detektor ein Steuersignal erzeugt, das die Existenz des festgestellten Zustandes anzeigt, und eine Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals für die Kraftstoffzuführung auf, um die Geschwindigkeit der Kraftstoffzuführung zu dem Verbrennungsmotor so zu steuern, daß durch Ausnutzung des Ausgangssignals des Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors als Rückkopplungssignal ein vorgegebenes Luft/Kraftstoff -Verhältnis aufrechtzuerhalten. Diese Steuereinrichtung enthält eine den Strom zuführende Schaltungsanordnung, um den Fluß eines Gleichstroms vorgegebener Intensität von der Bezugselektrodenschicht durch die Schicht aus dem festen Elektrolyten des sauerstoffempfindlichen Elementes zu der Meßelektrodenschicht zu erzwingen, wodurch die Sauerstoffionen von der Meßelektrodenschicht durch die Schicht aus dem festen Elektrolyten zu der Bezugselektrodenschicht wandern und dadurch an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und der Schicht aus dem festen Elektrolyten einen als Bezugspunkt dienenden Sauerstoff-Partialdruck aufbauen . Außerdem enthält diese Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Änderung der Stromintensität, um zeitweise die Intensität des dem sauerstoffempfindlichen Element zugeführten Gleichstroms von der oben erwähnten, vorgegebenen Intensität zu verringern, während der Detektor für die Betriebsbedingungen weiter das Steuersignal erzeugt, um dadurch einen unerwünscht starken Anstieg des Bezugs-Sauerstoff partialdrucks zu verhindern.

Die den Strom zuführende Schaltungsanordnung weist beispielsweise einen Komparator auf, der basierend auf dem Ergebnis eines Vergleiches zwischen der tatsächlichen Intensität des dem sauerstoffempfindlichen Element zugeführten Stroms und eines Bezugssignals,

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das durch Anlegen einer konstanten Spannung an einen Spannungsteilerwiderstand erzeugt wird/ ein die Stromintensität regulierendes Ausgangssignal, liefert. Die oben erwähnte Einrichtung zur Änderung der Intensität des Stroms hat außerdem noch die Funktion, den Effektivwert des SpannungsteilerwiderStandes in Abhängigkeit von dem Steuersignal zu variieren.

Die Erfindung schafft also ein System für die Rückkopplungs-Regelung bzw. -Steuerung des Luft/Kraftstoff—Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor, wobei ein in jüngster Zeit entwickelter sauerstoffempfindlicher Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor verwendet wird, der in dem Abgas angeordnet wird, um ein Rückkopplungssignal· zu erzeugen. Dieser Detektor weist eine flache und mikroskopisch poröse Schicht aus einem festen Elektrolyten mit einer Meßelektroden schicht auf einer Seite und einer Bezugselektrodenschicht auf der anderen Seite auf, die einem Substrat zugewandt ist. Das Steuersystem enthält eine den Strom zuführende Schaltungsanordnung, um den Fluß eines Gleichstroms zwischen den beiden Elektrodenschichten in der Schicht aus dem festen Elektrolyten zu erzwingen, so daß Sauerstoffionen von der Meßelektrode durch die Schicht aus dem festen Elektrolyten zu der Bezugselektrode wandern, um dadurch an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht un der Schicht aus dem festen Elektrolyten einen als Bezugspunkt dienenden Sauerstoff-Partialdruck aufzubauen. Um einen unerwünscht starken Anstieg dieses Bezugs-Sauerstoffpartialdrucks bei einem starken Anstieg der Sauerstoffmenge im Abgas zu verhindern, wie er sich bei einer Unterbrechung oder starker Verringerung der Kraftstoffzuführung zu dem laufenden Verbrennungsmotor ergibt, weist das Steuersystem einen Kühler auf, um das Vorhandensein eines

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solchen Zustandes festzustellen. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, um zeitweilig die Intensität des Stroms zu verringern, der dem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor zugeführt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Darstellung des Gesamtaufbaus eines Verbrennungsmotors mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines

Sauerstoffempfindlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis detektor s, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer herkömmlichen

Schaltungsanordnung , die dem sauerstoffempfindlichen Element nach Fig. 2 bei dem System nach Fig. 1 einen konstanten Gleichstrom zuführt, und

Fig. 4 ein Schaltdiagramm einer Stromzufuhrspannung, die im Prinzip der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ähnelt, jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert wurde.

In Fig. T ist durch das Bezugszeichen 10 ein Verbrennungsmotor angeordnet, bei dem es sich um den Motor eines Kraftfahrzeugs handeln kann. Dieser Verbrennungsmotor

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ist mit einer Ansaugleitung 12 und einer Abgasleitung 14 versehen. Bei 16 ist eine elektrisch oder elektronisch gesteuerte Kraftstoffzuführeinrichtung angedeutet, wie beispielsweise elektronisch gesteuerte Kraftstoff-Einspritzventile. Ein katalytischer Konverter 18 nimmt einen Teil der Abgasleitung 14 ein und enthält einen herkömmlichen Dreiweg-Katalysator.

Zur Rückkopplungs-Regelung der Kraftstoffzuführeinrichtung 16 mit dem Ziel, dem Verbrennungsmotor 10 während seines normalen Betriebszustandes das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Gemisch zuzuführen und dadurch den Dreiweg-Katalysator in dem Konverter 18 bei seinen optimalen UmwandlungsWirkungsgraden zu betreiben, ist in der Abgasleitung 14 an einer Stelle, die in Strömungsrichtung vor dem katalytischen Konverter 18 liegt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor 20 angeordnet; dabei handelt es sich im Prinzip um einen Sauerstoff-Fühler. Eine elektronische Steuereinheit 22 empfängt das Ausgangssignal des Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors 20 und liefert ein Steuersignal für die Kraftstoffzuführeinrichtung 16, das auf der Größe der durch das Ausgangssignal des Fühlers 20 angedeuteten Abweichung des tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Wert beruht. Die Steuereinheit 22 enthält eine Schaltungsanordnung, um dem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor 20 einen konstanten Gleichstrom zuzuführen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Stromzuführschaltung auch die Funktion, zeitweilig die Intensität des abgegebenen Stroms zu verringern, wenn der Verbrennungsmotor 10 bei bestimmten Betriebsbedingungen läuft, bei denen die Kraftstoff zufuhr von der Einrieb.-

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tung 16 unterbrochen oder so stark verringert wird, daß sich ein sehr starker Anstieg der Abweichung des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Wert zu einem "mageren" Gemisch hin ergibt und/oder die Temperatur des Abgases sehr gering wird. Um diese Betriebsbedingungen festzustellen, enthält das Steuersystem nach Fig. 1 einen Detektor 24 für die Betriebsbedingungen und/oder einen Fühler 26 für die Temperatur des Abgases. Die Ausgangssignale des Detektors bzw. Fühlers 24, 26 werden auf die Steuereinheit 22 gegeben. Die Stromverringerungsfunktion und der Fühler 24 sollen im folgenden im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel des Aufbaus eines sauerstoffempfindlichen Elementes 30 des Sauerstoff-Fühlers, der als Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor 20 in dem System nach Fig. 1 verwendet wird. Dieser Fühler 30 hat im wesentlichen den Aufbau, wie er in der US-PS 4 207 159 erläutert wird.

Ein Substrat 32, das aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, hergestellt ist, dient als Grundteil dieses sauerstoffempfindlichen Elementes und liefert die benötigte mechanische Festigkeit. Üblicherweise ist ein Heizelement 34 in das Substrat 32 aus Aluminiumoxid eingebettet, weil das sauerstoffempfindliche Element 30 nur dann einwandfrei arbeitet, wenn es auf ausreichend hohen Temperaturen gehalten wird, beispielsweise bei Temperaturen von· mehr als 500⁰C. In der Praxis wird das Substrat 32 aus Aluminiumoxid durch eine Verbindung Fläche-an-Fläche von zwei dünnen Blättern bzw. Folien aus Aluminiumoxid hergestellt; eins dieser Blätter ist mit dem Heizelement 34 beispielsweise in Form einer Platinschicht versehen, die in einem

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geeigneten Muster angeordnet ist.

Eine Elektrodenschicht 36 ist auf einer Seite des Substrates 32 ausgebildet. Auf der gleichen Seite ist eine Schicht aus einem Sauerstoffionen-leitenden, festen Elektrolyten, wie beispielsweise ZrO„, das mit CaO oder Y₂ ⁰ 3 stabilisiert ist, ausgebildet, so daß es im wesentlichen die gesamte Fläche der Elektrodenschicht 36 bedeckt. Eine weitere Elektrodenschicht 40 ist auf der äußeren Oberfläche der Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten ausgebildet. Platin ist ein typisches Beispiel für ein elektronisch leitendes Material für die innere und äußere Elektrodenschicht 36 und 40. Bei jeder dieser drei Schichten 36, 38 und 40 handelt es sich um eine dünne, filmartige Schicht (obwohl diese Schicht im Sinne der derzeitigen elektronischen Technologie "dick" ist), so daß die Gesamtdicke dieser drei Schichten nur beispielsweise ca. 20 μΐη beträgt. Makroskopisch ist die innere Elektrodenschicht 36 vollständig durch das Substrat 32 und die Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten gegen die Umgebungsatmosphäre abgeschirmt. Sowohl die Schicht 38 aus deia festen Elektrolyten als auch die äußere Elektrodenschicht 40 (dies gilt auch für die innere Elektrodenschicht 36) sind mikroskopisch porös und durchlässig für Gasmoleküle. Diese drei Schichten 36, 38 und 40 bilden eine Meßzelle für die Sauerstoff-Konzentration, die eine elektromotorische Kraft erzeugt, wenn zwischen der Seite der inneren Elektrode und der Seite der äußeren Elektrode der Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten eine Differenz Iia Sauerstoffpartialdruck auftritt. Dieses Element 30 ist so ausgelegt, daß es an der Grenzfläche zwischen der inneren Elektrodenschicht 36 und der Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten einen Bezugs-Sauerstoffpartialdruck aufbaut, indem von außen der Konzentrationsmeßzelle ein

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Gleichstrom in der Weise zugeführt wird, daß er zwischen den beiden Elektrodenschichten 36 und 40 durch die Schicht 38 aus den festen Elektrolyten fließt, während die äußere Elektrodenschicht 40 dem zu messenden Gas ausgesetzt wird, nämlich dem Abgas, das durch die in Fig. 1 dargestellte Abgasleitung fließt. Dementsprechend wird die innere Elektrode 36 als Bezugselektrodenschicht bezeichnet, während die äußere Elektrodenschicht 40 als Meßelektrodenschicht bezeichnet wird.

An dem Substrat 32 sind drei Leitungsanschlüsse 42, 44 und 46 angebracht. Die Bezugselektrodenschicht 36 ist elektrisch entweder direkt oder über eine Leitung 37 mit der Anschlußleitung 42 verbunden; die Meßelektrodenschicht 40 ist elektrisch entweder direkt oder über eine Leitung 41 mit der Änschlußleitung 44 verbunden. Das Heizelement 34 ist entweder direkt oder über Leitungen 33, 35 mit den Anschlußleitungen 44 und 46 verbunden, so daß die Anschlußleitung 44 als Erd- bzw. Massenanschluß dient, der dem Heizelement 34 und der Sauerstof fkonzentrationsmeßzelle des Elementes 30 gemeinsam ist. Der oben erwähnte Gleichstrom wird der Sauerstoffkonzentrationsmeßzelle so zugeführt, daß er von der Anschlußleitung 42 durch die Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten zu der Erd-Anschlußleitung 44 fließt; die durch die Sauerstoffkonzentrationsmeßzelle erzeugte, elektromotorische Kraft wird zwischen diesen beiden Anschlußleitungen 42 und 44 gemessen.

In einer für die Praxis gedachten Ausführung wird das sauerstoffempfindliche Element 30 im wesentlichen vollständig mit einer gasdurchlässigen, porösen Schutzschicht 48 aus einem keramischen Material bedeckt, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Spinell oder Kalziumzirkonat.

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Das Funktionsprinzip dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 30 ist bereits oben erörtert worden.

Fig. 3 zeigt eine Konstantstrom-Speiseschaltung 50, die bisher als Teil einer der Einheit 22 in Fig. 1 entsprechenden Steuereinheit verwendet wird, um dem sauerstoffempfindlichen Element 30 des Detektors 20 einen Gleichstrom mit konstanter Intensität zuzuführen.

Diese Schaltungsanordnung 50 weist Widerstände 52 und 54 auf, die unter Zwischenschaltung eines Transistors 56 in der Weise in Reihe geschaltet sind, daß ein Gleichstrom von vorgegebener Intensität, der von einer Spannungsquelle V ausgeht, über die Anschlußleitung

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42 durch den Widerstand 52, die Emitter/Kollektor-Strecke des Transistors 56 und den Widerstand 54 zu dem sauerstoffempfindlichen Element 30 fließt. Der negative Eingang eines !Comparators 58 ist an einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 52 und dem Transistor 56 angeschlossen, so daß die Intensität des dem sauerstoffempfindlichen Element 30 zugeführten Stroms immer durch diesen Komparator 58 überwacht wird, wenn die Größe der Spannung an dem Widerstand 52 abfällt. Die Quellenspannung V wird ebenfalls einem Spannungsteiler zugeführt, der durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände 60 und 62 gebildet wird. Der positive Eingang des Komparators 58 ist an einem. Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Widerständen und 62 angeschlossen, während der Ausgang des Komparators 58 mit der Basis des Transistors 56 über einen Widerstand 64 verbunden ist. Die Widerstände 60 und 62 haben jeweils solche Widerstandswerte, daß. die Größe des Spannungsabfalls an dem Widerstand 60 als Bezugswert dient, der der vorgegebenen Intensität des

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Gleichstroms entspricht, der dem sauerstoffempfindlichen Element 30 zugeführt wird. Basierend auf dem Ergebnis eines Vergleiches zwischen den beiden Span— nungsabfallwerten, die jeweils auf den negativen bzw. positiven Eingang geführt werden, reguliert der Komparator 58 den Basis-Strom des Transistors 56. Im einzelnen bedeutet dies folgendes: Wenn die Größe des Spannungsabfalls, der dem Widerstand 52 zugeordnet ist, größer als der Bezugswert ist, was heißt, daß die Intensität des Stroms zu dem sauerstoffempfindlichen Element 30 kleiner als die vorgegebene Intensität ist, so bewirkt das Ausgangssignal des Komparators 58, daß der Basis-Strom des Transistors 56 zunimmt, wodurch wiederum der Strom für das sauerstoffempfindliche Element 30 bis zu der vorgegebenen Intensität erhöht wird. Im ungekehrten Falle verursacht das Ausgangssignal des Komparators 48 eine Verringerung des Basis-Stroms des Transistors 56, wodurch die Stromintensität für das sauerstoffempfindliche Element 30 auf die vorgegebene Intensität verringert wird. Auf diese Weise kann der Fluß eines konstanten Gleichstroms in dem sauerstoffempfindlichen Element 30 sogar dann aufrechterhalten werden, wenn beispielsweise eine Änderung im Innenwiderstand des Elementes 30 auftritt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine Stromzuführschaltung nach der vorliegenden Erfindung, die · in die Steuereinheit 22 nach Fig. 1 aufgebaut ist. Diese Schaltungsanordnung 70 ähnelt im Grundprinzip im wesentlichen der Schaltungsanordnung 50 nach Fig. 4. Als einzige Modifikation weist diese Schaltungsanordnung 70 zwei in Reihe geschaltete Widerstände 66 und 68 statt des Spannungsteilerwiderstandes 6 0 bei Schaltungsanordnung

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50 nach Fig. 3 sowie einen Schalttransistor 72 auf, dessen Kollektor/Emitter-Strecke parallel zu dem Widerstand 66 geschaltet ist. Die Basis dieses Transistors 72 ist mit einem Fühler 74 verbunden, der dem Detektor 24 für die Betriebsbedingungen und/oder dem Fühler 26 für die Temperatur des Abgases in Fig. 2 entspricht. Diese Verbindung kann beispielsweise über eine Signal— behandlungsschaltung (nicht dargestellt) erfolgen. Die Summe der Widerstandswerte der beiden Widerstände ■ 66 und 68 stimmt mit dem Widerstandswert des Widerstandes 60 nach Fig. 3 überein. Der Transistor 72 wird während des Betriebs der Rückkopplungs-Regelung für das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis im nicht-leitenden Zustand gehalten. Dementsprechend wird die Größe des Spannungsabfalls, der auf die Widerstände 6 6 und 68 zurückzuführen ist, für die Funktion des !Comparators 58 als Bezugswert genommen, um dem sauerstoffempfindlichen Element 30 auf die gleiche Weise, wie es oben unter Bezugnahme auf die Schaltung .50. nach Fig. 3 beschrieben wurde, einen konstanten Strom zuzuführen.

Der Fühler 74 erzeugt ein Signal S , das bewirkt, daß der Transistor 72 leitend wird, wenn dieser Fühler feststellt, daß der Verbrennungsmotor 10 unter solchen Bedingungen läuft, daß die Größe des Bezugs-Sauerstoffpartialdrucks in dem sauerstoffempfindlichen Element 30 unerwünscht groß wird, wenn weiter ein Strom mit der vorgegebenen Intensität zugeführt wird.

Im einzelnen ergibt sich dabei folgende Funktionsweise: Das Signal S„ wird erzeugt, wenn der Fühler 74 feststellt, daß die Kraftstoffzuführung zu dem Verbrennungsmotor 10 unterbrochen oder die Geschwindigkeit der Kraftstoffzuführung so verringert wird, daß das sich ergebende Luft/Kraftstoff-Verhältnis merklich höher als der obere Grenzwert eines erwarteten Fluktuations-

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Bereiches des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei der Rückkopplungsregelung wird und/oder die Temperatur des Abgases unter einem vorgegebenen, unteren Grenzwert liegt. Numerisch beträgt der erwartete Fluktuationsbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei der Rückkopplungs-Regelung, d.h., der Umfang eines zulässigen Fehlers bei der Regelung, üblicherweise + 0,25 (ausgedrückt im Luft/Kraftstoff-Verhältnis nach Gewicht) in bezug auf den Zielwert der Steuerung, wie beispielsweise ein stochiometrisch.es Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 bei einem Benzinmotor und ungefähr + 0,5 im größten Fall, während die untere Grenze der Temperatur des Abgases üblicherweise auf dem Bereich von 250⁰C bis 300⁰C eingestellt wird. Die Parameter der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors , die von dem Fühler 24 festgestellt werden können, werden aus folgenden Parametern ausgewählt: Aus dem Austreten eines Signals für die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr, aus dem Zustand des Steuersignals für die Kraftstoffeinspritzung, wie beispielsweise die Dauer der einzelnen Impulse eines Impulssignals, au3 dem Zustand der Funktion der Kraftstoff-Einspritzdüsen, aus dem Auftreten eines Auslösesignals für die Rückkopplungs-Regelung, und aus einer Kombination von wenigstens zwei der folgenden Werte: der Größe des Ansaug-Unterdrucks, der Geschwindigkeit der Luftansaugung, dem Ausmaß der Öffnung der Drosselkappe und der Drehzahl des Motors. Außerdem wird selbstverständlich noch die Temperatur des Abgases berücksichtigt, wie oben erwähnt wurde. Außerdem kann noch eine unerwünschte Bedingung festgestellt werden, bei der das Steuersignal für die Kraftstoffzuführung die Geschwindigkeit der Kraftstoffzuführung für eine zu lange Zeitspanne weiter verringert. In der Praxis sind der Fühler 24 und/oder die oben erwähnte Signal-

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behandlungssehaltung so ausgelegt, daß das Signal S

et

nur dann erzeugt wird, wenn eine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr oder ein sehr hohes Luft/Kraftstoff-Verhältnis und/oder eine sehr niedrige Abgastemperatur für eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten werden.

Wenn der Transistor 72 in Abhängigkeit von dem Signal

S„ leitend wird, wird der Widerstand 66 kurzgeschlossen a

und damit umgangen, so daß die Größe des Spannungsabfalls, die dem Komparator 58 als Bezugswert zugeführt wird, höher wird. Dann ändert sich das Ausgangssignal des Komparators 58, um den Basis-Strom des Transistors 56 zu verringern, bis der dem sauerstoffempfindlichen Element 30 zugeführte Strom so weit abgenommen hat, daß die Größe des Spannungsabfalls von dem festen Widerstand 52 abnimmt und mit dem verringerten Bezugswert übereinstimmt.

Die Verringerung der Intensität des durch die Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten des sauerstoffempfindlichen Elementes 30 fließenden Stroms führt zu einer Verringerung der Zuführgeschwindigkeit des Sauerstoffs in Form von Ionen von der Meßelektrodenschicht 40 zu· der Bezugselektrodenschicht 36. Deshalb kann ein unerwünscht starker Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht 38 und die Möglichkeit der sich ergebenden Beschädigung bzw. Zerstörung des sauerstoffempfindlichen Elementes 30 effektiv ausgeschlossen werden, d.h. das Element hat eine wesentlich verlängerte Lebensdauer.

Beim Verschwinden des Signals S nimmt der Transistor

72 wieder den nicht-leitenden £stand ein, so daß die Intensität des Stroms, der dem sauerstoffempfindlichen Element 30 zugeführt wird, auf den ursprünglich eingestellten Wert ansteigt.

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Das sauerstoffempfindliche Element 30 nach Fig. 2 kann auch für die Feststellung eines nicht-stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingesetzt werden, und
zwar für die Feststellung eines Wertes, der entweder
höher oder niedriger als das stöchiometrische Verhältnis ist, indem die Intensität des Gleichstroms, der
in der Schicht 38 aus dem festen'Elektrolyten fließt,
in geeigneter Weise festgelegt wird. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war das stöchiometrische Verhältnis das Ziel der Rückkopplungsregelung des Luft/KraftstoffVerhältnisses.
Die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch auch bei
analogen Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerungen einsetzen, die so ausgelegt werden, daß ein nicht
stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufrechterhalten wird, indem ein sauerstoffempfindliches
Element des in Fig. 2 gezeigten Typs eingesetzt wird.

Das sauerstoffempfindliche Element 30 nach Fig. 2 kann auch betrieben werden, indem der Fluß eines konstanten Gleichstroms von der Meßelektrodenschicht 40 durch die Schicht 38 aus dem festen Elektrolyten zu der Bezugselektrodenschicht 36 erzwungen wird. Das Grundkonzept
der vorliegenden Erfindung ist auch dann zweckmäßig,
wenn das Element 30 mit einer Stromzuführung in dieser Richtung betrieben wird. In einem solchen Fall sollten die hier beschriebenen Kennlinien bzw. Kenndaten der
Regelfunktion für die Stromintensität der Stromzuführschaltung nach der Erfindung umgekehrt werden.

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■Ik

L e e r s e i t e

Claims

PA PHI

A. GRUNECKER

O'Pt--ING.

H. KlNKELDEY

DR ING.

W. STOCKMAlR

OR-ING. - Ae£ ICALTECH)

K. SCHUMANN

DR FER ΝΛΤ. · DIH-FWS

P. H. JAKOB

EH PL-INa

G. BEZOLD

DR. RER NAT - OPU-CHEM.

Nissan Motor Co., Ltd. of No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,
Yokohama City, Japan

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 15 508 /Da

26. Sept. 1980

System für die Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor mit einer Einrichtung für die Zuführung eines gesteuerten Stroms zu einem Sauerstoff-Fühler

^; Patentansprüche

{ 1 Λ System für die Rückkopplungs-Regelung des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses eines einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches, gekennzeichnet durch eine im Ansaugsystem des Verbrennungsmotors vorgesehene, elektrisch steuerbare Kraftstoff-Zuführung (16), durch

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TELEFON (089) 22 2862

TEUEX OS-29S8O

TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOP1ERER

einen im Abgasdurchgang für den Verbrennungsmotor angeordneten Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor (20) mit einem sauerstoffempfindlichen Element (30) nach Art eines Konzentrations-Meßelementes mit einem Substrat (32), mit einer mikroskopisch porösen, auf dem Substrat (32) ausgebildeten Bezugs-Elektrodenschicht (36), mit einer mikroskopisch porösen Schicht (38) aus einem Sauerstoffionen-leitenden, festen Elektrolyten, die so auf dem Substrat (32) ausgebildet ist, daß die Bezugselektrodenschicht (36) im wesentlichen vollständig bedeckt ist, und mit einer mikroskopisch porösen, auf der festen Elektrolyt-Schicht (38) ausgebildeten Meßelektrodenschicht, weiterhin durch einen Betriebsbedingungen-Detektor (24, 26, 74) für die Feststellung eines zu hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wobei das Luft/Kraftstoff-Verhältnis über einer oberen Grenze eines erwarteten Fluktuations-Bereiches des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unter der Rückkopplungs-Regelung liegt und im Extremfall praktisch unendlich ist, und/oder einer zu niedrigen Abgastemperatür, wobei die Temperatur des Abgases in dem Abgasdurchgang unter einer unteren Grenze eines Temperaturbereiches für die effektive Funktion des sauerstoffempfindlichen Elementes liegt, wobei der Betriebsbedingungen-Detektor (24, 26, 74) ein Steuersignal (S ) erzeugt, das die Existenz der festgestellten Betriebsbedingung anzeigt, und durch eine Steuereinrichtung (22, 70) für die Lieferung eines Steuersignals für die Kraftstoff-Zuführung (16), um unter Ausnutzung des Ausgangssignals des Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors (20) als Rückkopplungssignal die Geschwindigkeit, mit der der Kraftstoff dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, so zu steuern, daß ein vorgegebenes Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufrechterhalten wird, wobei die Steuereinrichtung eine stromzuführende Schaltungsanordnung (70) , um das Fließen eines Gleichstroms von vorgegebener Intensität von der Bezugs-

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elektrodenschicht (36) durch die feste Elektrolytschicht des sauerstoffempfindlichen Elementes (30) zu der Meßelektrodenschicht (40) zu erzwingen, so daß Sauerstoff-Ionen von der Meßelektrodenschicht durch die feste Elektrolytschicht zu der Bezugselektrodenschicht (36) wandern und dadurch ein als Bezugspunkt dienender Sauerstoff-Partialdruck an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht aufgebaut wird, und eine Einrichtung (66, 68, 72, 58, 56) zur Änderung der Stromintensität aufweist, um zeitweilig die Intensität des Gleichstroms von der vorgegebenen Intensität zu verringern, während der Betriebsbedingungen-Detektor (24, 26, 74) weiter das Steuersignal erzeugt, wodurch ein unerwünscht starker Anstieg des als Bezugspunkt dienenden Sauerstoff-Partialdrucks verhindert wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom zuführende Schaltungsanordnung (70) einen Komparator (58) aufweist, der ein die Stromintensität regulierendes Ausgangssignal auf der Basis des Ergebnisses eines Vergleichs zwischen der tatsächlichen Intensität des Gleichstroms und einem Bezugssignal erzeugt, das durch das Anlegen einer konstanten Spannung an einen Spannungsteilerwiderstand (66, 68) geliefert wird, und daß die Einrichtung zur Änderung der Stromintensität eine Einrichtung (72) zur Änderung des Effektivwertes des Spannungsteilerwiderstandes (66, 68) in Abhängigkeit von dem Steuersignal aufweist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (72) zur Änderung des Effektivwertes des Spannungsteilerwiderstandes (66, 68) einen Schalttransistor aufweist, der einen Teil des Spannungsteiler-

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Widerstandes (66, 68) in Abhängigkeit von dem Steuersignal kurzschließt.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsbedingungen-Detektor (74, 24) ein zu hohes Luft/Kraftstoff-Verhältnis dadurch ermittelt, daß wenigstens eine der folgenden Bedingungen überwacht und festgestellt wird:

(a) das Auftreten eines Signals, das die Unterbrechung der Kraftstoff-Zuführung bewirkt,

(b) der tatsächliche Zustand der Funktion der Kraftstoff-Zuführung (16) ,

(c) der tatsächliche Zustand des Steuersignals, und (d). eine Kombination von wenigstens zwei der folgenden Werte, nämlich der Größe des Ansaug-Unterdrucks, der Geschwindigkeit der Luftansaugung, das Ausmaß der Öffnung der Drosselklappe und die Drehzahl des Verbrennungsmotors.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffempfindliche Element (30) ein an dem Substrat (32) angebrachtes Heizelement (34) aufweist.

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